瀝青疲勞試驗(yàn)方法評價

袁海，朱洪洲,2，魏巧，胡藍(lán)心，廖能武 編譯

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶市 400074；2.交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室；3.重慶高速工程顧問有限公司)

1 引言

現(xiàn)行瀝青PG分級是在美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(SHRP)瀝青項(xiàng)目的基礎(chǔ)上制定的，其主要研究對象是基質(zhì)瀝青，不適用于改性瀝青。相關(guān)研究表明，PG分級能較好地評價瀝青的整體質(zhì)量，但在某些情況下無法準(zhǔn)確表征瀝青的抗車轍性能和抗開裂性能。此外，規(guī)范中瀝青疲勞性能的評價標(biāo)準(zhǔn)不夠嚴(yán)謹(jǐn)，目前Superpave規(guī)范中使用參數(shù)G*sinδ來評價瀝青的疲勞性能。SHRP研究假設(shè)每個加載循環(huán)的耗散能(應(yīng)變控制模式，wi=πε2G*sinδ)越低，對應(yīng)的累積損傷越小，即G*sinδ值小的瀝青具有更好的抗疲勞開裂能力，中溫條件下G*sinδ必須小于5 000 kPa，否則認(rèn)為瀝青發(fā)生疲勞破壞。

許多研究人員質(zhì)疑參數(shù)G*sinδ的可靠性。G*sinδ是一個基于剛度的參數(shù)，采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)在較小應(yīng)變、固定頻率(10 rad/s)、少量剪切作用次數(shù)下測量得到，這明顯與具有更多加載周期和損傷特征的復(fù)雜的疲勞現(xiàn)象不同。為提出新的瀝青疲勞性能分析方法及評價指標(biāo)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。表1為現(xiàn)有的試驗(yàn)方法以及每種方法的特點(diǎn)。

表1 瀝青疲勞性能試驗(yàn)方法

目前，可用于測試瀝青疲勞性能的方法主要有以下4種：

(1)線性振幅掃描(LAS)試驗(yàn)：Bahia等最早提出在常應(yīng)變(或時間掃描)/常應(yīng)力模式下使用動態(tài)剪切流變儀來測試瀝青疲勞性能。該方法理論上是合理的，但仍存在一定缺陷。Anderson等提出，由于在某些情況下瀝青的塑性流動和邊緣裂縫效應(yīng)，基于DSR的時間掃描測試不適用于表征疲勞性能。Bahia等開發(fā)了一種新的試驗(yàn)方法，稱為線性振幅掃描(LAS)試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果與路面長期使用性能(LTPP)研究計(jì)劃中的疲勞裂縫數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性。周水文等采用LAS試驗(yàn)測試了13種瀝青的疲勞性能，提出應(yīng)采用PAV老化后的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，以應(yīng)力峰值失效點(diǎn)定義瀝青疲勞失效。

(2)多應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn)：MSCR試驗(yàn)通常用于表征瀝青的抗車轍性能，但蠕變恢復(fù)率可用于評價瀝青的延遲彈性響應(yīng)，如蠕變恢復(fù)率與疲勞性能相關(guān)性良好，則該法可用于瀝青疲勞性能評價。

(3)雙邊缺口拉伸(DENT)試驗(yàn)：加拿大皇后大學(xué)的研究人員最早提出對韌性材料斷裂能的測量，以評估瀝青的抗疲勞開裂能力，該試驗(yàn)是一個試樣兩側(cè)帶缺口的延度試驗(yàn)。美國聯(lián)邦公路管理局(FHwA)的研究人員采用DENT試驗(yàn)對加速加載疲勞試驗(yàn)(ALF)中用到的瀝青進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)DENT試驗(yàn)的結(jié)果與加速加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間具有很好的等級相關(guān)性。羅浩原等采用DENT試驗(yàn)和疲勞因子測試評價了7種不同瀝青的疲勞性能，并采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)從混合料層面進(jìn)行性能驗(yàn)證，其試驗(yàn)結(jié)果同樣表明DENT試驗(yàn)結(jié)果與混合料疲勞性能更具相關(guān)性。

(4)動態(tài)力學(xué)分析(DMA)試驗(yàn)：Kim等使用動態(tài)力學(xué)分析試驗(yàn)表征瀝青的疲勞性能和愈合潛力。不同于其他以瀝青作為試驗(yàn)材料的試驗(yàn)，DMA試驗(yàn)以瀝青瑪蹄脂作為試驗(yàn)對象。DMA試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是能夠清晰地定義疲勞失效并避免瀝青塑性流動和邊緣裂縫效應(yīng)帶來的影響。該試驗(yàn)主要關(guān)注砂或細(xì)集料對瀝青材料疲勞性能的影響，顯然，該試驗(yàn)需要確定一種標(biāo)準(zhǔn)材料進(jìn)行試驗(yàn)，而不是砂或細(xì)集料。

該文主要進(jìn)行G*sinδ、彈性恢復(fù)試驗(yàn)、MSCR試驗(yàn)、LAS試驗(yàn)和DENT試驗(yàn)共5種瀝青試驗(yàn)，并與瀝青混合料推拉疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以確定最合理的瀝青疲勞評價方法。

2 技術(shù)路線

技術(shù)路線如圖1所示。

3 瀝青疲勞試驗(yàn)

3.1 瀝青

由于SHRP計(jì)劃已對基質(zhì)瀝青的疲勞性能有較為詳細(xì)的研究，因此該文主要選擇5種改性瀝青和1種基質(zhì)瀝青(對照組)作為材料進(jìn)行試驗(yàn)來評價現(xiàn)有瀝青的疲勞性能。瀝青相關(guān)信息見表2。試驗(yàn)中涉及到的瀝青拌和溫度和壓實(shí)溫度均由相關(guān)廠家提供。

3.2 瀝青試驗(yàn)介紹

(1)PG分級試驗(yàn)：依據(jù)AASHTO T315中使用動態(tài)剪切流變儀(DSR)測定瀝青的流變特性和AASHTO T313中使用彎曲梁流變儀(BBR)測定瀝青的彎曲蠕變勁度”的規(guī)定對6種瀝青進(jìn)行試驗(yàn)。

(2)彈性恢復(fù)試驗(yàn)：按照AASHTO T301中用延度儀對瀝青材料進(jìn)行彈性恢復(fù)試驗(yàn)”或ASTM D6834A中使用延度儀對瀝青材料進(jìn)行彈性恢復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)所用瀝青均經(jīng)過RTFO老化，試驗(yàn)溫度為25 ℃。試驗(yàn)中，瀝青試樣經(jīng)拉伸至規(guī)定的伸長率并保持，然后在拉伸試樣的中間切開并測定每個試樣的回彈率。AASHTO T301和ASTM D6084A兩種方法的主要差異見表3。

表3 兩種彈性恢復(fù)試驗(yàn)的比較

(3)MSCR試驗(yàn)：根據(jù)AASHTO TP70中使用動態(tài)剪切流變儀(DSR)對瀝青進(jìn)行多應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn)的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。在瀝青的高溫PG等級溫度下進(jìn)行測試。假定在MSCR試驗(yàn)中，彈性恢復(fù)率越高，瀝青的疲勞性能越好。

(5)DENT試驗(yàn)：加拿大皇后大學(xué)的研究人員最早提出DENT試驗(yàn)及其試驗(yàn)指標(biāo)裂紋尖端開口位移(CTOD)。美國聯(lián)邦公路管理局對該方法做出了一些改動使該法能夠適用于美國地區(qū)，并制定了一個AASHTO格式的試行方法。通常認(rèn)為，韌性材料斷裂所需的能量由兩部分組成：① 用于在局部裂紋發(fā)展過程中形成兩個新截面；② 提供拉伸過程中材料空化和剪切屈服所需的能量。對同一瀝青進(jìn)行測試時，需使用3個不同韌帶長度，即對缺口截面寬度分別為5、10、15 mm的試件進(jìn)行試驗(yàn)。試樣及試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。Gibson等提出，裂紋尖端開口位移與美國聯(lián)邦公路管理局加速加載疲勞試驗(yàn)(FHwA-ALF)數(shù)據(jù)有良好的關(guān)聯(lián)性。CTOD值越大，材料的疲勞性能越好。

圖2 DENT試驗(yàn)[圖2(c)中,A、B表示同一缺口截面寬度下的兩組不同的平行試驗(yàn)]

3.3 瀝青試驗(yàn)結(jié)果與分析

每種測試方法均進(jìn)行兩次平行試驗(yàn)，以其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，見表4。

表4 瀝青疲勞測試結(jié)果

由表4可知：

(1)G*sinδ等級：表中列出了G*sinδ為5 000 kPa時的中溫等級。一般情況下，中溫等級越高，疲勞性能越差。根據(jù)G*sinδ測試結(jié)果，PG 64-34SBS疲勞性能最好，其次是PG 64-22+GTR、PG 64-28+PPA、PG 64-22+Latex和PG 64-28，PG 76-22SBS最差。

(2)彈性恢復(fù)等級：兩種測試方法下，PG 64-34SBS均表現(xiàn)出最高的彈性恢復(fù)率，此外，PG 76-22SBS和PG 64-28+Latex的疲勞性能優(yōu)于PG 64-28+PPA、PG 64-28和PG 64-22+GTR。在AASHTO T301彈性恢復(fù)試驗(yàn)中，PG 64-22+GTR在延度達(dá)到20 cm之前已經(jīng)拉斷，但在ASTM D6084A方法中，彈性恢復(fù)表現(xiàn)更好，可以看出PG 64-22+GTR對所施加的應(yīng)變水平非常敏感?？紤]到實(shí)際路面上，瀝青會承受交通荷載引起的各種應(yīng)變，因此PG 64-22+GTR等級為F。

(3)MSCR等級：PG 64-34SBS在兩種應(yīng)力水平下的蠕變恢復(fù)率最高，PG 76-22SBS次之；PG 64-22+GTR在100 Pa應(yīng)力水平下的蠕變恢復(fù)率與PG 76-22SBS相似，在3 200 Pa應(yīng)力水平下的蠕變恢復(fù)率與PG 76-22SBS相似，但在3 200 Pa應(yīng)力水平下的蠕變恢復(fù)率很小，進(jìn)一步表明PG 64-22+GTR對施加的應(yīng)力/應(yīng)變非常敏感；PG 64-28+Latex的蠕變恢復(fù)率明顯高于PG 64-28+PPA和PG 64-28；PG 64-28+PPA在高應(yīng)力水平下與PG 64-28相似，在低應(yīng)力水平下較好，PG 64-28最差。

(4)LAS等級：根據(jù)表中疲勞壽命結(jié)果可知，PG 64-34SBS最佳，其次是PG 64-28+Latex和PG 64-22+GTR，PG 64-28+PPA在小應(yīng)變水平下的疲勞壽命遠(yuǎn)高于PG 64-22，PG 76-22SBS最差。

(5)DENT等級：6種瀝青在DENT試驗(yàn)中的排序?yàn)椋篜G 64-34SBS>PG 76-22SBS>PG 64-28+Latex>PG 64-28>PG 64-28+PPA>PG 64-22+GTR。

4 瀝青混合料推拉疲勞試驗(yàn)

瀝青在不同疲勞試驗(yàn)中的等級不同。為正確評價瀝青的疲勞性能并確定最佳瀝青疲勞測試方法，對6種瀝青制備的瀝青混合料的抗疲勞開裂性能進(jìn)行評價。研究選擇瀝青混合料推拉疲勞試驗(yàn)評價瀝青混合料疲勞性能，利用VECD模型對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，能夠很好地評價瀝青混合料的疲勞性能。

選擇Superpave-10瀝青混合料進(jìn)行推拉疲勞試驗(yàn)，按照Superpave方法(AASHTO M323)進(jìn)行設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次，混合料體積指標(biāo)見表5。6種瀝青混合料采用同種集料和級配。由于摻加了膠粉或膠乳，PG 64-22+GTR改性瀝青混合料和PG 64-28+Latex改性瀝青混合料的瀝青含量較高。

表5 瀝青混合料體積指標(biāo)

在進(jìn)行推拉疲勞試驗(yàn)之前，使用瀝青混合料性能試驗(yàn)(AMPT)裝置對每種混合料進(jìn)行動態(tài)模量試驗(yàn)，繪制動態(tài)模量主曲線(圖3)。

圖3 動態(tài)模量主曲線

試驗(yàn)使用Kutay等提出的Nf方程預(yù)測每種瀝青混合料在25 ℃、頻率10 Hz下的疲勞壽命，見圖4。值得注意的是，如果將80 kN等效單軸荷載(ESALs)作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載，則圖4中涉及到的4種應(yīng)變水平能夠代表從永久性路面到薄層等多種路面結(jié)構(gòu)的受力情況。

圖4 4種應(yīng)變水平下瀝青混合料的疲勞壽命

由圖4可以看出：① PG 64-34SBS、PG 76-22SBS和PG 64-28+Latex等3種瀝青混合料，在4種應(yīng)變水平下的疲勞性能均優(yōu)于PG 64-28、PG 64-28+PPA和PG 64-22+GTR 3種瀝青混合料；② 各應(yīng)變水平下，均是PG 64-34SBS瀝青混合料的疲勞性能最好，其次是PG 76-22SBS瀝青混合料，然后是PG 64-28+Latex瀝青混合料。除最小應(yīng)變水平75 με(即永久性路面)外，PG 76-22SBS瀝青混合料的性能優(yōu)于PG 64-28+Latex瀝青混合料；③ PG 64-22+GTR瀝青混合料對應(yīng)變水平非常敏感，在75 με水平下，其疲勞性能明顯優(yōu)于PG 64-28瀝青混合料和PG 64-28+PPA瀝青混合料。相較其他應(yīng)變水平，同種瀝青混合料在500 με水平下的疲勞性能最差。因此，PG 64-22+GTR瀝青混合料的整體疲勞性能排名最后。PG 64-28瀝青混合料和PG 64-28+PPA瀝青混合料的疲勞性能非常接近。

根據(jù)上述分析，6種瀝青疲勞性能的排名為：PG 64-34SBS>PG 76-22SBS>PG 64-28+Latex>PG 64-28≥PG 64-28+PPA>PG 64-22+GTR。

5 試驗(yàn)方法評價

將瀝青疲勞等級與瀝青混合料疲勞等級進(jìn)行比較，提出：① 現(xiàn)行的疲勞因子G*sinδ與瀝青混合料推拉疲勞試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性很差，有必要提出新的瀝青疲勞試驗(yàn)；② MSCR試驗(yàn)和LAS試驗(yàn)與瀝青混合料推拉疲勞試驗(yàn)相關(guān)性較差，MSCR試驗(yàn)是在高溫PG等級溫度下進(jìn)行的，但其他4種瀝青疲勞試驗(yàn)和瀝青混合料推拉疲勞試驗(yàn)都是在中溫等級下進(jìn)行的，MSCR試驗(yàn)需要在較低試驗(yàn)溫度下進(jìn)一步驗(yàn)證。LAS試驗(yàn)是一個更為基礎(chǔ)的測試方法，在數(shù)據(jù)分析中，需充分考慮材料線性黏彈特性和非線性黏彈特性(即黏塑性)。另外，研究證明LAS試驗(yàn)適用于評價基質(zhì)瀝青疲勞性能，但其疲勞失效判定不適用于改性瀝青；③ DENT試驗(yàn)和彈性恢復(fù)試驗(yàn)是該文認(rèn)為的最佳瀝青疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與瀝青混合料推拉疲勞試驗(yàn)具有相同的等級。與彈性恢復(fù)試驗(yàn)(經(jīng)驗(yàn)性試驗(yàn))相比，DENT試驗(yàn)更為基礎(chǔ)，試驗(yàn)將拉伸過程中的做功分為基本斷裂功和塑性流動功，并根據(jù)基本斷裂功計(jì)算得到CTOD。CTOD表征延性狀態(tài)下瀝青在極限張拉應(yīng)變約束下的應(yīng)變?nèi)菹?，因此能夠代表裂紋失穩(wěn)拓展前，瀝青膜在集料顆粒間的張拉程度。建議采用DENT試驗(yàn)評價瀝青的疲勞性能。

6 結(jié)論

目前Superpave規(guī)范使用參數(shù)G*sinδ來量化瀝青的疲勞性能，這是規(guī)范中存在一定問題的部分?；诖耍撐奶接懸环N更合理的瀝青疲勞試驗(yàn)方法，對5種瀝青疲勞試驗(yàn)進(jìn)行評價，并與瀝青混合料推拉疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了比較。結(jié)論如下：

(1)進(jìn)一步證實(shí)了參數(shù)G*sinδ與瀝青疲勞性能的相關(guān)性較差。

(2)MSCR試驗(yàn)和LAS試驗(yàn)與瀝青混合料推拉疲勞試驗(yàn)相關(guān)性較差，這兩種試驗(yàn)方法還需要進(jìn)一步展開研究，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析(考慮非線性黏彈性)時，應(yīng)進(jìn)一步考慮試驗(yàn)溫度帶來的影響。

(3)DENT試驗(yàn)和彈性恢復(fù)試驗(yàn)已被證明是評價瀝青膠結(jié)料疲勞性能的最佳手段，與瀝青混合料推拉疲勞試驗(yàn)有完全相同的等級。DENT試驗(yàn)更為基礎(chǔ)，其測試指標(biāo)CTOD表征了瀝青膠結(jié)料在延性狀態(tài)下的應(yīng)變?nèi)菹?，因此代表了瀝青膜失效前，在集料顆粒間的拉伸程度。

(4)以上結(jié)論均基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，還需要進(jìn)一步通過現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證。此外，僅瀝青材料的疲勞性能不能完全決定路面結(jié)構(gòu)的疲勞響應(yīng)，瀝青混合料特性、路面結(jié)構(gòu)本身、所處的交通環(huán)境以及自然環(huán)境對決定路面性能同樣具有重要作用。