道路瀝青含量對瀝青混合料勁度的影響研究

趙淑青

（鄂爾多斯市公路管理局準格爾旗公路管理工區，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

對于瀝青路面，AC-25、AC-20 等是下面層瀝青混合料最常用的形式，在行車荷載作用下，瀝青層的最大拉應變通常產生在這一層。因此，對于瀝青路面下層瀝青混合料的設計，重點關注的是其抗疲勞性能。根據國內外研究[1-3]，適當增加瀝青用量可以提高下層瀝青混合料的抗疲勞性能，但增加瀝青用量究竟對疲勞性能有何種程度的影響，最佳抗疲勞性能的瀝青含量與最佳油石比之間的關系如何？這方面還沒有定量化的研究成果。勁度是反應瀝青混合料在給定溫度和加載條件下的應力應變關系的參數，各種因素實質上通過影響瀝青混合料的勁度來影響其疲勞性能[4-5]，本文將基于劈裂疲勞試驗，定量研究瀝青含量和瀝青混合料的勁度的變化規律，從而揭示瀝青含量對瀝青混合料疲勞性能的關鍵作用。

1 劈裂疲勞試驗

1.1 試件準備

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004），選取AC-20 的級配中值配料，如表1 所示。

表1 試驗級配類型 %

根據以上級配，選取5 個油石比成型馬歇爾試件，測試其體積參數及力學指標，如表2 所示。

表2 混合料體積參數及力學指標

VV 表示瀝青混合料空隙率；VA 表示瀝青體積分數；VMA 表示礦料間隙率；VFA 表示瀝青飽和度；MS 表示馬歇爾穩定度；FL 表示流值；VCAmix表示粗集料骨架間隙率；VCADRC表示粗集料松裝間隙率。從表2 可以得出：AC-20 的最佳油石比為4.3%。

以油石比4.3%成型AC-20 試件，并以0.2%為間隔再成型4 組試件，分別為3.9%、4.1%、4.5%、4.7%。每組各做4 個試件。

1.2 劈裂試驗

1.2.1 荷載控制模式

由于瀝青混合料的勁度較低，應力反復施加過程中，試件的實際應力狀態和應變量不斷發生變化，因此，常采用控制應力試驗或控制應變試驗兩種模式，即分別保持應力或者應變始終不變的方式加載。不同控制模式的試驗會得到不同的結果，表現出不同的疲勞特性。

應力控制模式試驗時間較短，加載容易精確控制，通常以試件斷裂為破壞標準，試驗結束判斷標準明確。應變控制模式，由于荷載逐漸減小，試件一般不會出現明顯破壞，通常習慣以混合料勁度下降到初始值的50%或更低時作為疲勞損壞標準。作用在路面上的車輛，施加的是軸載和接觸壓力而不是變形，從這個意義上來講，整個路面結構受到的是應力控制的加載體系。綜合考慮以上因素，本研究的室內試驗采用應力控制模式，即在試驗中保持荷載或應力值始終不變。

1.2.2 應力水平

應力水平應根據試件的極限破壞應力來確定，若應力水平選擇過低，試件的疲勞壽命過大，過于消耗試驗時間；若應力水平過高，試件很容易就發生破壞，無法很好地體現出疲勞破壞的特性，因此需要結合試件的極限破壞應力和試驗目的來合理確定應力比。本研究采用的應力比為0.5、0.4、0.3、0.25。

1.2.3 溫度選擇

瀝青混合料在溫度較高時，疲勞損耗有很好的恢復性。美國公路戰略研究計劃（SHRP）[6]的研究結果表明，常溫以上的疲勞破壞主要是變形累積破壞，無明顯的疲勞意義，所以建議不考慮20 ℃以上的疲勞破壞。另外我國試驗規程[7]推薦劈裂試驗的溫度為15 ℃±0.5 ℃。本研究采用的試驗溫度為15 ℃±0.5 ℃。

1.2.4 加載頻率

對于室內試驗，車輪荷載的加載時間可以根據式（1）來確定。

中國現行的《公路工程技術規范》規定的汽車專用公路的計算行車速度范圍為40～120 km/h。當加載頻率為10 Hz 時，加載時間為0.016 s。0.016 s 的加載時間對瀝青混合料路面表面大致相當于60～65 km/h 的行車速度[8]。因此本研究選擇的加載頻率為10 Hz。

1.2.5 加載波形

波形采用比較接近實際路面所承受的荷載的半正弦波。為避免試驗出現脫空現象，設置最小荷載為0.2 kN。試驗前先進行預加載以保證試件與加載裝置接觸良好。為了節省試驗時間，相鄰周期之間不插入間歇時間，見圖1。

圖1 加載波形示意圖

1.2.6 數據采集

在試驗過程中，從第10 個周期開始，每2 ms 記錄一組數據，包括荷載和試件水平方向變形，因此每個加載周期可記錄50 組數據，計算每個加載周期的勁度并繪制勁度- 荷載循環次數的關系曲線。按照應力比的不同，將五類試件中記錄有勁度數據的勁度曲線分別進行研究。

1.2.7 疲勞破壞的判斷標準

采用控制應力模式，以試件完全斷裂為判斷破壞的標準。

進行疲勞試驗之前首先通過劈裂試驗確定劈裂強度，試驗溫度為15 ℃，試驗結果見表3，進行疲勞試驗時依據五類試件各自的劈裂強度采用不同的應力比進行加載。

表3 五類試件的劈裂強度

將表中數據繪制點線圖，如圖2 所示。

圖2 不同瀝青含量混合料的劈裂強度

由圖2 可知，隨著油石比的增大，劈裂強度呈現拋物線變化規律，當瀝青含量較低時，由于瀝青的黏結能力不足，劈裂強度較低；當瀝青含量過高時，導致混合料“變軟”，劈裂強度也較低。

2 數據分析

油石比4.3%的試件應力比為0.5 的勁度曲線見圖3，每一條曲線代表一個試件。可以看出，幾乎所有試件的勁度曲線都呈S 形，有兩個拐點，將曲線分為3 個階段。

第一階段是勁度迅速降低階段，從開始加載到拐點1。勁度迅速衰減，到達拐點1 時達到穩定。

第二階段為損傷穩定發展階段，從拐點1 開始到拐點2 結束。這一階段的勁度下降非常平緩，隨著加載次數的增加，勁度的下降速度緩慢上升。

第三階段為破壞階段，從拐點2 開始到試件斷裂。這一階段試件開始產生宏觀裂縫，裂縫逐漸貫穿且寬度逐漸增大，橫向位移加速增長，勁度加速降低，直至試件斷裂。

圖3 油石比4.3%試件勁度曲線（應力比0.5）

為了確定拐點1 的位置，對勁度曲線采用分段函數進行擬合，由于二次多項式對拐點1 前后兩段曲線的擬合程度較好，因此，兩段函數形式均采用二次多項式，并在分段點保持連續。首先，對分段點的橫坐標和二次多項式的系數賦初始值，然后經多次迭代之后得到的最優函數（R2最高）對應的分段點即為拐點1，迭代過程以圖4 為例，R2分別為0.926和0.986，圖4 擬合得到的分段點即拐點1。

圖4 擬合示意圖（最終結果）

采用同樣方法，將應力比0.5、0.4、0.3 狀況下的拐點1 對應勁度數據列于表4。由表4 可以看出，大部分拐點1 對應的勁度為初始勁度的40%～70%。

以同樣的方法分析其他4 種試件的勁度變化曲線，油石比3.9%的試件本身劈裂強度較低，在相同的應力比下，絕對的應力值較低，當應力比為0.4時，試件沒有明顯的破壞階段，且勁度曲線的損傷穩定發展階段的前半段為凹形，后半段為凸形，而之前瀝青含量較高的試件的損傷穩定發展階段始終為凸形。這說明在較低應力水平下，瀝青含量較低的試件的損傷發展較為平緩而充分，不會產生明顯的突然斷裂；另一方面，隨著損傷的發展，瀝青的愈合作用開始增強，所以損傷穩定發展階段前半段勁度的下降速度逐漸降低，呈現凹形，而當損傷進一步擴展，裂縫寬度增大并且開始貫穿，瀝青的愈合作用減弱，勁度加速下降，直至破壞，曲線呈現凸形。因此，較低的應力值更能夠體現瀝青的愈合作用。

表4 拐點1 對應的勁度數據

圖5 油石比3.9%試件勁度曲線（應力比0.4）

油石比4.1%和4.5%的試件，幾乎所有試件的勁度曲線都呈S 形，有兩個拐點，將曲線分為3 個階段，即勁度迅速降低階段、損傷穩定發展階段和破壞階段。

油石比4.7%的混合料勁度曲線只有一個拐點，曲線可分為兩個階段，即勁度迅速衰減階段和損傷穩定發展階段，沒有明顯的破壞階段；絕大部分曲線的損傷穩定發展階段呈凹形。這可能有兩方面原因，第一，相比前4 種試件，該試件的瀝青含量高，具有較強的黏彈性，自身愈合能力較強；第二，油石比4.7%的試件劈裂強度相比其他試件較低，所以盡管采用相同的應力比，絕對應力值還是較低，較低的應力值體現了更多的瀝青愈合作用。

圖6 油石比4.7%試件勁度曲線（應力比0.4）

通過以上分析，各類試件的勁度在加載之初都會經歷不同程度的下降，然后迅速達到一個穩定值，隨后勁度開始緩慢下降，本研究將該點（即拐點1）作為疲勞損傷的起始點。以該點對應的勁度與初始勁度做比值，比較這5 種瀝青含量試件的勁度衰減情況，如圖7 所示。

圖7 不同瀝青含量試件的勁度衰減對比

從圖7 可知，當應力比為 0.5 時，瀝青含量4.1%、4.3%、4.5%的試件，拐點勁度與初始勁度的比值隨著瀝青含量的增高，呈線性增大趨勢；當應力比為0.4 時，瀝青含量4.5%的試件，拐點勁度與初始勁度的比值最高，瀝青含量4.3%的試件次之。當應力比為0.3 時，拐點勁度與初始勁度的比值呈先增后降的二次曲線變化，瀝青含量為4.3%的勁度比最高，瀝青含量4.5%的試件次之。何種應力比情況下，瀝青含量4.7%的試件勁度比都很低，說明其勁度衰減很快，抗疲勞性能較弱。通過勁度曲線的研究可以得出，適當增加瀝青含量確實可以增加抗疲勞性能，特別是在高應力比情況下尤為明顯，最佳抗疲勞性能對應的瀝青含量略高于馬歇爾試驗確定的最佳油石比。

3 結論

a）瀝青混合料的勁度在加載之初都會經歷不同程度的下降，然后迅速達到一個穩定值，隨后勁度開始緩慢下降，本文建議以拐點1 作為疲勞損傷的起始點。

b）在應力比較低的情況下，瀝青含量較高的試件，損傷發展較為平緩而充分，不會產生明顯的突然斷裂。較低的應力比更能夠體現瀝青的愈合作用。

c）適當增加瀝青含量確實可以增加抗疲勞性能。特別是在高應力比情況下尤為明顯，最佳抗疲勞性能對應的瀝青含量略高于馬歇爾試驗確定的最佳油石比，過高或過低的瀝青含量都會對抗疲勞性能造成影響。