考慮集料-瀝青交互作用的瀝青疲勞性能

虞將苗,朱升暉

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

0 引言

道路的疲勞開裂是主要的路面破壞形式，很大程度上制約著道路的服役壽命。因此，瀝青和瀝青混合料的疲勞失效問題一直是道路工程領(lǐng)域研究的重點。在瀝青混合料的疲勞研究方面，劉亞敏等[1]認(rèn)為彎拉勁度模量可以表征瀝青混合料在疲勞過程中的力學(xué)狀態(tài)變化，并推算出疲勞壽命。朱海鵬等[2]進(jìn)行了預(yù)設(shè)裂縫的瀝青復(fù)合小梁疲勞試驗，并探討了梁底部支撐方式及預(yù)設(shè)裂縫位置對小梁的裂縫擴(kuò)展和疲勞壽命的影響。在瀝青的疲勞特性研究方面，張含宇等[3]以老化的改性瀝青為對象進(jìn)行了多種疲勞試驗，認(rèn)為線性振幅掃描(LAS)試驗對瀝青的疲勞性能的評價效果最好。孫大權(quán)等[4-5]則分別定義了基于重復(fù)加載疲勞試驗的新疲勞指標(biāo)并分析了指標(biāo)的可行性和適用性。田霜等[6]完成了基于黏彈特性的瀝青疲勞損傷規(guī)律分析，提出疲勞損傷變量指標(biāo)并驗證了其與瀝青疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制的關(guān)聯(lián)性。

目前，針對瀝青疲勞性能的研究主要側(cè)重于各疲勞試驗之間評價效果的對比、各疲勞指標(biāo)的評價效果對比以及新的疲勞指標(biāo)的提出和有效性驗證這幾個方面，而越來越多的研究表明，瀝青與基板的邊緣接觸特性會對瀝青的力學(xué)性能測定結(jié)果產(chǎn)生影響。SCHOLZ等[7]將DSR下載板分別改裝為花崗巖、石灰?guī)r、玄武巖和硬砂巖進(jìn)行流變試驗，結(jié)果表明不同巖石對試驗結(jié)果影響較大。RODRIGUES等[8]通過研究認(rèn)為重油中的大分子團(tuán)聚體會在礦物表面形成吸附層。王元[9]完成了基于不同集料基板的瀝青膠漿的疲勞性能試驗，提出集料-瀝青膠漿界面的疲勞評價指標(biāo)并分析荷載下的界面黏結(jié)特性。DONG等[10]則完成了不同集料基板下的膠漿流變試驗，建立了考慮集料-膠漿交互特性的力學(xué)模型，探究了受界面黏結(jié)特性影響的瀝青膠漿的力學(xué)行為。

綜上所述，集料與瀝青之間復(fù)雜的交互作用，包括界面能量耗散，集料成分引起瀝青化學(xué)組分、分子結(jié)構(gòu)的變化等，最終導(dǎo)致不同集料接觸狀態(tài)下測定的瀝青力學(xué)性能的差異性，而在目前的研究中，鮮見關(guān)于不同集料接觸狀態(tài)下，瀝青疲勞性能的差異性研究，如果忽略瀝青與集料真實的接觸特性對瀝青疲勞性能的影響，試驗得到的瀝青疲勞指標(biāo)將與真實服役環(huán)境下的瀝青疲勞性能之間存在偏差，影響疲勞預(yù)測的準(zhǔn)確性?；诖?，本研究加工了3種不同類型集料基板，對瀝青進(jìn)行重復(fù)剪切時間掃描(TS)疲勞試驗及LAS疲勞試驗，采用不同疲勞指標(biāo)分析基于不同集料基板瀝青疲勞性能的差異。此外，進(jìn)行基于集料基板的直接拉伸(DT)試驗，測定拉拔強(qiáng)度，評估集料和瀝青交互作用對瀝青力學(xué)性能的影響，建立與疲勞試驗結(jié)果的聯(lián)系。

1 材料和試驗方法

1.1 試驗材料

本研究選用的瀝青材料為A級70號石油瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)的測試方法，技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 A級70號石油瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indicators of class A 70# oil asphalt

本研究選用的集料為石灰?guī)r、輝綠巖和花崗巖，集料的礦物成分差異將導(dǎo)致微觀界面區(qū)瀝青組分的選擇性吸附，礦物組成元素中Ca、Mg、Al等元素能提供強(qiáng)陽極位點，與瀝青的陰極位點產(chǎn)生氫鍵結(jié)合[11]，因此，有必要測定所用3種集料的酸堿特性，以保證集料與瀝青之間化學(xué)吸附作用的差異性。采用了X射線熒光光譜分析測試方法，確定了集料的礦物成分見表2。

表2 3種集料的礦物組成結(jié)果Tab.2 Results of mineral composition of three aggregate types

由表2可知，所選3種集料的礦物組成存在顯著差異，集料巖性的差異意味著不同類型集料與瀝青之間具有不同的化學(xué)吸附作用，進(jìn)而導(dǎo)致不同的黏附性能。SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于65 %，可認(rèn)定為酸性石料，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52 %～65 %可認(rèn)定為中性石料，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于52 %為堿性石料。基于此，石灰?guī)r為典型的堿性石料，輝綠巖SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)略大于52 %，屬于中性石料，其還含有一定量的鈣、鎂、鋁和鐵化合物，花崗巖SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66.9 %，并含有一定量的Al2O3，為酸性石料。一般而言，堿性集料由于存在的強(qiáng)陽極位能與瀝青的陰極位點結(jié)合成氫鍵，二者黏附性相對較好，而酸性集料則具有親水、憎油的性質(zhì)，與瀝青黏附性相對較差，基于3種不同巖性的石料和瀝青之間具有不同的交互作用，開展疲勞試驗研究。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗準(zhǔn)備工作

本研究采用AR2000ex型動態(tài)剪切流變儀(DSR)進(jìn)行試驗。對于3種類型集料，均采用同樣的切割方式加工為直徑8 mm、高5 mm的圓柱形集料轉(zhuǎn)子，并采用1 200目砂紙進(jìn)行精細(xì)打磨處理。

在流變儀的歸零校正模式下，將加工完畢的集料轉(zhuǎn)子通過高強(qiáng)膠水黏結(jié)于儀器的上下平行基板，在膠水未固化時間內(nèi)，通過位置微調(diào)保證集料轉(zhuǎn)子和基座之間、轉(zhuǎn)子之間同軸。經(jīng)試驗論證，歸零后養(yǎng)生1 h，膠水固化強(qiáng)度滿足試驗要求,歸零示意圖見圖1。

圖1 集料基板間隙歸零Fig.1 Clearance between two aggregate substrates return to zero

1.2.2 疲勞試驗

根據(jù)DONG等[10]對基于集料基板的瀝青膠漿模量研究結(jié)果，沿瀝青膠漿厚度方向，在35 ℃的溫度條件時，約1 000 μm膜厚范圍瀝青膠漿模量仍受膠漿-集料界面特性影響，考慮2 000 μm集料板間距下瀝青流動影響試驗結(jié)果，同時放大界面集料和瀝青交互作用的影響，本研究的疲勞試驗集料轉(zhuǎn)子間距均設(shè)置為1 000 μm。其他參數(shù)設(shè)置如下：

TS試驗：溫度35 ℃，頻率10 Hz，應(yīng)力控制模式，取25、30、40 kPa應(yīng)力水平。

LAS試驗：考慮現(xiàn)有試驗條件及與TS試驗更好的可對比性，試驗溫度仍取35 ℃，頻率掃描部分控制應(yīng)變0.1 %，頻率掃描范圍0.1～30 Hz。振幅掃描部分的加載時間5 min，加載的正弦波振幅從0.1 %線性增長至30 %。

1.2.3 DT試驗

采用集料轉(zhuǎn)子代替金屬板進(jìn)行DT試驗，得到不同集料與瀝青黏附特性，分析黏附差異與疲勞試驗結(jié)果的關(guān)系，試驗采用動態(tài)剪切流變儀的拉拔試驗?zāi)Ｊ?，借助儀器的歸零校準(zhǔn)模式，有效控制瀝青試樣層厚度。本研究中DT試驗參數(shù)為：拉伸速率1 μm/s，集料轉(zhuǎn)子間的瀝青層厚度150 μm。

2 評價方法及試驗結(jié)果分析

2.1 TS疲勞試驗評價方法

2.1.1 傳統(tǒng)型疲勞指標(biāo)

通過分析疲勞試驗過程中瀝青復(fù)數(shù)模量以及相位角等指標(biāo)的衰減變化規(guī)律，RAITHBY等[12]提出了目前使用相對廣泛的經(jīng)驗性疲勞判定指標(biāo)N50，其表征復(fù)數(shù)模量降低至初始值的50 %所對應(yīng)的剪切次數(shù)，該指標(biāo)與混合料的疲勞判定指標(biāo)相對應(yīng)。

2.1.2 基于耗散能的疲勞指標(biāo)

每個正弦式加載周期內(nèi)瀝青應(yīng)變峰值滯后于應(yīng)力峰值，應(yīng)力-應(yīng)變曲線形成的滯后環(huán)的面積即為耗散能，可通過瀝青每個周期耗散能變化，分析瀝青的疲勞性能變化。

耗散能變化率E是從耗散能改變的速度判別疲勞性能的指標(biāo)，其計算[13]見式(1)和式(2)。疲勞試驗后期，宏觀裂紋擴(kuò)展，耗散能變化率從相對穩(wěn)定向急劇增大轉(zhuǎn)變，以耗散能變化率-加載次數(shù)曲線上的拐點作為瀝青疲勞評價指標(biāo)(NE),示意圖見圖2。

圖2 70#瀝青疲勞試驗的耗散能變化率曲線(0.03 MPa，35 ℃)Fig.2 E curve of 70# asphalt fatigue test(0.03 MPa，35 ℃)

(1)

(2)

AHMED等[14]通過研究瀝青混合料的疲勞行為，定義了簡化能量耗散率指標(biāo)R，其表達(dá)形式為加載次數(shù)i與第i次加載時動態(tài)模量的乘積：

(3)

已有研究表明，將此指標(biāo)應(yīng)用于瀝青膠結(jié)料時，在應(yīng)力控制模式下，簡化能量耗散率-加載次數(shù)曲線具有明顯拐點，本研究以拐點處的荷載作用次數(shù)作為瀝青疲勞壽命NR，評價不同集料接觸狀態(tài)下瀝青疲勞壽命差異。

2.2 LAS疲勞試驗評價方法

LAS是基于黏彈性連續(xù)損傷理論的疲勞試驗方法。從頻率掃描部分獲得材料未損傷時的特性參數(shù)α以計算疲勞方程中的參數(shù)B，結(jié)合振幅掃描測試結(jié)果獲得疲勞方程參數(shù)A，通過疲勞方程得到疲勞壽命Nf，具體求解見式(4)～(12)。

G′(ω)=|G*(ω)|×cosδ(ω),

(4)

logG′(ω)=m(logω)+b,

(5)

式中：G′(ω)為儲存模量，|G*(ω)|為復(fù)數(shù)剪切模量，δ(ω)為相位角,ω為頻率。

(6)

(7)

(8)

式中：α為瀝青流變特性參數(shù);D為疲勞損傷參數(shù);γi為ti時刻的材料應(yīng)變，%;|G*|(i)為ti時刻的復(fù)數(shù)剪切模量;|G*|0為材料初始復(fù)數(shù)剪切模量。

對于特定時間t，Ct和Dt關(guān)系如下：

lg(C0-Ct)=lg(C1)+C2×lg(Dt),

(9)

式中:C0=1;C1和C2可由線性擬合求出。

(10)

式中：Df為疲勞破壞點;Cpeakstress為峰值剪切應(yīng)力對應(yīng)的C值。

疲勞方程計算公式如下：

圖3 70#瀝青的法向力-位移曲線(35 ℃) Fig.3 Normal force-displacement curve of 70# asphalt(35 ℃)

(11)

Nf=A(γmax)B，

(12)

式中:f為加載頻率，10 Hz；k=1+(1-C2)α；B=-2α;γmax為路面預(yù)估最大應(yīng)變。

2.3 DT試驗評價方法

基于DSR的拉拔試驗?zāi)Ｊ竭M(jìn)行DT試驗，可得到拉拔力-位移曲線(如圖3所示)，進(jìn)而得到瀝青與不同集料黏附狀態(tài)下的延展特性，不同集料與瀝青之間交互作用存在著差異，因而黏附強(qiáng)度也表現(xiàn)出差異性。

2.4 試驗結(jié)果分析

2.4.1 TS疲勞試驗結(jié)果及分析

試驗得到的25、30、40 kPa應(yīng)力水平控制下，基于3種集料基板類型的各瀝青復(fù)數(shù)模量-加載次數(shù)曲線如圖4所示。

(a) 25 kPa 應(yīng)力水平

(b) 30 kPa 應(yīng)力水平

(c) 40 kPa 應(yīng)力水平

由圖4可知，3種應(yīng)力水平下，3種集料-瀝青組合類型的瀝青模量總體均呈現(xiàn)隨荷載次數(shù)增加而下降的趨勢，在試驗初期，25、30 kPa應(yīng)力水平下的瀝青的模量曲線呈現(xiàn)出反復(fù)震蕩形態(tài)，而在40 kPa應(yīng)力水平下并未出現(xiàn)。袁燕[15]在研究中發(fā)現(xiàn)瀝青在小應(yīng)變階段出現(xiàn)模量增加的現(xiàn)象，并將其歸結(jié)為分子取向。在本研究中，側(cè)重考察了不同集料基板對瀝青的影響，集料與瀝青在界面處存在復(fù)雜的物理化學(xué)耦合作用，這種交互作用可能是導(dǎo)致瀝青初期模量反復(fù)的因素，且與加載的應(yīng)力水平大小相關(guān)。

不同應(yīng)力及組合下的瀝青疲勞曲線均表現(xiàn)出了緩慢下降和加速破壞2個階段，3種應(yīng)力水平的各組合下的瀝青初始模量排序未有一致性。25 kPa應(yīng)力水平下，根據(jù)曲線的轉(zhuǎn)折點，花崗巖基板的瀝青率先進(jìn)入加速破壞階段，然后是輝綠巖基板的瀝青，二者時間相差不大，而石灰?guī)r基板的瀝青經(jīng)歷了更長的緩慢下降時期，表現(xiàn)出了比其他兩個組合更好的疲勞性能。對于30 kPa應(yīng)力水平，隨著荷載次數(shù)增加，花崗巖基板的瀝青模量下降速度增快，大約第300 000次加載后其模量開始低于石灰?guī)r基板的瀝青，并隨后與輝綠巖基板瀝青曲線相交，率先進(jìn)入加速疲勞破壞的階段。再考察40 kPa的應(yīng)力水平下各組合的瀝青疲勞曲線，花崗巖基板的瀝青初始模量介于其他2個組合之間，隨著荷載次數(shù)增加，其亦表現(xiàn)出了與30 kPa應(yīng)力水平一致的率先進(jìn)入加速疲勞破壞階段的現(xiàn)象。

采用3種疲勞破壞指標(biāo)表征各集料基板類型下瀝青的疲勞性能，結(jié)果見表3。

表3 不同應(yīng)力水平下3種集料類型的瀝青疲勞壽命Tab.3 Asphalt fatigue life of three aggregate types at different stress levels

圖5 瀝青疲勞壽命與應(yīng)力雙對數(shù)關(guān)系Fig.5 Double logarithm relations between fatigue life of asphalt and stress

由表3可知，在3種應(yīng)力水平下，采用3種疲勞性能指標(biāo)對各組合的瀝青疲勞壽命進(jìn)行表征，各指標(biāo)結(jié)果具有一致性，疲勞壽命排序均為石灰?guī)r>輝綠巖>花崗巖。在25 kPa應(yīng)力水平下，石灰?guī)r基板的瀝青疲勞性能明顯優(yōu)于其他2種組合，而在30 kPa和40 kPa應(yīng)力水平，其他2種組合與石灰?guī)r基板的疲勞性能差距得到減小。

選取NE疲勞指標(biāo)，采用線性擬合方法擬合材料的疲勞回歸方程lgNE=K-nlgσ(K、n為回歸系數(shù),σ為應(yīng)力水平)，結(jié)果見圖5和表4。

表4 應(yīng)力模式下瀝青的疲勞方程Tab.4 Asphalt fatigue equation under stress mode

由圖5及表4可知，石灰?guī)r基板的瀝青曲線位于最上方，瀝青疲勞壽命顯著高于其他2種集料基板，疲勞性能相對最好，各應(yīng)力水平下輝綠巖基板的瀝青疲勞性能略優(yōu)于花崗巖基板，但二者之間相差較小。

ZHU等[16]將混合料分為集料區(qū)、界面過渡區(qū)(interfacial transition zone，ITZ)以及膠漿區(qū)3個區(qū)域，通過研究發(fā)現(xiàn)ITZ區(qū)域模量處于集料與膠漿之間，且ITZ的力學(xué)性能更接近于集料而非膠漿。此外，其還認(rèn)為混合料中ITZ性質(zhì)與化學(xué)吸附作用密切相關(guān)，厚度一般在5～20 μm。

圖6 DSR試樣區(qū)域劃分圖Fig.6 Zoning diagram of DSR samples

本文認(rèn)為一種可能的解釋是，集料與瀝青發(fā)生黏附，在微觀層面上也能分為集料區(qū)、界面過渡區(qū)(ITZ)及瀝青區(qū)3個部分(圖6)。集料與ITZ之間的界面黏附狀態(tài)，以及ITZ區(qū)瀝青由于化學(xué)性質(zhì)改變導(dǎo)致的力學(xué)性能變化，可能導(dǎo)致了瀝青疲勞性能的差異。所用石灰?guī)r集料中CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較多，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)少，屬于堿性石料，輝綠巖屬于中性石料，而花崗巖屬于酸性石料，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，按照化學(xué)反應(yīng)理論，石灰?guī)r表面存在的Ca2+等陽離子堿性活性中心，與瀝青的酸性活性組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)吸附作用相對最強(qiáng)，中性石料次之，而酸性石料表面缺乏堿性活性中心，與瀝青之間的化學(xué)吸附作用則相對最弱。

這也意味著，3種組合中，石灰?guī)r集料與ITZ區(qū)界面黏附相對更緊密，ITZ區(qū)力學(xué)性能相對更好，而花崗巖集料-瀝青組合則相對較差。在循環(huán)加載過程中，石灰?guī)r集料與ITZ區(qū)的界面抗黏附破壞能力更高，接觸界面因滑移和摩擦產(chǎn)生的能耗將更小，此外，ITZ區(qū)域瀝青因化學(xué)吸附作用分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，抗黏聚破壞能力可能得到了提升，二者綜合作用下，石灰?guī)r基板的瀝青整體表現(xiàn)出了更好的抗疲勞性能。相反地，酸性的花崗巖與酸性的瀝青黏附主要依賴于物理吸附作用，瀝青的抗黏附破壞能力及抗黏聚破壞能力相對較低，石料與ITZ區(qū)的界面處的黏結(jié)不足可能導(dǎo)致在循環(huán)剪切應(yīng)力下，瀝青和集料的摩擦導(dǎo)致的能量耗散相對更多，ITZ區(qū)瀝青與花崗巖的化學(xué)作用微弱，力學(xué)性能未得到明顯的提升，在二者的綜合作用下，花崗巖基板的瀝青表現(xiàn)出了相對更差的疲勞力學(xué)性能。

2.4.2 LAS試驗結(jié)果及分析

王超[17]對瀝青材料進(jìn)行LAS試驗，發(fā)現(xiàn)隨著剪切應(yīng)變增加，剪切應(yīng)力與相位角均存在峰值且相位角峰值滯后于剪切應(yīng)力峰值出現(xiàn)，認(rèn)為瀝青的疲勞試驗可能是一個先屈服后失效的過程。為更好地理解不同集料基板下瀝青的疲勞損傷行為，本研究對瀝青的剪切應(yīng)力及相位角進(jìn)行了繪圖分析，如圖7、圖8所示。

圖7 3種集料類型的瀝青剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Shear stress-strain curves of asphalt in contact with aggregates of three types

圖8 3種集料類型的瀝青相位角曲線Fig.8 Phase angle curves of asphalt in contact with aggregates of three types

由圖7可知，3種集料基板類型下的瀝青應(yīng)力-應(yīng)變曲線形式相似，均是先上升后下降，在應(yīng)變達(dá)到30 %時3條曲線的剪切應(yīng)力值與峰值剪切應(yīng)力相比呈現(xiàn)顯著下降，表明瀝青出現(xiàn)了明顯的疲勞損壞。剪切應(yīng)力峰值點為屈服應(yīng)力點，對應(yīng)于疲勞壽命計算中的疲勞失效點，不同集料基板的瀝青屈服應(yīng)力排序為花崗巖>石灰?guī)r>輝綠巖，石灰?guī)r基板的瀝青屈服應(yīng)力略小于花崗巖基板，但二者相差不大，而輝綠巖基板的瀝青屈服應(yīng)力明顯小于花崗巖和石灰?guī)r。不同集料基板的瀝青屈服應(yīng)變排序為石灰?guī)r>花崗巖>輝綠巖，石灰?guī)r基板的瀝青屈服應(yīng)變最大，而花崗巖基板和輝綠巖基板的瀝青屈服應(yīng)變相差不大。

由圖8可知，隨著應(yīng)變逐漸增大，基于不同集料基板的瀝青相位角變化呈現(xiàn)差異，在開始階段3種組合下的瀝青相位角出現(xiàn)陡降，隨后3種組合相位角隨應(yīng)變增大而增大，花崗巖基板下的瀝青在約18 %應(yīng)變時開始下降，相位角存在峰值，而其他兩種組合的瀝青相位角則仍然繼續(xù)增加，未出現(xiàn)峰值。

根據(jù)以上結(jié)果可以推測，真實的集料與瀝青接觸條件對瀝青的力學(xué)性能產(chǎn)生了影響，且不同的集料與瀝青組合，瀝青的屈服應(yīng)力與屈服應(yīng)變排序上未顯示出一致性，瀝青相位角的變化曲線也呈現(xiàn)明顯差異，表明瀝青在集料接觸狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)是較為復(fù)雜的。此外，由于單純的屈服應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系并不能全面反映材料的疲勞性能，需進(jìn)一步分析瀝青的損傷特征曲線，繪制如圖9所示。其中，C代表完整性參數(shù)，D代表累計疲勞損傷參數(shù)。對于特定的D值，C值越低，則代表樣品的破壞程度越高，意味著樣品的抵抗疲勞損傷能力更差。由圖9可知，振幅掃描初始的低應(yīng)變階段，D值較小，瀝青的C值下降幅度不大，且不同的集料基板類型下瀝青的C值差別不顯著。而隨著應(yīng)變線性增加，D值增加，瀝青損傷程度增加，不同集料與瀝青組合下的瀝青完整性參數(shù)C值差異趨于明顯，相同橫坐標(biāo)下不同集料基板的瀝青C值排序為石灰?guī)r>輝綠巖>花崗巖，其中花崗巖基板的瀝青明顯小于石灰?guī)r和輝綠巖基板，且隨著D值增加，花崗巖基板的瀝青與其他2種組合的瀝青C值差異更明顯。

采用2.2節(jié)的疲勞計算方法，繪制應(yīng)變范圍0.01～0.10疲勞壽命預(yù)測曲線見圖10，并將2.5 %和5 %應(yīng)變下的瀝青疲勞壽命匯總于表5。

圖9 3種集料類型下的瀝青C-D曲線Fig.9 C-D curves of asphalt of three aggregate types

圖10 3種集料類型下的瀝青疲勞壽命對比Fig.10 Comparison of asphalt fatigue life of three aggregate types

表5 基于VECD模型的瀝青疲勞壽命Tab.5 Fatigue life of asphalt based on VECD model

由圖10和表5可知，隨著應(yīng)變水平增大，瀝青的疲勞壽命顯著降低。不同集料基板的瀝青疲勞性能之間存在差異，瀝青疲勞性能排序為石灰?guī)r>輝綠巖>花崗巖。其中應(yīng)變?yōu)?.5 %時石灰?guī)r基板的瀝青疲勞壽命為14 155次，分別為輝綠巖、花崗巖基板的1.4倍和1.6倍；應(yīng)變?yōu)? %時石灰?guī)r基板的瀝青疲勞壽命分別為輝綠巖、花崗巖基板的1.3倍和1.4倍。LAS試驗測定的各組合下瀝青疲勞性能的排序表現(xiàn)出了與時間掃描(TS)結(jié)果的一致性，石灰?guī)r基板的瀝青表現(xiàn)出了相對更優(yōu)良的抗疲勞性能，花崗巖基板的瀝青疲勞性能相對最差，再次表明了集料與瀝青的黏附狀態(tài)能夠?qū)λ鶞y定的瀝青的疲勞性能產(chǎn)生影響。集料與ITZ區(qū)界面黏結(jié)良好，在循環(huán)荷載下滑移及能耗更小，另外，集料與瀝青的化學(xué)吸附可能對ITZ區(qū)域的瀝青的力學(xué)性能有提升的作用，提高了其在循環(huán)荷載下的抗變形能力，在二者綜合作用下瀝青的疲勞性能得到提升。

2.5 DT試驗結(jié)果及分析

為驗證疲勞試驗中所用3種集料與瀝青的黏附特性，采用了DT試驗對3種集料與瀝青組合下瀝青的拉拔力進(jìn)行測定，結(jié)果見圖11和表6。

圖11 3種集料類型下的法向力-位移曲線Fig.11 Normal force-displacement curves of three aggregate types

表6 3種集料類型下的拉拔力結(jié)果Tab.6 Drawing force results of three aggregate types

如圖11，在35 ℃、150 μm的膜厚、1 μm/s的恒定拉伸速率的控制條件下，3種集料基板類型下的瀝青拉拔曲線形態(tài)具有一致性，表現(xiàn)為在開始階段法向力迅速上升，到達(dá)最大值，然后開始下降并保持穩(wěn)定。觀察試驗后的集料表面，發(fā)現(xiàn)3種組合的拉拔斷裂面均是瀝青內(nèi)部，未發(fā)現(xiàn)瀝青與集料之間的黏附破壞，這也就意味著，如果按照前文所述的將試驗材料劃分為集料區(qū)、ITZ區(qū)與瀝青區(qū)，集料與ITZ界面未出現(xiàn)明顯黏附失效。根據(jù)表6，以最大法向力評價拉拔強(qiáng)度，3種集料基板的界面拉拔強(qiáng)度排序為石灰?guī)r>輝綠巖>花崗巖，意味著3種集料基板的ITZ區(qū)域瀝青抗黏聚破壞能力差異，使得瀝青在約80 μm全膜厚范圍內(nèi)瀝青整體的抗黏聚破壞能力表現(xiàn)出了差異性(由于試件上下對稱，取最大法向力時試驗?zāi)ず竦囊话敕治?，石灰?guī)r基板的ITZ區(qū)的瀝青抗黏聚破壞能力最好，輝綠巖次之，花崗巖則相對最差。

此外，由圖11可知，法向力達(dá)到最大值后開始迅速下降，觀察3條曲線，輝綠巖基板的瀝青曲線下降速度相對最快，導(dǎo)致了進(jìn)入后期法向力相對穩(wěn)定階段時，輝綠巖基板的瀝青的拉拔力與石灰?guī)r基板的瀝青差距增大，取300～350 μm法向力均值表征瀝青拉拔力下降至較穩(wěn)定階段時瀝青內(nèi)部的抗黏聚破壞能力，統(tǒng)計于表6中，從最大法向力指標(biāo)到300～350 μm法向力均值指標(biāo)，石灰?guī)r基板與輝綠巖基板的比值從1.05上升到了1.59，而花崗巖基板的瀝青顯著小于其他2種集料基板，瀝青表現(xiàn)出了更差的抗黏聚破壞能力。再進(jìn)一步分析，ITZ區(qū)域瀝青膜厚度一般僅有幾微米至十幾微米，在拉拔位移達(dá)到300 μm以上時，瀝青整體的力學(xué)性能仍表現(xiàn)出了差異，說明了ITZ區(qū)域的瀝青的性能，能夠?qū)Υ笥谧陨砗穸葞妆吨翈资兜臑r青整體性能產(chǎn)生影響，結(jié)合DONG[10]在基于集料基板的膠漿流變試驗研究中，認(rèn)為厚度在1 000 μm時膠漿整體力學(xué)性能亦受到集料與瀝青界面交互作用的影響的結(jié)果，筆者認(rèn)為，以DT試驗結(jié)果，作為疲勞試驗結(jié)果的一種解釋是合適的。

DT試驗結(jié)果與疲勞試驗結(jié)果之間有較好的一致性，對于最大法向力指標(biāo)和拉拔后期的法向力均值指標(biāo)，石灰?guī)r基板下的瀝青表現(xiàn)出了最優(yōu)的性能。在相同的作用力下，由于瀝青和集料的化學(xué)吸附作用，ITZ區(qū)瀝青的抗變形能力最好，抵抗黏聚破壞能力最優(yōu)，意味著在疲勞試驗中，石灰?guī)r基板下的ITZ區(qū)瀝青力學(xué)性能的提升使得全膜厚范圍內(nèi)瀝青整體的力學(xué)性能得到增加，在重復(fù)荷載條件下瀝青模量衰減相對較慢，而花崗巖基板的瀝青與集料化學(xué)吸附作用微弱，ITZ區(qū)瀝青抗變形能力相對較差，導(dǎo)致疲勞試驗中全膜厚范圍內(nèi)瀝青抗變形能力相對較差，模量衰減相對最快。另外，由于疲勞剪切試驗的加載方式是施加重復(fù)剪切應(yīng)力，意味著集料與ITZ區(qū)接觸界面的物理吸附特性也是影響測量的疲勞壽命結(jié)果的因素之一，這部分因素在本研究雖未得到觀察驗證，但可作為日后的工作進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)論

① TS及LAS疲勞試驗結(jié)果表明，與瀝青發(fā)生交互作用的集料類型對瀝青的疲勞性能影響顯著，測定基于不同類型集料的瀝青疲勞壽命，模擬瀝青與集料接觸的服役環(huán)境，可減少預(yù)測誤差，預(yù)測結(jié)果更具真實性。

② TS試驗中，石灰?guī)r組合的瀝青疲勞壽命顯著優(yōu)于輝綠巖、花崗巖組合，且在低應(yīng)力水平時差異性最大。LAS試驗中，3種組合的瀝青現(xiàn)象學(xué)指標(biāo)(相位角、剪切應(yīng)力)變化趨勢不完全一致，表明3種組合的瀝青在疲勞損傷過程中的黏彈性力學(xué)響應(yīng)行為存在差異。TS與LAS試驗測定結(jié)果具有一致性，根據(jù)瀝青的疲勞壽命對3種組合排序均為石灰?guī)r>輝綠巖>花崗巖。

③ 疲勞試驗結(jié)果與DT試驗結(jié)果具有良好的對應(yīng)關(guān)系。DT試驗結(jié)果表明，與瀝青之間化學(xué)吸附作用更強(qiáng)的集料，ITZ區(qū)的瀝青力學(xué)性能更優(yōu)，且影響范圍達(dá)到ITZ區(qū)厚度的幾十倍，這可能是提升全膜厚范圍瀝青疲勞性能的重要因素。

④ 本研究探究了不同巖性集料與瀝青交互作用對基質(zhì)瀝青疲勞性能的影響，在下一步工作中，可以考慮多種瀝青及其老化狀態(tài)、多種試驗參數(shù)(試驗溫度、瀝青膜厚等)以及瀝青水損害對測定的疲勞性能結(jié)果的影響；在提高瀝青疲勞壽命方面，改善ITZ區(qū)的瀝青力學(xué)性能可能是一個重要的研究方向。