復合改性澆筑式瀝青混合料疲勞性能分析

張代平

(廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

鑒于獨特的結構形式和良好的路用性能，澆筑式瀝青混合料在國外橋面鋪裝結構中得到了廣泛的應用。與普通瀝青混合相比，澆筑式瀝青混合料具有“三高”特點，即瀝青含量高、填料和細集料含量高及拌合溫度高，其特殊結構性質保證了結構空隙率<1%。近年來，我國也逐漸在大型橋面鋪裝結構中開始應用澆筑式瀝青混合料，如上海東海大橋、重慶菜園壩長江大橋等。由此針對GA瀝青混合料的研究也逐漸重視起來，楊錫武分析了CRP與SBS復合改性瀝青的基本性能，為GA瀝青混合料配合比設計提供了基礎[1][3]；張華等人研究了澆筑式瀝青混凝土疲勞損傷過程，針對其破壞過程建立了預估疲勞方程[2]。

結合工程實踐現狀，GA瀝青混合料的應用仍存在一定的問題，如在重載交通下，山東勝利黃河大橋橋面局部出現了網狀裂縫和橫、縱裂縫；應用該技術較早的江陰長江大橋，早期也出現了一系列的病害問題。因此，本文通過采用四點彎曲疲勞試驗分析了復合改性瀝青類型、油石比、應變水平及拌合溫度等主要因素對勁度模量、加載次數、滯后角及耗散能指標的影響，為實體工程應用提供技術支持。

1 試驗材料及方案

1.1 原材料選擇

澆筑式瀝青混合料具有較高的瀝青含量，在高溫條件下需具備良好的流動性、和易性，瀝青膠結料的性能、類型對混合料性能具有重要的貢獻。文中選擇國內常用的瀝青為基礎(30#70#基質瀝青)，選用天然湖瀝青(TLA)和SBS改性劑對其復合改性，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)[4]進行檢測，其技術指標見表1和表2，同時選擇德國生產PMB25作為對比產品，其性能技術指標均滿足要求；粗集料選用質地堅硬、性能穩定、強度高的玄武巖(礦料加熱達到280 ℃～330 ℃，對原材料的耐熱、耐高溫性能要求較高)，細集料選擇石灰巖水洗機制砂，其測試結果見表3和表4。

表1 30#70#瀝青性能檢測結果對比表

表2 TLA技術指標表

表3 集料技術指標表

1.2 試驗方案

(1)GA復合改性瀝青最佳配比。通過利用軟化點、針入度、延度及黏度指標分析基質瀝青、TLA及SBS改性劑用量變化對GA復合改性瀝青性能的影響，提出了基于30#、70#基質瀝青的兩種合理配比，即AH30#+TLA+SBS(69%+25%+6%)和AH70#+TLA+SBS(60%+35%+5%)。

(2)GA-10級配設計。鑒于國內對澆筑式瀝青混合料研究較少，混合料級配設計方面尚無完善的技術標準，文中參照德國、日本和俄羅斯等國家對GA瀝青混合料的標準級配設計范圍[5][6]，結合GA的結構特點(典型的懸浮密實結構，粗集料偏少、細集料多，瀝青含量大，空隙率<1%)，確定了GA-10澆注式瀝青混合料合成級配(見表4)。

表4 GA-10級配組成表

(3)試驗方法。文中考慮GA瀝青混合料結構特性，選擇對瀝青膠結料敏感性顯著的小梁四點彎曲試驗方法對其進行疲勞性能檢測，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)進行試驗。采用UTM-100電動液壓伺服試驗機，采用正弦波應變控制模式，頻率10 Hz，溫度15 ℃，試件標準尺寸為385 mm×65 mm×50 mm。通過加載次數、應變值、勁度模量、耗散能等指標對GA瀝青混合料疲勞性能進行分析。

2 試驗結果分析

2.1 瀝青含量對勁度模量的影響變化

瀝青用量對GA瀝青混合料空隙率、流動和易性具有重要作用，關系到整個橋面結構層的使用壽命。試驗選擇采用油石比8.0%、8.5%和9.0%，應變水平600μ，試驗結果見圖1。

動態勁度模量反映了行車過程中瀝青路面結構抵抗變形和荷載的能力，其值越大表明相同條件下瀝青路面的應力與應變比值越大，承受荷載越大，應變變形降低[7]。圖1顯示了3種不同瀝青用量下勁度模量與加載次數關系曲線，分析可知：

(a)

(b)

(c)圖1 不同瀝青用量下勁度模量試驗結果變化曲線圖

(1)油石比變化對勁度模量具有較大影響，隨著油石比增加，初始勁度模量呈下降趨勢。初始勁度模量表征了瀝青混合料未受車輛荷載作用時的應力-應變初始狀態，隨著瀝青用量的增加，達到50%初始勁度模量的疲勞破壞壽命相應地延長，但超過最佳瀝青用量時，疲勞作用次數逐漸降低。如AH70#瀝青，油石比8.0%、9.0%時的初始勁度模量值分別為9 453 MPa、8 154 MPa，達到50%破壞時的加載次數分比為6.25×105和10×105，而油石比在8.5%時的疲勞作用次數為12×105。同樣，對于AH30#瀝青，油石比8.0%、8.5%和9.0%時的初始勁度模量值分別為8 734 MPa、8 345 MPa和7 986 MPa，疲勞作用次數分別為5×105、11×105和10×105。

(2)AH70#+TLA+SBS瀝青的GA疲勞特性最佳，AH30#+TLA+SBS次之，PMB25的最差。說明采用硬質瀝青TLA+SBS復合改性的GA瀝青混凝土的勁度模量值遠高于德國產品，抵抗車輛荷載和路面變形的能力優于其他產品。

2.2 應變水平對勁度模量的影響變化

瀝青路面結構豎向位移反映了荷載反復作用下的局部車轍變形與整體結構彎曲，室內試驗采用應變控制模式，表征GA瀝青混合料發生豎向彎曲的變形程度，研究采用應變水平600μ、800μ、1 200μ、1 400μ進行分析，試驗結果見圖2。

(a)

(b)

(c)圖2 不同應變水平下勁度模量試驗結果變化曲線圖

圖2描述了3種GA瀝青混合料在不同應變水平下，勁度模量與加載次數變化曲線，分析可知：

(1)勁度模量隨應變水平的增加而下降，且隨疲勞破壞次數增加，不同應變水平的勁度模量值差異性變大。說明隨著應變水平增加，劣化了GA瀝青混合料的疲勞壽命，對于橋面鋪裝結構，GA瀝青混合料在車輛荷載反復作用下逐漸發生彎曲破壞，試驗控制應變水平大小代表GA瀝青混合料初始荷載作用下的彎曲變形程度，該彎曲變形程度越大，GA瀝青混合料的疲勞壽命也越短，表現出疲勞作用次數的下降。如AH70#瀝青，應用水平600μ和1 200μ，初始勁度模量分別為9 453 MPa和9 155 MPa，在加載次數4.5×105時，勁度模量值分別為5 120 MPa和4 358 MPa，且二者的疲勞壽命為6.25×105和4.5×105，相差約28%。

(2)不同瀝青類型下，應變水平對勁度模量的影響程度也不相同，AH70#瀝青GA瀝青混合料受應變水平影響顯著，(與應變水平600μ相比)破壞時的勁度模量劣化8.7%，疲勞壽命降低了28%；AH30#瀝青的勁度模量和疲勞次數降低了0.6%和20%。

2.3 應變水平對累積能耗的影響變化

(a)

(b)圖3 不同應變水平下累積耗散能試驗結果變化示意圖

圖3顯示了GA瀝青混合料初始能耗、累積能耗隨應變水平的變化情況，由此可知：

(1)GA瀝青混合料初始能耗隨應變水平的增加呈線性增加趨勢，累積能耗呈線性下降趨勢，且應變水平對能耗的影響程度與瀝青膠結料類型有關，其中PMB25AH30#瀝青初始能耗變化幅度較為顯著，AH70#瀝青的累積能耗劣化顯著。如應變水平1 400μ時，AH70#、AH30#和PMB25瀝青的初始能耗值分別提高了9.9%、24.2%和23.0%，累積能耗值分別降低了92.0%、59.8%和52.4%(與應變水平600相比)。

(2)累積耗散能隨應變水平的增加而顯著下降，應變控制較小時(GA瀝青混合料初始彎曲變形較小)疲勞作用次數延長，累積壽命增加，瀝青混合料的累積耗散能自然也多，提高了瀝青混合料彎曲變形，試驗結果顯示達到破壞狀態時的疲勞作用次數下降，累積耗能降低[8]。因此，GA瀝青混合料鋪筑橋面結構，應變水平的變化與實際橋面結構的變形相一致，為提高橋面鋪裝結構的疲勞壽命，則應降低荷載作用下橋面的結構變形，適當提高橋面剛度。

3 結語

(1)瀝青用量對GA瀝青混合料的勁度模量和疲勞加載次數指標存在顯著影響，隨瀝青用量增加，勁度模量呈下降趨勢，破壞時的疲勞加載次數呈先增加后下降的趨勢。合理的最佳瀝青用量有助于提高GA瀝青混合料的抗疲勞特性。

(2)隨應變水平的增加，GA瀝青混合料的勁度模量呈冪函數下降趨勢，累積耗散能呈線性函數關系下降，破壞時的加載次數顯著降低，嚴重劣化了混合料的疲勞壽命。同時，建議提高鋼橋面鋪裝結構的剛度或嚴禁過大荷載作用來降低GA結構的彎曲變形，以延長其疲勞壽命。

(3)瀝青膠結料的類型對GA瀝青混合料的抗疲勞特性也存在較大影響，AH70#+TLA+SBS瀝青勁度模量和破壞疲勞加載次數值高于AH30#+TLA+SBS和PMB25，其抗疲勞特性最佳，AH30#+TLA+SBS次之，PMB25的最差。