复合改性浇筑式沥青混合料疲劳性能分析

2018-08-27张代平

西部交通科技 2018年5期

张代平

(广西路建工程集团有限公司，广西南宁 530001)

0 引言

鉴于独特的结构形式和良好的路用性能，浇筑式沥青混合料在国外桥面铺装结构中得到了广泛的应用。与普通沥青混合相比，浇筑式沥青混合料具有“三高”特点，即沥青含量高、填料和细集料含量高及拌合温度高，其特殊结构性质保证了结构空隙率<1%。近年来，我国也逐渐在大型桥面铺装结构中开始应用浇筑式沥青混合料，如上海东海大桥、重庆菜园坝长江大桥等。由此针对GA沥青混合料的研究也逐渐重视起来，杨锡武分析了CRP与SBS复合改性沥青的基本性能，为GA沥青混合料配合比设计提供了基础[1][3]；张华等人研究了浇筑式沥青混凝土疲劳损伤过程，针对其破坏过程建立了预估疲劳方程[2]。

结合工程实践现状，GA沥青混合料的应用仍存在一定的问题，如在重载交通下，山东胜利黄河大桥桥面局部出现了网状裂缝和横、纵裂缝；应用该技术较早的江阴长江大桥，早期也出现了一系列的病害问题。因此，本文通过采用四点弯曲疲劳试验分析了复合改性沥青类型、油石比、应变水平及拌合温度等主要因素对劲度模量、加载次数、滞后角及耗散能指标的影响，为实体工程应用提供技术支持。

1 试验材料及方案

1.1 原材料选择

浇筑式沥青混合料具有较高的沥青含量，在高温条件下需具备良好的流动性、和易性，沥青胶结料的性能、类型对混合料性能具有重要的贡献。文中选择国内常用的沥青为基础(30#70#基质沥青)，选用天然湖沥青(TLA)和SBS改性剂对其复合改性，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[4]进行检测，其技术指标见表1和表2，同时选择德国生产PMB25作为对比产品，其性能技术指标均满足要求；粗集料选用质地坚硬、性能稳定、强度高的玄武岩(矿料加热达到280 ℃～330 ℃，对原材料的耐热、耐高温性能要求较高)，细集料选择石灰岩水洗机制砂，其测试结果见表3和表4。

表1 30#70#沥青性能检测结果对比表

表2 TLA技术指标表

表3 集料技术指标表

1.2 试验方案

(1)GA复合改性沥青最佳配比。通过利用软化点、针入度、延度及黏度指标分析基质沥青、TLA及SBS改性剂用量变化对GA复合改性沥青性能的影响，提出了基于30#、70#基质沥青的两种合理配比，即AH30#+TLA+SBS(69%+25%+6%)和AH70#+TLA+SBS(60%+35%+5%)。

(2)GA-10级配设计。鉴于国内对浇筑式沥青混合料研究较少，混合料级配设计方面尚无完善的技术标准，文中参照德国、日本和俄罗斯等国家对GA沥青混合料的标准级配设计范围[5][6]，结合GA的结构特点(典型的悬浮密实结构，粗集料偏少、细集料多，沥青含量大，空隙率<1%)，确定了GA-10浇注式沥青混合料合成级配(见表4)。

表4 GA-10级配组成表

(3)试验方法。文中考虑GA沥青混合料结构特性，选择对沥青胶结料敏感性显著的小梁四点弯曲试验方法对其进行疲劳性能检测，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行试验。采用UTM-100电动液压伺服试验机，采用正弦波应变控制模式，频率10 Hz，温度15 ℃，试件标准尺寸为385 mm×65 mm×50 mm。通过加载次数、应变值、劲度模量、耗散能等指标对GA沥青混合料疲劳性能进行分析。

2 试验结果分析

2.1 沥青含量对劲度模量的影响变化

沥青用量对GA沥青混合料空隙率、流动和易性具有重要作用，关系到整个桥面结构层的使用寿命。试验选择采用油石比8.0%、8.5%和9.0%，应变水平600μ，试验结果见图1。

动态劲度模量反映了行车过程中沥青路面结构抵抗变形和荷载的能力，其值越大表明相同条件下沥青路面的应力与应变比值越大，承受荷载越大，应变变形降低[7]。图1显示了3种不同沥青用量下劲度模量与加载次数关系曲线，分析可知：

(a)

(b)

(c)图1 不同沥青用量下劲度模量试验结果变化曲线图

(1)油石比变化对劲度模量具有较大影响，随着油石比增加，初始劲度模量呈下降趋势。初始劲度模量表征了沥青混合料未受车辆荷载作用时的应力-应变初始状态，随着沥青用量的增加，达到50%初始劲度模量的疲劳破坏寿命相应地延长，但超过最佳沥青用量时，疲劳作用次数逐渐降低。如AH70#沥青，油石比8.0%、9.0%时的初始劲度模量值分别为9 453 MPa、8 154 MPa，达到50%破坏时的加载次数分比为6.25×105和10×105，而油石比在8.5%时的疲劳作用次数为12×105。同样，对于AH30#沥青，油石比8.0%、8.5%和9.0%时的初始劲度模量值分别为8 734 MPa、8 345 MPa和7 986 MPa，疲劳作用次数分别为5×105、11×105和10×105。

(2)AH70#+TLA+SBS沥青的GA疲劳特性最佳，AH30#+TLA+SBS次之，PMB25的最差。说明采用硬质沥青TLA+SBS复合改性的GA沥青混凝土的劲度模量值远高于德国产品，抵抗车辆荷载和路面变形的能力优于其他产品。

2.2 应变水平对劲度模量的影响变化

沥青路面结构竖向位移反映了荷载反复作用下的局部车辙变形与整体结构弯曲，室内试验采用应变控制模式，表征GA沥青混合料发生竖向弯曲的变形程度，研究采用应变水平600μ、800μ、1 200μ、1 400μ进行分析，试验结果见图2。

(a)

(b)

(c)图2 不同应变水平下劲度模量试验结果变化曲线图

图2描述了3种GA沥青混合料在不同应变水平下，劲度模量与加载次数变化曲线，分析可知：

(1)劲度模量随应变水平的增加而下降，且随疲劳破坏次数增加，不同应变水平的劲度模量值差异性变大。说明随着应变水平增加，劣化了GA沥青混合料的疲劳寿命，对于桥面铺装结构，GA沥青混合料在车辆荷载反复作用下逐渐发生弯曲破坏，试验控制应变水平大小代表GA沥青混合料初始荷载作用下的弯曲变形程度，该弯曲变形程度越大，GA沥青混合料的疲劳寿命也越短，表现出疲劳作用次数的下降。如AH70#沥青，应用水平600μ和1 200μ，初始劲度模量分别为9 453 MPa和9 155 MPa，在加载次数4.5×105时，劲度模量值分别为5 120 MPa和4 358 MPa，且二者的疲劳寿命为6.25×105和4.5×105，相差约28%。

(2)不同沥青类型下，应变水平对劲度模量的影响程度也不相同，AH70#沥青GA沥青混合料受应变水平影响显著，(与应变水平600μ相比)破坏时的劲度模量劣化8.7%，疲劳寿命降低了28%；AH30#沥青的劲度模量和疲劳次数降低了0.6%和20%。

2.3 应变水平对累积能耗的影响变化

(a)

(b)图3 不同应变水平下累积耗散能试验结果变化示意图

图3显示了GA沥青混合料初始能耗、累积能耗随应变水平的变化情况，由此可知：

(1)GA沥青混合料初始能耗随应变水平的增加呈线性增加趋势，累积能耗呈线性下降趋势，且应变水平对能耗的影响程度与沥青胶结料类型有关，其中PMB25AH30#沥青初始能耗变化幅度较为显著，AH70#沥青的累积能耗劣化显著。如应变水平1 400μ时，AH70#、AH30#和PMB25沥青的初始能耗值分别提高了9.9%、24.2%和23.0%，累积能耗值分别降低了92.0%、59.8%和52.4%(与应变水平600相比)。

(2)累积耗散能随应变水平的增加而显著下降，应变控制较小时(GA沥青混合料初始弯曲变形较小)疲劳作用次数延长，累积寿命增加，沥青混合料的累积耗散能自然也多，提高了沥青混合料弯曲变形，试验结果显示达到破坏状态时的疲劳作用次数下降，累积耗能降低[8]。因此，GA沥青混合料铺筑桥面结构，应变水平的变化与实际桥面结构的变形相一致，为提高桥面铺装结构的疲劳寿命，则应降低荷载作用下桥面的结构变形，适当提高桥面刚度。