基于介电性质的沥青抗疲劳性能试验研究

胡江三， 王国忠， 陆佳宝， 钟万鑫

(内蒙古农业大学能源与交通工程学院， 呼和浩特 010018)

施工与服役环境中发生的沥青材料老化，会直接导致沥青混合料抗疲劳性能降低，进而引起沥青路面病害[1-3]。常用的沥青与沥青胶浆的疲劳研究方法主要包括动态剪切流变仪(dynamic shear rheometer，DSR)的时间扫描试验、应变扫描试验、多应力重复蠕变(multiple stress repeated creep test, MSCR)试验和线性振幅扫描(linear amplitude sweep, LAS)试验4种方法[4]。时间扫描可以选择加载幅度，进而研究汽车荷载对路面结构的影响，但其耗时长、结果重复性较差，因此开展此实验较少[5- 6]；应变扫描试验可在不同应变范围内评价沥青的疲劳性能[7]；多应力重复蠕变试验主要用于比较沥青的永久变形特征[8]；线性振幅扫描试验则可以有效地表达沥青与沥青混合料疲劳性能之间的关系[9]。

关于沥青性能变化机理的研究，常用的手段包括组分分析法、采用元素组成、分子量、官能团等的变化从化学角度描述沥青性能指标变化和利用原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)等从微观角度描述沥青路用性能的变化[10]。王淋等[11]、Zhang等[12]、高颖等[13]利用红外光谱(fourier transform infrared spectrometer, FTIR)探究了沥青老化前后官能团的变化，得出老化后典型结构(如芳香环)的变化规律，并验证了羰基和亚砜基随老化程度加深而变化的规律性。李晶等[14]、杨震等[15]从元素变化角度出发，探讨了老化前后C、H、N、S、O元素的变化，结论可解释FTIR中官能团的变化规律。

介电常数测试法可对测试样品中所含物质按需分区，实现实时测定，简单高效。基于此，通过对热氧、老化、水的耦合老化前后90#基质沥青、SBS改性沥青进行了LAS试验和介电常数测试，量化评价了耦合老化前后沥青疲劳性能变化情况，并分析了组分与性能指标之间的关联性。

1 试验设计

1.1 沥青

采用90#基质沥青和SBS改性沥青(实验室自制，SBS改性剂掺量4%)作为原样沥青，沥青基础指标如表1所示。

表1 沥青基础指标Table 1 Technical index of asphalt

1.2 耦合老化试验

分别对两种沥青进行、短期老化、长期老化、紫外老化和水老化，短期老化采用薄膜烘箱加热试验(thin film oven test, TFOT)进行模拟；长期老化采用压力老化试验(pressurized aging vessel, PAV)进行模拟；紫外老化与水老化采用春华环试生产的紫外老化箱TNZ180，照度2.1 mJ/cm2，光照时长336 h。紫外老化在长期老化之后叠加进行，水老化在紫外老化之后叠加进行。

1.3 沥青疲劳试验

分别对原样、短期老化、长期老化、紫外老化、水老化状态的基质沥青和SBS改性沥青进行LAS试验，分析两种在不同状态下的抗疲劳性能变化。LAS试验温度25 ℃，扫描频率10 Hz，试模直径8 mm。

1.4 介电常数测试

介电常数试验采用云麓科技的工业微波CT，介电常数范围1～6.2，介电常数采集为5 s/次，考虑空气流动及静电影响，试验数据取5～35 min各介电常数范围30 min读数的平均值，各点位重复性实验误差不大于1%，精度高于溶剂沉淀及色谱柱法规范要求。

2 沥青疲劳性能分析

2.1 疲劳性能的应变敏感性分析

在AASHTO规范中，LAS试验是基于沥青的黏弹性连续损伤模型进行疲劳性能的评价和预测，可通过线性粘弹性损伤原理与连续损伤两个方面进行解释。以疲劳因子|G*|sinδ作为材料内部状态参数定义损伤，通过Schapery模型，基于热力学不可逆原则可对损伤进行量化；通过对材料内部状态变量与损伤关系进行拟合，可以得到沥青的疲劳寿命Nf与应变之间的关系。计算过程如下。

(1)

lgG′(ω)=mlgω+b

(2)

α=1+1/m

(3)

lg(C0-|G*|sinδ)=lgC1+C2lgD

(4)

Df=0.35(C0/C2)1/C2

(5)

(6)

B=2α

(7)

Nf=A(γmax)-B

(8)

式中：|G*|为复数剪切模量；G′为储存模量；δi-1为第i-1个循环所对应的相位角；ti为第i个循环对应的时间；ti-1为第i-1个循环所对应的时间；δ为相位角；ω为角频率；ID为计算应变区间初始复合剪切模量；γ0为给定数据点的应变；γmax为最大应变；t为时间；i、i-1与N为循环周期；C0为0.1%应变间隔开始的|G*|sinδ的值；C1和C2为曲线拟合系数；D(t)为损伤；Df为疲劳失效值；f为加载频率；Nf为疲劳寿命；A、B、m、b、k、α为计算过程参数。

按照式(1)～式(8)可得到不同状态下沥青在0.1%～30%振荡应变下的疲劳寿命，如图1所示。两种沥青在5种状态下疲劳寿命随振荡应变变化的双对竖曲线接近一条直线，疲劳寿命随振荡应变的增大而减小；相同振荡应变下，老化程度越深的沥青疲劳寿命越短，且这种现象在大应变下表现得更明显；不同老化程度的双对数曲线斜率不同。图1曲线斜率B表示沥青随应变变化的敏感性，为方便量化分析，将B及其变化程度ΔB整理并列于表2。

由表2可知，两种沥青老化程度越深曲线斜率绝对值B越大，说明随着老化程度的加深沥青随应变变化的敏感性越强，表现在沥青路面服役过程中即为沥青老化程度越深，沥青路面寿命随应变增大而减小的幅度越大；两种沥青对比显示，SBS改性沥青随在相同老化状态下的应变敏感性更大。通过ΔB数据可知，基于疲劳性能的沥青应变敏感性在长期老化阶段变化幅度最大，相同老化时长下紫外老化比水老化的影响幅度大。

综上，考虑沥青抗疲劳性能随老化程度的变化，应注意在沥青路面设计中考虑个各阶段老化作用的影响。

图1 疲劳寿命随振荡应变变化Fig.1 Fatigue life varies with the oscillatory strain

表2 疲劳曲线拟合参数Table 2 Fatigue curve fitting parameters

2.2 基于损伤变化的抗疲劳性能分析

LAS的计算理论完整有效，已成为现阶段研究沥青疲劳性能的主要方法之一，但其疲劳失效准则的不统一性是LAS研究方法现阶段重要缺陷。

在对上述损伤进行计算过程中发现，损伤随振荡应变的增加呈现先增大后减小的趋势，损伤峰值处代表在此振荡应变下沥青试件产生微裂纹破坏，应力迅速释放，随后损伤逐渐减小。由图2可知，应力峰值所对应振荡应变小于损伤峰值所对应振荡应变，这符合LAS试验中沥青先屈服后破坏的破坏过程。因此，可将损伤峰值所对应的破坏应变作为沥青疲劳失效的破坏应变εD，进而评价其抗疲劳性能。

图2 应力-应变与损伤-应变曲线Fig.2 Stress-strain and damage-strain curve

图3为两种沥青在5种老化状态下的损伤随应变变化曲线，可以看出，随老化程度加深沥青的εD基本呈变大趋势，相同老化状态下SBS改性沥青的εD大于基质沥青，这主要是由于沥青黏度越大其所需要的破坏应变随之增大而导致的，SBS改性沥青的黏度大于基质沥青，老化后导致的重质组分比例增加也会增大沥青的黏度。

考虑到εD所对应的疲劳寿命过小不易比较，借鉴应变比的概念取0.05倍的εD的振荡应变εd所对应的疲劳寿命进行比较，将两种沥青在5种老化状态下的εD和其对应的疲劳寿命Nf列于表3。

由表3可知，两种沥青的疲劳寿命均在短期老化阶段下降最为明显，因此在施工过程中，为保证沥青路面后期抗疲劳性能，应注意尽量减小拌和、运输与摊铺过程中短期老化的影响。

2.3 基于相位角变化的抗疲劳性能分析

图4为相位角随振荡应变变化的曲线，相位角随应变的增大呈现先增大，持续一段之后又减小的趋势；相位角绝对值随老化程度的加深而减小。

Kim等[16]也做过类似LAS的试验，并证明了以相位角峰值作为疲劳失效的定义的正确性。此部分将平台区域看做相位角峰值区域，根据图4找出每条曲线平台区初始横坐标εφ，(εφ为破坏应变)将其作为破坏应变，再借鉴应变比的概念取0.05倍的εφ的振荡应变εθ所对应的疲劳寿命进行比较，将两种沥青在5种老化状态下的εθ和其对应的疲劳寿命N′f列于表4。

由表4可知，随着老化程度的加深，两种沥青的疲劳寿命均减小。热氧老化阶段，短期老化对沥青疲劳寿命影响较大，尤其是SBS改性沥青，疲劳寿命较原样试件降低67%。这与上述基于损伤的疲劳性能分析结果相同。

图3 损伤随振荡应变变化图Fig.3 D-strain curve

表3 基于损伤的破坏应变与疲劳寿命Table 3 εd and Nf based on damage

图4 相位角随振荡应变变化曲线Fig.4 Phase Angle curve with oscillating strain

表4 5种老化状态下的εθ和其对应的N′fTable 4 Under 5 aging conditions εθ and its corresponding N′f

3 基于介电性质的抗疲劳性能机理分析

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中采用溶剂沉淀及色谱柱法进行道路石油沥青的组分分析，这种方法取样代表性难以保证(样品1 g)且操作复杂、试验周期长。目前，基于介电特性的沥青混合料领域的研究主要集中在对沥青路面密度的预测，如基于介电特性的混合料密度模型的预估、自愈合情况的观测等[17-18]。工业微波CT(computed tomography)通过测定沥青中不同物质的介电常数反应沥青组成，尤其对老化过程中物质的变化情况反映明显，试样约30 g，可保证取样代表性， 操作简单，可实时观测。

表5为基质沥青与SBS改性沥青老化前后不同介电常数范围内的组分含量。可以看出，沥青中不同物质的介电常数范围处于1～4.72。

表5 沥青组分Table 5 Composition of bitumen

对于基质沥青而言，随着老化程度的加深，较小范围的组分(介电常数<1.63)含量由于基数较小，因此变化幅度不明显；介电常数处于中间范围(1.63～3.48)的组分含量明显减少；较大范围的组分(介电常数>3.48)含量明显增加，说明随沥青老化程度的加深，低介电常数的组分向高介电常数组分发生迁移，分子极性增大，这与四组分的组分迁移理论相似。SBS改性沥青中高范围的组分含量变化与基质沥青趋势相同；介电常数较小的组分在热氧老化之后增高，紫外老化及水老化之后又减小，这主要是由于热氧老化作用破坏了SBS改性剂的网格结构，网格中吸附的轻质组分析出，随着老化程度的加深，轻质组分又向重质组分跃迁所致。

由于基质沥青来源不同、改性沥青品种繁多，不同沥青试样的组分介电常数范围也不完全相同，因此，直接采用介电常数描述沥青性质更加直观。试验结果显示，沥青各组分介电常数范围跨越高分子材料3种极性范围，且现阶段多种改性沥青为高聚物改性沥青。因此，进一步量化评价组分与沥青性能关联，可参照高分子极性划分范围，根据介电常数范围将沥青组分划分为非极性物质Ⅰ(介电常数为1～1.62)、非极性物质Ⅱ(介电常数为1.63～2.24)、非极性物质Ⅲ(介电常数为2.25～2.86)、弱极性物质(介电常数为2.87～3.48)、极性物质Ⅰ(介电常数为3.49～4.10)、极性物质Ⅱ(介电常数≥4.11)。

以疲劳应变曲线斜率绝对值B、基于损伤的疲劳破坏参数εd与Nf、基于相位角的疲劳破坏参数εθ与N′f反映沥青性能，与上述6种组分进行灰色关联度分析，关联指数如表6所示。

表6 灰色关联度分析结果Table 6 Analysis results of grey correlation degree

可以看出，不同组分对沥青不同参数的关联指数不同，表明不同组分对沥青的不同性能的贡献率是不同的；εd与εθ的关联指数大小趋势相同，Nf与N′f的关联指数大小趋势相同，可间接证明文中基于损伤的破坏应变εD和疲劳寿命Nf的定义是合理的。

综上，在沥青改性或者沥青路面设计过程中，可根据不同介电常数范围内物质对沥青抗疲劳性能的影响，按需改变组分的比例以调整其性能。

4 结论

(1)相同振荡应变下，老化程度越深的沥青疲劳寿命越短，且这种现象在大应变下表现得更明显；老化程度越深则沥青基于抗疲劳性能的应变敏感性越大，且SBS改性沥青随在相同老化状态下的应变敏感性大于基质沥青。

(2)采用基于损伤的疲劳破坏准则所定义的破坏应变εD和疲劳寿命Nf评价沥青的抗疲劳性能是合理可行的，且和基于相位角定义的破坏准则分析结果相似。

(3)基于介电性质对沥青组分进行划分的方法合理可行，并可与沥青路用性能进行关联，进一步指导沥青改性工艺。