老化及加载速率对SBS改性沥青混合料强度与抗疲劳性能的影响分析

作者简介：丘礼球（1975—），高级工程师，主要从事高速公路建设管理工作。

文章旨在揭示加载速度和老化程度对SBS改性沥青混合料强度与疲劳性能的影响。首先，对老化和未老化的SBS改性沥青混合料进行了不同加载速率下的劈裂强度试验，建立了SBS改性沥青混合料强度的非线性特性；然后，基于速度相关应力比思想，提出了同时考虑老化程度与加载速度的应力比，并在此基础上，对不同老化程度SBS改性沥青混合料疲劳试验结果进行分析，揭示了老化对SBS改性沥青混合料疲劳性能的影响。结果表明：沥青混合料是一种粘弹性材料，其强度随加载速度增大，而现行沥青及沥青混合料试验规程中固定的强度试验加载速度与实际多变的行车速度不相符。同时，随着老化程度的加剧，SBS改性沥青混合料劈裂强度随加载速度的增大幅度逐渐减少，且当老化超过一定程度时，其强度迅速衰减。此外，采用速度相关应力比的S-N疲劳方程分析发现，老化显著增大了SBS改性沥青混合料疲劳性能的应力敏感性。

道路工程；疲劳性能；强度；SBS改性沥青混合料；S-N疲劳方程

U414.1A200733

0 引言

疲劳开裂是沥青路面结构的主要破坏形式之一。因此，在路面设计中，沥青混合料的疲劳特性一直被视为关键性设计指标［1］。各国现行的沥青路面设计规范大多采用S-N疲劳方程来确定结构强度系数。然而，S-N疲劳方程的应力比通常是用固定强度试验条件下确定的强度值来计算的［2］。在沥青路面的设计中，鲜有考虑加载频率、应力状态等试验条件的影响，导致设计不够科学、安全。为了准确地表征沥青混合料的疲劳性能，确定路面设计的有效结构系数，国内外学者对沥青混凝土的疲劳性能进行了大量的研究［3-4］。

沥青混合料是一种粘弹性材料，其力学性能受许多因素的影响，如应力状态、材料制备和环境条件［5］。Mangiafico等［6］发现沥青混凝土的强度特性受加载速度和试验温度的影响。因此，用恒定加载速率和试验温度下的强度值来表征沥青混凝土的疲劳特性是不合适的［7］。同时，沥青混凝土的性能随着沥青路面使用年限的延长而发生变化［8］，例如，沥青混凝土的强度值随老化程度的变化而变化。因此，需揭示加载速率及沥青混合料的老化程度对其疲劳性能的影响，以准确评价沥青混合料的疲劳性能、预估其剩余疲劳寿命。

为此，本文基于SBS改性沥青混合料的粘弹性特征，对不同老化程度SBS改性沥青混合料进行了不同加载速度下的强度试验，并基于强度的速度相关性及速度相关应力比，对比分析老化程度对SBS改性沥青混合料疲劳性能的影响。研究成果对SBS改性沥青混合料的抗疲劳设计有一定的参考价值。

1 原材料与试件制备

1.1 原材料与级配设计

本文以沥青路面面层为研究对象，选取AC-13C型沥青混合料，胶结料为SBS改性沥青，粗集料选用石灰岩集料，抗车辙剂采购成品。所选SBS改性沥青及石灰岩集料的主要技术性能指标满足JTGF40-2004的要求。

根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）中的密级配沥青混合料级配范围，通过配合比设计合成了本文所用的AC-13沥青混合料集料级配，如图1所示。

1.2 试件制备及老化处理

本文根据沥青及沥青混合料试验规程中提出的沥青混合料短期老化和长期老化试验方法，将拌和好的沥青混合料松散料放于温度为135 ℃的烘箱中老化4 h，模拟沥青混合料制备与施工过程中产生的短期老化，再压实成型车辙板试件。由于车辙是在路面服役期间产生的病害，即均为短期老化后的沥青混合料，故本文将短期老化后的沥青混合料试件设定为对照组。在此基础上，将车辙板试件放于温度为85 ℃的烘箱中老化120 h，模拟沥青路面在服役过程中的热老化。此外，为研究水环境老化对沥青混合料抗车辙性能的影响，在长期老化试件的基础上将试件浸没在温度为80 ℃的水中，老化24 h，进行高温水浴老化。

2不同老化程度与加载速度下沥青混合料强度的非线性特性

[JP1]为揭示老化程度及加载速度对SBS改性沥青混合料强度的影响，分别对短期老化、长期老化及高温水浴老化三种不同老化程度的SBS改性沥青混合料试件开展了不同加载速率下的劈裂强度试验。加载速率分别为应力控制模式下的1 MPa/s、3 MPa/s、5 MPa/s、10 MPa/s、15 MPa/s、20 MPa/s以及试验规程规定的应变控制模式下的固定加载速率50 mm/min。

2.1 加载速率对SBS改性沥青混合料强度的影响

以未老化SBS改性沥青混合料为例，不同加载速率下的劈裂强度试验结果如图2所示。

由图2可知，SBS改性沥青混合料的劈裂强度随加载速率呈幂函数增大，而非固定值，其原因是SBS改性沥青为典型的粘弹性材料，在高加载速率下表现出更多的弹性特征。SBS改性沥青混合料劈裂强度与加载速度的关系表示如式（1）：

同时，试验规程规定加载速率所得强度值为1.27 MPa，代入式（1）计算对应的等效加载速率为9.2 MPa/s，该速率与常规车辆行驶速度的相关性还有待验证，且单一加载速率下的强度值无法客观反映路面在不同行驶速度车辆作用下的抗力。

2.2 加载速率与老化程度对SBS改性沥青混合料强度的耦合作用

SBS改性沥青及混合料在服役过程中直接受到光、热、水和雪等环境因素的影响，SBS与沥青皆发生不同程度的老化，性能逐渐衰退。由以往研究可知，按试验规程中的加载速率测得的SBS改性沥青混合料劈裂强度值随老化程度逐渐增大［9］。本文除热老化外，也对高温水浴老化后的SBS改性沥青混合料试件进行了劈裂强度试验，结果如图3所示。

由图3可见，老化使得SBS改性沥青混合料的劈裂强度增大，相比于未老化的SBS改性沥青混合料，短期老化SBS改性沥青混合料劈裂强度增大14.9%、长期老化增大45.7%，高温水浴老化增大20.5%。但SBS改性沥青混合料劈裂强度并非随老化程度的加剧而呈单调递增，当老化超过一定程度时，强度值逐渐衰退。其原因是，SBS改性沥青混合料的老化过程中，沥青由于轻组分的挥发与转换发生硬化，使得SBS改性沥青混合料的强度增大；但同时，老化过程还伴随着沥青内部微裂纹的积累及SBS改性剂的老化，使得SBS改性沥青混合料的强度衰退。在一定老化程度范围内，沥青的硬化作用占主导作用，超过该范围后，SBS改性沥青混合料逐渐松散。故本文高温水浴老化后SBS改性沥青混合料强度较长期老化的降低了17.3%。

SBS改性沥青老化后，降低了其粘弹性特性，不同老化程度的SBS改性沥青混合料在不同加载速率下的强度表现出的非线性特征亦存在区别。因此，本文对不同老化程度SBS改性沥青混合料进行了不同加载速率下的劈裂强度试验，以揭示老化与加载速率对SBS改性沥青混合料强度的耦合作用，试验结果如图4所示。

由图4可知，无论是未老化、短期老化还是长期老化的SBS改性沥青混合料均具有粘弹性特性，其劈裂强度值随加载速率的增大而增大。但随着老化程度的加剧，粘弹性特性逐渐减弱，劈裂强度值随加载速率的变化趋于平缓。短期老化与长期老化SBS改性沥青混合料劈裂强度值随加载速率的变化关系式分别见式（2）与式（3）。

如前所述，SBS改性沥青混合料的老化过程是沥青硬化与内部微裂缝积累过程，当老化超出一定范围后，SBS改性沥青混合料逐渐松散，其性能逐步恶化。如图5所示，高温水浴老化后的SBS改性沥青混合料劈裂强度随加载速率增大而逐渐减小。由此可推测，当老化超出一定程度后，SBS改性沥青混合料黏性特性几近消失，而老化导致的裂纹大量扩展，导致SBS改性沥青混合料蓬松化，其强度显著降低。

3基于强度非线性特性的不同老化沥青混合料疲劳性能表征

沥青混合料的疲劳特性通常采用S-N疲劳方程进行表征，其表达式如式（2）所示。

在采用S-N疲劳方程表征SBS改性沥青混合料的疲劳特性时，选取的是试验规程中规定的固定加载速率下测得的强度值。但在固定加载频率的疲劳试验中，随着应力比的变化，作用于SBS改性沥青混合料的荷载速率也发生变化。故S-N疲劳方程未考虑加载速率对强度与疲劳的影响。为此，长沙理工大学吕松涛教授提出了加载速率相关应力比的概念，修正了S-N疲劳方程中的应力比，建立了基于速度相关应力比的S-N疲劳方程，如式（3）所示。

本文基于此疲劳方程与图5建立的老化与加载速率耦合作用下的强度变化模型，以6 kN、10 kN及12 kN等3种荷载，在加载频率为10 Hz、试验温度为25 ℃的条件下，对不同老化程度的SBS改性沥青混合料进行劈裂疲劳试验，以揭示不同老化程度下SBS改性沥青混合料的疲劳特性。三种荷载按传统S-N疲劳方程及速度相关应力比的S-N疲劳方程计算应力比，结果如表1所示。

采用传统S-N疲劳方程表征SBS改性沥青混合料劈裂疲劳试验结果如图5所示。

对比分析图5中不同老化程度的SBS改性沥青混合料的疲劳曲线与实际情况不符。相同疲劳试验结果采用速度相关应力比的S-N疲劳方程表征时，SBS改性沥青混合料劈裂疲劳试验结果如图6所示。

对比分析图6中不同老化程度SBS改性沥青混合料的疲劳曲线，可见，不同老化程度的SBS改性沥青混合料的疲劳曲线相互呈一定夹角。其疲劳曲线斜率随老化程度的加剧而增大，即老化增大了SBS改性沥青混合料疲劳性能的应力敏感性。不同老化程度SBS改性沥青混合料疲劳曲线的拟合结果如表2所示。

此外，图6揭示了在同一荷载条件下，老化后的SBS改性沥青混合料的疲劳寿命之所以高于未老化的，是因为老化使得SBS改性沥青混合料的强度增大，在相同荷载条件下对应的疲劳应力比小。

4 结语

本文基于SBS改性沥青混合料的粘弹性特征，对不同老化程度SBS改性沥青混合料进行了不同加载速度下的强度试验，并基于强度的速度相关性及速度相关应力比，对比分析了老化程度对SBS改性沥青混合料疲劳性能的影响，得到如下结论。

（1）现行沥青及沥青混合料试验规程中固定了强度试验的加载速度调节，但沥青混合料是一种粘弹性材料，其强度随加载速度增大，故而试验规程中的方法获取的沥青路面材料强度参数未能客观反映沥青路面对不同行驶速度下的车辆产生的结构抗力。

（2）老化使得沥青混合料硬化，其强度增大，但其粘弹特性减弱，表现为随着老化程度的加剧，SBS改性沥青混合料劈裂强度随加载速度的增大幅度逐渐减少，且老化使得SBS改性沥青混合料不断积累微裂缝，当老化超过一定程度时，其强度迅速衰减。

（3）采用速度相关应力比的S-N疲劳方程充分考虑了SBS改性沥青混合料的粘弹性特征。相比于传统S-N疲劳方程，能够更准确地揭示老化对SBS改性沥青混合料疲劳性能的影响。

参考文献

［1］苑苗苗.基于数字散斑相关方法的沥青混合料疲劳破坏机理研究［D］.广州：华南理工大学，2013.

［2］谢 涛.基于CT实时观测的沥青混合料裂纹扩展行为研究［D］.西安：西南交通大学，2012.

［3］聂 文.MA类沥青混合料疲劳性能评价方法研究［D］.广州：华南理工大学，2014.

［4］林添坂，孙大权，曹林辉.不同加载模式下对沥青疲劳寿命的研究［J］.石油沥青，2015，29（1）：12-15.

［5］吕松涛.基于非线性疲劳损伤的沥青路面轴载换算［J］.工程力学，2012，29（10）：268-274.

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［7］吕松涛，郑健龙.基于耗散能理论的老化沥青混合料疲劳方程［J］.中外公路，2012，32（3）：284-286.

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［9］朱洪洲，范世平，袁 海，等.沥青混合料半圆弯曲低温断裂-愈合特性［J］.公路交通科技，2019，36（12）：1-7.