沥青疲劳试验方法评价

袁海，朱洪洲,2，魏巧，胡蓝心，廖能武 编译

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆市 400074；2.交通土建工程材料国家地方联合工程实验室；3.重庆高速工程顾问有限公司)

1 引言

现行沥青PG分级是在美国公路战略研究计划(SHRP)沥青项目的基础上制定的，其主要研究对象是基质沥青，不适用于改性沥青。相关研究表明，PG分级能较好地评价沥青的整体质量，但在某些情况下无法准确表征沥青的抗车辙性能和抗开裂性能。此外，规范中沥青疲劳性能的评价标准不够严谨，目前Superpave规范中使用参数G*sinδ来评价沥青的疲劳性能。SHRP研究假设每个加载循环的耗散能(应变控制模式，wi=πε2G*sinδ)越低，对应的累积损伤越小，即G*sinδ值小的沥青具有更好的抗疲劳开裂能力，中温条件下G*sinδ必须小于5 000 kPa，否则认为沥青发生疲劳破坏。

许多研究人员质疑参数G*sinδ的可靠性。G*sinδ是一个基于刚度的参数，采用动态剪切流变仪(DSR)在较小应变、固定频率(10 rad/s)、少量剪切作用次数下测量得到，这明显与具有更多加载周期和损伤特征的复杂的疲劳现象不同。为提出新的沥青疲劳性能分析方法及评价指标，国内外学者进行了大量的研究。表1为现有的试验方法以及每种方法的特点。

表1 沥青疲劳性能试验方法

目前，可用于测试沥青疲劳性能的方法主要有以下4种：

(1)线性振幅扫描(LAS)试验：Bahia等最早提出在常应变(或时间扫描)/常应力模式下使用动态剪切流变仪来测试沥青疲劳性能。该方法理论上是合理的，但仍存在一定缺陷。Anderson等提出，由于在某些情况下沥青的塑性流动和边缘裂缝效应，基于DSR的时间扫描测试不适用于表征疲劳性能。Bahia等开发了一种新的试验方法，称为线性振幅扫描(LAS)试验，其试验结果与路面长期使用性能(LTPP)研究计划中的疲劳裂缝数据具有良好的相关性。周水文等采用LAS试验测试了13种沥青的疲劳性能，提出应采用PAV老化后的试样进行试验，以应力峰值失效点定义沥青疲劳失效。

(2)多应力蠕变恢复(MSCR)试验：MSCR试验通常用于表征沥青的抗车辙性能，但蠕变恢复率可用于评价沥青的延迟弹性响应，如蠕变恢复率与疲劳性能相关性良好，则该法可用于沥青疲劳性能评价。

(3)双边缺口拉伸(DENT)试验：加拿大皇后大学的研究人员最早提出对韧性材料断裂能的测量，以评估沥青的抗疲劳开裂能力，该试验是一个试样两侧带缺口的延度试验。美国联邦公路管理局(FHwA)的研究人员采用DENT试验对加速加载疲劳试验(ALF)中用到的沥青进行测试，发现DENT试验的结果与加速加载试验数据之间具有很好的等级相关性。罗浩原等采用DENT试验和疲劳因子测试评价了7种不同沥青的疲劳性能，并采用四点弯曲试验从混合料层面进行性能验证，其试验结果同样表明DENT试验结果与混合料疲劳性能更具相关性。

(4)动态力学分析(DMA)试验：Kim等使用动态力学分析试验表征沥青的疲劳性能和愈合潜力。不同于其他以沥青作为试验材料的试验，DMA试验以沥青玛蹄脂作为试验对象。DMA试验的优点是能够清晰地定义疲劳失效并避免沥青塑性流动和边缘裂缝效应带来的影响。该试验主要关注砂或细集料对沥青材料疲劳性能的影响，显然，该试验需要确定一种标准材料进行试验，而不是砂或细集料。

该文主要进行G*sinδ、弹性恢复试验、MSCR试验、LAS试验和DENT试验共5种沥青试验，并与沥青混合料推拉疲劳试验结果进行比较，以确定最合理的沥青疲劳评价方法。

2 技术路线

技术路线如图1所示。

3 沥青疲劳试验

3.1 沥青

由于SHRP计划已对基质沥青的疲劳性能有较为详细的研究，因此该文主要选择5种改性沥青和1种基质沥青(对照组)作为材料进行试验来评价现有沥青的疲劳性能。沥青相关信息见表2。试验中涉及到的沥青拌和温度和压实温度均由相关厂家提供。

3.2 沥青试验介绍

(1)PG分级试验：依据AASHTO T315中使用动态剪切流变仪(DSR)测定沥青的流变特性和AASHTO T313中使用弯曲梁流变仪(BBR)测定沥青的弯曲蠕变劲度”的规定对6种沥青进行试验。

(2)弹性恢复试验：按照AASHTO T301中用延度仪对沥青材料进行弹性恢复试验”或ASTM D6834A中使用延度仪对沥青材料进行弹性恢复的标准试验方法的规定进行试验，试验所用沥青均经过RTFO老化，试验温度为25 ℃。试验中，沥青试样经拉伸至规定的伸长率并保持，然后在拉伸试样的中间切开并测定每个试样的回弹率。AASHTO T301和ASTM D6084A两种方法的主要差异见表3。

表3 两种弹性恢复试验的比较

(3)MSCR试验：根据AASHTO TP70中使用动态剪切流变仪(DSR)对沥青进行多应力蠕变恢复(MSCR)试验的规定进行试验。在沥青的高温PG等级温度下进行测试。假定在MSCR试验中，弹性恢复率越高，沥青的疲劳性能越好。

(5)DENT试验：加拿大皇后大学的研究人员最早提出DENT试验及其试验指标裂纹尖端开口位移(CTOD)。美国联邦公路管理局对该方法做出了一些改动使该法能够适用于美国地区，并制定了一个AASHTO格式的试行方法。通常认为，韧性材料断裂所需的能量由两部分组成：① 用于在局部裂纹发展过程中形成两个新截面；② 提供拉伸过程中材料空化和剪切屈服所需的能量。对同一沥青进行测试时，需使用3个不同韧带长度，即对缺口截面宽度分别为5、10、15 mm的试件进行试验。试样及试验结果如图2所示。Gibson等提出，裂纹尖端开口位移与美国联邦公路管理局加速加载疲劳试验(FHwA-ALF)数据有良好的关联性。CTOD值越大，材料的疲劳性能越好。

图2 DENT试验[图2(c)中,A、B表示同一缺口截面宽度下的两组不同的平行试验]

3.3 沥青试验结果与分析

每种测试方法均进行两次平行试验，以其平均值作为试验结果，见表4。

表4 沥青疲劳测试结果

由表4可知：

(1)G*sinδ等级：表中列出了G*sinδ为5 000 kPa时的中温等级。一般情况下，中温等级越高，疲劳性能越差。根据G*sinδ测试结果，PG 64-34SBS疲劳性能最好，其次是PG 64-22+GTR、PG 64-28+PPA、PG 64-22+Latex和PG 64-28，PG 76-22SBS最差。

(2)弹性恢复等级：两种测试方法下，PG 64-34SBS均表现出最高的弹性恢复率，此外，PG 76-22SBS和PG 64-28+Latex的疲劳性能优于PG 64-28+PPA、PG 64-28和PG 64-22+GTR。在AASHTO T301弹性恢复试验中，PG 64-22+GTR在延度达到20 cm之前已经拉断，但在ASTM D6084A方法中，弹性恢复表现更好，可以看出PG 64-22+GTR对所施加的应变水平非常敏感。考虑到实际路面上，沥青会承受交通荷载引起的各种应变，因此PG 64-22+GTR等级为F。

(3)MSCR等级：PG 64-34SBS在两种应力水平下的蠕变恢复率最高，PG 76-22SBS次之；PG 64-22+GTR在100 Pa应力水平下的蠕变恢复率与PG 76-22SBS相似，在3 200 Pa应力水平下的蠕变恢复率与PG 76-22SBS相似，但在3 200 Pa应力水平下的蠕变恢复率很小，进一步表明PG 64-22+GTR对施加的应力/应变非常敏感；PG 64-28+Latex的蠕变恢复率明显高于PG 64-28+PPA和PG 64-28；PG 64-28+PPA在高应力水平下与PG 64-28相似，在低应力水平下较好，PG 64-28最差。

(4)LAS等级：根据表中疲劳寿命结果可知，PG 64-34SBS最佳，其次是PG 64-28+Latex和PG 64-22+GTR，PG 64-28+PPA在小应变水平下的疲劳寿命远高于PG 64-22，PG 76-22SBS最差。

(5)DENT等级：6种沥青在DENT试验中的排序为：PG 64-34SBS>PG 76-22SBS>PG 64-28+Latex>PG 64-28>PG 64-28+PPA>PG 64-22+GTR。

4 沥青混合料推拉疲劳试验

沥青在不同疲劳试验中的等级不同。为正确评价沥青的疲劳性能并确定最佳沥青疲劳测试方法，对6种沥青制备的沥青混合料的抗疲劳开裂性能进行评价。研究选择沥青混合料推拉疲劳试验评价沥青混合料疲劳性能，利用VECD模型对试验结果进行分析，能够很好地评价沥青混合料的疲劳性能。

选择Superpave-10沥青混合料进行推拉疲劳试验，按照Superpave方法(AASHTO M323)进行设计，旋转压实100次，混合料体积指标见表5。6种沥青混合料采用同种集料和级配。由于掺加了胶粉或胶乳，PG 64-22+GTR改性沥青混合料和PG 64-28+Latex改性沥青混合料的沥青含量较高。

表5 沥青混合料体积指标

在进行推拉疲劳试验之前，使用沥青混合料性能试验(AMPT)装置对每种混合料进行动态模量试验，绘制动态模量主曲线(图3)。

图3 动态模量主曲线

试验使用Kutay等提出的Nf方程预测每种沥青混合料在25 ℃、频率10 Hz下的疲劳寿命，见图4。值得注意的是，如果将80 kN等效单轴荷载(ESALs)作为标准设计荷载，则图4中涉及到的4种应变水平能够代表从永久性路面到薄层等多种路面结构的受力情况。

图4 4种应变水平下沥青混合料的疲劳寿命

由图4可以看出：① PG 64-34SBS、PG 76-22SBS和PG 64-28+Latex等3种沥青混合料，在4种应变水平下的疲劳性能均优于PG 64-28、PG 64-28+PPA和PG 64-22+GTR 3种沥青混合料；② 各应变水平下，均是PG 64-34SBS沥青混合料的疲劳性能最好，其次是PG 76-22SBS沥青混合料，然后是PG 64-28+Latex沥青混合料。除最小应变水平75 με(即永久性路面)外，PG 76-22SBS沥青混合料的性能优于PG 64-28+Latex沥青混合料；③ PG 64-22+GTR沥青混合料对应变水平非常敏感，在75 με水平下，其疲劳性能明显优于PG 64-28沥青混合料和PG 64-28+PPA沥青混合料。相较其他应变水平，同种沥青混合料在500 με水平下的疲劳性能最差。因此，PG 64-22+GTR沥青混合料的整体疲劳性能排名最后。PG 64-28沥青混合料和PG 64-28+PPA沥青混合料的疲劳性能非常接近。

根据上述分析，6种沥青疲劳性能的排名为：PG 64-34SBS>PG 76-22SBS>PG 64-28+Latex>PG 64-28≥PG 64-28+PPA>PG 64-22+GTR。

5 试验方法评价

将沥青疲劳等级与沥青混合料疲劳等级进行比较，提出：① 现行的疲劳因子G*sinδ与沥青混合料推拉疲劳试验结果相关性很差，有必要提出新的沥青疲劳试验；② MSCR试验和LAS试验与沥青混合料推拉疲劳试验相关性较差，MSCR试验是在高温PG等级温度下进行的，但其他4种沥青疲劳试验和沥青混合料推拉疲劳试验都是在中温等级下进行的，MSCR试验需要在较低试验温度下进一步验证。LAS试验是一个更为基础的测试方法，在数据分析中，需充分考虑材料线性黏弹特性和非线性黏弹特性(即黏塑性)。另外，研究证明LAS试验适用于评价基质沥青疲劳性能，但其疲劳失效判定不适用于改性沥青；③ DENT试验和弹性恢复试验是该文认为的最佳沥青疲劳试验，试验结果与沥青混合料推拉疲劳试验具有相同的等级。与弹性恢复试验(经验性试验)相比，DENT试验更为基础，试验将拉伸过程中的做功分为基本断裂功和塑性流动功，并根据基本断裂功计算得到CTOD。CTOD表征延性状态下沥青在极限张拉应变约束下的应变容限，因此能够代表裂纹失稳拓展前，沥青膜在集料颗粒间的张拉程度。建议采用DENT试验评价沥青的疲劳性能。

6 结论

目前Superpave规范使用参数G*sinδ来量化沥青的疲劳性能，这是规范中存在一定问题的部分。基于此，该文探讨一种更合理的沥青疲劳试验方法，对5种沥青疲劳试验进行评价，并与沥青混合料推拉疲劳试验进行了比较。结论如下：

(1)进一步证实了参数G*sinδ与沥青疲劳性能的相关性较差。

(2)MSCR试验和LAS试验与沥青混合料推拉疲劳试验相关性较差，这两种试验方法还需要进一步展开研究，在进行数据分析(考虑非线性黏弹性)时，应进一步考虑试验温度带来的影响。

(3)DENT试验和弹性恢复试验已被证明是评价沥青胶结料疲劳性能的最佳手段，与沥青混合料推拉疲劳试验有完全相同的等级。DENT试验更为基础，其测试指标CTOD表征了沥青胶结料在延性状态下的应变容限，因此代表了沥青膜失效前，在集料颗粒间的拉伸程度。

(4)以上结论均基于室内试验结果，还需要进一步通过现场实测验证。此外，仅沥青材料的疲劳性能不能完全决定路面结构的疲劳响应，沥青混合料特性、路面结构本身、所处的交通环境以及自然环境对决定路面性能同样具有重要作用。