沥青疲劳特性的研究＊

单丽岩 谭忆秋 李晓琳

(哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 哈尔滨 150090)

0 引 言

沥青及沥青混合料的疲劳问题多年来一直是国内外研究的热点课题.而目前,单纯研究沥青疲劳特性的较少,多数研究者都着眼于改性沥青或沥青胶浆疲劳特性的研究.袁燕[1]通过连续加载模式(包括：应力控制和应变控制2种)下的疲劳试验,研究了改性沥青的疲劳特性.李晓民[2]通过连续加载应变控制模式下的疲劳试验,分析了重复荷载作用下沥青胶浆的性能变化规律.A.Shenoy[3]采用连续加载应变控制模式,进行了不同温度下沥青胶浆的疲劳试验.虽然改性沥青或沥青胶浆与沥青的疲劳特性存在相似之处,但由于改性剂或胶浆的作用,并不能完全代表沥青的疲劳特性.相反,基质沥青的疲劳特性才是改性沥青、沥青胶浆乃至沥青混合料疲劳特性的基础.对基质沥青疲劳特性的研究是势在必行的.

以上研究均采用的是连续加载模式,而在实际沥青路面的使用过程中,车辆荷载对路面的作用是存在间歇时间的,即荷载的作用是不连续的.研究间歇加载模式下沥青的疲劳特性更具有现实意义.早在20世纪70年代,K.D.Rainthby和A. B.Sterling[4]就开始进行间歇荷载作用下沥青疲劳特性的研究.之后Bahia[5]利用DSR对不同的沥青结合料进行了间歇加载疲劳试验.研究表明：间歇时间对沥青的疲劳性能有重要影响.对于沥青的自愈性,目前已经得到研究者们的普遍认可[6-7],但荷载停止作用后沥青的自愈能力究竟达到什么程度目前还没有研究.

针对以上问题,本文研究了连续加载模式下, 2种沥青的疲劳特性;采用4种疲劳评价指标(50%G＊,DER,DR,δ)对其疲劳特性进行了评价,并对沥青的自愈能力进行了初步的探讨.

1 材料及试验

对于连续加载模式下沥青疲劳特性的研究,选用了2种70号基质沥青,分别记为A70#和B70#.采用DSR对沥青施加连续荷载,荷载采用应力控制模式.为了比较沥青在不同应力水平下的疲劳特性,选用了3种应力水平100,200和300 kPa.试验温度采用15℃.

对于沥青自愈能力的研究,选用90号基质沥青进行研究.同样借助于DSR对沥青施加连续荷载,荷载大小为300 kPa.当沥青的模量降低为初始模量的6%左右时,停止荷载作用.之后每隔一段时间,测量沥青的模量.试验温度同样采用15℃.

2 试验结果及分析

2.1 连续加载模式下沥青疲劳特性的研究

图1～3为3种应力水平下,沥青的模量随荷载作用次数的变化情况.由图可见,沥青的疲劳性能随着应力的增大而降低.当控制应力较大时,模量随着荷载作用次数的增加而减小;当控制应力较小时,模量随着荷载的作用次数的增加先增大后减小.袁燕在研究沥青胶浆的疲劳特性时也发现这一现象,并称这种现象为硬化现象,认为是由于分子取向造成的.在3种应力水平下,2种沥青的疲劳曲线间的关系有明显差异,主要表现为初始模量的大小及模量随荷载作用次数的衰减情况.当控制应力为100 kPa时,虽然A70#的初始模量大于B70#,但其疲劳性能并不比B70#好,这是由于在荷载作用下其性能下降的速度快.而当控制应力为200 kPa时,A70#的初始模量和抗疲劳性能始终优于B70#.由此可见控制应力对沥青的疲劳特性有重要影响.

图1 应力为100 kPa时沥青的疲劳曲线

图2 应力为200 kPa时沥青的疲劳曲线

图3 应力为300 kPa时沥青的疲劳曲线

为了进一步比较2种沥青的疲劳特性,分别采用复数模量降低为初始复数模量50%的荷载作用次数(50%G＊)、累计耗散能比(DER)、耗散能变化率(DR)和相位角(δ)评价沥青的疲劳寿命.DER和DR的定义见式(1)和式(2).

采用以上指标所得到的2种沥青的疲劳寿命如表1所列.由表可见,对于同种沥青,采用不同的疲劳评价指标所得的疲劳寿命差异较大.此外,不同应力水平下,所得到的2种沥青的疲劳寿命关系不一致.当应力为100 kPa时,B70#的疲劳寿命大于A70#;当应力为200 kPa时,B70#的疲劳寿命小于A70#;而当应力为300 kPa时,采用不同的疲劳评价指标所得的疲劳寿命不同.这与在不同应力水平下,2种沥青疲劳曲线的关系不一致有关,如图1～3所示.将不同应力、不用疲劳评价指标下沥青的疲劳寿命绘制在同一图中,如图4所示.由图可见,随着应力水平的增加, 2种沥青之间疲劳特性的差异逐渐减小.由此说明虽然这几种沥青疲劳评价指标能在一定程度上反映沥青的疲劳特性,但均存在一定不足,不能对沥青的疲劳特性进行确切的评价.

图4 不同评价指标下两种沥青的疲劳寿命

表1 不同评价指标下两种沥青的疲劳寿命

2.2 沥青自愈能力的研究

图5为沥青模量随时间变化的恢复情况.

图5 沥青的模量随时间的恢复情况

由图可见,荷载停止作用初期沥青模量的恢复程度较大,之后随着时间的增加沥青模量的恢复程度逐渐趋于平缓.采用二次多项式对模量随时间的变化情况进行回归,可以得到如图中所示的回归方程.将方程简写为Ax2+Bx+C,该方程可以很好地模拟沥青模量的恢复情况.当荷载停止作用40 h后,沥青的复数模量基本恢复到初值,但弹性模量和粘性模量的比例发生了变化.正是由于沥青的自愈能力,单纯采用连续加载模式研究沥青的疲劳特性是不合适的.应该考虑到自愈性对沥青疲劳特性的影响.

3 结 论

1)沥青的疲劳性能随着应力的增大而降低.当控制应力较大时,模量随着荷载作用次数的增加而减小;当控制应力较小时,模量随着荷载的作用次数的增加先增大后减小.

2)50%G＊,DER,DR,δ这几种疲劳寿命评价指标均存在一定的不足,不能确切区分不同沥青的疲劳特性.

3)沥青的自愈性对沥青的疲劳特性有重要影响.荷载停止作用初期,沥青模量的恢复程度较大.当时间足够长时,沥青的模量可以恢复到初始值,但粘弹比例发生了变化.

[1]袁 燕.改性沥青胶浆的疲劳性能评价[D].广州：华南理工大学土木与交通学院,2005.

[2]李晓民.基于流变特性的沥青胶浆评价方法及性能的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学交通科学与工程学院,2006.

[3]Shenoy A.Fatigue testing and evaluation of asphalt binders using the dynamic shear rheometer[J].Journal of Testing and Evaluation,2002,30(4)：303-305.

[4]Raithby K D,Sterling A B.Effect of rest periods on fatigue performance of hot-rolled asphalt under reversed axial loading[J].Association of Asphalt Paving Technologists,1970,39：134-147.

[5]Bahia H,Zhai H,Bonnetti K.Non-linear viscoelastic and fatigue properties of asphalt binders[J].The Juournal of Association of Asphalt Paving Technologists,1999,68：1-34.

[6]刘洪海,吴少鹏,玄东兴.沥青路面碾压离析的试验研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版, 2004,28(6)：899-902.

[7]董泽蛟,曹丽萍,谭忆秋.饱和状态沥青路面动力响应的过程分析[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版,2009,33(6)：1 033-1 036.