AP-8改性沥青混合料疲劳性能分析

徐冬梅 罗琦

摘要：为研究AP8改性剂复合改性硬质沥青混合料的抗疲劳性能，优化桥面铺装材料的整体性能，文章以PMB25沥青为参考对象，采用四点弯曲疲劳试验研究了不同配合比例的基础沥青（30#沥青和70#沥青）对劲度模量、疲劳加载次数、滞后角等指标的影响。结果显示：AP8改性剂能够良好改善基质沥青的抗疲劳性能，随着油石比的增加，劲度模量值呈下降趋势，破坏时的疲劳加载次数和滞后角呈增加趋势;随着加载次数的增加，滞后角呈逐渐增加趋势，PMB25沥青的滞后角随加载次数变化敏感性高于AP8改性沥青;而随着应变水平的增加，AP8改性沥青混合料的疲劳加载次数呈下降趋势，其中AH70#改性沥青受应变水平影响高于AH30#改性沥青;随拌合温度的增加，AP8沥青混合料的劲度模量呈增加趋势，滞后角呈下降趋势，在180 ℃～240 ℃时，温度变化对滞后角影响更为显著，在240 ℃～260 ℃时，滞后角变化较为平缓。汇总研究成果可知，合理地调整最佳沥青用量或控制拌合温度，能够降低或避免AP8沥青混合料老化问题，提高桥面铺装结构的整体刚度。

关键词：桥面铺装;浇筑式沥青混合料;AP8改性剂;疲劳特性;拌合温度;滞后角

In order to study the fatigue resistance of AP8 modifier composite modified hard asphalt mixture and optimize the overall performance of bridge deck pavement materials，with PMB25 asphalt as reference object，this article uses fourpoint bending fatigue test to study the influence of basic asphalt （30# asphalt and 70# asphalt） with different mixing proportions on the stiffness modulus，fatigue loading times，and lag angle.The results show that AP8 modifier can improve the fatigue resistance of matrix asphalt，and，with the increase of oilstone ratio，the stiffness modulus decreases，and the number of fatigue loading and the lag angle at the time of failure show the increasing trend;with the increasing number of loading times，the lag angle increases gradually.The lag angle of PMB25 asphalt is more sensitive than AP8 modified asphalt with the increasing number of loading times;with the increase of strain level，the fatigue loading times of AP8 modified asphalt mixture show a downward trend，wherein the AH70# modified asphalt is more affected by the strain level than the AH30# modified asphalt;with the increase of mixing temperature，the stiffness modulus of the AP8 asphalt mixture increases，and the lag angle shows the downward trend，and，at 180°C～240°C，the temperature change has a more significant effect on the lag angle.At 240°C～260°C，the lag angle changes more gently.By summarizing the research results，reasonably adjusting the optimal asphalt dosage or controlling the mixing temperature can reduce or avoid the aging problem of AP8 asphalt mixture and improve the overall rigidity of bridge deck pavement structure.

Bridge deck paving;Pouring asphalt mixture;AP8 modifier;Fatigue characteristics;Mixing temperature;Lag angle

0 引言

近年來，浇筑式沥青混合料（GA）在国内钢桥面铺装结构中得到了大力的推广应用。鉴于其良好的路用性能和独特的施工工艺要求，国内科研机构陆续开展了有关GA方面的研究，如混合料级配组成、高粘改性沥青、沥青混合料改性剂等。张领先[1]等人以动态贯入度及贯入度增量作为GA的高温稳定性评价指标开展研究，提出了影响沥青混凝土高温稳定性能的有关因素，并采用灰熵关联度进行相应的分析。欧阳男[2]等人采用高弹改性沥青进行浇筑式沥青混合料的研究，提出高弹改性沥青混合料的抗疲劳性能、高温性能优良，但施工和易性一般。张肖宁[3]等人研究了GMA和MA不同成型工艺对浇筑式沥青混合料的性能的影响，提出了GMA工艺的基本参数。王民[4]采用橡胶粉复合改性沥青和岩沥青复合改性沥青进行对比分析，对橡胶粉在浇筑式沥青混合料的应用提出了新观点;通过现场调研发现建成已久的大桥出现了不同程度的裂缝，且伴随夏季高温和冬季低温的交替影响，早期病害持续频繁增加，该结果表明浇筑式沥青混合料的高温稳定性、施工流动性和柔韧性之间存在一定的矛盾，很难通过配合比优化解决这三种指标的关系。

本文结合前期研究成果，提出采用全效能沥青改性剂AP-8产品对基质沥青、岩沥青进行复合改性，通过四点弯曲疲劳试验分析沥青结合料类型、油石比、拌合温度等对混合料疲劳性能指标的影响，为浇筑式沥青混合料在钢桥面铺装中的应用提供理论指导。

1 试验材料及方案

1.1 原材料选择

文中选择30#、70#基质沥青为基础，以AP-8改性剂（见表2）和天然湖沥青（TLA）（见表1）对其进行复合改性;粗集料选用玄武岩，细集料选择石灰岩、水洗机制砂，矿粉选择石灰岩，其性能技术指标均满足要求。

1.2 沥青胶结料配比与级配设计

（1）课题组选择30#、70#两种基质沥青，通过添加TLA和AP-8改性剂进行改性，其配比分别为AH30#+TLA+AP-8（70%+25%+5%）（以下简称“1#”）和AH70#+TLA+AP-8（60%+35%+5%）（以下简称“2#”），选择PMB-25沥青为参考对象（以下简称“3#”），试验检测结果见表3。

（2）鉴于浇筑式沥青混合料级配设计无完善的技术标准，本文参照德国、日本和俄罗斯等国家的标准级配设计范围，确定了GA-10浇筑式沥青混合料合成级配（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%），见表4。

1.3 疲劳试验选择

目前，GA沥青混合料在国外得到了广泛的应用，国内近几年也逐渐在桥面铺装、防水结构层方面提出了推荐应用计划。与普通沥青混合料相比，GA填料、细集料、沥青含量较高，结构空隙<1%（具有良好的粘弹性），流动度较好，施工温度在220 ℃～240 ℃，属于悬浮密实结构，力学强度与沥青胶结料性能密切相关。经实践经验显示GA沥青混合料易出现疲劳裂缝，严重影响了桥面结构层的使用寿命。SHRP通过对各试验方法的参数进行敏感性可靠度分析，提出四点弯曲疲劳试验对沥青胶结料的敏感性较强。

本文按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）试验方法[5]，采用UTM-100电动液压伺服试验机，温度为15 ℃，试件尺寸为385 mm×65 mm×50 mm，对劲度模量、加载次数、滞后角等指标进行疲劳性能分析。

2 结果分析

2.1 沥青混合料影响因素分析

动态劲度模量值越大，表明相同条件下沥青路面的应力与应变比值越大，能够承受的荷载越大，由图1分析可知：

（1）沥青混合料类型对劲度模量存在显著影响，初始劲度模量代表沥青混合料未经受荷载作用下的初始状态，其中3#沥青的劲度模量值最大，1#和2#沥青的劲度模量值相接近。但随着加载次数的增加，3#沥青的劲度模量值衰减最严重，与加载次数呈线性下降趋势。在油石比为8.5%时，3#沥青混合料试件破坏时的疲劳加载次数达到12.5×104，而1#沥青混合料试件与2#沥青混合料试件的疲劳加载次数远高于3#沥青混合料试件，均达到了100×104。

（2）沥青混合料的油石比变化对劲度模量也存在显著影响，随着油石比的增加，累积的加载次数也增加，但不同沥青类型间的变化程度并不一致。在合理的沥青用量的条件下，2#沥青混合料试件的GA疲劳特性最佳，1#沥青混合料试件次之，3#沥青混合料试件的最差。说明采用AP-8与硬质沥青TLA复合改性的GA沥青混凝土的抗疲劳性能优良，抵抗车辆荷载和路面变形的能力优于其他产品。

2.2 滞后角影响因素分析

圖2描述了3种沥青混合料滞后角随加载次数变化的曲线，滞后角表征了沥青混合料粘弹性之间组分比例的大小，滞后角越大，黏性成分越多;反之GA沥青混合料倾向于弹性。分析可知：油石比增加，滞后角也随之增加。这说明沥青用量增加，提高了GA沥青混合料沥青胶浆组分比例，沥青膜厚度增加，混合料黏性成分增加，在荷载作用下产生变形的滞后性更为显著。如2#沥青混合料试件，在油石比为8.0%和8.5%时，加载破坏时的滞后角分别为31.8°和36°。

滞后角随加载次数的增加呈逐渐增加的变化趋势，说明相同沥青用量条件下，GA沥青混合料随疲劳作用次数的增加，滞后性越显著，沥青混合料中黏性成分增加，可恢复的弹性成分降低。其中3#沥青混合料试件的滞后角随加载次数变化的敏感性高于1#沥青混合料试件与2#沥青混合料试件。

综上所述，沥青胶结料类型、用量均对GA沥青混合料的滞后角等存在显著影响，且二者对其影响程度并不一致。对于AP-8复合改性沥青而言，如何调整合理的油石比范围对提高GA沥青混合料的疲劳寿命、提高车辆荷载抵抗变形能力具有重要的意义。

2.3 应变水平与疲劳加载次数的关系分析

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程度，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600 μ、800 μ、1 200 μ和1 400 μ进行分析，试验结果见图3。

图3描述了3种GA沥青混合料加载次数随应变水平变化的曲线，分析可知：加载次数随应变水平的增加显著下降，二者呈幂函数关系（见表5）。其中，2#沥青混合料试件的曲线斜率最大，1#沥青混合料试件次之，3#沥青混合料试件最小，说明2#沥青混合料试件受应变水平影响幅度较大，应变水平为1 400 μ时，加载次数为5.365×104，降低了95.7%（与应变水平600 μ相比），1#沥青混合料试件加载次数降低了71.7%，3#沥青混合料试件则下降了63.6%。

2.4 拌合温度影响因素分析

拌合温度的高低决定了GA沥青混合料是否具备良好的流动性、施工和易性。国外一般采用的施工温度为200 ℃～220 ℃，而国内部分桥面工程采用了240 ℃的施工温度才能获得良好的流动性，但温度的提高将导致沥青胶结料的加速老化，进一步影响GA沥青混合料的疲劳特性。选择拌合温度180 ℃、200 ℃、220 ℃、240 ℃和260 ℃进行试验分析，试验结果见图4～6。

对图4～5分析可知：

（1）随着拌合温度的增加，劲度模量呈逐渐增加的趋势，且二者具有较高相关性，相关系数达到0.87以上。说明拌合温度对GA沥青混合料疲劳特性存在显著影响，合理地控制拌合温度能够有效保证路用性能。以2#沥青混合料试件为例，温度在180 ℃、260 ℃时的初始劲度模量为11 256 MPa和12 550 MPa。

（2）拌合温度对加载次数也存在显著影响，温度的提高进一步降低了GA沥青混合料疲劳破坏的加载次数。根据不同温度下劲度模量与加载次数关系曲线，利用方程拟合得到了二者关系的公式（见表6）。分析发现劲度模量变化的斜率值随温度的提高而显著增加，说明拌合温度的增加提高了GA沥青混合料劲度模量对加载次数的敏感性。如温度在180 ℃、260 ℃时，加载次数分别为14×105和9×105。

（3）拌合温度对3种GA沥青混合料的滞后角影响见图6。分析可知：随着拌合温度的增加，滞后角呈线性下降趋势，且温度增加对滞后角劣化幅度与沥青类型相关。拌合温度的增加促进GA沥青混合料黏性成分发生转移，降低了抗疲劳性能。如2#沥青混合料试件，温度为180 ℃～260 ℃时，滞后角分别为46°和33°，降低了约28.2%，1#沥青混合料试件和3#沥青混合料试件分别降低了约42.4%和37.5%。

（4）不同的拌合温度范围对滞后角影响的规律并不一致，在180 ℃～240 ℃时，温度变化对滞后角劣化幅度更为显著;而在240 ℃～260 ℃时，滞后角变化较为平缓。数据显示2#、1#和3#沥青混合料试件的滞后角降低了约24.6%、40.7%和39.6%（在240 ℃时）;而在260 ℃时，3种沥青的滞后角分别下降了约4.8%、2.8%和3.4%（与240 ℃相比）。

文献指出拌合温度的升高对沥青混合料的影响主要是促进了沥青老化，对沥青组分进行转移，沥青质增加，轻质组分、改性剂等进一步挥发[6]。因此，针对GA沥青混合料而言，较高的拌合温度直接促进了沥青老化，影响了AP-8改性剂对沥青性能改善的作用，表现出疲劳性能降低。建议AP-8改性浇筑式沥青混合料在考虑拌合料工作性、流动性的同时降低或严格控制温度，避免温度过高而劣化GA混合料的疲劳特性。

3 结语

（1）AP-8改性剂能够良好改善基质沥青的抗疲劳性能，显著提高劲度模量值和疲劳加载次数指标;基础沥青类型和油石比变化均对劲度模量、疲劳加载次数、滞后角等指标存在显著影响，其中随着油石比的增加，劲度模量值呈下降趋势，破壞时的疲劳加载次数和滞后角呈增加趋势。

（2）滞后角随加载次数的增加呈逐渐增加的变化趋势，PMB-25沥青的滞后角随加载次数变化的敏感性高于AH30#+TLA+AP-8沥青与AH70#+TLA+AP-8沥青;随应变水平的增加，AP-8改性沥青混合料的疲劳加载次数呈下降趋势，其中AH70#+TLA+AP-8沥青受应变水平影响高于AH30#+TLA+AP-8沥青。

（3）随拌合温度的增加，AP-8改性沥青混合料的劲度模量呈逐渐增加趋势，滞后角呈下降趋势，提高了劲度模量受加载次数影响的敏感性，降低了混合料的疲劳寿命。其中，在180 ℃～240 ℃时，温度变化对滞后角影响更为显著;而在240 ℃～260 ℃时，滞后角变化较为平缓。建议施工过程中在考虑拌合料工作性、流动性的同时宜降低拌合温度，避免温度过高而劣化AP-8改性沥青混合料的使用寿命。

参考文献：

[1]张领先.基于动态贯入度试验的浇注式沥青混凝土高温性能影响因素分析[J].中外公路，2013，33（1）：233-237.

[2]欧阳男.高弹改性沥青应用于浇筑式沥青混合料的性能研究[J].公路工程，2018，43（3）：215-218，286.

[3]聂 文，张肖宁，吴志勇.不同工艺对浇筑式沥青混料疲劳性能的影响[J].交通科学与工程，2013，29（4）：8-12.

[4]王 民.橡胶粉复合改性沥青浇筑式沥青混凝土性能研究[J].交通科学与工程，2012，28（1）;21-24.

[5]JTGE20-2011，公路工程沥青与沥青混合料试验规程[S].

[6]王 民，周启伟，胡德勇，等.三种不同钢桥面铺装材料的疲劳特性分析[J].公路工程，2016（3）：40-42.