基于简化能量耗散率的岩沥青改性沥青疲劳性能

王 明，林发金，刘黎萍

（1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2.福建省泉州市公路局，福建 泉州 362000）

与SBS等聚合物改性剂相比，天然布敦岩沥青（BRA）与基质沥青相容性好，性能更加稳定，而且成本较低，是一种很好的天然改性剂.BRA可增加沥青和集料之间的黏附力，再加上其独有的抗老化能力强、耐候性好等特点，常被称为沥青“活性剂”［1－2］.但是，BRA中灰分等颗粒含量（质量分数）高达75%左右，且沥青组分与灰分等颗粒相互包裹，是一种微观相态极其复杂的多孔结构［2］.

目前，有关BRA 改善沥青混合料高低温及疲劳性能的研究较多，普遍认为BRA 可以很好改善沥青混合料的高温、疲劳性能，降低其低温性能.杜少文［3］的研究表明，BRA 不仅可以改善沥青混合料的疲劳性能，其性能甚至优于SBS改性沥青.但是，对于BRA 中沥青组分对基质沥青疲劳性能影响的研究还未见报道.本文的主要目的是评价BRA 中沥青组分的天然特性及其对基质沥青疲劳性能的影响，确定岩沥青在沥青混合料中的最佳掺量，以期为研究SBS复合改性沥青技术，推广岩沥青路面应用提供理论基础.

1 试验

1.1 原材料

基质沥青选用壳牌70＃道路石油沥青，其技术指标满足相关规范要求；改性剂选用BRA，黑色颗粒，其性能指标见表1.

表1 BRA的性能指标Table 1 Performance indexes of BRA

1.2 纯岩沥青组分的抽提

采用沥青旋转蒸发器分离三氯乙烯和BRA 中沥青组分的混合液，得到较为纯净的岩沥青组分，其25℃针入度为13（0.1mm），软化点为83℃.

1.3 纯岩沥青掺量的确定

依据文献［4］推荐的天然岩沥青改性剂添加量，通过外掺质量分数为10%，15%，20%的纯岩沥青（编号为A－10，B－15，C－20）进行沥青改性.

1.4 疲劳试验方法

试样经过RTFOT 老化，直径为8mm，厚度为2mm.利用美国TA 公司生产的动态剪切流变仪，通过“时间－扫描”试验，循环施加动态剪切作用力，直至试件疲劳破坏.试验条件：温度20 ℃，频率10Hz；应力水平为0.35，0.40，0.45，0.50 MPa；应变水平为2.0%，2.5%，3.0%，3.5%.

2 疲劳性能评价指标分析

关于沥青胶结料疲劳性能的评价指标，最常用的是G＊50（试样复数剪切模量衰减至初始值50%时所对应的荷载作用次数）及SHRP 规范中的G＊sinδ（此数值越小，疲劳寿命越好），其次是DER，ER，RDR，δ 等［5－8］，其中RDR（简化能量耗散率，即复数剪切模量和加载次数的乘积）与沥青混合料疲劳性能有很大的相关性.本文采用G＊50和RDR 对岩沥青改性沥青的疲劳寿命N 进行评价.

2.1 应力控制模式试验结果

在应力（0.4MPa）控制模式下，G＊与荷载作用次数的关系如图1所示，RDR 与荷载作用次数的关系如图2所示，采用G＊50和RDR 作为评价指标得到的试样疲劳寿命（N）如表2所示.

图1 G＊与荷载作用次数的关系Fig.1 Relation between complex shear modulus and number of load

由图1，2可见，在应力控制模式下，无论采用哪种评价指标，试样的疲劳寿命大小顺序均为：C－20＞B－15＞A－10＞基质沥青，即不同的评价指标得到的试验结果一致.同时，由表2可见，采用G＊50作为评价指标时，纯岩沥青掺量为10%的改性沥青疲劳寿命由基质沥青的13 598次提高到52 188次，提高近3.8倍；纯岩沥青掺量为20%的改性沥青，疲劳寿命提高了9.5倍；采用RDR 作为评价指标时，纯岩沥青掺量为10%的改性沥青疲劳寿命由基质沥青的11 998次提高到40 028次，提高近3.4倍；纯岩沥青掺量为20%的改性沥青，疲劳寿命提高了8.5倍.

图2 RDR 与荷载作用次数的关系Fig.2 Relation between reduced dissipated energy ratio and number of load

表2 应力控制模式下试样的疲劳寿命Table 2 Asphalt fatigue life in stress control mode times

上述结果表明，在应力控制模式下，岩沥青的掺入提高了改性沥青的复数剪切模量，使其疲劳性能明显改善，并且随着纯岩沥青掺量的增加，疲劳寿命逐渐提高.

2.2 应变控制模式试验结果

在应变（2%）控制模式下，G＊与荷载作用次数的关系如图3所示，RDR 与荷载作用次数的关系如图4所示，采用G＊50和RDR 作为评价指标得到的疲劳寿命如表3所示.

图3 G＊与荷载作用次数的关系Fig.3 Relation between complex shear modulus and number of load

图4 RDR 与荷载作用次数的关系Fig.4 Relation between reduced dissipated energy ratio and number of load

表3 应变控制模式下试样的疲劳寿命Table 3 Asphalt fatigue life in strain control mode times

由图3，4 可见，在应变控制模式下，无论是用G＊50作为评价指标，还是用RDR 作为评价指标，随着纯岩沥青掺量的增加，改性沥青的疲劳寿命先增大后减小，疲劳寿命的大小顺序均为：B－15＞A－10＞基质沥青＞C－20.这说明，在应变控制模式下，纯岩沥青掺量存在最佳值.由表3可见，纯岩沥青掺量为10%，15%时，改性沥青的疲劳寿命提高近1.4倍.但是，纯岩沥青掺量为20%的改性沥青其疲劳寿命却远低于基质沥青.因此，在应变控制模式下，纯岩沥青掺量不宜大于15%.

由以上分析可知，岩沥青改性沥青的疲劳寿命依赖于加载模式，相同纯岩沥青掺量的改性沥青，在不同的加载模式下，其疲劳寿命改善程度的量化不同，甚至会得到相反的试验结果.但是，在相同的加载模式下，采用G＊50和RDR 来比较不同纯岩沥青掺量改性沥青的疲劳寿命时，其结果一致.相对而言，RDR 评价指标由于反弯点的存在，疲劳寿命容易求得.因此，本文为简化试验结果的计算分析，选择RDR 来评价疲劳寿命.

3 不同应力、应变水平的疲劳性能研究

3.1 不同应力水平的疲劳性能

不同应力水平的疲劳寿命方程拟合曲线如图5所示，疲劳寿命方程拟合参数如表4所示.

由图5可见，在不同应力水平对数坐标系下，疲劳寿命和应力水平近似线性关系，R2大于0.900 0.同时，由表5可见，随着纯岩沥青掺量的增加，k 值和b 值逐渐增大，前者说明疲劳耐久性越来越好，后者说明对应力水平的变化较为敏感.当纯岩沥青掺量为10%和15%时，b 值相差不大，并且均小于基质沥青的b值，而当纯岩沥青掺量为20%时，b值显著增大.这说明，过大的纯岩沥青掺量会提高改性沥青对应力水平的敏感程度.因此，在工程实际应用中，纯岩沥青掺量应控制在15%以内.

图5 疲劳寿命方程拟合曲线Fig.5 Fitting curve of fatigue equation

表4 疲劳寿命方程拟合参数Table 4 Fitting results of fatigue equation parameters

3.2 不同应变水平的疲劳性能

不同应变水平的疲劳寿命方程拟合曲线如图6所示.

图6 疲劳寿命方程拟合曲线Fig.6 Fitting curve of fatigue equation

由图6可见，疲劳寿命和应变水平的线性关系不明显，而且，从图中各直线斜率来看，岩沥青改性沥青的直线斜率均大于基质沥青，表明在应变控制模式下，岩沥青降低了基质沥青的抗变形能力，提高了基质沥青对应变水平的敏感程度.纯岩沥青掺量为20%的改性沥青，其直线斜率显著增大，表明岩沥青的掺入明显提高了基质沥青对应变水平的敏感程度，即过大的纯岩沥青掺量可降低基质沥青的疲劳寿命.

4 结论

（1）可采用“时间－扫描”试验来评价岩沥青改性沥青的疲劳性能，为了避免灰分等颗粒导致的“假性疲劳”现象的产生，要求改性剂必须是经过抽提的纯岩沥青组分.

（2）无论是应力控制模式还是应变控制模式，RDR 均能方便确定岩沥青改性沥青的疲劳寿命，并且评价结果与G＊50 的评价结果一致，因此，RDR适合于评价岩沥青改性沥青的疲劳性能.

（3）在应力控制模式下，纯岩沥青掺量的增加可明显改善沥青胶结料的疲劳性能，但是，当纯岩沥青掺量大于15%时，会提高改性沥青对应力水平的敏感程度；在应变控制模式下，当纯岩沥青掺量小于15%时，可以改善沥青胶结料的疲劳性能，然而，当纯岩沥青掺量大于15%时，改性沥青的疲劳性能开始变差；当纯岩沥青掺量为20%时，改性沥青的疲劳寿命远远小于基质沥青.

［1］曲恒辉.国产天然岩沥青微观结构分析及性能研究［D］.济南：山东大学，2012.QU Henghui.Thesis study on microscopic structure analysis and performance of domestic－natural shale asphalt［D］.Jinan：Shandong University，2012.（in Chinese）

［2］李瑞霞，郝培文，王春，等.布敦岩沥青改性机理［J］.公路交通科技，2011，28（12）：16－20.LI Ruixia，HAO peiwen，WANG Chun，et al.Modified mechanism of buton rock asphalt［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2011，28（12）：16－20.（in Chinese）

［3］杜少文.岩沥青SBS复合改性沥青混合料的性能与机理［J］.建筑材料学报，2012，15（6）：871－874.DU Shaowen.Performance and mechanism of BRA－SBS polymer composite modified asphalt mixture［J］.Journal of Building Materials，2012，15（6）：871－874.（in Chinese）

［4］曹东伟，刘清泉，路军.岩沥青路面工程应用技术指南［R］.北京：交通部公路科学研究院，2008.CAO Dongwei，LIU Qingquan，LU Jun.Technical guide for natural rock asphalt application in pavement engineering［R］.Beijing：Research Institute of Highway Ministry，2008.（in Chinese）

［5］胡金龙，孙大权，曹林辉.沥青疲劳性能分析方法与评价指标［J］.石油沥青，2013，27（5）：56－62.HU Jinlong，SUN Daquan，CAO Linhui.Analysis methods and evaluation indexes for fatigue property of asphalt［J］.Petroleum Asphalt，2013，27（5）：56－62.（in Chinese）

［6］白琦峰，钱振东，赵延庆.基于流变学的沥青抗疲劳性能评价方法［J］.北京工业大学学报，2012，38（10）：1536－1542.BAI Qifeng，QIAN Zhendong，ZHAO Yanqing.Asphalt fatigue resistance evaluation method based on the rheology［J］.Journal of Beijing University of Technology，2012，38（10）：1536－1542.（in Chinese）

［7］孟勇军，张肖宁.基于累计耗散能量比的改性沥青疲劳性能［J］.华南理工大学学报：自然科学版，2012，40（02）99－103.MENG Yongjun，ZHANG Xiaoning.Fatigue performances of modified asphalts based on cumulative dissipated energy ratio［J］.Journal of South China University of Technology：Natural Science，2012，40（2）：99－103.（in Chinese）

［8］ROWE G M，BOELDIN M G.Improved techniques to evaluate the fatigue resistance of asphaltic mixture［C］∥2nd Euro Asphalt and Euro Bitumen Congress.Barcelona：Norwegian Asphalt Contractors Association，2000：136－139.