軟基殘余沉降區高彈瀝青抗疲勞性能分析

唐佑綿，范海琪，劉書君，3，呼金勇

(1.廣東省路橋建設發展有限公司，廣東 肇慶 526442；2.新疆農業大學交通與物流工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；3.干旱荒漠區公路工程技術交通行業重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830000；4.廣東交通集團檢測中心，廣東 廣州 510550)

0 引言

軟土路基上的鋪面工程或其他淺層加固工程都會受到土基沉降的影響而產生諸如開裂、波浪型起伏等病害，由此可能帶來坑槽、沉陷和唧泥等次生病害。當沉降量超過規范給出的極值時將顯著提高道路安全行駛風險和維護成本[1]。通常我們所說的沉降是工后沉降，即路基鋪筑完成后產生的沉降，也稱“殘余沉降量”[2]。從表現變化上來看，殘余沉降主要表現為不均勻沉降，這種差異沉降會在路面結構內部產生較大的附加應力，當差異沉降達到足夠大時所產生的附加應力將大于路面移動荷載作用下的應力。張嘉凡等[3-7]提出當差異沉降值超過2 cm時，水穩基層底面將由于拉應力過大而破壞；隨著瀝青層厚度增大，瀝青層底附加彎拉應力和剪應力將呈線性函數增加；隨著差異沉降的增加，路面結構層與下部路基之間將產生脫空從而引發縱向開裂，且多見于重車所在的慢車道并沿外側輪跡帶分布。對于殘余沉降所引起的路面開裂問題，國內外學者大多傾向于運用線彈性斷裂力學來分析路面開裂機理。鄭健龍等[8]提出路基承載力下降和非均勻沉降將導致半剛性路面單一的縱向和橫向直線型裂縫或者塊裂；重荷載并非馬上觸發縱向裂縫擴展，而由于重荷載的常年作用導致土基的沉降量增加，當達到一定值的時候才使裂縫擴展，同時縱向裂縫擴展還與路面結構的受力狀態有關，如果路面的側向位移受到較好的限制可防止縱向裂縫的擴展。

從以上綜述可知，軟基殘余沉降區路面縱向裂縫處治的關鍵是瀝青層能承受荷載-附加應力疊加作用下的彎拉疲勞作用?，F有關于軟土路基地段路面開裂的研究大部分在關注開裂形成機理、影響因素與軟基加固等方面[9]。然而，軟基加固的成本較高，對既有交通影響較大，且較適用于新建路面需短期控制沉降的路段，對于殘余沉降不斷收斂的路段而言效果并不明顯。現有對縱向裂縫的處治方法大部分采用熱瀝青灌縫和貼壓縫帶的方法，顯然該方法并不適應沉降附加應力狀態下的疲勞作用，處治后的路面在短時間(一般為2個月)內便失效，而用SBS瀝青重鋪的瀝青路面一年后也會產生裂縫?；谝陨媳尘氨狙芯刻岢鰬酶邚棡r青混凝土抗疲勞性能處治軟基殘余沉降區縱向開裂問題的思路，并通過室內試驗和試驗路來驗證高彈瀝青及混合料的抗疲勞開裂效果。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次試驗所用的瀝青均為佛山殼牌瀝青有限公司提供。其中高彈瀝青由70#基質瀝青添加一定比例的有機酯類化合物鄰苯二甲酸二辛酯(Dioctyl Phthalate)來增強基質瀝青的塑化性，以及少量的交聯劑(硫)和SBS改性劑(約30%苯乙烯)；SBS I-D瀝青是廣東地區最常用的筑路瀝青品種，在I類A、B、C和D等4種瀝青中其軟化點最高，延度指標最低，因此常被用于瀝青路面上面層以改善瀝青路面在高溫狀態下的抗車轍性能。在本研究中SBS I-D瀝青被定義為控制組(Control Group Asphalt)，簡記為CGA，用于對照高彈瀝青的性能，高彈瀝青(High Elasticity Asphalt)簡記為HEA。

1.2 常規性能指標與測試方法

常規性能指標(和相應的測試方法)包括針入度(T0604)、延度(T0605)、軟化點(T0605)、布氏黏度(T0625)、閃點(T0611)、溶解度(T0607)、25 ℃彈性恢復(T0662)和貯存穩定性離析48 h軟化點差值(T0661)，以及旋轉薄膜烘箱短期老化(T0610)后殘留物的質量變化、針入度25 ℃和延度5 ℃，測試方法與流程參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)[10]進行操作。在以上測試中延度與彈性恢復率指標是主要關注的對象，從表觀力學性能上來說，這兩項指標通常決定了瀝青的粘彈性性能。

1.3 瀝青的流變性能與測試方法

使用SHRP動態剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer)來測定瀝青在不同溫度和旋切頻率下的動態剪切模量和相位角，測試樣品包括原樣瀝青和短老化后的瀝青[10]。試驗溫度依次范圍為5 ℃～85 ℃，誤差精度<±0.1 ℃；加載頻率為10 rad/s±0.1 rad/s的正弦波，加載方法為采用應變控制荷載，其目標應變值如表1所示。試驗的結果主要包括復合模量(Complex Modulus)G*(kPa，取絕對值)和相位角(Phase Angle)δ(精確至0.1°)。

表1 加載應變目標值表

基于試驗數據和CAM模型可以生成G*主曲線[11，12]，見公式(1)。瀝青結合料DSR試驗設計見表2。

(1)

式中，μ——瀝青結合料的泊松比；

ωc、v、w——CAM模型中的擬合參數。

表2 瀝青結合料DSR試驗設計表

注：(3)中的數字為試驗試件數量。轉動頻率(rad/s)：1.000，1.586，2.515，3.980，6.309，10.000，15.840，25.120，39.810，63.090，100.00；應變范圍：0.000 2～0.000 8

1.4 瀝青混合料抗疲勞性能

本研究采用四點彎曲疲勞試驗機測定瀝青混合料承受重復彎曲荷載的疲勞壽命。在本研究中為了降低集料與級配對試驗結果的影響，集料統一采用玄武巖，級配為典型AC-13密級配，設計配合比如表3所示，油石比由馬歇爾試驗(浸水馬歇爾試驗)、車轍動穩定度試驗等確定，限于篇幅具體試驗過程在此省略。試驗溫度為15 ℃，誤差精度±0.5 ℃；加載頻率10 Hz，誤差精度±0.1 Hz，加載波型為偏正弦波。測試裝置為澳大利亞IPC公司UTM-130系統，試驗所需試件需預先制作，每組3個，并在環境箱中養生4 h以上。由于IPC公司四點彎曲試驗模塊中沒有我國的規范，因此試驗規程參照AASHTO T321[13]進行。

表3 AC-13瀝青混合料設計配合比表

1.5 試驗路概況

試驗段位于廣東省佛山市境內，公路所穿越地段原為魚塘，由上至下依次為沖洪積亞黏土、淤泥、中細砂交替層和殘積亞黏土。自2010年通車后開始對該路段進行沉降觀測，監測數據顯示該路段沉降尚未完全穩定，KZ2點觀測點處的沉降較為典型，沉降變化如圖1所示。由圖1可知，在通車后500 d內，路面的沉降非常大，累積約40 cm；其后路面的沉降雖在繼續加大但變化的幅度明顯收窄。此外，觀察發現路面沉降受雨、旱季交替影響，但年均振幅均未超過3 cm。為保證路面原有線型與斷面幾何尺寸，通車后不斷在路段進行銑刨加鋪，因此，該路段瀝青層較厚(通常>30 cm)。該路段常見病害為不均勻沉降產生路面跳車和縱向裂縫，但跳車的發生率較公路開通初期已有大幅下降。為了驗證高彈瀝青的抗疲勞效果，我們選取120 m路段，該路段縱向裂縫發育成熟，將此試驗段分成兩部分，各60 m，一部分仍鋪筑SBS改性瀝青混凝土，另一部分則使用高彈瀝青混凝土，用以對比兩種瀝青混合料的抗疲勞開裂效果。

圖1 累積沉降觀測值曲線圖

2 試驗結果分析

2.1 瀝青常規性能對比

經過上述力學性能試驗，得出的試驗結果如下頁表4所示。

表4 高彈瀝青與控制組常規性能指標對比表

注：“-”為空白

由表4可知，在未老化前，除軟化點指標外，高彈瀝青的各項指標均優于控制組；在經過RTFOT老化后瀝青的各項性能指標均有所下降，但高彈瀝青仍優于控制組。從延度指標來看，老化前后高彈瀝青較控制組分別高55.9%和56.6%；從彈性恢復率指標來看，老化前后高彈瀝青較控制組分別高16%和16.8%；從軟化點指標來看，兩者之間的差值在6%以內，對瀝青高溫穩定性不會造成顯著的影響。因此，從試驗得出的基本性能指標上來說，高彈瀝青具備更強的延伸性和彈性，具備抵抗更大應變和疲勞荷載長期作用的潛力。

2.2 瀝青的流變性能對比

高彈瀝青與控制組復合模量G*的試驗結果在圖2、圖3列出。︱G*sinδ-1︱的對比情況在圖4中列出。

圖2 復合模量比較(原樣)曲線圖

圖3 復合模量比較(短期老化)曲線圖

圖4 ︱G*sinδ-1︱比較曲線圖

由圖2、圖3可知，原樣瀝青的復合模量隨溫度的升高而降低，經過RTFOT短期老化后，復合模量值均有所下降且他們之間的差值減小了，但其變化趨勢并未發生改變。當溫度較低時(5 ℃～20 ℃)，控制組的復合模量要大于高彈瀝青；當溫度較高時(60 ℃以上)，控制組的復合模量則低于高彈瀝青。復合模量的試驗數據表明：高彈瀝青相較于控制組在低溫時更具“彈性”，并且在溫度不斷上升的過程中，其“彈性”的衰減幅度低于控制組；在高溫狀態，高彈瀝青的“勁度”更強，即結合料的抗旋切能力更強，這有助于提高瀝青混合料的高溫穩定性。

由圖4可知，高彈瀝青的︱G*sinδ-1︱較控制組的小，說明高彈瀝青的抗疲勞性能優于控制組。︱G*sinδ-1︱值隨溫度的升高而降低，其趨勢基本與復合模量相同；老化后瀝青的︱G*sinδ-1︱升高了，說明其抗疲勞性能隨著老化而下降。

2.3 瀝青混合料疲勞性能對比

在疲勞荷載的作用下試件將因達到疲勞破壞循環次數而失效，通常來說是瀝青混合料的模量衰減至初始值的50%[14]。圖5所示加載循環次數與試件勁度模量之間的關系，當然，這里所說的勁度模量是依賴于加載頻率和加載時間模量值。由圖5可知，高彈瀝青混合料的疲勞壽命超過50 000次，控制組的疲勞壽命接近20 000次，兩者差值超過一倍，但初始的勁度模量值控制組略大于高彈瀝青混合料。兩種混合料的疲勞荷載作用下的力學特性也有較大差別，高彈瀝青混合料在疲勞荷載下的勁度模量發展過程大致分成兩個階段：在0～34 000次，試件的勁度模量始終保持在4 000～6 000 MPa之間；當超過35 000次時，試件的勁度模量快速下降，我們發現此時試件表面已有細裂紋，截面面積的削弱使試件抵抗變形的能力下降，并且在疲勞荷載的繼續作用下加速破壞?？刂平M的勁度模量值發展與之類似，但疲勞壽命的次數要小得多，在加載次數達到8 000次時，試件的勁度模量值陡然下降并快速失效。試驗表明：高彈瀝青混合料較控制組有更好的抗疲勞性能，具備承受長期彎拉疲勞荷載作用的能力。

運用最小二乘法對試驗數據進行擬合，可得到混合料勁度模量與疲勞壽命的函數關系，記勁度模量為S(kPa)，疲勞壽命為L(次)，高彈瀝青混合料如公式(2)所示，控制組如公式(3)所示：

SHEA=-4×10-11L3+2×10-5L2-3.03L+6×106

(2)

SCPA=-1×10-10L3-0.000 1L2+6.503 8L+6×106

(3)

公式(2)擬合后的相關系數R2為0.945 7，公式(3)的相關系數R2為0.989 2，擬合的效果良好；公式(2)和公式(3)表明，瀝青混合料的彎拉勁度模量隨加載次數呈3次函數遞減。考慮到路面所處的環境較實驗室惡劣，諸如太陽輻射、溫度變化、雨水沖刷和超載車輛作用，因此當路面出現細裂縫時將會加速破壞[15]，實際的疲勞壽命應當是第一次出現細裂縫時的加載次數，即高彈瀝青混合料為35 000次，控制組約為6 500次，該加載次數為有效的疲勞壽命，則高彈瀝青混合料的有效疲勞壽命約是控制組的5.4倍。

圖5 高彈瀝青與控制組疲勞壽命測試對比曲線圖

3 試驗路實測效果

試驗段于2016年12月鋪筑完成。攤鋪前先銑刨4 cm，然后使用噴灑SBS改性乳化瀝青作為粘層，瀝青混凝土均由佛山同一拌合站出料，控制組的油石比為5.4%，高彈瀝青為5.5%。攤鋪溫度170 ℃～175 ℃，膠輪壓路機保證壓實4遍。經過一年時間的實際使用效果，高彈瀝青路面仍然完好，未出現開裂，而SBS改性瀝青路面已經出現了新的縱向裂縫。

4 結語

(1)短期老化前后高彈瀝青的延度與彈性恢復率均高于控制組，其他指標相差不大，說明高彈瀝青較常用SBS改性瀝青有更好的粘彈性。

(2)在低溫狀態下高彈瀝青的復合模量較控制組低，在高溫狀態下高彈瀝青的復合模量則更高，短期老化后其趨勢不變，但他們之間的差值減小了；動態剪切流變試驗表明，高彈瀝青在低溫下有更好的“柔性”以及有更好的高溫穩定性。

(3)短期老化前，高彈瀝青︱G*sinδ-1︱值小于控制組，表明高彈瀝青較控制組有更好的抗疲勞性能；老化后兩種瀝青的︱G*sinδ-1︱均上升，但趨勢沒有改變，表明抗疲勞性能隨短期老化而下降。

(4)高彈瀝青混合料的疲勞壽命約是控制組的2.8倍，有效疲勞壽命約是控制組的5.4倍；顯然高彈瀝青混合料較控制組有更好的抗疲勞性能；試驗段的實際使用性能驗證了其抗疲勞開裂性能較SBS改性瀝青更強。

本研究驗證了課題組的設想，性能實測表明高彈瀝青較普通的SBS改性瀝青更適用于對抗疲勞性能要求更高的軟基殘余沉降區路段，后續將進行跟綜觀測以確定高彈瀝青路面的實際疲勞壽命。

[1]魏 星，黃茂松.交通荷載作用下公路軟土地基長期沉降的計算[J].巖土力學，2009，30(11)：3342-3346.

[2]廖進星.高速鐵路松軟地基沉降控制與測試分析[J].鐵道工程學報，2013，30(3)：11-15.

[3]張嘉凡，張慧梅.軟土地基路基不均勻沉降引起路面結構附加應力[J].長安大學學報：自然科學版，2003，23(3)：21-25.

[4]黃永強，李海波，馬興峰，等.路基不均勻沉降對瀝青混凝土路面結構影響數值分析[J].公路工程，2012，37(5)：34-40.

[5]傅 珍，王選倉，陳星光，等.高速公路拓寬差異沉降對路面結構的影響[J].長安大學學報：自然科學版，2008，28(3)：36-39.

[6]翁效林，張 超，李常樂，等.差異沉降對路面結構附加變形影響的大比尺模型試驗[J].中國公路學報，2013，26(4)：1-6.

[7]陽恩慧，邱延峻，向可明.山區公路典型瀝青路面結構容許橫向沉降差研究[J].巖土力學，2010，31(10)：3329-3336.

[8]馮德成，田 林，曹 鵬.基于擴展有限元方法的路基不均勻沉降縱向裂縫分析[J].工程力學，2011，28(5)：149-154.

[9]田卿燕，高會強，錢尼貴，等.高速公路軟基縱向裂縫處治效果分析評價[J].中外公路，2017(4)：25-28.

[10]JTG E20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].

[11]Marasteanu，M.O，Anderson，D.A.Improved model for bitumen rheological characteriza-tion[C].European Workshop on Performance-related Properties for Bituminous Binders，1999.

[12]唐佑綿，劉 濤，劉書君，等.大溫差條件下瀝青結合料靜態、動態室內試驗性能研究[J].石油瀝青，2017，31(3)：17-23.

[13]AASHTO T321-2007，Standard Method of Test for Determining the Fatigue Life of Compacted Hot-MixAsphalt(HMA)Subjected to Repeated Flexural Ben-ding[S].2007.

[14]Ge Z，Huang M，Wang Y.Fatigue behavior of asphalt concrete beams reinforced by glassfibre-reinforced plastics[J].International Journal of Pavement Engineering，2014，15(1)：36-42.

[15]孫立軍.瀝青路面結構行為理論[M].北京：人民交通出版社，2005.