多種瀝青混合料疲勞性能的比較

黃衛東，鄭 茂，黃 明

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

目前國內外對瀝青混合料疲勞性能的研究大多集中在對某種瀝青混合料的疲勞性能影響因素研究、疲勞破壞判斷方法以及疲勞方程的總結性推導，基質瀝青及其混合料的疲勞性能研究的較為廣泛和深入，鮮有各種改性瀝青混合料疲勞性能的總體對比研究，故現有研究結果對中國現行改性瀝青混合料設計較少有借鑒作用.Tsai等［1］曾進行多種瀝青混合料的疲勞性能對比試驗，混合料所用瀝青為基質瀝青、橡膠瀝青和terminal blend（TB）膠粉改性瀝青；Hajj等［2］也曾進行過關于高分子聚合物改性瀝青混合料和TB膠粉改性瀝青混合料疲勞性能的對比試驗，試驗中是以控制空隙率（體積分數）的方式成型改性瀝青混合料試件，空隙率標準選定為7%.可見，在目前有限的進行多種瀝青混合料疲勞性能的對比試驗時，瀝青種類選取并不全面，混合料成型試件控制指標標準選擇的合理性也有待商榷.另外，由于瀝青是一種黏彈性材料，因此瀝青混合料會隨著往復應力的加載而不斷發生形變，同時又無時無刻不在進行著自愈合［3－5］.在進行瀝青混合料疲勞性能試驗研究時若忽視其自身的自愈合作用影響，有可能造成部分種類瀝青混合料疲勞性能的測試結果與真實情況偏差較大.因此，為更加全面深入地反映多種瀝青混合料的疲勞性能優劣，有必要在瀝青混合料疲勞性能測試中考慮其自身的自愈合作用的影響.

本文共選取了11種瀝青混合料，進行了未考慮自愈合作用和考慮自愈合作用的疲勞性能對比試驗研究，以期為疲勞優先工況條件下瀝青混合料設計及改性劑選擇提供理論依據.

1 試驗

1.1 瀝青和改性劑

基質瀝青采用70＃埃索瀝青.橡膠瀝青制備中選取浙江金華產40目（380μm）膠粉.TB 膠粉改性瀝青、TB膠粉＋SBS改性瀝青、TB膠粉＋PE（聚乙烯）改性瀝青及TB 膠粉＋巖瀝青改性瀝青制備中一般采用30 目（550μm）或者更細的膠粉（TB 膠粉）.TB膠粉在瀝青中發生脫硫反應.通常情況下TB膠粉改性瀝青在儲油罐中無需專門攪拌即可保持均勻分散，且儲存穩定［6］.

本文所用改性瀝青的改性方案如表1所示.基質瀝青及各改性瀝青路用性能均滿足JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》要求.

表1 改性瀝青的改性方案Table 1 Modification scheme of modified asphalt

1.2 集料和級配

粗集料（粒徑≥2.36mm）采用江蘇溧陽玄武巖碎石，細集料（粒徑＜2.36mm）采用浙江安吉石灰巖碎石，填料使用浙江安吉石灰石礦粉.粗、細集料各項性能指標均能滿足JTG F 40—2004規范要求.

基質瀝青混合料采用AC－13和AC－20級配，硬瀝青混合料采用AC－13級配，橡膠瀝青混合料采用ARAC－13級配，改性瀝青混合料均采用AC－13 級配.橡膠瀝青混合料ARAC－13級配值采用美國Arizona州技術規范［7］推薦的級配值，其余瀝青混合料級配值采用JTG F 40—2004規范所提供級配范圍的中值.

1.3 試驗方法

瀝青混合料疲勞性能均采用BFA 試驗機（四點彎曲試驗機）進行測試.BFA 試驗機為澳大利亞IPC公司產品，采用UTM 軟件系統操作.瀝青混合料試件為385mm（長）×65mm（寬）×50mm（厚）小梁.

1.4 疲勞壽命判斷方法

Nf50法為AASHTO TP－8標準所推薦的瀝青混合料疲勞壽命判斷方法.Nf50法以50%的初始勁度模量減少作為瀝青混合料疲勞壽命判斷標準.

NfNM法為ASTM D 7460標準所推薦的瀝青混合料疲勞壽命判斷方法.NfNM法最先由Rowe等［8］研究提出.在NfNM法中，將瀝青混合料疲勞破壞點定義為混合料歸一化勁度次數積NM 在NM－荷載次數圖中的峰值點.瀝青混合料歸一化勁度次數積NM 為：

式中：N 為加載次數；SN為第N 次加載時瀝青混合料的勁度模量；S0為瀝青混合料初始勁度模量，取第50次加載時瀝青混合料的勁度模量；N0為初始加載次數，取50.

當NM 達到最大值時，對應的加載次數NfNM即為瀝青混合料的疲勞壽命.

雖然NfNM法中提出了初始勁度模量S0選取第50次加載時的勁度模量，但針對每一次試驗其為定值，NM 最大值的出現與S0無關，故此時的NfNM與S0的取值無關.

需要特別說明的是：

（1）Nf50法是以50%的初始勁度模量減少作為瀝青混合料疲勞壽命的判斷標準，而NfNM法是以NM 峰值點作為瀝青混合料疲勞破壞點，通常此時瀝青混合料勁度模量較初始勁度模量減少30%～15%，一般的瀝青混合料在此條件下均能達到NM峰值點.因此，對同一瀝青混合料，采用NfNM法判斷獲得的疲勞壽命會高于采用Nf50法判斷獲得的疲勞壽命.

（2）筆者在試驗過程中發現，基質瀝青混合料的自愈合能力較弱，且依據Nf50法判斷獲得的基質瀝青混合料疲勞壽命試驗數據的變異系數比依據NfNM法判斷獲得的基質瀝青混合料疲勞壽命試驗數據的變異系數小.由于Nf50法對疲勞壽命的判定結果更能客觀地反映基質瀝青混合料的疲勞性能，故本文均采用Nf50法作為基質瀝青混合料疲勞壽命判斷方法.

（3）改性劑的存在使得改性瀝青有著比基質瀝青更好的韌性與彈性，在發生50%的初始勁度模量減少時，改性瀝青混合料通常遠未發生疲勞破壞.同時，改性瀝青混合料初始勁度模量較大，基于BFA試驗機本身對初始勁度模量的檢測具有不穩定性，越大的初始勁度模量越難以準確測定，因此加載50次時改性瀝青混合料初始勁度模量值變化較大，這是導致改性瀝青混合料Nf50數據離散性較大的原因.另一方面，與初始勁度模量無關的改性瀝青混合料NfNM數據變異系數較小，相對穩定，可信度更高.由于NfNM法對疲勞壽命的判定結果更能客觀反映改性瀝青混合料的疲勞性能，因此本文采用NfNM法作為改性瀝青混合料疲勞壽命的判斷方法.

2 設計空隙率下的多種瀝青混合料疲勞性能對比

在瀝青混合料設計方法中，空隙率是一個關鍵性的體積指標.在一定的工況條件下，若疲勞壽命是需要考慮的指標之一，在設計中究竟選用何種瀝青混合料最合適，有必要進行多種瀝青混合料在各自適宜設計空隙率下的疲勞性能對比.在本研究中，由于ARAC－13橡膠瀝青級配采取美國Arizona州技術規范［7］推薦的級配值，因此橡膠瀝青混合料設計空隙率也采用該技術規范要求的5.5%，其余種類瀝青混合料按JTG F 40—2004 規范要求均采用4.0%的設計空隙率.

2.1 未考慮自愈合作用的多種瀝青混合料疲勞壽命對比

瀝青混合料疲勞試驗選取應變控制方法進行，應變量選為1 000×10－6.同一條件下安排多次平行疲勞試驗，去除誤差大于20%的疲勞試驗數據，保證最終獲取誤差最小的2個疲勞試驗數據進行分析比較.未考慮自愈合作用的瀝青混合料疲勞試驗數據見表2.

當未考慮自愈合作用時，在各自的設計空隙率下，多種瀝青混合料疲勞壽命排序如表3所示.

從表3可以清楚地看到，當未考慮自愈合作用時，在對應的設計空隙率下，AC－13TB 膠粉＋SBS改性瀝青混合料具有最好的疲勞壽命，隨后依次為ARAC－13橡膠瀝青混合料、AC－13SBS改性瀝青混合料、AC－13TB膠粉＋巖瀝青改性瀝青混合料等.在未考慮自愈合時，AC－13TB 膠粉＋SBS 改性瀝青混合料具有最佳的疲勞壽命，這是由于脫硫后的橡膠成分和SBS在復合改性過程中可較好地融合，能有效改善瀝青的空間結構，因此混合料表現出優良的抗疲勞性能.

2.2 考慮自愈合作用的多種瀝青混合料疲勞壽命對比

根據先期有關瀝青混合料自愈合作用的研究［9］，本文設定瀝青混合料經歷的自愈合過程為：加載Nf50次的基質瀝青混合料試件和加載NfNM次的改性瀝青混合料試件在50℃下保溫4h，再于15℃下靜置24h.將經歷了自愈合過程的小梁試件進行應變量為1 000×10－6的四點彎曲疲勞試驗，測得各瀝青混合料的疲勞壽命，再將此疲勞壽命與表2中各瀝青混合料的疲勞壽命相加，即得到考慮自愈合作用的各瀝青混合料疲勞壽命（見表4）.當考慮自愈合作用時，在各自的設計空隙率下，多種瀝青混合料的疲勞性能排序見表5所示.

表2 未考慮自愈合作用的瀝青混合料疲勞試驗數據Table 2 Data of asphalt mixture fatigue tests without considering self－healing effect

表3 未考慮自愈合作用的多種瀝青混合料疲勞壽命排序Table 3 Order of fatigue lives of various kinds of asphalt mixture without considering self－healing effect

表4 考慮自愈合作用的瀝青混合料疲勞試驗數據Table 4 Data of asphalt mixture fatigue tests considering self－healing effect

表5 考慮自愈合作用的多種瀝青混合料疲勞壽命排序Table 5 Order of fatigue lives of various kinds of asphalt mixture considering self－healing effect

由表5可見，當考慮自愈合作用后，在各自的設計空隙率下，ARAC－13橡膠瀝青混合料具有最好的疲勞壽命，隨后依次為AC－13TB膠粉＋SBS改性瀝青混合料、AC－13SBS 改性瀝青混合料和AC－13 TB膠粉＋巖瀝青改性瀝青混合料等.

由表3可見，考慮自愈合作用后，ARAC－13橡膠瀝青混合料的疲勞壽命超越了AC－13TB膠粉＋SBS改性瀝青混合料，排在所有瀝青混合料中的第1位.可見，在考慮自愈合作用后，瀝青混合料的疲勞壽命排序有所改變，在瀝青混合料疲勞壽命的研究中應該充分考慮自愈合作用.

由表3，5可見，不管是否考慮自愈合作用，AC－13TB膠粉＋SBS改性瀝青混合料與ARAC－13橡膠瀝青混合料的疲勞壽命均遠大于排在第3 位的AC－13SBS改性瀝青混合料，達到AC－13基質瀝青混合料疲勞壽命的100倍以上，而AC－13SBS改性瀝青混合料為AC－13 基質瀝青混合料疲勞壽命的30多倍.從抗疲勞性能的角度考慮，AC－13 TB 膠粉＋SBS改性瀝青混合料與ARAC－13橡膠瀝青混合料均遠優于AC－13SBS改性瀝青混合料，特別是AC－13TB膠粉＋SBS改性瀝青混合料在瀝青用量和空隙率都與AC－13SBS改性瀝青混合料相當的情況下，其抗疲勞性能遠遠優于AC－13SBS改性瀝青混合料.

3 結語

（1）當未考慮自愈合作用時，AC－13TB膠粉＋SBS改性瀝青混合料具有最好的疲勞壽命，隨后依次為ARAC－13 橡膠瀝青混合料、AC－13SBS 改性瀝青混合料和AC－13TB膠粉＋巖瀝青改性瀝青混合料等.

（2）當考慮自愈合作用后，ARAC－13橡膠瀝青混合料具有最好的疲勞壽命，隨后依次為AC－13 TB膠粉＋SBS 改性瀝青混合料、AC－13SBS 改性瀝青混合料和AC－13TB膠粉＋巖瀝青改性瀝青混合料等.

（3）由于脫硫橡膠成分的存在，AC－13TB膠粉＋SBS改性瀝青混合料在瀝青用量及空隙率與AC－13 SBS改性瀝青混合料相當的情況下，其疲勞壽命遠遠優于后者，AC－13TB 膠粉＋巖瀝青改性瀝青混合料，AC－13TB膠粉＋PE改性瀝青混合料，AC－13 TB膠粉改性瀝青混合料的疲勞壽命與AC－13SBS改性瀝青亦大致相當.因此TB 膠粉改性瀝青混合料及其各類復合改性瀝青混合料具有極大的科研和應用價值.

［1］TSAI B，JONES D，HARVEY J，et al.Reflective cracking study：First－level report on laboratory shear testing［R］.California：University of California Pavement Research Center，2007.

［2］HAJJ E Y，SEBAALY P E，HITTI E，et al.Performance evaluation of terminal blend tire rubber HMA and WMA mixtures—Case studies［R］.Reno：Western Regional Superpave Center，2007.

［3］ABU AL－RUB R K，DARABI M K，LITTLE D N，et al.A micro－damage healing model that improves prediction of fatigue life in asphalt mixes［J］.International Journal of Engineering Science，2010，48（11）：966－990.

［4］GARCIA A.Self－healing of open cracks in asphalt mastic［J］.Fuel，2012，93：264－272.

［5］BHASIN A，LITTLE D N，BOMMAVARAN R，et al.A framework to quantify the effect of healing in bituminous materials using material properties［J］.Road Materials and Pavement Design，2008，9（S1）：219－242.

［6］黃衛東，李彥偉，杜群樂，等.橡膠瀝青及其混合料的研究與應用［M］.北京：人民交通出版社，2013：7－8.HUANG Weidong，LI Yanwei，DU Qunle，et al.Research and application on asphalt rubber and asphalt rubber mixture［M］.Beijing：China Communications Press，2013：7－8.（in Chinese）

［7］D ＆E－2 Standard specifications for road ＆bridge construction［S］.

［8］ROWE G M，BOULDIN M G.Improved techniques to evaluate the fatigue resistance of asphaltic mixtures［C］∥Proceedings of 2nd Euro Asphalt and Euro Bitumen Congress.Barcelona：Foundation Eurasphalt，2000：754－763.

［9］黃明，汪翔，黃衛東.橡膠瀝青混合料疲勞性能的自愈合影響因素分析［J］.中國公路學報，2013，26（4）：16－22，35.HUANG Ming，WANG Xiang，HUANG Weidong.Analysis of influencing factors for self－healing of fatigue performance of asphalt rubber mixture［J］.China Journal of Highway and Transport，2013，26（4）：16－22，35.（in Chinese）