考虑自愈补偿的再生沥青疲劳性能分析

向 浩， 何兆益， 陈柳晓， 陈 龙， 杨德胜

(重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

疲劳性能是材料在重复荷载作用下抵抗破坏的能力.由于交通量的增加、重载超载的出现以及再生沥青路面运用推广等因素，疲劳破坏是目前再生沥青路面出现最多的损坏类型之一.吴少鹏等[1]选取了4种应变值和4种应力值进行疲劳试验，发现应变模式更适用于评价老化沥青胶结料的疲劳性能.孙大权等[2]应用动态剪切流变仪，分析了粉胶比、温度和应力对沥青胶浆疲劳寿命的影响，并建立了考虑温度影响的沥青胶浆疲劳寿命预估方程.董瑞琨等[3]通过小梁疲劳试验研究了11种沥青混合料在考虑自愈补偿后的疲劳性能，结果表明SBS改性沥青混合料SBS-AC13在考虑自愈合前后均表现出最好的疲劳性能；橡胶沥青混合料ARAC-13的自愈合性能最好，其疲劳自愈合能力与空隙率、级配均呈很好的相关性.黄卫东等[4]通过四点弯曲疲劳试验，对SBS改性沥青混合料疲劳自愈合能力的3类影响因素(混合料特性、荷载条件和自愈合条件)进行了系统研究，结果表明其疲劳自愈合效率与沥青用量、自愈合时间成正比，与试件空隙率、破坏程度及应变量成反比.

目前中国对沥青疲劳性能的研究虽然较多，但主要集中在基质沥青或改性沥青的疲劳性能影响因素、疲劳破坏判断方法及疲劳方程推导等方面.涉及再生沥青疲劳性能的研究相对较少，而考虑自愈补偿的再生沥青疲劳性能分析基本空白，因此现有研究成果起到的借鉴作用有限.同时，沥青作为一种黏弹性材料，其受到剪切破坏后自愈恢复无时无刻不在发生，多方面研究已经证实这一现象的存在[5-6].在进行再生沥青疲劳性能研究时若忽视自愈合的影响，就有可能造成疲劳特性测试结果与真实情况偏差较大[4].因此，为了更加准确地反映再生沥青的疲劳性能，有必要在疲劳性能测试中考虑自愈补偿.基于上述原因，本文配制了不同原沥青老化程度及不同再生剂掺量的9种再生沥青，借助动态剪切流变仪对比其考虑自愈补偿前后的疲劳性能，分析自愈补偿对其疲劳寿命的影响，以期为再生沥青疲劳性能的研究提供参考.

1 试验

1.1 试验材料

原沥青采用70#基质沥青，各项技术指标均满足规范要求.以70#基质沥青为原料，采用旋转薄膜加热试验(RTFOT)来模拟沥青短期老化，老化85，170min的试样分别以70#R85和70#R170表示；另外，采用压力老化容器加速老化试验(PAV)来模拟沥青长期老化，试样以70#P表示.基质沥青和各老化沥青的技术指标见表1.再生剂选用课题组自主研发的RA-2型再生剂，其技术指标如表2所示.再生沥青编号在老化沥青编号前加上字母Z表示.当再生剂掺量为老化沥青质量的7%(质量分数wR，下同)时，再生沥青的技术指标如表3所示.

表1 基质沥青和老化沥青的技术指标

表2 再生剂的技术指标

表3 再生沥青的技术指标

1.2 试验方法

试验采用美国TA公司Discovery系列DHR-2型动态剪切流变仪，平行板尺寸为8mm，间距为2mm，加载频率为10Hz，应变(ε)分别为3%，4%，5%，6%.

研究沥青自愈合性能时，通常在疲劳加载过程中加入一定的间歇时间.按照间歇时间的加入方式，加载方式可分为间断式加载和脉冲式加载[7].间断式加载为“疲劳—愈合—疲劳”试验，即在加载过程中只加入1次较长的间歇时间；脉冲式加载则在每个加载周期后均加入1个间歇时间.2种加载方式各有优缺点，相比较而言，脉冲式加载更符合路面实际情况，但存在试验时间过长、加载频率较高、相位角易发生变化等问题[8].本试验结合2种加载方式的优点，并考虑可操作性，选择在每50个加载周期后加入1个恒定的间歇时间，间歇时间tr分别为2，4，6，8s，加载温度和间歇温度均为25℃.

1.3 疲劳寿命评价指标

沥青材料的疲劳寿命评价指标较多，如：动态剪切模量衰减到初始值50%时的加载次数Nf50、累积耗散能偏离无损直线20%时所对应的加载次数Np20、累积耗散能和疲劳因子G*·sinδ等.研究[2，9]表明：Nf50，Np20用于评价沥青疲劳性能时均与加载方式无关，且两者结果具有一致性；用累积耗散能作为评价指标进行幂函数回归时，关系式的幂指数在应力控制模式下略大于1，而在应变控制模式下略小于1，且用累积耗散能来评价基质沥青和改性沥青时其疲劳寿命呈现不同的规律；疲劳因子G*·sinδ无法确定沥青的疲劳寿命，因为疲劳因子G*·sinδ是疲劳试验初始状态的1个特征值，缺乏与重复荷载作用下的累积损伤发展过程的相关性，无法评价沥青疲劳破坏过程.另外，考虑到Np20需采用耗散能理论进行分析，结果确定较为复杂，并且易产生误差，因此本文选择Nf50作为评价再生沥青疲劳性能的指标.

1.4 自愈合评价指标

本文采用自愈合引起的疲劳寿命变化率作为再生沥青的自愈合指标(healing index，HI)，用来评价再生沥青的自愈合程度，其计算方法见式(1).疲劳寿命变化率是评价沥青自愈合性能时运用较多的1个指标，可直观反映由于自愈合的介入而引起的沥青材料疲劳性能的变化程度[10].

(1)

式中：Nf-y为考虑自愈补偿的疲劳寿命；Nf-n为未考虑自愈补偿的疲劳寿命.

2 结果与分析

2.1 未考虑自愈补偿的疲劳寿命

为保证结果的准确性，在同一条件下进行3组平行试验，舍弃误差值最大的试验结果，选取误差较小的2组数据取均值进行分析比较，该方法能剔除可能存在的受操作失误影响的试验数据，降低数据的变异性.未考虑自愈补偿的再生沥青疲劳性能试验结果见表4.

表4 未考虑自愈补偿的再生沥青疲劳性能试验结果

2.2 考虑自愈补偿的疲劳寿命

考虑自愈补偿后的再生沥青疲劳性能试验结果见表5.

表5 考虑自愈补偿后的再生沥青疲劳性能试验结果

由表5可得：在相同条件下，Z70#R85依然具有最长的疲劳寿命，Z70#R175次之，Z70#P最短，表明原沥青老化程度对再生沥青的疲劳寿命影响很大，即愈合条件相同时原沥青老化程度越低，再生沥青疲劳寿命越长；在考虑自愈补偿后，再生沥青疲劳寿命显著增长，表现为间歇时间越长其疲劳寿命越长，不同间歇时间(2，4，6，8s)所对应的再生沥青疲劳寿命增长率分别为12%，20%，39%，82%，可以看出在2～8s的间歇时间范围内，当间歇时间按照线性增长时，再生沥青的疲劳寿命几乎呈倍数增长.对于同一种材料来说，其自愈性能相同，间歇时间越长，其在微裂缝处的自愈合程度就越高.

由表5还可看出，再生沥青疲劳寿命随应变增大而缩短，相比于未考虑自愈补偿时，应变增大对再生沥青疲劳寿命衰减程度的影响几乎相同.具体表现为：当应变由3%增至4%，5%，6%时，疲劳寿命约减少41%，68%，84%.低应变下再生沥青的自愈合可以更好地发挥补偿作用，因为高应变下单次加载对材料造成的损伤更大，这意味着更大的微裂缝长度及宽度，而裂缝宽度的增大使得沥青微裂缝处开裂面的润湿更难发生，沥青分子更难穿过裂缝面，自愈合必然更加困难.

考虑自愈补偿后，再生剂对自愈合的促进作用得到了体现，再生剂掺量较多时再生沥青的疲劳寿命提升幅度更大.虽然部分Z70#R175和Z70#R85再生沥青在未考虑自愈补偿时，出现了低再生剂掺量下疲劳寿命反而更长的情况，但是在考虑自愈补偿后高再生剂掺量下再生沥青疲劳寿命实现了反超，最终当再生剂掺量为8%时再生沥青在充分间歇时间下愈合后的疲劳寿命均长于再生剂掺量为7%时.再生剂主要由轻质组分组成，有助于沥青的流动，从而提高沥青自愈合效率.另外，考虑自愈补偿后可能会对再生沥青抗疲劳性能的排序产生影响，这是因为考虑自愈补偿的再生沥青疲劳寿命由未考虑自愈补偿时的疲劳寿命和自愈补偿的疲劳寿命组成.如未考虑自愈补偿时2种再生沥青疲劳寿命相近，若疲劳寿命偏小者的自愈合能力更大，则可能在考虑自愈补偿后原疲劳寿命偏短的再生沥青疲劳寿命反而更长.

2.3 再生沥青的自愈合程度

根据表4，5中再生沥青疲劳寿命数据，按式(1)计算得到各再生沥青的自愈合指标HI，结果见表6.

表6 再生沥青的自愈合指标HI计算结果

由表6可得：各再生沥青均表现出一定的自愈合能力，相同条件下其自愈合程度排序为Z70#R85>Z70#R170>Z70#P，但均小于基质沥青；将所有间歇时间换算为2s，可以得到Z70#R85的愈合速率约为Z70#R170，Z70#P的1.23，1.57倍，说明原沥青老化程度越低，再生沥青的自愈合程度越好；对于同种再生沥青，间歇时间越长，其自愈合程度越高，这是因为间歇时间的延长促进了更多尺寸较大的微裂缝愈合，而愈合速率并未显著变化；随着应变的增大，再生沥青自愈合程度减小，应变为3%时不论间歇时间长短，各再生沥青自愈合程度均最大，而应变为6%时其自愈合程度均最小；高再生剂掺量的再生沥青表现出更好的自愈合程度，如Z70#R170在应变为4%、间歇时间为6s时，其自愈合指标在8%再生剂掺量下分别为6%，7%再生剂掺量下的1.48，1.17倍，并且间歇时间越长，再生剂对再生沥青自愈合程度的提升作用越明显.

上述结论表明再生沥青的自愈合现象确实存在，其在试验加载过程中及间歇时间内缓慢发生.图1为70#基质沥青与再生剂掺量为7%的Z70#R170再生沥青在应变为4%时考虑自愈补偿前后动态剪切模量G*的对比.从图1可以看出：考虑自愈补偿前后再生沥青动态剪切模量的变化趋势相似，但考虑自愈补偿后其动态剪切模量变化更缓慢、疲劳寿命更长；间歇时间越长，其动态剪切模量降低的速率越慢、疲劳寿命越长；原沥青与再生沥青的曲线形状类似，不同之处在于其初始动态剪切模量较低，动态剪切模量衰减速率较慢.由此可见，是否考虑自愈补偿对再生沥青的疲劳曲线存在显著影响，未考虑自愈补偿将低估再生沥青疲劳寿命，与实际情况不符，因此建议在常用的沥青疲劳试验评价方法中引入间歇时间.考虑到以10Hz对应的行车速度通过相应停车视距的时间约为4s，建议动态剪切流变试验在每个加载周期后引入4s的间歇时间，并以动态剪切模量降低至初始值的50%时的加载次数作为考虑自愈补偿的再生沥青疲劳寿命.

图1 应变为4%时考虑自愈补偿前后再生沥青动态剪切模量的对比Fig.1 Comparison of dynamic shear modulus of regenerated asphalts before and after considering self-healing compensation(ε=4%)

3 结论

(1)在相同条件下，无论是否考虑自愈补偿，再生沥青Z70#R85的疲劳寿命均为最长，Z70#R170次之，Z70#P最短.原沥青老化程度对再生沥青疲劳寿命与自愈合能力起决定作用，并成反比.

(2)考虑自愈补偿后，再生沥青疲劳寿命均有所延长，这是因为微裂缝在间歇时间内完成了一定程度的自愈合，且间歇时间越长其自愈合程度越高、疲劳寿命越长；试验中应变越大，再生沥青的自愈合程度越低、疲劳寿命越短；再生剂不仅可以补充轻质组分，还能改善流变性能，从而提升了再生沥青的自愈合能力，延长了再生沥青疲劳寿命，其中添加8%再生剂的Z70#R85疲劳寿命接近原沥青.

(3)与原沥青相似，再生沥青自愈合对其疲劳寿命的影响显著，考虑自愈补偿前后的再生沥青疲劳曲线存在明显差异.再生沥青的疲劳寿命由材料自身的抗损伤能力以及恢复能力共同决定，在进行再生沥青疲劳性能评价时应综合考虑这2个因素的影响，建议在进行疲劳寿命试验时每个加载周期后引入4s的间歇时间.