溫拌瀝青混合料疲勞分析

李遠洋，代 科

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都550081）

0 引 言

瀝青混合料在公路建設中是主要的結構性柔性材料。作為一種柔性路面結構組合，瀝青混合料經車輛荷載反復作用后，其抗疲勞性能將變差，產生開裂、車轍、麻面等疲勞破壞，最終引起瀝青混合料結構的疲勞破壞[1]。

1 原材料

選用SBS改性瀝青和普通基質瀝青、RH溫拌劑和EV溫拌劑（一種表面活性劑）制備AC-13型溫拌瀝青混合料（WMA）。

本次試驗所制備的6組瀝青混合料分別為：90#基質瀝青混合料（JZ）、SBS改性瀝青混合料（SB）、90#基質瀝青混合料+3%RH溫拌劑（JR）、90#基質瀝青混合料+0.6% EV溫拌劑（JE）、SBS改性瀝青混合料+3%RH溫拌劑（SR）、SBS改性瀝青混合料+0.6%EV溫拌劑（SE）。6組瀝青混合料的相關指標均滿足要求。

2 試驗

2.1 試驗方案

針對上述6組瀝青混合料，各制備3個小梁試件，進行四點支撐加載彎曲疲勞性能試驗，結果取3個小梁試件試驗數(shù)據(jù)的平均值。試驗采用的加載頻率為100 Hz，通過小梁試件應變值來控制重復加載次數(shù)。本次基質瀝青混合料小梁試件的應變水平分別為500 μm/m、600 μm/m、700 μm/m；SBS改性瀝青混合料小梁試件的應變水平分別為600 μm/m、700 μm/m、800 μm/m。將小梁試件的彎曲勁度模量變化至其初始彎曲勁度模量的50%時，作為試驗終止的條件[2]。

2.2 試驗參數(shù)分析

2.2.1 彎曲勁度模量

本試驗選用歸一化勁度次數(shù)積NM的最大值作為小梁試件達到疲勞壽命的作用次數(shù)。NM的表達式為[3]：

式中：Si為某時刻作用的彎曲勁度模量；Ni為某時刻的循環(huán)作用次數(shù)；S0為初始彎曲勁度模量；N0為初始循環(huán)作用次數(shù)。

圖1為3種應變水平下，基質瀝青混合料小梁試件的彎曲勁度模量分布。由圖1可見，在試驗進行過程中，小梁試件的彎曲勁度模量先快速降低，然后降低速率減慢，但疲勞破壞3階段中只表現(xiàn)出了1、2階段，第3階段并沒有出現(xiàn)。

圖1 基質瀝青混合料小梁試件的彎曲勁度模量分布圖

2.2.2 殘留勁度模量比

本次試驗選取第50次循環(huán)作用的瀝青混合料小梁試件勁度模量作為其初始勁度模量值。殘留勁度模量比用同一階段的勁度模量與初始勁度模量的比值來表示[4]。3種應變水平下，3組基質瀝青混合料小梁試件JZ、JR、JE的殘留勁度模量比如圖2所示。

圖2 J Z、J R、J E的殘留勁度模量比

對比圖1、圖2可知，3種應變水平下，摻或不摻溫拌劑的基質瀝青混合料小梁試件殘留勁度模量比、彎曲勁度模量的變化趨勢相同。

2.2.3 累積耗散能

通過本次試驗發(fā)現(xiàn)，循環(huán)作用次數(shù)與累積耗散能呈線性變化關系，兩者變化成正比關系。當疲勞破壞試驗終止后，瀝青混合料并沒有完全失效，還能夠提供荷載作用下所需的部分能量，說明這種疲勞破壞只是破壞混合料結構，而材料性能并沒有被完全破壞。

3 疲勞模型分析

3.1 現(xiàn)象法疲勞分析

采用現(xiàn)象法進行疲勞分析。所用公式為：

式中：S0為選取的初始彎曲勁度模量；Nf為彎曲勁度模量衰減到其初始值50%時的循環(huán)作用次數(shù)，即疲勞壽命；K、b均為實驗室回歸參數(shù)。

3種應變水平下，6組瀝青混合料小梁試件的初始彎曲勁度模量和疲勞壽命數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，應變水平不同時，小梁試件的初始彎曲勁度模量也不同，而且規(guī)律性較差。

表1 6組瀝青混合料小梁試件的S0及Nf試驗值

采用雙對數(shù)對6組瀝青混合料小梁試件的疲勞壽命和應變水平進行線性擬合，得到與式（1）類似的疲勞方程[5]：

式中：a實驗室回歸參數(shù)；εt為應變水平。

式（3）中：｜-b｜為瀝青混合料疲勞壽命曲線所對應的斜率，其絕對值越大，表示瀝青混合料的應變對荷載越敏感；lg a反映了該類型瀝青混合料在不同應變水平下疲勞壽命曲線的截距，lg a越大，瀝青混合料的抗疲勞性能越好。

將表1數(shù)據(jù)代入式（3），得到的擬合曲線如圖3所示。

由圖3（a）可知：在雙對數(shù)坐標系中，基質瀝青混合料小梁試件JZ的疲勞壽命與應變水平具有很好的線性關系和正相關性,相關系數(shù)可以達到0.998以上；摻溫拌劑的基質瀝青混合料小梁試件JR、JE的相關系數(shù)只有0.78左右，說明試驗采用的疲勞壽命方程并不適用于溫拌基質瀝青混合料的疲勞壽命性能研究。

由圖3（b）可知：摻或不摻溫拌劑的SBS改性瀝青混合料小梁試件疲勞壽命與施加的應變水平有關,在雙對數(shù)坐標系下兩者有良好的線性相關性,相關系數(shù)都在0.99以上。應變水平對摻或不摻溫拌劑的SBS改性瀝青混合料疲勞壽命有很大影響，施加的荷載越大,其疲勞壽命越短。對于溫拌瀝青混合料小梁試件的疲勞壽命曲線而言，SBS改性瀝青混合料的斜率和截距都比基質瀝青混合料大，說明SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命要遠遠大于基質瀝青混合料；EV或RH溫拌SBS改性瀝青混合料的斜率和截距都顯著增大，表明摻入溫拌劑后，SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命顯著增加，其中以EV溫拌劑的使用效果更好。

圖3 基于現(xiàn)象法的疲勞方程擬合

3.2 耗散能法疲勞分析

利用耗散能法進行疲勞強度分析時，將瀝青混合料小梁試件的彎曲勁度模量變化至初始彎曲勁度模量的50%時作為試驗終止條件。

在不同應變水平下，6組瀝青混合料小梁試件的循環(huán)作用次數(shù)與能量耗盡擴散期間的能量變化率（RDEC）曲線均分別出現(xiàn)了2個階段。第1階段：RDEC平均值較大，但整體仍然有逐漸減小趨勢，說明在早期荷載作用下瀝青混合料不會發(fā)生嚴重損傷；第2階段：隨著荷載循環(huán)的不斷持續(xù)，RDEC保持穩(wěn)定（第2階段RDEC的平均值用PV表示），此時瀝青混合料也不會發(fā)生嚴重損傷，直至整體達到疲勞失效的損傷標準。PV值也可以作為表示瀝青混合料疲勞性能的一個指標。6組瀝青混合料小梁試件的PV值和Nf值如表2所示。

取表2數(shù)據(jù)進行擬合，得到擬合方程為：

表2 瀝青混合料小梁試件的P V及Nf試驗數(shù)據(jù)

式中：c、d為實驗室回歸參數(shù)。

通過計算，對于基質瀝青混合料小梁試件JZ、JR、JE而言，其擬合方程的R2值分別為0.945 39、0.908 64、0.951 54；對于SBS改性瀝青混合料小梁試件SB、SR、SE而言，其擬合方程的R2值分別為0.989 78、0.954 72、0.998 63。

由此可知：瀝青混合料的疲勞性能可以采用PV值作為評價指標；取彎曲勁度模量衰減到其初始值50%時作為摻溫拌劑基質瀝青混合料的疲勞試驗終止條件并不合理；摻入EV溫拌劑可以提高瀝青混合料的抗疲勞性能。

由式（4）可知，可以用殘留勁度模量比達到50%時的循環(huán)作用次數(shù)及耗散能漸變率達到平衡時的平均值PV來擬合瀝青混合料疲勞壽命方程。

基質瀝青混合料加入EV溫拌劑后，其疲勞性能總體變好；SBS改性瀝青混合料加入EV溫拌劑后，在高應變水平下的疲勞性能有所下降，但與熱拌混合料疲勞性能相差不多；基質瀝青混合料加入RH溫拌劑后的疲勞性能總體變差。本試驗推薦使用EV溫拌劑。

4 結語

（1）現(xiàn)象法提出的疲勞壽命方程不適用于溫拌基質瀝青混合料，但適用于溫拌SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命性能研究。

（2）由R2的數(shù)值可以判斷，EV溫拌劑的添加可以提高瀝青混合料的疲勞性能；SBS改性瀝青混合料添加RH溫拌劑并不適合。

（3）EV溫拌劑對SBS改性瀝青混合料和基質瀝青混合料的疲勞性能影響較??；RH溫拌劑會降低基質瀝青混合料的疲勞性能。推薦使用EV溫拌劑。