不同試驗方法的老化瀝青疲勞性能研究

張含宇， 徐 剛, 陳先華, 汪 銳， 周文彬

(1.東南大學 交通學院， 江蘇 南京 211189; 2.江蘇寶利國際投資股份有限公司， 江蘇 江陰 214422)

瀝青路面在重復荷載作用下產生的疲勞裂縫是路面的主要病害形式，疲勞開裂會導致路面使用品質的下降以及維護成本的增加.瀝青混凝土疲勞性能與油石比、空隙率和所用瀝青性質等多種因素相關，其中瀝青的影響尤為明顯[1-2].而路面建造及使用過程中存在的老化現象又影響著瀝青的性能，瀝青老化包括在混合料拌和、運輸和攤鋪過程中由于熱氧作用產生的短期老化和在路面使用年限內由于環境和車輛荷載共同作用發生的長期老化.因此，老化瀝青的疲勞性能有著可觀的研究價值.

關于瀝青的疲勞試驗方法和評價指標，美國SHRP計劃在早期提出了采用動態剪切流變(DSR)試驗所得疲勞因子(|G*|sinδ)來評價瀝青在中溫條件下的疲勞性能，疲勞因子越小，對應單位加載周期內的耗散能越小，則損傷累積越少，瀝青抵抗疲勞開裂的能力越強.但相當一部分研究人員[3-5]對疲勞因子的適用性提出了質疑，他們認為：改性瀝青的大多數力學響應是非線性的，用|G*|sinδ這樣的線性參數來表征非線性特征是不合理的；疲勞因子的測試是在較小的剪切應變下進行的，并且只有幾個周期的無損傷加載，這與實際復雜的疲勞現象差距較大；疲勞因子是以模量為基礎的參數，并不能直接表征瀝青的強度.為了彌補上述缺點，以期更好地模擬路面在實際車輛荷載作用下的響應，Bonnetti等[6-8]采用DSR對瀝青進行重復加載下的時間掃描試驗，通過疲勞壽命和耗散能等指標來評價瀝青的疲勞性能.Johnson等[9-12]基于黏彈性連續介質損傷力學原理，采用線性振幅掃描(LAS)試驗對瀝青進行加速疲勞試驗，評價其在循環荷載作用下的抵抗損傷能力以及預測瀝青在不同應變水平下的疲勞壽命.近年來，多重應力蠕變恢復(MSCR)試驗被用于定量評價瀝青的疲勞性能，因為試驗所得平均彈性恢復率可以在一定程度上表征瀝青的延遲彈性響應[13].Zhang等[14]研究發現，MSCR試驗可以明顯區分出不同種類和改性劑含量瀝青的疲勞性能，并且各種瀝青的MSCR試驗結果與瀝青混合料疲勞試驗結果的相關性較好.此外，研究人員還通過斷裂試驗的方法對瀝青的疲勞性能進行研究. Andriescu 等[15-16]采用雙邊切口拉伸(DENT)試驗研究瀝青發生塑性變形和開裂時的能量，其結果同美國聯邦公路局(FHWA)的加速加載疲勞試驗結果相關性較好.Roque等[17-18]通過斷裂能(FET)試驗得到的真實應力-應變曲線可以很好地表征不同改性瀝青的斷裂能，從而區分出其疲勞性能的差異.縱觀現有研究，大都采用單一的試驗方法來評價瀝青的疲勞性能，其結果準確性難有對照，因此綜合多種試驗研究瀝青的疲勞性能，選擇出一種適用性更強的方法有著重要意義.

基于以上所述，且考慮到老化是瀝青疲勞性能發生衰變的重要原因，本文選取70#基質瀝青、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青、高黏瀝青(HV)和基于化學改性原理的SBS/橡膠復合改性瀝青(SRC)，采用動態剪切流變儀，開展溫度掃描試驗、時間掃描試驗、MSCR試驗和LAS試驗，對經過室內短期老化和長期老化后的4種瀝青進行疲勞性能的評價，比較其疲勞性能和耐老化性能，并分析4種試驗方法對于表征老化瀝青疲勞性能的適用性.

1 試驗

1.1 原材料

本文采用的70#基質瀝青、SBS改性瀝青和SRC瀝青均由江蘇寶利國際投資股份有限公司提供.其中SRC瀝青的制備工藝為：首先將橡膠淺裂解，然后在一定化學助劑的作用下，將碳黑附著于SBS與橡膠顆粒形成的交聯網結構中，充分發揮橡膠成分的物理溶脹作用，制得性能更為穩定優良的SBS/橡膠復合改性瀝青.HV瀝青為實驗室自制的高黏瀝青，其制備工藝為：首先將SBS摻量(1)文中涉及的摻量等均為質量分數.為5.5%的SBS改性瀝青置于油浴鍋中加熱至 180℃，再加入摻量為10%的TPS改性劑，先低速 (500r/min) 剪切0.5h，再高速(5000r/min)剪切 1.0h，直至改性劑充分剪切乳化，最后加入摻量為0.2%的硫磺作為穩定劑，將其置于180℃油浴鍋內發育0.5h.文中所用4種瀝青的改性劑摻量和性能分級如表1所示.

表1 瀝青的改性劑摻量和性能分級

1.2 老化方法

采用JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT)和壓力老化試驗(PAV)分別對4種瀝青進行短期老化和長期老化.其中，RTFOT的溫度為163℃，時間為85min；PAV的溫度為90℃，壓強為 2.1MPa，時間為20h.

1.3 瀝青疲勞性能試驗方法

1.3.1溫度掃描試驗

溫度掃描試驗在控制應變的條件下進行，應變水平為10%，頻率設置為1.59Hz，為了獲得瀝青在中溫條件下的疲勞因子|G*|sinδ，將試驗溫度設置為19～31℃.具體試驗步驟見AASHTO T315-10《Determining the rheological properties of asphalt binder using a dynamic shear rheometer(DSR)》規范.

1.3.2 時間掃描試驗

朱洪洲等[19]研究發現，在15℃或20℃條件下進行疲勞試驗時會出現瀝青與平行板黏結不牢固的問題，導致瀝青與平行板的黏結界面發生破壞，而非瀝青自身疲勞破壞.因此，為了讓瀝青樣本有更好的破壞形態以及考慮到瀝青混凝土路面在全壽命周期內所處的環境溫度，將試驗溫度設定為 25℃，頻率為10Hz，應變水平為10%，進行控制應變的時間掃描試驗.當樣本的復數剪切模量下降至初始值的50%時即認為發生疲勞破壞.

1.3.3MSCR試驗

MSCR試驗按照AASHTO T350-14《Multiple stress creep recovery(MSCR) test of asphalt binder using a dynamic shear rheometer(DSR)》規范進行，測試溫度采用25℃[14].試驗中首先將待測瀝青試樣在0.1kPa應力條件下蠕變1s，恢復變形9s，重復10個循環；接著進行3.2kPa應力條件下的10個蠕變恢復循環.通過試驗得到0.1、3.2kPa下的平均彈性恢復率R0.1和R3.2，并以此來分析瀝青的疲勞性能.

1.3.4LAS試驗

LAS試驗是一種基于黏彈性連續介質損傷理論(VECD模型)的新型試驗，根據AASHTO TP101-14《Estimating damage tolerance of asphalt binders using the linear amplitude sweep》規范，LAS試驗分為頻率掃描和振幅掃描2個部分.在頻率掃描中，樣品的頻率掃描范圍為0.2～ 30.0Hz，應變水平為0.1%，以確定瀝青的流變特性，得到損傷分析參數；在振幅掃描中，加載頻率為10Hz，加載時間為310s，加載振幅由0.1%線性增加到30.0%.試驗溫度為25℃.分析計算步驟如下所述：

首先由頻率掃描試驗中的復數剪切模量|G*|與相位角δ得到儲存模量G′和損失模量G″：

G′=|G*|×cosδ

(1)

G″=|G*|×sinδ

(2)

將儲存模量G′與角速度ω取對數后，擬合直線得到m:

lgG′=m(lgω)+b

(3)

表征瀝青流變特性的參數α為：

(4)

接著采用功勢理論來量化損傷參數D：

(5)

對于給定的時間t，每個數據點C(t)與D(t)都滿足下式：

C(t)=C0-C1[D(t)]C2

(6)

式中：參數C0=1.

參數C1與C2由冪律線性化導出：

lg[C0-C(t)]=lgC1+C2·lg[D(t)]

(7)

Df為疲勞失效時的累積損傷：

(8)

式中：Cpeak為峰值應力對應的C(t).

瀝青疲勞方程的參數(A和B)由下式計算得到:

(9)

式中：f為頻率，f=10Hz；k=1+(1-C2)α.

最終得到瀝青疲勞方程如下：

Nf=A(γmax)-B

(10)

式中：Nf為瀝青疲勞壽命(定義為瀝青發生疲勞失效時的總加載次數)；γmax為假定實際荷載作用下路面所產生的最大應變.

2 結果與分析

2.1 溫度掃描試驗

圖1為溫度掃描試驗結果.由圖1可知：70#基質瀝青經過長期老化之后在溫度為19℃和22℃時的疲勞因子|G*|sinδ大于規范要求的5000kPa，而其余瀝青的疲勞因子均小于規定值；在2種老化條件下，SRC瀝青的疲勞因子最小，而70#基質瀝青的疲勞因子最大；在短期老化條件下，HV瀝青在19℃和22℃時的疲勞因子比SBS改性瀝青小，而在25℃及以上則大于SBS改性瀝青；在長期老化條件下，HV瀝青在19、22、25℃時的疲勞因子均小于SBS改性瀝青，在28℃及以上則大于SBS改性瀝青.由圖1還可知，隨著老化程度的增加，4種瀝青的疲勞因子均增大，疲勞性能呈下降趨勢，其中SRC瀝青的變化最小，可認為SRC瀝青的耐老化性能在這4種瀝青中最為突出.鑒于SBS改性瀝青和HV瀝青出現了曲線交叉的現象，本文以瀝青種類作為影響因素，以疲勞因子作為響應變量，對短期老化和長期老化后的這2組數據進行單因素方差分析(ANOVA)，分析時預設顯著性水平為0.05，結果如表2所示.由表2可見，顯著性水平p遠小于預設值(0.05)，這表明瀝青種類對測試得到的疲勞因子影響很小，因此采用溫度掃描試驗得到的疲勞因子指標來區分不同瀝青的疲勞性能差異并不合理.現有研究表明，|G*|sinδ這種評價指標可以在線性黏彈性范圍內區分不同瀝青抵抗疲勞破壞的能力，但對于改性瀝青，疲勞因子與其對應的瀝青混合料疲勞試驗結果相關性較差[20]；且疲勞因子僅僅是疲勞試驗初始狀態的1個特征值，與重復荷載作用下的累積損傷發展過程無關，無法評價瀝青疲勞破壞的程度[21].

圖1 溫度掃描試驗結果Fig.1 Results of temperature sweep test

表2 SBS改性瀝青和HV瀝青的單因素方差分析結果

2.2 時間掃描試驗

時間掃描試驗結果如圖2所示.由圖2可知：4種瀝青的復數剪切模量|G*|均隨著加載次數的增加而減小，但其衰減規律卻不盡相同；70#基質瀝青有著較大的初始復數剪切模量，在荷載作用初期，G*下降緩慢，隨著加載次數的增加，瀝青內部損傷迅速發展直至破壞；而其余3種改性瀝青初期復數剪切模量迅速下降，隨后進入平穩期，直至破壞，這與瀝青混合料在應變控制模式下的勁度模量變化規律較為相似；經過長期老化之后，瀝青變硬，4種瀝青的初始復數剪切模量增加，試驗結果顯示其疲勞壽命減小.4種瀝青的疲勞壽命如表3所示.由表3可以看出，在2種老化條件下，HV瀝青和SRC瀝青的疲勞壽命均遠大于70#基質瀝青和SBS改性瀝青，這有別于前文所述溫度掃描試驗中SBS改性瀝青與HV瀝青疲勞性能差異不明顯的結果，說明時間掃描試驗可以更好地區分不同種類老化瀝青的疲勞性能差異.

在本文中，將復數剪切模量下降至初始值的50%時所對應的荷載作用次數定義為瀝青的疲勞壽命.但有研究人員對此定義提出了質疑，Di Benedetto等[22]研究認為，G*的減少不僅僅是因為瀝青發生了疲勞損傷，也有諸如產生熱量以及觸變性能變化等原因.除此之外，一些改性劑的加入，尤其是聚合物類改性劑，可以使瀝青在發生破壞前能承受較大的應變，因此G*大幅度下降(超過50%)之后，瀝青仍可能處在其疲勞壽命之內[23].且就SRC瀝青而言，在應變水平為10%的條件下，其疲勞壽命均能達到10萬次以上，采用時間掃描試驗的耗時相當長，因此需要一種新的試驗方法去評價SBS/橡膠復合改性瀝青的疲勞性能.

圖2 時間掃描試驗結果Fig.2 Results of time sweep test

表3 疲勞壽命匯總

2.3 MSCR試驗

圖3為經過長期老化后70#基質瀝青的MSCR試驗典型曲線，展示了該試驗的整個蠕變和恢復的過程.所有瀝青的MSCR試驗曲線形狀大體相似，因此限于篇幅，其他瀝青的試驗曲線不再一一繪制.圖4給出了4種瀝青在2種老化狀態下的平均彈性恢復率.由圖4可知，不論是在低荷載還是在高荷載水平下，4種瀝青的平均彈性恢復率(R0.1和R3.2)排序均為：SRC瀝青>HV瀝青>SBS改性瀝青>70#基質瀝青.R0.1和R3.2的數值越大表明瀝青可恢復的應變越大，并且每種瀝青通過平行試驗得到的誤差棒數值均很小，說明該試驗具有良好的可重復性.但由圖4同樣可以發現，如果將平均彈性恢復率R值作為瀝青疲勞性能的一個定量評價指標，其在本文中的變化并未呈現出一定的規律性；與短期老化相比，70#基質瀝青經過長期老化后的R值呈明顯的下降狀態；SBS改性瀝青和SRC瀝青的R值在0.1kPa下呈現下降趨勢，但變化幅度很小，而在3.2kPa下其變化幅度非常微小；HV瀝青經過長期老化后的R值較短期老化后的R值增大，且在3.2kPa下尤為明顯，這可能是由于在長期老化過程中，HV瀝青的相位角δ減小(見圖5)，材料中黏性成分下降，彈性成分占比增加，從而呈現出MSCR試驗結果中R值的增加.因此，MSCR試驗是否適用于評價瀝青的中溫疲勞特性及其適用的瀝青范圍還有待進一步的研究.

圖3 經過長期老化后70#基質瀝青的MSCR試驗典型曲線Fig.3 Typical curve of MSCR test of PAV aged 70# asphalt binder

圖4 4種瀝青在2種老化狀態下的平均彈性恢復率Fig.4 Average elastic recovery rate of four asphalts under two aging conditions

圖5 HV瀝青在2種老化狀態下的相位角變化Fig.5 Phase angle changes of HV asphalt under two aging conditions

2.4 LAS試驗

圖6是由LAS試驗得到的2種老化狀態下4種瀝青的應力-應變曲線.材料的剪切應力存在1個峰值，AASHTO TP 101-14規范將這個應力峰值定義為材料的疲勞失效點，即屈服應力，對應的應變稱為屈服應變.由圖6(a)可知：就短期老化之后的4種瀝青而言，70#基質瀝青有著最大的屈服應力和最小的屈服應變；SBS改性瀝青的曲線形式與之相似，但屈服應力較小，對應的屈服應變較大；而HV瀝青和SRC瀝青則呈現出不一樣的曲線形式，兩者在加載過程中的應力增長速率相對緩慢，且在達到應力峰值的前后出現了1段相對平緩的曲線.由圖6(b)可見：隨著老化程度的加劇，包括基質瀝青在內的4種瀝青的應力峰值均增大，這與王超[24]所得出的基質瀝青老化會增加疲勞失效點峰值應力的結論一致；對應的屈服應變大小仍然是：SRC瀝青>HV瀝青 >SBS 改性瀝青>70#基質瀝青，但HV瀝青和SRC瀝青沒有了圖6(a)中的平緩特性.這說明屈服應力或應變只是代表瀝青在重復荷載作用下的應力-應變承受能力，采用此種參數并不能完全表征材料的疲勞性能.

圖6 由LAS試驗得到的2種老化狀態下4種瀝青的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of four asphalts under two aging conditions from LAS test

基于前文對LAS試驗的理論說明，對試驗結果作進一步分析，繪制了圖7所示的損傷特征曲線，其中縱坐標C表示瀝青樣本的完整性參數(integrity parameter)，橫坐標D代表累積損傷參數(damage intensity).當C=1時，瀝青樣本處于未受損傷的完整狀態；而當C=0時，瀝青樣本已經完全破壞[25].當累積損傷參數D給定時，C越大，則材料抵抗損傷的能力越強.由圖7可知：在給定的累積損傷參數D下，SRC瀝青樣本的完整性最佳；70#基質瀝青則發生了明顯的破壞；在短期老化條件下，HV瀝青的完整性優于SBS改性瀝青，而在長期老化條件下2種瀝青的損傷特征曲線出現了交錯的現象，這可解釋為當損傷強度逐漸增大時，HV瀝青的抵抗損傷能力高于SBS改性瀝青，因此從曲線上表現出斜率較小的現象.然而，Xue等[11]認為，損傷特征曲線是表示在加載過程中材料所受到的損傷演化過程和疲勞壽命預測的基本特征，并不能僅以此作為依據來判定瀝青疲勞性能的好壞.

圖7 損傷特征曲線Fig.7 Damage characteristic curves

基于此，再根據VECD模型[26-27]的計算方法，推導出了4種瀝青在2種老化狀態下的疲勞方程，繪制疲勞壽命曲線如圖8所示.由圖8可知，當老化程度加劇時，4種瀝青的疲勞壽命均呈顯著下降趨勢，但SRC瀝青的抗疲勞性能仍然表現優異，比其他3種瀝青高出好幾個數量級，這或許得益于化學改性的方法使膠粉顆粒能夠更好地在瀝青質中發生溶脹，且與SBS顆粒形成三維網絡結構，從而提高了SRC瀝青抵抗累積損傷的能力.

圖8 疲勞壽命與應變水平關系圖Fig.8 Relationship between fatigue life and strain level

3 結論

(1)在RTFOT和PAV這2種老化狀態下，SRC瀝青的疲勞性能相較于其他3種瀝青更為優良，抵抗長期老化的能力也較為突出.

(2)在預設顯著性水平為0.05的條件下，瀝青種類對疲勞因子不具有顯著性影響，溫度掃描試驗不能很好地區分不同老化瀝青的疲勞性能差異.

(3)在MSCR試驗中，HV瀝青的平均彈性恢復率在長期老化后大于短期老化后的指標，與其他3種瀝青平均彈性恢復率的變化趨勢相反，其指標變化規律和適用的瀝青范圍有待進一步研究.

(4)時間掃描試驗和LAS試驗均可以有效地表征瀝青膠結料在重復荷載作用下的累積損傷發展過程，合理區分出不同瀝青的疲勞性能差異.但對于性能優良的HV瀝青和SRC瀝青，時間掃描試驗耗時相對較長；而LAS試驗耗時較短，并且當其采用基于黏彈性連續介質損傷理論時，可以不通過試驗直接計算出瀝青在不同應變水平下的疲勞壽命.因此建議采用LAS試驗進行老化瀝青疲勞性能的研究.