沥青混合料自愈合特性四点弯曲疲劳试验研究

黄卫东，李本亮，黄 明

（1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2.上海市政工程设计研究总院 博士后工作站，上海 200092）

沥青材料具有自愈合能力，传统的疲劳研究大多没有考虑沥青的这种愈合能力，从而低估了沥青材料的疲劳寿命.Bazin等［1］认为，沥青材料的自愈合是劲度模量和强度的自我修复过程，它发生在损害过程中、停歇状态下或高温期间.许多研究［1－8］均证明了沥青材料的自愈合特性，并确定了加载应变、间歇时间、混合料结构及改性沥青、不同的加载间歇比例等因素对自愈合的影响.但是，既有研究［9－10］多基于基质沥青，对改性沥青混合料的研究较少，而且国内表面层普遍使用改性沥青，其疲劳性能是关注的重点.本文通过疲劳试验研究沥青混合料的自愈合能力与特性，以期为其疲劳寿命用于路面设计提供技术支撑.

1 原材料与试验方法

1.1 沥青

在埃索70＃基质沥青中掺入4.5%（质量分数）线性SBS，通过剪切、搅拌并经发育制备SBS 改性沥青；溶解性胶粉改性沥青（TB 改性沥青）采用成品沥青，其表面光滑，存储稳定，性能等级为PG58－28.试验用沥青性能指标见表1.

表1 试验用沥青性能指标Table 1 Characteristic of asphalt used

橡胶沥青（AR）由埃索70＃基质沥青内掺20%（质量分数）的425μm（40 目）胶粉（金华产），在185℃搅拌1.5h制成.

1.2 矿料和级配

矿料采用江苏溧阳产的粗集料，分为3～5，5～10，10～15档，细集料使用浙江吉安产0～3mm 石灰岩，填料使用石灰岩矿粉.集料各项指标符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求.TB，SBS改性沥青混合料采用AC13级配，混合料的级配曲线见图1.TB－AC13和SBS－AC13采用4%（体积分数）的目标空隙率，沥青用量（质量分数）分别为4.7%，4.6%；AR 采用5.5%（体积分数）的目标空隙率，沥青用量为7.6%.

1.3 试验方法

采用小型震动压路机碾压成型沥青混合料板（通过碾压次数来控制试件空隙率），而后切割成400mm×63.5mm×50mm 的小梁试件.参照美国AASHTO T321标准［11］进行应变控制四点弯曲疲劳试验，选用第50 次的劲度模量作为初始劲度模量.疲劳试验条件见表2.

沥青混合料疲劳寿命确定方法有50%劲度模量衰减（Nf50）方法［11］和归一化劲度模量峰值（NfNM）方法［12］.研究表明，Nf50适用于基质沥青，而NfNM更适用于改性沥青［13］.考虑到试验所用沥青包括基质和改性沥青，试验中依研究对象和试验条件选取不同方法.

沥青混合料的自愈合发生在加载过程中和间歇期，依自愈合的发生时间不同，将自愈合分为即时自愈合和后期自愈合.即时自愈合伴随加载过程发生，通过改变加载频率来分析即时自愈合；后期自愈合在加载停止的间歇期内发生，通过变化间歇条件来分析后期自愈合.

图1 试验混合料级配Fig.1 Gradation of asphalt mixture used

表2 应变控制四点弯曲疲劳试验条件Table 2 Strain－controlled four point bending fatigue test parameters

2 即时自愈合试验结果与分析

对基质沥青、SBS改性沥青和TB 改性沥青混合料进行3个频率的疲劳试验.沥青用量为5%，应变水平为1 000×10－6，试验温度为15 ℃.试验发现，Nf50小于NfNM，且二者差值基质沥青较小，改性沥青较大.对于沥青材料，从Nf50到NfNM是微裂缝的形成与发展阶段，体现了沥青的愈合性能.由于自愈合能力强的沥青混合料Nf50与NfNM差值较大，因此可通过RL（即疲劳寿命比NfNM／Nf50）值来解释这种自愈合作用.

图2 沥青混合料劲度模量与加载频率的关系Fig.2 Relationship of asphalt mixture stiffness and loading frequency

图3 沥青混合料疲劳寿命比与加载频率的关系Fig.3 Relationship of RL and loading frequency

沥青混合料劲度模量、疲劳寿命比与加载频率的关系见图2，3.由图2，3可见，随着加载频率的增加，沥青混合料的劲度模量增大；基质沥青AC13的疲劳寿命降低不明显，而改性沥青AC13的疲劳寿命降低显著.自愈合贯穿整个加载过程，不同沥青混合料的即时自愈合效果不同.SBS－AC13具有较好的即时自愈合效果，TB－AC13 次之，而基质沥青AC13的即时自愈合效果最弱.这与材料特性有关，因为SBS改性沥青在加载过程中产生了更多的耗散能，从而促进了沥青材料的自愈合.

3 后期自愈合试验与结果分析

本文将达到疲劳结束条件的试件经过各种愈合处理，再次进行疲劳试验.后期自愈合条件见表3.

表3 后期自愈合条件Table 3 Conditions of after loading self－healing of asphalt mixture

采用疲劳寿命恢复率（即愈合后增加的疲劳寿命／疲劳寿命）和劲度模量恢复率（即愈合后的劲度模量／初始劲度模量）来评价沥青混合料的愈合效果.

试件经自愈合条件处理后，在室温静置1d，然后进行疲劳试验，试验结果见表4.

3.1 自愈合条件的影响

本文分别考察了A，B，C，D，E，F条件对沥青混合料自愈合的影响.从条件A 到条件F，沥青混合料自愈合时间不断延长，放置温度不断升高，荷载不断增大.自愈合条件对SBS改性沥青与AR 沥青混合料疲劳恢复的影响见图4.由图4 可见，当温度从15℃升高到70℃时（A～D），沥青混合料的整体愈合效果相当或稍有增加，70℃1d的疲劳寿命愈合效果即可达到50%左右，而常温需要数月（AR 混合料）甚至数年（SBS改性沥青混合料），表明高温短时间的愈合效果要优于低温长时间的愈合效果.在常温条件下，随着A，B，C 的自愈合时间增加，SBS改性沥青和AR 混合料的愈合效果均有所增加，且SBS改性沥青混合料的劲度模量前期恢复率较大（4个月恢复率已超过50%），疲劳寿命恢复率持续增大，7个月增加达14.0%，而AR 混合料的疲劳寿命恢复率只增加5%；经过高温1，2d 的自愈合后，SBS改性沥青混合料的疲劳寿命恢复率增加15%，而AR 混合料的疲劳寿命恢复率仅增加6.3%.在70℃时，从无荷载到有荷载（D，E），沥青混合料的劲度模量恢复率增大8%左右，而疲劳寿命相差不大甚至略有下降.综合比较A～F 的愈合条件，2种沥青混合料的劲度模量与疲劳寿命均有较大恢复，且劲度模量恢复率大于疲劳寿命恢复率；AR 混合料愈合情况优于SBS改性沥青混合料，且AR 混合料的疲劳寿命恢复率和劲度模量恢复率均在64.2%～74.6%之间，而SBS改性沥青混合料的疲劳寿命恢复率和劲度模量恢复率均在29.2%～

74.8%之间.SBS改性沥青混合料的劲度模量恢复率和疲劳寿命恢复率变异系数分别为12.7%，24.8%，AR 混合料分别为5.7%，13.9%，说明AR混合料受自愈合条件的影响较小.变异系数的差异也反映出沥青混合料的疲劳寿命离散性较大，劲度模量离散性较小.

表4 不同后期自愈合条件下沥青混合料的自愈合结果Table 4 Test results of after load self－healing of asphalt mixture

图4 自愈合条件对SBS改性沥青与AR混合料疲劳恢复的影响Fig.4 Influence of healing conditions on recovery of SBS and AR asphalt mixture

3.2 沥青用量的影响

沥青用量对SBS 改性沥青和AR 混合料自愈合率的影响见图5.

图5 沥青用量对SBS改性沥青和AR混合料自愈合率的影响Fig.5 Influence of asphalt content on recovery of SBS and AR asphalt mixture

由图5可见，随沥青用量的增加，2种沥青混合料的自愈合效果趋好，疲劳寿命和劲度模量的恢复率增加，且劲度模量恢复率均高于疲劳寿命恢复率.AR 混合料的恢复程度优于SBS改性沥青混合料，但其劲度模量恢复率对沥青用量较为敏感，沥青用量增加1%，劲度模量恢复率增加1.5%，与之相应，SBS改性沥青混合料的恢复率仅为0.7%.SBS 改性沥青混合料疲劳寿命恢复率随沥青用量增加有大幅增加，沥青用量增加1%，其疲劳寿命恢复率增加4.0%，而AR 混合料疲劳寿命恢复率随沥青用量增加略有下降，这可能与9%沥青用量下的自愈合条件苛刻有关.

3.3 损伤程度的影响

将SBS－AC13，TB－AC13疲劳试验后（对应疲劳寿命Nf50－0，模量Stiffness－0）的试件，先在50℃恒温烘箱中静置4h，然后在室温下静置1d，再进行第1次愈合后的疲劳试验（对应疲劳寿命Nf50－1，模量Stiffness－1，模量恢复率Recovery－1，下同），经过同样处理，进行第2次愈合后的疲劳试验，并以劲度模量比0.50为结束条件.因无法得到全部试验的Nf50和NfNM，采用较为稳定的初始劲度模量恢复率作为疲劳自愈合程度的评价标准，结果如表5所示.

表5 不同损伤程度的沥青混合料自愈合结果Table 5 Test results of after load self－healing of asphalt mixture under different damage ratio

试验发现，以劲度模量比0.05结束疲劳试验的试件有明显裂纹，且SBS－AC13比TB－AC13更为明显，依据ROWE 等［14］的疲劳4阶段（调整、微裂缝产生、裂缝生成与发展、破坏）划分，该试件已经进入了裂缝生成与发展阶段；而采用劲度模量比0.20或0.50结束的试件尚处于平稳阶段，以劲度模量比0.80结束试验的试件尚在内部加热调整阶段.沥青混合料的损伤程度对劲度模量的影响显著，深度损伤（如以劲度模量比0.05为结束条件）的试件，其劲度模量恢复率仅为20%左右，而轻微损伤的试件，其劲度模量恢复率可达95%.在整体愈合率方面，SBS，TB改性沥青混合料第1次愈合后的疲劳自愈恢复率－1相当，但第2 次愈合后的疲劳自愈恢复率－2相差较大，且TB 改性沥青混合料的疲劳自愈恢复率－2大于SBS改性沥青混合料的疲劳自愈恢复率－2，表明TB 改性沥青混合料对多次疲劳加载的恢复能力大于SBS 改性沥青混合料，这可能与TB改性沥青特殊的胶粉大分子构成有关.

4 结论

（1）小梁试验验证了沥青混合料的自愈性能，自愈合分为即时自愈合和后期自愈合.

（2）加载频率增加，沥青混合料劲度模量增加，疲劳寿命和疲劳寿命比降低.采用疲劳寿命比评价沥青混合料即时自愈合能力因沥青类型不同而异，本研究中SBS改性沥青混合料＞TB改性沥青混合料＞基质沥青混合料.

（3）AR 混合料疲劳寿命受自愈合条件的影响较小，而对SBS改性沥青混合料的影响则较大.沥青混合料的劲度模量恢复率高于疲劳寿命恢复率，且疲劳寿命恢复率的离散性较大，劲度模量恢复率的离散性较小.

（4）温度、时间、荷载、沥青用量对沥青混合料后期自愈合具有正面作用，而损伤程度具有负面作用.在高温条件下，荷载对自愈合的影响较小；沥青用量增加1%，SBS改性沥青混合料的疲劳寿命恢复率增加4%，而AR 混合料的疲劳寿命恢复率几乎无变化；轻微损伤（劲度模量比0.80）的多次愈合恢复率大于90%，而深度损伤（劲度模量比0.05）的多次愈合恢复率小于20%.

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