老化条件对排水沥青混合料疲劳性能的影响研究

张卫兵 张嘉豪 韦宗

摘要：为分析老化对排水沥青混合料疲劳性能的影响，文章根据规范对排水沥青混合料PAC-13进行了短期老化和长期老化试验，利用两参数威布尔分布分析了试验得到的疲劳寿命数据，并根据威布尔分布参数，得到了单对数和双对数PAC-13的疲劳方程。研究结果表明：两参数威布尔分布可以描述排水沥青混合料的疲劳寿命，且疲劳寿命分布不隨老化条件而改变;老化后PAC-13的抗疲劳性能更差，且应力比对疲劳寿命的影响更显著;经过短期和长期老化后的PAC-13疲劳寿命递减，设计中应考虑老化所造成的寿命折减;随老化时间的增加，给定疲劳寿命对应的排水沥青混合料PAC-13的理论应力水平降低，表明老化后其抗疲劳性能越来越差。

关键词：道路工程;沥青路面;排水沥青混合料;疲劳性能;威布尔分布

0 引言

在潮湿路面条件下，传统沥青路面表面往往存在水膜，容易产生滑水、飞溅和喷雾等现象，从而导致路面抗滑性能较差。通常雨天事故是晴天的3～4倍，山区道路的情况更为严重[1]。多孔沥青路面排水能力强，降雨时路面表面几乎无水膜，可显著提高驾驶安全性。日本的研究表面，使用多孔沥青路面可减少80%的雨天事故，轮胎与路面间的噪声也可以降低[2]。我国曾于20世纪80年代开始研究多孔沥青路面，因铺筑的试验路在通车后常发生车辙、疲劳与松散等破坏，从而暂时搁置了这方面的研究。进入21世纪，随着社会对高质量高速公路需求的增长以及改性沥青的发展，大量研究人员又开始逐步进行多孔沥青路面研究。

陈华鑫等[3]对世界各国的排水沥青路面设计方法进行了介绍，得出大部分国家主要采用析漏和飞散试验确定最佳油石比。陈剑等[4]研究了排水沥青混合料PAC-13的材料组成设计。沙爱民等[5]研究了空隙率、油石比和浸水状态对排水沥青混合料疲劳特性的影响。黎晓等[6]进行了排水沥青混合料疲劳损伤耗散能变化比的研究，建立了可以反映材料疲劳损伤本质的疲劳寿命预估模型。以前研究尚未考虑老化条件对排水沥青混合料疲劳性能的影响，现大多研究关注于老化对传统沥青混合料疲劳性能的影响。如吕松涛[7-9]研究了老化沥青混合料粘弹性损伤特性，并用真实应力比与耗散能研究了沥青混合料疲劳性能及方程。

多孔沥青混合料的空隙率是密级配混合料空隙率的3～4倍，加之使用过程中车辆荷载、温度和水流等因素的作用，更易发生疲劳破坏。沥青路面施工过程中，混合料一直处于高温状态;路面服役过程中，长期经受自然环境和行车荷载重复作用，均会导致沥青混合料老化程度的增加，因此研究排水沥青混合料疲劳性能受老化影响的规律极其重要。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验采用的母体沥青为SBS改性沥青。高粘沥青的制备过程如下：将SBS改性沥青在烘箱中加热至160 ℃，待其具有一定的流动性后，加入8%的TPS高粘剂，温度控制在180 ℃左右，将剪切仪转速增至5 000 r/min，剪切60 min后置于烘箱中发育120 min。根据JTE E20-2011[10]，测定的SBS改性沥青与高粘沥青的技术指标如表1所示。

集料选用玄武岩，矿粉选用石灰岩，相关技术指标满足《排水沥青路面设计与施工技术规范》的要求[11]。混合料矿料级配如表2所示。根据析漏与飞散试验，得到最佳沥青用量为4.7%，设计空隙率为20%。

1.2 试验方案

根据确定的配合比，进行疲劳试件的制备和老化处理。制备疲劳试件前，首先根据T0734-2000对拌和的松散混合料进行短期老化4 h，温度为135 ℃，然后由轮碾成型排水沥青混合料板试件，并切割为380 mm×50 mm×63.5 mm小梁试件，选取部分经短期老化后成型的小梁试件进行长期老化，在85 ℃的烘箱中，强制通风加热120 h，然后自然冷却≥16 h至室温备用。

根据T0739-2011进行四点弯曲疲劳寿命试验，试验温度为15 ℃，加载频率为10 Hz，加载模式为应力控制模式，采用正弦波荷载，应力比为0.1，应力水平分别为0.3、0.4、0.5、0.6，每个试验条件进行4次平行试验。当弯曲劲度模量衰减到初始弯曲劲度模量50%时，试验终止。

2 排水沥青混合料的疲劳特性

2.1 不同老化程度的排水沥青混合料疲劳寿命分析

沥青混合料的疲劳寿命具有随机性和分散性。为了合理描述和利用疲劳寿命数据，通常借助统计概率分布来对试验数据进行分析。概率模型主要包括正态分布模型、对数正态分布模型和双参数威布尔分布模型等，其中双参数威布尔分布是最常用的模型。在本研究中，利用双参数威布尔分布对排水沥青混合料PAC-13的疲劳寿命数据进行统计分析，其概率分布函数和累积分布函数为：

图4给出了不同老化程度的排水沥青混合料PAC-13的疲劳方程的拟合参数。这个两种疲劳方程的参数a、b能够直观反映排水沥青混合料PAC-13的疲劳性能：a值表示疲劳曲线与纵坐标的交点，a值越大，应力水平越大，PAC-13耐疲劳性能越好;b值表示应力比对疲劳寿命影响的敏感程度，b值越小，疲劳曲线越缓，说明应力比变化对疲劳寿命的影响越敏感。

基于表4中的单对数和双对数疲劳方程，可计算1万次疲劳寿命对应的疲劳极限应力值，如表5所示。工程设计人员可根据表4中的S-N回归公式估算不同老化程度的排水沥青混合料PAC-13的弯曲疲劳寿命。

表5显示了基于单对数和双对数疲劳方程的不同老化程度PAC-13的理论应力水平。当疲劳失效次数为1万次时，理论应力水平随老化程度的增加而减小。与未老化相比，短期老化后PAC-13的理论应力水平减小了12.8%（根据单对数疲劳方程计算）和12.5%（根据双对数疲劳方程计算）;与短期老化相比，长期老化后PAC-13的理论应力水平减小了27.1%（根据单对数疲劳方程计算）和22.5%（根据双对数疲劳方程计算）。这进一步验证排水沥青混合料PAC-13的疲劳性能随老化时间的增加而降低。