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摘要
老化会使沥青混合料抗变形能力变差，故疲劳开裂一般产生于路面整体寿命的后期，此时不能再以材料初始性能来代表其疲劳性能。因此，对沥青混合料疲劳开裂的研究不应忽视老化因素。本研究将通过不同的老化方式对沥青混合料进行老化，并对不同老化方式下沥青混合料的疲劳性能进行对比，得出不同老化方式下混合料疲劳性能衰减规律。
关键词
沥青混合料疲劳性能
自然老化
室内模拟老化
疲劳性能衰变趋势
背景
沥青混合料的老化
沥青混合料短期老化和长期老化是两个不同的过程。
沥青混合料短期老化的试验方法应体现松散的沥青混合料在拌和、存储和运输中受热而挥发和氧化的效应，以模拟沥青混合料施工阶段的老化效应。目前最常用的烘箱加热法是从年VonQuintas[J]的试验发展而来，其模拟施工条件好，方法简便，设备投资费用不高，被普遍评价为实验室模拟短期老化的最有效的方法。
沥青混合料长期老化的方法应着重体现沥青混合料压实成型试件持续氧化的效应，以模拟使用期内沥青路面的老化效果。SHRP计划评价沥青混合料的长期老化推荐延时烘箱加热法，它是Harrigaii[2]在年提出的，被评价是混合料试验室长期老化方法中最有效的方法。
沥青混合料的疲劳性能研究
对于沥青混合料的疲劳试验，国内外学者也做了大量的研究。
在试验方式的选择上，壳牌试验室（荷兰）采用中点小梁弯曲疲劳试验对沥青混合料的疲劳性能进行研究[3l;VanDijkW,MoreaudH,QuedevilleA和法国LCPC则采用梯形悬臂梁弯曲试验[4,5l;Kennedy,Scholz,KhoslaSehmidt等对间接拉伸（劈裂）疲劳试验进行了研究[6一9)。
我国沥青路面设计规范中提出的沥青层疲劳标准也是根据间接拉伸疲劳试验获得。
针对沥青混合料疲劳性能的影响因素，唐健娟，龚凤刚等人[10]的研究则表明：各因素对混合料疲劳寿命影响程度的大小顺序依次为：级配＞应变水平＞间歇时间＞试验温度＞沥青品种＞油石比。各种研究表明水对沥青混合料疲劳性能也有显著不利的影响。
国内外对沥青混合料的老化性能研究大多集中在室内模拟老化上，通过不同时间的模拟老化来分析不同老化程度下的沥青混合料的性能变化情况。但室内模拟老化方法与实际老化的关联性不是很好，不能很好的对路面实际的老化进行评价，而对疲劳影响因素的研究也鲜少考虑到沥青混合料的老化。所以探究沥不同老化方式下沥青混合料疲劳性能衰变趋势非常有必要。
试验方案设计
试验材料
本研究采用的沥青材料为泰普克SBS改性沥青，其中SBS掺量为3.5%,其基质沥青选用泰普克70号沥青，基质沥青及改性沥青指标见表1、表2。粗集料采用辉绿岩、细集料采用石灰岩。
沥青混合料老化方案
（1）自然老化沥青混合料
本研究采用的自然老化沥青混合料拌制于年12月1日，拌和后均匀摊铺在上海市同济大学嘉定校区交通运输工程学院楼顶天台，松铺厚度约为22kg/㎡,老化结束时间为年6月1日，自然老化时间6.5a,老化形式如图1。
混合料类型为SBS改性沥青SMA-13类型混合料，其中基质沥青为70号沥青，SBS掺量3.5%。采用JTGD50—《公路沥青路面设计规范》所规定的级配中值，最佳油石比采用马歇尔试验方法最终确定为6%。对自然老化沥青混合料进行抽提，得到老化后混合料的级配见表3,老化后沥青混合料油石比为5.5%。通过抽提结果可以发现，经过长时间的自然老化混合料级配变化不大，油石比由6%降至5.5%。
自然老化沥青混合料采用击实法成型，将自然老化沥青混合料放置于烘箱中加热至松散状态，然后双面击实75次得到马歇尔试件，测其孔隙率为7.7%。
（2）室内模拟短期老化沥青混合料
本研究所选择的沥青混合料短期老化方式为烘箱加热法，用以模拟沥青混合料在拌和、存储和运输以及施工阶段的老化作用。具体方式为：
将松散的沥青混合料至于t:的烘箱中加热4h。
为确保自然老化沥青混合料与室内模拟老化沥青混合料具有相同的体积参数，本研究测量了两种油石比(6%、5.5%)、两种级配（原级配、抽提级配）下的四种沥青混合料的体积参数。试验结果表明，油石比采用5.5%、级配采用抽提级配的沥青混合料孔隙率为7.6%,与自然老化沥青混合料体积参数最为接近，因此短期老化沥青混合料油石比采用5.5%,级配采用抽提级配。
（3）室内模拟长期老化沥青混合料
本研究选择延时烘箱加热法进行长期老化。具体方法为：先将松散的沥青混合料进行短期老化，经过短期老化的沥青混合料成型后放置于85℃的烘箱中老化h,如图2。
长期老化混合料所用原料、油石比、级配与短期老化混合料相同，孔隙率均为7.6%。
（4）老化沥青拌入混合料
前文中提出了多种目前国内外通用的沥青及混合料老化方式，这些老化方式都分别只针对沥青或者混合料来进行老化，并没有对沥青与混合料的老化关系进行探究。针对这一问题，本研究采用了另一种老化方式，即先将沥青材料进行老化，再将老化后的沥青与集料拌和形成老化沥青拌入混合料。
具体老化方案为：先将沥青进行薄膜烘箱老化，之后将老化后的沥青与集料拌和形成老化混合料。本研究同样对老化沥青拌入混合料进行了体积参数测定，最后选定油石比为5.5%,级配采用抽提级配，孔隙率为7.5%。
疲劳试验方法
根据JTGE20—《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，本研究选用四点弯曲控制应变疲劳试验对混合料疲劳性能进行评价，并采用现象学方法对沥青混合料疲劳开裂进行研究。
小梁四点弯曲试件采用长度mm±5mm、高度50mm±5mm、宽度63.5mm±5.0mm的长方体试件。试验条件为试验温度15C,荷载频率为10Hz,采用恒定应变控制的连续偏正弦加载模式。试件夹持系统采用三等分间距布置夹头，相邻夹头中心间距为0.m,梁跨径为0.m。
试验数据处理与分析
一般取试件刚度降低到初始劲度50%时的试验次数作为沥青混合料在该级荷载水平下的疲劳寿命。所得试验结果如表4。
室内模拟老化混合料疲劳性能
选取新拌沥青混合料、室内模拟短期老化沥青混合料、室内模拟长期老化沥青混合料的试验数据进行分析，绘制室内老化沥青混合料疲劳曲线如图3。
由图3中可知，随着老化程度的加深，沥青混合料的疲劳性能降低、疲劳寿命减少。综合比较不同应变下疲劳寿命的下降趋势可知：当以四点弯曲疲劳寿命为评判指标时，沥青混合料经过室内短期老化后疲劳性能平均下降37%;沥青混合料经过室内长期老化后疲劳性能平均下降61.5%。
自然老化混合料疲劳性能
选取新拌沥青混合料、自然老化沥青混合料的试验数据进行分析，绘制疲劳曲线如图4。
由图4中可知，自然老化6.5a的沥青混合料疲劳寿命远小于新拌沥青混合料。综合比较不同应变下疲劳寿命的下降趋势可知：随着应变水平的提高，自然老化沥青混合料疲劳寿命下降幅度也随之变大，当应变达到微应变时，自然老化沥青混合料的疲劳寿命仅为新拌沥青混合料寿命的5%。因此，在综合各应变下的疲劳寿命后可得：当以四点弯曲疲劳寿命为评判指标时，在自然环境下经过6.5a老化的沥青混合老化的寿命平均下降85.5%。
自然老化与室内模拟老化对比
选取室内模拟短期老化沥青混合料、室内模拟长期老化沥青混合料、自然老化沥青混合料的试验数据进行分析，绘制沥青混合料疲劳曲线如图5。
从图5中可知，自然老化6.5a的沥青混合料疲劳寿命小于两种室内模拟老化沥青混合料的疲劳寿命，这也说明现有的沥青混合料室内模拟老化方法的老化程度低于自然条件下6.5a的老化程度。
可以看出：当应变较小时，室内长期老化沥青混合料与自然老化沥青混合料疲劳性能相差不大；当应变较大时，自然老化沥青混合料疲劳性能急剧下降，疲劳寿命只有室内长期老化沥青混合料与自然老化沥青混合料疲劳寿命的10%至30%左右。因此，可以得出结论，当处于小应变水平时，自然条件下老化6.5a的沥青混合料与室内长期老化沥青混合料疲劳性能相近，当处于大应变水平时，自然条件下老化6.5a的沥青混合料的疲劳性能与室内长期老化沥青混合料疲劳性能相差较大。
沥青老化对混合料疲劳性能的影晌
选取老化沥青拌入混合料、室内模拟短期老化沥青混合料的试验数据进行分析，绘制沥青混合料疲劳曲线如图6。
从图6中可知，老化沥青拌人混合料的疲劳性能略好于室内短期老化混合料。整体来看，老化沥青拌入混合料的疲劳性能好于室内短期老化混合料，且在大应变条件下，两种混合料的疲劳寿命差距更大。由于在室内短期老化方式中沥青与集料处于拌和状态，沥青膜厚度更薄，而TFOT老化过程中的沥青膜较厚，因此室内短期老化混合料中的沥青老化程度更高。结合混合料疲劳试验可知：沥青混合料中的沥青老化程度决定了沥青混合料的疲劳性能，沥青老化程度越高，沥青混合料疲劳寿命越差，且这种差距在大应变条件下尤为明显。
环境与荷载复合作用下沥青混合料疲劳性能衰变趋势
（1）荷载作用
对于不同的道路结构形式，荷载作用在路面上所产生的应变大小有所不同。对于半刚性基层结构的道路，其路面结构层所承受的应变较小；对于柔性基层道路，其路面结构层所承受的应变就较大。为此，本研究分析了不同应变水平下的沥青混合料疲劳性能随老化程度衰减情况。以新拌沥青混合料的疲劳寿命为基准，不同老化程度下混合料疲劳寿命与新拌沥青混合料的疲劳寿命定义为疲劳寿命比，再根据疲劳寿命比确定疲劳寿命衰变方程。
图7(a)~(d)表示不同应变条件下各种混合料寿命衰变趋势。
由表7可以看出，随着老化程度的加深，沥青混合料的疲劳寿命呈衰减的趋势，长期老化与短期老化的疲劳结果相差较大。并且随着应变的加大，疲劳寿命衰减趋势也加快，室内长期老化与自然老化的差距也逐渐拉大。因此可以说明，沥青混合料的疲劳性能也路面结构形式及荷载类型的影响。对于刚度较大或所受荷载较小的道路，在同样的环境下路面疲劳寿命衰减较慢，疲劳寿命的残余值也较高；对于刚度较小或所受荷载较大的道路，则路面的疲劳寿命衰减较快，老化后的疲劳寿命残余值较低。我国路面结构多采用半刚性基层，因此路面面层底拉应变不大，因此在考虑老化因素影响后，路面的疲劳性能不会有大幅度的下降。
（2）环境因素
本研究选用了四种不同的老化方式来模拟沥青混合料所处的不同老化环境。并对每种老化环境下沥青混合料疲劳寿命随应变的变化规律加以分析。
图8表示了不同老化环境下沥青混合料的疲劳寿命衰减情况。从图8中可以看出新拌沥青混合料、老化沥青拌入混合料及室内短期老化沥青混合料的疲劳寿命衰变趋势大致相同；室内长期老化混合料在~应变时疲劳寿命衰变趋势略缓和在大应变~时疲劳衰变加剧；自然老化沥青混合料疲劳寿命衰变趋势最为迅速。由此可以说明，现有的沥青混合料短期老化方式对混合料的疲劳寿命会有一定影响但是并未改变混合料的疲劳衰变趋势，而室内长期老化混合料的疲劳寿命虽然小于新拌沥青混合料及短期老化混合料，但其随应变的衰减趋势却变缓慢了，其中的原因应该是室内长期老化加大了沥青混合料的模量，而老化程度又不是很高，导致其在应变较小时具有较高的疲劳寿命比，而当应变较大时其疲劳寿命又急剧下降。对于自然老化沥青混合料，由于老化时间久、老化程度高，其疲劳寿命衰变趋势最为显著。
通过以上的分析可以发现，沥青混合料的疲劳衰变趋势是受环境与荷载复合作用的结果，而现有的室内模拟老化方式并不能很好的模拟路面实际自然老化的情况。
结论与展望
结论
本研究对不同老化方式的沥青混合料进行了四点弯曲疲劳试验，并从多个方面对沥青混合料疲劳性能进行了分析，得出了以下结论：
(1)当以四点弯曲疲劳寿命为评判指标时，沥青混合料经过室内短期老化后疲劳性能平均下降37%;沥青混合料经过室内长期老化后疲劳性能平均下降61.5%,在自然环境下经过6.5年老化的沥青混合老化的寿命平均下降85.5%。
(2)当在微应变时，自然条件下老化6.5a的沥青混合料与室内长期老化沥青混合料疲劳性能相近，当处于大应变水平时，自然条件下老化6.5a的沥青混合料的疲劳性能与室内长期老化沥青混合料疲劳性能相差较大。
(3)老化沥青拌入混合料的疲劳性能好于室内短期老化混合料，沥青混合料中的沥青老化程度决定了沥青混合料的疲劳性能，沥青老化程度越高，沥青混合料疲劳寿命越差，且这种差距在大应变条件下尤为明显。
展望
(1)本研究采用的疲劳试验为四点弯曲疲劳试验，采用应变控制模式，后续研究可对不同老化方式混合料采取其他试验方法以研究其性能变化情况。
(2)通过本研究的研究发现，现有的混合料室内长期老化方法对混合料的老化程度不足，达不到自然条件下6.5a的老化程度。后续研究可以对此老化方式进行改进，进而总结出一套适合我国实际自然状况的室内模拟老化方式。
参考文献
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全文完。
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