環氧瀝青混合料的疲勞行為研究

黃 明

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

環氧瀝青混合料的疲勞行為研究

黃 明1,2

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

以美國ChemCo環氧瀝青為例，按馬歇爾設計方法進行了混合料設計，利用萬能材料試驗機MTS-81完成疲勞試驗，并對瀝青混合料小梁力學特性進行了檢測，從瀝青用量、攤鋪等待時間、應力比3個影響因素，分析了環氧瀝青混合料疲勞性能的變化規律，并回歸了環氧瀝青混合料的疲勞行為方程。結果表明：疲勞壽命與瀝青用量、攤鋪等待時間、應力比3個影響因素的關系分別為：隨應力比增大而減小，隨瀝青用量的增大而增大，越過某個特定的時間點之后隨攤鋪等待時間的增大而減小，疲勞壽命的以10為底的對數分別與3個因素呈冪函數、指數和指數關系；提出多維擬合后的疲勞行為預估方程；并經過驗證，此方程的適用范圍限于應力比在0.3～0.7以內，瀝青用量在5%～8%以內，以及攤鋪等待時間在0～120 min以內。

道路工程；環氧瀝青混合料；小梁試驗；疲勞行為

0 引 言

環氧瀝青混合料從1961年使用以來較廣泛的使用在鋼橋面鋪裝上，大多出現了早期損壞，直接影響到行車的安全性、舒適性、耐久性等，這與其疲勞有很大的關系。從上世紀60年代起，疲勞性能檢測是美國、德國、日本的研究及橋面鋪裝規范中所涉及的檢測項目之一[1]。國外對鋼橋面鋪裝用的環氧瀝青混合料的疲勞性能研究開展的較早，C.T.METCALF等[2]和F.F.FONDRIEST等[3]均采用復合梁對環氧瀝青混合料進行了彎曲疲勞試驗，并以普通瀝青混合料為對比，得到環氧瀝青混凝土在抗疲勞性能方面遠優于普通瀝青混凝土的結論；W.HAIFANG[4]提出基于間接拉伸試驗的黏彈性分析瀝青混合料疲勞性能；K.A.GHUZLAN[5]用耗散能方法來分析瀝青混合料疲勞特性，然而這些方法所選取的因素太少，不足以從全方面反映環氧瀝青混合料的疲勞性能。

環氧瀝青國產化之后，國內專門針對橋面鋪裝層進行的疲勞性能方面的研究陸續開始，黃衛等[6]利用復合梁進行了大量的應變控制的疲勞試驗，試驗中以應變量為變量，且應變量都在很小的范圍內<200 εμ，認為國產環氧瀝青混合料疲勞性能優異；并對鋼橋面鋪面結構層進行了多方面的力學分析佐證了這一結論，從靜態的力學分析角度探討了鋪裝層裂縫產生的原因，并給出了簡單的預防措施；然而影響瀝青混合料疲勞性能的不僅僅在于應變量，還包括瀝青用量、空隙率、施工質量等等。根據作者此前的研究，環氧瀝青混合料施工要求嚴苛，鋪面的空隙率和質量主要受攤鋪等待時間的影響[7]，再者在大型鋼橋面的鋪裝中，瀝青面層的疲勞破壞主要源自受到鋼橋面底部帶來的彎拉應力，只有在上述幾種影響因素下的疲勞性能變化才有參考價值，因此提出環氧瀝青鋪面材料的疲勞行為的預估方程對橋面鋪裝的設計、施工和維護具有十分重要的意義[8]。為此，本次研究將從多因素全面設計的基礎上進行環氧瀝青混合料的疲勞性能研究。

1 試驗材料與前期

石料的選擇：粗集料(≥2.36 mm)與細集料(0.075～1.18 mm)都采用玄武巖，產地為江蘇溧陽，礦粉是由石灰石研磨而成，產地為浙江吉安，其表觀密度為2.788 g/cm3。集料的基本性能的測試結果見表1。

表1 集料性能指標

環氧瀝青選用美國ChemCo環氧瀝青，它曾成功的應用在SanMetreo和金門大橋上[9]，具有廣泛的代表性。瀝青混合料級配范圍選取南京長江二橋用級配，通過篩分出級配中值用于試驗，這種級配在我國后來的許多新建大型鋼橋的橋面鋪裝上均有應用[10]，級配如表2。

表2 環氧瀝青混合料級配

混合料制備過程如下：瀝青B組分(瀝青與固化體系的混合物)加熱至115 ℃備用，A組分(環氧樹脂)加熱至90 ℃備用，石料保溫130 ℃，環氧瀝青混合料拌和溫度為120 ℃，AB組分在拌鍋內混合，礦粉常溫加入。

每個瀝青用量下成型馬歇爾試件3個，按規程進行馬歇爾試件體積計算。不同瀝青用量下的混合料體積參數與馬歇爾試驗結果如表3。

表3 不同瀝青用量對應的空隙率

2 疲勞試驗

2.1 試件的成型與小梁試件的力學特征

依據我國規范[11]選取了輪碾法成型混合料試件，使用車轍試驗模具，尺寸為：300 mm×300 mm×50 mm，然后進行切割，切割成小梁尺寸為200 mm×50 mm×50 mm，誤差為±2 mm。通過MTS-810試驗機，使用中點加載模具，圖1為夾具和施加應力示意圖。由于不同瀝青用量(Pa)和不同攤鋪等待時間(T1)下的混合料的性質是不一樣的，試驗對不同影響因素的小梁進行單次最大彎拉應力測試，試驗環境溫度為15 ℃。

圖1 中點加載疲勞試驗夾具和力學示意Fig.1 Fatigue test fixture of midpoint load and its mechanic schematic diagram

首先通過其抗彎拉強度可計算出其抗彎拉應力σ，再進行不同應力比下的疲勞試驗。除考慮應力比外，還加入瀝青用量和攤鋪等待時間來表征影響其疲勞性能的變量。參數中Pa表示瀝青用量，Tw表示攤鋪等待時間，下同。最大彎拉應力試驗結果如表4。

表4 不同內部影響因素下的瀝青混合料小梁力學特征

Table 4 Mechanical characteristics of epoxy asphalt mixture beam under influence of different internal factors

瀝青含量Pa/%Tw/min最大壓力PB/kN抗彎拉應力σ/MPa跨中撓度d/mm最大彎拉應變ε/(×10-3)彎曲勁度模量SB/MPa5．004．3410．4160．17521．31407926．94304．3610．4640．17331．29988050．78604．4510．680．17881．34107964．21904．119．8640．16111．20838163．871203．237．7520．15321．14906746．746．004．5510．920．21221．59156861．45304．5310．8720．23281．74606226．8604．6211．0880．22151．66136674．49904．149．9360．19231．44236889．241203．187．6320．18251．36885575．897．004．1810．0320．25221．89155303．73304．2310．1520．26141．96055178．27604．2210．1280．25231．89235352．36904．019．6240．21131．58486072．881203．167．5840．20041．50305045．918．004．1810．140．27661．89154303．73304．2310．320．27141．96054278．27604．2210．420．27131．89234252．36904．019．380．25231．58484572．881203．167．180．22511．50304145．53

分析表5中的彎曲勁度與瀝青用量、攤鋪等待時間的關系，可繪制出圖2、圖3的關系。

圖2 勁度模量隨瀝青用量變化Fig.2 Stiffness modulus changing with asphalt content

圖3 勁度模量隨攤鋪等待時間變化Fig.3 Stiffness modulus changing with paving waiting time

從圖2、圖3可以看出，勁度模量SB與瀝青用量有著很好的線性關系，但與攤鋪等待時間的變化的關系并不是很明顯，總體略呈下降趨勢。

應力疲勞試驗方案：我國規范[11]中容許拉應力指標采用的是15 ℃的參考值，參照國內外的研究成果，本次小梁彎曲疲勞試驗采用15 ℃作為試驗溫度；加載頻率為10 Hz，半正弦波。荷載大小選取0.3，0.5，0.7 三個倍數作為試驗變量，即指σt/σ。

選取4種瀝青用量，即5%，6%，7%和8%；另外對于環氧瀝青，攤鋪等待時間是特別需要重視的因素，它影響著環氧瀝青混合料的路用性能，也是一個綜合指標[12]。另外空隙率在許多研究中都被列為了一個影響因素，但在礦料級配一定的情況下，空隙率的形成主要由瀝青用量和施工質量決定的，攤鋪等待時間能夠綜合反映施工質量，所以在本次環氧瀝青混合料的研究中不單列空隙率作為一個影響因素。

試驗采用全面設計，全面設計表見表5。接下來的敘述中，將應力比范圍0.3～0.7倍，瀝青用量范圍5%～8%，以及攤鋪等待時間范圍0～120 min，總稱為“既定條件范圍”。

表5 全面設計

疲勞破壞判斷標準為：小梁完全斷裂，即MTS傳感器中力的數值出現大幅下降的時刻為止。

2.2 疲勞試驗結果

由于是模擬大型鋼橋面的鋪裝，采用的是應力控制，再者混合料小梁的穩定度很高，說明其具有很大的剛度，故疲勞試驗結束條件選取以梁的完全斷裂為標準。從圖4可以清晰的看出，試驗結束后小梁已完全破壞，并且表現出十分剛性的破壞。

圖4 小梁疲勞破壞正面Fig.4 Front view of beam fatigue crack

根據既定設置，記錄整個試驗過程的混合料疲勞破壞次數，試驗數據如表6。

表6 疲勞試驗結果

Table 6 Results of fatigue test

3 試驗結果的分析與疲勞行為方程

3.1 單一因素的影響

根據試驗結果，分別按3個應力比、4個瀝青用量和5個攤鋪等待時間與疲勞次數(Nf)的單對數做散點關系圖，并采用最小二乘法對各個指標與疲勞次數的關系進行了多項式、冪函數、指數函數以及對數函數的曲線擬合，得到最大的曲線相關系數的曲線分別如圖5。

圖5 疲勞壽命(對數)的變化曲線Fig.5 Curve of fatigue life (logarithm)

雖然3個曲線的相關系數并不是很高，但這是由于同一橫坐標下的變量過多造成，故這并不影響曲線的擬合的大致走勢，若將數值取平均，會得到較好的相關系數。從上面3條曲線可以看出，疲勞壽命的以10為底的對數與應力比呈冪函數關系，與瀝青用量、攤鋪等待時間都呈指數關系，則疲勞壽命也與之呈相應的關系，則可初步判斷其疲勞壽命隨應力比增大而減小，隨瀝青用量的增大而增大。值得注意的是，圖7中，存在一個最佳的攤鋪等待時間tx，在這個時間點之前，疲勞壽命基本變化不大，越過某個特定的時間點tx之后隨攤鋪等待時間的增大而減小。關于tx的研究，研究者在文獻[7]中有較為詳細的論述。

3.2 疲勞方程的回歸

對比J.HARVEY等[13]對控制應變疲勞試驗結果得到的回歸方程，其方程在單因素(瀝青用量、空隙率和應變大小)下的擬合關系分別為指數、指數、冪的關系，與本次研究得到的關系類似，基于此將由本次研究的3種單因素整合到一個公式中進行多維擬合，建立如式(1)的回歸方程：

(1)

式中：x1,x2,x3,x4,x5分別為待定的參數；Nf為疲勞壽命，次；σt/σ為應力比，無量綱；Pa瀝青用量，%；e為自然對數。

將表6的研究結果中所有數據輸入1stOpt編程軟件中，通過既定的回歸公式，擬合得到各個參數，在后來的研究中，實施證明此類方程是比較有效的預估混合料疲勞壽命的方程形式。結果如式(2)：

R2=0.931

(2)

式中:Tw為攤鋪等待時間，min。

可見瀝青混合料疲勞壽命與應變水平、瀝青用量以及攤鋪等待時間有較好的相關性，總體而言，在“既定條件范圍”內，應力比越小，瀝青用量越大，攤鋪等待時間不超過某個特定的值則疲勞壽命越長。式中的相關系數較高，這是由于Harvey在選取方程式經過了回歸細化，將相關因素的取值范圍作了一定的限定，且在多因素綜合影響下，多組數據達到此消彼長的效果，相關度會相對提高。

4 行為方程的驗證

作為疲勞行為方程，就應該具有預估疲勞的功能。由于筆者進行的試驗量即小梁疲勞試驗僅在100余次，為驗證其準確性和一般性，以下按同樣的方法成型小梁，設計了12組非常規點(其中包括7組超出“既定條件范圍”)作為疲勞方程的驗證試驗，試驗條件、參數和驗證結果如表7。

表7 驗證試驗結果

Table 7 Verification of test results

編號超出方程驗證范圍σt/σPa/%Tw/min彎曲勁度模量SB/MPa計算疲勞次數NfC/次實測疲勞次數NfT/次計算值與實測值之差δ=NfC-NfT/次差率V=δ/NfCA1Exceeded0．064．1126926．94348147．1>106——A2Exceeded0．104．3258050．78115157．1>106——A3Exceeded0．234．8357964．2121027．5252604232．490．17A4Not0．355．8556363．878949．96230-2719．97-0．43A5No0．426．4616146．746445．56240-205．52-0．03A6Not0．486．2686461．454538．74720181．280．04A7Not0．556．3706226．803437．63560122．330．03A8Not0．677．2855374．492353．72100-253．7-0．12A9Exceeded0．829．21053189．241805．8560-1245．88-2．22A10Exceeded0．939．41153275．891339．810-1329．83-132．98A11Exceeded0．907．8764303．731495．0120-1375．06-11．45A12Exceeded0．177．7564926．9451126．0>106——

從表7的差率值可以看出，大部分超出了“既定條件范圍”(應力比范圍0.3～0.7倍，瀝青用量范圍5%～8%，以及攤鋪等待時間范圍0～120 min)的小梁疲勞壽命與計算值相差很遠，僅有黑體字表示的A3號試件驗算結果尚可接受。這是由于在很低(﹤0.2)的應力比和較高的瀝青用量的情況下，環氧瀝青混合料的疲勞性能十分優異，MTS試驗機極限疲勞加載次數為保護儀器而不允許過高的數值，使得環氧瀝青混合料的室內疲勞壽命根本無法測得，并且瀝青用量如果太高也會超出混合料的空隙率下限；其次，在應力比很高(>0.8)的情況下，試驗機與夾具之間的應力集中會導致具有高模量的環氧瀝青混合料發生瞬間脆斷，而這種脆斷不屬于疲勞破壞的范疇；相反，沒有超出“既定條件范圍”的小梁試件的疲勞試驗具有很好的復現性。

綜合以上驗證的情況可以看出，若將其方程推廣開來，需進行如下的限定，即式(2)仍只適用于“既定條件范圍”之內的疲勞次數預估。

5 結 論

1)環氧瀝青混合料具有很高的勁度模量，經過初步試驗亦驗證了應變控制疲勞試驗是不可取的。

2)環氧瀝青混合料小梁的力學性質方面，抗彎拉應力與瀝青用量的變化的關系不顯著，勁度模量SB與瀝青用量有著很好的線性關系。

3)提出了3個影響疲勞性能的因素，疲勞壽命與應力比、瀝青用量以及攤鋪等待時間，他們與疲勞性能的關系分別為：隨應力比增大而減小，隨瀝青用量的增大而增大，越過某個特定的時間點tx之后隨攤鋪等待時間的增大而減小，其10為底的對數與3個因素分別呈冪函數，指數和指數關系。

4)多維擬合后的疲勞行為方程為Nf=2.412×102.442×e0.144Pa-0.007T1×(σt/σ)-2.044，并經過驗證，此方程的適用范圍為應力比在0.3～0.7以內，瀝青用量在5%～8%以內，以及攤鋪等待時間在0～120 min以內。

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Research on Fatigue Behavior of Epoxy Asphalt Mixture

HUANG Ming1, 2

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

Taking American ChemCo epoxy asphalt mixture for example, the mixture was designed according to the Marshall Design method. The fatigue test was completed by universal material testing machine MTS-81 and the beam mechanic characteristics of asphalt mixture were tested. The variation law of fatigue performance of epoxy asphalt mixture was analyzed from 3 influence factors, including asphalt content, paving waiting time and stress ratio. Finally, a fatigue behavior equation of epoxy asphalt mixture was regressed. The results show that the relationship between the fatigue life and asphalt content, paving waiting time and stress ratio three factors is as follows: fatigue life decreases when the stress ratio increases; it increases when the asphalt content increases; it decreases when the waiting time increases after passing a particular time point. The logarithm of the fatigue life taking 10 as bottom presents as a power function, index and index relationship with the three factors respectively. The equation turns out after multi-dimensional fitting. Through verification, the equation can be applied when the stress ratio is between 0.3 ～ 0.7, the asphalt content is between 5% ～ 8% and the paving waiting time is within 0～120 min.

highway engineering; epoxy asphalt mixture; beam tests; fatigue behavior

2014-12-01；

2015-03-04

住房和城鄉建設部科學技術計劃項目(2014-K1-025)；上海市政總院科研項目(K2014K028)

黃 明(1985—)，男(侗族)，湖北恩施人，高級工程師，博士后，主要研究方向為新型道路路面材料和結構的研發與評價。E-mail:huangming@smedi.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.09

U414

A

1674-0696(2016)01-046-05