沥青混合料疲劳自愈性能关键影响因素

杨　军　王昊鹏　廖　辉

(东南大学交通学院，南京　210096)



沥青混合料疲劳自愈性能关键影响因素

杨军王昊鹏廖辉

(东南大学交通学院，南京210096)

摘要:为了研究不同沥青混合料疲劳自愈性能影响因素的显著水平，进行了有休息期和无休息期的沥青混合料室内四点弯曲疲劳试验．通过定义愈合指数，对不同因素条件下的沥青混合料疲劳试验结果进行灰关联分析，分别研究了沥青种类、沥青含量、空隙率、温度、休息期、损伤程度对沥青混合料疲劳自愈性能的影响程度．结果表明，基于愈合指数可得到即时的沥青混合料自愈合率，而无需等待疲劳试验结束．沥青种类对沥青混合料自愈合能力的影响最显著;休息期和损伤程度与沥青混合料的自愈合能力关联显著，其影响仅次于沥青种类;空隙率、温度、沥青用量则影响不显著．在工程实践中，可通过合理选择沥青种类、控制交通流量等方式提高沥青路面自愈合性能．

关键词:道路工程;疲劳自愈;灰关联分析;沥青混合料;四点弯曲疲劳试验

引用本文:杨军，王昊鹏，廖辉．沥青混合料疲劳自愈性能关键影响因素［J］．东南大学学报(自然科学版)，2016，46(1) : 196－201．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．032．

疲劳开裂是指在重复交通荷载作用下沥青混合料疲劳损伤不断累积而造成的裂缝产生、发展、汇集直至形成宏观裂缝的过程．疲劳开裂是沥青路面尤其是柔性基层沥青路面的主要破坏模式之一［1］．道路工程师采用了多种方法进行路面裂缝的修复和养护，但均在不同程度上遭遇了交通安全、拥堵和资金等问题．因此，研究新的沥青混凝土路面修复方法和养护策略迫在眉睫［2］．沥青路面具有自愈能力，已经成为国内外学者的广泛共识，并且已通过室内试验和现场工程实践证实［3］．Butt等［4］调查表明，路面设计中并没有考虑沥青的自愈潜能及其对养护计划和能源消耗的影响．

在行车荷载和环境变化的反复作用下，沥青胶结料或混合料产生的裂缝可以部分或全部愈合．建于1939年的阿尔及利亚沥青混凝土漏水斜墙坝在未加修理的情况下自我修复并停止漏水，这一现象引起了人们对沥青混合料自愈性能的关注［5］．1967年，Bazin等［6］率先进行了有关沥青混合料自愈特性的研究．随后，国内外学者就沥青和沥青混合料自愈合进行了大量试验研究，研究主要集中于沥青及沥青混合料自愈机理、自愈表征和增强技术3个方面［2－7］．沥青混合料的疲劳自愈性能影响因素主要包括沥青混合料内部条件和外部环境．内部条件包括沥青混合料的材料性状(集料、填料、沥青、级配等)和受损程度;外部环境包括荷载、温度、湿度和时间(恢复期或休息期长短)等［8－13］．

偏于保守的工程设计导致混合料出现空隙率过低、泛油严重、资源浪费等问题，有必要对沥青混合料自愈合能力进行系统研究，分析不同因素对沥青混合料疲劳自愈特性的影响程度．国内外报道大多是关于单个因素对沥青混合料疲劳自愈性能的影响分析．本文通过灰关联分析，研究不同影响因素的显著水平，并探讨各因素的影响机理，从而为沥青混合料的设计与施工提供指导．

1　试验

在UTM－25液压伺服材料试验机上分别进行有休息期和无休息期的四点弯曲疲劳试验，运用灰关联分析方法对不同影响因素(沥青种类、沥青含量、空隙率、温度、休息期、损伤程度)下的沥青混合料疲劳试验结果进行分析，评价各因素对沥青混合料疲劳自愈特性的影响程度．

1．1原材料

所用沥青为70#基质沥青和SBS改性沥青，集料为玄武岩，填料为石灰岩矿粉．沥青混合料级配类型采用Superpave沥青混合料Sup－13，设计级配见表1．通过Superpave体积设计法确定设计级配，沥青含量为4．7%，空隙率为7．0%．按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》［14］规定的方法测定70#基质沥青、SBS改性沥青、玄武岩集料和石灰岩矿粉的相关技术指标，结果见表2～表4．

表1　沥青混合料级配

表2　沥青主要技术指标

表3　玄武岩集料技术指标　%

表4　矿料相对密度　g /cm3

1．2试验方案

1．2．1影响因素

综合已有研究［3，8－9］，选择沥青种类、沥青含量、空隙率、温度、休息期和损伤程度6种影响因素加以分析．其中，沥青种类选取为基质沥青和SBS改性沥青;沥青含量为4．2%和5．2%;空隙率为4．5%和9．5%;温度为4，20，40℃;休息期为1，5，10 s;损伤程度通过实测得到．研究表明，沥青混合料的疲劳性能与其硬度密切相关［1］．由于沥青种类是类别变量，无法进行数值计算，故将其转化为软化点(数值变量)来计算．基质沥青与SBS改性沥青的软化点分别为49和76℃．

1．2．2试验参数

在实际的路面交通条件下，路面承受的荷载并非是连续的，导致荷载间断的主要因素包括行车速度、轮轴组合、车辆之间间隔等．大多室内沥青混合料疲劳研究均采用连续不间断的动态循环加载模式，这并不符合实际的路面交通荷载状况．目前，国内外关于沥青及混合料的疲劳自愈行为研究主要是在疲劳测试中引入休息期，通过比较有休息期和无休息期的沥青及混合料疲劳行为，来分析其自愈合能力．休息期的引入方式主要分为以下2种:①存在休息间隔．在传统的连续循环加载疲劳试验后引入休息期，且休息期较长，待试件达到休息时间后再进行连续循环加载(见图1(a) )．②间断加载．在每个加载周期内引入休息期，休息期较短(见图1(b) )．

图1　疲劳测试加载波形

研究发现，采用间断加载的方式更符合路面实际交通情况．当加载波形不同时，同一混合料疲劳自愈表现不同，不同混合料的疲劳自愈能力排序也不同［15］，采用正弦波形更有利于发挥混合料的自愈特性．因此，本文采用间断加载的正弦波形(见图1(b) )．路面行车不可能形成完全连续的正弦周期加载方式，在前一辆车离开路面某一断面后，后续车辆需等待一段时间才会行驶至该断面．根据《公路路线设计规范》［16］中停车视距的概念，正弦周期加载的间歇时间可以按照汽车以一定速度行驶最小安全距离所需时间计算得到．以平原微丘区高速公路为例，若实际行车速度为60 km /h，停车视距为75 m，则加载周期为0．012 s，间歇时间为4．5 s．因此，本试验设计中选取典型休息期为5 s，并研究休息期变化对沥青混合料自愈的影响．加载模式为应变控制，为获得稳定的试验数据并考虑时间因素，将试件疲劳寿命控制在103～105次，应变取为5×10－4，频率为10 Hz．

2　愈合指数

为了定量评价沥青混合料的自愈能力和各种因素对沥青混合料自愈性的影响，首先需要确定合理的自愈合能力评价指标．有休息期和无休息期的四点弯曲疲劳试验曲线(即劲度比随循环加载次数变化的关系曲线)见图2．图中，SWRP，SW/ORP分别为有休息期和无休息期的劲度比(即时劲度与初始劲度的比值) ; NfW/ORP为无休息期时的加载次数; ΔNf为达到相同劲度比时有休息期试件较无休息期试件增加的加载次数．为了消除试件不同造成的重复性误差，采用劲度比代替劲度．由此可定义愈合指数H为［15］

图2　劲度比与循环加载次数的关系曲线

当H =1时，SWRP= 1，表示沥青混合料完全愈合，在有休息期的情况下，沥青混合料的劲度模量不衰减．当SW/ORP=0．50时，沥青混合料的劲度模量下降到初始劲度模量的50%，达到传统的沥青混合料疲劳破坏法则，对应的疲劳寿命为Nf50，并将此时的损伤程度定为100%．则损伤程度D可定义为

通过查找NfW/ORP对应的SWRP和SW/ORP，即可得到损伤程度D下沥青混合料的愈合指数H．例如，在无休息期的情况下，当沥青混合料试件的劲度模量下降到初始劲度模量的50%时，Nf50= 1×104;而对于有休息期的沥青混合料试件，当NfW/ORP= 7 000时，SWRP=0．80，SW/ORP=0．65，则此时损伤程度D = 70%，愈合指数H = (0．80－0．65) /(1－0．65)≈0．43．通过上述分析可知，根据所定义的愈合指数可得到即时的沥青混合料自愈合率，而无需等待疲劳试验结束．

3　灰关联分析

灰关联分析是一种系统分析方法，其分析步骤为:①确定数据列，进行初值化处理并计算求差序列;②计算各影响因素的灰关联系数;③计算灰关联度并分析结果．表5给出了不同因素影响下10组有休息期的沥青混合料疲劳试验的愈合指数处理结果．每个试验序列采用3个平行试件，并将劲度归一化值代替绝对数值，以消除由于试件不同造成的重复性试验误差．

以愈合指数H为参考，对6种影响因素进行灰关联分析．首先，对试验结果进行初值化处理;其次，计算各因素的求差序列;最后，按最少信息原理取分辨系数ρ=0．5，计算各因素的灰关联系数，结果见表6．根据表中结果，可得到各影响因素的灰关联度(见图3)．各影响因素对沥青混合料愈合指数H的影响由大至小依次为:沥青种类、休息期、损伤程度、空隙率、温度、沥青含量．根据灰色系统理论，当分辨系数ρ=0．5时，若灰关联度大于0．6，表明关联显著．因此，沥青种类对沥青混合料自愈合能力的影响最显著;休息期和损伤程度与沥青混合料的自愈合能力关联显著，仅次于沥青种类;空隙率、温度、沥青用量影响不显著．就沥青混合料内部因素而言，沥青种类影响最大，损伤程度次之，空隙率和沥青含量影响不显著．

表5　沥青混合料疲劳试验参数及愈合指数

表6　各影响因素的灰关联系数

图3　各影响因素的灰关联度

4　结果与讨论

下面对各影响因素的灰关联分析结果进行讨论，并分析各因素的影响机理．

4．1沥青种类

Izadi等［10］采用动态力学分析仪比较了粗、细级配沥青砂浆、高沥青含量与基准沥青砂浆的自愈能力，发现自愈率主要由沥青胶结料性质决定，而不受矿料级配和胶结料用量以及砂浆体积分布影响;相对于其他特性(如体积特性)在抵抗疲劳开裂方面的作用，沥青胶结料的自愈性影响显著，这也验证了本文的结论，即沥青含量与自愈合能力的关联度较小．分子扩散理论认为沥青材料的裂缝自愈包括以下3个步骤［15］:①在表面能作用下，微观裂纹上下表面接触并润湿(润湿机理) ;②微裂纹界面分子扩散，裂纹界面黏结(扩散机理) ;③扩散沥青大分子链的随机化引发材料力学性能恢复．在这3个步骤中，每一步都与沥青本身的物理化学性质密切相关．其愈合的原动力来源于裂缝界面分子范德华力和氢键形成的吸附作用．因此，沥青种类是影响沥青混合料自愈合能力的关键因素之一．

4．2休息期

沥青混合料的自愈合不仅在休息期发生，也在材料服役(加载)过程中发生，但两者的愈合速率不同．休息期对沥青混合料疲劳自愈性能的影响较为显著，仅次于沥青种类的影响程度．一般情况下，室内试验获得的沥青混合料疲劳开裂寿命仅为实际疲劳开裂寿命的一部分，产生如此大差异的原因是由于在实际路面交通条件下，路面承受的荷载并非连续．而在荷载间歇，沥青混合料由于具有自愈合能力，降低了沥青混合料内部裂纹产生及发展的速率，延长了混合料疲劳寿命．

4．3损伤程度

沥青混凝土存在损伤临界点，在该临界点之前为微观损伤，损伤可愈合;而在该临界点之后为宏观损伤，损伤不可愈合．沥青混合料疲劳损伤可归结于重复荷载作用下沥青混合料内部裂纹萌生与扩展，在此过程中伴随着裂纹区域的应力松弛以及为降低裂纹表面能自发进行的界面自愈合．损伤程度越低，荷载作用次数越少，沥青混合料的疲劳恢复率越高，自愈合能力越强．

4．4空隙率

沥青混合料的空隙率不同，疲劳性能也存在差异．空隙率越大，沥青混合料内部的空隙与微裂缝越多，在荷载反复作用下越易引发微裂缝的扩展而破坏，从而使其疲劳性能降低．沥青混合料的自愈过程包括沥青与集料之间的黏结愈合以及沥青与沥青的内聚愈合．空隙率的大小将影响黏结愈合和内聚愈合在总愈合中所占的比例，从而影响其愈合效果;此外，它还影响沥青膜厚及自由沥青在所有沥青中所占的质量百分数，从而影响沥青的流动，且对其愈合修补裂缝的效果也存在一定影响．

4．5温度

Wu等［17］将愈合定义为，当2片相同的材料在高于其玻璃化转变温度情况下接触时界面逐渐消失，界面处分子扩散导致的裂缝愈合使得界面处的机械强度增加．该定义特别指出了发生愈合的一个重要条件——温度，即必须高于材料的玻璃化温度．由于沥青是黏弹性材料，提高温度将使其软化而具有流动性．在一定温度范围内，沥青还未老化，流动范围有限，温度越高，分子活性越大，扩散能力越强，对于填补裂缝以及黏结集料表面都有一定的促进作用，从而增强沥青混合料的自愈合效果．但是，当温度上升到一定阶段时，沥青处于接近牛顿流体的状态，发生愈合，再提高温度对沥青混合料的愈合影响较小，甚至产生负面作用．

4．6沥青含量

通过灰关联分析发现，与其他因素相比，沥青含量对沥青混合料的自愈合性能影响并不显著．沥青混合料的自愈率取决于裂纹的大小以及裂纹尖端周围的沥青含量．裂纹越小，损伤程度较低，愈合率越高．同时，在裂纹尖端，局部刚度较大，提高沥青含量，可以提高愈合速率．然而，提高沥青混合料的沥青含量并不一定能提高集料颗粒间的平均沥青含量．与单纯提高沥青含量相比，使沥青胶浆均匀分散于产生裂纹的集料－沥青界面相，以提高真正参与愈合的有效沥青含量，对提高沥青混合料的自愈合率更有现实意义．而有效愈合沥青含量与混合料级配、空隙率、集料性状、外部条件(如受损程度和温度)等多因素相关．因此，沥青含量对沥青混合料自愈性能影响并不显著．

5　结论

1)根据所定义的愈合指数可得到即时的沥青混合料自愈合率，而无需等待疲劳试验结束．

2)运用灰关联分析方法，分析了沥青种类、沥青含量、空隙率、温度、休息期、损伤程度对沥青混合料疲劳自愈性能的影响．沥青种类对沥青混合料自愈合能力的影响最显著，休息期和损伤程度与沥青混合料的自愈合能力关联显著，其影响仅次于沥青种类．空隙率、温度、沥青含量影响不显著．

3)在工程实际中，可以从以下4个方面来提高沥青混合料的自愈合能力:①选择自愈合能力强的沥青胶结料;②通过控制交通量或者分散车道车流来增加休息期;③严格控制车辆超载，降低沥青路面损伤程度;④在气温较高的季节进行路面裂缝的修补及养护．此外，沥青的自愈能力和沥青材料自愈合能力增强技术将是未来自愈合技术研究的主要方向．

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Key influential factors of fatigue and self-healing properties of asphalt mixture

Yang Jun Wang Haopeng Liao Hui
(School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:In order to investigate the significance level of different factors which influence the fatigue and self-healing properties of asphalt mixture，indoor four-point bending fatigue tests with and without rest periods were conducted．Through defining the healing index，the fatigue results of asphalt mixture with different influential factors were studied by grey relational analysis．The influence degrees of the asphalt type，asphalt content，air voids，temperature，rest period，and damage degree on the fatigue and self-healing properties of asphalt mixture were studied，respectively．The results show that according to the defined healing index，the real-time self-healing rate of asphalt mixture can be obtained without finishing fatigue tests．The influences of the asphalt type on the self-healing capacity of asphalt mixture is the most significant．The rest period and the damage degree have a significant correlation with self-healing capacity of asphalt mixture，and their influences follow that of the asphalt type．The influences of the air voids，temperature and asphalt content are not significant．In engineering projects，the self-healing property of asphalt mixture can be improved by selecting the rational asphalt type and controlling the traffic flow．

Key words:road engineering; fatigue and self-healing; gray relational analysis; asphalt mixture; four-point bending fatigue test

基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20120092110053)．

收稿日期:2015-06-14．

作者简介:杨军(1968—)，女，博士，教授，博士生导师，yangjun@ seu．edu．cn．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．032

中图分类号:U414

文献标志码:A

文章编号:1001－0505(2016) 01-0196-06