抗车辙剂对沥青混合料疲劳性能影响的试验研究

沈武宪

(新疆希尔路桥工程有限公司，新疆 乌鲁木齐　830011)



抗车辙剂对沥青混合料疲劳性能影响的试验研究

沈武宪

(新疆希尔路桥工程有限公司，新疆 乌鲁木齐830011)

为了更好地探讨抗车辙剂加入后沥青混合料的疲劳性能，通过室内试验研究抗车辙剂掺量、应力比和温度等变量对沥青混合料疲劳寿命的影响。并通过回归分析得到应力疲劳方程。结果表明，相同条件下，沥青混合料疲劳寿命随抗车辙剂掺量增多而增大，k值随抗车辙剂掺量的增多明显增大，而|n|值随着抗车辙剂掺量的增多呈现逐渐降低的变化规律，说明抗车辙剂掺量越多，沥青混合料疲劳寿命对应力比的变化的敏感性越低；沥青混合料的疲劳寿命随应力比的增大而降低，疲劳寿命随抗车辙剂掺量的变化趋势越大，其中当应力比超过0.3时，疲劳寿命大幅降低；温度越高，沥青混合料疲劳寿命和k值越小。

；道路工程；抗车辙剂；沥青混合料；疲劳性能；疲劳寿命

0　引言

在社会经济快速发展的同时，我国道路交通随之出现了诸多问题，其中日益增长的交通量和日趋严重的交通渠化，以及普遍的超载重载现象，对沥青路面的使用性能提出了很高的挑战，沥青路面车辙现象日益突出[1-3]。车辙不仅降低了路面的使用品质，缩短了路面使用寿命，而且严重影响了行车的安全性和舒适性[4-6]。沥青混合料模量不足是导致车辙的重要因素，在车辆荷载的重复作用下，沥青路面变形不断累积，最终导致车辙的出现和疲劳破坏[7-9]。研究表明，在沥青混合料中添加抗车辙剂能显著提高沥青混合料的模量，使沥青混合料的高温稳定性得到明显改善[10-12]。然而抗车辙剂对沥青混合料疲劳性能的影响究竟如何，国内同行鲜有研究。基于此，本文通过试验，研究抗车辙剂掺量、应力比和温度等对沥青混合料疲劳寿命的影响，为抗车辙剂在沥青路面中的进一步应用打下理论基础。

1　试验

1.1原材料

沥青选用AS70#基质沥青，其基本技术指标如表1所示；粗细集料选用玄武岩，矿粉为磨细的石灰石粉，其各项技术指标均能满足规范要求；抗车辙剂选用常州筑威建筑材料有限公司生产的DXG-2抗车辙剂，外观为纯黑色颗粒状固体，由多种聚合物复合而成，具有良好的物理力学性能；混合料级配采用SMA-16，其合成级配如表2所示。

1.2试验方法

采用美国SHRP计划选定的三分点弯曲疲劳试验评价橡胶沥青混合料的疲劳性能[10]。试验采用MTS材料试验机控制加载，力传感器的精确度为1 N，位移控制精度为0.001 mm，采用环境箱控制温度，精确到0.1，平行试验次数为3次。

表1 沥青的基本技术指标类别针入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)软化点/℃延度(5cm/min,5℃)/cm闪点/℃RTFOT后质量损失/%实测值67.859.0>1002850.45技术标准60.0～80.0≥46.0>100≥260.0±0.8

表2 沥青混合料合成级配级配类型通过下列筛孔(mm)的质量百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075通过率上限100100856532242218151412通过率下限100906545201514121098合成级配10095755526191816131110

2　疲劳寿命

测定不同抗车辙剂掺量(0%、0.5%、0.6%和0.7%)、不同应力比(0.2、0.3和0.4)和不同温度(15 ℃、20 ℃和25 ℃)时沥青混合料的疲劳寿命，研究抗车辙剂掺量、应力比和温度对沥青混合料抗疲劳性能的影响，试验结果如图1所示。

图1　应力比对高模量沥青混合料疲劳寿命的影响

图1为不同条件下高模量沥青混合料的疲劳寿命，可以看出，当实验条件一定时，随着抗车辙剂掺量的增多，沥青混合料的疲劳寿命逐渐增大，例如当应力比为0.2，温度为25 ℃时，当抗车辙剂掺量由0%增大至0.5%和0.7%时，沥青混合料的疲劳寿命分别由38 506次增大至108 754次和138 034次，分别增大了1.82倍和2.58倍。这主要是因为，沥青混合料中沥青主要分为两部分，一部分是结构沥青，另一部分是自由沥青，其中结构沥青对沥青混合料的整体强度起重要作用，而自由沥青主要对沥青混合料的变形韧性起主要作用。抗车辙剂添加在沥青混合料中对自由沥青有吸附作用，进而改变了结构沥青和自由沥青的比例，抗车辙剂对自由沥青的吸附作用随着抗车辙剂掺量的增多而增强，造成沥青混合料中自由沥青含量的下降和结构沥青含量的增多，从而使沥青与矿料的粘结力增大，沥青混合料试件强度增加，疲劳寿命提高。

当其他条件一定时，应力比越大沥青混合料的疲劳寿命越低，且疲劳寿命随抗车辙剂掺量的变化趋势越大，例如当温度为15 ℃，应力比为0.2，抗车辙剂掺量由0.5%增大至0.7%时，疲劳寿命由209 674次增大至250 935次，增大了19.7%；而当温度为15 ℃，应力比为0.4，抗车辙剂掺量由0.5%增大至0.7%时，疲劳寿命由9 164次增大至13 677次，增大了49.2%，表明应力比越大，添加抗车辙剂对沥青混合料疲劳性能的改善效果越好。解释其原因主要为，重复荷载作用下，沥青混合料内部出现不同程度的微小裂缝，且裂缝随着逐级加载而不断扩展，当裂缝扩展至一定程度时，会使沥青混合料试件出现疲劳破坏。应力比越大混合料内部裂缝的扩展速率越快，因此疲劳寿命越低，同时抗车辙剂颗粒具有较高的弹性，在裂缝扩展时，能吸收部分能量使裂缝的扩展速度降低，应力比越大抗车辙剂颗粒的变形越明显，吸收的能量越多，因此对疲劳性能的改善程度越大。

在相同条件下，沥青混合料的疲劳寿命，随着温度的升高而逐渐降低，其中当温度超过20 ℃时，再升高温度会使疲劳寿命大幅降低，例如当抗车辙剂掺量为0.5%，应力比为0.3时，当温度由15 ℃升高至20 ℃和25 ℃时，沥青混合料的疲劳寿命分别由23 535次降低至19 747次和7 682次，分别降低了16.1%和67.35%。这主要是因为，沥青混合料为典型的粘弹塑性材料，温度降低时变硬，粘性比例降低，而温度升高时变软，粘性比例增加，随着温度的升高，沥青粘度逐渐降低，荷载作用时沥青混合料的变形越明显，裂缝扩展速度下降，因此疲劳寿命降低。

3　应力疲劳方程

对不同条件下沥青混合料的疲劳寿命利用式(1)所示模型进行回归分析，回归结果如表3所示。

(1)

式中：Nf为疲劳寿命，次；P为试件所受应力，MPa；k，n为回归系数，与材料组成与温度有关，k值越大表明抗车辙性能越好，|n|值越大表明疲劳寿命对应力变化越敏感。

表3 应力疲劳方程回归结果抗车辙剂掺量/%温度/℃回归方程相关性系数R2015Nf=325.52x-5.92520.957320Nf=9.2789x-5.61080.985625Nf=2.8443x-5.70770.98830.515Nf=2191.8x-4.68840.984320Nf=541.93x-4.191320.990525Nf=48.853x-4.42420.97450.615Nf=3442.4x-4.5720.981020Nf=846.45x-4.27680.992625Nf=91.674x-4.22450.97360.715Nf=4169.5x-4.28360.968220Nf=794.65x-4.27550.993525Nf=101.51x-4.17420.9793

从表3可以看出，各试验条件下，沥青混合料的疲劳寿命与应力比之间具有良好的相关关系，符合传统的疲劳力学响应模型。当抗车辙剂掺量相同时，k值随温度的升高大幅降低，当温度为15 ℃时，k值均在320以上，而当温度升高至25 ℃时，k值降低至102以下，表明温度越高，混合料疲劳寿命越低。|n|值随着抗车辙剂掺量的增多逐渐降低，表明疲劳寿命对应力比的敏感性随着抗车辙剂掺量的增多而下降。

4　结论

1) 在应力比和试验温度保持不变时，沥青混合料的疲劳寿命随着抗车辙剂掺量的增多逐渐增大，当应力比和温度分别为0.2和25 ℃，抗车辙剂掺量由0%增大至0.5%和0.7%时，沥青混合料的疲劳寿命分别增大了1.82倍和2.58倍。

2) 当其他条件一定时，应力比越大沥青混合料的疲劳寿命越低，其中当应力比超过0.3时，疲劳寿命大幅降低；应力比越大，疲劳寿命随抗车辙剂掺量的变化趋势越大。

3) 当抗车辙剂掺量和应力比保持不变时，沥青混合料的疲劳寿命随着温度的升高而逐渐降低，其中当温度超过20 ℃时，再升高温度会使疲劳寿命急剧下降。

4) 沥青混合料的疲劳寿命与应力比之间符合传统的疲劳力学响应模型；当抗车辙剂掺量相同时，k值随温度的升高大幅降低；k值随抗车辙剂掺量的增多明显增大，而|n|值随着抗车辙剂掺量的增多逐渐降低，表明抗车辙剂掺量越多，疲劳寿命对应力比的敏感性越低。

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2016-05-31

沈武宪(1972-)，男，主要从事路桥工程的施工及管理工作。

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