PE改性沥青混合料疲劳性能研究

佘满汉，邓星鹤

(1.湖南科技学院，湖南永州 425100;2.广东华路交通科技有限公司，广东广州 510550)

沥青混合料在特定的气候、荷载环境下抵抗车辆重复荷载而不开裂的能力称之为疲劳性能。沥青混合料是一种内部不完全均匀的材料，在车轮荷载和气候环境等的重复作用下，其内部产生的应力集中使得混合料产生微裂隙，微裂隙的逐渐累积使得路面结构的强度呈降低趋势，当应力超过路面结构抗力时，路面出现疲劳裂缝，称为疲劳断裂。一般采用达到疲劳破坏时的疲劳强度(重复应力的大小)和疲劳寿命(作用次数)来表示沥青混合料的抵抗疲劳破坏的能力。目前，国内对废旧沥青混合料的再生研究主要集中在普通沥青混合料和SBS改性沥青混合料等，PE改性沥青混合料再生的研究较少涉及，故本文通过试验室模拟沥青混合料的老化和再生，研究PE改性沥青混合料的疲劳性能。

1 混合料组成设计

1.1 材料选择和混合料设计

试验采用的新拌PE改性沥青混合料中沥青是PE改性沥青，集料选用的是用来自海南境内的石灰岩。级配选用AC－16，PE改性沥青主要参数见表1，级配见图1，最佳沥青用量下的马歇尔试验结果和体积参数见表2。

表1 PE改性沥青主要指标试验结果

表2 新拌PE改性沥青混合料试验结果

1.2 老化方法

短长期老化分别是用于模拟沥青混合料施工过程中和路面使用过程中的老化，老化方法为《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20－2001)》T 0734 －2000。

1.3 再生方案

旧料均为上述长期老化后的混合料;掺入的新混合料分别为道路A级70号沥青混合料、PE改性沥青混合料，新混合料的级配见图1;再生剂为OP－1100(占旧沥青质量的20%左右)，旧沥青的性能可以恢复到规范所规定的下限值;新混合料与旧混合料的质量比为15∶85，再生剂与旧沥青混合料质量比为1∶100。

图1 AC－16级配曲线

2 试验设计

2.1 试件制备

试验材料包括新拌PE改性沥青混合料、长期老化后的PE改性沥青混合料、再生混合料(用于再生的新料分别为70号沥青混合料和PE改性沥青混合料，新料与旧料的质量比为15∶85，再生剂为OP－1100，掺量为1%)，按现行沥青混合料试验规程制作标准车辙板试件，然后切割成50 mm×50 mm×300 mm的小梁试件备用。

2.2 试验设备

采用美国进口的Material Test System-810进行直接拉伸疲劳试验，见图2。

图2 材料试验系统Material Test System－810

2.3 试验参数、荷载控制模式

加载波形和频率:正弦波、10 Hz;应力比:0.4、0.5、0.7，其对应的应力大小见表3;试验的温度:15℃;试验结束准则:试件破坏;养护条件:15℃的环境下养护不低于6 h;荷载控制模式:应力控制模式。

3 试验结果

对4种不同的混合料进行抗拉强度试验，这是为了确定沥青混合料在不同应力水平值下的疲劳荷载大小，加载速率为5 mm/min，试验结果见表3。

表3 混合料抗拉强度及各应力水平下的应力值

按上述不同应力水平值下进行小梁直接拉伸疲劳试验，试验结果见表4。

表4 直接拉伸疲劳试验结果

4 试验结果分析

传统的疲劳力学响应模型、耗散能疲劳模型和断裂力学疲劳模型是沥青混合料的3种疲劳模型，这分别对应于不同的疲劳研究方法，其中较为常用的是前两种疲劳模型，本论文采用传统的疲劳力学响应模型应力－应变模型分析。根据有关研究表明，下式可用来表示应力水平σ、应力比si与疲劳寿命Nf在双对数坐标上的线性关系。

公式中:K、n为试验确定的回归系数;σ、si分别为应力水平，MPa、应力比;Nf为疲劳寿命，次。

式(1)、式(2)的区别只在于K值的不同，其拟合出来的幂次项基本上是相同的，本文采用公式(2)对试验数据进行拟合，拟合的结果见表5，拟合曲线见图3～图6。

表5 直接拉伸疲劳方程拟合结果

混合料的疲劳性能是由方程中的回归系数K与n来反映的。K值的大小可体现疲劳曲线线位的高低和反映混合料疲劳性能的优劣;n值则表示双对数坐标下的疲劳曲线的斜率并且能体现疲劳寿命的敏感度。K值越大，则曲线的线位越高，材料的疲劳性能就越好;n值越大，疲劳曲线的斜率越大，体现为混合料的疲劳寿命对不同的应力水平越敏感。

由表5中的拟合数据可得到以下结论:

1)K值的变化。

经过长期老化以后的PE改性沥青混合料，K值下降，旧料与新料K值的比值为1∶3.27，K值在混合料再生后又明显增大，在此，70号沥青再生混合料的K值小于PE改性沥青再生混合料。从上文可知，K值越大，材料的疲劳性能就越好，所以只比较K值，可知PE改性沥青再生混合料比70号沥青再生混合料的疲劳性能更优越。

图3 新拌PE改性沥青混合料疲劳方程拟合曲线

图4 PE改性沥青再生混合料疲劳方程拟合曲线

图5 70号沥青再生沥青混合料疲劳方程拟合曲线

图6 长期老化PE改性沥青混合料疲劳方程拟合曲线

2)n值的变化。

n值的变化范围在4.8～5.3之间，范围不大，表明新拌、老化以及再生沥青混合料的疲劳寿命在不同的应力水平下的敏感性变化不大。

由图3～图7的拟合曲线可知:

在同一应力的作用下，旧混合料的疲劳寿命比新混合料与再生混合料明显要低，经过再生以后的旧混合料的疲劳寿命有显著提高，且PE改性沥青再生混合料比70号沥青再生混合料的疲劳性能更优越。

图7 各沥青混合料疲劳方程拟合曲线

5 结论

1)得到新拌PE改性沥青混合料、长期老化PE改性沥青混合料、70号沥青再生混合料、PE改性沥青再生混合料的疲劳方程。

2)疲劳方程中，K值的大小表征疲劳曲线线位的高低，即疲劳性能的好坏，文中结果显示4种混合料疲劳性能排序为:新拌PE改性沥青混合料＞PE改性沥青再生混合料＞70号沥青再生混合料＞短长期老化后PE改性沥青混合料，新拌PE改性沥青混合料和PE改性沥青再生混合料的疲劳性能较好。

3)老化对混合料疲劳寿命影响较大。

4)沥青混合料的疲劳性能对于应力水平的敏感性较小。

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