组成材料及其特性对沥青路面疲劳开裂影响研究综述.pdf
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1、2023年6 月交流与探讨石油沥青PETROLEUMASPHALT第37 卷第3期组成材料及其特性对沥青路面疲劳开裂影响研究综述张琦,韦金城,徐希忠,张晓萌,符东绪(1.重庆交通大学土木工程学院,重庆40 410 0;2.山东省交通科学研究院,济南2 50 10 2)摘要:组成材料及其特性是影响沥青混合料疲劳性能的重要因素,现有的研究主要集中在单一材料对沥青混合料疲劳性能的影响,综述结合现有研究,系统地从沥青、集料、矿粉、外加剂等组成材料及其特性方面分析其对沥青混合料疲劳性能的影响,以此指导优选各组成材料,从源头提升沥青混合料的抗疲劳性能。并提出几个研究方向:(1)采用同一疲劳试验方法和相同试
2、验参数比较不同改性沥青混合料疲劳性能。(2)系统地研究集料最大粒径、颗粒形状、表面特征、酸碱性等特性对沥青混合料疲劳性能的影响。(3)不同集料-沥青界面改性剂类型对沥青混合料疲劳性能的改善效果及作用机理。(4)钢柔纤维混掺对沥青混合料疲劳性能的影响。关键词:组成材料材料特性疲劳开裂疲劳性能近年来随着社会经济的进一步发展,我国公路建设事业发展迅速。沥青路面由于其平整性较好、行车平稳、养护方便等优点在道路工程中得以广泛应用。另一方面随着经济的发展也给公路建设带来了诸多问题,交通量的迅速增长,重载车辆的增加,导致沥青路面在使用年限内出现各种病害,严重影响路面使用寿命。为了更好的解决这些问题,则需从路
3、面结构设计,路面材料等方面进行改进。沥青路面的疲劳破坏是路面在车辆荷载的反复作用以及环境温度的反复变化产生的温度应力等综合作用下,沥青混合料内部存在的结构缺陷或者微小裂缝的进一步扩展导致路面结构的破坏。因而研究沥青路面的疲劳开裂具有重要意义,能为社会带来巨大的社会经济效益。近年来随着社会各界对疲劳研究的进一步深入,研究内容实现了从主观经验到力学理论的过渡,提出了一些更为科学的研究沥青路面疲劳性能的模型,对于疲劳开裂产生的原因国内外开展了较多的研究。影响沥青路面疲劳开裂的原因既有外因也有内因,在诸多影响因素中,组成材料及其特性是影响沥青混合料疲劳性能的重要因素之一。对于组成材料及其特性对沥青路面
4、疲劳开裂的影响现有的研究主要集中在单一材料对沥青混合料疲劳性能的影响,研究系统性不足,本文结合现有研究,系统的从沥青、集料、矿粉、外加剂等组成材料及其特性方面分析其对沥青混合料疲劳性能的影响,旨在从源头阶段原材料选择环节,对沥青路面疲劳开裂的产生加以控制,延长沥青路面的疲劳寿命。1沥青路面疲劳开裂产生的原因1.1内部因素原材料组成对沥青路面疲劳开裂具有较大的影响,沥青作为沥青混合料重要组成部分,如果选用的沥青不合理,所选沥青的延度过小,温度敏感性过高,抗老化性和耐久性较差时,路面铺筑完成处于自然环境中由于昼夜温差,冬夏循环收稿日期:2 0 2 2-11-2 9。作者简介:张琦(19 9 8 一
5、),男,硕士研究生,就读于重庆交通大学土木工程学院,从事路面结构与材料的研究。E-mail:17861417413 。通讯作者:徐希忠(19 9 2 一),男,工程师,从事沥青路面结构与材料研究。E-mail:8 46 9 547 11 q q.c o m。基金项目:国家自然科学基金(42 10 7 2 13)国家重点研发计划(2 0 18 YFB1600100)第3期使得沥青面层反复收缩膨胀,如此反复长时间的冷热交替则会导致沥青混合料的弹性模量和拉伸应变等性能降低,加速沥青的老化,从而使得沥青路面产生由于温度反复变化而产生的疲劳裂缝。集料的一些特性也会影响到沥青路面的疲劳开裂,其中集料的类型
6、、级配、酸碱性、表面粗糙程度、颗粒形状等特性会影响到集料与沥青之间的粘附性以及混合料的骨架结构,从而影响到沥青路面的疲劳开裂性能。同时矿粉、外加剂、纤维等材料的添加也会对沥青路面疲劳性能产生影响。由合适的沥青结合料和具有一定级配的矿质混合料,经过合理的比例配合搅拌而成的沥青混合料作为沥青路面的铺筑材料,其品质会直接影响到路面的质量进而影响路面的疲劳开裂。品质不良的沥青混合料铺筑的路面孔隙率会较大,路面内部的微裂缝数量较多,在外部因素的作用下会加速沥青的老化致使沥青变老变硬,同时疲劳裂缝也容易在外部因素的反复作用下,应力不断集中,消除,使得这些微裂缝产生疲劳裂缝开始扩展,外部因素继续反复作用裂缝
7、进一步扩展直至贯穿整个路面。沥青含量多,延性好且矿料级配良好,比例合理的沥青混合料铺筑的路面抗疲劳开裂的能力较强,反之孔隙率大,沥青的延性差用量少的混合料抗疲劳开裂性能较差,因此沥青混合料的性能也会对路面疲劳开裂具有较大的影响。1.2外部因素沥青路面由于荷载作用产生的开裂称为荷载疲劳裂缝,在交通荷载的反复作用之下,路面在远低于极限强度的情况下产生破坏,其表现形式为沥青路面在车辆行驶轮迹处出现多条纵向和横向的裂纹,在荷载的进一步作用及其他因素的影响下裂缝进一步延申最终形成严重的龟状开裂。影响疲劳开裂的外部环境因素作用主要有温度和水侵害的作用,温度的作用主要是从沥青混合料的温缩和加速沥青的老化来影
8、响路面疲劳开裂性能,沥青混合料具有粘弹性和热塑性的特点,所以其对温度变化具有较强的温敏性,温度的循环变化必然会导致沥青混合料的反复热胀冷缩以及沥青材料的老化,进而使得沥青路面产生温度疲劳裂缝。而水对沥青路面的破坏一般发生于沥青张琦,等组成材料及其特性对沥青路面疲劳开裂影响研究综述青混合料的抗疲劳能力。高彦芝等11采用5个不同的HDP橡胶沥青含量成型HDP橡胶沥青混合料AC10 试件进行四点加载小梁弯曲疲劳试验,试验结果见表1。结果表明,疲劳寿命随沥青含量的增加而增大。AC10 沥青混合料的最佳沥青用量为7.0%7.5%,对应的疲劳次数在30 8 32 47269之间,表明HDP橡胶沥青混合料具
9、有较好的抗疲劳特性,对于减少沥青路面的反射裂缝起到改善作用。表1HDP橡胶沥青混合料疲劳试验结果 1试验温度/沥青含量/店应变水平/疲劳寿命/立%6.06.5207.07.58.0唐佳等 2 提出聚合物对沥青进行改性是提高沥青及沥青混合料性能的方法之一,通过间接拉伸试验得出采用WTR/APAO改性沥青混合料的疲劳试验次数均比基质沥青的高,其中15%59路面产生微裂缝以后,在水侵人后加速微裂缝的扩展进一步加剧破坏程度。对于疲劳开裂的产生施工过程中的一些指标控制也会对其产生影响,例如施工过程中的温度控制,筑路机械的压实能力,是否严格执行相应的设计指标要求。这些指标会很大程度地影响到路面疲劳开裂的产
10、生和路面结构的使用寿命。2组成材料及其特性对沥青路面疲劳开裂影响2.1改性沥青沥青作为沥青混合料重要组成部分,如果沥青用量或者沥青种类不合理,所选沥青的延度过小,温度敏感性过高,抗老化性和耐久性较差时,路面铺筑完成处于自然环境中由于昼夜温差,冬夏循环使得沥青面层反复收缩膨胀,如此反复长时间的冷热交替则会导致沥青混合料的弹性模量和拉伸应变等性能降低,加速沥青的老化,从而使得沥青路面产生由于温度反复变化而产生的疲劳裂缝。对于沥青材料对沥青混合料疲劳性能影响的研究主要集中于通过聚合物、橡胶、纤维等材料对沥青进行改性,以此来提升沥平行试件次个数40015 86340027 38040030832400
11、47 26940041 6374444460WTR+4%APAO是基质沥青和单一掺加15%WTR的改性沥青的4.37 倍和1.9 7 倍,对疲劳性能的提升效果最好。试验结果见图1。25002000150010005000图1间接拉伸疲劳试验结果 2 李超等 3 在考虑不同试验温度和应变水平等因素的影响下,采用四点小梁弯曲疲劳试验方法研究了多聚磷酸(PPA)苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物(SBS)复合改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料的疲劳性能,试验表面相同条件下,PPASBS改性沥青混合料比SBS改性沥青混合料抗疲劳性能好。周孝跃 4 通过采用弯曲梁疲劳试验对原样生物油、脱水生物油和聚合物改性
12、生物油三种废木生物油添加人基质沥青中对沥青混合料性疲劳性能进行研究。试验结果表明添加生物油可以显著提高沥青混合料的疲劳性能。陆如洋等 5 为了提高橡胶沥青混合料的疲劳性能,将SBS与胶粉进行复合后对沥青进行改性,按照不同配比进行制备试件后采用四点弯曲疲劳寿命试验进行分析,试验结果表明2%SBS与14%CR复合改性沥青混合料疲劳性能明显优于其他配比。通过上述研究内容可以得出无论是SBS、HDP、W T R、A PA O、共聚物等材料对沥青改性均不同程度提升了沥青混合料的抗疲劳性能,改善沥青路面的疲劳开裂。但是上述内容均为各个不同的专家学者在不同的试验条件下进行的试验研究,疲劳试验方法不同,试验参
13、数有所不同,从而无法得出哪种材料改性沥青混合料的疲劳性能更为优越,因此可以在采用同一疲劳试验方法和相同试验参数的条件下比较不同材料改性沥青混合料疲劳性能,优选出抗疲劳性能最佳的改性沥青混合料,指导工程应用。2.2集料类型及其特性集料的一些特性也会影响到沥青路面的疲劳石油沥青开裂,其中集料的类型、级配、酸碱性、表面粗糙程度、颗粒形状等特性会影响到集料与沥青之间的粘附性以及混合料的骨架结构,从而影响到沥青路面的疲劳开裂性能。在选用新材料全部或者部分替代粗细集料提升沥青混合料疲劳性能方面,申爱琴等 6 通过不同应变水平下四点弯曲疲劳试验对采用钢渣代替部分粗集料的沥青混合料试件进行试验,分析其疲劳性能
14、。试验结果表明,钢渣最佳掺量为70#15%WTR12%WTR+4%APAO15%WTR+4%APAO2023年第37 卷30%,适量掺加钢渣可有效提升沥青混合料的疲劳寿命,对改善沥青路面抗疲劳开裂具有重要的意义。其改善机理在于钢渣的化学性质和表面构造可以改善矿料沥青界面相结构的稳定性。杨军等 7 通过四点弯曲疲劳试验对不同沥青混合料疲劳性能进行测试,试验结果表明采用辉绿岩细集料的沥青混合料相较于其他两种沥青混合料低,辉绿岩材料特性试验结果表明,辉绿岩细集料的表面自由能较大,对沥青的粘附性较强,表面粗糙度大,强度高,但是相同条件下混合料不易压实,从而导致辉绿岩细集料沥青混合料的疲劳性能较低。F.
15、Moren等 8 通过试验研究了骨料的天然特性对沥青混合料疲劳开裂的影响,试验结果表明辉绿岩由于自身的抗压碎性能强,由其组成的沥青混合料疲劳开裂性能更强,因此集料选择需要将粗骨料的天然特性作为考虑因素,以此改善沥青混合料的疲劳开裂。在集料特性对沥青混合料疲劳性能方面,马士宾等 9 编译的文章中指出集料的棱角会导致应力集中的产生,但是由于集料的棱角值越大,混合料就需要更多的沥青用量,使得沥青膜变厚,提高沥青混合料的疲劳性能。张金喜等 10 通过疲劳试验在其他因素固定的情况下研究公称最大粒径对沥青混合料疲劳寿命的影响,试验结果表面,疲劳曲线随应力增加呈现相交状态,可以看出不同最大粒径沥青混合料在不
16、同的应力值敏感度有所不同。在应力水平较小的情况下,公称最大粒径较大的疲劳性能较好,在应力值较高的情况下,公称最大粒径较小的疲劳性能较好。因此集料公称最大粒径对沥青混合料疲劳性能的影响要在具体应力情况下具体分析。胡满意 1通过试验分析了集料针片状含量对沥青混合料疲劳性能的影响,试验结果表明随着集料针片状含第3期量的增加沥青混合料的疲劳性能下降,随着针片状含量的减少,对沥青混合料的疲劳寿命改善程度越明显,疲劳寿命也越长。通过上述研究内容可以看出选用钢渣、辉绿岩等材料部分或者全部代替粗集料或细集料能够提高沥青混合料的抗疲劳性能。另一方面相关研究证明了集料的粗糙度,公称最大粒径,针片状含量会对沥青混合
17、料抗疲劳能力产生影响。因此进一步系统地研究集料最大粒径、颗粒形状、表面特征、酸碱性等各项指标对沥青混合料疲劳性能的影响。通过综合考虑集料各指标对沥青混合沥青含量/%集料级配15.56.06.5李曙斌 13 通过动态剪切流变仪时间扫描模式下的加载时间与复合模量数据采集结果分析得出,随着粉胶比增大沥青胶浆的疲劳寿命减少,矿粉种类不同的沥青胶浆疲劳寿命不同,通过上张琦,等组成材料及其特性对沥青路面疲劳开裂影响研究综述疲劳试验结果 12 见表2。通过表2 结果分析可以得出橡胶沥青混合料中使用矿粉对疲劳性能是不利的,橡胶沥青要少用或者不用矿粉。表2 疲劳试验结果空隙率/%劲度模量/MPa3 8627.4
18、13.74333523 6287.5535293.33033537.523.432312733126.923 2183 18133237.183 0873.0072.9837.126.646.736.7761料疲劳性能的影响,对实际工程中优选粗细集料配制沥青混合料,提升沥青混合料抗疲劳能力,延长路面使用寿命具有重要的意义。2.3矿粉种类唐乃膨等 12 通过四点弯曲疲劳试验得出,未使用矿粉的级配疲劳性能明显比使用矿粉的好,两种级配在矿粉用量不同时疲劳性能相似。应变水平/u85001 00015005001 00015005001 00015005001 00015005001 000150050
19、02.9311 0002.5771 5002.9605002.7491 0002.5931 5002.7535002.8841.0002 640150027885002.9321 0002.4791500述研究内容可以看出矿粉的添加反而对相应的沥青混合料抗疲劳性能产生了不利的影响。HassanZiari 等 14 通过试验研究研磨轮胎橡胶(GTR)和非晶矿粉(ACP)对沥青混合料性能的影响,疲劳次数3269016 3906 01033 69017 7206 77052.61024.320873039 67016390793042.610163909 04066 61026 39016 2304
20、6 50017 23010 26045 4301639012.02092.6104139022.28062试验结果表明,CTR可以提高沥青混合料的抗疲劳性能。孙红军 15 通过间接拉伸试验研究了水泥替代矿粉对大粒径沥青混合料疲劳性能的影混合料类型应力比0.20.3SB0.40.50.20.3A0.40.50.20.3B0.40.50.20.3C0.40.50.20.3D0.40.50.20.3E0.40.5陈凯 16 通过四点弯曲疲劳试验研究粉煤灰替换矿粉对再生沥青混合料疲劳性能的影响,试验结果得出,当粉煤灰替换矿粉比例小于50%时,随着粉煤灰代替率的增加能够提升再生沥青混合料的疲劳性能。但是
21、当粉煤灰的替代率超过75%时,随着粉煤灰替代率的增加,再生沥青混合料的疲劳性能下降。因此在再生混合料中使用粉煤灰替代矿粉需要严格控制用量,通过合理掺加粉煤灰实现提升沥青混合料疲劳性能。结合上述研究内容可以看出通过水泥、粉煤灰等材料按照合理比例代替矿粉,对提高沥青混合料抗疲劳性能产生了积极影响。但是相关研究内容较少,因此可以在控制其他变量的情况下研究不同材料代替矿粉以及材料掺加比例对沥青混合料疲劳性能的影响,选择出合适的材料及最优石油沥青响,试验结果表明六种水泥掺量的疲劳性能没有显著差异,水泥替代矿粉可以用于大粒径沥青混合料。结果如表3所示。表3 不同水泥掺量劈裂疲劳试验结果 15弯拉应力/MP
22、a空隙率/%0.3374.40.4754.30.6254.00.7474.90.3784.70.5124.10.6564.20.7644.50.3614.50.5224.80.6774.50.7724.80.3744.90.5115.30.6624.80.7504.60.3614.90.5064.80.6464.80.7464.80.3644.90.5074.80.6384.90.7944.9代替矿粉比例,指导工程应用。2.4外加剂和纤维2.4.1添加剂沥青混合料中添外加剂或者纤维作为一种可以提升沥青混合料路用性能的方法得到广泛的应用,通过添加外加剂或者纤维,沥青混合料路面结构可以克服传统路面
23、结构的弊端,充分发挥纤维和外加剂的优势作用,提升沥青混合料的路用性能。王海阳等 18 选用PRModule和PRSPLAST这2 种不同的高模量添加剂制备沥青混合料试件进行重复弯曲疲劳试验对其疲劳性能进行研究,试验结果表明添加高模量添加剂的沥青混合料比普通沥青混合料疲劳寿命至少提高了2 3倍,疲劳性能提高显著,结果如表4所示。2023年第37 卷疲劳寿命/次对数疲劳寿命14.0204.1424.9003.68521243.3259352.96772073.8512.7823.4411 0953.0758532.92872273.85639043.59118493.2609102.9557 84
24、53.8892.3543.3721 4963.1709382.9726 4303.7713 6703.5511 2413.0781 0363.01412.9784.0913 1683.48811583.0569292.954变异系数0.0150.0180.0120.0190.0200.0150.0160.0180.0130.0040.0240.0200.0180.0030.0200.0030.0510.0320.0380.0090.0340.0300.0260.038第3期混合料类型普通AC-20沥青混合料PRModule型高模量沥青混合料PRSPLAST型高模量沥青混合料马峰等 19 选用A
25、sphami n 和Sasobit两种温拌剂对基质沥青和SBS改性沥青进行温拌改性,制备温拌沥青混合料,通过四点弯曲疲劳试验,并进行二次疲劳加载试验,试验结果表明在沥青混合料中加入Sasobit温拌剂后,疲劳寿命略有提升,而加人Asphami n 温拌剂疲劳寿命反而略有下降。可以看出Sasobit温拌剂加入对沥青混合料疲劳寿命的提升有所改善。杨毅等 2 0 通过半圆弯拉疲劳研究研究了掺加抗车辙剂的沥青混凝土疲劳性能,通过0%、0.35%、0.45%、0.55%、0.6 5%几个PR掺量制备试件进行试验,通过试验得出在PR抗车辙剂掺量逐渐增多的过程中,沥青混合料疲劳寿命总体上呈递增,因此PR抗车
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