基于MMLS3和四點彎曲試驗的瀝青混合料疲勞性能研究*

葉 奮 劉嘉良 王 澤 宋卿卿

(1.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院 烏魯木齊 830047； 2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

瀝青混合料的疲勞性能作為評價瀝青混凝土路面路用性能和進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標(biāo)得到了越發(fā)廣泛的關(guān)注[1]，如何正確地預(yù)估瀝青混合料的疲勞性能，使之與實際路用結(jié)果相一致，以及如何評價現(xiàn)有試驗方法的準(zhǔn)確性和各種試驗方法之間的相關(guān)性也變得極為重要。

目前主要通過真實汽車荷載作用下實際路面上、模擬汽車荷載作用在足尺路面結(jié)構(gòu)上、模擬汽車荷載作用在縮尺路面結(jié)構(gòu)上，以及室內(nèi)試驗等方法來預(yù)測瀝青混合料在實際路用過程中的疲勞性能。上述4種疲勞試驗方法，前2種對試驗條件的要求較高，也很難滿足，盡管更符合路面的實際受力狀態(tài)，但應(yīng)用較少，而后2種試驗方法減少了對環(huán)境的要求，并且試驗結(jié)果與前2種也有較高的一致性。

MMLS3(1/3 model mobile load simulator)加速加載試驗方法是一種典型的第三類方法，其將MLS66測試系統(tǒng)進(jìn)一步縮小至原先的1/3，可以更簡單地模擬瀝青混合料的試驗條件，如溫度、濕度、加載方式等，同時相對普通室內(nèi)試驗具有適用場景范圍更廣、加載方式更接近實際路面情況，以及試驗溫度可調(diào)等優(yōu)點[2]。因此，被大量應(yīng)用于研究瀝青混合料在荷載反復(fù)作用下的車轍深度和蠕變特性[3]，且一直以來，瀝青混合料的車轍深度也是衡量其路面破壞壽命的重要指標(biāo)。

同時，美國SHRP A-003A研究項目在對不同瀝青混合料小梁試件試驗后，確定了以矩形梁四點彎曲法(4PB)作為瀝青混合料疲勞性能評價的標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)試驗方法[4]，為了進(jìn)一步完善該試驗方法，大量學(xué)者展開研究，提出了不同的評價疲勞試驗結(jié)果的方法，如50%勁度模量衰減標(biāo)準(zhǔn)、能量比標(biāo)準(zhǔn)，以及歸一化勁度模量峰值等。但由于試驗過程中，試件于試驗室制備且加載時并不能完全模擬實際路面的受力情況，因此其試驗結(jié)果與實際路面相比仍有一定的差距。

盡管已有眾多學(xué)者對這2種試驗方法作出了大量的研究，確保其結(jié)果與實際路用性能的一致性。但關(guān)于這2種試驗之間相關(guān)性的研究仍較少。

綜上所述，為了更好地評價實際路面性能的疲勞性能，了解MMLS3加速加載試驗和四點彎曲疲勞試驗的區(qū)別和聯(lián)系，現(xiàn)對5，25，50 ℃溫度下的2種類型瀝青混合料(OGFC-13和SMA-13)分別進(jìn)行試驗，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

1 原材料與級配設(shè)計

1.1 原材料

粗集料選用3～13 mm的玄武巖，細(xì)集料選用0～3 mm的石灰?guī)r。瀝青選用90號克拉瑪依石油瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。所添加的瀝青改性劑為Honywell7686，改性劑的主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 克拉瑪依90號基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

表2 Honeywell7686改性劑主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 級配設(shè)計

為了更準(zhǔn)確地分析2種試驗對瀝青混合料疲勞性能的評價效果和二者的相關(guān)性，避免由于單一結(jié)構(gòu)類型產(chǎn)生的分析誤差，選用2種不同結(jié)構(gòu)類型的瀝青混合料(SMA-13和OGFC-13)，根據(jù)JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，采用馬歇爾設(shè)計方法進(jìn)行瀝青混合料的級配設(shè)計，并獲得最佳油石比：SMA-13為6.1%，OGFC-13為5.2%。其級配設(shè)計曲線見圖1。

圖1 合成級配曲線

2 試驗方案設(shè)計

2.1 MMLS3加速加載試驗

MMLS3試驗參數(shù)主要包括：

1) 試件尺寸。將旋轉(zhuǎn)壓實成型后的試件(直徑150 mm、高度50 mm)兩端分別再切割22.5 mm，然后置于MMLS3的剛性底座中。

2) 輪胎條件。充氣時胎內(nèi)恒定25 ℃，0.69 MPa。

3) 溫度條件和加載次數(shù)。路面溫度采用5，25，50 ℃ 3種溫度試驗，通過斷面測量儀測量3種溫度下的試件在荷載反復(fù)作用下(荷載作用次數(shù)分別為5 000次，50 000次，而后每次增加50 000次，直至30萬次)的斷面變形并進(jìn)行分析，研究車轍深度與溫度變化之間的關(guān)系。

4) 加載頻率。采用7 200次/h。

2.2 四點彎曲疲勞試驗

通過輪碾成型設(shè)備將瀝青混合料碾壓成400 mm×300 mm×75 mm的試板，再用高精度金剛石雙面鋸雙面切割，制成標(biāo)準(zhǔn)的385 mm×65 mm×50 mm四點試驗小梁。疲勞試驗前，將分別以(5，25，50 ℃)在環(huán)境溫控箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)4 h以上的試驗小梁固定并安置好位移傳感器，然后設(shè)置參數(shù)，具體包括：加載波形為半正弦波；加載頻率為10 Hz；為增加試驗可靠性，控制應(yīng)變分別采用300×10-6和600×10-6。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 MMLS3試驗結(jié)果分析

隨著加載次數(shù)增加，3種溫度下2種瀝青混合料的車轍深度變化情況及車轍深度與加載次數(shù)的擬合曲線見圖2。

圖2 瀝青混合料車轍深度與加載次數(shù)的關(guān)系

由圖2可見，用MMLS3設(shè)備對處于相同溫度的2種瀝青混合料反復(fù)施加荷載時，SMA-13的車轍深度及車轍增長率始終低于OGFC-13,表明在加載過程中，骨架密實結(jié)構(gòu)的瀝青混合料(SMA-13)始終優(yōu)于骨架孔隙結(jié)構(gòu)的瀝青混合料(OGFC-13)，其原因為瀝青混合料的車轍發(fā)展過程主要分為壓密過程、瀝青混合料流變過程、礦料重新分布及骨架破壞過程[5]，加載次數(shù)較少時車轍產(chǎn)生主要來源于壓密變形，骨架孔隙結(jié)構(gòu)的孔隙率更大，因此也更易被壓密，且由于骨架孔隙結(jié)構(gòu)的可壓實空間更多，因此車轍增長率也更大，而當(dāng)加載次數(shù)達(dá)到10萬次時，5，25，50 ℃下的SMA-13的車轍深度分別為OGFC-13車轍深度的84%，77%，50%，當(dāng)加載次數(shù)達(dá)到30萬次時，3種溫度下SMA-13的車轍深度分別為OGFC-13車轍深度的80%，69%，70%，可見SMA-13的抗剪切變形能力更好，所以始終保持更好的抗車轍能力。

當(dāng)MMLS3設(shè)備對不同溫度的同種瀝青混合料試驗時，隨著溫度降低，瀝青混合料的抗車轍性能逐步提高，原因是隨著溫度降低，瀝青黏度減小，針入度下降，瀝青變硬，同時瀝青混合料勁度模量提高，變形能力降低。同時，由圖2可見，當(dāng)荷載作用次數(shù)達(dá)到15萬次后，低溫下瀝青混合料的車轍變化趨于穩(wěn)定，而高溫條件下的車轍深度在加載過程中始終有顯著增長，由此可知，低溫條件下的荷載反復(fù)作用后車轍深度變化情況并不明顯，而高溫條件下瀝青混合料的車轍變化比低溫條件下的變化顯著的多。

為了研究溫度變化對2種瀝青混合料加載時車轍深度的影響，分析單位溫度變化對瀝青混合料車轍深度造成的變化見表3。由表3可知，0～300 000次加載過程中，隨著加載次數(shù)的增加，受溫度影響的車轍變化率也在逐漸增大，因為瀝青混合料壓密后，車轍大部分來源于混合料的剪切變形，而溫度的提高會導(dǎo)致瀝青黏度下降，針入度升高，與集料之間的黏附力減小，從而引起混合料抗剪切能力降低。同時，SMA-13在低溫和高溫條件下，車轍深度受溫度影響的變化率基本保持一致，而OGFC-13在低溫下受溫度影響的車轍變化率明顯大于其在高溫下的車轍變化率，也顯著大于SMA-13低溫下的車轍變化率，由此可見，加載次數(shù)30萬次以內(nèi)，OGFC-13的抗剪切變形能力在低溫時受溫度的影響最大。

表3 瀝青混合料車轍深度隨溫度變化率

3.2 四點彎曲疲勞試驗結(jié)果分析

2種瀝青混合料的試驗結(jié)果見表4，考慮到改性瀝青相較于普通基質(zhì)瀝青有著更好的黏性和韌性，疲勞壽命也更高，因此瀝青混合料的疲勞壽命計算采用美國規(guī)范ASTM-D7460中使用的歸—化勁度次數(shù)積疲勞壽命法，取歸—化勁度次數(shù)比值最大值，計算公式為

式中：Si為第i次加載時的勁度模量，MPa；Ni為加載次數(shù)；S0為初始加載勁度模量，MPa；N0為初始加載次數(shù)，次。

表4 2種瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗結(jié)果

由表4可見，當(dāng)控制應(yīng)變和溫度一致時，2種瀝青混合料通過四點彎曲疲勞試驗測得的疲勞壽命為：低溫(5 ℃)和常溫時(25 ℃)時，SMA-13的疲勞壽命顯著大于OGFC-13;高溫(50 ℃)時，SMA-13的疲勞壽命低于OGFC-13,而不同應(yīng)變條件下的瀝青混合料疲勞壽命試驗結(jié)果具有一致性。

對同種瀝青混合料進(jìn)行四點彎曲疲勞試驗時，由表4可知，相同控制應(yīng)變時，3種溫度條件下的瀝青混合料疲勞性能的優(yōu)劣依次為：常溫(25 ℃)>高溫(50 ℃)>低溫(5 ℃)；且低溫條件下(5～25 ℃)的溫度變化對瀝青混合料疲勞性能的影響更為顯著。而試驗溫度相同時，2種應(yīng)變條件下的疲勞壽命大小為：300×10-6>600×10-6,其原因為控制應(yīng)變越大，試塊在反復(fù)加載時微裂縫的形成越快，模量和疲勞壽命也迅速衰減。

2種瀝青混合料在控制應(yīng)變條件300×10-6，600×10-6時，溫度與勁度模量的關(guān)系見圖3。

圖3 控制應(yīng)變時溫度與勁度模量的關(guān)系

由圖3可知，當(dāng)控制應(yīng)變較小(300×10-6)時，低溫(5 ℃)條件下2種瀝青混合料的勁度模量接近。且隨著溫度升高至25 ℃，二者的勁度模量降低速率同步，當(dāng)溫度再次升高，OGFC-13的勁度模量顯著降低，并與SMA-13的差距越來越大。當(dāng)控制應(yīng)變較大(600×10-6)時，低溫(5 ℃)條件下SMA-13的勁度模量明顯高于OGFC-13,但隨著溫度升高，SMA-13的勁度模量降低的更快，并在溫度達(dá)到25℃時二者差距達(dá)到最小值，當(dāng)溫度進(jìn)一步提高，2種混合料的勁度模量發(fā)展關(guān)系與小應(yīng)變條件一致。

2種瀝青混合料在控制應(yīng)變條件(300×10-6，600×10-6)時，溫度與疲勞壽命之間的關(guān)系見圖4。

圖4 控制應(yīng)變時溫度與疲勞壽命的關(guān)系

由圖4可見，當(dāng)控制應(yīng)變較小(300×10-6)時，在低溫(5 ℃)條件下，SMA-13與OGFC-13的疲勞壽命接近一致，隨著溫度從5 ℃逐漸升高至25 ℃，SMA-13的疲勞性能相對OGFC-13提高得更快，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高至50 ℃時，SMA-13的疲勞性能的衰減速率也比OGFC-13更高，并最終趨于一致。

而在控制應(yīng)變較大(600×10-6)時，低溫條件下二者的疲勞壽命與控制應(yīng)變較小時接近，在溫度的升高過程中，在5～25 ℃內(nèi)，疲勞壽命隨溫度的發(fā)展關(guān)系也與小應(yīng)變相同，但當(dāng)溫度變化在25～50 ℃時，2種瀝青混合料的疲勞衰變速率相似，SMA-13的疲勞壽命始終優(yōu)于OGFC-13。

綜上可見，級配類型、溫度、控制應(yīng)變都會影響2種瀝青混合料在4PB試驗中的疲勞壽命，僅依據(jù)勁度模量變化并不能完全表現(xiàn)瀝青混合料的疲勞壽命隨溫度的變化關(guān)系。

3.3 MMLS3試驗和4PB試驗結(jié)果對比分析

綜上，2種試驗都可以較好地反映瀝青混合料的疲勞性能，因此二者的試驗結(jié)果也應(yīng)具有較高的一致性。為了研究一致性的程度，需要對MMLS3試驗獲得車轍深度進(jìn)行轉(zhuǎn)化。按照J(rèn)TG 5210-2018 《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》和以往學(xué)者的研究[6]，基于行車安全性考慮，高速公路瀝青混合料路面車轍深度達(dá)到10 mm時即定義為車轍破壞，由此可得瀝青混合料在承受路面軸載時通過車轍深度控制的路面使用壽命：SMA-13在5，25，50 ℃條件下達(dá)到車轍破壞的荷載作用次數(shù)分別為9 150 598 620，30 097 934，1 027 260次，OGFC-13在5，25，50 ℃條件下的荷載作用次數(shù)分別為143 509 148，2 056 774，375 058次。將轉(zhuǎn)化結(jié)果與瀝青混合料在2種控制應(yīng)變、3種溫度條件下的4PB試驗數(shù)據(jù)匯總對比，其結(jié)果見表5。

表5 2種瀝青混合料4PB與MMLS3試驗結(jié)果對比匯總表

由表5可見，由于具有更低的孔隙率和更好的抗剪切能力，SMA-13在3種溫度下通過車轍深度控制的使用壽命均遠(yuǎn)大于OGFC-13。同時當(dāng)4PB試驗的控制應(yīng)變?yōu)?00×10-6時，試驗溫度為5，25 ℃的4PB試驗中，SMA-13的疲勞壽命更好，溫度達(dá)到50 ℃時，OGFC-13的疲勞壽命更高，而當(dāng)控制應(yīng)變達(dá)到600×10-6，25 ℃時2種混合料的疲勞壽命變?yōu)椋篛GFC-13>SMA-13，驗證了溫度和控制應(yīng)變對疲勞壽命的影響。

對比2種試驗的試驗結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，在3種溫度下，2種瀝青混合料由車轍深度控制獲得的使用壽命均顯著大于通過2種控制應(yīng)變下的4PB試驗獲得的疲勞壽命，隨著溫度增加，2種壽命的變化趨勢不同。且由于控制應(yīng)變的影響，2種混合料在控制應(yīng)變600×10-6的4PB試驗中的結(jié)果與車轍深度控制的壽命差值比控制應(yīng)變300×10-6時更大。另外2種差值都在試驗溫度為5 ℃時達(dá)到最大，此時2種混合料的車轍深度在反復(fù)加載過程中變化非常緩慢，因此，通過車轍深度評價混合料是否破壞是不合理的。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)MMLS3試驗結(jié)果，在5，25，50 ℃條件下，2種瀝青混合料的抗車轍性能比較結(jié)果為：SMA-13>OGFC-13,且隨著加載次數(shù)的逐漸增加，兩者的抗車轍能力差距更加顯著， 且在低溫條件下，溫度改變對OGFC-13車轍深度的影響顯著大于對SMA-13的影響。

2) 瀝青混合料通過4PB試驗獲得疲勞壽命與控制應(yīng)變、級配類型和試驗溫度均有關(guān)系，因此在評價不同瀝青混合料疲勞壽命時必須綜合考慮。

3) 在5，25，50 ℃條件下，2種瀝青混合料由車轍深度控制獲得的使用壽命均顯著大于通過2種控制應(yīng)變(300×10-6，600×10-6)下的4PB試驗獲得的疲勞壽命，且二者差距在5 ℃時最大。