温拌沥青混合料疲劳分析

李远洋，代 科

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都550081）

0 引 言

沥青混合料在公路建设中是主要的结构性柔性材料。作为一种柔性路面结构组合，沥青混合料经车辆荷载反复作用后，其抗疲劳性能将变差，产生开裂、车辙、麻面等疲劳破坏，最终引起沥青混合料结构的疲劳破坏[1]。

1 原材料

选用SBS改性沥青和普通基质沥青、RH温拌剂和EV温拌剂（一种表面活性剂）制备AC-13型温拌沥青混合料（WMA）。

本次试验所制备的6组沥青混合料分别为：90#基质沥青混合料（JZ）、SBS改性沥青混合料（SB）、90#基质沥青混合料+3%RH温拌剂（JR）、90#基质沥青混合料+0.6% EV温拌剂（JE）、SBS改性沥青混合料+3%RH温拌剂（SR）、SBS改性沥青混合料+0.6%EV温拌剂（SE）。6组沥青混合料的相关指标均满足要求。

2 试验

2.1 试验方案

针对上述6组沥青混合料，各制备3个小梁试件，进行四点支撑加载弯曲疲劳性能试验，结果取3个小梁试件试验数据的平均值。试验采用的加载频率为100 Hz，通过小梁试件应变值来控制重复加载次数。本次基质沥青混合料小梁试件的应变水平分别为500 μm/m、600 μm/m、700 μm/m；SBS改性沥青混合料小梁试件的应变水平分别为600 μm/m、700 μm/m、800 μm/m。将小梁试件的弯曲劲度模量变化至其初始弯曲劲度模量的50%时，作为试验终止的条件[2]。

2.2 试验参数分析

2.2.1 弯曲劲度模量

本试验选用归一化劲度次数积NM的最大值作为小梁试件达到疲劳寿命的作用次数。NM的表达式为[3]：

式中：Si为某时刻作用的弯曲劲度模量；Ni为某时刻的循环作用次数；S0为初始弯曲劲度模量；N0为初始循环作用次数。

图1为3种应变水平下，基质沥青混合料小梁试件的弯曲劲度模量分布。由图1可见，在试验进行过程中，小梁试件的弯曲劲度模量先快速降低，然后降低速率减慢，但疲劳破坏3阶段中只表现出了1、2阶段，第3阶段并没有出现。

图1 基质沥青混合料小梁试件的弯曲劲度模量分布图

2.2.2 残留劲度模量比

本次试验选取第50次循环作用的沥青混合料小梁试件劲度模量作为其初始劲度模量值。残留劲度模量比用同一阶段的劲度模量与初始劲度模量的比值来表示[4]。3种应变水平下，3组基质沥青混合料小梁试件JZ、JR、JE的残留劲度模量比如图2所示。

图2 J Z、J R、J E的残留劲度模量比

对比图1、图2可知，3种应变水平下，掺或不掺温拌剂的基质沥青混合料小梁试件残留劲度模量比、弯曲劲度模量的变化趋势相同。

2.2.3 累积耗散能

通过本次试验发现，循环作用次数与累积耗散能呈线性变化关系，两者变化成正比关系。当疲劳破坏试验终止后，沥青混合料并没有完全失效，还能够提供荷载作用下所需的部分能量，说明这种疲劳破坏只是破坏混合料结构，而材料性能并没有被完全破坏。

3 疲劳模型分析

3.1 现象法疲劳分析

采用现象法进行疲劳分析。所用公式为：

式中：S0为选取的初始弯曲劲度模量；Nf为弯曲劲度模量衰减到其初始值50%时的循环作用次数，即疲劳寿命；K、b均为实验室回归参数。

3种应变水平下，6组沥青混合料小梁试件的初始弯曲劲度模量和疲劳寿命数据见表1。

由表1可知，应变水平不同时，小梁试件的初始弯曲劲度模量也不同，而且规律性较差。

表1 6组沥青混合料小梁试件的S0及Nf试验值

采用双对数对6组沥青混合料小梁试件的疲劳寿命和应变水平进行线性拟合，得到与式（1）类似的疲劳方程[5]：

式中：a实验室回归参数；εt为应变水平。

式（3）中：｜-b｜为沥青混合料疲劳寿命曲线所对应的斜率，其绝对值越大，表示沥青混合料的应变对荷载越敏感；lg a反映了该类型沥青混合料在不同应变水平下疲劳寿命曲线的截距，lg a越大，沥青混合料的抗疲劳性能越好。

将表1数据代入式（3），得到的拟合曲线如图3所示。

由图3（a）可知：在双对数坐标系中，基质沥青混合料小梁试件JZ的疲劳寿命与应变水平具有很好的线性关系和正相关性,相关系数可以达到0.998以上；掺温拌剂的基质沥青混合料小梁试件JR、JE的相关系数只有0.78左右，说明试验采用的疲劳寿命方程并不适用于温拌基质沥青混合料的疲劳寿命性能研究。

由图3（b）可知：掺或不掺温拌剂的SBS改性沥青混合料小梁试件疲劳寿命与施加的应变水平有关,在双对数坐标系下两者有良好的线性相关性,相关系数都在0.99以上。应变水平对掺或不掺温拌剂的SBS改性沥青混合料疲劳寿命有很大影响，施加的荷载越大,其疲劳寿命越短。对于温拌沥青混合料小梁试件的疲劳寿命曲线而言，SBS改性沥青混合料的斜率和截距都比基质沥青混合料大，说明SBS改性沥青混合料的疲劳寿命要远远大于基质沥青混合料；EV或RH温拌SBS改性沥青混合料的斜率和截距都显著增大，表明掺入温拌剂后，SBS改性沥青混合料的疲劳寿命显著增加，其中以EV温拌剂的使用效果更好。

图3 基于现象法的疲劳方程拟合

3.2 耗散能法疲劳分析

利用耗散能法进行疲劳强度分析时，将沥青混合料小梁试件的弯曲劲度模量变化至初始弯曲劲度模量的50%时作为试验终止条件。

在不同应变水平下，6组沥青混合料小梁试件的循环作用次数与能量耗尽扩散期间的能量变化率（RDEC）曲线均分别出现了2个阶段。第1阶段：RDEC平均值较大，但整体仍然有逐渐减小趋势，说明在早期荷载作用下沥青混合料不会发生严重损伤；第2阶段：随着荷载循环的不断持续，RDEC保持稳定（第2阶段RDEC的平均值用PV表示），此时沥青混合料也不会发生严重损伤，直至整体达到疲劳失效的损伤标准。PV值也可以作为表示沥青混合料疲劳性能的一个指标。6组沥青混合料小梁试件的PV值和Nf值如表2所示。

取表2数据进行拟合，得到拟合方程为：

表2 沥青混合料小梁试件的P V及Nf试验数据

式中：c、d为实验室回归参数。

通过计算，对于基质沥青混合料小梁试件JZ、JR、JE而言，其拟合方程的R2值分别为0.945 39、0.908 64、0.951 54；对于SBS改性沥青混合料小梁试件SB、SR、SE而言，其拟合方程的R2值分别为0.989 78、0.954 72、0.998 63。

由此可知：沥青混合料的疲劳性能可以采用PV值作为评价指标；取弯曲劲度模量衰减到其初始值50%时作为掺温拌剂基质沥青混合料的疲劳试验终止条件并不合理；掺入EV温拌剂可以提高沥青混合料的抗疲劳性能。

由式（4）可知，可以用残留劲度模量比达到50%时的循环作用次数及耗散能渐变率达到平衡时的平均值PV来拟合沥青混合料疲劳寿命方程。

基质沥青混合料加入EV温拌剂后，其疲劳性能总体变好；SBS改性沥青混合料加入EV温拌剂后，在高应变水平下的疲劳性能有所下降，但与热拌混合料疲劳性能相差不多；基质沥青混合料加入RH温拌剂后的疲劳性能总体变差。本试验推荐使用EV温拌剂。

4 结语

（1）现象法提出的疲劳寿命方程不适用于温拌基质沥青混合料，但适用于温拌SBS改性沥青混合料的疲劳寿命性能研究。

（2）由R2的数值可以判断，EV温拌剂的添加可以提高沥青混合料的疲劳性能；SBS改性沥青混合料添加RH温拌剂并不适合。

（3）EV温拌剂对SBS改性沥青混合料和基质沥青混合料的疲劳性能影响较小；RH温拌剂会降低基质沥青混合料的疲劳性能。推荐使用EV温拌剂。