固廢填料對(duì)改性瀝青老化過程中的疲勞特性影響研究

郭兵兵，賈雪梅，張恒基,3，劉力源,3

(1.山西省公路局呂梁分局，呂梁 033000;2.山西黃河前沿新材料研究院有限公司，太原 030000； 3.同濟(jì)大學(xué)，道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

0 引 言

近年來，固體廢棄物和各種改性瀝青已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于道路工程建設(shè)當(dāng)中。本文作者就利用工業(yè)固廢顯著提升多孔隙瀝青混合料的路用力學(xué)性能方向已經(jīng)做了大量研究[1-6]。然而改性瀝青及固廢鋪筑的路面在使用過程中會(huì)因?yàn)r青老化而出現(xiàn)性能下降問題[7]。瀝青老化會(huì)造成瀝青含氧官能團(tuán)和其他化學(xué)成分的改變，使得瀝青材料逐漸變硬、變脆，并最終喪失初始粘結(jié)力和自愈合性能[8-12]。而作為瀝青路面破壞的主要類型之一，瀝青路面在發(fā)生疲勞破壞時(shí)均會(huì)經(jīng)歷一定時(shí)期的老化作用，不同老化條件下疲勞性能差異巨大[13]。但是，當(dāng)前大多研究聚焦于單一瀝青膠漿老化過程中流變性能變化，填料也大多局限于礦粉及粉煤灰。據(jù)報(bào)道，目前我國(guó)累積赤泥堆存量已超過4億t，總儲(chǔ)量占全球的50%以上，但是我國(guó)對(duì)赤泥的利用率卻不到10%[14-17]，且目前關(guān)于赤泥作為填料在瀝青路面面層材料的研究及應(yīng)用非常薄弱。此外，涉及此類固廢填料加入后隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)膠漿疲勞性能的發(fā)展過程及作用機(jī)理的相關(guān)研究更甚為少見。

有研究指出采用G*sinδ(G*為復(fù)數(shù)剪切模量，δ為相位角)作為疲勞指數(shù)來評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的抗疲勞性能，但是由于該指標(biāo)的獲取過程中對(duì)樣品的加載次數(shù)較少且加載應(yīng)變較小，不能表征材料實(shí)際的抗破壞性能，且未考慮交通荷載和道路結(jié)構(gòu)而受到了廣泛爭(zhēng)議[18-19]。有研究[20]提出了瀝青的時(shí)間掃描試驗(yàn)，即使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(dynamic shear rheometer， DSR)對(duì)樣品進(jìn)行反復(fù)的循環(huán)加載，材料的性能參數(shù)會(huì)隨著加載次數(shù)的增加而逐漸降低，直到瀝青材料達(dá)到設(shè)定的疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)。盡管時(shí)間掃描測(cè)試被證明是評(píng)估瀝青疲勞的可靠測(cè)試方法，但其較長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間和較差的重復(fù)性是其最大的缺陷。針對(duì)這個(gè)問題，研究者們開始關(guān)注線性振幅掃描(liner amplitude sweep， LAS)測(cè)試，該方法不僅大量節(jié)約了疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間，而且其評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)疲勞裂紋數(shù)據(jù)的相關(guān)性極強(qiáng)[18,21-22]。

綜上，本文采用LAS試驗(yàn)，研究多種應(yīng)變水平下老化作用對(duì)瀝青膠漿的疲勞性能的影響規(guī)律，探究老化作用及固廢填料對(duì)疲勞性能的復(fù)合作用機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

本研究所涉及的材料主要包括瀝青、填料、粗細(xì)集料。其中瀝青為ESSO 70#+SBS改性瀝青，簡(jiǎn)稱為ES改性瀝青，填料包括來自荊州市萬(wàn)山環(huán)保材料有限公司的石灰?guī)r礦粉，來自鹽城市粉煤灰公司的粉煤灰，來自東莞市森大硅藻土材料有限公司的硅藻土和來自中國(guó)鋁業(yè)鄭州研究院的赤泥,粉膠體積比選擇為0.33[1,3]。4種填料的物理化學(xué)指標(biāo)如表1所示，ES改性瀝青組分如表2所示。關(guān)于填料的微觀特性，作者已發(fā)表文章[2]中已提供SEM照片和對(duì)應(yīng)的分析，即石灰石礦粉為棱角分明的多面體，粉煤灰為光滑的橢球結(jié)構(gòu)，硅藻土具有表面多孔結(jié)構(gòu)，赤泥的粒徑相對(duì)較小，且也呈現(xiàn)出整體疏松的多孔結(jié)構(gòu)。

表1 填料的物理化學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and chemical indexes of fillers

表2 ES改性瀝青組分Table 2 ES modified asphalt components

1.2 線性振幅掃描試驗(yàn)

本研究采用LAS試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青的疲勞性能[5,18,22]。以0.1%的應(yīng)變幅度進(jìn)行頻率掃描，頻率范圍為0.2～30 Hz。采用的DSR平板直徑為8 mm，間距為2 mm，溫度為20 ℃。以試驗(yàn)中記錄的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ為原始數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)計(jì)算出儲(chǔ)存模量G′。然后以頻率ω為x軸，儲(chǔ)存模量G′為y軸，進(jìn)行雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的線性擬合，擬合所得斜率為m，截距為b，如式(2)所示。根據(jù)式(3)計(jì)算材料未損傷時(shí)的性能參數(shù)α。

G′(ω)=G*(ω) cosδ(ω)

(1)

lgG′(ω)=mlgω+b

(2)

α=1/m

(3)

式中：G′(ω)為材料在當(dāng)前加載頻率ω下的儲(chǔ)存模量；G*(ω)為材料在當(dāng)前加載頻率ω下的復(fù)數(shù)模量；δ(ω)為材料在當(dāng)前加載頻率ω下的相位角；α為頻率掃描試驗(yàn)中所獲的材料未損傷時(shí)的性能參數(shù)。

然后進(jìn)行控制應(yīng)變模式LAS試驗(yàn)，加載波形為正弦波，試驗(yàn)的過程中振蕩振幅從0.1%線性增加至30%，掃描時(shí)間為300 s。采用的DSR平板的參數(shù)和溫度與前文相同。根據(jù)式(4)和(5)計(jì)算材料的累計(jì)損傷D(t)和損傷指數(shù)C(t)。

(4)

(5)

采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)變換后進(jìn)行線性擬合得到擬合參數(shù)C1和C2，如式(6)和(7)所示。

C(t)=C0-C1D(t)C2

(6)

lg(C0-C(t))=lgC1+C2lgD(t)

(7)

式中：C0為材料在未損傷時(shí)的損傷指數(shù)，定義為1，即未發(fā)生任何損傷。

根據(jù)式(8)計(jì)算材料在發(fā)生疲勞破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的累計(jì)損傷Df，即此處對(duì)于材料發(fā)生疲勞破壞時(shí)的判據(jù)為材料在LAS的過程中應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。

(8)

式中：Cp為材料在LAS的過程中應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)所對(duì)應(yīng)的損傷指數(shù)。

根據(jù)式(9)和式(10)計(jì)算材料疲勞參數(shù)A和B。

(9)

B=2α

(10)

式中：f為試驗(yàn)中的加載頻率，10 Hz。

最終，根據(jù)式(11)計(jì)算材料在不同應(yīng)變下的疲勞壽命。

Nf=Aγ-B

(11)

式中：Nf為材料的疲勞壽命；γ為材料的應(yīng)變。

1.3 老化方法

若選用RTFOT(rolling thin film oven test)時(shí)，填料將出現(xiàn)分離現(xiàn)象，即填料下沉并粘在玻璃瓶上，在老化后收集樣品的過程中，粘附在玻璃墻上的部分填料難以流出，導(dǎo)致粉膠比發(fā)生變化。同時(shí)，TFOT(thin film oven test)通常用于基質(zhì)瀝青的老化，但由于其老化能力不足以老化改性瀝青，也不適用于改性瀝青老化。已有研究表明，RTFOT與5 h PAV(pressure aging test)老化可以實(shí)現(xiàn)相同的短期老化結(jié)果，這說明25 h PAV試驗(yàn)的效果可等同于標(biāo)準(zhǔn)老化程序(RTFOT+20 h PAV)[23]，本研究選擇25 h (5 h+20 h) PAV老化作為長(zhǎng)期老化方法。短期老化對(duì)ES改性瀝青及其制備的4種改性瀝青膠漿的性能影響不大，尤其是對(duì)于瀝青膠漿的作用微乎其微。因此，此處關(guān)于瀝青膠漿疲勞性能的研究中，僅對(duì)未老化(virgin binder, VB)狀態(tài)和經(jīng)歷25 h PAV長(zhǎng)期老化的樣品進(jìn)行疲勞性能測(cè)試和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性瀝青膠漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

以ES改性瀝青、礦粉瀝青膠漿和硅藻土瀝青膠漿為例，瀝青膠漿在LAS試驗(yàn)中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。由圖可以看出，長(zhǎng)期老化作用提高了瀝青/膠漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力，卻使峰形應(yīng)變變窄。由于填料的添加，膠漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力明顯提高，且未老化時(shí)的硅藻土瀝青膠漿(硅藻土(diatomite)-VB)的峰值應(yīng)力甚至高于經(jīng)歷過25 h長(zhǎng)期老化后的礦粉瀝青膠漿(礦粉(limestone powder)-25 h PAV)。即硅藻土和礦粉作為填料，其材料干壓孔隙率和比表面積的差異對(duì)瀝青物理硬化的作用甚至超過25 h PAV長(zhǎng)期老化對(duì)瀝青的硬化作用。雖然填料在瀝青混合料集料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只是在2%～8%之間，但是其比表面積卻高達(dá)所有集料的60%以上，因此瀝青混合料中添加不同的填料，將顯著影響其性能。進(jìn)一步分析圖1可知，老化作用和填料的添加會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖中峰值應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值向左平移，即有降低的趨勢(shì)，這意味著材料的韌性在降低。而通過對(duì)比同種材料在未老化和25 h PAV長(zhǎng)期老化過程中該應(yīng)變值的變化差異(圖中已用黑色的短橫線標(biāo)注)，發(fā)現(xiàn)ES-VB和ES-25 h PAV的應(yīng)變值有最明顯的差異，而礦粉-VB和礦粉-25 h PAV次之，硅藻土-VB和硅藻土-25 h PAV的應(yīng)變值之間的差異最不明顯。這意味著雖然瀝青材料中加入硅藻土和礦粉降低了其韌性，但經(jīng)過長(zhǎng)期老化后，其性能變化微弱，而雖然未添加填料的ES改性瀝青在初始狀態(tài)下的韌性較強(qiáng)，但是老化后，其性能變化非常顯著。由于LAS試驗(yàn)中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線只能定性地判斷填料種類和老化作用對(duì)瀝青膠漿疲勞壽命的影響，仍然需要深入分析LAS試驗(yàn)中的其他指標(biāo)。

圖1 瀝青膠漿在LAS試驗(yàn)中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(以ES改性瀝青、礦粉瀝青膠漿和硅藻土瀝青膠漿為例)Fig.1 Stress-strain curves of asphalt mortar in LAS test(taking ES modified asphalt, ES-VB, asphalt mortarwith limestone powder and asphalt mortar as examples)

2.2 完整性指數(shù)和累計(jì)損傷計(jì)算和結(jié)果分析

以ES改性瀝青、礦粉瀝青膠漿和硅藻土瀝青膠漿為例，LAS試驗(yàn)中完整性指數(shù)C(t)和累計(jì)損傷D(t)之間的曲線關(guān)系如圖2(a)所示，其中C=1表示材料沒有產(chǎn)生任何損壞，具備最高的完整性，而C=0表示材料已經(jīng)發(fā)生了完全損壞。從圖2(a)中可以看出,在達(dá)到同樣的完整性指數(shù)C(t)時(shí)，ES-VB承受了最高的累計(jì)損傷，而硅藻土-25 h PAV承受的累計(jì)損傷最低?？傮w而言，添加填料和老化作用均會(huì)在材料達(dá)到同等完整性指數(shù)的情況下降低其能夠承受的累計(jì)損傷。倘若以相同的完整性指數(shù)作為材料發(fā)生破壞的依據(jù)，添加填料和老化作用均會(huì)降低材料的疲勞壽命，且添加多孔硅藻土填料的瀝青膠漿，不論是未老化還是經(jīng)歷25 h PAV長(zhǎng)期老化，其疲勞壽命均低于相應(yīng)老化狀態(tài)下的礦粉瀝青膠漿。

當(dāng)進(jìn)一步對(duì)比瀝青膠結(jié)料的疲勞試驗(yàn)方法及發(fā)生疲勞破壞的判據(jù)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)不論是時(shí)間掃描的疲勞試驗(yàn)，還是新版(AASHTO-TP101-14)或是舊版(AASHTO-TP101-12)LAS試驗(yàn)，均以材料的完整性指數(shù)C(t)作為其發(fā)生疲勞破壞的判據(jù)。然而它們對(duì)于完整性指數(shù)的定義大相徑庭，且具體數(shù)值也存在差異。例如時(shí)間掃描試驗(yàn)中疲勞判據(jù)為初始模量下降至50%，舊版中疲勞判據(jù)為初始疲勞因子G*sinδ下降至65%。而新版將材料發(fā)生疲勞損傷時(shí)的材料完整性指數(shù)的定義為材料發(fā)生疲勞破壞時(shí)的模量與初始模量的比值，但是這個(gè)比值并不同于時(shí)間掃描試驗(yàn)或者舊版中的某一固定值。也就是說新版試驗(yàn)中不同材料發(fā)生疲勞破壞時(shí)的材料完整性指數(shù)依賴于材料本身的性能(具體的計(jì)算方法如下：取LAS試驗(yàn)過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)材料的復(fù)數(shù)模量與其初始模量的比值)，非固定值。因此本文研究的ES改性瀝青及其制備的4種改性瀝青膠漿，在未老化和25 h PAV長(zhǎng)期老化狀態(tài)下，具備不同的疲勞破壞判據(jù)(發(fā)生疲勞破壞時(shí)材料的完整性指數(shù))，而繼續(xù)以固定完整性指數(shù)作為材料的疲勞性能的判據(jù)，但并不能對(duì)新版的LAS試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即單純通過完整性指數(shù)C(t)和累計(jì)損傷D(t)之間的曲線關(guān)系仍然難以判斷不同材料在不同老化狀態(tài)時(shí)的疲勞性能。

為了進(jìn)一步探討添加的填料和老化作用對(duì)瀝青/膠漿疲勞性能的影響，計(jì)算了在未老化和25 h PAV老化后的樣品在發(fā)生疲勞破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的完整性指數(shù)C(t)，并進(jìn)一步計(jì)算得到了樣品在發(fā)生疲勞破壞時(shí)所承受的疲勞損傷Df，如圖2(b)所示。從圖2(b)中可以看出未老化的樣品中，ES-VB在發(fā)生疲勞破壞時(shí)可以承受最高的累計(jì)損傷，而4種膠漿能夠承受的疲勞損傷較低，即添加填料降低了瀝青抵抗疲勞破壞的能力，且硅藻土和赤泥膠漿能夠承受的疲勞損傷略低于礦粉和粉煤灰膠漿。然而當(dāng)經(jīng)歷過25 h長(zhǎng)期老化以后，ES改性瀝青與4種膠漿的疲勞破壞累計(jì)損傷之間的差異顯著減小，即25 h PAV長(zhǎng)期老化作用顯著影響著ES改性瀝青疲勞性能，而對(duì)4種瀝青膠漿并不顯著，這與前面的分析結(jié)論一致，即長(zhǎng)期老化作用對(duì)ES改性瀝青的老化尤為嚴(yán)重，而添加的填料能夠提高膠漿的抗老化性能。

圖2 瀝青膠漿在LAS試驗(yàn)中的完整性指數(shù)和累計(jì)損傷Fig.2 Integrity index and damage accumulation of asphalt mortar in LAS test

2.3 應(yīng)變敏感程度和疲勞壽命計(jì)算和結(jié)果分析

為了進(jìn)一步分析老化作用對(duì)ES改性瀝青及其制備的膠漿的疲勞壽命的影響，計(jì)算了應(yīng)變敏感程度B值，具體的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在未老化的樣品中，ES改性瀝青的B值最低，而添加的填料導(dǎo)致B值升高，且具有較大比表面積和孔隙率的填料導(dǎo)致B值更為顯著的升高。因?yàn)樘砑拥奶盍希绕涫嵌嗫滋盍?，?duì)ES改性瀝青產(chǎn)生物理硬化作用，使瀝青變硬變脆，因此其對(duì)應(yīng)變的敏感程度提高。然而經(jīng)歷25 h PAV老化后，ES改性瀝青的B值顯著升高，居于5種材料的首位，即其疲勞壽命對(duì)應(yīng)變最為敏感，也進(jìn)一步說明其抗老化性能最差。就4種膠漿而言，由于赤泥和硅藻土對(duì)瀝青的物理硬化作用強(qiáng)于礦粉和粉煤灰，因此，不論是未老化(VB)還是經(jīng)歷長(zhǎng)期老化(25 h PAV)，赤泥和硅藻土制備的膠漿，其應(yīng)變敏感程度均高于硅藻土和粉煤灰膠漿。

圖3 瀝青膠漿在LAS試驗(yàn)中的應(yīng)變敏感程度B值Fig.3 Strain sensitivity (value of B) of modifiedasphalt mortar in LAS test

圖4展示了3種應(yīng)變條件下(3.0%、5.0%、7.0%)，ES改性瀝青及其制備的4種瀝青膠漿在未老化(VB)和長(zhǎng)期老化(25 h PAV)條件下的疲勞壽命。由圖4可知，就未老化的樣品而言，3種應(yīng)變條件下，ES改性瀝青均呈現(xiàn)出最大的疲勞壽命，填料的添加降低了其疲勞壽命。當(dāng)經(jīng)歷25 h PAV長(zhǎng)期老化后，ES改性瀝青的疲勞壽命在小應(yīng)變(3.0%)情況下仍然具有較大的疲勞壽命，但是其與4種膠漿之間的差異在縮小。隨著加載的應(yīng)變逐漸增大至5.0%甚至7.0%時(shí)，ES改性瀝青的疲勞壽命已經(jīng)與4種膠漿相當(dāng)?；仡櫱笆鲫P(guān)于疲勞壽命分析中應(yīng)變敏感程度B值的變化規(guī)律時(shí)，這種疲勞壽命的變化趨勢(shì)就可以完全理解，即25 h PAV長(zhǎng)期老化顯著提升了ES改性瀝青對(duì)加載應(yīng)變的敏感程度，導(dǎo)致其在較大應(yīng)變時(shí)疲勞壽命顯著下降。就4種瀝青膠漿而言，在3.0%的應(yīng)變時(shí)，不論是未老化還是長(zhǎng)期老化，赤泥和硅藻土制備的膠漿的疲勞壽命均優(yōu)于礦粉和粉煤灰制備的膠漿，且經(jīng)歷過25 h PAV長(zhǎng)期老化后，它們之間的差異在增大，而隨著應(yīng)變的增加，這種差異又逐步縮小。

圖4 不同加載應(yīng)變條件下改性瀝青膠漿的疲勞壽命Fig.4 Fatigue life of modified asphalt mortar under different loading strain conditions

2.4 固廢基填料老化改性瀝青膠漿疲勞規(guī)律分析

在小應(yīng)變(3.0%)時(shí)，赤泥和硅藻土制備的膠漿的疲勞壽命均優(yōu)于礦粉和粉煤灰制備的膠漿。通常認(rèn)為像赤泥和硅藻土這類具有多孔和大比表面積的填料對(duì)瀝青的物理硬化作用會(huì)導(dǎo)致其疲勞壽命降低，但這里卻忽略了赤泥和硅藻土這類填料對(duì)瀝青的微粒填充增強(qiáng)作用。圖5(a)和(b)展示了本研究中膠漿樣品的疲勞破壞全局和表面形貌圖。由圖5(a)和(b)可知， LAS試驗(yàn)從餅狀樣品的邊緣逐漸開始破壞至樣品的中心，這與Hintz和Bahia[21]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致(圖5(c))，將DSR上板抬起后，可看到試件中心處均存在小范圍內(nèi)的連接。圖5(c)和圖5(b)相比，由于后者添加了填料，所以破壞表面具有明顯的粗糙的顆粒感，這表明填料與瀝青之間的界面破壞是膠漿的疲勞破壞過程中的一種重要形式。

圖5 LAS試驗(yàn)中樣品的破壞形貌Fig.5 Destructive morphology of samples in LAS test

圖6展示了在相同粉膠比情況下，采用具有不同粒徑和比表面積的填料制備所得的瀝青膠漿的疲勞破壞形式。由圖6可知，隨著填料粒徑的減小和比表面積的增大，膠漿內(nèi)部的填料-瀝青界面增多。因此在餅狀膠漿樣品的LAS試驗(yàn)中產(chǎn)生疲勞破壞的過程中需要破壞更多的填料-瀝青界面，且裂縫在擴(kuò)展破壞的過程中，隨著微粒填料數(shù)量的增多，其裂縫擴(kuò)展路徑更多更長(zhǎng)，這兩種作用均可以提高膠漿的疲勞破壞壽命，將其定義為微粒填充增強(qiáng)作用。但是微粒填充同時(shí)也存在著負(fù)面的影響，即其對(duì)膠漿材料的硬化會(huì)提高疲勞壽命對(duì)應(yīng)變的敏感程度，導(dǎo)致較大應(yīng)變條件下膠漿的疲勞壽命降低。因此在膠漿的LAS疲勞破壞試驗(yàn)中，填料的微粒填充對(duì)疲勞壽命的增強(qiáng)作用與其對(duì)應(yīng)變敏感程度的負(fù)面作用此消彼長(zhǎng)，共同決定著膠漿的疲勞性能。在小應(yīng)變情況下，填料的微粒填充對(duì)疲勞壽命的增強(qiáng)作用起主導(dǎo)作用，赤泥和硅藻土膠漿表現(xiàn)出更為優(yōu)異的疲勞壽命。而隨著加載應(yīng)變的增大，微粒填充硬化作用帶來的較大應(yīng)變敏感程度逐漸占據(jù)上風(fēng)，導(dǎo)致赤泥和硅藻土膠漿的疲勞壽命較快下降。

圖6 LAS試驗(yàn)中膠漿樣品的疲勞破壞形式Fig.6 Forms of fatigue failure among the asphalt mortar in LAS test

在小應(yīng)變(3.0%)時(shí)，經(jīng)歷過25 h PAV長(zhǎng)期老化后，赤泥和硅藻土制備的膠漿的疲勞壽命與礦粉和粉煤灰制備的膠漿之間的差異增大。這是因?yàn)槌嗄嗪凸柙逋林苽涞臑r青膠漿比利用礦粉和粉煤灰制備的有更為優(yōu)異的抗老化性能。因此在25 h PAV長(zhǎng)期老化后，膠漿中瀝青相的老化硬化存在明顯差異，即赤泥和硅藻土膠漿中的瀝青相老化硬化效應(yīng)較弱，而礦粉和粉煤灰制備的膠漿中瀝青相的老化硬化效應(yīng)較強(qiáng)，正是這種差異使得膠漿疲勞性能之間的差異增大。

隨著應(yīng)變的增加，4種膠漿之間的疲勞壽命的差異在逐漸減小。由前文關(guān)于疲勞壽命中應(yīng)變敏感程度B值的計(jì)算結(jié)果可知，相對(duì)于粉煤灰和礦粉而言，赤泥和硅藻土制備的瀝青膠漿具有較高的應(yīng)變敏感程度。

這里定義“老化-疲勞性能衰變指數(shù)”，以此來評(píng)價(jià)老化作用對(duì)瀝青/膠漿疲勞性能的負(fù)面作用。即25 h PAV長(zhǎng)期老化樣品疲勞性能(疲勞壽命、累計(jì)損傷)與未老化樣品疲勞性能(疲勞壽命、累計(jì)損傷)的比值(疲勞性能25 h PAV/疲勞性能VB)，其值越趨近于1表明樣品抗老化性能越強(qiáng)，越趨近于0表征抗老化性能越弱，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。此處以5.0%應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的疲勞壽命作為基準(zhǔn)，累計(jì)損傷是指在LAS試驗(yàn)中，材料達(dá)到疲勞破壞時(shí)所承受的累計(jì)損傷。由圖7可知，不論是以材料發(fā)生破壞時(shí)的疲勞壽命，還是以累計(jì)損傷為評(píng)價(jià)指標(biāo)，填料的添加導(dǎo)致ES改性瀝青的老化-疲勞性能衰變指數(shù)降低。且與粉煤灰和礦粉相比，用硅藻土和赤泥作填料，瀝青膠漿的抗老化性能更優(yōu)異。硅藻土和赤泥對(duì)ES改性瀝青抗老化性能的提升作用和其微粒填充增強(qiáng)作用，在一定程度上彌補(bǔ)了其強(qiáng)烈的物理硬化帶來的疲勞性能衰變。

圖7 瀝青膠漿的老化-疲勞性能衰變指數(shù)Fig.7 Aging-fatigue decay index of asphalt mortar

3 結(jié) 論

(1)填料的物理硬化作用會(huì)降低改性瀝青的初始疲勞性能，但是硬化后的瀝青能提升其抗老化性能，從而改善改性瀝青在老化過程中的疲勞性能，多孔和大比表面積的固廢填料赤泥和硅藻土表現(xiàn)相對(duì)更好，改善效果由高到低為硅藻土、赤泥、礦粉、粉煤灰。

(2)在低應(yīng)變水平時(shí)，赤泥和硅藻土相比于礦粉和粉煤灰可以更有效的提升膠漿的疲勞壽命，并且隨著老化的進(jìn)行，此類優(yōu)勢(shì)差異在增大。但是，隨著應(yīng)變水平的增加，4種膠漿之間的疲勞壽命的差異在逐漸減小。

(3)赤泥和硅藻土填料的加入雖然會(huì)硬化脆化瀝青，但同時(shí)還存在微粒填充作用。瀝青硬化脆化所帶來的疲勞壽命對(duì)應(yīng)變的敏感程度的負(fù)面作用與微粒填充對(duì)疲勞壽命的增強(qiáng)作用相互競(jìng)爭(zhēng)，此消彼長(zhǎng)，共同決定著膠漿的疲勞性能。

本文揭示了固廢填料加入對(duì)改性瀝青材料疲勞性能的影響及作用規(guī)律，有效證實(shí)了赤泥及硅藻土對(duì)瀝青老化狀態(tài)下疲勞性能的提升作用，有利于推動(dòng)固體廢棄物在瀝青路面材料中的耐久性研究以及工程應(yīng)用。但是，在開展疲勞性能研究的過程中缺乏與混合料性能的關(guān)聯(lián)分析，同時(shí)對(duì)于作用機(jī)理的分析與闡述停留在細(xì)觀與宏觀層次，需要進(jìn)行進(jìn)一步的微觀分析與混合料性能驗(yàn)證。