老化條件對(duì)排水瀝青混合料疲勞性能的影響研究

張衛(wèi)兵 張嘉豪 韋宗

摘要：為分析老化對(duì)排水瀝青混合料疲勞性能的影響，文章根據(jù)規(guī)范對(duì)排水瀝青混合料PAC-13進(jìn)行了短期老化和長(zhǎng)期老化試驗(yàn)，利用兩參數(shù)威布爾分布分析了試驗(yàn)得到的疲勞壽命數(shù)據(jù)，并根據(jù)威布爾分布參數(shù)，得到了單對(duì)數(shù)和雙對(duì)數(shù)PAC-13的疲勞方程。研究結(jié)果表明：兩參數(shù)威布爾分布可以描述排水瀝青混合料的疲勞壽命，且疲勞壽命分布不隨老化條件而改變;老化后PAC-13的抗疲勞性能更差，且應(yīng)力比對(duì)疲勞壽命的影響更顯著;經(jīng)過短期和長(zhǎng)期老化后的PAC-13疲勞壽命遞減，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮老化所造成的壽命折減;隨老化時(shí)間的增加，給定疲勞壽命對(duì)應(yīng)的排水瀝青混合料PAC-13的理論應(yīng)力水平降低，表明老化后其抗疲勞性能越來越差。

關(guān)鍵詞：道路工程;瀝青路面;排水瀝青混合料;疲勞性能;威布爾分布

0 引言

在潮濕路面條件下，傳統(tǒng)瀝青路面表面往往存在水膜，容易產(chǎn)生滑水、飛濺和噴霧等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致路面抗滑性能較差。通常雨天事故是晴天的3～4倍，山區(qū)道路的情況更為嚴(yán)重[1]。多孔瀝青路面排水能力強(qiáng)，降雨時(shí)路面表面幾乎無水膜，可顯著提高駕駛安全性。日本的研究表面，使用多孔瀝青路面可減少80%的雨天事故，輪胎與路面間的噪聲也可以降低[2]。我國(guó)曾于20世紀(jì)80年代開始研究多孔瀝青路面，因鋪筑的試驗(yàn)路在通車后常發(fā)生車轍、疲勞與松散等破壞，從而暫時(shí)擱置了這方面的研究。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著社會(huì)對(duì)高質(zhì)量高速公路需求的增長(zhǎng)以及改性瀝青的發(fā)展，大量研究人員又開始逐步進(jìn)行多孔瀝青路面研究。

陳華鑫等[3]對(duì)世界各國(guó)的排水瀝青路面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹，得出大部分國(guó)家主要采用析漏和飛散試驗(yàn)確定最佳油石比。陳劍等[4]研究了排水瀝青混合料PAC-13的材料組成設(shè)計(jì)。沙愛民等[5]研究了空隙率、油石比和浸水狀態(tài)對(duì)排水瀝青混合料疲勞特性的影響。黎曉等[6]進(jìn)行了排水瀝青混合料疲勞損傷耗散能變化比的研究，建立了可以反映材料疲勞損傷本質(zhì)的疲勞壽命預(yù)估模型。以前研究尚未考慮老化條件對(duì)排水瀝青混合料疲勞性能的影響，現(xiàn)大多研究關(guān)注于老化對(duì)傳統(tǒng)瀝青混合料疲勞性能的影響。如呂松濤[7-9]研究了老化瀝青混合料粘彈性損傷特性，并用真實(shí)應(yīng)力比與耗散能研究了瀝青混合料疲勞性能及方程。

多孔瀝青混合料的空隙率是密級(jí)配混合料空隙率的3～4倍，加之使用過程中車輛荷載、溫度和水流等因素的作用，更易發(fā)生疲勞破壞。瀝青路面施工過程中，混合料一直處于高溫狀態(tài);路面服役過程中，長(zhǎng)期經(jīng)受自然環(huán)境和行車荷載重復(fù)作用，均會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料老化程度的增加，因此研究排水瀝青混合料疲勞性能受老化影響的規(guī)律極其重要。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用的母體瀝青為SBS改性瀝青。高粘瀝青的制備過程如下：將SBS改性瀝青在烘箱中加熱至160 ℃，待其具有一定的流動(dòng)性后，加入8%的TPS高粘劑，溫度控制在180 ℃左右，將剪切儀轉(zhuǎn)速增至5 000 r/min，剪切60 min后置于烘箱中發(fā)育120 min。根據(jù)JTE E20-2011[10]，測(cè)定的SBS改性瀝青與高粘瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

集料選用玄武巖，礦粉選用石灰?guī)r，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足《排水瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》的要求[11]。混合料礦料級(jí)配如表2所示。根據(jù)析漏與飛散試驗(yàn)，得到最佳瀝青用量為4.7%，設(shè)計(jì)空隙率為20%。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)確定的配合比，進(jìn)行疲勞試件的制備和老化處理。制備疲勞試件前，首先根據(jù)T0734-2000對(duì)拌和的松散混合料進(jìn)行短期老化4 h，溫度為135 ℃，然后由輪碾成型排水瀝青混合料板試件，并切割為380 mm×50 mm×63.5 mm小梁試件，選取部分經(jīng)短期老化后成型的小梁試件進(jìn)行長(zhǎng)期老化，在85 ℃的烘箱中，強(qiáng)制通風(fēng)加熱120 h，然后自然冷卻≥16 h至室溫備用。

根據(jù)T0739-2011進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為15 ℃，加載頻率為10 Hz，加載模式為應(yīng)力控制模式，采用正弦波荷載，應(yīng)力比為0.1，應(yīng)力水平分別為0.3、0.4、0.5、0.6，每個(gè)試驗(yàn)條件進(jìn)行4次平行試驗(yàn)。當(dāng)彎曲勁度模量衰減到初始彎曲勁度模量50%時(shí)，試驗(yàn)終止。

2 排水瀝青混合料的疲勞特性

2.1 不同老化程度的排水瀝青混合料疲勞壽命分析

瀝青混合料的疲勞壽命具有隨機(jī)性和分散性。為了合理描述和利用疲勞壽命數(shù)據(jù)，通常借助統(tǒng)計(jì)概率分布來對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。概率模型主要包括正態(tài)分布模型、對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型和雙參數(shù)威布爾分布模型等，其中雙參數(shù)威布爾分布是最常用的模型。在本研究中，利用雙參數(shù)威布爾分布對(duì)排水瀝青混合料PAC-13的疲勞壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其概率分布函數(shù)和累積分布函數(shù)為：

圖4給出了不同老化程度的排水瀝青混合料PAC-13的疲勞方程的擬合參數(shù)。這個(gè)兩種疲勞方程的參數(shù)a、b能夠直觀反映排水瀝青混合料PAC-13的疲勞性能：a值表示疲勞曲線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)，a值越大，應(yīng)力水平越大，PAC-13耐疲勞性能越好;b值表示應(yīng)力比對(duì)疲勞壽命影響的敏感程度，b值越小，疲勞曲線越緩，說明應(yīng)力比變化對(duì)疲勞壽命的影響越敏感。

基于表4中的單對(duì)數(shù)和雙對(duì)數(shù)疲勞方程，可計(jì)算1萬次疲勞壽命對(duì)應(yīng)的疲勞極限應(yīng)力值，如表5所示。工程設(shè)計(jì)人員可根據(jù)表4中的S-N回歸公式估算不同老化程度的排水瀝青混合料PAC-13的彎曲疲勞壽命。

表5顯示了基于單對(duì)數(shù)和雙對(duì)數(shù)疲勞方程的不同老化程度PAC-13的理論應(yīng)力水平。當(dāng)疲勞失效次數(shù)為1萬次時(shí)，理論應(yīng)力水平隨老化程度的增加而減小。與未老化相比，短期老化后PAC-13的理論應(yīng)力水平減小了12.8%（根據(jù)單對(duì)數(shù)疲勞方程計(jì)算）和12.5%（根據(jù)雙對(duì)數(shù)疲勞方程計(jì)算）;與短期老化相比，長(zhǎng)期老化后PAC-13的理論應(yīng)力水平減小了27.1%（根據(jù)單對(duì)數(shù)疲勞方程計(jì)算）和22.5%（根據(jù)雙對(duì)數(shù)疲勞方程計(jì)算）。這進(jìn)一步驗(yàn)證排水瀝青混合料PAC-13的疲勞性能隨老化時(shí)間的增加而降低。