不同试验方法的老化沥青疲劳性能研究

张含宇， 徐 刚, 陈先华, 汪 锐， 周文彬

(1.东南大学 交通学院， 江苏 南京 211189; 2.江苏宝利国际投资股份有限公司， 江苏 江阴 214422)

沥青路面在重复荷载作用下产生的疲劳裂缝是路面的主要病害形式，疲劳开裂会导致路面使用品质的下降以及维护成本的增加.沥青混凝土疲劳性能与油石比、空隙率和所用沥青性质等多种因素相关，其中沥青的影响尤为明显[1-2].而路面建造及使用过程中存在的老化现象又影响着沥青的性能，沥青老化包括在混合料拌和、运输和摊铺过程中由于热氧作用产生的短期老化和在路面使用年限内由于环境和车辆荷载共同作用发生的长期老化.因此，老化沥青的疲劳性能有着可观的研究价值.

关于沥青的疲劳试验方法和评价指标，美国SHRP计划在早期提出了采用动态剪切流变(DSR)试验所得疲劳因子(|G*|sinδ)来评价沥青在中温条件下的疲劳性能，疲劳因子越小，对应单位加载周期内的耗散能越小，则损伤累积越少，沥青抵抗疲劳开裂的能力越强.但相当一部分研究人员[3-5]对疲劳因子的适用性提出了质疑，他们认为：改性沥青的大多数力学响应是非线性的，用|G*|sinδ这样的线性参数来表征非线性特征是不合理的；疲劳因子的测试是在较小的剪切应变下进行的，并且只有几个周期的无损伤加载，这与实际复杂的疲劳现象差距较大；疲劳因子是以模量为基础的参数，并不能直接表征沥青的强度.为了弥补上述缺点，以期更好地模拟路面在实际车辆荷载作用下的响应，Bonnetti等[6-8]采用DSR对沥青进行重复加载下的时间扫描试验，通过疲劳寿命和耗散能等指标来评价沥青的疲劳性能.Johnson等[9-12]基于黏弹性连续介质损伤力学原理，采用线性振幅扫描(LAS)试验对沥青进行加速疲劳试验，评价其在循环荷载作用下的抵抗损伤能力以及预测沥青在不同应变水平下的疲劳寿命.近年来，多重应力蠕变恢复(MSCR)试验被用于定量评价沥青的疲劳性能，因为试验所得平均弹性恢复率可以在一定程度上表征沥青的延迟弹性响应[13].Zhang等[14]研究发现，MSCR试验可以明显区分出不同种类和改性剂含量沥青的疲劳性能，并且各种沥青的MSCR试验结果与沥青混合料疲劳试验结果的相关性较好.此外，研究人员还通过断裂试验的方法对沥青的疲劳性能进行研究. Andriescu 等[15-16]采用双边切口拉伸(DENT)试验研究沥青发生塑性变形和开裂时的能量，其结果同美国联邦公路局(FHWA)的加速加载疲劳试验结果相关性较好.Roque等[17-18]通过断裂能(FET)试验得到的真实应力-应变曲线可以很好地表征不同改性沥青的断裂能，从而区分出其疲劳性能的差异.纵观现有研究，大都采用单一的试验方法来评价沥青的疲劳性能，其结果准确性难有对照，因此综合多种试验研究沥青的疲劳性能，选择出一种适用性更强的方法有着重要意义.

基于以上所述，且考虑到老化是沥青疲劳性能发生衰变的重要原因，本文选取70#基质沥青、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青、高黏沥青(HV)和基于化学改性原理的SBS/橡胶复合改性沥青(SRC)，采用动态剪切流变仪，开展温度扫描试验、时间扫描试验、MSCR试验和LAS试验，对经过室内短期老化和长期老化后的4种沥青进行疲劳性能的评价，比较其疲劳性能和耐老化性能，并分析4种试验方法对于表征老化沥青疲劳性能的适用性.

1 试验

1.1 原材料

本文采用的70#基质沥青、SBS改性沥青和SRC沥青均由江苏宝利国际投资股份有限公司提供.其中SRC沥青的制备工艺为：首先将橡胶浅裂解，然后在一定化学助剂的作用下，将碳黑附着于SBS与橡胶颗粒形成的交联网结构中，充分发挥橡胶成分的物理溶胀作用，制得性能更为稳定优良的SBS/橡胶复合改性沥青.HV沥青为实验室自制的高黏沥青，其制备工艺为：首先将SBS掺量(1)文中涉及的掺量等均为质量分数.为5.5%的SBS改性沥青置于油浴锅中加热至 180℃，再加入掺量为10%的TPS改性剂，先低速 (500r/min) 剪切0.5h，再高速(5000r/min)剪切 1.0h，直至改性剂充分剪切乳化，最后加入掺量为0.2%的硫磺作为稳定剂，将其置于180℃油浴锅内发育0.5h.文中所用4种沥青的改性剂掺量和性能分级如表1所示.

表1 沥青的改性剂掺量和性能分级

1.2 老化方法

采用JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)和压力老化试验(PAV)分别对4种沥青进行短期老化和长期老化.其中，RTFOT的温度为163℃，时间为85min；PAV的温度为90℃，压强为 2.1MPa，时间为20h.

1.3 沥青疲劳性能试验方法

1.3.1温度扫描试验

温度扫描试验在控制应变的条件下进行，应变水平为10%，频率设置为1.59Hz，为了获得沥青在中温条件下的疲劳因子|G*|sinδ，将试验温度设置为19～31℃.具体试验步骤见AASHTO T315-10《Determining the rheological properties of asphalt binder using a dynamic shear rheometer(DSR)》规范.

1.3.2 时间扫描试验

朱洪洲等[19]研究发现，在15℃或20℃条件下进行疲劳试验时会出现沥青与平行板黏结不牢固的问题，导致沥青与平行板的黏结界面发生破坏，而非沥青自身疲劳破坏.因此，为了让沥青样本有更好的破坏形态以及考虑到沥青混凝土路面在全寿命周期内所处的环境温度，将试验温度设定为 25℃，频率为10Hz，应变水平为10%，进行控制应变的时间扫描试验.当样本的复数剪切模量下降至初始值的50%时即认为发生疲劳破坏.

1.3.3MSCR试验

MSCR试验按照AASHTO T350-14《Multiple stress creep recovery(MSCR) test of asphalt binder using a dynamic shear rheometer(DSR)》规范进行，测试温度采用25℃[14].试验中首先将待测沥青试样在0.1kPa应力条件下蠕变1s，恢复变形9s，重复10个循环；接着进行3.2kPa应力条件下的10个蠕变恢复循环.通过试验得到0.1、3.2kPa下的平均弹性恢复率R0.1和R3.2，并以此来分析沥青的疲劳性能.

1.3.4LAS试验

LAS试验是一种基于黏弹性连续介质损伤理论(VECD模型)的新型试验，根据AASHTO TP101-14《Estimating damage tolerance of asphalt binders using the linear amplitude sweep》规范，LAS试验分为频率扫描和振幅扫描2个部分.在频率扫描中，样品的频率扫描范围为0.2～ 30.0Hz，应变水平为0.1%，以确定沥青的流变特性，得到损伤分析参数；在振幅扫描中，加载频率为10Hz，加载时间为310s，加载振幅由0.1%线性增加到30.0%.试验温度为25℃.分析计算步骤如下所述：

首先由频率扫描试验中的复数剪切模量|G*|与相位角δ得到储存模量G′和损失模量G″：

G′=|G*|×cosδ

(1)

G″=|G*|×sinδ

(2)

将储存模量G′与角速度ω取对数后，拟合直线得到m:

lgG′=m(lgω)+b

(3)

表征沥青流变特性的参数α为：

(4)

接着采用功势理论来量化损伤参数D：

(5)

对于给定的时间t，每个数据点C(t)与D(t)都满足下式：

C(t)=C0-C1[D(t)]C2

(6)

式中：参数C0=1.

参数C1与C2由幂律线性化导出：

lg[C0-C(t)]=lgC1+C2·lg[D(t)]

(7)

Df为疲劳失效时的累积损伤：

(8)

式中：Cpeak为峰值应力对应的C(t).

沥青疲劳方程的参数(A和B)由下式计算得到:

(9)

式中：f为频率，f=10Hz；k=1+(1-C2)α.

最终得到沥青疲劳方程如下：

Nf=A(γmax)-B

(10)

式中：Nf为沥青疲劳寿命(定义为沥青发生疲劳失效时的总加载次数)；γmax为假定实际荷载作用下路面所产生的最大应变.

2 结果与分析

2.1 温度扫描试验

图1为温度扫描试验结果.由图1可知：70#基质沥青经过长期老化之后在温度为19℃和22℃时的疲劳因子|G*|sinδ大于规范要求的5000kPa，而其余沥青的疲劳因子均小于规定值；在2种老化条件下，SRC沥青的疲劳因子最小，而70#基质沥青的疲劳因子最大；在短期老化条件下，HV沥青在19℃和22℃时的疲劳因子比SBS改性沥青小，而在25℃及以上则大于SBS改性沥青；在长期老化条件下，HV沥青在19、22、25℃时的疲劳因子均小于SBS改性沥青，在28℃及以上则大于SBS改性沥青.由图1还可知，随着老化程度的增加，4种沥青的疲劳因子均增大，疲劳性能呈下降趋势，其中SRC沥青的变化最小，可认为SRC沥青的耐老化性能在这4种沥青中最为突出.鉴于SBS改性沥青和HV沥青出现了曲线交叉的现象，本文以沥青种类作为影响因素，以疲劳因子作为响应变量，对短期老化和长期老化后的这2组数据进行单因素方差分析(ANOVA)，分析时预设显著性水平为0.05，结果如表2所示.由表2可见，显著性水平p远小于预设值(0.05)，这表明沥青种类对测试得到的疲劳因子影响很小，因此采用温度扫描试验得到的疲劳因子指标来区分不同沥青的疲劳性能差异并不合理.现有研究表明，|G*|sinδ这种评价指标可以在线性黏弹性范围内区分不同沥青抵抗疲劳破坏的能力，但对于改性沥青，疲劳因子与其对应的沥青混合料疲劳试验结果相关性较差[20]；且疲劳因子仅仅是疲劳试验初始状态的1个特征值，与重复荷载作用下的累积损伤发展过程无关，无法评价沥青疲劳破坏的程度[21].

图1 温度扫描试验结果Fig.1 Results of temperature sweep test

表2 SBS改性沥青和HV沥青的单因素方差分析结果

2.2 时间扫描试验

时间扫描试验结果如图2所示.由图2可知：4种沥青的复数剪切模量|G*|均随着加载次数的增加而减小，但其衰减规律却不尽相同；70#基质沥青有着较大的初始复数剪切模量，在荷载作用初期，G*下降缓慢，随着加载次数的增加，沥青内部损伤迅速发展直至破坏；而其余3种改性沥青初期复数剪切模量迅速下降，随后进入平稳期，直至破坏，这与沥青混合料在应变控制模式下的劲度模量变化规律较为相似；经过长期老化之后，沥青变硬，4种沥青的初始复数剪切模量增加，试验结果显示其疲劳寿命减小.4种沥青的疲劳寿命如表3所示.由表3可以看出，在2种老化条件下，HV沥青和SRC沥青的疲劳寿命均远大于70#基质沥青和SBS改性沥青，这有别于前文所述温度扫描试验中SBS改性沥青与HV沥青疲劳性能差异不明显的结果，说明时间扫描试验可以更好地区分不同种类老化沥青的疲劳性能差异.

在本文中，将复数剪切模量下降至初始值的50%时所对应的荷载作用次数定义为沥青的疲劳寿命.但有研究人员对此定义提出了质疑，Di Benedetto等[22]研究认为，G*的减少不仅仅是因为沥青发生了疲劳损伤，也有诸如产生热量以及触变性能变化等原因.除此之外，一些改性剂的加入，尤其是聚合物类改性剂，可以使沥青在发生破坏前能承受较大的应变，因此G*大幅度下降(超过50%)之后，沥青仍可能处在其疲劳寿命之内[23].且就SRC沥青而言，在应变水平为10%的条件下，其疲劳寿命均能达到10万次以上，采用时间扫描试验的耗时相当长，因此需要一种新的试验方法去评价SBS/橡胶复合改性沥青的疲劳性能.

图2 时间扫描试验结果Fig.2 Results of time sweep test

表3 疲劳寿命汇总

2.3 MSCR试验

图3为经过长期老化后70#基质沥青的MSCR试验典型曲线，展示了该试验的整个蠕变和恢复的过程.所有沥青的MSCR试验曲线形状大体相似，因此限于篇幅，其他沥青的试验曲线不再一一绘制.图4给出了4种沥青在2种老化状态下的平均弹性恢复率.由图4可知，不论是在低荷载还是在高荷载水平下，4种沥青的平均弹性恢复率(R0.1和R3.2)排序均为：SRC沥青>HV沥青>SBS改性沥青>70#基质沥青.R0.1和R3.2的数值越大表明沥青可恢复的应变越大，并且每种沥青通过平行试验得到的误差棒数值均很小，说明该试验具有良好的可重复性.但由图4同样可以发现，如果将平均弹性恢复率R值作为沥青疲劳性能的一个定量评价指标，其在本文中的变化并未呈现出一定的规律性；与短期老化相比，70#基质沥青经过长期老化后的R值呈明显的下降状态；SBS改性沥青和SRC沥青的R值在0.1kPa下呈现下降趋势，但变化幅度很小，而在3.2kPa下其变化幅度非常微小；HV沥青经过长期老化后的R值较短期老化后的R值增大，且在3.2kPa下尤为明显，这可能是由于在长期老化过程中，HV沥青的相位角δ减小(见图5)，材料中黏性成分下降，弹性成分占比增加，从而呈现出MSCR试验结果中R值的增加.因此，MSCR试验是否适用于评价沥青的中温疲劳特性及其适用的沥青范围还有待进一步的研究.

图3 经过长期老化后70#基质沥青的MSCR试验典型曲线Fig.3 Typical curve of MSCR test of PAV aged 70# asphalt binder

图4 4种沥青在2种老化状态下的平均弹性恢复率Fig.4 Average elastic recovery rate of four asphalts under two aging conditions

图5 HV沥青在2种老化状态下的相位角变化Fig.5 Phase angle changes of HV asphalt under two aging conditions

2.4 LAS试验

图6是由LAS试验得到的2种老化状态下4种沥青的应力-应变曲线.材料的剪切应力存在1个峰值，AASHTO TP 101-14规范将这个应力峰值定义为材料的疲劳失效点，即屈服应力，对应的应变称为屈服应变.由图6(a)可知：就短期老化之后的4种沥青而言，70#基质沥青有着最大的屈服应力和最小的屈服应变；SBS改性沥青的曲线形式与之相似，但屈服应力较小，对应的屈服应变较大；而HV沥青和SRC沥青则呈现出不一样的曲线形式，两者在加载过程中的应力增长速率相对缓慢，且在达到应力峰值的前后出现了1段相对平缓的曲线.由图6(b)可见：随着老化程度的加剧，包括基质沥青在内的4种沥青的应力峰值均增大，这与王超[24]所得出的基质沥青老化会增加疲劳失效点峰值应力的结论一致；对应的屈服应变大小仍然是：SRC沥青>HV沥青 >SBS 改性沥青>70#基质沥青，但HV沥青和SRC沥青没有了图6(a)中的平缓特性.这说明屈服应力或应变只是代表沥青在重复荷载作用下的应力-应变承受能力，采用此种参数并不能完全表征材料的疲劳性能.

图6 由LAS试验得到的2种老化状态下4种沥青的应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of four asphalts under two aging conditions from LAS test

基于前文对LAS试验的理论说明，对试验结果作进一步分析，绘制了图7所示的损伤特征曲线，其中纵坐标C表示沥青样本的完整性参数(integrity parameter)，横坐标D代表累积损伤参数(damage intensity).当C=1时，沥青样本处于未受损伤的完整状态；而当C=0时，沥青样本已经完全破坏[25].当累积损伤参数D给定时，C越大，则材料抵抗损伤的能力越强.由图7可知：在给定的累积损伤参数D下，SRC沥青样本的完整性最佳；70#基质沥青则发生了明显的破坏；在短期老化条件下，HV沥青的完整性优于SBS改性沥青，而在长期老化条件下2种沥青的损伤特征曲线出现了交错的现象，这可解释为当损伤强度逐渐增大时，HV沥青的抵抗损伤能力高于SBS改性沥青，因此从曲线上表现出斜率较小的现象.然而，Xue等[11]认为，损伤特征曲线是表示在加载过程中材料所受到的损伤演化过程和疲劳寿命预测的基本特征，并不能仅以此作为依据来判定沥青疲劳性能的好坏.

图7 损伤特征曲线Fig.7 Damage characteristic curves

基于此，再根据VECD模型[26-27]的计算方法，推导出了4种沥青在2种老化状态下的疲劳方程，绘制疲劳寿命曲线如图8所示.由图8可知，当老化程度加剧时，4种沥青的疲劳寿命均呈显著下降趋势，但SRC沥青的抗疲劳性能仍然表现优异，比其他3种沥青高出好几个数量级，这或许得益于化学改性的方法使胶粉颗粒能够更好地在沥青质中发生溶胀，且与SBS颗粒形成三维网络结构，从而提高了SRC沥青抵抗累积损伤的能力.

图8 疲劳寿命与应变水平关系图Fig.8 Relationship between fatigue life and strain level

3 结论

(1)在RTFOT和PAV这2种老化状态下，SRC沥青的疲劳性能相较于其他3种沥青更为优良，抵抗长期老化的能力也较为突出.

(2)在预设显著性水平为0.05的条件下，沥青种类对疲劳因子不具有显著性影响，温度扫描试验不能很好地区分不同老化沥青的疲劳性能差异.

(3)在MSCR试验中，HV沥青的平均弹性恢复率在长期老化后大于短期老化后的指标，与其他3种沥青平均弹性恢复率的变化趋势相反，其指标变化规律和适用的沥青范围有待进一步研究.

(4)时间扫描试验和LAS试验均可以有效地表征沥青胶结料在重复荷载作用下的累积损伤发展过程，合理区分出不同沥青的疲劳性能差异.但对于性能优良的HV沥青和SRC沥青，时间扫描试验耗时相对较长；而LAS试验耗时较短，并且当其采用基于黏弹性连续介质损伤理论时，可以不通过试验直接计算出沥青在不同应变水平下的疲劳寿命.因此建议采用LAS试验进行老化沥青疲劳性能的研究.