沈武憲

(新疆希爾路橋工程有限公司，新疆 烏魯木齊　830011)

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抗車轍劑對瀝青混合料疲勞性能影響的試驗研究

沈武憲

(新疆希爾路橋工程有限公司，新疆 烏魯木齊830011)

為了更好地探討抗車轍劑加入后瀝青混合料的疲勞性能，通過室內(nèi)試驗研究抗車轍劑摻量、應(yīng)力比和溫度等變量對瀝青混合料疲勞壽命的影響。并通過回歸分析得到應(yīng)力疲勞方程。結(jié)果表明，相同條件下，瀝青混合料疲勞壽命隨抗車轍劑摻量增多而增大，k值隨抗車轍劑摻量的增多明顯增大，而|n|值隨著抗車轍劑摻量的增多呈現(xiàn)逐漸降低的變化規(guī)律，說明抗車轍劑摻量越多，瀝青混合料疲勞壽命對應(yīng)力比的變化的敏感性越低；瀝青混合料的疲勞壽命隨應(yīng)力比的增大而降低，疲勞壽命隨抗車轍劑摻量的變化趨勢越大，其中當(dāng)應(yīng)力比超過0.3時，疲勞壽命大幅降低；溫度越高，瀝青混合料疲勞壽命和k值越小。

；道路工程；抗車轍劑；瀝青混合料；疲勞性能；疲勞壽命

0　引言

在社會經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，我國道路交通隨之出現(xiàn)了諸多問題，其中日益增長的交通量和日趨嚴(yán)重的交通渠化，以及普遍的超載重載現(xiàn)象，對瀝青路面的使用性能提出了很高的挑戰(zhàn)，瀝青路面車轍現(xiàn)象日益突出[1-3]。車轍不僅降低了路面的使用品質(zhì)，縮短了路面使用壽命，而且嚴(yán)重影響了行車的安全性和舒適性[4-6]。瀝青混合料模量不足是導(dǎo)致車轍的重要因素，在車輛荷載的重復(fù)作用下，瀝青路面變形不斷累積，最終導(dǎo)致車轍的出現(xiàn)和疲勞破壞[7-9]。研究表明，在瀝青混合料中添加抗車轍劑能顯著提高瀝青混合料的模量，使瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到明顯改善[10-12]。然而抗車轍劑對瀝青混合料疲勞性能的影響究竟如何，國內(nèi)同行鮮有研究?；诖?，本文通過試驗，研究抗車轍劑摻量、應(yīng)力比和溫度等對瀝青混合料疲勞壽命的影響，為抗車轍劑在瀝青路面中的進一步應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)。

1　試驗

1.1原材料

瀝青選用AS70#基質(zhì)瀝青，其基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示；粗細(xì)集料選用玄武巖，礦粉為磨細(xì)的石灰石粉，其各項技術(shù)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求；抗車轍劑選用常州筑威建筑材料有限公司生產(chǎn)的DXG-2抗車轍劑，外觀為純黑色顆粒狀固體，由多種聚合物復(fù)合而成，具有良好的物理力學(xué)性能；混合料級配采用SMA-16，其合成級配如表2所示。

1.2試驗方法

采用美國SHRP計劃選定的三分點彎曲疲勞試驗評價橡膠瀝青混合料的疲勞性能[10]。試驗采用MTS材料試驗機控制加載，力傳感器的精確度為1 N，位移控制精度為0.001 mm，采用環(huán)境箱控制溫度，精確到0.1，平行試驗次數(shù)為3次。

表1 瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)類別針入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)軟化點/℃延度(5cm/min,5℃)/cm閃點/℃RTFOT后質(zhì)量損失/%實測值67.859.0>1002850.45技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)60.0～80.0≥46.0>100≥260.0±0.8

表2 瀝青混合料合成級配級配類型通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075通過率上限100100856532242218151412通過率下限100906545201514121098合成級配10095755526191816131110

2　疲勞壽命

測定不同抗車轍劑摻量(0%、0.5%、0.6%和0.7%)、不同應(yīng)力比(0.2、0.3和0.4)和不同溫度(15 ℃、20 ℃和25 ℃)時瀝青混合料的疲勞壽命，研究抗車轍劑摻量、應(yīng)力比和溫度對瀝青混合料抗疲勞性能的影響，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1　應(yīng)力比對高模量瀝青混合料疲勞壽命的影響

圖1為不同條件下高模量瀝青混合料的疲勞壽命，可以看出，當(dāng)實驗條件一定時，隨著抗車轍劑摻量的增多，瀝青混合料的疲勞壽命逐漸增大，例如當(dāng)應(yīng)力比為0.2，溫度為25 ℃時，當(dāng)抗車轍劑摻量由0%增大至0.5%和0.7%時，瀝青混合料的疲勞壽命分別由38 506次增大至108 754次和138 034次，分別增大了1.82倍和2.58倍。這主要是因為，瀝青混合料中瀝青主要分為兩部分，一部分是結(jié)構(gòu)瀝青，另一部分是自由瀝青，其中結(jié)構(gòu)瀝青對瀝青混合料的整體強度起重要作用，而自由瀝青主要對瀝青混合料的變形韌性起主要作用?？管囖H劑添加在瀝青混合料中對自由瀝青有吸附作用，進而改變了結(jié)構(gòu)瀝青和自由瀝青的比例，抗車轍劑對自由瀝青的吸附作用隨著抗車轍劑摻量的增多而增強，造成瀝青混合料中自由瀝青含量的下降和結(jié)構(gòu)瀝青含量的增多，從而使瀝青與礦料的粘結(jié)力增大，瀝青混合料試件強度增加，疲勞壽命提高。

當(dāng)其他條件一定時，應(yīng)力比越大瀝青混合料的疲勞壽命越低，且疲勞壽命隨抗車轍劑摻量的變化趨勢越大，例如當(dāng)溫度為15 ℃，應(yīng)力比為0.2，抗車轍劑摻量由0.5%增大至0.7%時，疲勞壽命由209 674次增大至250 935次，增大了19.7%；而當(dāng)溫度為15 ℃，應(yīng)力比為0.4，抗車轍劑摻量由0.5%增大至0.7%時，疲勞壽命由9 164次增大至13 677次，增大了49.2%，表明應(yīng)力比越大，添加抗車轍劑對瀝青混合料疲勞性能的改善效果越好。解釋其原因主要為，重復(fù)荷載作用下，瀝青混合料內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的微小裂縫，且裂縫隨著逐級加載而不斷擴展，當(dāng)裂縫擴展至一定程度時，會使瀝青混合料試件出現(xiàn)疲勞破壞。應(yīng)力比越大混合料內(nèi)部裂縫的擴展速率越快，因此疲勞壽命越低，同時抗車轍劑顆粒具有較高的彈性，在裂縫擴展時，能吸收部分能量使裂縫的擴展速度降低，應(yīng)力比越大抗車轍劑顆粒的變形越明顯，吸收的能量越多，因此對疲勞性能的改善程度越大。

在相同條件下，瀝青混合料的疲勞壽命，隨著溫度的升高而逐漸降低，其中當(dāng)溫度超過20 ℃時，再升高溫度會使疲勞壽命大幅降低，例如當(dāng)抗車轍劑摻量為0.5%，應(yīng)力比為0.3時，當(dāng)溫度由15 ℃升高至20 ℃和25 ℃時，瀝青混合料的疲勞壽命分別由23 535次降低至19 747次和7 682次，分別降低了16.1%和67.35%。這主要是因為，瀝青混合料為典型的粘彈塑性材料，溫度降低時變硬，粘性比例降低，而溫度升高時變軟，粘性比例增加，隨著溫度的升高，瀝青粘度逐漸降低，荷載作用時瀝青混合料的變形越明顯，裂縫擴展速度下降，因此疲勞壽命降低。

3　應(yīng)力疲勞方程

對不同條件下瀝青混合料的疲勞壽命利用式(1)所示模型進行回歸分析，回歸結(jié)果如表3所示。

(1)

式中：Nf為疲勞壽命，次；P為試件所受應(yīng)力，MPa；k，n為回歸系數(shù)，與材料組成與溫度有關(guān)，k值越大表明抗車轍性能越好，|n|值越大表明疲勞壽命對應(yīng)力變化越敏感。

表3 應(yīng)力疲勞方程回歸結(jié)果抗車轍劑摻量/%溫度/℃回歸方程相關(guān)性系數(shù)R2015Nf=325.52x-5.92520.957320Nf=9.2789x-5.61080.985625Nf=2.8443x-5.70770.98830.515Nf=2191.8x-4.68840.984320Nf=541.93x-4.191320.990525Nf=48.853x-4.42420.97450.615Nf=3442.4x-4.5720.981020Nf=846.45x-4.27680.992625Nf=91.674x-4.22450.97360.715Nf=4169.5x-4.28360.968220Nf=794.65x-4.27550.993525Nf=101.51x-4.17420.9793

從表3可以看出，各試驗條件下，瀝青混合料的疲勞壽命與應(yīng)力比之間具有良好的相關(guān)關(guān)系，符合傳統(tǒng)的疲勞力學(xué)響應(yīng)模型。當(dāng)抗車轍劑摻量相同時，k值隨溫度的升高大幅降低，當(dāng)溫度為15 ℃時，k值均在320以上，而當(dāng)溫度升高至25 ℃時，k值降低至102以下，表明溫度越高，混合料疲勞壽命越低。|n|值隨著抗車轍劑摻量的增多逐漸降低，表明疲勞壽命對應(yīng)力比的敏感性隨著抗車轍劑摻量的增多而下降。

4　結(jié)論

1) 在應(yīng)力比和試驗溫度保持不變時，瀝青混合料的疲勞壽命隨著抗車轍劑摻量的增多逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力比和溫度分別為0.2和25 ℃，抗車轍劑摻量由0%增大至0.5%和0.7%時，瀝青混合料的疲勞壽命分別增大了1.82倍和2.58倍。

2) 當(dāng)其他條件一定時，應(yīng)力比越大瀝青混合料的疲勞壽命越低，其中當(dāng)應(yīng)力比超過0.3時，疲勞壽命大幅降低；應(yīng)力比越大，疲勞壽命隨抗車轍劑摻量的變化趨勢越大。

3) 當(dāng)抗車轍劑摻量和應(yīng)力比保持不變時，瀝青混合料的疲勞壽命隨著溫度的升高而逐漸降低，其中當(dāng)溫度超過20 ℃時，再升高溫度會使疲勞壽命急劇下降。

4) 瀝青混合料的疲勞壽命與應(yīng)力比之間符合傳統(tǒng)的疲勞力學(xué)響應(yīng)模型；當(dāng)抗車轍劑摻量相同時，k值隨溫度的升高大幅降低；k值隨抗車轍劑摻量的增多明顯增大，而|n|值隨著抗車轍劑摻量的增多逐漸降低，表明抗車轍劑摻量越多，疲勞壽命對應(yīng)力比的敏感性越低。

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2016-05-31

沈武憲(1972-)，男，主要從事路橋工程的施工及管理工作。

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