黃　明， 溫學(xué)鈞， 黃衛(wèi)東， 徐　健

(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092； 2.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)

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不同設(shè)計(jì)目標(biāo)下瀝青混合料的疲勞性能

黃明1,2， 溫學(xué)鈞1， 黃衛(wèi)東2， 徐健1

(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092； 2.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)

摘要：選用目前最為先進(jìn)與常用的4點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，對(duì)常用的包括70#基質(zhì)瀝青和常用的改性瀝青在內(nèi)的10種瀝青混合料進(jìn)行了15 ℃及1 000×10-6應(yīng)變控制下的疲勞試驗(yàn)，并進(jìn)行二次疲勞試驗(yàn)，兼顧了改性瀝青的自愈合效果，完成了相同瀝青用量下和相同體積設(shè)計(jì)目標(biāo)下的各瀝青混合料的疲勞性能對(duì)比，以及針對(duì)相同高溫性能和疲勞性能的雙向分級(jí)，以提供實(shí)際工程時(shí)混合料設(shè)計(jì)之前的參考，最后還依據(jù)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了相應(yīng)的疲勞性能和高溫性能分區(qū)散點(diǎn)圖以供直觀參考.

關(guān)鍵詞：改性瀝青； 混合料設(shè)計(jì)； 疲勞性能； 自愈合

隨著瀝青路面的疲勞破壞受到廣泛的重視，越來(lái)越多國(guó)家的瀝青路面設(shè)計(jì)方法均以路面疲勞性能作為基本的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)[1-3]，目前這些研究成果中所涉及的疲勞性能的數(shù)據(jù)大多是針對(duì)基質(zhì)瀝青，而我國(guó)的較高等級(jí)瀝青路面建設(shè)選用了大量的改性瀝青，改性瀝青組成復(fù)雜，改性劑種類(lèi)眾多，特性各異，影響疲勞性能的因素較基質(zhì)瀝青更為紛繁復(fù)雜，與基質(zhì)瀝青的表現(xiàn)存在很大的不同.故此前的經(jīng)驗(yàn)并不能直接用于指導(dǎo)現(xiàn)行設(shè)計(jì).此外更為重要不同還在于改性瀝青存在較為明顯的自愈合現(xiàn)象，即在材料產(chǎn)生微小裂縫后在某種條件下可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度(或勁度)的自我修復(fù).截至目前，多方研究已經(jīng)確定這一現(xiàn)象的存在[4-6]，也已確定一些影響因素與之相關(guān)[7-8].此前國(guó)內(nèi)外關(guān)于瀝青混合料的疲勞研究中，由于較少考慮其自我愈合性能，不同程度的忽視了其優(yōu)異的疲勞性能，偏于保守的評(píng)價(jià)給材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的浪費(fèi)，在研究者此前的研究中已有過(guò)較為詳細(xì)的闡述[9].因此，進(jìn)行較為全面的且考慮自愈合的改性瀝青混合料的疲勞性能十分有必要.

共選取了10種不同的瀝青混合料，其中包括SBS、橡膠瀝青等在內(nèi)的多種改性瀝青，輔以基質(zhì)瀝青作為對(duì)比，先后進(jìn)行兩次疲勞試驗(yàn)，目的在于考慮自愈合補(bǔ)償情況下的疲勞性能，并對(duì)這些瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行按不同的設(shè)計(jì)目的進(jìn)行等級(jí)劃分.將對(duì)比基于三種情況下的疲勞性能的分析，旨在將室內(nèi)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和概括，可為在路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)時(shí)提供數(shù)據(jù)支撐和參考.

1試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1瀝青和改性劑

基質(zhì)瀝青采用埃索70#，硬質(zhì)瀝青選用中海泰州30#瀝青(針入度為3.3 mm，軟化點(diǎn)達(dá)92 ℃).SBS(苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物)改性瀝青選取4.5%的SBS摻量；橡膠瀝青的制備選取浙江金華產(chǎn)40目膠粉，摻量為內(nèi)摻20%；PE(聚乙烯)占混合料的0.5%, PE-AC13采用干法工藝；巖瀝青-AC13中巖瀝青為印度尼西亞產(chǎn)天然巖瀝青，占改性瀝青的10%.另需特別指出的是，研究采用了Terminal Blend(TB)及其復(fù)合改性瀝青，該瀝青一般采用30目或者更細(xì)的膠粉顆粒改性，在瀝青中發(fā)生脫硫反應(yīng)，通常儲(chǔ)油罐中無(wú)需專(zhuān)門(mén)攪拌即可保持均勻分散并穩(wěn)定存儲(chǔ)，在早前的研究中稱(chēng)作無(wú)攪拌濕法或?yàn)r青庫(kù)法，由于工藝的變化，更為準(zhǔn)確的名稱(chēng)應(yīng)為T(mén)B膠粉改性瀝青[10].TB及其復(fù)合改性瀝青均采用20%的膠粉摻量.改性方案如表1所示.基質(zhì)瀝青及各改性瀝青均滿(mǎn)足規(guī)范相關(guān)要求.

表1　改性瀝青的改性方案

1.2集料和級(jí)配

粗集料采用江蘇溧陽(yáng)產(chǎn)玄武巖，細(xì)集料為浙江安吉產(chǎn)石灰?guī)r，填料使用浙江安吉產(chǎn)石灰石礦粉.集料各項(xiàng)指標(biāo)均能滿(mǎn)足規(guī)范要求.

基質(zhì)瀝青混合料采用了基質(zhì)70#瀝青AC-13和30#硬質(zhì)瀝青AC-13，橡膠瀝青混合料采用ARAC-13，其余改性瀝青混合料均采用AC-13.ARAC-13根據(jù)美國(guó)亞利桑那州推薦的技術(shù)規(guī)范實(shí)施[11]，其余混合料試驗(yàn)所用級(jí)配按我國(guó)施工規(guī)范[12]所提供級(jí)配范圍的中值.

1.3試驗(yàn)方法和試驗(yàn)指標(biāo)

1.3.1試驗(yàn)方法

所有試驗(yàn)均采用小梁疲勞分析儀(Beam Fatigue Analyzer，簡(jiǎn)稱(chēng)BFA)，為澳大利亞IPC公司生產(chǎn)，為氣動(dòng)伺服提供動(dòng)力，相比此前用在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(MTS)上的疲勞小梁，BFA小梁尺寸較大，控制更為精確，另外BFA使用精度更高的位移和力傳感器從理論角度會(huì)使得試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確.溫度控制方面，BFA自帶恒溫環(huán)境箱，密閉性能良好，在中控器上有溫度傳感器接口，可以實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)溫度，環(huán)境箱也可用于實(shí)現(xiàn)不同溫度下的疲勞試件，溫度可控制在-20～60 ℃，精度達(dá)0.1 ℃，加載應(yīng)變范圍為0～2 000 με.圖1為BFA小梁試驗(yàn)小梁在夾具中的受力的示意圖，圖2為BFA小梁試驗(yàn)夾具圖.根據(jù)我國(guó)規(guī)范[13]中試驗(yàn)環(huán)境，所有試驗(yàn)在15 ℃環(huán)境下進(jìn)行，采用應(yīng)變模式，應(yīng)變量為1 000με.故所有結(jié)果僅對(duì)1 000με級(jí)別有效.選取1 000με是基于大量的先期試驗(yàn)的總結(jié)，因?yàn)檩^低的應(yīng)變量會(huì)使得試驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且混合料多采用較高瀝青用量的改性瀝青，其疲勞與自愈合性能均強(qiáng)于一般普通瀝青，根據(jù)課題組研究者此前的研究[9]表明，不同的應(yīng)變量存在對(duì)數(shù)線(xiàn)性換算關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果具有參考作用.

圖1　BFA四點(diǎn)彎曲受力示意圖

Fig.1Loading characteristics of 4-point bending test on the BFA

圖2　四點(diǎn)彎曲夾具

1.3.2疲勞壽命定義標(biāo)準(zhǔn)

研究涉及2種定義標(biāo)準(zhǔn)，Nf50法和NfNM法.Nf50法為SHRP-A303中推薦的疲勞試驗(yàn)的判斷方法.許多試驗(yàn)證實(shí)了疲勞破壞發(fā)生在40%的初始模量降低處，據(jù)此，SHRP-A303中推薦衰減至50%的初始勁度模量減少作為疲勞試驗(yàn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)即疲勞壽命Nf50法，形成的AASHTO TP-8標(biāo)準(zhǔn).NfNM法是源自美國(guó)ASTM D7460的方法，最先由Rowe和Bouldin[2]研究提出.此法的疲勞破壞點(diǎn)定義為歸一化勁度次數(shù)積比值(normalized modulus×cycles)在荷載次數(shù)圖中的峰值時(shí)的加載次數(shù).對(duì)歸一化勁度次數(shù)積比值的獲取如下：

式中：NM為歸一化勁度次數(shù)積比值；Ni為加載次數(shù)；Si為第i次加載時(shí)時(shí)間的勁度模量；S0為初始勁度模量，取第50次加載時(shí)的勁度模量；N0為初始次數(shù)，取50.當(dāng)NM達(dá)到最大值時(shí)候的Ni即為材料的疲勞破壞次數(shù)NfNM.

圖3和圖4分別展示了一根試件采用兩種不同方法得到的疲勞壽命的值.

圖3　勁度模量隨加載次數(shù)的變化圖

Fig.3Chart of statistical relationship between stiffness and load cycles

圖4　N·M隨著加載次數(shù)的變化圖

Fig.4Chart of statistical relationship betweenN·Mand load cycles

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，此試件的初始勁度為2 744 MPa，則勁度模量S0的50%即1 372 MPa，因此，可查此圖可以看到當(dāng)加載次數(shù)達(dá)到 69 890次時(shí)，小梁的勁度模量下降到1 372 MPa，即Nf50=69 890.

由圖4可知，NM達(dá)到最大時(shí)的加載次數(shù)為98 220，因此根據(jù)定義，此試件的疲勞壽命NfNM=98 220.雖然在NM的公式中提出了初始勁度模量選取第50次的勁度模量，S0是常數(shù)，NM出現(xiàn)最大值時(shí)的Ni與S0無(wú)關(guān)，因而不受S0取值的影響.

需要特別說(shuō)明的是：

(1)Nf50法是以衰減至50%的初始勁度模量時(shí)的加載次數(shù)作為疲勞試驗(yàn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，NfNM法中達(dá)到最高NM時(shí)Si通常衰減到了初始勁度模量的30%～15%之間，因此進(jìn)行加載試驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程更長(zhǎng).因此，對(duì)同一瀝青混合料，采用NfNM法測(cè)得的疲勞壽命會(huì)高于Nf50法測(cè)得的疲勞壽命；

(2) 在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)基質(zhì)瀝青混合料在試驗(yàn)過(guò)程中的自愈合能力很弱，且基質(zhì)瀝青混合料Nf50法的數(shù)據(jù)的變異系數(shù)比NfNM法的變異系數(shù)小，此前的研究經(jīng)驗(yàn)均采用Nf50法，故本文均采用Nf50作為基質(zhì)瀝青混合料疲勞壽命判斷標(biāo)準(zhǔn)；

(3) 改性瀝青由于改性劑的存在有著比基質(zhì)瀝青更好的韌性與彈性，在發(fā)生50%的初始勁度模量減少時(shí)，混合料通常遠(yuǎn)未發(fā)生疲勞破壞.同時(shí)，改性瀝青混合料初始勁度模量較大，而勁度模量越高越會(huì)帶來(lái)更大的誤差，因此第50次的勁度模量值變化較大，這是導(dǎo)致改性瀝青混合料Nf50數(shù)據(jù)離散性較大的原因.相對(duì)而言，與初始勁度模量無(wú)關(guān)的NfNM變異系數(shù)較小，相對(duì)穩(wěn)定，可信度更高.綜上所述，NfNM法更能客觀反映改性瀝青混合料的疲勞性能，為此采用NfNM作為改性瀝青混合料疲勞壽命判斷標(biāo)準(zhǔn).

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，究竟選取何種瀝青、瀝青用量、級(jí)配和空隙率，是一個(gè)結(jié)合力學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)綜合問(wèn)題.不同的瀝青混合料的路用性能差異巨大，為貼合環(huán)境與交通量的需要因地制宜進(jìn)行選擇材料是混合料設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)[14].

1.3.3自愈合環(huán)境與條件的設(shè)定

瀝青混合料具有自愈合性能，這種自愈合能力體現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)一定的環(huán)境與條件給予其充分的恢復(fù)，進(jìn)行第二次疲勞試驗(yàn)時(shí)能夠達(dá)到的疲勞次數(shù)能夠達(dá)到上一次疲勞次數(shù)的百分比，采用公式表達(dá)為自愈合能力H=(Nf2/Nf1)×100%.第一次進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)為Nf1，自愈合后進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)為Nf2，Nf2與Nf1之和即為考慮自愈合后的疲勞壽命Nf，Nf2與Nf1的比值做百分率處理后作為自愈合能力H，%.

根據(jù)研究者在先期的研究[9]中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)因方面，疲勞自愈合效率與瀝青用量呈正比，與破壞程度和空隙率呈反比；外因方面，疲勞自愈合效率與自愈合時(shí)間成正比，與應(yīng)變大小呈反比，與自愈合溫度和荷載強(qiáng)度的關(guān)系是當(dāng)自愈合溫度和荷載強(qiáng)度分別為50 ℃和5 kPa時(shí)最佳(橡膠瀝青為60 ℃和5 kPa)，設(shè)定此條件特定的標(biāo)準(zhǔn)自愈合環(huán)境.

本次研究沿用此前研究成果的標(biāo)準(zhǔn)自愈合環(huán)境，將10種改性瀝青混合料小梁試件在經(jīng)過(guò)第一次疲勞試驗(yàn)后進(jìn)行預(yù)壓的保溫處理，而后進(jìn)行第二次疲勞試驗(yàn)，再將考慮自愈合后的疲勞性能的各種小梁進(jìn)行多控制目標(biāo)全方位的對(duì)比，對(duì)比相同設(shè)計(jì)下幾種瀝青的優(yōu)劣，旨在將大量的疲勞試驗(yàn)進(jìn)行歸納和概括，為未來(lái)研究和工程實(shí)踐提供較為明晰的脈絡(luò).

2疲勞性能對(duì)比與分級(jí)

2.1相同瀝青用量下的疲勞性能

混合料的疲勞性能主要由瀝青的粘結(jié)性能所貢獻(xiàn)，而瀝青用量又是決定混合料成本的關(guān)鍵，對(duì)比相同瀝青用量下的混合料的疲勞性能，有助于最為直觀地呈現(xiàn)不同瀝青混合料的優(yōu)劣.所有的混合料均采用5%的瀝青用量，其他未進(jìn)行過(guò)疲勞試驗(yàn)的瀝青混合料進(jìn)行新試驗(yàn)，每種混合料切割成4根小梁試件，平行試驗(yàn)3次，取變異小的2次作為試驗(yàn)最終值，1根用于進(jìn)行最大拉應(yīng)變?cè)囼?yàn).自愈合后的疲勞試驗(yàn)是在舊梁放置于50 ℃環(huán)境下保溫4 h再靜置于15 ℃室溫下24 h后進(jìn)行.兩次疲勞試驗(yàn)應(yīng)變量均為1 000με，后續(xù)試驗(yàn)均同此方案.

其中所有的TB及其復(fù)合改性瀝青均采用15%的膠粉摻量，改性劑的摻量為SBS3%，巖瀝青10%，PE4‰；PE-AC13采用干法工藝，PE占混合料的0.5%，巖瀝青-AC13中巖瀝青占改性瀝青的10%.值得一提的是AC13和硬瀝青-AC13由于是基質(zhì)瀝青，采用Nf50法進(jìn)行評(píng)價(jià)，其余的改性瀝青均采用NfNM法進(jìn)行評(píng)價(jià)，以下試驗(yàn)均如此.試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2　5%瀝青用量下的小梁疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在疲勞試驗(yàn)前，進(jìn)行一次最大彎拉應(yīng)變量試驗(yàn).夾具與方法均與疲勞試驗(yàn)完全相同，僅進(jìn)行單次破壞.

式中:ε為最大拉應(yīng)變；δ為梁中心最大應(yīng)變；a為相鄰?qiáng)A頭中間距離，一般為0.119 m；L為梁的跨距，一般為0.357 m.

取表3中的Nf1和Nf的均值作圖5.

由試驗(yàn)結(jié)果可知，相同瀝青用量下，ARAC-13具有最高的自愈合能力，其次是TB-AC13、SBS改性瀝青混合料以及TB+SBS復(fù)合改性瀝青混合料.由圖5可知，SBS-AC13的疲勞壽命最佳，以下是TB+SBS，TB+巖瀝青和ARAC-13等；傳統(tǒng)的SBS改性瀝青和橡膠瀝青都既有較高的疲勞性能，也有較好的自愈合性能，所有的TB類(lèi)的復(fù)合改性瀝青亦是如此.

圖5　5%瀝青用量下各種瀝青混合料的疲勞次數(shù)

可以發(fā)現(xiàn)，同在5%的瀝青用量下，考慮了自愈合與不考慮自愈合的疲勞性能排序主要區(qū)別在于橡膠瀝青ARAC-13和TB-AC13的變化，考慮了自愈合之后這兩者均有排序上的提升，這說(shuō)明膠粉改性類(lèi)瀝青存在著較明顯的自愈合現(xiàn)象，在考慮此類(lèi)混合料疲勞性能時(shí)需考慮其自愈合能力，否則會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)于保守或?yàn)r青用量超高.在相同的5%瀝青用量下的疲勞性能排序?yàn)椋篠BS-AC13>TB+SBS>ARAC-13>TB+巖瀝青>TB-AC13>TB+PE>巖瀝青-AC13>PE-AC13>AC-13>硬瀝青-AC13.

2.2相同體積設(shè)計(jì)目標(biāo)的疲勞性能

我國(guó)的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法的核心是在某種級(jí)配中以固定的空隙率尋找到合適的瀝青用量，再進(jìn)行各種性能檢測(cè).若疲勞性能是需要考慮的指標(biāo)之一，在設(shè)計(jì)中究竟選用何種瀝青混合料最合適，有必要進(jìn)行在目標(biāo)空隙率下的疲勞性能檢測(cè)，以各自適宜的目標(biāo)空隙率進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)，對(duì)比在各自最佳瀝青用量下的疲勞性能.

所用瀝青混合料均需事先成型馬歇爾試件，計(jì)算空隙率后進(jìn)行試碾壓，試碾壓是一個(gè)重復(fù)且難以控制的過(guò)程，每種瀝青混合料的碾壓次數(shù)并不完全相同，試驗(yàn)小梁均重新專(zhuān)門(mén)制作，空隙率均控制在目標(biāo)空隙率左右，誤差在±0.1%以?xún)?nèi).試驗(yàn)均在1 000με的應(yīng)變量下進(jìn)行.值得一提的是：橡膠瀝青ARAC-13常用目標(biāo)空隙率為5.5%，其余均采用了4.0%的常規(guī)目標(biāo)空隙率進(jìn)行設(shè)計(jì).試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所示.

表3　目標(biāo)空隙率設(shè)計(jì)下的小梁疲勞試驗(yàn)結(jié)果

將Nf1和Nf取均值作圖6.

圖6　目標(biāo)空隙率設(shè)計(jì)下各種瀝青混合料的疲勞次數(shù)

Fig.6Fatigue performances in the target void ratio design

從圖6可看出，ARAC-13仍然具有最高的自愈合能力，以下是TB+SBS、SBS-AC13和TB-巖瀝青AC-13.然而對(duì)比不考慮自愈合的排序和考慮自愈合后的排序，橡膠瀝青的排序變化最為明顯，膠粉改性類(lèi)瀝青混合料具有較高的自愈合能力.相同體積設(shè)計(jì)目標(biāo)下，疲勞性能排序?yàn)椋篈RAC-13>TB+SBS>SBS-AC13>TB+巖瀝青>TB-AC13>TB+PE>巖瀝青AC13>PE-AC13>硬瀝青AC13>AC-13.

總體而言，傳統(tǒng)的SBS改性瀝青和橡膠瀝青都既有較高的疲勞性能，也有較好的自愈合性能，TB類(lèi)的復(fù)合改性亦是如此.這里ARAC-13體現(xiàn)出了它的骨架密實(shí)結(jié)果的先天優(yōu)勢(shì)，可以吸納更多的瀝青以達(dá)到更高的疲勞壽命，而且由于膠粉的存在，使得其自愈合能力優(yōu)異，進(jìn)一步加大了疲勞壽命.TB瀝青混合料在不做任何處理的時(shí)候與基質(zhì)瀝青相差不大，僅僅由于判斷標(biāo)準(zhǔn)的不同導(dǎo)致TB-AC13的疲勞壽命較基質(zhì)瀝青多出許多，但進(jìn)行復(fù)合改性后尤其是加入適量的SBS后效果將有極大的改善，這說(shuō)明TB膠粉改性瀝青與橡膠瀝青是兩者截然不同的瀝青，且TB瀝青不適合單獨(dú)使用，需要進(jìn)行復(fù)合改性.

然而用目標(biāo)體積(即空隙率)指標(biāo)的方法，其設(shè)計(jì)初衷是基于混合料的高溫性能的考慮，設(shè)計(jì)過(guò)程中需驗(yàn)證馬歇爾強(qiáng)度和高溫車(chē)轍[12]，僅通過(guò)疲勞性能的指標(biāo)，并不能保證此混合料性能滿(mǎn)足我國(guó)規(guī)范的要求，因此本節(jié)設(shè)計(jì)與疲勞試驗(yàn)相同的瀝青混合料，成型車(chē)轍試件，完成60 ℃下的車(chē)轍試驗(yàn)，以對(duì)相同體積設(shè)計(jì)目標(biāo)的對(duì)比進(jìn)行全面的對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

表4相同體積設(shè)計(jì)目標(biāo)的高溫車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4High-temperature rutting test results with the same goals for volume design

混合料名稱(chēng)瀝青用量/%永久變形/mm動(dòng)穩(wěn)定度/次·mm-1動(dòng)穩(wěn)定度均值/次·mm-1AC-134.74.534.62124611211183SBS-AC134.83.763.44685078107330ARAC-138.13.723.98756358546708TB-AC135.06.887.12851718784TB+SBS4.94.114.26523151305180TB+巖瀝青5.14.203.94508367225902TB+PE4.74.424.66262327332678PE-AC134.72.982.5597351242011077巖瀝青-AC134.42.732.45761152826446硬瀝青-AC134.72.343.2014452887211662

值得一提的是，TB-AC13是未經(jīng)過(guò)復(fù)合改性的TB瀝青直接拌合石料的混合料，而TB瀝青是經(jīng)過(guò)高溫等一系列物理和化學(xué)工藝溶解的膠粉改性瀝青，其瀝青結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，表觀檢測(cè)的結(jié)果是此類(lèi)瀝青的軟化點(diǎn)較低，針入度較高，高溫性能較差，由試驗(yàn)結(jié)果也可看出，在無(wú)復(fù)合改性的情況下單獨(dú)使用TB瀝青是無(wú)法滿(mǎn)足混合料的高溫性能的.

將表4中的Nf的均值和表5中的動(dòng)穩(wěn)定度均值分別取以10為底的對(duì)數(shù)，作于同軸圖中，考慮到疲勞性能和高溫性能在混合料設(shè)計(jì)上的矛盾特性，將圖中疲勞性能取正值，高溫性能取負(fù)值以便于觀察，如圖7所示.

圖7　　　　按相同目標(biāo)設(shè)計(jì)下的不同混合料疲勞與

將圖7中的疲勞與高溫對(duì)數(shù)值的絕對(duì)值相加，可以得到全范圍設(shè)計(jì)性能幅值.從評(píng)價(jià)的過(guò)程可看出，此全范圍設(shè)計(jì)性能幅值的大小決定了混合料適用的工況范圍——路面的層位、氣溫的高低、交通量的不同繁重程度等，也決定了混合料在設(shè)計(jì)過(guò)程中的靈活程度.以目標(biāo)設(shè)計(jì)為原點(diǎn)，上調(diào)或下調(diào)混合料的空隙率、瀝青用量以達(dá)到不同的疲勞或高溫性能要求.性能幅值最大的是ARAC-13，其次是TB+SBS，第三是SBS-AC13.

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將上述10種瀝青混合料進(jìn)行疲勞性能分級(jí).試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.

表5相同設(shè)計(jì)目標(biāo)下的不同瀝青混合料疲勞性能分級(jí)

Tab.5Fatigue performance grades with the same volume design target

疲勞性能分級(jí)lgNf范圍瀝青混合料平均動(dòng)穩(wěn)定度/次·mm-1A5.8-5.9ARAC-136708TB+SBS5180B5.3-5.8SBS-AC137330TB+巖瀝青5902C5.0-5.3TB-AC13784TB+PE2678D4.6-5.0PE-AC1311077巖瀝青AC-136446E≤4.6硬瀝青AC-1311662AC-131183

2.3相同高溫性能的疲勞性能分級(jí)

考慮到柔性路面在高溫和超載的雙重作用下最主要的破壞仍表現(xiàn)為車(chē)轍破壞，我國(guó)施工規(guī)范對(duì)基于車(chē)轍試驗(yàn)的高溫性能提出了較為嚴(yán)格的要求，而且疲勞性能與高溫性能在相同瀝青用量下為一對(duì)矛盾，若高溫性能不能達(dá)標(biāo)，疲勞性能的對(duì)比將失去意義，故在研究疲勞性能的同時(shí)需兼顧高溫性能.隨著混合料種類(lèi)和改性方法的增多，且根據(jù)路面結(jié)構(gòu)和車(chē)轍理論，不同深度的瀝青層對(duì)高溫性能和疲勞性能的要求不一[12]，但規(guī)范[12]中的動(dòng)穩(wěn)定度要求較為寬泛，為此將本文對(duì)混合料高溫車(chē)轍進(jìn)行更為細(xì)致的分級(jí)，以滿(mǎn)足不同層位的動(dòng)穩(wěn)定度要求.在滿(mǎn)足高溫性能的前提下，計(jì)算荷載所帶來(lái)的彎拉應(yīng)變，進(jìn)一步根據(jù)軸載次數(shù)計(jì)算可承受的疲勞次數(shù)，可選出滿(mǎn)足要求的瀝青混合料類(lèi)型即結(jié)合料用量，基于此理念在本節(jié)中提出高溫和疲勞性能的雙向選擇分級(jí)表.沿用表5的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了補(bǔ)充試驗(yàn).結(jié)果如表6所示.研究所涉及的瀝青用量多集中在4%～7%較為典型的區(qū)域，可為施工與設(shè)計(jì)提供參考.

表6　本文所涉及瀝青混合料的高溫性能分級(jí)

為便于直觀觀察，將表7中的分級(jí)進(jìn)行具體取值后繪制分區(qū)散點(diǎn)圖，如圖8所示.

圖8中橫坐標(biāo)虛線(xiàn)處為高溫分級(jí)的指標(biāo)，由左至右分別為300，1 000，2 800，6 000和10 000，縱坐標(biāo)虛線(xiàn)處為疲勞分級(jí)的指標(biāo)，由下至上分別為4.6，5.0，5.3，5.8和5.9.散點(diǎn)圖中越接近右上區(qū)域的瀝青混合料的高溫和疲勞性能越突出.瀝青用量可在具體的設(shè)計(jì)中具體考慮，兩種性能需要在實(shí)際工程中做出合理的取舍.在設(shè)計(jì)混合料的過(guò)程中，可依據(jù)本表中推薦的級(jí)別，在某個(gè)固定瀝青用量上下微調(diào)，在滿(mǎn)足空隙率要求下預(yù)判高溫和疲勞性能的級(jí)別，可以迅速確定混合料某層混合料的瀝青種類(lèi)和瀝青用量.

縱觀所涉及的瀝青用量范圍，在各自的高溫性能分級(jí)情況下，混合料疲勞性能排序?yàn)椋焊邷谹級(jí)(DS：≥6 000)：TB+SBS,TB+PE和PE;高溫B級(jí)(DS：2 800-6 000)：ARAC,SBS,巖瀝青和硬瀝青;高溫C級(jí)(DS：1 000-2 800)：TB+巖瀝青,TB和基質(zhì)瀝青;高溫D級(jí)(DS：300-1 000)：高瀝青用量的ARAC、高瀝青用量的TB，高溫E級(jí)(DS≤300)：高瀝青用量的基質(zhì)瀝青.

3結(jié)論

(1) SBS改性瀝青和橡膠瀝青兼具較好的疲勞性能和自愈合性能；復(fù)合改性的TB瀝青混合料具有較好的自愈合性能.建議在評(píng)價(jià)此三類(lèi)瀝青混合料的疲勞性能時(shí)需考慮其自愈合能力，否則會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)于保守或?yàn)r青用量超高.

(2) 同在5%瀝青用量下的疲勞性能排序?yàn)椋篠BS-AC13>TB+SBS>ARAC-13>TB+巖瀝青>TB-AC13>TB+PE>巖瀝青-AC13>PE-AC13>AC-13>硬瀝青-AC13.

(3) 相同體積設(shè)計(jì)目標(biāo)下，疲勞性能排序?yàn)椋篈RAC-13>TB+SBS>SBS-AC13>TB+巖瀝青>TB-AC13>TB+PE>巖瀝青AC13>PE-AC13>硬瀝青AC13>AC13；相同體積目標(biāo)設(shè)計(jì)下可做全范圍設(shè)計(jì)性能幅值圖(圖5)，可依據(jù)此圖為施工尋求一個(gè)有效的設(shè)計(jì)參考，通過(guò)上調(diào)或下調(diào)混合料的空隙率、瀝青用量以滿(mǎn)足不同的疲勞或高溫性能要求.

圖8　瀝青混合料的疲勞性能對(duì)數(shù)值與高溫性能的分區(qū)散點(diǎn)圖

(4) 相同高溫性能分級(jí)情況下，混合料疲勞性能排序?yàn)椋焊邷谹級(jí)(DS：≥6 000)：TB+SBS,TB+PE和PE;高溫B級(jí)(DS：2 800-6 000)：ARAC,SBS,巖瀝青和硬瀝青，高溫C級(jí)(DS：1 000-2 800)：TB+巖瀝青,TB和基質(zhì)瀝青;高溫D級(jí)(DS：300-1 000)：高瀝青用量的ARAC和高瀝青用量的TB;高溫E級(jí)(DS≤300)：高瀝青用量的基質(zhì)瀝青.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了高溫性能和疲勞性能的散點(diǎn)圖(見(jiàn)圖6)，可據(jù)圖在實(shí)際工程的設(shè)計(jì)過(guò)程中做取舍.

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Fatigue Performance of Asphalt Mixtures with Different Design Goals

HUANG Ming1,2, WEN Xuejun1, HUANG Weidong2, XU Jian1

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

Abstract：10 kinds of asphalt mixtures, including base asphalt and the commonly-used modified asphalt, were researched by fatigue tests by taking self-healing into account, where four-point bending beam(4PB) was selected, at the temperature of 15 ℃ with 1 500×10-6strain, as well as the second fatigue tests were performed, therefore, the effect of the modified asphalt was considered. Researches were carried out in the same asphalt content, the same volume design goal, fatigue performance were compared, and the same temperature performance classification, the fatigue performance was graded, which was a kind of bidirectional hierarchical method, providing reference for the design of asphalt mixture in the actual project. Finally, a partition scatterplot was drafted for mix design reference based on the test results.

Key words：modified asphalt; mixture design; fatigue performance; self-healing

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：U414

通訊作者：溫學(xué)鈞(1962—)，男，高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)榈缆饭こ? E-mail:wenxuejun@smedi.com

基金項(xiàng)目：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2014-K1-025);上海建工集團(tuán)2014科技項(xiàng)目(14ZFZC-01);上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院2014科技項(xiàng)目(K2014K028)

收稿日期：2014—12—09

第一作者： 黃明(1985—)，男，高級(jí)工程師，工學(xué)博士，博士后,主要研究方向?yàn)樾滦吐访娌牧吓c結(jié)構(gòu). E-mail:huangming@smedi.com