冷拌冷鋪乳化瀝青混合料在不同應(yīng)變組合下的疲勞性能研究

任小遇,郭倩蕓,梁恒健,姜 維,徐世法

(1.北京建筑大學(xué)北京市城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程技術(shù)研究中心，北京 100044；2.北京市交通委員會(huì)房山公路分局，北京 102488；3.北京建筑大學(xué)未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044)

瀝青路面所受到的車輛荷載是時(shí)刻變化的，隨機(jī)變化的荷載也對(duì)瀝青路面的疲勞性能產(chǎn)生了顯著影響，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)熱拌瀝青混合料在應(yīng)變組合下的疲勞性能進(jìn)行了一些研究。華南理工大學(xué)吳志勇等[1-3]研究了AC-13型熱拌瀝青混合料在多級(jí)荷載作用下的疲勞壽命，提出并建立了與加載次序相關(guān)的疲勞壽命預(yù)測(cè)方程，其預(yù)測(cè)結(jié)果比以往的模型更為準(zhǔn)確；孫兆輝等[4-6]通過小梁彎曲試驗(yàn)，研究了3種應(yīng)力水平下7種瀝青路面中、下面層混合料的抗疲勞性能，建立了不同級(jí)配的威布爾疲勞壽命預(yù)測(cè)方程；黃衛(wèi)東等[7-10]采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)研究熱拌瀝青混合料的疲勞壽命，通過變化加載頻率、荷載和損傷程度分析對(duì)瀝青混合料的后期自愈合效果的影響，發(fā)現(xiàn)改變加載頻率時(shí)間、荷載對(duì)瀝青混合料的后期愈合具有正面作用；當(dāng)前對(duì)熱拌瀝青混合料在應(yīng)變組合作用下的疲勞性能已經(jīng)有了較為系統(tǒng)的研究。

冷拌冷鋪乳化瀝青混合料具有常溫拌合、節(jié)能減排的特點(diǎn)，近年來已成為業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。徐世法等[11]開發(fā)了乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料超薄磨耗層，并將其用于內(nèi)蒙古準(zhǔn)興重載高速公路；李思童等[12]對(duì)冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的長(zhǎng)期路用性能進(jìn)行了研究。目前對(duì)于冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的研究主要集中在強(qiáng)度形成機(jī)理、性能評(píng)價(jià)等方面[13-17]，但對(duì)于冷拌冷鋪乳化瀝青混合料應(yīng)變組合下的疲勞性能研究較少。

基于此，筆者分別對(duì)冷拌冷鋪乳化瀝青混合料進(jìn)行單級(jí)應(yīng)變和雙級(jí)應(yīng)變組合下的疲勞試驗(yàn)，并將兩種不同應(yīng)變加載模式下測(cè)得的混合料疲勞性能進(jìn)行對(duì)比，分析其勁度模量與疲勞壽命的變化規(guī)律以及應(yīng)變組合對(duì)冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的疲勞性能的影響。研究表明:應(yīng)變組合對(duì)冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的疲勞性能有顯著的影響，低-高應(yīng)變加載模式的試件疲勞壽命要多于由高-低應(yīng)變的加載模式。

1 原材料及混合料配合比設(shè)計(jì)

1.1 乳化瀝青

筆者選用自主研發(fā)的冷拌冷鋪專用陽(yáng)離子慢裂慢凝SBS改性乳化瀝青(YH-1301線型SBS改性劑，用量為瀝青質(zhì)量的3.5%)，其具有破乳速率可控、穩(wěn)定性好且對(duì)集料的裹附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 The technical index of emulsified asphalt

1.2 集料性能指標(biāo)

本試驗(yàn)粗集料采用石灰?guī)r，細(xì)集料選用機(jī)制砂，外加劑采用P·O 42.5水泥，其技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求[18]。

1.3 級(jí) 配

本試驗(yàn)采用AC-13合成級(jí)配，級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 乳化瀝青混合料級(jí)配曲線Fig.1 The mixture gradation curve of emulsified asphalt

1.4 配合比設(shè)計(jì)

參照馬歇爾試驗(yàn)方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，以乳化瀝青用量8.0%為中值，按照0.5%增減乳化瀝青用量，養(yǎng)生后測(cè)定試件的力學(xué)和體積指標(biāo)，結(jié)果如圖2所示。根據(jù)混合料的拌和狀態(tài)、力學(xué)與體積指標(biāo)的技術(shù)要求綜合確定冷拌冷鋪乳化瀝青混合料最佳外摻水量為2.0%、最佳乳化瀝青用量為8.0%、最佳水泥摻量為1.0%。

圖2 乳化瀝青混合料力學(xué)與體積指標(biāo)Fig.2 The mechanical and volume index of emulsified asphalt mixture

1.5 混合料的成型及養(yǎng)生

混合料的拌和：首先，按照設(shè)計(jì)級(jí)配準(zhǔn)備所需的集料和水泥；其次，在拌和鍋內(nèi)將集料干拌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，加入乳化瀝青拌和45 s，即為乳化瀝青混合料。

成型及養(yǎng)生：按照馬歇爾擊實(shí)法成型試件，雙面擊實(shí)50次。將試件室內(nèi)靜置12 h后放進(jìn)90 ℃烘箱中養(yǎng)生24 h，取出后立即雙面擊實(shí)25次，室溫靜置12小時(shí)后即可測(cè)試。

對(duì)成型和養(yǎng)生后的乳化瀝青混合料進(jìn)行性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，其指標(biāo)達(dá)到熱拌改性瀝青混合料技術(shù)要求。

表2 乳化瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The test results of emulsified asphalt mixture

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)方案

綜合車輛荷載的大小，選定A(200×10-6)、B(400×10-6)、C(600×10-6)三個(gè)應(yīng)變水平，以單級(jí)應(yīng)變?yōu)樵囼?yàn)對(duì)照組，以A-B和C-A為雙級(jí)應(yīng)變組合，對(duì)冷拌冷鋪乳化瀝青混合料分別進(jìn)行單級(jí)和雙級(jí)應(yīng)變下的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，由此對(duì)比分析混合料疲勞壽命與勁度模量隨應(yīng)變量及應(yīng)變組合不同而變化的規(guī)律。

疲勞試驗(yàn)終止條件：?jiǎn)渭?jí)加載時(shí)，試件勁度模量衰減至初始的50%或疲勞壽命達(dá)到100萬次時(shí)試驗(yàn)停止；兩級(jí)加載時(shí)，第一階段加載次數(shù)是第一級(jí)應(yīng)變單獨(dú)加載時(shí)疲勞壽命的一半(大于100萬次按照100萬次計(jì)算)，第二階段加載至試件勁度模量衰減為突變后的50%時(shí)試驗(yàn)停止，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的循環(huán)荷載作用次數(shù)即為疲勞壽命。

2.2 單級(jí)應(yīng)變作用下乳化瀝青混合料疲勞性能結(jié)果分析

2.2.1 勁度模量隨應(yīng)變作用次數(shù)的變化規(guī)律

在A、B和C三個(gè)應(yīng)變水平下進(jìn)行單級(jí)加載試驗(yàn)，勁度模量的變化如圖3～圖5所示。

圖3 單級(jí)應(yīng)變A加載下的勁度模量變化Fig.3 The stiffness modulus of single stage load A

圖4 單級(jí)應(yīng)變B加載下的勁度模量變化Fig.4 The stiffness modulus of single stage load B

圖5 單級(jí)應(yīng)變C加載下的勁度模量變化Fig.5 The stiffness modulus of single stage load C

通過對(duì)A、B和C單級(jí)應(yīng)變下的勁度模量隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律分析，發(fā)現(xiàn)單級(jí)應(yīng)變作用下勁度模量的變化分為急劇下降階段和緩慢衰減階段。初始勁度模量均為4 000 MPa以上，當(dāng)加載應(yīng)變水平越大時(shí)，勁度模量曲線的第一階段斜率越大，衰減速率越快。

2.2.2 單級(jí)應(yīng)變加載的疲勞壽命

試件在A、B和C三種應(yīng)變水平單級(jí)加載后得到的疲勞壽命如表3所示。

表3 三種應(yīng)變水平下的疲勞壽命Table 3 The fatigue life at three strain levels

由表3可知，B和C應(yīng)變作用下冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的疲勞壽命分別為16.88萬次和7.46萬次，在A應(yīng)變作用下其疲勞壽命達(dá)到100萬次以上，且試件未完全破壞失效。發(fā)現(xiàn)在單級(jí)應(yīng)變作用條件下，冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的疲勞壽命隨應(yīng)變水平的增加出現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，A應(yīng)變作用時(shí)試件的疲勞壽命最長(zhǎng)。

2.3 兩級(jí)應(yīng)變組合下乳化瀝青混合料疲勞性能結(jié)果分析

2.3.1 勁度模量隨應(yīng)變作用次數(shù)的變化規(guī)律

為了體現(xiàn)路面受到的車輛荷載大小時(shí)刻變化，采用A-B和C-A兩種應(yīng)變組合模式，探究不同應(yīng)變組合對(duì)試件疲勞壽命的影響，具體參數(shù)見表4。兩級(jí)應(yīng)變組合下試件的勁度模量變化見圖6和圖7。

表4 兩級(jí)應(yīng)變的加載形式Table 4 The loading form of two-stage strain

圖6 A-B加載模式下的勁度模量變化Fig.6 The stiffness modulus variation at A-B loading mode

圖7 C-A加載模式下的勁度模量變化Fig.7 The stiffness modulus variation at C-A loading mode

由圖可知，兩種不同組合加載模式下的勁度模量變化規(guī)律明顯不同。 分析圖6可知，在A-B應(yīng)變組合加載時(shí)，勁度模量在第一加載階段A應(yīng)變作用下與單一應(yīng)變單獨(dú)加載時(shí)的變化趨勢(shì)相同，當(dāng)進(jìn)行第二階段B應(yīng)變加載時(shí)，勁度模量從第一階段末的2 800 MPa瞬間突變到3 800 MPa，由A-B應(yīng)變轉(zhuǎn)換時(shí)乳化瀝青混合料勁度模量瞬間增大了35%，之后急劇降低至2 300 MPa趨于穩(wěn)定，在B單級(jí)應(yīng)變加載時(shí)同樣是到達(dá)2 300 MPa左右后趨于穩(wěn)定。分析圖7可知，在C-A兩級(jí)加載時(shí)，勁度模量在第一加載階段C應(yīng)變作用下與單一應(yīng)變單獨(dú)加載時(shí)變化趨勢(shì)相同，當(dāng)進(jìn)入第二級(jí)A應(yīng)變加載時(shí)，勁度模量由2 200 MPa突變到1 950 MPa，其衰減率為11%，之后急劇降低到1 400 MPa后進(jìn)入平緩階段直至試驗(yàn)結(jié)束。當(dāng)加載模式由低應(yīng)變向高應(yīng)變轉(zhuǎn)換時(shí)，試件勁度模量瞬間增大，加載模式由低應(yīng)變向高應(yīng)變轉(zhuǎn)換時(shí)，試件勁度模量明顯衰減。

2.3.2 兩級(jí)應(yīng)變加載的疲勞壽命

兩級(jí)應(yīng)變加載下的疲勞壽命如表5所示。

表5 兩級(jí)加載下試件的疲勞壽命Table 5 The fatigue life of specimen under two-stage loading

由表5可知，作用次序的不同導(dǎo)致試件的疲勞壽命有所差異。A-B兩級(jí)應(yīng)變加載時(shí)的疲勞壽命為64.84萬次，其疲勞壽命在A、B單級(jí)加載疲勞壽命之間；先經(jīng)過A低水平應(yīng)變加載50萬次后，在B中水平應(yīng)變下經(jīng)14.84萬次加載后結(jié)束，為B單級(jí)應(yīng)變加載疲勞壽命的88%，由此看出A低水平應(yīng)變對(duì)乳化瀝青的疲勞壽命影響較??；C-A兩級(jí)應(yīng)變加載的疲勞壽命要多于平均應(yīng)變水平B單級(jí)應(yīng)變加載時(shí)的疲勞壽命。應(yīng)變加載次序?qū)τ跒r青混合料的疲勞壽命也具有明顯影響，由于加載模式由低應(yīng)變向高應(yīng)變轉(zhuǎn)換時(shí)，試件勁度模量增大，加載模式由高應(yīng)變向低應(yīng)變轉(zhuǎn)換時(shí)，試件勁度模量降低，所以進(jìn)行低-高應(yīng)變加載模式的試件疲勞壽命要多于由高-低應(yīng)變的加載模式。

3 結(jié) 論

(1)在單級(jí)應(yīng)變作用下，試件勁度模量先急劇下降，然后緩慢衰減，且應(yīng)變?cè)酱髣哦饶Ａ克p越快。

(2)采用A-B兩級(jí)加載時(shí)，試件在由A應(yīng)變水平轉(zhuǎn)入B應(yīng)變水平加載時(shí)，勁度模量瞬間增大了35%，之后急劇降至2 300 MPa趨于平緩。采用C-A兩級(jí)加載時(shí)，試件在由C應(yīng)變水平轉(zhuǎn)入A應(yīng)變水平加載后，勁度模量瞬間由2 200 MPa突降至1 950 MPa，衰減率為11%，之后迅速降低到1 400 MPa后趨于穩(wěn)定。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)變水平與加載次序變化時(shí)，冷拌冷鋪乳化瀝青混合料疲勞損傷發(fā)展規(guī)律存在明顯差異。

(3)采用A-B兩級(jí)加載時(shí)，試件的疲勞壽命介于單級(jí)加載之間，第二階段的疲勞壽命約為14.84萬次，是B單級(jí)應(yīng)變加載時(shí)的88%。C-A兩級(jí)應(yīng)變加載的疲勞壽命大于平均應(yīng)變水平B單級(jí)應(yīng)變的疲勞壽命?？梢姂?yīng)變組合對(duì)冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的疲勞性能有顯著的影響，低-高應(yīng)變加載模式的試件疲勞壽命要多于由高-低應(yīng)變的加載模式。