沥青品种对浇筑式沥青混凝土疲劳性能的影响

郝 增 恒

(1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074;2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400060)

浇筑式沥青混凝土(Gussasphalt，GA)一般不需要碾压，只需简单的摊铺整平就可完成施工［1］。浇筑式沥青混凝土的胶结料为湖沥青、普通改性沥青或二者的混合物以及聚合物改性沥青，油石比非常高(约为 7% ～11%)，拌合温度很高(210～240℃)，矿粉含量(24% ～31%)比普通沥青混凝土高出3倍，拌合时间非常长，约为40～45 min。浇筑式沥青混凝土较高的沥青含量及细集料使粗集料处于悬浮状态，是典型的悬瀑密集配结构，空隙率非常小(不足1%)。

国内研究者对浇筑式沥青混凝土的疲劳性能也开展了一些研究。吴文军［2］采用正交试验方案设计原理，研究了沥青含量、应变水平、拌合温度等因素对浇筑式沥青混凝土的抗疲劳性能的影响，得出了不同影响因素下浇筑式沥青混凝土疲劳寿命预估方程;张华，等［3-4］采用耗散能量法对浇筑式沥青混凝土的抗疲劳开裂性能进行了深入研究，研究结果表明浇筑式沥青混凝土的疲劳寿命与累积耗散能在双对数坐标下存在良好的线性关系，并且将浇筑式沥青混凝土的劲度模量随加载次数的累积分为3个阶段，以此建立了新的疲劳破坏判定方法。

浇筑式沥青混凝土虽然有优异的抗疲劳性能、防水性能和低温抗变形能力。但是在恶劣的交通和气候环境下，铺装结构层也出现了疲劳裂缝［5］。笔者通过不同胶结料对浇筑式沥青混凝土疲劳性能的影响进行了研究。

1 疲劳试验方案

1.1 试验条件

试验设备采用的是澳大利亚IPC公司生产的BFA液压独立式四点弯曲疲劳试验机。可以自动计算并显示每一时刻的弯曲劲度模量、耗散能、弹性模量、滞后角和循环加载次数等。且能自动判断疲劳破坏条件，为评价浇筑式沥青混凝土疲劳性能提供了多方面途径。

疲劳试验方法：四点小梁弯曲;加载波形：Haversine(偏正弦波);加载频率：10 Hz;试验温度：15℃;应变水平：700 ×10－6;油石比：8.7;试件尺寸：385 mm×65 mm×50 mm。疲劳破坏判断标准：劲度模量下降至初始劲度模量的50%(循环加载第100次时的劲度模量为初始劲度模量)。

1.2 胶结料和级配的选择

因为浇筑式沥青混凝土需要在高温下浇注施工，所以要求混合料有非常好的流动性，必然要求浇筑式沥青混凝土的胶结料有较高的黏度。PmB25在德国广泛应用于浇筑式沥青混凝土施工中。国内通常选用SBS改性剂、湖沥青、基质沥青进行复合改性，其中SBS的含量约为4% ～6%，湖沥青的掺量为15%～25%之间。试验研究选用了SBS复合改性沥青、PmB25以及由重庆智翔铺道技术工程有限公司自主研发的聚合物改性沥青(ZX-30)，技术指标见表1。浇筑式沥青混凝土在工程应用中油石比选取范围为8.0～9.5，所以文中研究选取的油石比为：8.2，8.7 和 9.2，这可以较好的表征浇筑式沥青混凝土的路用性能，混合料性能路用性能见表2，级配见表3。

表1 改性沥青技术指标Table 1 Technology index of modified asphalt

表2 不同改性沥青GA10性能试验结果Table 2 GA10 performance test results with different types of modified asphalt

表3 浇筑式沥青混凝土级配Table 3 Gradation of gussasphalt concrete /%

2 疲劳试验结果分析

2.1 劲度模量结果分析

沥青混凝土的劲度模量是一个非常重要的材料特性指标［5］。四点小梁弯曲在应变控制下的疲劳试验是以劲度模量下降至初始劲度模量的50%作为疲劳破坏标准［6-7］。因此，劲度模量变化规律可以准确表征浇筑式沥青混凝土疲劳行为特性，试验结果见图1。

图1 劲度模量与加载次数Fig.1 Loading cycles and stiffness modulus

从图1可知，不同改性沥青拌合的浇筑式沥青混凝土的初始劲度模量差异较大。油石比为8.2时，PmB25拌合的浇筑式沥青混凝土的初始劲度模量最大，为12 216 MPa;SBS复合改性次之，为9 082 MPa;ZX-30最小，为8 610 MPa。油石比为8.7和9.2时，浇筑式沥青混凝土的初始劲度模量也是PmB25最大，SBS复合改性次之，ZX-30最小的规律。不难看出，浇筑式沥青混凝土采用硬质沥青(高黏度沥青)和较高的沥青用量，浇筑式沥青混凝土的初始劲度模量由选用的不同沥青品种的黏度所决定。改性沥青的低温黏度越高，其初始劲度模量也越大，随着沥青用量的增加，初始劲度模量降低。

2.2 疲劳性能分析

沥青混凝土在室内测试的疲劳试验结果离散性比较大，四点弯曲疲劳试验中的小梁试件处于简支的状态，单向受拉，而沥青混凝土在实际中是受到基层支承，受力状态为双向弯拉。所以在应用中呈现的疲劳寿命远远高出室内测试的疲劳寿命［8］。试验结果见图2。

图2 加载次数与沥青品种Fig.2 Loading cycles and asphalt species

图2为3种沥青胶结料在700应变水平下的疲劳寿命，由图2可知沥青品种对浇筑式沥青混凝土的疲劳性能影响比较显著，SK复合改性沥青和ZX-30改性沥青拌和的浇筑式沥青混凝土均呈现出优异的抗疲劳性能，加载循环次数达到了100万次以上。PmB25拌和的浇筑式沥青混凝土疲劳寿命较短，循环次数只有几万次。

随着SK复合改性沥青和ZX-30改性沥青用量的增加，疲劳寿命有显著提高，而PmB25使用量的增加其疲劳寿命变化较小。

2.3 滞后角分析

滞后角是一个表征沥青混凝土材料的黏弹比大小的指标，滞后角越大，沥青混合料越倾向于黏性，反之则倾向于弹性［9］。滞后角计算见式(1)：

θ=360f s (1)式中：f为加载频率;s为应变随应力产生滞后的时间。

相同油石比条件下，浇筑式沥青混凝土的初始滞后角的变化受胶结料技术性能的影响较大，说明不同的胶结料对浇筑式沥青混凝土的黏弹性影响比较大。浇筑式沥青混凝土的初始滞后角表现为：SBS复合改性沥青＞ZX-30＞PmB25。加载初期，浇筑式沥青混凝土的滞后角增幅明显，加载中期和末期，滞后角增幅逐渐减小。SBS复合改性沥青和ZX-30改性沥青的滞后角增加的速率小于PmB25。但是SBS复合改性沥青和ZX-30累积的加载次数显著高于PmB25，所以在一定程度上滞后角反映了浇筑式沥青混合料抵抗加载变形的能力，滞后角与加载次数见图3。

图3 加载次数与滞后角Fig.3 Loading cycles and lag angles

3 结语

笔者通过应变控制模式下的小梁4点弯曲疲劳试验，对浇筑式沥青混合料结合料的疲劳特性进行了深入研究。得出沥青品种对浇筑式沥青混合料的疲劳性能影响非常显著，不同沥青品种和沥青用量下，其劲度模量是有明显差别的。复合SK改性沥青和ZX-30改性沥青拌合的浇筑式沥青混凝土均呈现出优异的抗疲劳性能，加载循环次数达到了100万次以上。不同胶结料对浇筑式沥青混合料的黏弹性能影响较大，浇筑式沥青混合料的滞后角愈大则疲劳寿命愈好。

［1］吴文军，张华，钱觉时.浇筑式沥青混凝土应用现状综述［J］.公路交通技术，2009，6(3)：59-62.Wu Wenjun，Zhang Hua，Qian Jueshi.Summarization of the research and application status of gussasphalt concrete［J］.Technology of Highway and Transport，2009，6(3)：59-62.

［2］吴文军.浇筑式沥青混凝土疲劳特性研究［D］.重庆：重庆大学，2009.Wu Wenjun.Study on the Fatigue Performance of Gussasphalt Concrete［D］.Chongqing：Chongqing University，2009.

［3］张华.浇筑式沥青混凝土(GA)疲劳特性研究［D］.重庆：重庆大学，2010.Zhang Hua.Fatigue Performance of Gussasphalt Concrete(GA)［D］.Chongqing：Chongqing University，2010.

［4］张华，钱觉时，吴文军，等.浇筑式沥青混凝土疲劳寿命的能量法［J］.土木建筑与环境工程，2010，32(4)：135-140.Zhang Hua，Qian Jueshi，Wu Wenjun，et al.Research on the fatigue life of Gussasphalt concrete based on energy method ［J］.Journal of Civil Architectural and Environmental Engineering，2010，32(4)：135-140.

［5］Van Dijk W，Moreaud H，Quedeville A，et al.The fatigue of bit-umen and bituminous mixes［C］//3rdInternational Conference on StructuralDesign ofAsphaltPavements. London： Grosvenor House，1972：38-74.

［6］Castro M，Sanchez J A.Estimation of asphalt concrete fatigue curves-a damage theory approach［J］.Construction and Building Materials，2008，22(6)：1232-1238.

［7］Lin Ye.On fatigue damage accumulation and material degradation in composite materials ［J］.Composites Science and Technology，1989，36(4)：339-350.

［8］沈金安.沥青及沥青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2001.Shen Jin’an.Asphalt and Asphalt Mixture Performance［M］.Beijing：China Communications Press，2001.

［9］张肖宁.沥青与沥青混合料的粘弹力学［M］.北京：人民交通出版社，2006.Zhang Xiaoning.Asphalt and Asphalt Mixture Visco-Elastic Mechanics［M］.Beijing：China Communications Press，2006.