黃 明

(1. 上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092；2.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

環(huán)氧瀝青混合料的疲勞行為研究

黃 明1,2

(1. 上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092；2.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

以美國ChemCo環(huán)氧瀝青為例，按馬歇爾設(shè)計方法進行了混合料設(shè)計，利用萬能材料試驗機MTS-81完成疲勞試驗，并對瀝青混合料小梁力學(xué)特性進行了檢測，從瀝青用量、攤鋪等待時間、應(yīng)力比3個影響因素，分析了環(huán)氧瀝青混合料疲勞性能的變化規(guī)律，并回歸了環(huán)氧瀝青混合料的疲勞行為方程。結(jié)果表明：疲勞壽命與瀝青用量、攤鋪等待時間、應(yīng)力比3個影響因素的關(guān)系分別為：隨應(yīng)力比增大而減小，隨瀝青用量的增大而增大，越過某個特定的時間點之后隨攤鋪等待時間的增大而減小，疲勞壽命的以10為底的對數(shù)分別與3個因素呈冪函數(shù)、指數(shù)和指數(shù)關(guān)系；提出多維擬合后的疲勞行為預(yù)估方程；并經(jīng)過驗證，此方程的適用范圍限于應(yīng)力比在0.3～0.7以內(nèi)，瀝青用量在5%～8%以內(nèi)，以及攤鋪等待時間在0～120 min以內(nèi)。

道路工程；環(huán)氧瀝青混合料；小梁試驗；疲勞行為

0 引 言

環(huán)氧瀝青混合料從1961年使用以來較廣泛的使用在鋼橋面鋪裝上，大多出現(xiàn)了早期損壞，直接影響到行車的安全性、舒適性、耐久性等，這與其疲勞有很大的關(guān)系。從上世紀60年代起，疲勞性能檢測是美國、德國、日本的研究及橋面鋪裝規(guī)范中所涉及的檢測項目之一[1]。國外對鋼橋面鋪裝用的環(huán)氧瀝青混合料的疲勞性能研究開展的較早，C.T.METCALF等[2]和F.F.FONDRIEST等[3]均采用復(fù)合梁對環(huán)氧瀝青混合料進行了彎曲疲勞試驗，并以普通瀝青混合料為對比，得到環(huán)氧瀝青混凝土在抗疲勞性能方面遠優(yōu)于普通瀝青混凝土的結(jié)論；W.HAIFANG[4]提出基于間接拉伸試驗的黏彈性分析瀝青混合料疲勞性能；K.A.GHUZLAN[5]用耗散能方法來分析瀝青混合料疲勞特性，然而這些方法所選取的因素太少，不足以從全方面反映環(huán)氧瀝青混合料的疲勞性能。

環(huán)氧瀝青國產(chǎn)化之后，國內(nèi)專門針對橋面鋪裝層進行的疲勞性能方面的研究陸續(xù)開始，黃衛(wèi)等[6]利用復(fù)合梁進行了大量的應(yīng)變控制的疲勞試驗，試驗中以應(yīng)變量為變量，且應(yīng)變量都在很小的范圍內(nèi)<200 εμ，認為國產(chǎn)環(huán)氧瀝青混合料疲勞性能優(yōu)異；并對鋼橋面鋪面結(jié)構(gòu)層進行了多方面的力學(xué)分析佐證了這一結(jié)論，從靜態(tài)的力學(xué)分析角度探討了鋪裝層裂縫產(chǎn)生的原因，并給出了簡單的預(yù)防措施；然而影響瀝青混合料疲勞性能的不僅僅在于應(yīng)變量，還包括瀝青用量、空隙率、施工質(zhì)量等等。根據(jù)作者此前的研究，環(huán)氧瀝青混合料施工要求嚴苛，鋪面的空隙率和質(zhì)量主要受攤鋪等待時間的影響[7]，再者在大型鋼橋面的鋪裝中，瀝青面層的疲勞破壞主要源自受到鋼橋面底部帶來的彎拉應(yīng)力，只有在上述幾種影響因素下的疲勞性能變化才有參考價值，因此提出環(huán)氧瀝青鋪面材料的疲勞行為的預(yù)估方程對橋面鋪裝的設(shè)計、施工和維護具有十分重要的意義[8]。為此，本次研究將從多因素全面設(shè)計的基礎(chǔ)上進行環(huán)氧瀝青混合料的疲勞性能研究。

1 試驗材料與前期

石料的選擇：粗集料(≥2.36 mm)與細集料(0.075～1.18 mm)都采用玄武巖，產(chǎn)地為江蘇溧陽，礦粉是由石灰石研磨而成，產(chǎn)地為浙江吉安，其表觀密度為2.788 g/cm3。集料的基本性能的測試結(jié)果見表1。

表1 集料性能指標

環(huán)氧瀝青選用美國ChemCo環(huán)氧瀝青，它曾成功的應(yīng)用在SanMetreo和金門大橋上[9]，具有廣泛的代表性。瀝青混合料級配范圍選取南京長江二橋用級配，通過篩分出級配中值用于試驗，這種級配在我國后來的許多新建大型鋼橋的橋面鋪裝上均有應(yīng)用[10]，級配如表2。

表2 環(huán)氧瀝青混合料級配

混合料制備過程如下：瀝青B組分(瀝青與固化體系的混合物)加熱至115 ℃?zhèn)溆?，A組分(環(huán)氧樹脂)加熱至90 ℃?zhèn)溆?，石料保?30 ℃，環(huán)氧瀝青混合料拌和溫度為120 ℃，AB組分在拌鍋內(nèi)混合，礦粉常溫加入。

每個瀝青用量下成型馬歇爾試件3個，按規(guī)程進行馬歇爾試件體積計算。不同瀝青用量下的混合料體積參數(shù)與馬歇爾試驗結(jié)果如表3。

表3 不同瀝青用量對應(yīng)的空隙率

2 疲勞試驗

2.1 試件的成型與小梁試件的力學(xué)特征

依據(jù)我國規(guī)范[11]選取了輪碾法成型混合料試件，使用車轍試驗?zāi)＞撸叽鐬椋?00 mm×300 mm×50 mm，然后進行切割，切割成小梁尺寸為200 mm×50 mm×50 mm，誤差為±2 mm。通過MTS-810試驗機，使用中點加載模具，圖1為夾具和施加應(yīng)力示意圖。由于不同瀝青用量(Pa)和不同攤鋪等待時間(T1)下的混合料的性質(zhì)是不一樣的，試驗對不同影響因素的小梁進行單次最大彎拉應(yīng)力測試，試驗環(huán)境溫度為15 ℃。

圖1 中點加載疲勞試驗夾具和力學(xué)示意Fig.1 Fatigue test fixture of midpoint load and its mechanic schematic diagram

首先通過其抗彎拉強度可計算出其抗彎拉應(yīng)力σ，再進行不同應(yīng)力比下的疲勞試驗。除考慮應(yīng)力比外，還加入瀝青用量和攤鋪等待時間來表征影響其疲勞性能的變量。參數(shù)中Pa表示瀝青用量，Tw表示攤鋪等待時間，下同。最大彎拉應(yīng)力試驗結(jié)果如表4。

表4 不同內(nèi)部影響因素下的瀝青混合料小梁力學(xué)特征

Table 4 Mechanical characteristics of epoxy asphalt mixture beam under influence of different internal factors

瀝青含量Pa/%Tw/min最大壓力PB/kN抗彎拉應(yīng)力σ/MPa跨中撓度d/mm最大彎拉應(yīng)變ε/(×10-3)彎曲勁度模量SB/MPa5．004．3410．4160．17521．31407926．94304．3610．4640．17331．29988050．78604．4510．680．17881．34107964．21904．119．8640．16111．20838163．871203．237．7520．15321．14906746．746．004．5510．920．21221．59156861．45304．5310．8720．23281．74606226．8604．6211．0880．22151．66136674．49904．149．9360．19231．44236889．241203．187．6320．18251．36885575．897．004．1810．0320．25221．89155303．73304．2310．1520．26141．96055178．27604．2210．1280．25231．89235352．36904．019．6240．21131．58486072．881203．167．5840．20041．50305045．918．004．1810．140．27661．89154303．73304．2310．320．27141．96054278．27604．2210．420．27131．89234252．36904．019．380．25231．58484572．881203．167．180．22511．50304145．53

分析表5中的彎曲勁度與瀝青用量、攤鋪等待時間的關(guān)系，可繪制出圖2、圖3的關(guān)系。

圖2 勁度模量隨瀝青用量變化Fig.2 Stiffness modulus changing with asphalt content

圖3 勁度模量隨攤鋪等待時間變化Fig.3 Stiffness modulus changing with paving waiting time

從圖2、圖3可以看出，勁度模量SB與瀝青用量有著很好的線性關(guān)系，但與攤鋪等待時間的變化的關(guān)系并不是很明顯，總體略呈下降趨勢。

應(yīng)力疲勞試驗方案：我國規(guī)范[11]中容許拉應(yīng)力指標采用的是15 ℃的參考值，參照國內(nèi)外的研究成果，本次小梁彎曲疲勞試驗采用15 ℃作為試驗溫度；加載頻率為10 Hz，半正弦波。荷載大小選取0.3，0.5，0.7 三個倍數(shù)作為試驗變量，即指σt/σ。

選取4種瀝青用量，即5%，6%，7%和8%；另外對于環(huán)氧瀝青，攤鋪等待時間是特別需要重視的因素，它影響著環(huán)氧瀝青混合料的路用性能，也是一個綜合指標[12]。另外空隙率在許多研究中都被列為了一個影響因素，但在礦料級配一定的情況下，空隙率的形成主要由瀝青用量和施工質(zhì)量決定的，攤鋪等待時間能夠綜合反映施工質(zhì)量，所以在本次環(huán)氧瀝青混合料的研究中不單列空隙率作為一個影響因素。

試驗采用全面設(shè)計，全面設(shè)計表見表5。接下來的敘述中，將應(yīng)力比范圍0.3～0.7倍，瀝青用量范圍5%～8%，以及攤鋪等待時間范圍0～120 min，總稱為“既定條件范圍”。

表5 全面設(shè)計

疲勞破壞判斷標準為：小梁完全斷裂，即MTS傳感器中力的數(shù)值出現(xiàn)大幅下降的時刻為止。

2.2 疲勞試驗結(jié)果

由于是模擬大型鋼橋面的鋪裝，采用的是應(yīng)力控制，再者混合料小梁的穩(wěn)定度很高，說明其具有很大的剛度，故疲勞試驗結(jié)束條件選取以梁的完全斷裂為標準。從圖4可以清晰的看出，試驗結(jié)束后小梁已完全破壞，并且表現(xiàn)出十分剛性的破壞。

圖4 小梁疲勞破壞正面Fig.4 Front view of beam fatigue crack

根據(jù)既定設(shè)置，記錄整個試驗過程的混合料疲勞破壞次數(shù)，試驗數(shù)據(jù)如表6。

表6 疲勞試驗結(jié)果

Table 6 Results of fatigue test

3 試驗結(jié)果的分析與疲勞行為方程

3.1 單一因素的影響

根據(jù)試驗結(jié)果，分別按3個應(yīng)力比、4個瀝青用量和5個攤鋪等待時間與疲勞次數(shù)(Nf)的單對數(shù)做散點關(guān)系圖，并采用最小二乘法對各個指標與疲勞次數(shù)的關(guān)系進行了多項式、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)以及對數(shù)函數(shù)的曲線擬合，得到最大的曲線相關(guān)系數(shù)的曲線分別如圖5。

圖5 疲勞壽命(對數(shù))的變化曲線Fig.5 Curve of fatigue life (logarithm)

雖然3個曲線的相關(guān)系數(shù)并不是很高，但這是由于同一橫坐標下的變量過多造成，故這并不影響曲線的擬合的大致走勢，若將數(shù)值取平均，會得到較好的相關(guān)系數(shù)。從上面3條曲線可以看出，疲勞壽命的以10為底的對數(shù)與應(yīng)力比呈冪函數(shù)關(guān)系，與瀝青用量、攤鋪等待時間都呈指數(shù)關(guān)系，則疲勞壽命也與之呈相應(yīng)的關(guān)系，則可初步判斷其疲勞壽命隨應(yīng)力比增大而減小，隨瀝青用量的增大而增大。值得注意的是，圖7中，存在一個最佳的攤鋪等待時間tx，在這個時間點之前，疲勞壽命基本變化不大，越過某個特定的時間點tx之后隨攤鋪等待時間的增大而減小。關(guān)于tx的研究，研究者在文獻[7]中有較為詳細的論述。

3.2 疲勞方程的回歸

對比J.HARVEY等[13]對控制應(yīng)變疲勞試驗結(jié)果得到的回歸方程，其方程在單因素(瀝青用量、空隙率和應(yīng)變大小)下的擬合關(guān)系分別為指數(shù)、指數(shù)、冪的關(guān)系，與本次研究得到的關(guān)系類似，基于此將由本次研究的3種單因素整合到一個公式中進行多維擬合，建立如式(1)的回歸方程：

(1)

式中：x1,x2,x3,x4,x5分別為待定的參數(shù)；Nf為疲勞壽命，次；σt/σ為應(yīng)力比，無量綱；Pa瀝青用量，%；e為自然對數(shù)。

將表6的研究結(jié)果中所有數(shù)據(jù)輸入1stOpt編程軟件中，通過既定的回歸公式，擬合得到各個參數(shù)，在后來的研究中，實施證明此類方程是比較有效的預(yù)估混合料疲勞壽命的方程形式。結(jié)果如式(2)：

R2=0.931

(2)

式中:Tw為攤鋪等待時間，min。

可見瀝青混合料疲勞壽命與應(yīng)變水平、瀝青用量以及攤鋪等待時間有較好的相關(guān)性，總體而言，在“既定條件范圍”內(nèi)，應(yīng)力比越小，瀝青用量越大，攤鋪等待時間不超過某個特定的值則疲勞壽命越長。式中的相關(guān)系數(shù)較高，這是由于Harvey在選取方程式經(jīng)過了回歸細化，將相關(guān)因素的取值范圍作了一定的限定，且在多因素綜合影響下，多組數(shù)據(jù)達到此消彼長的效果，相關(guān)度會相對提高。

4 行為方程的驗證

作為疲勞行為方程，就應(yīng)該具有預(yù)估疲勞的功能。由于筆者進行的試驗量即小梁疲勞試驗僅在100余次，為驗證其準確性和一般性，以下按同樣的方法成型小梁，設(shè)計了12組非常規(guī)點(其中包括7組超出“既定條件范圍”)作為疲勞方程的驗證試驗，試驗條件、參數(shù)和驗證結(jié)果如表7。

表7 驗證試驗結(jié)果

Table 7 Verification of test results

編號超出方程驗證范圍σt/σPa/%Tw/min彎曲勁度模量SB/MPa計算疲勞次數(shù)NfC/次實測疲勞次數(shù)NfT/次計算值與實測值之差δ=NfC-NfT/次差率V=δ/NfCA1Exceeded0．064．1126926．94348147．1>106——A2Exceeded0．104．3258050．78115157．1>106——A3Exceeded0．234．8357964．2121027．5252604232．490．17A4Not0．355．8556363．878949．96230-2719．97-0．43A5No0．426．4616146．746445．56240-205．52-0．03A6Not0．486．2686461．454538．74720181．280．04A7Not0．556．3706226．803437．63560122．330．03A8Not0．677．2855374．492353．72100-253．7-0．12A9Exceeded0．829．21053189．241805．8560-1245．88-2．22A10Exceeded0．939．41153275．891339．810-1329．83-132．98A11Exceeded0．907．8764303．731495．0120-1375．06-11．45A12Exceeded0．177．7564926．9451126．0>106——

從表7的差率值可以看出，大部分超出了“既定條件范圍”(應(yīng)力比范圍0.3～0.7倍，瀝青用量范圍5%～8%，以及攤鋪等待時間范圍0～120 min)的小梁疲勞壽命與計算值相差很遠，僅有黑體字表示的A3號試件驗算結(jié)果尚可接受。這是由于在很低(﹤0.2)的應(yīng)力比和較高的瀝青用量的情況下，環(huán)氧瀝青混合料的疲勞性能十分優(yōu)異，MTS試驗機極限疲勞加載次數(shù)為保護儀器而不允許過高的數(shù)值，使得環(huán)氧瀝青混合料的室內(nèi)疲勞壽命根本無法測得，并且瀝青用量如果太高也會超出混合料的空隙率下限；其次，在應(yīng)力比很高(>0.8)的情況下，試驗機與夾具之間的應(yīng)力集中會導(dǎo)致具有高模量的環(huán)氧瀝青混合料發(fā)生瞬間脆斷，而這種脆斷不屬于疲勞破壞的范疇；相反，沒有超出“既定條件范圍”的小梁試件的疲勞試驗具有很好的復(fù)現(xiàn)性。

綜合以上驗證的情況可以看出，若將其方程推廣開來，需進行如下的限定，即式(2)仍只適用于“既定條件范圍”之內(nèi)的疲勞次數(shù)預(yù)估。

5 結(jié) 論

1)環(huán)氧瀝青混合料具有很高的勁度模量，經(jīng)過初步試驗亦驗證了應(yīng)變控制疲勞試驗是不可取的。

2)環(huán)氧瀝青混合料小梁的力學(xué)性質(zhì)方面，抗彎拉應(yīng)力與瀝青用量的變化的關(guān)系不顯著，勁度模量SB與瀝青用量有著很好的線性關(guān)系。

3)提出了3個影響疲勞性能的因素，疲勞壽命與應(yīng)力比、瀝青用量以及攤鋪等待時間，他們與疲勞性能的關(guān)系分別為：隨應(yīng)力比增大而減小，隨瀝青用量的增大而增大，越過某個特定的時間點tx之后隨攤鋪等待時間的增大而減小，其10為底的對數(shù)與3個因素分別呈冪函數(shù)，指數(shù)和指數(shù)關(guān)系。

4)多維擬合后的疲勞行為方程為Nf=2.412×102.442×e0.144Pa-0.007T1×(σt/σ)-2.044，并經(jīng)過驗證，此方程的適用范圍為應(yīng)力比在0.3～0.7以內(nèi)，瀝青用量在5%～8%以內(nèi)，以及攤鋪等待時間在0～120 min以內(nèi)。

[1] 黃衛(wèi),劉振清.大跨徑鋼橋面鋪裝設(shè)計理論與方法研究[J].土木工程學(xué)報,2005,38(1):53-59. HUANG Wei,LIU Zhenqing.Research on theory and method of long span steel bridges deck surfacing design [J].ChinaCivilEngineering,2005,38(1):53-59.

[2] METCALF C T.Flexural of paving materials for orthotropics seel plate bridge [J].HighwagResearchRecord,1967:54-60.

[3] FONDRIEST F F,SNYDER M J.Addendum report paving practices for wearing surfaces on wearing surfaces on orthotropic steel bridge decks [J].Am-IronSteelInst.:SteelResearchandConstructionBulletin,1971,10(20):20-26.

[4] WANG Haifang.FatiguePerformanceEvaluationofWesTrackAsphaltMixturesBasedonViscoelasticAnalysisofIndirectTensileTest[D].Raleigh:North Carolina State University,2002:12-23.

[5] GHUZLAN K A.FatigueDamageAnalysisinAsphaltConcreteMixturesBasedUponDissipatedEnergyConcepts[D].Urbana-Champaign,US:University of Illinois at Urbana-Champaign,2001:22-25.

[6] 黃衛(wèi),錢振東,程剛,等.大跨徑鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝研究[J].科學(xué)通報,2002,47(24):1894-1897. HUANG Wei,QIAN Zhendong,CHENG Gang,et al.Epoxy asphalt concrete paving on the deck of long-span steel bridges [J].ChineseScienceBulletin,2002,47(24):1894-1897.

[7] 黃明,黃衛(wèi)東.攤鋪等待時間對環(huán)氧瀝青性能影響研究[J].建筑材料學(xué)報,2012,15(1):122-125. HUANG Ming,HUANG Weidong.Study on impaction of paving waiting time on performance of epoxy asphalt mix [J].JournalofBuildingMaterials,2012,15(1):122-125.

[8] 黃明.考慮多因素的瀝青混合料疲勞性能評價與對比[D].上海:同濟大學(xué),2013. HUANG Ming.EvaluationandComparisonofFatiguePerformanceofAsphaltMixtureConsideringMultipleFactors[D].Shanghai:Tongji University,2013.

[9] READ J,WHITEOAK D.TheShellBitumenHandbook[M].London:Thomas Telford,Ltd,2003:78-112.

[10] 魏奇芬,張曉春,王森.大跨徑鋼橋橋面瀝青鋪裝設(shè)計之比較[J].江蘇交通,2003(12):49-51. WEI Qifen,ZHANG Chunxiao,WANG Sen.Comparison of design methods of asphalt pavement of large scale steel bridge [J].JiangsuTransportation,2003(12):49-51.

[11] 交通部公路科學(xué)研究院.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)范:JTG E20—2011[S]北京:人民交通出版社,2011. Research Institute of Highway Ministry of Transport.StandardTestMethodofBitumenandBituminousMixturesforHighwayEngineering:JTG E 20—2011 [S].Beijing:China Communications Press,2011.

[12] 交通部公路科學(xué)研究院.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范:JTG F40—2004 [S].北京:人民交通出版社,2004. Research Institute of Highway Ministry of Transport.TechnicalSpecificationforConstructionofHighwayAsphaltPavements:JTG F40—2004[S].Beijing:China Communications Press,2004

[13] HARVEY J,DEACON J,TSAI B,et al.FatiguePerformanceofAsphaltConcrete[R].California,USA:Asphalt Research CAL/APT Program,1995:42-47.

Research on Fatigue Behavior of Epoxy Asphalt Mixture

HUANG Ming1, 2

(1. Shanghai Municipal Engineering Design Institute (Group) Co.,Ltd., Shanghai 200092, P.R.China; 2. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, P.R.China)

Taking American ChemCo epoxy asphalt mixture for example, the mixture was designed according to the Marshall Design method. The fatigue test was completed by universal material testing machine MTS-81 and the beam mechanic characteristics of asphalt mixture were tested. The variation law of fatigue performance of epoxy asphalt mixture was analyzed from 3 influence factors, including asphalt content, paving waiting time and stress ratio. Finally, a fatigue behavior equation of epoxy asphalt mixture was regressed. The results show that the relationship between the fatigue life and asphalt content, paving waiting time and stress ratio three factors is as follows: fatigue life decreases when the stress ratio increases; it increases when the asphalt content increases; it decreases when the waiting time increases after passing a particular time point. The logarithm of the fatigue life taking 10 as bottom presents as a power function, index and index relationship with the three factors respectively. The equation turns out after multi-dimensional fitting. Through verification, the equation can be applied when the stress ratio is between 0.3 ～ 0.7, the asphalt content is between 5% ～ 8% and the paving waiting time is within 0～120 min.

highway engineering; epoxy asphalt mixture; beam tests; fatigue behavior

2014-12-01；

2015-03-04

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計劃項目(2014-K1-025)；上海市政總院科研項目(K2014K028)

黃 明(1985—)，男(侗族)，湖北恩施人，高級工程師，博士后，主要研究方向為新型道路路面材料和結(jié)構(gòu)的研發(fā)與評價。E-mail:huangming@smedi.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.09

U414

A

1674-0696(2016)01-046-05