胡江三， 王國忠， 陸佳寶， 鐘萬鑫

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學能源與交通工程學院， 呼和浩特 010018)

施工與服役環(huán)境中發(fā)生的瀝青材料老化，會直接導致瀝青混合料抗疲勞性能降低，進而引起瀝青路面病害[1-3]。常用的瀝青與瀝青膠漿的疲勞研究方法主要包括動態(tài)剪切流變儀(dynamic shear rheometer，DSR)的時間掃描試驗、應變掃描試驗、多應力重復蠕變(multiple stress repeated creep test, MSCR)試驗和線性振幅掃描(linear amplitude sweep, LAS)試驗4種方法[4]。時間掃描可以選擇加載幅度，進而研究汽車荷載對路面結構的影響，但其耗時長、結果重復性較差，因此開展此實驗較少[5- 6]；應變掃描試驗可在不同應變范圍內(nèi)評價瀝青的疲勞性能[7]；多應力重復蠕變試驗主要用于比較瀝青的永久變形特征[8]；線性振幅掃描試驗則可以有效地表達瀝青與瀝青混合料疲勞性能之間的關系[9]。

關于瀝青性能變化機理的研究，常用的手段包括組分分析法、采用元素組成、分子量、官能團等的變化從化學角度描述瀝青性能指標變化和利用原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)等從微觀角度描述瀝青路用性能的變化[10]。王淋等[11]、Zhang等[12]、高穎等[13]利用紅外光譜(fourier transform infrared spectrometer, FTIR)探究了瀝青老化前后官能團的變化，得出老化后典型結構(如芳香環(huán))的變化規(guī)律，并驗證了羰基和亞砜基隨老化程度加深而變化的規(guī)律性。李晶等[14]、楊震等[15]從元素變化角度出發(fā)，探討了老化前后C、H、N、S、O元素的變化，結論可解釋FTIR中官能團的變化規(guī)律。

介電常數(shù)測試法可對測試樣品中所含物質按需分區(qū)，實現(xiàn)實時測定，簡單高效?；诖?，通過對熱氧、老化、水的耦合老化前后90#基質瀝青、SBS改性瀝青進行了LAS試驗和介電常數(shù)測試，量化評價了耦合老化前后瀝青疲勞性能變化情況，并分析了組分與性能指標之間的關聯(lián)性。

1 試驗設計

1.1 瀝青

采用90#基質瀝青和SBS改性瀝青(實驗室自制，SBS改性劑摻量4%)作為原樣瀝青，瀝青基礎指標如表1所示。

表1 瀝青基礎指標Table 1 Technical index of asphalt

1.2 耦合老化試驗

分別對兩種瀝青進行、短期老化、長期老化、紫外老化和水老化，短期老化采用薄膜烘箱加熱試驗(thin film oven test, TFOT)進行模擬；長期老化采用壓力老化試驗(pressurized aging vessel, PAV)進行模擬；紫外老化與水老化采用春華環(huán)試生產(chǎn)的紫外老化箱TNZ180，照度2.1 mJ/cm2，光照時長336 h。紫外老化在長期老化之后疊加進行，水老化在紫外老化之后疊加進行。

1.3 瀝青疲勞試驗

分別對原樣、短期老化、長期老化、紫外老化、水老化狀態(tài)的基質瀝青和SBS改性瀝青進行LAS試驗，分析兩種在不同狀態(tài)下的抗疲勞性能變化。LAS試驗溫度25 ℃，掃描頻率10 Hz，試模直徑8 mm。

1.4 介電常數(shù)測試

介電常數(shù)試驗采用云麓科技的工業(yè)微波CT，介電常數(shù)范圍1～6.2，介電常數(shù)采集為5 s/次，考慮空氣流動及靜電影響，試驗數(shù)據(jù)取5～35 min各介電常數(shù)范圍30 min讀數(shù)的平均值，各點位重復性實驗誤差不大于1%，精度高于溶劑沉淀及色譜柱法規(guī)范要求。

2 瀝青疲勞性能分析

2.1 疲勞性能的應變敏感性分析

在AASHTO規(guī)范中，LAS試驗是基于瀝青的黏彈性連續(xù)損傷模型進行疲勞性能的評價和預測，可通過線性粘彈性損傷原理與連續(xù)損傷兩個方面進行解釋。以疲勞因子|G*|sinδ作為材料內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)定義損傷，通過Schapery模型，基于熱力學不可逆原則可對損傷進行量化；通過對材料內(nèi)部狀態(tài)變量與損傷關系進行擬合，可以得到瀝青的疲勞壽命Nf與應變之間的關系。計算過程如下。

(1)

lgG′(ω)=mlgω+b

(2)

α=1+1/m

(3)

lg(C0-|G*|sinδ)=lgC1+C2lgD

(4)

Df=0.35(C0/C2)1/C2

(5)

(6)

B=2α

(7)

Nf=A(γmax)-B

(8)

式中：|G*|為復數(shù)剪切模量；G′為儲存模量；δi-1為第i-1個循環(huán)所對應的相位角；ti為第i個循環(huán)對應的時間；ti-1為第i-1個循環(huán)所對應的時間；δ為相位角；ω為角頻率；ID為計算應變區(qū)間初始復合剪切模量；γ0為給定數(shù)據(jù)點的應變；γmax為最大應變；t為時間；i、i-1與N為循環(huán)周期；C0為0.1%應變間隔開始的|G*|sinδ的值；C1和C2為曲線擬合系數(shù)；D(t)為損傷；Df為疲勞失效值；f為加載頻率；Nf為疲勞壽命；A、B、m、b、k、α為計算過程參數(shù)。

按照式(1)～式(8)可得到不同狀態(tài)下瀝青在0.1%～30%振蕩應變下的疲勞壽命，如圖1所示。兩種瀝青在5種狀態(tài)下疲勞壽命隨振蕩應變變化的雙對豎曲線接近一條直線，疲勞壽命隨振蕩應變的增大而減小；相同振蕩應變下，老化程度越深的瀝青疲勞壽命越短，且這種現(xiàn)象在大應變下表現(xiàn)得更明顯；不同老化程度的雙對數(shù)曲線斜率不同。圖1曲線斜率B表示瀝青隨應變變化的敏感性，為方便量化分析，將B及其變化程度ΔB整理并列于表2。

由表2可知，兩種瀝青老化程度越深曲線斜率絕對值B越大，說明隨著老化程度的加深瀝青隨應變變化的敏感性越強，表現(xiàn)在瀝青路面服役過程中即為瀝青老化程度越深，瀝青路面壽命隨應變增大而減小的幅度越大；兩種瀝青對比顯示，SBS改性瀝青隨在相同老化狀態(tài)下的應變敏感性更大。通過ΔB數(shù)據(jù)可知，基于疲勞性能的瀝青應變敏感性在長期老化階段變化幅度最大，相同老化時長下紫外老化比水老化的影響幅度大。

綜上，考慮瀝青抗疲勞性能隨老化程度的變化，應注意在瀝青路面設計中考慮個各階段老化作用的影響。

圖1 疲勞壽命隨振蕩應變變化Fig.1 Fatigue life varies with the oscillatory strain

表2 疲勞曲線擬合參數(shù)Table 2 Fatigue curve fitting parameters

2.2 基于損傷變化的抗疲勞性能分析

LAS的計算理論完整有效，已成為現(xiàn)階段研究瀝青疲勞性能的主要方法之一，但其疲勞失效準則的不統(tǒng)一性是LAS研究方法現(xiàn)階段重要缺陷。

在對上述損傷進行計算過程中發(fā)現(xiàn)，損傷隨振蕩應變的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，損傷峰值處代表在此振蕩應變下瀝青試件產(chǎn)生微裂紋破壞，應力迅速釋放，隨后損傷逐漸減小。由圖2可知，應力峰值所對應振蕩應變小于損傷峰值所對應振蕩應變，這符合LAS試驗中瀝青先屈服后破壞的破壞過程。因此，可將損傷峰值所對應的破壞應變作為瀝青疲勞失效的破壞應變εD，進而評價其抗疲勞性能。

圖2 應力-應變與損傷-應變曲線Fig.2 Stress-strain and damage-strain curve

圖3為兩種瀝青在5種老化狀態(tài)下的損傷隨應變變化曲線，可以看出，隨老化程度加深瀝青的εD基本呈變大趨勢，相同老化狀態(tài)下SBS改性瀝青的εD大于基質瀝青，這主要是由于瀝青黏度越大其所需要的破壞應變隨之增大而導致的，SBS改性瀝青的黏度大于基質瀝青，老化后導致的重質組分比例增加也會增大瀝青的黏度。

考慮到εD所對應的疲勞壽命過小不易比較，借鑒應變比的概念取0.05倍的εD的振蕩應變εd所對應的疲勞壽命進行比較，將兩種瀝青在5種老化狀態(tài)下的εD和其對應的疲勞壽命Nf列于表3。

由表3可知，兩種瀝青的疲勞壽命均在短期老化階段下降最為明顯，因此在施工過程中，為保證瀝青路面后期抗疲勞性能，應注意盡量減小拌和、運輸與攤鋪過程中短期老化的影響。

2.3 基于相位角變化的抗疲勞性能分析

圖4為相位角隨振蕩應變變化的曲線，相位角隨應變的增大呈現(xiàn)先增大，持續(xù)一段之后又減小的趨勢；相位角絕對值隨老化程度的加深而減小。

Kim等[16]也做過類似LAS的試驗，并證明了以相位角峰值作為疲勞失效的定義的正確性。此部分將平臺區(qū)域看做相位角峰值區(qū)域，根據(jù)圖4找出每條曲線平臺區(qū)初始橫坐標εφ，(εφ為破壞應變)將其作為破壞應變，再借鑒應變比的概念取0.05倍的εφ的振蕩應變εθ所對應的疲勞壽命進行比較，將兩種瀝青在5種老化狀態(tài)下的εθ和其對應的疲勞壽命N′f列于表4。

由表4可知，隨著老化程度的加深，兩種瀝青的疲勞壽命均減小。熱氧老化階段，短期老化對瀝青疲勞壽命影響較大，尤其是SBS改性瀝青，疲勞壽命較原樣試件降低67%。這與上述基于損傷的疲勞性能分析結果相同。

圖3 損傷隨振蕩應變變化圖Fig.3 D-strain curve

表3 基于損傷的破壞應變與疲勞壽命Table 3 εd and Nf based on damage

圖4 相位角隨振蕩應變變化曲線Fig.4 Phase Angle curve with oscillating strain

表4 5種老化狀態(tài)下的εθ和其對應的N′fTable 4 Under 5 aging conditions εθ and its corresponding N′f

3 基于介電性質的抗疲勞性能機理分析

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中采用溶劑沉淀及色譜柱法進行道路石油瀝青的組分分析，這種方法取樣代表性難以保證(樣品1 g)且操作復雜、試驗周期長。目前，基于介電特性的瀝青混合料領域的研究主要集中在對瀝青路面密度的預測，如基于介電特性的混合料密度模型的預估、自愈合情況的觀測等[17-18]。工業(yè)微波CT(computed tomography)通過測定瀝青中不同物質的介電常數(shù)反應瀝青組成，尤其對老化過程中物質的變化情況反映明顯，試樣約30 g，可保證取樣代表性， 操作簡單，可實時觀測。

表5為基質瀝青與SBS改性瀝青老化前后不同介電常數(shù)范圍內(nèi)的組分含量?？梢钥闯?，瀝青中不同物質的介電常數(shù)范圍處于1～4.72。

表5 瀝青組分Table 5 Composition of bitumen

對于基質瀝青而言，隨著老化程度的加深，較小范圍的組分(介電常數(shù)<1.63)含量由于基數(shù)較小，因此變化幅度不明顯；介電常數(shù)處于中間范圍(1.63～3.48)的組分含量明顯減少；較大范圍的組分(介電常數(shù)>3.48)含量明顯增加，說明隨瀝青老化程度的加深，低介電常數(shù)的組分向高介電常數(shù)組分發(fā)生遷移，分子極性增大，這與四組分的組分遷移理論相似。SBS改性瀝青中高范圍的組分含量變化與基質瀝青趨勢相同；介電常數(shù)較小的組分在熱氧老化之后增高，紫外老化及水老化之后又減小，這主要是由于熱氧老化作用破壞了SBS改性劑的網(wǎng)格結構，網(wǎng)格中吸附的輕質組分析出，隨著老化程度的加深，輕質組分又向重質組分躍遷所致。

由于基質瀝青來源不同、改性瀝青品種繁多，不同瀝青試樣的組分介電常數(shù)范圍也不完全相同，因此，直接采用介電常數(shù)描述瀝青性質更加直觀。試驗結果顯示，瀝青各組分介電常數(shù)范圍跨越高分子材料3種極性范圍，且現(xiàn)階段多種改性瀝青為高聚物改性瀝青。因此，進一步量化評價組分與瀝青性能關聯(lián)，可參照高分子極性劃分范圍，根據(jù)介電常數(shù)范圍將瀝青組分劃分為非極性物質Ⅰ(介電常數(shù)為1～1.62)、非極性物質Ⅱ(介電常數(shù)為1.63～2.24)、非極性物質Ⅲ(介電常數(shù)為2.25～2.86)、弱極性物質(介電常數(shù)為2.87～3.48)、極性物質Ⅰ(介電常數(shù)為3.49～4.10)、極性物質Ⅱ(介電常數(shù)≥4.11)。

以疲勞應變曲線斜率絕對值B、基于損傷的疲勞破壞參數(shù)εd與Nf、基于相位角的疲勞破壞參數(shù)εθ與N′f反映瀝青性能，與上述6種組分進行灰色關聯(lián)度分析，關聯(lián)指數(shù)如表6所示。

表6 灰色關聯(lián)度分析結果Table 6 Analysis results of grey correlation degree

可以看出，不同組分對瀝青不同參數(shù)的關聯(lián)指數(shù)不同，表明不同組分對瀝青的不同性能的貢獻率是不同的；εd與εθ的關聯(lián)指數(shù)大小趨勢相同，Nf與N′f的關聯(lián)指數(shù)大小趨勢相同，可間接證明文中基于損傷的破壞應變εD和疲勞壽命Nf的定義是合理的。

綜上，在瀝青改性或者瀝青路面設計過程中，可根據(jù)不同介電常數(shù)范圍內(nèi)物質對瀝青抗疲勞性能的影響，按需改變組分的比例以調(diào)整其性能。

4 結論

(1)相同振蕩應變下，老化程度越深的瀝青疲勞壽命越短，且這種現(xiàn)象在大應變下表現(xiàn)得更明顯；老化程度越深則瀝青基于抗疲勞性能的應變敏感性越大，且SBS改性瀝青隨在相同老化狀態(tài)下的應變敏感性大于基質瀝青。

(2)采用基于損傷的疲勞破壞準則所定義的破壞應變εD和疲勞壽命Nf評價瀝青的抗疲勞性能是合理可行的，且和基于相位角定義的破壞準則分析結果相似。

(3)基于介電性質對瀝青組分進行劃分的方法合理可行，并可與瀝青路用性能進行關聯(lián)，進一步指導瀝青改性工藝。