多种沥青混合料疲劳性能的比较

黄卫东，郑 茂，黄 明

（1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

目前国内外对沥青混合料疲劳性能的研究大多集中在对某种沥青混合料的疲劳性能影响因素研究、疲劳破坏判断方法以及疲劳方程的总结性推导，基质沥青及其混合料的疲劳性能研究的较为广泛和深入，鲜有各种改性沥青混合料疲劳性能的总体对比研究，故现有研究结果对中国现行改性沥青混合料设计较少有借鉴作用.Tsai等［1］曾进行多种沥青混合料的疲劳性能对比试验，混合料所用沥青为基质沥青、橡胶沥青和terminal blend（TB）胶粉改性沥青；Hajj等［2］也曾进行过关于高分子聚合物改性沥青混合料和TB胶粉改性沥青混合料疲劳性能的对比试验，试验中是以控制空隙率（体积分数）的方式成型改性沥青混合料试件，空隙率标准选定为7%.可见，在目前有限的进行多种沥青混合料疲劳性能的对比试验时，沥青种类选取并不全面，混合料成型试件控制指标标准选择的合理性也有待商榷.另外，由于沥青是一种黏弹性材料，因此沥青混合料会随着往复应力的加载而不断发生形变，同时又无时无刻不在进行着自愈合［3－5］.在进行沥青混合料疲劳性能试验研究时若忽视其自身的自愈合作用影响，有可能造成部分种类沥青混合料疲劳性能的测试结果与真实情况偏差较大.因此，为更加全面深入地反映多种沥青混合料的疲劳性能优劣，有必要在沥青混合料疲劳性能测试中考虑其自身的自愈合作用的影响.

本文共选取了11种沥青混合料，进行了未考虑自愈合作用和考虑自愈合作用的疲劳性能对比试验研究，以期为疲劳优先工况条件下沥青混合料设计及改性剂选择提供理论依据.

1 试验

1.1 沥青和改性剂

基质沥青采用70＃埃索沥青.橡胶沥青制备中选取浙江金华产40目（380μm）胶粉.TB 胶粉改性沥青、TB胶粉＋SBS改性沥青、TB胶粉＋PE（聚乙烯）改性沥青及TB 胶粉＋岩沥青改性沥青制备中一般采用30 目（550μm）或者更细的胶粉（TB 胶粉）.TB胶粉在沥青中发生脱硫反应.通常情况下TB胶粉改性沥青在储油罐中无需专门搅拌即可保持均匀分散，且储存稳定［6］.

本文所用改性沥青的改性方案如表1所示.基质沥青及各改性沥青路用性能均满足JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求.

表1 改性沥青的改性方案Table 1 Modification scheme of modified asphalt

1.2 集料和级配

粗集料（粒径≥2.36mm）采用江苏溧阳玄武岩碎石，细集料（粒径＜2.36mm）采用浙江安吉石灰岩碎石，填料使用浙江安吉石灰石矿粉.粗、细集料各项性能指标均能满足JTG F 40—2004规范要求.

基质沥青混合料采用AC－13和AC－20级配，硬沥青混合料采用AC－13级配，橡胶沥青混合料采用ARAC－13级配，改性沥青混合料均采用AC－13 级配.橡胶沥青混合料ARAC－13级配值采用美国Arizona州技术规范［7］推荐的级配值，其余沥青混合料级配值采用JTG F 40—2004规范所提供级配范围的中值.

1.3 试验方法

沥青混合料疲劳性能均采用BFA 试验机（四点弯曲试验机）进行测试.BFA 试验机为澳大利亚IPC公司产品，采用UTM 软件系统操作.沥青混合料试件为385mm（长）×65mm（宽）×50mm（厚）小梁.

1.4 疲劳寿命判断方法

Nf50法为AASHTO TP－8标准所推荐的沥青混合料疲劳寿命判断方法.Nf50法以50%的初始劲度模量减少作为沥青混合料疲劳寿命判断标准.

NfNM法为ASTM D 7460标准所推荐的沥青混合料疲劳寿命判断方法.NfNM法最先由Rowe等［8］研究提出.在NfNM法中，将沥青混合料疲劳破坏点定义为混合料归一化劲度次数积NM 在NM－荷载次数图中的峰值点.沥青混合料归一化劲度次数积NM 为：

式中：N 为加载次数；SN为第N 次加载时沥青混合料的劲度模量；S0为沥青混合料初始劲度模量，取第50次加载时沥青混合料的劲度模量；N0为初始加载次数，取50.

当NM 达到最大值时，对应的加载次数NfNM即为沥青混合料的疲劳寿命.

虽然NfNM法中提出了初始劲度模量S0选取第50次加载时的劲度模量，但针对每一次试验其为定值，NM 最大值的出现与S0无关，故此时的NfNM与S0的取值无关.

需要特别说明的是：

（1）Nf50法是以50%的初始劲度模量减少作为沥青混合料疲劳寿命的判断标准，而NfNM法是以NM 峰值点作为沥青混合料疲劳破坏点，通常此时沥青混合料劲度模量较初始劲度模量减少30%～15%，一般的沥青混合料在此条件下均能达到NM峰值点.因此，对同一沥青混合料，采用NfNM法判断获得的疲劳寿命会高于采用Nf50法判断获得的疲劳寿命.

（2）笔者在试验过程中发现，基质沥青混合料的自愈合能力较弱，且依据Nf50法判断获得的基质沥青混合料疲劳寿命试验数据的变异系数比依据NfNM法判断获得的基质沥青混合料疲劳寿命试验数据的变异系数小.由于Nf50法对疲劳寿命的判定结果更能客观地反映基质沥青混合料的疲劳性能，故本文均采用Nf50法作为基质沥青混合料疲劳寿命判断方法.

（3）改性剂的存在使得改性沥青有着比基质沥青更好的韧性与弹性，在发生50%的初始劲度模量减少时，改性沥青混合料通常远未发生疲劳破坏.同时，改性沥青混合料初始劲度模量较大，基于BFA试验机本身对初始劲度模量的检测具有不稳定性，越大的初始劲度模量越难以准确测定，因此加载50次时改性沥青混合料初始劲度模量值变化较大，这是导致改性沥青混合料Nf50数据离散性较大的原因.另一方面，与初始劲度模量无关的改性沥青混合料NfNM数据变异系数较小，相对稳定，可信度更高.由于NfNM法对疲劳寿命的判定结果更能客观反映改性沥青混合料的疲劳性能，因此本文采用NfNM法作为改性沥青混合料疲劳寿命的判断方法.

2 设计空隙率下的多种沥青混合料疲劳性能对比

在沥青混合料设计方法中，空隙率是一个关键性的体积指标.在一定的工况条件下，若疲劳寿命是需要考虑的指标之一，在设计中究竟选用何种沥青混合料最合适，有必要进行多种沥青混合料在各自适宜设计空隙率下的疲劳性能对比.在本研究中，由于ARAC－13橡胶沥青级配采取美国Arizona州技术规范［7］推荐的级配值，因此橡胶沥青混合料设计空隙率也采用该技术规范要求的5.5%，其余种类沥青混合料按JTG F 40—2004 规范要求均采用4.0%的设计空隙率.

2.1 未考虑自愈合作用的多种沥青混合料疲劳寿命对比

沥青混合料疲劳试验选取应变控制方法进行，应变量选为1 000×10－6.同一条件下安排多次平行疲劳试验，去除误差大于20%的疲劳试验数据，保证最终获取误差最小的2个疲劳试验数据进行分析比较.未考虑自愈合作用的沥青混合料疲劳试验数据见表2.

当未考虑自愈合作用时，在各自的设计空隙率下，多种沥青混合料疲劳寿命排序如表3所示.

从表3可以清楚地看到，当未考虑自愈合作用时，在对应的设计空隙率下，AC－13TB 胶粉＋SBS改性沥青混合料具有最好的疲劳寿命，随后依次为ARAC－13橡胶沥青混合料、AC－13SBS改性沥青混合料、AC－13TB胶粉＋岩沥青改性沥青混合料等.在未考虑自愈合时，AC－13TB 胶粉＋SBS 改性沥青混合料具有最佳的疲劳寿命，这是由于脱硫后的橡胶成分和SBS在复合改性过程中可较好地融合，能有效改善沥青的空间结构，因此混合料表现出优良的抗疲劳性能.

2.2 考虑自愈合作用的多种沥青混合料疲劳寿命对比

根据先期有关沥青混合料自愈合作用的研究［9］，本文设定沥青混合料经历的自愈合过程为：加载Nf50次的基质沥青混合料试件和加载NfNM次的改性沥青混合料试件在50℃下保温4h，再于15℃下静置24h.将经历了自愈合过程的小梁试件进行应变量为1 000×10－6的四点弯曲疲劳试验，测得各沥青混合料的疲劳寿命，再将此疲劳寿命与表2中各沥青混合料的疲劳寿命相加，即得到考虑自愈合作用的各沥青混合料疲劳寿命（见表4）.当考虑自愈合作用时，在各自的设计空隙率下，多种沥青混合料的疲劳性能排序见表5所示.

表2 未考虑自愈合作用的沥青混合料疲劳试验数据Table 2 Data of asphalt mixture fatigue tests without considering self－healing effect

表3 未考虑自愈合作用的多种沥青混合料疲劳寿命排序Table 3 Order of fatigue lives of various kinds of asphalt mixture without considering self－healing effect

表4 考虑自愈合作用的沥青混合料疲劳试验数据Table 4 Data of asphalt mixture fatigue tests considering self－healing effect

表5 考虑自愈合作用的多种沥青混合料疲劳寿命排序Table 5 Order of fatigue lives of various kinds of asphalt mixture considering self－healing effect

由表5可见，当考虑自愈合作用后，在各自的设计空隙率下，ARAC－13橡胶沥青混合料具有最好的疲劳寿命，随后依次为AC－13TB胶粉＋SBS改性沥青混合料、AC－13SBS 改性沥青混合料和AC－13 TB胶粉＋岩沥青改性沥青混合料等.

由表3可见，考虑自愈合作用后，ARAC－13橡胶沥青混合料的疲劳寿命超越了AC－13TB胶粉＋SBS改性沥青混合料，排在所有沥青混合料中的第1位.可见，在考虑自愈合作用后，沥青混合料的疲劳寿命排序有所改变，在沥青混合料疲劳寿命的研究中应该充分考虑自愈合作用.

由表3，5可见，不管是否考虑自愈合作用，AC－13TB胶粉＋SBS改性沥青混合料与ARAC－13橡胶沥青混合料的疲劳寿命均远大于排在第3 位的AC－13SBS改性沥青混合料，达到AC－13基质沥青混合料疲劳寿命的100倍以上，而AC－13SBS改性沥青混合料为AC－13 基质沥青混合料疲劳寿命的30多倍.从抗疲劳性能的角度考虑，AC－13 TB 胶粉＋SBS改性沥青混合料与ARAC－13橡胶沥青混合料均远优于AC－13SBS改性沥青混合料，特别是AC－13TB胶粉＋SBS改性沥青混合料在沥青用量和空隙率都与AC－13SBS改性沥青混合料相当的情况下，其抗疲劳性能远远优于AC－13SBS改性沥青混合料.

3 结语

（1）当未考虑自愈合作用时，AC－13TB胶粉＋SBS改性沥青混合料具有最好的疲劳寿命，随后依次为ARAC－13 橡胶沥青混合料、AC－13SBS 改性沥青混合料和AC－13TB胶粉＋岩沥青改性沥青混合料等.

（2）当考虑自愈合作用后，ARAC－13橡胶沥青混合料具有最好的疲劳寿命，随后依次为AC－13 TB胶粉＋SBS 改性沥青混合料、AC－13SBS 改性沥青混合料和AC－13TB胶粉＋岩沥青改性沥青混合料等.

（3）由于脱硫橡胶成分的存在，AC－13TB胶粉＋SBS改性沥青混合料在沥青用量及空隙率与AC－13 SBS改性沥青混合料相当的情况下，其疲劳寿命远远优于后者，AC－13TB 胶粉＋岩沥青改性沥青混合料，AC－13TB胶粉＋PE改性沥青混合料，AC－13 TB胶粉改性沥青混合料的疲劳寿命与AC－13SBS改性沥青亦大致相当.因此TB 胶粉改性沥青混合料及其各类复合改性沥青混合料具有极大的科研和应用价值.

［1］TSAI B，JONES D，HARVEY J，et al.Reflective cracking study：First－level report on laboratory shear testing［R］.California：University of California Pavement Research Center，2007.

［2］HAJJ E Y，SEBAALY P E，HITTI E，et al.Performance evaluation of terminal blend tire rubber HMA and WMA mixtures—Case studies［R］.Reno：Western Regional Superpave Center，2007.

［3］ABU AL－RUB R K，DARABI M K，LITTLE D N，et al.A micro－damage healing model that improves prediction of fatigue life in asphalt mixes［J］.International Journal of Engineering Science，2010，48（11）：966－990.

［4］GARCIA A.Self－healing of open cracks in asphalt mastic［J］.Fuel，2012，93：264－272.

［5］BHASIN A，LITTLE D N，BOMMAVARAN R，et al.A framework to quantify the effect of healing in bituminous materials using material properties［J］.Road Materials and Pavement Design，2008，9（S1）：219－242.

［6］黄卫东，李彦伟，杜群乐，等.橡胶沥青及其混合料的研究与应用［M］.北京：人民交通出版社，2013：7－8.HUANG Weidong，LI Yanwei，DU Qunle，et al.Research and application on asphalt rubber and asphalt rubber mixture［M］.Beijing：China Communications Press，2013：7－8.（in Chinese）

［7］D ＆E－2 Standard specifications for road ＆bridge construction［S］.

［8］ROWE G M，BOULDIN M G.Improved techniques to evaluate the fatigue resistance of asphaltic mixtures［C］∥Proceedings of 2nd Euro Asphalt and Euro Bitumen Congress.Barcelona：Foundation Eurasphalt，2000：754－763.

［9］黄明，汪翔，黄卫东.橡胶沥青混合料疲劳性能的自愈合影响因素分析［J］.中国公路学报，2013，26（4）：16－22，35.HUANG Ming，WANG Xiang，HUANG Weidong.Analysis of influencing factors for self－healing of fatigue performance of asphalt rubber mixture［J］.China Journal of Highway and Transport，2013，26（4）：16－22，35.（in Chinese）