软基残余沉降区高弹沥青抗疲劳性能分析

唐佑绵，范海琪，刘书君，3，呼金勇

(1.广东省路桥建设发展有限公司，广东 肇庆 526442；2.新疆农业大学交通与物流工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；3.干旱荒漠区公路工程技术交通行业重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830000；4.广东交通集团检测中心，广东 广州 510550)

0 引言

软土路基上的铺面工程或其他浅层加固工程都会受到土基沉降的影响而产生诸如开裂、波浪型起伏等病害，由此可能带来坑槽、沉陷和唧泥等次生病害。当沉降量超过规范给出的极值时将显著提高道路安全行驶风险和维护成本[1]。通常我们所说的沉降是工后沉降，即路基铺筑完成后产生的沉降，也称“残余沉降量”[2]。从表现变化上来看，残余沉降主要表现为不均匀沉降，这种差异沉降会在路面结构内部产生较大的附加应力，当差异沉降达到足够大时所产生的附加应力将大于路面移动荷载作用下的应力。张嘉凡等[3-7]提出当差异沉降值超过2 cm时，水稳基层底面将由于拉应力过大而破坏；随着沥青层厚度增大，沥青层底附加弯拉应力和剪应力将呈线性函数增加；随着差异沉降的增加，路面结构层与下部路基之间将产生脱空从而引发纵向开裂，且多见于重车所在的慢车道并沿外侧轮迹带分布。对于残余沉降所引起的路面开裂问题，国内外学者大多倾向于运用线弹性断裂力学来分析路面开裂机理。郑健龙等[8]提出路基承载力下降和非均匀沉降将导致半刚性路面单一的纵向和横向直线型裂缝或者块裂；重荷载并非马上触发纵向裂缝扩展，而由于重荷载的常年作用导致土基的沉降量增加，当达到一定值的时候才使裂缝扩展，同时纵向裂缝扩展还与路面结构的受力状态有关，如果路面的侧向位移受到较好的限制可防止纵向裂缝的扩展。

从以上综述可知，软基残余沉降区路面纵向裂缝处治的关键是沥青层能承受荷载-附加应力叠加作用下的弯拉疲劳作用。现有关于软土路基地段路面开裂的研究大部分在关注开裂形成机理、影响因素与软基加固等方面[9]。然而，软基加固的成本较高，对既有交通影响较大，且较适用于新建路面需短期控制沉降的路段，对于残余沉降不断收敛的路段而言效果并不明显。现有对纵向裂缝的处治方法大部分采用热沥青灌缝和贴压缝带的方法，显然该方法并不适应沉降附加应力状态下的疲劳作用，处治后的路面在短时间(一般为2个月)内便失效，而用SBS沥青重铺的沥青路面一年后也会产生裂缝。基于以上背景本研究提出应用高弹沥青混凝土抗疲劳性能处治软基残余沉降区纵向开裂问题的思路，并通过室内试验和试验路来验证高弹沥青及混合料的抗疲劳开裂效果。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验所用的沥青均为佛山壳牌沥青有限公司提供。其中高弹沥青由70#基质沥青添加一定比例的有机酯类化合物邻苯二甲酸二辛酯(Dioctyl Phthalate)来增强基质沥青的塑化性，以及少量的交联剂(硫)和SBS改性剂(约30%苯乙烯)；SBS I-D沥青是广东地区最常用的筑路沥青品种，在I类A、B、C和D等4种沥青中其软化点最高，延度指标最低，因此常被用于沥青路面上面层以改善沥青路面在高温状态下的抗车辙性能。在本研究中SBS I-D沥青被定义为控制组(Control Group Asphalt)，简记为CGA，用于对照高弹沥青的性能，高弹沥青(High Elasticity Asphalt)简记为HEA。

1.2 常规性能指标与测试方法

常规性能指标(和相应的测试方法)包括针入度(T0604)、延度(T0605)、软化点(T0605)、布氏黏度(T0625)、闪点(T0611)、溶解度(T0607)、25 ℃弹性恢复(T0662)和贮存稳定性离析48 h软化点差值(T0661)，以及旋转薄膜烘箱短期老化(T0610)后残留物的质量变化、针入度25 ℃和延度5 ℃，测试方法与流程参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[10]进行操作。在以上测试中延度与弹性恢复率指标是主要关注的对象，从表观力学性能上来说，这两项指标通常决定了沥青的粘弹性性能。

1.3 沥青的流变性能与测试方法

使用SHRP动态剪切流变仪(Dynamic Shear Rheometer)来测定沥青在不同温度和旋切频率下的动态剪切模量和相位角，测试样品包括原样沥青和短老化后的沥青[10]。试验温度依次范围为5 ℃～85 ℃，误差精度<±0.1 ℃；加载频率为10 rad/s±0.1 rad/s的正弦波，加载方法为采用应变控制荷载，其目标应变值如表1所示。试验的结果主要包括复合模量(Complex Modulus)G*(kPa，取绝对值)和相位角(Phase Angle)δ(精确至0.1°)。

表1 加载应变目标值表

基于试验数据和CAM模型可以生成G*主曲线[11，12]，见公式(1)。沥青结合料DSR试验设计见表2。

(1)

式中，μ——沥青结合料的泊松比；

ωc、v、w——CAM模型中的拟合参数。

表2 沥青结合料DSR试验设计表

注：(3)中的数字为试验试件数量。转动频率(rad/s)：1.000，1.586，2.515，3.980，6.309，10.000，15.840，25.120，39.810，63.090，100.00；应变范围：0.000 2～0.000 8

1.4 沥青混合料抗疲劳性能

本研究采用四点弯曲疲劳试验机测定沥青混合料承受重复弯曲荷载的疲劳寿命。在本研究中为了降低集料与级配对试验结果的影响，集料统一采用玄武岩，级配为典型AC-13密级配，设计配合比如表3所示，油石比由马歇尔试验(浸水马歇尔试验)、车辙动稳定度试验等确定，限于篇幅具体试验过程在此省略。试验温度为15 ℃，误差精度±0.5 ℃；加载频率10 Hz，误差精度±0.1 Hz，加载波型为偏正弦波。测试装置为澳大利亚IPC公司UTM-130系统，试验所需试件需预先制作，每组3个，并在环境箱中养生4 h以上。由于IPC公司四点弯曲试验模块中没有我国的规范，因此试验规程参照AASHTO T321[13]进行。

表3 AC-13沥青混合料设计配合比表

1.5 试验路概况

试验段位于广东省佛山市境内，公路所穿越地段原为鱼塘，由上至下依次为冲洪积亚黏土、淤泥、中细砂交替层和残积亚黏土。自2010年通车后开始对该路段进行沉降观测，监测数据显示该路段沉降尚未完全稳定，KZ2点观测点处的沉降较为典型，沉降变化如图1所示。由图1可知，在通车后500 d内，路面的沉降非常大，累积约40 cm；其后路面的沉降虽在继续加大但变化的幅度明显收窄。此外，观察发现路面沉降受雨、旱季交替影响，但年均振幅均未超过3 cm。为保证路面原有线型与断面几何尺寸，通车后不断在路段进行铣刨加铺，因此，该路段沥青层较厚(通常>30 cm)。该路段常见病害为不均匀沉降产生路面跳车和纵向裂缝，但跳车的发生率较公路开通初期已有大幅下降。为了验证高弹沥青的抗疲劳效果，我们选取120 m路段，该路段纵向裂缝发育成熟，将此试验段分成两部分，各60 m，一部分仍铺筑SBS改性沥青混凝土，另一部分则使用高弹沥青混凝土，用以对比两种沥青混合料的抗疲劳开裂效果。

图1 累积沉降观测值曲线图

2 试验结果分析

2.1 沥青常规性能对比

经过上述力学性能试验，得出的试验结果如下页表4所示。

表4 高弹沥青与控制组常规性能指标对比表

注：“-”为空白

由表4可知，在未老化前，除软化点指标外，高弹沥青的各项指标均优于控制组；在经过RTFOT老化后沥青的各项性能指标均有所下降，但高弹沥青仍优于控制组。从延度指标来看，老化前后高弹沥青较控制组分别高55.9%和56.6%；从弹性恢复率指标来看，老化前后高弹沥青较控制组分别高16%和16.8%；从软化点指标来看，两者之间的差值在6%以内，对沥青高温稳定性不会造成显著的影响。因此，从试验得出的基本性能指标上来说，高弹沥青具备更强的延伸性和弹性，具备抵抗更大应变和疲劳荷载长期作用的潜力。

2.2 沥青的流变性能对比

高弹沥青与控制组复合模量G*的试验结果在图2、图3列出。︱G*sinδ-1︱的对比情况在图4中列出。

图2 复合模量比较(原样)曲线图

图3 复合模量比较(短期老化)曲线图

图4 ︱G*sinδ-1︱比较曲线图

由图2、图3可知，原样沥青的复合模量随温度的升高而降低，经过RTFOT短期老化后，复合模量值均有所下降且他们之间的差值减小了，但其变化趋势并未发生改变。当温度较低时(5 ℃～20 ℃)，控制组的复合模量要大于高弹沥青；当温度较高时(60 ℃以上)，控制组的复合模量则低于高弹沥青。复合模量的试验数据表明：高弹沥青相较于控制组在低温时更具“弹性”，并且在温度不断上升的过程中，其“弹性”的衰减幅度低于控制组；在高温状态，高弹沥青的“劲度”更强，即结合料的抗旋切能力更强，这有助于提高沥青混合料的高温稳定性。

由图4可知，高弹沥青的︱G*sinδ-1︱较控制组的小，说明高弹沥青的抗疲劳性能优于控制组。︱G*sinδ-1︱值随温度的升高而降低，其趋势基本与复合模量相同；老化后沥青的︱G*sinδ-1︱升高了，说明其抗疲劳性能随着老化而下降。

2.3 沥青混合料疲劳性能对比

在疲劳荷载的作用下试件将因达到疲劳破坏循环次数而失效，通常来说是沥青混合料的模量衰减至初始值的50%[14]。图5所示加载循环次数与试件劲度模量之间的关系，当然，这里所说的劲度模量是依赖于加载频率和加载时间模量值。由图5可知，高弹沥青混合料的疲劳寿命超过50 000次，控制组的疲劳寿命接近20 000次，两者差值超过一倍，但初始的劲度模量值控制组略大于高弹沥青混合料。两种混合料的疲劳荷载作用下的力学特性也有较大差别，高弹沥青混合料在疲劳荷载下的劲度模量发展过程大致分成两个阶段：在0～34 000次，试件的劲度模量始终保持在4 000～6 000 MPa之间；当超过35 000次时，试件的劲度模量快速下降，我们发现此时试件表面已有细裂纹，截面面积的削弱使试件抵抗变形的能力下降，并且在疲劳荷载的继续作用下加速破坏。控制组的劲度模量值发展与之类似，但疲劳寿命的次数要小得多，在加载次数达到8 000次时，试件的劲度模量值陡然下降并快速失效。试验表明：高弹沥青混合料较控制组有更好的抗疲劳性能，具备承受长期弯拉疲劳荷载作用的能力。

运用最小二乘法对试验数据进行拟合，可得到混合料劲度模量与疲劳寿命的函数关系，记劲度模量为S(kPa)，疲劳寿命为L(次)，高弹沥青混合料如公式(2)所示，控制组如公式(3)所示：

SHEA=-4×10-11L3+2×10-5L2-3.03L+6×106

(2)

SCPA=-1×10-10L3-0.000 1L2+6.503 8L+6×106

(3)

公式(2)拟合后的相关系数R2为0.945 7，公式(3)的相关系数R2为0.989 2，拟合的效果良好；公式(2)和公式(3)表明，沥青混合料的弯拉劲度模量随加载次数呈3次函数递减。考虑到路面所处的环境较实验室恶劣，诸如太阳辐射、温度变化、雨水冲刷和超载车辆作用，因此当路面出现细裂缝时将会加速破坏[15]，实际的疲劳寿命应当是第一次出现细裂缝时的加载次数，即高弹沥青混合料为35 000次，控制组约为6 500次，该加载次数为有效的疲劳寿命，则高弹沥青混合料的有效疲劳寿命约是控制组的5.4倍。

图5 高弹沥青与控制组疲劳寿命测试对比曲线图

3 试验路实测效果

试验段于2016年12月铺筑完成。摊铺前先铣刨4 cm，然后使用喷洒SBS改性乳化沥青作为粘层，沥青混凝土均由佛山同一拌合站出料，控制组的油石比为5.4%，高弹沥青为5.5%。摊铺温度170 ℃～175 ℃，胶轮压路机保证压实4遍。经过一年时间的实际使用效果，高弹沥青路面仍然完好，未出现开裂，而SBS改性沥青路面已经出现了新的纵向裂缝。

4 结语

(1)短期老化前后高弹沥青的延度与弹性恢复率均高于控制组，其他指标相差不大，说明高弹沥青较常用SBS改性沥青有更好的粘弹性。

(2)在低温状态下高弹沥青的复合模量较控制组低，在高温状态下高弹沥青的复合模量则更高，短期老化后其趋势不变，但他们之间的差值减小了；动态剪切流变试验表明，高弹沥青在低温下有更好的“柔性”以及有更好的高温稳定性。

(3)短期老化前，高弹沥青︱G*sinδ-1︱值小于控制组，表明高弹沥青较控制组有更好的抗疲劳性能；老化后两种沥青的︱G*sinδ-1︱均上升，但趋势没有改变，表明抗疲劳性能随短期老化而下降。

(4)高弹沥青混合料的疲劳寿命约是控制组的2.8倍，有效疲劳寿命约是控制组的5.4倍；显然高弹沥青混合料较控制组有更好的抗疲劳性能；试验段的实际使用性能验证了其抗疲劳开裂性能较SBS改性沥青更强。

本研究验证了课题组的设想，性能实测表明高弹沥青较普通的SBS改性沥青更适用于对抗疲劳性能要求更高的软基残余沉降区路段，后续将进行跟综观测以确定高弹沥青路面的实际疲劳寿命。

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