復(fù)合改性澆筑式瀝青混合料疲勞性能分析

張代平

(廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

鑒于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和良好的路用性能，澆筑式瀝青混合料在國(guó)外橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。與普通瀝青混合相比，澆筑式瀝青混合料具有“三高”特點(diǎn)，即瀝青含量高、填料和細(xì)集料含量高及拌合溫度高，其特殊結(jié)構(gòu)性質(zhì)保證了結(jié)構(gòu)空隙率<1%。近年來(lái)，我國(guó)也逐漸在大型橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中開始應(yīng)用澆筑式瀝青混合料，如上海東海大橋、重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋等。由此針對(duì)GA瀝青混合料的研究也逐漸重視起來(lái)，楊錫武分析了CRP與SBS復(fù)合改性瀝青的基本性能，為GA瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)[1][3]；張華等人研究了澆筑式瀝青混凝土疲勞損傷過(guò)程，針對(duì)其破壞過(guò)程建立了預(yù)估疲勞方程[2]。

結(jié)合工程實(shí)踐現(xiàn)狀，GA瀝青混合料的應(yīng)用仍存在一定的問(wèn)題，如在重載交通下，山東勝利黃河大橋橋面局部出現(xiàn)了網(wǎng)狀裂縫和橫、縱裂縫；應(yīng)用該技術(shù)較早的江陰長(zhǎng)江大橋，早期也出現(xiàn)了一系列的病害問(wèn)題。因此，本文通過(guò)采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)分析了復(fù)合改性瀝青類型、油石比、應(yīng)變水平及拌合溫度等主要因素對(duì)勁度模量、加載次數(shù)、滯后角及耗散能指標(biāo)的影響，為實(shí)體工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 原材料選擇

澆筑式瀝青混合料具有較高的瀝青含量，在高溫條件下需具備良好的流動(dòng)性、和易性，瀝青膠結(jié)料的性能、類型對(duì)混合料性能具有重要的貢獻(xiàn)。文中選擇國(guó)內(nèi)常用的瀝青為基礎(chǔ)(30#70#基質(zhì)瀝青)，選用天然湖瀝青(TLA)和SBS改性劑對(duì)其復(fù)合改性，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[4]進(jìn)行檢測(cè)，其技術(shù)指標(biāo)見表1和表2，同時(shí)選擇德國(guó)生產(chǎn)PMB25作為對(duì)比產(chǎn)品，其性能技術(shù)指標(biāo)均滿足要求；粗集料選用質(zhì)地堅(jiān)硬、性能穩(wěn)定、強(qiáng)度高的玄武巖(礦料加熱達(dá)到280 ℃～330 ℃，對(duì)原材料的耐熱、耐高溫性能要求較高)，細(xì)集料選擇石灰?guī)r水洗機(jī)制砂，其測(cè)試結(jié)果見表3和表4。

表1 30#70#瀝青性能檢測(cè)結(jié)果對(duì)比表

表2 TLA技術(shù)指標(biāo)表

表3 集料技術(shù)指標(biāo)表

1.2 試驗(yàn)方案

(1)GA復(fù)合改性瀝青最佳配比。通過(guò)利用軟化點(diǎn)、針入度、延度及黏度指標(biāo)分析基質(zhì)瀝青、TLA及SBS改性劑用量變化對(duì)GA復(fù)合改性瀝青性能的影響，提出了基于30#、70#基質(zhì)瀝青的兩種合理配比，即AH30#+TLA+SBS(69%+25%+6%)和AH70#+TLA+SBS(60%+35%+5%)。

(2)GA-10級(jí)配設(shè)計(jì)。鑒于國(guó)內(nèi)對(duì)澆筑式瀝青混合料研究較少，混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方面尚無(wú)完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，文中參照德國(guó)、日本和俄羅斯等國(guó)家對(duì)GA瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配設(shè)計(jì)范圍[5][6]，結(jié)合GA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(典型的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，粗集料偏少、細(xì)集料多，瀝青含量大，空隙率<1%)，確定了GA-10澆注式瀝青混合料合成級(jí)配(見表4)。

表4 GA-10級(jí)配組成表

(3)試驗(yàn)方法。文中考慮GA瀝青混合料結(jié)構(gòu)特性，選擇對(duì)瀝青膠結(jié)料敏感性顯著的小梁四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行疲勞性能檢測(cè)，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行試驗(yàn)。采用UTM-100電動(dòng)液壓伺服試驗(yàn)機(jī)，采用正弦波應(yīng)變控制模式，頻率10 Hz，溫度15 ℃，試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸為385 mm×65 mm×50 mm。通過(guò)加載次數(shù)、應(yīng)變值、勁度模量、耗散能等指標(biāo)對(duì)GA瀝青混合料疲勞性能進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 瀝青含量對(duì)勁度模量的影響變化

瀝青用量對(duì)GA瀝青混合料空隙率、流動(dòng)和易性具有重要作用，關(guān)系到整個(gè)橋面結(jié)構(gòu)層的使用壽命。試驗(yàn)選擇采用油石比8.0%、8.5%和9.0%，應(yīng)變水平600μ，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

動(dòng)態(tài)勁度模量反映了行車過(guò)程中瀝青路面結(jié)構(gòu)抵抗變形和荷載的能力，其值越大表明相同條件下瀝青路面的應(yīng)力與應(yīng)變比值越大，承受荷載越大，應(yīng)變變形降低[7]。圖1顯示了3種不同瀝青用量下勁度模量與加載次數(shù)關(guān)系曲線，分析可知：

(a)

(b)

(c)圖1 不同瀝青用量下勁度模量試驗(yàn)結(jié)果變化曲線圖

(1)油石比變化對(duì)勁度模量具有較大影響，隨著油石比增加，初始勁度模量呈下降趨勢(shì)。初始勁度模量表征了瀝青混合料未受車輛荷載作用時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變初始狀態(tài)，隨著瀝青用量的增加，達(dá)到50%初始勁度模量的疲勞破壞壽命相應(yīng)地延長(zhǎng)，但超過(guò)最佳瀝青用量時(shí)，疲勞作用次數(shù)逐漸降低。如AH70#瀝青，油石比8.0%、9.0%時(shí)的初始勁度模量值分別為9 453 MPa、8 154 MPa，達(dá)到50%破壞時(shí)的加載次數(shù)分比為6.25×105和10×105，而油石比在8.5%時(shí)的疲勞作用次數(shù)為12×105。同樣，對(duì)于AH30#瀝青，油石比8.0%、8.5%和9.0%時(shí)的初始勁度模量值分別為8 734 MPa、8 345 MPa和7 986 MPa，疲勞作用次數(shù)分別為5×105、11×105和10×105。

(2)AH70#+TLA+SBS瀝青的GA疲勞特性最佳，AH30#+TLA+SBS次之，PMB25的最差。說(shuō)明采用硬質(zhì)瀝青TLA+SBS復(fù)合改性的GA瀝青混凝土的勁度模量值遠(yuǎn)高于德國(guó)產(chǎn)品，抵抗車輛荷載和路面變形的能力優(yōu)于其他產(chǎn)品。

2.2 應(yīng)變水平對(duì)勁度模量的影響變化

瀝青路面結(jié)構(gòu)豎向位移反映了荷載反復(fù)作用下的局部車轍變形與整體結(jié)構(gòu)彎曲，室內(nèi)試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，表征GA瀝青混合料發(fā)生豎向彎曲的變形程度，研究采用應(yīng)變水平600μ、800μ、1 200μ、1 400μ進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

(a)

(b)

(c)圖2 不同應(yīng)變水平下勁度模量試驗(yàn)結(jié)果變化曲線圖

圖2描述了3種GA瀝青混合料在不同應(yīng)變水平下，勁度模量與加載次數(shù)變化曲線，分析可知：

(1)勁度模量隨應(yīng)變水平的增加而下降，且隨疲勞破壞次數(shù)增加，不同應(yīng)變水平的勁度模量值差異性變大。說(shuō)明隨著應(yīng)變水平增加，劣化了GA瀝青混合料的疲勞壽命，對(duì)于橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，GA瀝青混合料在車輛荷載反復(fù)作用下逐漸發(fā)生彎曲破壞，試驗(yàn)控制應(yīng)變水平大小代表GA瀝青混合料初始荷載作用下的彎曲變形程度，該彎曲變形程度越大，GA瀝青混合料的疲勞壽命也越短，表現(xiàn)出疲勞作用次數(shù)的下降。如AH70#瀝青，應(yīng)用水平600μ和1 200μ，初始勁度模量分別為9 453 MPa和9 155 MPa，在加載次數(shù)4.5×105時(shí)，勁度模量值分別為5 120 MPa和4 358 MPa，且二者的疲勞壽命為6.25×105和4.5×105，相差約28%。

(2)不同瀝青類型下，應(yīng)變水平對(duì)勁度模量的影響程度也不相同，AH70#瀝青GA瀝青混合料受應(yīng)變水平影響顯著，(與應(yīng)變水平600μ相比)破壞時(shí)的勁度模量劣化8.7%，疲勞壽命降低了28%；AH30#瀝青的勁度模量和疲勞次數(shù)降低了0.6%和20%。

2.3 應(yīng)變水平對(duì)累積能耗的影響變化

(a)

(b)圖3 不同應(yīng)變水平下累積耗散能試驗(yàn)結(jié)果變化示意圖

圖3顯示了GA瀝青混合料初始能耗、累積能耗隨應(yīng)變水平的變化情況，由此可知：

(1)GA瀝青混合料初始能耗隨應(yīng)變水平的增加呈線性增加趨勢(shì)，累積能耗呈線性下降趨勢(shì)，且應(yīng)變水平對(duì)能耗的影響程度與瀝青膠結(jié)料類型有關(guān)，其中PMB25AH30#瀝青初始能耗變化幅度較為顯著，AH70#瀝青的累積能耗劣化顯著。如應(yīng)變水平1 400μ時(shí)，AH70#、AH30#和PMB25瀝青的初始能耗值分別提高了9.9%、24.2%和23.0%，累積能耗值分別降低了92.0%、59.8%和52.4%(與應(yīng)變水平600相比)。

(2)累積耗散能隨應(yīng)變水平的增加而顯著下降，應(yīng)變控制較小時(shí)(GA瀝青混合料初始彎曲變形較小)疲勞作用次數(shù)延長(zhǎng)，累積壽命增加，瀝青混合料的累積耗散能自然也多，提高了瀝青混合料彎曲變形，試驗(yàn)結(jié)果顯示達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)的疲勞作用次數(shù)下降，累積耗能降低[8]。因此，GA瀝青混合料鋪筑橋面結(jié)構(gòu)，應(yīng)變水平的變化與實(shí)際橋面結(jié)構(gòu)的變形相一致，為提高橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，則應(yīng)降低荷載作用下橋面的結(jié)構(gòu)變形，適當(dāng)提高橋面剛度。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)瀝青用量對(duì)GA瀝青混合料的勁度模量和疲勞加載次數(shù)指標(biāo)存在顯著影響，隨瀝青用量增加，勁度模量呈下降趨勢(shì)，破壞時(shí)的疲勞加載次數(shù)呈先增加后下降的趨勢(shì)。合理的最佳瀝青用量有助于提高GA瀝青混合料的抗疲勞特性。

(2)隨應(yīng)變水平的增加，GA瀝青混合料的勁度模量呈冪函數(shù)下降趨勢(shì)，累積耗散能呈線性函數(shù)關(guān)系下降，破壞時(shí)的加載次數(shù)顯著降低，嚴(yán)重劣化了混合料的疲勞壽命。同時(shí)，建議提高鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的剛度或嚴(yán)禁過(guò)大荷載作用來(lái)降低GA結(jié)構(gòu)的彎曲變形，以延長(zhǎng)其疲勞壽命。

(3)瀝青膠結(jié)料的類型對(duì)GA瀝青混合料的抗疲勞特性也存在較大影響，AH70#+TLA+SBS瀝青勁度模量和破壞疲勞加載次數(shù)值高于AH30#+TLA+SBS和PMB25，其抗疲勞特性最佳，AH30#+TLA+SBS次之，PMB25的最差。