于延忠，李冬娜，高宏刚，颜鲁春，张 斌

(1．甘肃恒路交通勘察设计院有限公司，甘肃 兰州 730030； 2．兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730030)

在日益增加的交通量及行车荷载的反复作用下，沥青路面产生车辙水损害，损伤不断累积，路面强度不能适应日益增长的交通量，进而发生疲劳破坏，路面使用寿命缩短. 基于上述问题，诸多学者提出了利用不同改性沥青研究对沥青混合料疲劳寿命的影响.叶青[1]基于粘弹性的沥青混合料疲劳性能研究提出的表征材料粘弹性的指标，明确材料固有属性对沥青混合料疲劳性能的作用. 敖清文等[2]通过3点弯曲疲劳试验研究了抗车辙剂、试验参数对改性沥青混合料疲劳性能的影响规律.马海涛[3]研究了不同玄武岩掺量对沥青混合料抗疲劳性能的改善效果.颜可珍等[4]利用有限元方法建立了沥青混合料粘弹性IFPFD本构模型，该模型可较好地表征沥青混合料的所有动态黏弹参数.马迪[5]利用干涉判断算法建立了沥青混合料的随机细观模型.何兆益[6]建立了适用于不同级配沥青混合料动态模量的预估模型，且该模型能够应用于沥青路面结构的设计和分析.然而，现有研究仅从单一层面对沥青混合料的疲劳特性进行分析，并未涉及两者的耦合情况.

本文采用1种基质沥青、1种聚合物改性沥青(PMB)、3种不同比例纳米黏土添加剂以及1种特殊级配的碎石灰岩，共同构成8种改性沥青和8种不同的热拌沥青(HMA)混合物来研究沥青的粘弹性及疲劳性能.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用的沥青为针入度等级为60/70的基质沥青(LDPE)和聚合物改性沥青(PMB)，由德国黑兰炼油厂提供，其技术指标如表1所示.

在以上2种沥青中加入了不同掺量的纳米黏土颗粒(其技术指标如表2所示).用超声波搅拌器在150 ℃的温度下搅拌20 min，纳米黏土颗粒(Nanoclay)分别以2%、4%、6%的浓度加入基质沥青和聚合物改性沥青中，用2%、4%、6%的纳米颗粒改性沥青化合物分别命名为NB2NC、NB4NC和NB6NC，其技术指标如表3所示.含有改性聚合物沥青的纳米黏土称为PMB2NC、PMB4NC和PMB6NC，其技术指标如表4所示.

表1 基质沥青与PMB改性沥青技术指标

表2 纳米黏土指标

表3 纳米黏土改性沥青的技术指标

表4 聚合物-纳米黏土改性沥青技术指标

采用如表5所示骨料级配，利用轮碾法成型车辙板，采用揉轮压实机对HMA混合料进行压实，然后使用切割机将车辙板分为63 mm×50 mm×380 mm的棱柱状试样，在4点弯曲梁试验中进行3次重复疲劳试验.

表5 骨料级配

1.2 试验方法

1.2.1 连续损伤力学方法

沥青混合料是应力和时间相关的材料，在各种应力作用下表现出粘弹性特性，沥青对沥青混合料的粘弹性有很大的影响.因此，许多研究人员尝试通过改性沥青来改善路面的性能[7].在近几十年来，各种改性剂和添加剂在沥青和热拌沥青(HMA)混合料中得到了广泛的应用，其目的都是用不同的方法来量化沥青混合料的疲劳过程.在各种方法中，应变方法首先由Monismith和Energy提出，这种方法应用简单、试验程序明确.疲劳模型采用的是机械式经验模型路面(MEPDG)，是一种考虑应变方法材料特性的模型，表达式为

(1)

式中：Nf为沥青混合料的疲劳寿命；εt为拉伸寿命沥青底层应变；E为动力模量；其他参数通过试验确定.

采用时间扫描法(TS)对沥青结合料疲劳性能进行了测试，但是这种测试过程很耗时，线性振幅扫描(LAS)测试是近年来引入的一种纯聚合物改性沥青疲劳性能的评估方法.

通过结合粘弹性连续损伤力学(VECD)沥青结合料的概念，根据这个理论，时间是沥青材料粘弹性变为线性弹性的主要因素.根据Schapery的工作理论，功损关系为

(2)

式中：W为做功；D为损伤强度；a为材料常数.

基于VECD理论，沥青中的损害积累受到疲劳载荷的计算式为

(3)

式中：D(t)为时间t处的损伤累积；ID为初始值未损坏的|G*|评价指标；|G*|为复数模量；δ为相位角；γ0为剪切应变；α为材料常数.

使用VECD分析沥青的疲劳性能，类似于传统的沥青混合物疲劳关系，即

Nf=A(γmax)-B，

(4)

式中：γmax为对于给定的路面结构测试的沥青应变最大值；A、B为从LAS测试得到的参数，LAS试验中沥青的疲劳特性为由参数“A35”表示，累积损伤在该测试中的疲劳标准是减少G*sinδ初始值的35% ，“B”参数代表所测沥青的损伤率随应变水平的变化而变化.

1.2.2 LAS试验

本研究采用线性振幅扫描(LAS)以表征不同沥青的疲劳性能.在AASHTO标准中，该测试方法包含了沥青疲劳性能粘弹性系数测试，应用动态剪切流变仪(DSR)进行试验试件的测试.结合VECD概念，在剪切振幅之前加载扫描，进行频率扫描试验，以确定在测试初级阶段对样品施加0.1%的恒定应变和0.1～30 Hz频率范围内的无损伤材料参数.然后，对试样施加增量加载在10 Hz频率下0.1%～30%的剪切应变.所有沥青及改性沥青试样均为条件性的短期时效模拟.

1.2.3 4点弯曲梁疲劳试验

4点弯曲梁疲劳试验AASHTO-T321-07标准采用4种方法研究了热拌沥青混合料抗疲劳性能.每次试验前，将试验样本HMA在试验室内静置4 h，所有样本均以400、600、800、1000微应变及4种不同的加载速率加载，试验是在频率为10 Hz恒应变加载模式下进行的，温度为20 ℃.

2 试验结果及分析

2.1 线性幅度扫描测试(LAS)

第1组为添加纳米黏土的纳米黏土改性沥青，根据纳米黏土掺量的不同相应地命名为NB、NB2NC、NB4NC和NB6NC；第2组是将PMB和纳米黏土加入基质沥青，根据纳米黏土掺量的不同相应地命名为PMB2NC、PMB4NC和PMB6NC.参数A35表示材料抗累积损坏的完整性，参数B代表所测改性沥青的损伤率随应变水平的变化.LAS测试结果见表6.

表6 线性幅度扫描测试结果

此外，进行LAS测试的时间相对较短，这种测试方法的主要优点是考虑不同加载量和加载方式的影响.如前所述，由参数“A35”可得沥青粘结剂在剪切作用下的疲劳寿命应变为1%，参数B为得到的斜率直线，表示疲劳寿命的变化率.

2.2 改性沥青的VECD疲劳模型

聚合物改性沥青配合纳米黏土添加剂的疲劳寿命与剪切应变如图1～2所示.

图1 LDPE和纳米黏土改性沥青VECD疲劳模型

图2 PMB与PMB纳米黏土改性沥青VECD疲劳模型

由图1～2可知：添加纳米黏土可以提高沥青的疲劳寿命；纳米黏土改性沥青疲劳寿命的降低超过基质沥青；在较高剪切速率下基质沥青和纳米黏土改性沥青的疲劳寿命之间的差异不太明显；基质沥青和聚合物纳米黏土复合改性沥青在改性聚合物的B值上没有显著差异.

2.3 沥青混合料疲劳测试

HMA样品在4种不同加载速率下进行测试沥青混合料疲劳寿命模型应变幅度的影响，如图3～4所示.

图3 LDPE和纳米黏土改性沥青混合料疲劳寿命

图4 PMB和纳米黏土改性沥青混合料疲劳寿命

由图3可以看出：添加6%纳米黏土改性沥青混合料在400微应变下的疲劳寿命比未添加纳米黏土的疲劳寿命增加了1.56倍，中纳米黏土含量的增加在一定程度上也提高了混合料的疲劳寿命.

由图4可以看出：聚合物+纳米黏土改性沥青混合料的疲劳寿命比改性聚合物混合料具有更高的疲劳寿命.

3 HMA混合料疲劳模型

3.1 HMA混合物疲劳寿命的完整性

由参数“A35”可得改性沥青在剪切作用下的疲劳寿命应变为1%，沥青混合料疲劳寿命模型可评估改性沥青对不同加载速率下HMA混合物疲劳寿命的完整性，如图图5所示.

图5 HMA混合物的A35值与的疲劳寿命

3.2 HMA混合物相对于A35的累积耗散能

HMA混合料与改性沥青的累计耗散能量(CDE)值在不同加载速率下的完整性示如图6所示.根据AASHTO的4点梁疲劳试验得出随后累计耗散能量(CDE)直至失效(即初始刚度降低50%).由图6可以看出，HMA混合料与改性沥青的CDE值在不同加载速率下的完整性有较高的相关性.

图6 HMA混合料相对于A35的累积耗散能

基于4点梁疲劳试验的结果，利用VECD特性开发沥青疲劳模型，提出以下方程式，相关性系数为(R2值)97.15%，即

(5)

式中：ε为施加的应变水平；A、B为VECD沥青混合料的参数.

VECD沥青混合料的参数可用于估算在任何给定的应变水平条件下HMA混合料的疲劳寿命. 此外，由于在中等温度下，HMA中的疲劳损伤是通过沥青再到混合料的阶段，可用式(4)～(5)估算沥青的应变值(即γmax).该方法的优点是改性沥青的LAS测试可估计疲劳用于路面的相关HMA混合物的寿命且耗时较短.

4 结论

1) 沥青的粘弹性连续体损伤特性与沥青混合料的疲劳寿命有很好的相关性.

2) 从沥青的VECD分析获得的参数(A35)和HMA混合物的抗疲劳性可以看出，沥青的完整性之间存在线性关系.因此可通过相关HMA混合物的寿命，利用本文中提出的公式对特定改性沥青进行LAS测试并对疲劳进行良好估计.

3) LDPE和Nanoclay可以提高沥青混合料的疲劳寿命.

4) 本研究建议的疲劳模型涵盖未改性的聚合物改性和纳米黏土改性沥青混合物可以取代耗时梁疲劳试验.

5) 沥青的LAS测试结果可与本研究中提出的疲劳模型结合使用估测 HMA混合物的疲劳寿命.