道路工程-疲劳寿命-可再生沥青-梁疲劳试验-疲劳特性-沥青混合料

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考虑应变和加载频率的RAP沥青混合料疲劳特性分析

摘要

系统研究了RAP、加载频率和应变水平对沥青混合料及结合料的疲劳特性的影响，并确定了沥青混合料和结合料疲劳寿命之间的关系。通过梁疲劳试验对两种沥青混合料的疲劳特性进行了对比分析，一种含有RAP，一种不含RAP；分别从这两种混合料中提取了沥青结合料，并进行重复加载疲劳试验。结果表明：RAP会降低沥青混合料的疲劳寿命，延长沥青结合料的疲劳寿命；加载频率越高，沥青混合料和沥青结合料的疲劳寿命越长；应变水平越高，沥青混合料和结合料的疲劳寿命越短。

关键词：道路工程 | 疲劳寿命 | 可再生沥青 | 梁疲劳试验 | 重复加载疲劳试验

反复的交通荷载会造成沥青路面的疲劳开裂。沥青路面的疲劳寿命主要取决于荷载因素和材料因素[1-2]。荷载因素包括与车速相关的荷载频率，以及由荷载引起的作用于沥青层底部的应变，材料因素主要包括沥青混合料性能和沥青结合料性能。目前关于沥青混合料疲劳寿命的研究较多，尚无报道关于加载频率和应变水平对含有RAP(recycledas-phaltpavement，可再生沥青)的沥青混合料以及从中提取的沥青结合料的疲劳特性的研究。

目前，有多种试验方法用于测定沥青混合料的疲劳特性。许多研究者使用4点梁疲劳试验方法，该试验运用循环荷载使试件局部发生破坏，当劲度模量降低到初始值的50%时，认为试件疲劳失效[3-4]。

在SHRP项目中，研究人员发现沥青结合料疲劳特性对沥青混合料疲劳特性具有重要影响[5-6]。因此，研究人员开展了大量工作研究如何准确描述沥青结合料的疲劳特性，但是大多数研究集中在线性黏弹性方面，而未考虑非线性特性。其中，重复加载疲劳试验(timesweeptest:TS)、线性幅值疲劳试验(linearamplitudesweep:LAS)、多应力蠕变恢复试验(multiplestresscreeprecoverytest:MSCＲ)和双边缘缺口拉伸试验(doubleedgednotchedtensiontest:DENT)是近年来发展起来的4种疲劳试验方法。TS试验通过动态剪切流变仪(DSR)将不同频率的循环荷载作用于结合料试件，通过劲度模量的下降来计算疲劳寿命。笔者采用TS试验测定沥青结合料疲劳特性。

试验步骤

研究目标

1)RAP对沥青混合料和结合料的疲劳寿命影响

2)加载频率对含RAP的沥青混合料以及从中提取的沥青结合料疲劳寿命的影响

3)应变水平对含RAP的沥青混合料以及从中提取的沥青结合料疲劳寿命的影响

材料

采用同一公司生产的SP-III型沥青混合料，一种混合料含有35%RAP，编号A1；从该混合料中提取的沥青结合料编号A2；二种混合料不含RAP，编号B1，从中提取的沥青结合料编号B2；基质沥青采用埃索903，PG分级为63-22，沥青含量均为4.4%；zui大公称粒径为19mm。所有试验均在恒温20℃条件下进行，以消除温度变化带来的影响。

试验设计

试验步骤如图1。对A1，B1，A2，B2分别以1，5，10Hz的频率进行加载。考虑篇幅，笔者只取10Hz下的试验结果进行对比。梁疲劳试验耗时较长，因此在每个应变水平下取两个样本进行测试，对于结合料，每个应变水平下取3个样本。总计共有32个样本用于梁疲劳试验、48个用于TS试验。

混合料试验

根据AASHTO-T-321规范进行4点梁疲劳试验[7]。图2为4点梁疲劳试验的装置及试件的示意。

试件尺寸长380mm、宽63mm、高50mm，空隙率的范围5.1%～5.8%，平均值为5.4%。在20℃恒温、应变控制条件下，用不同频率的正弦荷载对试件进行加载。定义试件在第50次循环加载时的劲度模量为初始劲度模量；当劲度模量降低到初始值的50%，认为试件疲劳失效。应变水平分别为：400，600，800，1000με；加载频率为1，5，10Hz。可通过控制试件变形来实现特定的应变输入，如式(1)，变形可由线性可变位移传感器(LVDT)测定。

结合料试验

TS试验是使用动态剪切流变仪(DSR)在不同加载频率下，基于应变控制模式，用2mm厚，直径8mm的结合料试件在20℃进行试验，如图3。

为了与上述梁疲劳试验相一致，此试验也分别采用1，5，10Hz的加载频率对结合料试件进行加载。E.MADAD等[8]的研究表明，根据非线性理论，结合料的应变高于混合料的应变，大约是混合料应变的90~100倍。因此把结合料应变设定为4%，6%，8%，10%。DSR软件使用式(2)计算应变：

DSR软件通过施加的应变计算应力，且应力应变之比称为G*。DSR软件直接给出各个应变水平对应的G*值。随着循环加载次数的增加，G*值减小。在TS试验中，G*值小于初始值的50%时，结合料被认定为疲劳失效。

结果与讨论

目前，有很多疲劳模型用来确定沥青混合料的疲劳寿命。式(3)确定了路面底部应变和路面疲劳寿命之间的关系，很多学者用来描述沥青混合料的疲劳寿命。

在不同加载频率下，用式(3)对混合料和结合料试验数据进行拟合，可得到材料的疲劳曲线。

沥青混合料试验结果

对A1混合料进行应变控制的4点梁疲劳试验，并用式(3)进行拟合，得到不同应力、不同应变水平下疲劳寿命曲线，如图4。

图4表明，在各应变水平下，疲劳寿命均随加载频率的变大而延长。郝增恒[9]研究表明：如较快行车速度等，会导致较高频率，可以提高路面的动态劲度模量。这种高动态模量在路面造成较低的拉伸应变，并增加了路面的疲劳寿命。对于同一加载频率，随着应变水平的降低，疲劳寿命的增长速度加快；随着应变的增加，疲劳寿命降低。

根据曲线拟合得出的该沥青混合料a，b参数见表1。由表1可知，对该混合料，b的范围为2.98~3.645，这与新报道的2.93~6.17是相符的[9]。

同理可以得到B1沥青混合料的疲劳寿命曲线。由于篇幅限制，这里不再列出，只给出在20℃，10Hz频率下，A1沥青混合料与B1沥青混合料的疲劳寿命的对比如图5。

由图5可见，同一频率下，A1混合料比B1混合料的疲劳寿命要短。即在恒定温度和加载频率下，不含RAP的沥青混合料比含35%RAP的沥青混合料具有更好的抗疲劳开裂能力。其原因可能是RAP骨料和结合料之间黏结力不佳。因为疲劳开裂往往发生在骨料和结合料的联结界面上，所以RAP骨料的存在会造成RAP混合料的早期疲劳开裂。

沥青结合料的实验结果

使用动态剪切流变仪(DSR)，对A2和B2沥青结合料进行基于应变控制的TS试验。图6表明：在恒定应变下，G*随时间的延长而减小。当G*值减小到初始值的50%，样本疲劳失效。因此，当G值减小到初始值50%时的循环加载次数，就是试件的疲劳寿命。

图7显示的是A2沥青结合料在不同加载频率、不同应变条件下的疲劳寿命曲线。

由图7表明，加载频率越高，结合料疲劳寿命越长;应变水平越高，结合料疲劳寿命越短。这意味着在实际路况中，较高的车速引起的疲劳损坏较小[9-10]。该试验拟合曲线的回归系数a，b值也显示在表1中。b同样主要取决于负载的频率，取值范围从3.633~5.403。表2汇总了A2和B2结合料在不同应变水平下的疲劳寿命试验结果。标准偏差SD和离散系数CV显示于表2中。

同理可以得到B2沥青结合料的疲劳寿命曲线，由于篇幅限制，这里不再列出，只给出在20℃，10Hz频率下，A2沥青结合料与B2号沥青结合料的疲劳特性的对比，见图8。

由图8可以看出，在各应变条件下，A2结合料的疲劳寿命高于B2结合料的疲劳寿命，即具有更好的抗疲劳特性；应变的增长会引起结合料的疲劳寿命的减少。

结论

笔者研究了在不同频率、不同应变水平下RAP混合料及其结合料的疲劳特性。同时对比了在10Hz加载频率下，含RAP混合料与不含RAP混合料的疲劳特性，并得出如下结论：

1)RAP的加入会降低沥青混合料的疲劳寿命，会延长从该种沥青混合料中提取的沥青结合料的疲劳寿命，含RAP的沥青混合料的早期疲劳失效是由于骨料与结合料界面较差的黏结性造成的，因为疲劳开裂大多发生在这个界面上。

2)混合料和结合料的疲劳寿命都随加载频率的增加而增加，因此较高的车速会延长沥青路面的疲劳寿命，在同一加载频率下，混合料与结合料的疲劳寿命都随应变水平的增加而降低，低应变水平时，两者疲劳寿命差别较大，结合料和混合料动力方程的b值几乎相等。

全文完发布于《重庆交通大学学报(自然科学版)》2016年10月

棱柱体小梁四点弯曲试验是 2011 年交通部行业标准《公路工程沥青及沥青混合料规程》增加的评价沥青混合料疲劳性能和测量劲度模量的非常重要的试验方法。该方法可以在DTS多功能动态试验系统中进行，也可以使用单独式系统，搭配温控环境箱进行试验。尤其对于试验任务量比较大的单位，因为疲劳试验可能持续的时间比较长，几小时到几天、甚至几周。所以配备一套单独式的沥青混合料疲劳试验系统是非常有必要的。

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适用规范
▍AASHTO T 321 热拌沥青混合料重复弯曲疲劳寿命
▍ASTM D7460 热拌沥青混合料重复弯曲疲劳损伤
▍AG:PT/T233 & ASTM 03 热拌沥青混合料重复弯曲疲劳寿命
▍EN 12697-24 Annex D- 棱柱体试件的四点弯曲试验
▍EN 12697-26 Annex B- 棱柱体试件的四点弯曲试验 (4PB-PR)
▍T0739-2011 沥青混合料四点弯曲疲劳寿命试验

产品特点
▍试样通过伺服电机驱动滚珠丝杠牢固夹紧，可始终维持预定的夹紧力，并保证测试过程中试样在产生屈服变形时仍能被持续夹紧，夹紧力可通过调节电机电流控制。
▍两个夹紧开关在仪器前方，用于试样梁的左右两侧和中间侧夹紧点的夹紧和放松。四个试样夹紧框可实现所有加载点和反力点的旋转和横向移动。
▍顶部夹紧块的标志线，可帮助操作者在夹紧前横向对中试样梁。
▍气动伺服系统使用底部气动加载作动器，配备高性能气动伺服阀，PID 闭环控制，运行中的自适应控制，可始终维持测试所需的应力/应变。
▍薄型高性能不锈钢圆形荷载传感器，用于实时测量和控制荷载。主轴位移传感器可实现中间加载框架的准确定位。
▍试样表面位移传感器(On-specimen LVDT)可按设定进行控制并测量试样梁有效范围内的整体弯曲变形（而不是悬浮式的测量部分变形的方法），符合相关标准的要求。
▍基于 Windows 的 TestLab 软件提供的用户界面，简单、效率高并符合有关国际标准。