老化及加載速率對SBS改性瀝青混合料強度與抗疲勞性能的影響分析

作者簡介：丘禮球（1975—），高級工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

文章旨在揭示加載速度和老化程度對SBS改性瀝青混合料強度與疲勞性能的影響。首先，對老化和未老化的SBS改性瀝青混合料進行了不同加載速率下的劈裂強度試驗，建立了SBS改性瀝青混合料強度的非線性特性；然后，基于速度相關(guān)應(yīng)力比思想，提出了同時考慮老化程度與加載速度的應(yīng)力比，并在此基礎(chǔ)上，對不同老化程度SBS改性瀝青混合料疲勞試驗結(jié)果進行分析，揭示了老化對SBS改性瀝青混合料疲勞性能的影響。結(jié)果表明：瀝青混合料是一種粘彈性材料，其強度隨加載速度增大，而現(xiàn)行瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程中固定的強度試驗加載速度與實際多變的行車速度不相符。同時，隨著老化程度的加劇，SBS改性瀝青混合料劈裂強度隨加載速度的增大幅度逐漸減少，且當(dāng)老化超過一定程度時，其強度迅速衰減。此外，采用速度相關(guān)應(yīng)力比的S-N疲勞方程分析發(fā)現(xiàn)，老化顯著增大了SBS改性瀝青混合料疲勞性能的應(yīng)力敏感性。

道路工程；疲勞性能；強度；SBS改性瀝青混合料；S-N疲勞方程

U414.1A200733

0?引言

疲勞開裂是瀝青路面結(jié)構(gòu)的主要破壞形式之一。因此，在路面設(shè)計中，瀝青混合料的疲勞特性一直被視為關(guān)鍵性設(shè)計指標(biāo)［1］。各國現(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計規(guī)范大多采用S-N疲勞方程來確定結(jié)構(gòu)強度系數(shù)。然而，S-N疲勞方程的應(yīng)力比通常是用固定強度試驗條件下確定的強度值來計算的［2］。在瀝青路面的設(shè)計中，鮮有考慮加載頻率、應(yīng)力狀態(tài)等試驗條件的影響，導(dǎo)致設(shè)計不夠科學(xué)、安全。為了準(zhǔn)確地表征瀝青混合料的疲勞性能，確定路面設(shè)計的有效結(jié)構(gòu)系數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者對瀝青混凝土的疲勞性能進行了大量的研究［3-4］。

瀝青混合料是一種粘彈性材料，其力學(xué)性能受許多因素的影響，如應(yīng)力狀態(tài)、材料制備和環(huán)境條件［5］。Mangiafico等［6］發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土的強度特性受加載速度和試驗溫度的影響。因此，用恒定加載速率和試驗溫度下的強度值來表征瀝青混凝土的疲勞特性是不合適的［7］。同時，瀝青混凝土的性能隨著瀝青路面使用年限的延長而發(fā)生變化［8］，例如，瀝青混凝土的強度值隨老化程度的變化而變化。因此，需揭示加載速率及瀝青混合料的老化程度對其疲勞性能的影響，以準(zhǔn)確評價瀝青混合料的疲勞性能、預(yù)估其剩余疲勞壽命。

為此，本文基于SBS改性瀝青混合料的粘彈性特征，對不同老化程度SBS改性瀝青混合料進行了不同加載速度下的強度試驗，并基于強度的速度相關(guān)性及速度相關(guān)應(yīng)力比，對比分析老化程度對SBS改性瀝青混合料疲勞性能的影響。研究成果對SBS改性瀝青混合料的抗疲勞設(shè)計有一定的參考價值。

1?原材料與試件制備

1.1?原材料與級配設(shè)計

本文以瀝青路面面層為研究對象，選取AC-13C型瀝青混合料，膠結(jié)料為SBS改性瀝青，粗集料選用石灰?guī)r集料，抗車轍劑采購成品。所選SBS改性瀝青及石灰?guī)r集料的主要技術(shù)性能指標(biāo)滿足JTGF40-2004的要求。

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50-2017）中的密級配瀝青混合料級配范圍，通過配合比設(shè)計合成了本文所用的AC-13瀝青混合料集料級配，如圖1所示。

1.2?試件制備及老化處理

本文根據(jù)瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程中提出的瀝青混合料短期老化和長期老化試驗方法，將拌和好的瀝青混合料松散料放于溫度為135 ℃的烘箱中老化4 h，模擬瀝青混合料制備與施工過程中產(chǎn)生的短期老化，再壓實成型車轍板試件。由于車轍是在路面服役期間產(chǎn)生的病害，即均為短期老化后的瀝青混合料，故本文將短期老化后的瀝青混合料試件設(shè)定為對照組。在此基礎(chǔ)上，將車轍板試件放于溫度為85 ℃的烘箱中老化120 h，模擬瀝青路面在服役過程中的熱老化。此外，為研究水環(huán)境老化對瀝青混合料抗車轍性能的影響，在長期老化試件的基礎(chǔ)上將試件浸沒在溫度為80 ℃的水中，老化24 h，進行高溫水浴老化。

2不同老化程度與加載速度下瀝青混合料強度的非線性特性

[JP1]為揭示老化程度及加載速度對SBS改性瀝青混合料強度的影響，分別對短期老化、長期老化及高溫水浴老化三種不同老化程度的SBS改性瀝青混合料試件開展了不同加載速率下的劈裂強度試驗。加載速率分別為應(yīng)力控制模式下的1 MPa/s、3 MPa/s、5 MPa/s、10 MPa/s、15 MPa/s、20 MPa/s以及試驗規(guī)程規(guī)定的應(yīng)變控制模式下的固定加載速率50 mm/min。

2.1?加載速率對SBS改性瀝青混合料強度的影響

以未老化SBS改性瀝青混合料為例，不同加載速率下的劈裂強度試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，SBS改性瀝青混合料的劈裂強度隨加載速率呈冪函數(shù)增大，而非固定值，其原因是SBS改性瀝青為典型的粘彈性材料，在高加載速率下表現(xiàn)出更多的彈性特征。SBS改性瀝青混合料劈裂強度與加載速度的關(guān)系表示如式（1）：

同時，試驗規(guī)程規(guī)定加載速率所得強度值為1.27 MPa，代入式（1）計算對應(yīng)的等效加載速率為9.2 MPa/s，該速率與常規(guī)車輛行駛速度的相關(guān)性還有待驗證，且單一加載速率下的強度值無法客觀反映路面在不同行駛速度車輛作用下的抗力。

2.2?加載速率與老化程度對SBS改性瀝青混合料強度的耦合作用

SBS改性瀝青及混合料在服役過程中直接受到光、熱、水和雪等環(huán)境因素的影響，SBS與瀝青皆發(fā)生不同程度的老化，性能逐漸衰退。由以往研究可知，按試驗規(guī)程中的加載速率測得的SBS改性瀝青混合料劈裂強度值隨老化程度逐漸增大［9］。本文除熱老化外，也對高溫水浴老化后的SBS改性瀝青混合料試件進行了劈裂強度試驗，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，老化使得SBS改性瀝青混合料的劈裂強度增大，相比于未老化的SBS改性瀝青混合料，短期老化SBS改性瀝青混合料劈裂強度增大14.9%、長期老化增大45.7%，高溫水浴老化增大20.5%。但SBS改性瀝青混合料劈裂強度并非隨老化程度的加劇而呈單調(diào)遞增，當(dāng)老化超過一定程度時，強度值逐漸衰退。其原因是，SBS改性瀝青混合料的老化過程中，瀝青由于輕組分的揮發(fā)與轉(zhuǎn)換發(fā)生硬化，使得SBS改性瀝青混合料的強度增大；但同時，老化過程還伴隨著瀝青內(nèi)部微裂紋的積累及SBS改性劑的老化，使得SBS改性瀝青混合料的強度衰退。在一定老化程度范圍內(nèi)，瀝青的硬化作用占主導(dǎo)作用，超過該范圍后，SBS改性瀝青混合料逐漸松散。故本文高溫水浴老化后SBS改性瀝青混合料強度較長期老化的降低了17.3%。

SBS改性瀝青老化后，降低了其粘彈性特性，不同老化程度的SBS改性瀝青混合料在不同加載速率下的強度表現(xiàn)出的非線性特征亦存在區(qū)別。因此，本文對不同老化程度SBS改性瀝青混合料進行了不同加載速率下的劈裂強度試驗，以揭示老化與加載速率對SBS改性瀝青混合料強度的耦合作用，試驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，無論是未老化、短期老化還是長期老化的SBS改性瀝青混合料均具有粘彈性特性，其劈裂強度值隨加載速率的增大而增大。但隨著老化程度的加劇，粘彈性特性逐漸減弱，劈裂強度值隨加載速率的變化趨于平緩。短期老化與長期老化SBS改性瀝青混合料劈裂強度值隨加載速率的變化關(guān)系式分別見式（2）與式（3）。

如前所述，SBS改性瀝青混合料的老化過程是瀝青硬化與內(nèi)部微裂縫積累過程，當(dāng)老化超出一定范圍后，SBS改性瀝青混合料逐漸松散，其性能逐步惡化。如圖5所示，高溫水浴老化后的SBS改性瀝青混合料劈裂強度隨加載速率增大而逐漸減小。由此可推測，當(dāng)老化超出一定程度后，SBS改性瀝青混合料黏性特性幾近消失，而老化導(dǎo)致的裂紋大量擴展，導(dǎo)致SBS改性瀝青混合料蓬松化，其強度顯著降低。

3基于強度非線性特性的不同老化瀝青混合料疲勞性能表征

瀝青混合料的疲勞特性通常采用S-N疲勞方程進行表征，其表達式如式（2）所示。

在采用S-N疲勞方程表征SBS改性瀝青混合料的疲勞特性時，選取的是試驗規(guī)程中規(guī)定的固定加載速率下測得的強度值。但在固定加載頻率的疲勞試驗中，隨著應(yīng)力比的變化，作用于SBS改性瀝青混合料的荷載速率也發(fā)生變化。故S-N疲勞方程未考慮加載速率對強度與疲勞的影響。為此，長沙理工大學(xué)呂松濤教授提出了加載速率相關(guān)應(yīng)力比的概念，修正了S-N疲勞方程中的應(yīng)力比，建立了基于速度相關(guān)應(yīng)力比的S-N疲勞方程，如式（3）所示。

本文基于此疲勞方程與圖5建立的老化與加載速率耦合作用下的強度變化模型，以6 kN、10 kN及12 kN等3種荷載，在加載頻率為10 Hz、試驗溫度為25 ℃的條件下，對不同老化程度的SBS改性瀝青混合料進行劈裂疲勞試驗，以揭示不同老化程度下SBS改性瀝青混合料的疲勞特性。三種荷載按傳統(tǒng)S-N疲勞方程及速度相關(guān)應(yīng)力比的S-N疲勞方程計算應(yīng)力比，結(jié)果如表1所示。

采用傳統(tǒng)S-N疲勞方程表征SBS改性瀝青混合料劈裂疲勞試驗結(jié)果如圖5所示。

對比分析圖5中不同老化程度的SBS改性瀝青混合料的疲勞曲線與實際情況不符。相同疲勞試驗結(jié)果采用速度相關(guān)應(yīng)力比的S-N疲勞方程表征時，SBS改性瀝青混合料劈裂疲勞試驗結(jié)果如圖6所示。

對比分析圖6中不同老化程度SBS改性瀝青混合料的疲勞曲線，可見，不同老化程度的SBS改性瀝青混合料的疲勞曲線相互呈一定夾角。其疲勞曲線斜率隨老化程度的加劇而增大，即老化增大了SBS改性瀝青混合料疲勞性能的應(yīng)力敏感性。不同老化程度SBS改性瀝青混合料疲勞曲線的擬合結(jié)果如表2所示。

此外，圖6揭示了在同一荷載條件下，老化后的SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命之所以高于未老化的，是因為老化使得SBS改性瀝青混合料的強度增大，在相同荷載條件下對應(yīng)的疲勞應(yīng)力比小。

4?結(jié)語

本文基于SBS改性瀝青混合料的粘彈性特征，對不同老化程度SBS改性瀝青混合料進行了不同加載速度下的強度試驗，并基于強度的速度相關(guān)性及速度相關(guān)應(yīng)力比，對比分析了老化程度對SBS改性瀝青混合料疲勞性能的影響，得到如下結(jié)論。

（1）現(xiàn)行瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程中固定了強度試驗的加載速度調(diào)節(jié)，但瀝青混合料是一種粘彈性材料，其強度隨加載速度增大，故而試驗規(guī)程中的方法獲取的瀝青路面材料強度參數(shù)未能客觀反映瀝青路面對不同行駛速度下的車輛產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)抗力。

（2）老化使得瀝青混合料硬化，其強度增大，但其粘彈特性減弱，表現(xiàn)為隨著老化程度的加劇，SBS改性瀝青混合料劈裂強度隨加載速度的增大幅度逐漸減少，且老化使得SBS改性瀝青混合料不斷積累微裂縫，當(dāng)老化超過一定程度時，其強度迅速衰減。

（3）采用速度相關(guān)應(yīng)力比的S-N疲勞方程充分考慮了SBS改性瀝青混合料的粘彈性特征。相比于傳統(tǒng)S-N疲勞方程，能夠更準(zhǔn)確地揭示老化對SBS改性瀝青混合料疲勞性能的影響。

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