AP-8改性瀝青混合料疲勞性能分析

徐冬梅 羅琦

摘要：為研究AP8改性劑復(fù)合改性硬質(zhì)瀝青混合料的抗疲勞性能，優(yōu)化橋面鋪裝材料的整體性能，文章以PMB25瀝青為參考對象，采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)研究了不同配合比例的基礎(chǔ)瀝青（30#瀝青和70#瀝青）對勁度模量、疲勞加載次數(shù)、滯后角等指標(biāo)的影響。結(jié)果顯示：AP8改性劑能夠良好改善基質(zhì)瀝青的抗疲勞性能，隨著油石比的增加，勁度模量值呈下降趨勢，破壞時(shí)的疲勞加載次數(shù)和滯后角呈增加趨勢;隨著加載次數(shù)的增加，滯后角呈逐漸增加趨勢，PMB25瀝青的滯后角隨加載次數(shù)變化敏感性高于AP8改性瀝青;而隨著應(yīng)變水平的增加，AP8改性瀝青混合料的疲勞加載次數(shù)呈下降趨勢，其中AH70#改性瀝青受應(yīng)變水平影響高于AH30#改性瀝青;隨拌合溫度的增加，AP8瀝青混合料的勁度模量呈增加趨勢，滯后角呈下降趨勢，在180 ℃～240 ℃時(shí)，溫度變化對滯后角影響更為顯著，在240 ℃～260 ℃時(shí)，滯后角變化較為平緩。匯總研究成果可知，合理地調(diào)整最佳瀝青用量或控制拌合溫度，能夠降低或避免AP8瀝青混合料老化問題，提高橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的整體剛度。

關(guān)鍵詞：橋面鋪裝;澆筑式瀝青混合料;AP8改性劑;疲勞特性;拌合溫度;滯后角

In order to study the fatigue resistance of AP8 modifier composite modified hard asphalt mixture and optimize the overall performance of bridge deck pavement materials，with PMB25 asphalt as reference object，this article uses fourpoint bending fatigue test to study the influence of basic asphalt （30# asphalt and 70# asphalt） with different mixing proportions on the stiffness modulus，fatigue loading times，and lag angle.The results show that AP8 modifier can improve the fatigue resistance of matrix asphalt，and，with the increase of oilstone ratio，the stiffness modulus decreases，and the number of fatigue loading and the lag angle at the time of failure show the increasing trend;with the increasing number of loading times，the lag angle increases gradually.The lag angle of PMB25 asphalt is more sensitive than AP8 modified asphalt with the increasing number of loading times;with the increase of strain level，the fatigue loading times of AP8 modified asphalt mixture show a downward trend，wherein the AH70# modified asphalt is more affected by the strain level than the AH30# modified asphalt;with the increase of mixing temperature，the stiffness modulus of the AP8 asphalt mixture increases，and the lag angle shows the downward trend，and，at 180°C～240°C，the temperature change has a more significant effect on the lag angle.At 240°C～260°C，the lag angle changes more gently.By summarizing the research results，reasonably adjusting the optimal asphalt dosage or controlling the mixing temperature can reduce or avoid the aging problem of AP8 asphalt mixture and improve the overall rigidity of bridge deck pavement structure.

Bridge deck paving;Pouring asphalt mixture;AP8 modifier;Fatigue characteristics;Mixing temperature;Lag angle

0 引言

近年來，澆筑式瀝青混合料（GA）在國內(nèi)鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中得到了大力的推廣應(yīng)用。鑒于其良好的路用性能和獨(dú)特的施工工藝要求，國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)陸續(xù)開展了有關(guān)GA方面的研究，如混合料級配組成、高粘改性瀝青、瀝青混合料改性劑等。張領(lǐng)先[1]等人以動態(tài)貫入度及貫入度增量作為GA的高溫穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)開展研究，提出了影響瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性能的有關(guān)因素，并采用灰熵關(guān)聯(lián)度進(jìn)行相應(yīng)的分析。歐陽男[2]等人采用高彈改性瀝青進(jìn)行澆筑式瀝青混合料的研究，提出高彈改性瀝青混合料的抗疲勞性能、高溫性能優(yōu)良，但施工和易性一般。張肖寧[3]等人研究了GMA和MA不同成型工藝對澆筑式瀝青混合料的性能的影響，提出了GMA工藝的基本參數(shù)。王民[4]采用橡膠粉復(fù)合改性瀝青和巖瀝青復(fù)合改性瀝青進(jìn)行對比分析，對橡膠粉在澆筑式瀝青混合料的應(yīng)用提出了新觀點(diǎn);通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)建成已久的大橋出現(xiàn)了不同程度的裂縫，且伴隨夏季高溫和冬季低溫的交替影響，早期病害持續(xù)頻繁增加，該結(jié)果表明澆筑式瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、施工流動性和柔韌性之間存在一定的矛盾，很難通過配合比優(yōu)化解決這三種指標(biāo)的關(guān)系。

本文結(jié)合前期研究成果，提出采用全效能瀝青改性劑AP-8產(chǎn)品對基質(zhì)瀝青、巖瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，通過四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)分析瀝青結(jié)合料類型、油石比、拌合溫度等對混合料疲勞性能指標(biāo)的影響，為澆筑式瀝青混合料在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 原材料選擇

文中選擇30#、70#基質(zhì)瀝青為基礎(chǔ)，以AP-8改性劑（見表2）和天然湖瀝青（TLA）（見表1）對其進(jìn)行復(fù)合改性;粗集料選用玄武巖，細(xì)集料選擇石灰?guī)r、水洗機(jī)制砂，礦粉選擇石灰?guī)r，其性能技術(shù)指標(biāo)均滿足要求。

1.2 瀝青膠結(jié)料配比與級配設(shè)計(jì)

（1）課題組選擇30#、70#兩種基質(zhì)瀝青，通過添加TLA和AP-8改性劑進(jìn)行改性，其配比分別為AH30#+TLA+AP-8（70%+25%+5%）（以下簡稱“1#”）和AH70#+TLA+AP-8（60%+35%+5%）（以下簡稱“2#”），選擇PMB-25瀝青為參考對象（以下簡稱“3#”），試驗(yàn)檢測結(jié)果見表3。

（2）鑒于澆筑式瀝青混合料級配設(shè)計(jì)無完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本文參照德國、日本和俄羅斯等國家的標(biāo)準(zhǔn)級配設(shè)計(jì)范圍，確定了GA-10澆筑式瀝青混合料合成級配（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%），見表4。

1.3 疲勞試驗(yàn)選擇

目前，GA瀝青混合料在國外得到了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)近幾年也逐漸在橋面鋪裝、防水結(jié)構(gòu)層方面提出了推薦應(yīng)用計(jì)劃。與普通瀝青混合料相比，GA填料、細(xì)集料、瀝青含量較高，結(jié)構(gòu)空隙<1%（具有良好的粘彈性），流動度較好，施工溫度在220 ℃～240 ℃，屬于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，力學(xué)強(qiáng)度與瀝青膠結(jié)料性能密切相關(guān)。經(jīng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯示GA瀝青混合料易出現(xiàn)疲勞裂縫，嚴(yán)重影響了橋面結(jié)構(gòu)層的使用壽命。SHRP通過對各試驗(yàn)方法的參數(shù)進(jìn)行敏感性可靠度分析，提出四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)對瀝青膠結(jié)料的敏感性較強(qiáng)。

本文按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20-2011）試驗(yàn)方法[5]，采用UTM-100電動液壓伺服試驗(yàn)機(jī)，溫度為15 ℃，試件尺寸為385 mm×65 mm×50 mm，對勁度模量、加載次數(shù)、滯后角等指標(biāo)進(jìn)行疲勞性能分析。

2 結(jié)果分析

2.1 瀝青混合料影響因素分析

動態(tài)勁度模量值越大，表明相同條件下瀝青路面的應(yīng)力與應(yīng)變比值越大，能夠承受的荷載越大，由圖1分析可知：

（1）瀝青混合料類型對勁度模量存在顯著影響，初始勁度模量代表瀝青混合料未經(jīng)受荷載作用下的初始狀態(tài)，其中3#瀝青的勁度模量值最大，1#和2#瀝青的勁度模量值相接近。但隨著加載次數(shù)的增加，3#瀝青的勁度模量值衰減最嚴(yán)重，與加載次數(shù)呈線性下降趨勢。在油石比為8.5%時(shí)，3#瀝青混合料試件破壞時(shí)的疲勞加載次數(shù)達(dá)到12.5×104，而1#瀝青混合料試件與2#瀝青混合料試件的疲勞加載次數(shù)遠(yuǎn)高于3#瀝青混合料試件，均達(dá)到了100×104。

（2）瀝青混合料的油石比變化對勁度模量也存在顯著影響，隨著油石比的增加，累積的加載次數(shù)也增加，但不同瀝青類型間的變化程度并不一致。在合理的瀝青用量的條件下，2#瀝青混合料試件的GA疲勞特性最佳，1#瀝青混合料試件次之，3#瀝青混合料試件的最差。說明采用AP-8與硬質(zhì)瀝青TLA復(fù)合改性的GA瀝青混凝土的抗疲勞性能優(yōu)良，抵抗車輛荷載和路面變形的能力優(yōu)于其他產(chǎn)品。

2.2 滯后角影響因素分析

圖2描述了3種瀝青混合料滯后角隨加載次數(shù)變化的曲線，滯后角表征了瀝青混合料粘彈性之間組分比例的大小，滯后角越大，黏性成分越多;反之GA瀝青混合料傾向于彈性。分析可知：油石比增加，滯后角也隨之增加。這說明瀝青用量增加，提高了GA瀝青混合料瀝青膠漿組分比例，瀝青膜厚度增加，混合料黏性成分增加，在荷載作用下產(chǎn)生變形的滯后性更為顯著。如2#瀝青混合料試件，在油石比為8.0%和8.5%時(shí)，加載破壞時(shí)的滯后角分別為31.8°和36°。

滯后角隨加載次數(shù)的增加呈逐漸增加的變化趨勢，說明相同瀝青用量條件下，GA瀝青混合料隨疲勞作用次數(shù)的增加，滯后性越顯著，瀝青混合料中黏性成分增加，可恢復(fù)的彈性成分降低。其中3#瀝青混合料試件的滯后角隨加載次數(shù)變化的敏感性高于1#瀝青混合料試件與2#瀝青混合料試件。

綜上所述，瀝青膠結(jié)料類型、用量均對GA瀝青混合料的滯后角等存在顯著影響，且二者對其影響程度并不一致。對于AP-8復(fù)合改性瀝青而言，如何調(diào)整合理的油石比范圍對提高GA瀝青混合料的疲勞壽命、提高車輛荷載抵抗變形能力具有重要的意義。

2.3 應(yīng)變水平與疲勞加載次數(shù)的關(guān)系分析

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)彎曲程度，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600 μ、800 μ、1 200 μ和1 400 μ進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3描述了3種GA瀝青混合料加載次數(shù)隨應(yīng)變水平變化的曲線，分析可知：加載次數(shù)隨應(yīng)變水平的增加顯著下降，二者呈冪函數(shù)關(guān)系（見表5）。其中，2#瀝青混合料試件的曲線斜率最大，1#瀝青混合料試件次之，3#瀝青混合料試件最小，說明2#瀝青混合料試件受應(yīng)變水平影響幅度較大，應(yīng)變水平為1 400 μ時(shí)，加載次數(shù)為5.365×104，降低了95.7%（與應(yīng)變水平600 μ相比），1#瀝青混合料試件加載次數(shù)降低了71.7%，3#瀝青混合料試件則下降了63.6%。

2.4 拌合溫度影響因素分析

拌合溫度的高低決定了GA瀝青混合料是否具備良好的流動性、施工和易性。國外一般采用的施工溫度為200 ℃～220 ℃，而國內(nèi)部分橋面工程采用了240 ℃的施工溫度才能獲得良好的流動性，但溫度的提高將導(dǎo)致瀝青膠結(jié)料的加速老化，進(jìn)一步影響GA瀝青混合料的疲勞特性。選擇拌合溫度180 ℃、200 ℃、220 ℃、240 ℃和260 ℃進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果見圖4～6。

對圖4～5分析可知：

（1）隨著拌合溫度的增加，勁度模量呈逐漸增加的趨勢，且二者具有較高相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.87以上。說明拌合溫度對GA瀝青混合料疲勞特性存在顯著影響，合理地控制拌合溫度能夠有效保證路用性能。以2#瀝青混合料試件為例，溫度在180 ℃、260 ℃時(shí)的初始勁度模量為11 256 MPa和12 550 MPa。

（2）拌合溫度對加載次數(shù)也存在顯著影響，溫度的提高進(jìn)一步降低了GA瀝青混合料疲勞破壞的加載次數(shù)。根據(jù)不同溫度下勁度模量與加載次數(shù)關(guān)系曲線，利用方程擬合得到了二者關(guān)系的公式（見表6）。分析發(fā)現(xiàn)勁度模量變化的斜率值隨溫度的提高而顯著增加，說明拌合溫度的增加提高了GA瀝青混合料勁度模量對加載次數(shù)的敏感性。如溫度在180 ℃、260 ℃時(shí)，加載次數(shù)分別為14×105和9×105。

（3）拌合溫度對3種GA瀝青混合料的滯后角影響見圖6。分析可知：隨著拌合溫度的增加，滯后角呈線性下降趨勢，且溫度增加對滯后角劣化幅度與瀝青類型相關(guān)。拌合溫度的增加促進(jìn)GA瀝青混合料黏性成分發(fā)生轉(zhuǎn)移，降低了抗疲勞性能。如2#瀝青混合料試件，溫度為180 ℃～260 ℃時(shí)，滯后角分別為46°和33°，降低了約28.2%，1#瀝青混合料試件和3#瀝青混合料試件分別降低了約42.4%和37.5%。

（4）不同的拌合溫度范圍對滯后角影響的規(guī)律并不一致，在180 ℃～240 ℃時(shí)，溫度變化對滯后角劣化幅度更為顯著;而在240 ℃～260 ℃時(shí)，滯后角變化較為平緩。數(shù)據(jù)顯示2#、1#和3#瀝青混合料試件的滯后角降低了約24.6%、40.7%和39.6%（在240 ℃時(shí)）;而在260 ℃時(shí)，3種瀝青的滯后角分別下降了約4.8%、2.8%和3.4%（與240 ℃相比）。

文獻(xiàn)指出拌合溫度的升高對瀝青混合料的影響主要是促進(jìn)了瀝青老化，對瀝青組分進(jìn)行轉(zhuǎn)移，瀝青質(zhì)增加，輕質(zhì)組分、改性劑等進(jìn)一步揮發(fā)[6]。因此，針對GA瀝青混合料而言，較高的拌合溫度直接促進(jìn)了瀝青老化，影響了AP-8改性劑對瀝青性能改善的作用，表現(xiàn)出疲勞性能降低。建議AP-8改性澆筑式瀝青混合料在考慮拌合料工作性、流動性的同時(shí)降低或嚴(yán)格控制溫度，避免溫度過高而劣化GA混合料的疲勞特性。

3 結(jié)語

（1）AP-8改性劑能夠良好改善基質(zhì)瀝青的抗疲勞性能，顯著提高勁度模量值和疲勞加載次數(shù)指標(biāo);基礎(chǔ)瀝青類型和油石比變化均對勁度模量、疲勞加載次數(shù)、滯后角等指標(biāo)存在顯著影響，其中隨著油石比的增加，勁度模量值呈下降趨勢，破壞時(shí)的疲勞加載次數(shù)和滯后角呈增加趨勢。

（2）滯后角隨加載次數(shù)的增加呈逐漸增加的變化趨勢，PMB-25瀝青的滯后角隨加載次數(shù)變化的敏感性高于AH30#+TLA+AP-8瀝青與AH70#+TLA+AP-8瀝青;隨應(yīng)變水平的增加，AP-8改性瀝青混合料的疲勞加載次數(shù)呈下降趨勢，其中AH70#+TLA+AP-8瀝青受應(yīng)變水平影響高于AH30#+TLA+AP-8瀝青。

（3）隨拌合溫度的增加，AP-8改性瀝青混合料的勁度模量呈逐漸增加趨勢，滯后角呈下降趨勢，提高了勁度模量受加載次數(shù)影響的敏感性，降低了混合料的疲勞壽命。其中，在180 ℃～240 ℃時(shí)，溫度變化對滯后角影響更為顯著;而在240 ℃～260 ℃時(shí)，滯后角變化較為平緩。建議施工過程中在考慮拌合料工作性、流動性的同時(shí)宜降低拌合溫度，避免溫度過高而劣化AP-8改性瀝青混合料的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]張領(lǐng)先.基于動態(tài)貫入度試驗(yàn)的澆注式瀝青混凝土高溫性能影響因素分析[J].中外公路，2013，33（1）：233-237.

[2]歐陽男.高彈改性瀝青應(yīng)用于澆筑式瀝青混合料的性能研究[J].公路工程，2018，43（3）：215-218，286.

[3]聶 文，張肖寧，吳志勇.不同工藝對澆筑式瀝青混料疲勞性能的影響[J].交通科學(xué)與工程，2013，29（4）：8-12.

[4]王 民.橡膠粉復(fù)合改性瀝青澆筑式瀝青混凝土性能研究[J].交通科學(xué)與工程，2012，28（1）;21-24.

[5]JTGE20-2011，公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[6]王 民，周啟偉，胡德勇，等.三種不同鋼橋面鋪裝材料的疲勞特性分析[J].公路工程，2016（3）：40-42.