基于不同試驗類型的鐵屑對瀝青混合料愈合能力的影響研究

李明霞,吳國雄,2，宋澤松

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074;2.重慶建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 重慶 400072)

0 引言

瀝青混合料的自愈合行為依賴于瀝青的愈合能力，其愈合效果受瀝青用量、愈合時間、愈合溫度以及孔隙率等條件的影響。黃衛(wèi)東[1]等通過四點彎曲疲勞試驗，選用NfNM為疲勞判斷標準，對SBS改性瀝青混合料疲勞自愈和能力的3類影響因素(混合料特性、荷載條件、自愈和條件)進行了系統(tǒng)的研究。楊軍[2]等對瀝青混合料進行了有休息期和無休息期的瀝青混料室內(nèi)四點彎曲疲勞試驗，研究了瀝青種類、瀝青含量、空隙率、溫度、休息期、損傷程度對瀝青混合料疲勞自愈性能的影響程度。黃明[3]等對橡膠瀝青混合料疲勞性能的自愈合能力的主要影響因素(瀝青用量、試件破壞程度、膠粉摻量、空隙率、應(yīng)變量大小、自愈合時間、自愈合溫度以及荷載強度)進行了系統(tǒng)研究，并對考慮自愈合補償后的橡膠瀝青混合料的疲勞行為方程進行了回歸擬合。張雷[4]等通過在瀝青混合料拌合過程中分別摻入不同質(zhì)量分組的自愈合膠囊，利用車轍儀碾壓成型后取芯進行穩(wěn)定度、間接拉伸強度、凍融劈裂強度、肯塔堡飛散和疲勞性能試驗。瀝青路面在服務(wù)期內(nèi)會受到不同形式的破壞，如剪切破壞、拉壓破壞以及疲勞破壞等。湯寄予[5]等在不考慮溫度因素影響的情況下，得到了不同鋼纖維摻量下瀝青混凝土彎曲強度自愈指數(shù)與纖維摻量的關(guān)系，并建立了考慮溫度和鋼纖維影響的瀝青混凝土彎曲強度自愈能力預(yù)估模型。何亮[6]等對不同類型、不同摻量鋼絲絨的混合料試件進行了電磁感應(yīng)加熱試驗，開展了裂縫自愈合能力試驗，給瀝青路面電磁感應(yīng)自修復(fù)技術(shù)提供參考依據(jù)。

上述研究在探索瀝青混合料愈合能力時更多的是關(guān)心混合料特性和自愈合條件對愈合效果的影響，且試驗手段單一，沒有綜合對比不同試驗類型條件下的瀝青混合料愈合效果。故基于鐵屑瀝青混合料的愈合試驗研究，利用SCB半圓彎曲試驗和四點彎曲疲勞試驗，研究摻有不同鐵屑摻量的瀝青混合料的半圓彎曲拉伸破壞和四點彎曲疲勞破壞的愈合效果，并采用二次擬合的方法，建立了鐵屑與愈合指數(shù)的預(yù)估模型，以探究鐵屑在不同試驗類型條件下對混合料愈合能力增強作用的差異性和演變規(guī)律，以豐富鐵屑對混合料愈合能力增強作用的研究，為更好地促進瀝青混合料的愈合能力奠定理論基礎(chǔ)。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

試驗所需的瀝青基本性能參數(shù)見表1，集料采用石灰?guī)r，其參數(shù)指標均滿足行業(yè)內(nèi)相關(guān)規(guī)范要求。擬采用0%、1%、2%和4%這4種鐵屑摻量，按照體積比的摻入方法。鐵屑的密度為7.86 g/cm3，試驗所采用的鐵屑粒徑D(mm)大小不等，其尺寸分布如圖1所示。

表1 瀝青技術(shù)指標參數(shù)檢測結(jié)果Table1 Testingresultoftechnicalparametersofbitumen技術(shù)指標項技術(shù)標準實測值針入度(25℃,5sL100g)/0.1mm60^8062軟化點/℃ ≥4648.515℃延度/cm≥100>100

圖1 鐵屑粒徑組分分布

1.2 瀝青混合料配合比設(shè)計

采用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)AC-13C密實型瀝青混合料，瀝青混合料的設(shè)計級配如表2所示。通過馬歇爾設(shè)計方法確定瀝青混合料的最佳油石比為4.8%，瀝青混合料相應(yīng)的體積參數(shù)見表3。

表2 瀝青混合料級配設(shè)計Table2 Gradationdesignofasphaltmixture不同篩孔(mm)下的集料通過率/%孔徑13.29.54.752.361.180.60.30.150.075標準要求90^10068^8538^6824^5015^3810^287^205^154^8級配參數(shù)9576.5533726.51913.5106

表3 瀝青混合料馬歇爾設(shè)計結(jié)果Table3 Volumetricindexofasphaltmixture油石比/%孔隙率/%有效瀝青飽和度/%穩(wěn)定度/kN流值/mm4.8472.88.63.4

1.3 試件制備

按照體積比的計算方法將不同摻量的鐵屑加入到AC-13C密實型瀝青混合料中。SCB試驗試件為直徑150 mm，厚度50 mm的半圓形試件，采用 SGC壓實方法成型后切割而成。每組采用6個平行試件，制作完成后進行尺寸測量，并在試件中心位置處制作一個高10 mm，寬2 mm的預(yù)制切口，如圖2所示。四點彎曲疲勞試驗試件采用氣動伺服成型機輪碾成型，之后將其切割成尺寸為380 mm×50 mm×63.5 mm的小梁試件，每組采用4個平行試件，如圖3所示。

圖2 SCB半圓試件

圖3 四點彎曲小梁試件

1.4 紅外線加熱愈合試驗

目前瀝青混合料的加熱愈合增強手段有微波加熱和感應(yīng)加熱，Zigeng Wang[7]等為研究碳纖維改性瀝青混合料的物理性能和微波愈合性能，進行了循環(huán)斷裂-微波愈合試驗，以評價對照纖維改性瀝青混合料和碳纖維改性瀝青混合料的愈合性能。強度恢復(fù)試驗結(jié)果表明，碳纖維改性瀝青混合料經(jīng)微波處理后能獲得較好的愈合性能。何亮[8]等對帶預(yù)切口的鋼砂SBS改性瀝青混凝土小梁試件，進行了電磁感應(yīng)加熱試驗，分析了加熱距離、鋼砂粒徑與鋼砂摻量對 SBS改性瀝青混凝土裂紋自修復(fù)性能和路用性能的影響。

微波加熱的原理是依靠微波穿過物體時產(chǎn)生的熱量為物體提供熱量，感應(yīng)加熱的原理是利用交變磁場，當物體內(nèi)部的金屬材料處于這種磁場時會產(chǎn)生渦流，渦流與金屬內(nèi)的電阻相互作用產(chǎn)生熱量，從而使物體升溫。但這兩種加熱愈合增強手段，并不能很好地模擬自然光照條件下的瀝青路面愈合條件，故基于自然光照條件原理，采用紅外線照射加熱的方法使試件升溫，從而達到愈合的效果。瀝青混合料加熱愈合試驗儀器采用自制的紅外線加熱設(shè)備。

2 鐵屑瀝青混合料愈合試驗

2.1 SCB半圓彎曲愈合試驗

利用UTM-100對半圓SCB試件進行破壞實驗，加載速率采用5 mm/min，試件破壞標準為力衰減至FMax的50%。通過學(xué)習(xí)和借鑒其他已有的試驗方法[9]，采用愈合前后試件的破壞強度比HI1作為衡量試件愈合率的指標，計算公式如式(1)。

(1)

式中：HI1為試件愈合率，%；Fafter為愈合前試件破壞強度，kN；Ffront為愈合后試件破壞強度，kN。

在進行完第1次破壞實驗之后，利用自制的紅外線加熱設(shè)備對試件進行愈合試驗。將愈合后的試件放置在室溫下12 h，以保證試件內(nèi)外溫度保持一致，之后進行第2次破壞實驗，從而得到愈合試驗前后不同鐵屑含量條件下的破壞強度。其實驗結(jié)果如圖4所示。

從圖中可以看出，混合料的初始彎曲強度隨鐵屑摻量的增加而降低，說明鐵屑的加入降低了試件的彎曲強度；在第1、第2次破壞實驗中，每組試件的第2次破壞強度均遠小于第1次的破壞強度，這表明試件在受到損傷后，即使存在愈合的現(xiàn)象，其承受荷載的能力也會急劇下降；其次，隨著鐵屑摻量的增大，試件的第2次彎曲強度與第1次彎曲強度的差值有所減小。從圖5也可以看出，除了鐵屑摻量為2%時，混合料的愈合效果達到最佳這一特征之外，試件的愈合率存在上限值，愈合率隨鐵屑摻量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢。

圖4 愈合前后SCB試驗結(jié)果

圖5 鐵屑摻量與愈合率關(guān)系圖

2.2 四點彎曲疲勞愈合試驗

利用氣動伺服成型機制作四點疲勞試驗所用的試驗試件，試驗儀器為英國Cooper技術(shù)公司生產(chǎn)的獨立四點彎曲小梁試驗機，采用UTM(universal testing machines)軟件操作系統(tǒng)，利用空氣壓縮機進行氣壓伺服。四點彎曲疲勞試驗的條件為：試驗溫度15 ℃，試驗頻率10 Hz，加載波形為正弦波，應(yīng)變?yōu)?00×10-6。試驗結(jié)束的條件設(shè)定為：試件勁度模量下降為初始勁度模量的50%。

對于四點疲勞試驗常用的疲勞判定標準有兩種：Nf50法和NfNM法。前者是經(jīng)過大量疲勞試驗證實得到的，并形成了AASHTO TP-8標準；后者是將歸一化的勁度模量與循環(huán)次數(shù)的成績達到最大時的循環(huán)系數(shù)作為混合料的疲勞壽命[10]。且文獻[10]指出Nf50更適合與作為基質(zhì)瀝青混合料的疲勞判斷標準。故采用Nf50為試件疲勞壽命指標。其愈合指標采用愈合試驗前后試件疲勞壽命的比值。其計算公式如式(2)。

(2)

式中：HI2為試件愈合率，%；Nf50為愈合前試件破壞強度，kN；Nf50為愈合后試件破壞強度，kN。

在經(jīng)過第1次疲勞試驗、紅外線加熱愈合試驗以及第2次疲勞試驗后，四點疲勞小梁試驗的結(jié)果見表4、圖6和圖7。由表4和圖6可見：隨著鐵屑摻量地增加，混合料的初始疲勞壽命并沒有呈現(xiàn)明顯的變化趨勢，但愈合后的疲勞壽命隨著鐵屑摻量地增加先增后減。此外，試件的疲勞壽命恢復(fù)率，即愈合率呈現(xiàn)逐漸遞增的特征。這一結(jié)果與文獻[5]的研究結(jié)果一致。由圖7可知，鐵屑摻量為0%、1%、2%和4%時，小梁試件的疲勞壽命恢復(fù)率，即愈合率HI2分別為46%、68.01%、71.32%和88.65%。

表4 四點疲勞小梁試驗結(jié)果Table4 Four-pointfatiguetrabeculartestresults鐵屑摻量/%愈合前疲勞壽命均值Nf501/times愈合后疲勞壽命均值Nf502/times愈合率/%189208230016550195787470900546.0023530113401931089801903010460113180136835230930568.0110230112501229010280226901313023613027725332001977371.323040022730216801003011670861041372016785188801488088.6521010109202074021110

圖6 愈合前后疲勞壽命對比圖

圖7 鐵屑摻量與疲勞壽命恢復(fù)率關(guān)系圖

3 SCB試驗和四點疲勞小梁試驗對比分析

3.1 瀝青混合料愈合率對比分析

SCB的破壞試驗主要是以拉伸破壞為主，在破壞時試件表面會形成明顯的裂縫，如圖8所示，試件損傷程度較為嚴重。在小梁試驗中，如圖3所示，在達到設(shè)定的結(jié)束條件時，試件本身并沒有產(chǎn)生宏觀裂紋。故將這2種試驗的愈合結(jié)果進行對比分析，得出在不同試驗條件下，鐵屑對試件愈合效果的影響以及影響程度的差異性。

將試驗數(shù)據(jù)進行匯總后得到的結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，小梁試驗的愈合率明顯高于SCB試驗的愈合率，即說明當試件還沒有出現(xiàn)宏觀裂紋時，對其進行愈合操作，可以有效提高試件的再承載能力。并且，當鐵屑摻量控制在4%以內(nèi)時，半圓試驗的試件愈合率存在上限值，但小梁試件的愈合率并沒有表現(xiàn)出這一變化趨勢。這說明鐵屑對于混合料的愈合能力的促進作用并不僅僅取決于鐵屑的摻量，同時也受加載模式和損傷程度的影響。從圖9也可以得出，在有無鐵屑的條件下，2種損傷模式的愈合率差值分別為6.34%和22.01%(0%和1%鐵屑摻量的對比)，這說明鐵屑對于混合料愈合能力的促進作用在試件沒有出現(xiàn)宏觀裂紋時更加顯著。

圖8 SCB彎曲試驗

圖9 SCB試驗和四點疲勞小梁試驗愈合率對比圖

3.2 瀝青混合料愈合能力擬合分析

為探究鐵屑摻量對SCB和四點彎曲疲勞愈合試驗的影響及影響程度大小，將兩者的愈合試驗結(jié)果進行了擬合，經(jīng)分析比較，采用二次擬合作為鐵屑瀝青混合料的愈合方程，結(jié)果如式3和式4所示。鐵屑摻量與混合料愈合率之間的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.88 239和0.95 592。由數(shù)據(jù)結(jié)果可推斷出，二次擬合更符合鐵屑對混合料愈合能力的影響規(guī)律。并且從愈合率方程中二次方項系數(shù)的大小可以看出，相比于SCB 半圓彎曲試驗，在四點疲勞試驗中，隨著鐵屑摻量的增加，混合料愈合率增長趨勢更為明顯。根據(jù)四點彎曲疲勞愈合方程，可以預(yù)估得到四點彎曲疲勞愈合試驗的最佳鐵屑摻量為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為鐵屑摻量，%；HI1為SCB彎曲試驗愈合率，%；HI2為四點彎曲疲勞試驗愈合率，%。

4 結(jié)論

基于鐵屑對瀝青混合料愈合能力的促進作用，研究了鐵屑在SCB半圓彎曲試驗和四點彎曲疲勞試驗中的影響規(guī)律，并對這一影響進行對比分析。主要結(jié)論如下：

a.當鐵屑摻量在4%以內(nèi)時，SCB半圓彎曲愈合試驗的愈合率呈現(xiàn)先增后減的趨勢，愈合率存在上限值。但對于四點彎曲愈合試驗，并沒有呈現(xiàn)同樣的變化趨勢，愈合率隨鐵屑摻量的增加不斷增大。這說明鐵屑對于混合料愈合能力的促進作用并不僅僅取決于鐵屑的摻量，同時也受加載模式和損傷程度的影響。

b.當鐵屑摻量為0%和1%時，SCB半圓愈合試驗和四點彎曲疲勞試驗的愈合率差值分別為6.34%和22.01%，這說明鐵屑對于混合料愈合能力的促進作用在試件沒有出現(xiàn)宏觀裂紋時更加顯著。

c.采用二次擬合方法對SCB愈合試驗和四點疲勞愈合試驗結(jié)果進行擬合分析，達到其相關(guān)系數(shù)分別為0.882 39和0.955 92，這說明采用二次擬合方法可以較好地體現(xiàn)鐵屑對瀝青混合料愈合能力的影響規(guī)律。

d.根據(jù)四點彎曲疲勞試驗的自愈能力預(yù)估方程，得出四點彎曲疲勞愈合試驗的最佳鐵屑摻量為8.4%。