冷拌冷铺乳化沥青混合料在不同应变组合下的疲劳性能研究

任小遇,郭倩芸,梁恒健,姜 维,徐世法

(1.北京建筑大学北京市城市交通基础设施建设工程技术研究中心，北京 100044；2.北京市交通委员会房山公路分局，北京 102488；3.北京建筑大学未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044)

沥青路面所受到的车辆荷载是时刻变化的，随机变化的荷载也对沥青路面的疲劳性能产生了显著影响，当前国内外学者针对热拌沥青混合料在应变组合下的疲劳性能进行了一些研究。华南理工大学吴志勇等[1-3]研究了AC-13型热拌沥青混合料在多级荷载作用下的疲劳寿命，提出并建立了与加载次序相关的疲劳寿命预测方程，其预测结果比以往的模型更为准确；孙兆辉等[4-6]通过小梁弯曲试验，研究了3种应力水平下7种沥青路面中、下面层混合料的抗疲劳性能，建立了不同级配的威布尔疲劳寿命预测方程；黄卫东等[7-10]采用四点弯曲疲劳试验研究热拌沥青混合料的疲劳寿命，通过变化加载频率、荷载和损伤程度分析对沥青混合料的后期自愈合效果的影响，发现改变加载频率时间、荷载对沥青混合料的后期愈合具有正面作用；当前对热拌沥青混合料在应变组合作用下的疲劳性能已经有了较为系统的研究。

冷拌冷铺乳化沥青混合料具有常温拌合、节能减排的特点，近年来已成为业内研究的热点。徐世法等[11]开发了乳化型冷拌冷铺沥青混合料超薄磨耗层，并将其用于内蒙古准兴重载高速公路；李思童等[12]对冷拌冷铺乳化沥青混合料的长期路用性能进行了研究。目前对于冷拌冷铺乳化沥青混合料的研究主要集中在强度形成机理、性能评价等方面[13-17]，但对于冷拌冷铺乳化沥青混合料应变组合下的疲劳性能研究较少。

基于此，笔者分别对冷拌冷铺乳化沥青混合料进行单级应变和双级应变组合下的疲劳试验，并将两种不同应变加载模式下测得的混合料疲劳性能进行对比，分析其劲度模量与疲劳寿命的变化规律以及应变组合对冷拌冷铺乳化沥青混合料的疲劳性能的影响。研究表明:应变组合对冷拌冷铺乳化沥青混合料的疲劳性能有显著的影响，低-高应变加载模式的试件疲劳寿命要多于由高-低应变的加载模式。

1 原材料及混合料配合比设计

1.1 乳化沥青

笔者选用自主研发的冷拌冷铺专用阳离子慢裂慢凝SBS改性乳化沥青(YH-1301线型SBS改性剂，用量为沥青质量的3.5%)，其具有破乳速率可控、稳定性好且对集料的裹附能力强等特点，相关技术指标见表1。

表1 乳化沥青技术指标Table 1 The technical index of emulsified asphalt

1.2 集料性能指标

本试验粗集料采用石灰岩，细集料选用机制砂，外加剂采用P·O 42.5水泥，其技术指标满足规范要求[18]。

1.3 级 配

本试验采用AC-13合成级配，级配曲线如图1所示。

图1 乳化沥青混合料级配曲线Fig.1 The mixture gradation curve of emulsified asphalt

1.4 配合比设计

参照马歇尔试验方法进行配合比设计，以乳化沥青用量8.0%为中值，按照0.5%增减乳化沥青用量，养生后测定试件的力学和体积指标，结果如图2所示。根据混合料的拌和状态、力学与体积指标的技术要求综合确定冷拌冷铺乳化沥青混合料最佳外掺水量为2.0%、最佳乳化沥青用量为8.0%、最佳水泥掺量为1.0%。

图2 乳化沥青混合料力学与体积指标Fig.2 The mechanical and volume index of emulsified asphalt mixture

1.5 混合料的成型及养生

混合料的拌和：首先，按照设计级配准备所需的集料和水泥；其次，在拌和锅内将集料干拌45 s，加入水泥后再拌和45 s；然后，加入外加水拌和60 s；最后，加入乳化沥青拌和45 s，即为乳化沥青混合料。

成型及养生：按照马歇尔击实法成型试件，双面击实50次。将试件室内静置12 h后放进90 ℃烘箱中养生24 h，取出后立即双面击实25次，室温静置12小时后即可测试。

对成型和养生后的乳化沥青混合料进行性能测试，试验结果如表2所示，其指标达到热拌改性沥青混合料技术要求。

表2 乳化沥青混合料试验结果Table 2 The test results of emulsified asphalt mixture

2 试验方案及结果分析

2.1 试验参数和试验方案

综合车辆荷载的大小，选定A(200×10-6)、B(400×10-6)、C(600×10-6)三个应变水平，以单级应变为试验对照组，以A-B和C-A为双级应变组合，对冷拌冷铺乳化沥青混合料分别进行单级和双级应变下的四点弯曲疲劳试验，由此对比分析混合料疲劳寿命与劲度模量随应变量及应变组合不同而变化的规律。

疲劳试验终止条件：单级加载时，试件劲度模量衰减至初始的50%或疲劳寿命达到100万次时试验停止；两级加载时，第一阶段加载次数是第一级应变单独加载时疲劳寿命的一半(大于100万次按照100万次计算)，第二阶段加载至试件劲度模量衰减为突变后的50%时试验停止，此时所对应的循环荷载作用次数即为疲劳寿命。

2.2 单级应变作用下乳化沥青混合料疲劳性能结果分析

2.2.1 劲度模量随应变作用次数的变化规律

在A、B和C三个应变水平下进行单级加载试验，劲度模量的变化如图3～图5所示。

图3 单级应变A加载下的劲度模量变化Fig.3 The stiffness modulus of single stage load A

图4 单级应变B加载下的劲度模量变化Fig.4 The stiffness modulus of single stage load B

图5 单级应变C加载下的劲度模量变化Fig.5 The stiffness modulus of single stage load C

通过对A、B和C单级应变下的劲度模量随荷载循环次数的变化规律分析，发现单级应变作用下劲度模量的变化分为急剧下降阶段和缓慢衰减阶段。初始劲度模量均为4 000 MPa以上，当加载应变水平越大时，劲度模量曲线的第一阶段斜率越大，衰减速率越快。

2.2.2 单级应变加载的疲劳寿命

试件在A、B和C三种应变水平单级加载后得到的疲劳寿命如表3所示。

表3 三种应变水平下的疲劳寿命Table 3 The fatigue life at three strain levels

由表3可知，B和C应变作用下冷拌冷铺乳化沥青混合料的疲劳寿命分别为16.88万次和7.46万次，在A应变作用下其疲劳寿命达到100万次以上，且试件未完全破坏失效。发现在单级应变作用条件下，冷拌冷铺乳化沥青混合料的疲劳寿命随应变水平的增加出现递减的趋势，A应变作用时试件的疲劳寿命最长。

2.3 两级应变组合下乳化沥青混合料疲劳性能结果分析

2.3.1 劲度模量随应变作用次数的变化规律

为了体现路面受到的车辆荷载大小时刻变化，采用A-B和C-A两种应变组合模式，探究不同应变组合对试件疲劳寿命的影响，具体参数见表4。两级应变组合下试件的劲度模量变化见图6和图7。

表4 两级应变的加载形式Table 4 The loading form of two-stage strain

图6 A-B加载模式下的劲度模量变化Fig.6 The stiffness modulus variation at A-B loading mode

图7 C-A加载模式下的劲度模量变化Fig.7 The stiffness modulus variation at C-A loading mode

由图可知，两种不同组合加载模式下的劲度模量变化规律明显不同。 分析图6可知，在A-B应变组合加载时，劲度模量在第一加载阶段A应变作用下与单一应变单独加载时的变化趋势相同，当进行第二阶段B应变加载时，劲度模量从第一阶段末的2 800 MPa瞬间突变到3 800 MPa，由A-B应变转换时乳化沥青混合料劲度模量瞬间增大了35%，之后急剧降低至2 300 MPa趋于稳定，在B单级应变加载时同样是到达2 300 MPa左右后趋于稳定。分析图7可知，在C-A两级加载时，劲度模量在第一加载阶段C应变作用下与单一应变单独加载时变化趋势相同，当进入第二级A应变加载时，劲度模量由2 200 MPa突变到1 950 MPa，其衰减率为11%，之后急剧降低到1 400 MPa后进入平缓阶段直至试验结束。当加载模式由低应变向高应变转换时，试件劲度模量瞬间增大，加载模式由低应变向高应变转换时，试件劲度模量明显衰减。

2.3.2 两级应变加载的疲劳寿命

两级应变加载下的疲劳寿命如表5所示。

表5 两级加载下试件的疲劳寿命Table 5 The fatigue life of specimen under two-stage loading

由表5可知，作用次序的不同导致试件的疲劳寿命有所差异。A-B两级应变加载时的疲劳寿命为64.84万次，其疲劳寿命在A、B单级加载疲劳寿命之间；先经过A低水平应变加载50万次后，在B中水平应变下经14.84万次加载后结束，为B单级应变加载疲劳寿命的88%，由此看出A低水平应变对乳化沥青的疲劳寿命影响较小；C-A两级应变加载的疲劳寿命要多于平均应变水平B单级应变加载时的疲劳寿命。应变加载次序对于沥青混合料的疲劳寿命也具有明显影响，由于加载模式由低应变向高应变转换时，试件劲度模量增大，加载模式由高应变向低应变转换时，试件劲度模量降低，所以进行低-高应变加载模式的试件疲劳寿命要多于由高-低应变的加载模式。

3 结 论

(1)在单级应变作用下，试件劲度模量先急剧下降，然后缓慢衰减，且应变越大劲度模量衰减越快。

(2)采用A-B两级加载时，试件在由A应变水平转入B应变水平加载时，劲度模量瞬间增大了35%，之后急剧降至2 300 MPa趋于平缓。采用C-A两级加载时，试件在由C应变水平转入A应变水平加载后，劲度模量瞬间由2 200 MPa突降至1 950 MPa，衰减率为11%，之后迅速降低到1 400 MPa后趋于稳定。分析发现，当应变水平与加载次序变化时，冷拌冷铺乳化沥青混合料疲劳损伤发展规律存在明显差异。

(3)采用A-B两级加载时，试件的疲劳寿命介于单级加载之间，第二阶段的疲劳寿命约为14.84万次，是B单级应变加载时的88%。C-A两级应变加载的疲劳寿命大于平均应变水平B单级应变的疲劳寿命。可见应变组合对冷拌冷铺乳化沥青混合料的疲劳性能有显著的影响，低-高应变加载模式的试件疲劳寿命要多于由高-低应变的加载模式。