考慮自愈補償的再生瀝青疲勞性能分析

向 浩， 何兆益， 陳柳曉， 陳 龍， 楊德勝

(重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074)

疲勞性能是材料在重復荷載作用下抵抗破壞的能力.由于交通量的增加、重載超載的出現以及再生瀝青路面運用推廣等因素，疲勞破壞是目前再生瀝青路面出現最多的損壞類型之一.吳少鵬等[1]選取了4種應變值和4種應力值進行疲勞試驗，發現應變模式更適用于評價老化瀝青膠結料的疲勞性能.孫大權等[2]應用動態剪切流變儀，分析了粉膠比、溫度和應力對瀝青膠漿疲勞壽命的影響，并建立了考慮溫度影響的瀝青膠漿疲勞壽命預估方程.董瑞琨等[3]通過小梁疲勞試驗研究了11種瀝青混合料在考慮自愈補償后的疲勞性能，結果表明SBS改性瀝青混合料SBS-AC13在考慮自愈合前后均表現出最好的疲勞性能；橡膠瀝青混合料ARAC-13的自愈合性能最好，其疲勞自愈合能力與空隙率、級配均呈很好的相關性.黃衛東等[4]通過四點彎曲疲勞試驗，對SBS改性瀝青混合料疲勞自愈合能力的3類影響因素(混合料特性、荷載條件和自愈合條件)進行了系統研究，結果表明其疲勞自愈合效率與瀝青用量、自愈合時間成正比，與試件空隙率、破壞程度及應變量成反比.

目前中國對瀝青疲勞性能的研究雖然較多，但主要集中在基質瀝青或改性瀝青的疲勞性能影響因素、疲勞破壞判斷方法及疲勞方程推導等方面.涉及再生瀝青疲勞性能的研究相對較少，而考慮自愈補償的再生瀝青疲勞性能分析基本空白，因此現有研究成果起到的借鑒作用有限.同時，瀝青作為一種黏彈性材料，其受到剪切破壞后自愈恢復無時無刻不在發生，多方面研究已經證實這一現象的存在[5-6].在進行再生瀝青疲勞性能研究時若忽視自愈合的影響，就有可能造成疲勞特性測試結果與真實情況偏差較大[4].因此，為了更加準確地反映再生瀝青的疲勞性能，有必要在疲勞性能測試中考慮自愈補償.基于上述原因，本文配制了不同原瀝青老化程度及不同再生劑摻量的9種再生瀝青，借助動態剪切流變儀對比其考慮自愈補償前后的疲勞性能，分析自愈補償對其疲勞壽命的影響，以期為再生瀝青疲勞性能的研究提供參考.

1 試驗

1.1 試驗材料

原瀝青采用70#基質瀝青，各項技術指標均滿足規范要求.以70#基質瀝青為原料，采用旋轉薄膜加熱試驗(RTFOT)來模擬瀝青短期老化，老化85，170min的試樣分別以70#R85和70#R170表示；另外，采用壓力老化容器加速老化試驗(PAV)來模擬瀝青長期老化，試樣以70#P表示.基質瀝青和各老化瀝青的技術指標見表1.再生劑選用課題組自主研發的RA-2型再生劑，其技術指標如表2所示.再生瀝青編號在老化瀝青編號前加上字母Z表示.當再生劑摻量為老化瀝青質量的7%(質量分數wR，下同)時，再生瀝青的技術指標如表3所示.

表1 基質瀝青和老化瀝青的技術指標

表2 再生劑的技術指標

表3 再生瀝青的技術指標

1.2 試驗方法

試驗采用美國TA公司Discovery系列DHR-2型動態剪切流變儀，平行板尺寸為8mm，間距為2mm，加載頻率為10Hz，應變(ε)分別為3%，4%，5%，6%.

研究瀝青自愈合性能時，通常在疲勞加載過程中加入一定的間歇時間.按照間歇時間的加入方式，加載方式可分為間斷式加載和脈沖式加載[7].間斷式加載為“疲勞—愈合—疲勞”試驗，即在加載過程中只加入1次較長的間歇時間；脈沖式加載則在每個加載周期后均加入1個間歇時間.2種加載方式各有優缺點，相比較而言，脈沖式加載更符合路面實際情況，但存在試驗時間過長、加載頻率較高、相位角易發生變化等問題[8].本試驗結合2種加載方式的優點，并考慮可操作性，選擇在每50個加載周期后加入1個恒定的間歇時間，間歇時間tr分別為2，4，6，8s，加載溫度和間歇溫度均為25℃.

1.3 疲勞壽命評價指標

瀝青材料的疲勞壽命評價指標較多，如：動態剪切模量衰減到初始值50%時的加載次數Nf50、累積耗散能偏離無損直線20%時所對應的加載次數Np20、累積耗散能和疲勞因子G*·sinδ等.研究[2，9]表明：Nf50，Np20用于評價瀝青疲勞性能時均與加載方式無關，且兩者結果具有一致性；用累積耗散能作為評價指標進行冪函數回歸時，關系式的冪指數在應力控制模式下略大于1，而在應變控制模式下略小于1，且用累積耗散能來評價基質瀝青和改性瀝青時其疲勞壽命呈現不同的規律；疲勞因子G*·sinδ無法確定瀝青的疲勞壽命，因為疲勞因子G*·sinδ是疲勞試驗初始狀態的1個特征值，缺乏與重復荷載作用下的累積損傷發展過程的相關性，無法評價瀝青疲勞破壞過程.另外，考慮到Np20需采用耗散能理論進行分析，結果確定較為復雜，并且易產生誤差，因此本文選擇Nf50作為評價再生瀝青疲勞性能的指標.

1.4 自愈合評價指標

本文采用自愈合引起的疲勞壽命變化率作為再生瀝青的自愈合指標(healing index，HI)，用來評價再生瀝青的自愈合程度，其計算方法見式(1).疲勞壽命變化率是評價瀝青自愈合性能時運用較多的1個指標，可直觀反映由于自愈合的介入而引起的瀝青材料疲勞性能的變化程度[10].

(1)

式中：Nf-y為考慮自愈補償的疲勞壽命；Nf-n為未考慮自愈補償的疲勞壽命.

2 結果與分析

2.1 未考慮自愈補償的疲勞壽命

為保證結果的準確性，在同一條件下進行3組平行試驗，舍棄誤差值最大的試驗結果，選取誤差較小的2組數據取均值進行分析比較，該方法能剔除可能存在的受操作失誤影響的試驗數據，降低數據的變異性.未考慮自愈補償的再生瀝青疲勞性能試驗結果見表4.

表4 未考慮自愈補償的再生瀝青疲勞性能試驗結果

2.2 考慮自愈補償的疲勞壽命

考慮自愈補償后的再生瀝青疲勞性能試驗結果見表5.

表5 考慮自愈補償后的再生瀝青疲勞性能試驗結果

由表5可得：在相同條件下，Z70#R85依然具有最長的疲勞壽命，Z70#R175次之，Z70#P最短，表明原瀝青老化程度對再生瀝青的疲勞壽命影響很大，即愈合條件相同時原瀝青老化程度越低，再生瀝青疲勞壽命越長；在考慮自愈補償后，再生瀝青疲勞壽命顯著增長，表現為間歇時間越長其疲勞壽命越長，不同間歇時間(2，4，6，8s)所對應的再生瀝青疲勞壽命增長率分別為12%，20%，39%，82%，可以看出在2～8s的間歇時間范圍內，當間歇時間按照線性增長時，再生瀝青的疲勞壽命幾乎呈倍數增長.對于同一種材料來說，其自愈性能相同，間歇時間越長，其在微裂縫處的自愈合程度就越高.

由表5還可看出，再生瀝青疲勞壽命隨應變增大而縮短，相比于未考慮自愈補償時，應變增大對再生瀝青疲勞壽命衰減程度的影響幾乎相同.具體表現為：當應變由3%增至4%，5%，6%時，疲勞壽命約減少41%，68%，84%.低應變下再生瀝青的自愈合可以更好地發揮補償作用，因為高應變下單次加載對材料造成的損傷更大，這意味著更大的微裂縫長度及寬度，而裂縫寬度的增大使得瀝青微裂縫處開裂面的潤濕更難發生，瀝青分子更難穿過裂縫面，自愈合必然更加困難.

考慮自愈補償后，再生劑對自愈合的促進作用得到了體現，再生劑摻量較多時再生瀝青的疲勞壽命提升幅度更大.雖然部分Z70#R175和Z70#R85再生瀝青在未考慮自愈補償時，出現了低再生劑摻量下疲勞壽命反而更長的情況，但是在考慮自愈補償后高再生劑摻量下再生瀝青疲勞壽命實現了反超，最終當再生劑摻量為8%時再生瀝青在充分間歇時間下愈合后的疲勞壽命均長于再生劑摻量為7%時.再生劑主要由輕質組分組成，有助于瀝青的流動，從而提高瀝青自愈合效率.另外，考慮自愈補償后可能會對再生瀝青抗疲勞性能的排序產生影響，這是因為考慮自愈補償的再生瀝青疲勞壽命由未考慮自愈補償時的疲勞壽命和自愈補償的疲勞壽命組成.如未考慮自愈補償時2種再生瀝青疲勞壽命相近，若疲勞壽命偏小者的自愈合能力更大，則可能在考慮自愈補償后原疲勞壽命偏短的再生瀝青疲勞壽命反而更長.

2.3 再生瀝青的自愈合程度

根據表4，5中再生瀝青疲勞壽命數據，按式(1)計算得到各再生瀝青的自愈合指標HI，結果見表6.

表6 再生瀝青的自愈合指標HI計算結果

由表6可得：各再生瀝青均表現出一定的自愈合能力，相同條件下其自愈合程度排序為Z70#R85>Z70#R170>Z70#P，但均小于基質瀝青；將所有間歇時間換算為2s，可以得到Z70#R85的愈合速率約為Z70#R170，Z70#P的1.23，1.57倍，說明原瀝青老化程度越低，再生瀝青的自愈合程度越好；對于同種再生瀝青，間歇時間越長，其自愈合程度越高，這是因為間歇時間的延長促進了更多尺寸較大的微裂縫愈合，而愈合速率并未顯著變化；隨著應變的增大，再生瀝青自愈合程度減小，應變為3%時不論間歇時間長短，各再生瀝青自愈合程度均最大，而應變為6%時其自愈合程度均最小；高再生劑摻量的再生瀝青表現出更好的自愈合程度，如Z70#R170在應變為4%、間歇時間為6s時，其自愈合指標在8%再生劑摻量下分別為6%，7%再生劑摻量下的1.48，1.17倍，并且間歇時間越長，再生劑對再生瀝青自愈合程度的提升作用越明顯.

上述結論表明再生瀝青的自愈合現象確實存在，其在試驗加載過程中及間歇時間內緩慢發生.圖1為70#基質瀝青與再生劑摻量為7%的Z70#R170再生瀝青在應變為4%時考慮自愈補償前后動態剪切模量G*的對比.從圖1可以看出：考慮自愈補償前后再生瀝青動態剪切模量的變化趨勢相似，但考慮自愈補償后其動態剪切模量變化更緩慢、疲勞壽命更長；間歇時間越長，其動態剪切模量降低的速率越慢、疲勞壽命越長；原瀝青與再生瀝青的曲線形狀類似，不同之處在于其初始動態剪切模量較低，動態剪切模量衰減速率較慢.由此可見，是否考慮自愈補償對再生瀝青的疲勞曲線存在顯著影響，未考慮自愈補償將低估再生瀝青疲勞壽命，與實際情況不符，因此建議在常用的瀝青疲勞試驗評價方法中引入間歇時間.考慮到以10Hz對應的行車速度通過相應停車視距的時間約為4s，建議動態剪切流變試驗在每個加載周期后引入4s的間歇時間，并以動態剪切模量降低至初始值的50%時的加載次數作為考慮自愈補償的再生瀝青疲勞壽命.

圖1 應變為4%時考慮自愈補償前后再生瀝青動態剪切模量的對比Fig.1 Comparison of dynamic shear modulus of regenerated asphalts before and after considering self-healing compensation(ε=4%)

3 結論

(1)在相同條件下，無論是否考慮自愈補償，再生瀝青Z70#R85的疲勞壽命均為最長，Z70#R170次之，Z70#P最短.原瀝青老化程度對再生瀝青疲勞壽命與自愈合能力起決定作用，并成反比.

(2)考慮自愈補償后，再生瀝青疲勞壽命均有所延長，這是因為微裂縫在間歇時間內完成了一定程度的自愈合，且間歇時間越長其自愈合程度越高、疲勞壽命越長；試驗中應變越大，再生瀝青的自愈合程度越低、疲勞壽命越短；再生劑不僅可以補充輕質組分，還能改善流變性能，從而提升了再生瀝青的自愈合能力，延長了再生瀝青疲勞壽命，其中添加8%再生劑的Z70#R85疲勞壽命接近原瀝青.

(3)與原瀝青相似，再生瀝青自愈合對其疲勞壽命的影響顯著，考慮自愈補償前后的再生瀝青疲勞曲線存在明顯差異.再生瀝青的疲勞壽命由材料自身的抗損傷能力以及恢復能力共同決定，在進行再生瀝青疲勞性能評價時應綜合考慮這2個因素的影響，建議在進行疲勞壽命試驗時每個加載周期后引入4s的間歇時間.