基于不同试验类型的铁屑对沥青混合料愈合能力的影响研究

李明霞,吴国雄,2，宋泽松

(1.重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074;2.重庆建筑职业技术学院 重庆 400072)

0 引言

沥青混合料的自愈合行为依赖于沥青的愈合能力，其愈合效果受沥青用量、愈合时间、愈合温度以及孔隙率等条件的影响。黄卫东[1]等通过四点弯曲疲劳试验，选用NfNM为疲劳判断标准，对SBS改性沥青混合料疲劳自愈和能力的3类影响因素(混合料特性、荷载条件、自愈和条件)进行了系统的研究。杨军[2]等对沥青混合料进行了有休息期和无休息期的沥青混料室内四点弯曲疲劳试验，研究了沥青种类、沥青含量、空隙率、温度、休息期、损伤程度对沥青混合料疲劳自愈性能的影响程度。黄明[3]等对橡胶沥青混合料疲劳性能的自愈合能力的主要影响因素(沥青用量、试件破坏程度、胶粉掺量、空隙率、应变量大小、自愈合时间、自愈合温度以及荷载强度)进行了系统研究，并对考虑自愈合补偿后的橡胶沥青混合料的疲劳行为方程进行了回归拟合。张雷[4]等通过在沥青混合料拌合过程中分别掺入不同质量分组的自愈合胶囊，利用车辙仪碾压成型后取芯进行稳定度、间接拉伸强度、冻融劈裂强度、肯塔堡飞散和疲劳性能试验。沥青路面在服务期内会受到不同形式的破坏，如剪切破坏、拉压破坏以及疲劳破坏等。汤寄予[5]等在不考虑温度因素影响的情况下，得到了不同钢纤维掺量下沥青混凝土弯曲强度自愈指数与纤维掺量的关系，并建立了考虑温度和钢纤维影响的沥青混凝土弯曲强度自愈能力预估模型。何亮[6]等对不同类型、不同掺量钢丝绒的混合料试件进行了电磁感应加热试验，开展了裂缝自愈合能力试验，给沥青路面电磁感应自修复技术提供参考依据。

上述研究在探索沥青混合料愈合能力时更多的是关心混合料特性和自愈合条件对愈合效果的影响，且试验手段单一，没有综合对比不同试验类型条件下的沥青混合料愈合效果。故基于铁屑沥青混合料的愈合试验研究，利用SCB半圆弯曲试验和四点弯曲疲劳试验，研究掺有不同铁屑掺量的沥青混合料的半圆弯曲拉伸破坏和四点弯曲疲劳破坏的愈合效果，并采用二次拟合的方法，建立了铁屑与愈合指数的预估模型，以探究铁屑在不同试验类型条件下对混合料愈合能力增强作用的差异性和演变规律，以丰富铁屑对混合料愈合能力增强作用的研究，为更好地促进沥青混合料的愈合能力奠定理论基础。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

试验所需的沥青基本性能参数见表1，集料采用石灰岩，其参数指标均满足行业内相关规范要求。拟采用0%、1%、2%和4%这4种铁屑掺量，按照体积比的掺入方法。铁屑的密度为7.86 g/cm3，试验所采用的铁屑粒径D(mm)大小不等，其尺寸分布如图1所示。

表1 沥青技术指标参数检测结果Table1 Testingresultoftechnicalparametersofbitumen技术指标项技术标准实测值针入度(25℃,5sL100g)/0.1mm60^8062软化点/℃ ≥4648.515℃延度/cm≥100>100

图1 铁屑粒径组分分布

1.2 沥青混合料配合比设计

采用《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)AC-13C密实型沥青混合料，沥青混合料的设计级配如表2所示。通过马歇尔设计方法确定沥青混合料的最佳油石比为4.8%，沥青混合料相应的体积参数见表3。

表2 沥青混合料级配设计Table2 Gradationdesignofasphaltmixture不同筛孔(mm)下的集料通过率/%孔径13.29.54.752.361.180.60.30.150.075标准要求90^10068^8538^6824^5015^3810^287^205^154^8级配参数9576.5533726.51913.5106

表3 沥青混合料马歇尔设计结果Table3 Volumetricindexofasphaltmixture油石比/%孔隙率/%有效沥青饱和度/%稳定度/kN流值/mm4.8472.88.63.4

1.3 试件制备

按照体积比的计算方法将不同掺量的铁屑加入到AC-13C密实型沥青混合料中。SCB试验试件为直径150 mm，厚度50 mm的半圆形试件，采用 SGC压实方法成型后切割而成。每组采用6个平行试件，制作完成后进行尺寸测量，并在试件中心位置处制作一个高10 mm，宽2 mm的预制切口，如图2所示。四点弯曲疲劳试验试件采用气动伺服成型机轮碾成型，之后将其切割成尺寸为380 mm×50 mm×63.5 mm的小梁试件，每组采用4个平行试件，如图3所示。

图2 SCB半圆试件

图3 四点弯曲小梁试件

1.4 红外线加热愈合试验

目前沥青混合料的加热愈合增强手段有微波加热和感应加热，Zigeng Wang[7]等为研究碳纤维改性沥青混合料的物理性能和微波愈合性能，进行了循环断裂-微波愈合试验，以评价对照纤维改性沥青混合料和碳纤维改性沥青混合料的愈合性能。强度恢复试验结果表明，碳纤维改性沥青混合料经微波处理后能获得较好的愈合性能。何亮[8]等对带预切口的钢砂SBS改性沥青混凝土小梁试件，进行了电磁感应加热试验，分析了加热距离、钢砂粒径与钢砂掺量对 SBS改性沥青混凝土裂纹自修复性能和路用性能的影响。

微波加热的原理是依靠微波穿过物体时产生的热量为物体提供热量，感应加热的原理是利用交变磁场，当物体内部的金属材料处于这种磁场时会产生涡流，涡流与金属内的电阻相互作用产生热量，从而使物体升温。但这两种加热愈合增强手段，并不能很好地模拟自然光照条件下的沥青路面愈合条件，故基于自然光照条件原理，采用红外线照射加热的方法使试件升温，从而达到愈合的效果。沥青混合料加热愈合试验仪器采用自制的红外线加热设备。

2 铁屑沥青混合料愈合试验

2.1 SCB半圆弯曲愈合试验

利用UTM-100对半圆SCB试件进行破坏实验，加载速率采用5 mm/min，试件破坏标准为力衰减至FMax的50%。通过学习和借鉴其他已有的试验方法[9]，采用愈合前后试件的破坏强度比HI1作为衡量试件愈合率的指标，计算公式如式(1)。

(1)

式中：HI1为试件愈合率，%；Fafter为愈合前试件破坏强度，kN；Ffront为愈合后试件破坏强度，kN。

在进行完第1次破坏实验之后，利用自制的红外线加热设备对试件进行愈合试验。将愈合后的试件放置在室温下12 h，以保证试件内外温度保持一致，之后进行第2次破坏实验，从而得到愈合试验前后不同铁屑含量条件下的破坏强度。其实验结果如图4所示。

从图中可以看出，混合料的初始弯曲强度随铁屑掺量的增加而降低，说明铁屑的加入降低了试件的弯曲强度；在第1、第2次破坏实验中，每组试件的第2次破坏强度均远小于第1次的破坏强度，这表明试件在受到损伤后，即使存在愈合的现象，其承受荷载的能力也会急剧下降；其次，随着铁屑掺量的增大，试件的第2次弯曲强度与第1次弯曲强度的差值有所减小。从图5也可以看出，除了铁屑掺量为2%时，混合料的愈合效果达到最佳这一特征之外，试件的愈合率存在上限值，愈合率随铁屑掺量的增加呈现先增后减的趋势。

图4 愈合前后SCB试验结果

图5 铁屑掺量与愈合率关系图

2.2 四点弯曲疲劳愈合试验

利用气动伺服成型机制作四点疲劳试验所用的试验试件，试验仪器为英国Cooper技术公司生产的独立四点弯曲小梁试验机，采用UTM(universal testing machines)软件操作系统，利用空气压缩机进行气压伺服。四点弯曲疲劳试验的条件为：试验温度15 ℃，试验频率10 Hz，加载波形为正弦波，应变为600×10-6。试验结束的条件设定为：试件劲度模量下降为初始劲度模量的50%。

对于四点疲劳试验常用的疲劳判定标准有两种：Nf50法和NfNM法。前者是经过大量疲劳试验证实得到的，并形成了AASHTO TP-8标准；后者是将归一化的劲度模量与循环次数的成绩达到最大时的循环系数作为混合料的疲劳寿命[10]。且文献[10]指出Nf50更适合与作为基质沥青混合料的疲劳判断标准。故采用Nf50为试件疲劳寿命指标。其愈合指标采用愈合试验前后试件疲劳寿命的比值。其计算公式如式(2)。

(2)

式中：HI2为试件愈合率，%；Nf50为愈合前试件破坏强度，kN；Nf50为愈合后试件破坏强度，kN。

在经过第1次疲劳试验、红外线加热愈合试验以及第2次疲劳试验后，四点疲劳小梁试验的结果见表4、图6和图7。由表4和图6可见：随着铁屑掺量地增加，混合料的初始疲劳寿命并没有呈现明显的变化趋势，但愈合后的疲劳寿命随着铁屑掺量地增加先增后减。此外，试件的疲劳寿命恢复率，即愈合率呈现逐渐递增的特征。这一结果与文献[5]的研究结果一致。由图7可知，铁屑掺量为0%、1%、2%和4%时，小梁试件的疲劳寿命恢复率，即愈合率HI2分别为46%、68.01%、71.32%和88.65%。

表4 四点疲劳小梁试验结果Table4 Four-pointfatiguetrabeculartestresults铁屑掺量/%愈合前疲劳寿命均值Nf501/times愈合后疲劳寿命均值Nf502/times愈合率/%189208230016550195787470900546.0023530113401931089801903010460113180136835230930568.0110230112501229010280226901313023613027725332001977371.323040022730216801003011670861041372016785188801488088.6521010109202074021110

图6 愈合前后疲劳寿命对比图

图7 铁屑掺量与疲劳寿命恢复率关系图

3 SCB试验和四点疲劳小梁试验对比分析

3.1 沥青混合料愈合率对比分析

SCB的破坏试验主要是以拉伸破坏为主，在破坏时试件表面会形成明显的裂缝，如图8所示，试件损伤程度较为严重。在小梁试验中，如图3所示，在达到设定的结束条件时，试件本身并没有产生宏观裂纹。故将这2种试验的愈合结果进行对比分析，得出在不同试验条件下，铁屑对试件愈合效果的影响以及影响程度的差异性。

将试验数据进行汇总后得到的结果如图9所示。从图9可以看出，小梁试验的愈合率明显高于SCB试验的愈合率，即说明当试件还没有出现宏观裂纹时，对其进行愈合操作，可以有效提高试件的再承载能力。并且，当铁屑掺量控制在4%以内时，半圆试验的试件愈合率存在上限值，但小梁试件的愈合率并没有表现出这一变化趋势。这说明铁屑对于混合料的愈合能力的促进作用并不仅仅取决于铁屑的掺量，同时也受加载模式和损伤程度的影响。从图9也可以得出，在有无铁屑的条件下，2种损伤模式的愈合率差值分别为6.34%和22.01%(0%和1%铁屑掺量的对比)，这说明铁屑对于混合料愈合能力的促进作用在试件没有出现宏观裂纹时更加显著。

图8 SCB弯曲试验

图9 SCB试验和四点疲劳小梁试验愈合率对比图

3.2 沥青混合料愈合能力拟合分析

为探究铁屑掺量对SCB和四点弯曲疲劳愈合试验的影响及影响程度大小，将两者的愈合试验结果进行了拟合，经分析比较，采用二次拟合作为铁屑沥青混合料的愈合方程，结果如式3和式4所示。铁屑掺量与混合料愈合率之间的相关系数R2分别为0.88 239和0.95 592。由数据结果可推断出，二次拟合更符合铁屑对混合料愈合能力的影响规律。并且从愈合率方程中二次方项系数的大小可以看出，相比于SCB 半圆弯曲试验，在四点疲劳试验中，随着铁屑掺量的增加，混合料愈合率增长趋势更为明显。根据四点弯曲疲劳愈合方程，可以预估得到四点弯曲疲劳愈合试验的最佳铁屑掺量为8.4%。

HI1=13.524 86x2-1.757 95x+33.904 27

(3)

HI2=17.086V95x2-2.873 86x+47.822 09

(4)

式中：x为铁屑掺量，%；HI1为SCB弯曲试验愈合率，%；HI2为四点弯曲疲劳试验愈合率，%。

4 结论

基于铁屑对沥青混合料愈合能力的促进作用，研究了铁屑在SCB半圆弯曲试验和四点弯曲疲劳试验中的影响规律，并对这一影响进行对比分析。主要结论如下：

a.当铁屑掺量在4%以内时，SCB半圆弯曲愈合试验的愈合率呈现先增后减的趋势，愈合率存在上限值。但对于四点弯曲愈合试验，并没有呈现同样的变化趋势，愈合率随铁屑掺量的增加不断增大。这说明铁屑对于混合料愈合能力的促进作用并不仅仅取决于铁屑的掺量，同时也受加载模式和损伤程度的影响。

b.当铁屑掺量为0%和1%时，SCB半圆愈合试验和四点弯曲疲劳试验的愈合率差值分别为6.34%和22.01%，这说明铁屑对于混合料愈合能力的促进作用在试件没有出现宏观裂纹时更加显著。

c.采用二次拟合方法对SCB愈合试验和四点疲劳愈合试验结果进行拟合分析，达到其相关系数分别为0.882 39和0.955 92，这说明采用二次拟合方法可以较好地体现铁屑对沥青混合料愈合能力的影响规律。

d.根据四点弯曲疲劳试验的自愈能力预估方程，得出四点弯曲疲劳愈合试验的最佳铁屑掺量为8.4%。