曹 毅，于 歡

(1. 山西大學(xué) 土木工程系，山西 太原 030006；2. 山西旅游職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030031)

考慮應(yīng)變和加載頻率的RAP瀝青混合料疲勞特性分析

曹 毅1，于 歡2

(1. 山西大學(xué) 土木工程系，山西 太原 030006；2. 山西旅游職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030031)

系統(tǒng)研究了RAP、加載頻率和應(yīng)變水平對(duì)瀝青混合料及結(jié)合料的疲勞特性的影響，并確定了瀝青混合料和結(jié)合料疲勞壽命之間的關(guān)系。通過梁疲勞試驗(yàn)對(duì)兩種瀝青混合料的疲勞特性進(jìn)行了對(duì)比分析，一種含有RAP，一種不含RAP；分別從這兩種混合料中提取了瀝青結(jié)合料，并進(jìn)行重復(fù)加載疲勞試驗(yàn)。結(jié)果表明:RAP會(huì)降低瀝青混合料的疲勞壽命，延長(zhǎng)瀝青結(jié)合料的疲勞壽命；加載頻率越高，瀝青混合料和瀝青結(jié)合料的疲勞壽命越長(zhǎng)；應(yīng)變水平越高，瀝青混合料和結(jié)合料的疲勞壽命越短。

道路工程；疲勞壽命；可再生瀝青；梁疲勞試驗(yàn)；重復(fù)加載疲勞試驗(yàn)

反復(fù)的交通荷載會(huì)造成瀝青路面的疲勞開裂。瀝青路面的疲勞壽命主要取決于荷載因素和材料因素[1-2]。荷載因素包括與車速相關(guān)的荷載頻率，以及由荷載引起的作用于瀝青層底部的應(yīng)變；材料因素主要包括瀝青混合料性能和瀝青結(jié)合料性能。目前，關(guān)于瀝青混合料疲勞壽命的研究較多，尚無報(bào)道關(guān)于加載頻率和應(yīng)變水平對(duì)含有RAP(recycled asphalt pavement，可再生瀝青)的瀝青混合料以及從中提取的瀝青結(jié)合料的疲勞特性的研究。

目前，有多種試驗(yàn)方法用于測(cè)定瀝青混合料的疲勞特性。許多研究者使用4點(diǎn)梁疲勞試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)運(yùn)用循環(huán)荷載使試件局部發(fā)生破壞，當(dāng)勁度模量降低到初始值的50%時(shí)，認(rèn)為試件疲勞失效[3-4]。

在SHRP項(xiàng)目中，研究人員發(fā)現(xiàn)瀝青結(jié)合料疲勞特性對(duì)瀝青混合料疲勞特性具有重要影響[5-6]。因此，研究人員開展了大量工作研究如何精確描述瀝青結(jié)合料的疲勞特性，但是大多數(shù)研究集中在線性黏彈性方面，而未考慮非線性特性。其中，重復(fù)加載疲勞試驗(yàn)(time sweep test：TS)、線性幅值疲勞試驗(yàn)(linear amplitude sweep：LAS)、多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(multiple stress creep recovery test：MSCR)和雙邊緣缺口拉伸試驗(yàn)(double edged notched tension test：DENT)是近年來發(fā)展起來的4種疲勞試驗(yàn)方法。TS試驗(yàn)通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)將不同頻率的循環(huán)荷載作用于結(jié)合料試件，通過勁度模量的下降來計(jì)算疲勞壽命。筆者采用TS試驗(yàn)測(cè)定瀝青結(jié)合料疲勞特性。

1 試驗(yàn)步驟

1.1 研究目標(biāo)

1)RAP對(duì)瀝青混合料和結(jié)合料的疲勞壽命影響；

2)加載頻率對(duì)含RAP的瀝青混合料以及從中提取的瀝青結(jié)合料疲勞壽命的影響；

3)應(yīng)變水平對(duì)含RAP的瀝青混合料以及從中提取的瀝青結(jié)合料疲勞壽命的影響。

1.2 材 料

采用同一公司生產(chǎn)的SP-III型瀝青混合料。第一種混合料含有35% RAP，編號(hào)A1；從該混合料中提取的瀝青結(jié)合料編號(hào)A2；第二種混合料不含RAP，編號(hào)B1，從中提取的瀝青結(jié)合料編號(hào)B2；基質(zhì)瀝青采用埃索903，PG分級(jí)為63-22，瀝青含量均為4.4%；最大公稱粒徑為19 mm。所有試驗(yàn)均在恒溫20 ℃條件下進(jìn)行，以消除溫度變化帶來的影響。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)步驟如圖1。對(duì)A1，B1，A2，B2分別以1，5，10 Hz的頻率進(jìn)行加載?？紤]篇幅，筆者只取10 Hz下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。梁疲勞試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，因此在每個(gè)應(yīng)變水平下取兩個(gè)樣本進(jìn)行測(cè)試；對(duì)于結(jié)合料，每個(gè)應(yīng)變水平下取3個(gè)樣本?？傆?jì)共有32個(gè)樣本用于梁疲勞試驗(yàn)、48個(gè)用于TS試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)示意Fig.1 Tests design

1.3.1 混合料試驗(yàn)

根據(jù)AASHTO-T-321規(guī)范進(jìn)行4點(diǎn)梁疲勞試驗(yàn)[7]。圖2為4點(diǎn)梁疲勞試驗(yàn)的裝置及試件的示意。

圖2 4點(diǎn)梁疲勞試驗(yàn)裝置及試件示意Fig.2 Four beam fatigue test setup

試件尺寸長(zhǎng)380 mm、寬63 mm、高50 mm，空隙率的范圍5.1%～5.8%，平均值為5.4%。在20 ℃恒溫、應(yīng)變控制條件下,用不同頻率的正弦荷載對(duì)試件進(jìn)行加載。定義試件在第50次循環(huán)加載時(shí)的勁度模量為初始勁度模量；當(dāng)勁度模量降低到初始值的50%，認(rèn)為試件疲勞失效。應(yīng)變水平分別為：400，600，800，1 000 με；加載頻率為1，5，10 Hz?？赏ㄟ^控制試件變形來實(shí)現(xiàn)特定的應(yīng)變輸入，如式(1)；變形可由線性可變位移傳感器(LVDT)測(cè)定。

δ=ε(3L2-4a2)/12h

(1)

式中：ε為最大拉伸應(yīng)變，με；h為樣品高度，mm；δ為豎向變形，mm；L為支座之間的距離，mm；a為兩個(gè)負(fù)載夾具之間的距離，mm。

1.3.2 結(jié)合料試驗(yàn)

TS試驗(yàn)是使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)在不同加載頻率下，基于應(yīng)變控制模式，用2 mm厚，直徑8 mm的結(jié)合料試件在20 ℃進(jìn)行試驗(yàn)，如圖3。

圖3 DSR剪切流變儀及試件示意Fig.3 DSR setup

為了與上述梁疲勞試驗(yàn)相一致，此試驗(yàn)也分別采用1，5，10 Hz的加載頻率對(duì)結(jié)合料試件進(jìn)行加載。E．MADAD等[8]的研究表明，根據(jù)非線性理論，結(jié)合料的應(yīng)變高于混合料的應(yīng)變，大約是混合料應(yīng)變的90～100倍。因此把結(jié)合料應(yīng)變?cè)O(shè)定為4%，6%，8%，10%。DSR軟件使用式(2)計(jì)算應(yīng)變：

(2)

式中：γ為最大剪切應(yīng)變，%；θ為偏轉(zhuǎn)角，(°)； r為樣品半徑，mm；h為樣品高度，mm。

DSR軟件通過施加的應(yīng)變計(jì)算應(yīng)力，且應(yīng)力應(yīng)變之比稱為G*。DSR軟件直接給出各個(gè)應(yīng)變水平對(duì)應(yīng)的G*值。隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，G*值減小。在TS試驗(yàn)中，G*值小于初始值的50%時(shí)，結(jié)合料被認(rèn)定為疲勞失效。

2 結(jié)果與討論

目前，有很多疲勞模型用來確定瀝青混合料的疲勞壽命。式(3)確定了路面底部應(yīng)變和路面疲勞壽命之間的關(guān)系，很多學(xué)者用來描述瀝青混合料的疲勞壽命。

Nf=aε-b

(3)

式中：Nf為疲勞壽命；ε為施加應(yīng)變；a，b為回歸系數(shù)，回歸系數(shù)b取決于加載頻率的材料系數(shù)，對(duì)于瀝青混合料b的取值范圍為2.93～6.17。

在不同加載頻率下，用式(3)對(duì)混合料和結(jié)合料試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到材料的疲勞曲線。

2.1 瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)A1混合料進(jìn)行應(yīng)變控制的4點(diǎn)梁疲勞試驗(yàn)，并用式(3)進(jìn)行擬合，得到不同應(yīng)力、不同應(yīng)變水平下疲勞壽命曲線，如圖4。

圖4表明，在各應(yīng)變水平下，疲勞壽命均隨加載頻率的增大而延長(zhǎng)。郝增恒[9]研究表明：如較快行車速度等，會(huì)導(dǎo)致較高頻率，可以提高路面的動(dòng)態(tài)勁度模量。這種高動(dòng)態(tài)模量在路面造成較低的拉伸應(yīng)變，并增加了路面的疲勞壽命。對(duì)于同一加載頻率，隨著應(yīng)變水平的降低，疲勞壽命的增長(zhǎng)速度加快；隨著應(yīng)變的增加，疲勞壽命降低。

圖4 A1混合料梁疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of A1 tests

根據(jù)曲線擬合得出的該瀝青混合料a，b參數(shù)見表1。由表1可知，對(duì)該混合料，b的范圍為2.98～3.645，這與最新報(bào)道2.93～6.17是相符的[9]。

表1 擬合曲線回歸參數(shù)

同理可以得到B1瀝青混合料的疲勞壽命曲線。由于篇幅限制，這里不再列出，只給出在20 ℃，10 Hz頻率下，A1瀝青混合料與B1瀝青混合料的疲勞壽命的對(duì)比如圖5。

圖5 A1混合料與B1混合料疲勞壽命對(duì)比Fig.5 Results comparison of fatigue life of mixtures A1 and B1

由圖5可見，同一頻率下，A1混合料比B1混合料的疲勞壽命要短。即在恒定溫度和加載頻率下，不含RAP的瀝青混合料比含35%RAP的瀝青混合料具有更好的抗疲勞開裂能力。其原因可能是RAP骨料和結(jié)合料之間黏結(jié)力不佳。因?yàn)槠陂_裂往往發(fā)生在骨料和結(jié)合料的聯(lián)結(jié)界面上，所以RAP骨料的存在會(huì)造成RAP混合料的早期疲勞開裂。

2.2 瀝青結(jié)合料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)，對(duì)A2和B2瀝青結(jié)合料進(jìn)行基于應(yīng)變控制的TS試驗(yàn)。圖6表明：在恒定應(yīng)變下，G*隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。當(dāng)G*值減小到初始值的50%，樣本疲勞失效。因此，當(dāng)G值減小到初始值50%時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)，就是試件的疲勞壽命。

圖6 20 ℃恒定應(yīng)變下G*隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.6 G* value changes over time under constant strain in 20 ℃

圖7顯示的是A2瀝青結(jié)合料在不同加載頻率、不同應(yīng)變條件下的疲勞壽命曲線。

由圖7表明，加載頻率越高，結(jié)合料疲勞壽命越長(zhǎng)；應(yīng)變水平越高，結(jié)合料疲勞壽命越短。這意味著在實(shí)際路況中，較高的車速引起的疲勞損壞較小[9-10]。該試驗(yàn)擬合曲線的回歸系數(shù)a，b值也顯示在表1中。b同樣主要取決于負(fù)載的頻率，取值范圍從3.633～5.403。表2 匯總了A2和B2結(jié)合料在不同應(yīng)變水平下的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)偏差SD和離散系數(shù)CV顯示于表2中。

圖7 A2結(jié)合料TS試驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.7 Results of A2 tests 表2 各應(yīng)變下TS試驗(yàn)結(jié)果 Table 2 Results of TS tests under various strains

應(yīng)變?chǔ)苔旁嚰幪?hào)A2結(jié)合料B2結(jié)合料Nf均值SDCV/%Nf均值SDCV/%4123627805515052720568835249922320199402919023817480320612312180981010990109931195117190653058706530660108123300027102545275215552335260020702335265111012315701340108013302351890014101180116325522

同理可以得到B2瀝青結(jié)合料的疲勞壽命曲線，由于篇幅限制，這里不再列出，只給出在20 ℃，10 Hz頻率下，A2瀝青結(jié)合料與B2號(hào)瀝青結(jié)合料的疲勞特性的對(duì)比，見圖8。

圖8 A2結(jié)合料與B2結(jié)合料疲勞壽命對(duì)比Fig.8 Comparison of fatigue life of mixtures A2 and B2

由圖8可以看出，在各應(yīng)變條件下，A2結(jié)合料的疲勞壽命高于B2結(jié)合料的疲勞壽命，即具有更好的抗疲勞特性；應(yīng)變的增長(zhǎng)會(huì)引起結(jié)合料的疲勞壽命的減少。

3 結(jié) 論

筆者研究了在不同頻率、不同應(yīng)變水平下RAP混合料及其結(jié)合料的疲勞特性。同時(shí)對(duì)比了在10 Hz加載頻率下，含RAP混合料與不含RAP混合料的疲勞特性，并得出如下結(jié)論：

1)RAP的加入會(huì)降低瀝青混合料的疲勞壽命；會(huì)延長(zhǎng)從該種瀝青混合料中提取的瀝青結(jié)合料的疲勞壽命；含RAP的瀝青混合料的早期疲勞失效是由于骨料與結(jié)合料界面較差的黏結(jié)性造成的；因?yàn)槠陂_裂大多發(fā)生在這個(gè)界面上。

2)混合料和結(jié)合料的疲勞壽命都隨加載頻率的增加而增加；因此較高的車速會(huì)延長(zhǎng)瀝青路面的疲勞壽命；在同一加載頻率下，混合料與結(jié)合料的疲勞壽命都隨應(yīng)變水平的增加而降低；低應(yīng)變水平時(shí)，兩者疲勞壽命差別較大；結(jié)合料和混合料動(dòng)力方程的b值幾乎相等。

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Effects of RAP on the Fatigue Life of Asphalt under Different Strain Levels and Loading Frequencies

CAO Yi1，YU Huan2

(1. Department of Civil Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, Shanxi, P.R. China; 2. Shanxi Vocational College of Tourism, Taiyuan 030031, Shanxi, P.R. China)

This study examines the effects of RAP, loading frequency and strain level on the fatigue properties of asphalt mixtures and binders. In addition, the relationship between the fatigue lives of asphalt mixture and binder is determined. Beam fatigue tests were conducted to compare and analyze the fatigue properties of two asphalt mixtures: one with RAP and the other without RAP. To evaluate binder’s fatigue behavior, binders were extracted and recovered from these two mixtures respectively , on which TS tests were conducted. Results show that presence of RAP in mixture causes a decrease in the mixture’s fatigue life, and an increase in the fatigue life of binder. An increase in loading frequency results in an increase in the fatigue lives of asphalt mixture as well as binder; increase in strain level causes a decrease in the fatigue lives of both mixtures and binders.

road engineering; fatigue life; recycled asphalt pavement; beam fatigue test; time sweep test

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.11

2015-06-16；

2015-07-20

山西省科技計(jì)劃基金項(xiàng)目(2015021132)

曹 毅 (1987—)，男，山西汾陽人，講師，博士，主要從事路面結(jié)構(gòu)與新型材料方面的研究。E-mail:caoyi25@126.com。

U414

A

1674-0696(2016)05-050-04