瀝青穩(wěn)定碎石抗疲勞性能研究

楊小斌，張素蘭，賈水彩

(1.焦作市公路管理局規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院;2.漯河市泰贏路橋工程有限公司)

1 原材料及級(jí)配組成

1.1 瀝青

研究采用70#瀝青，其技術(shù)性能指標(biāo)如表1。粗、細(xì)集料和填料均采用石灰?guī)r加工而成，其性能技術(shù)指標(biāo)均符合要求。

1.2 級(jí)配組成

選擇《規(guī)范》中ATB-30，ATB-25，采用 Superpave設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)SUP-25和SUP-30和貝雷法設(shè)計(jì)級(jí)配BLF-25和BLF-30六種級(jí)配作為試驗(yàn)級(jí)配，如表2。

表1 瀝青性能指標(biāo)

表2 試驗(yàn)級(jí)配

2 試驗(yàn)方法

研究采用三分點(diǎn)加載方法，應(yīng)力控制的彎曲疲勞試驗(yàn)方法對(duì)六種級(jí)配進(jìn)行抗疲勞性能研究。對(duì)新拌瀝青混合料采用輪碾方法成型300 mm×300 mm×100 mm尺寸的板狀試件，切割為40mm×40mm×250 mm的梁形試件。采用美國產(chǎn)MTS閉環(huán)液壓伺服系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過程可通過程序進(jìn)行控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。試驗(yàn)控制溫度為15℃，在恒溫水箱中保溫1 h，采用應(yīng)力控制方式，三分點(diǎn)施加頻率為10 Hz的半正弦波形重復(fù)荷載。

3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)不同疲勞應(yīng)力和疲勞壽命繪制雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，并進(jìn)行線性回歸，所回歸直線的截距k和斜率n為材料疲勞性能的重要參數(shù)，并以此作為瀝青碎石混合料抗疲勞性能參數(shù)。對(duì)六種級(jí)配的瀝青碎石進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

3.1 n值對(duì)比分析

六種瀝青碎石的n值試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖1，圖2所示。

圖1 不同混合料類型下的n值

圖2 不同最大公稱粒徑下的n值

由圖1可知，對(duì)于三種瀝青碎石而言，公稱粒徑為31.5 mm的混合料n值大于公稱粒徑為26.5mm的對(duì)應(yīng)值，公稱粒徑為31.5 mm的混合料疲勞曲線斜率較公稱粒徑為26.5 mm的大，故公稱粒徑為31.5 mm的混合料的疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平變化最敏感，而公稱粒徑為26.5 mm的混合料疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平變化敏感度較小。這主要是因?yàn)檫B續(xù)密級(jí)配瀝青混合料中的細(xì)集料含量相對(duì)較高，瀝青用量較大，故混合料的勁度模量較大，在荷載應(yīng)力作用下的應(yīng)變較小，疲勞破壞的次數(shù)就會(huì)增加，壽命延長，抗疲勞性能好;骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的混合料中粗集料相互嵌擠，其勁度模量較低，在外在應(yīng)力作用下其應(yīng)變較大，尤其是應(yīng)力水平較大時(shí)應(yīng)變增加更快，故此時(shí)的疲勞曲線斜率較大，抗疲勞性能較差。

圖2中的數(shù)據(jù)表明，對(duì)于公稱最大粒徑為26.5 mm的混合料，其 n值的由大到小排序?yàn)?ATB-25、SUP-25、BLF-25，但ATB-25與SUP-25的對(duì)應(yīng)n值大小差距不大，由此可知兩者的疲勞曲線斜率相當(dāng)，而BLF-25的斜率較兩者小，故ATB-25和SUP-25的疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平較BLF-25敏感;對(duì)于最大公稱粒徑為31.5 mm的混合料，n值的由大到小為SUP-30、ATB-30、BLF-30，ATB-30與BLF-30的n值相當(dāng)，而SUP-30的n值較大，與兩者相比提高了約30%，故此時(shí)SUP-30混合料的疲勞對(duì)應(yīng)力敏感度最大，而ATB-25和BLF-25混合料疲勞性能對(duì)應(yīng)力的敏感度較小。

3.2 k值對(duì)比分析

對(duì)六種瀝青碎石進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，分析疲勞與應(yīng)力的曲線得k值試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3，圖4所示。

圖3 不同混合料類型下的k值

圖4 不同最大公稱粒徑下的k值

圖3可知，公稱最大粒徑對(duì)混合料的k值影響較大，公稱最大粒徑為31.5 mm的混合料k值大于公稱最大粒徑為26.5 mm的對(duì)應(yīng)值，對(duì)于ATB、SUP、BLF三種不同級(jí)配設(shè)計(jì)方法，公稱最大粒徑為31.5 mm的k值為公稱最大粒徑為26.5 mm 的混合料對(duì)應(yīng)值的 6.3、4.7、6.2 倍。公稱粒徑31.5mm混合料疲勞曲線線位較高，而公稱粒徑26.5 mm的混合料疲勞曲線線位較低。由此表明，較大公稱粒徑的混合料疲勞性能較強(qiáng)。

圖4為不同最大公稱粒徑下混合料的k值，對(duì)于公稱最大粒徑為31.5 mm和26.5 mm的混合料而言，SUP類型混合料對(duì)應(yīng)的k值較大，為ATB和BLF類型4倍以上;ATB和BLF類型混合料的k值大小相當(dāng)。由于SUP類型混合料的疲勞曲線線位較高，故其疲勞性能較好，而ATB和BLF類型混合料的疲勞性能相對(duì)較小。這主要是因?yàn)镾UP類型的瀝青碎石混合料采用SGC的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)成型試件，空隙率較低，由于較大空隙率的混合料內(nèi)部存在較多的潛在薄弱面，故較低的空隙率能夠提高混合料的抗疲勞性能，在彎曲應(yīng)力的作用下裂縫發(fā)展較慢，疲勞壽命提高。

4 影響因素方差分析

4.1 n值的方差分析

為進(jìn)一步分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的規(guī)律性，對(duì)影響n值的因素進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)方差分析，兩種因素分別為級(jí)配類型(A)和公稱最大粒徑(B)，計(jì)算結(jié)果如表3。

給定顯著性水平 α =25%、10%，F(xiàn)0.25(2，2)=3.00，F(xiàn)0.1(2，2)=9.0，F(xiàn)0.25(1，2)=2.57，F(xiàn)0.1(1，2)=8.53，0.25(3，2)=3.15，F(xiàn)0.1(3，2)=9.16，比較 FA＞ 3.00 ，F(xiàn)B＜2.57，F(xiàn)I＜3.15。依據(jù)二元方差分析的結(jié)果，級(jí)配設(shè)計(jì)方法對(duì)n值影響顯著，而公稱最大粒徑影響較小，級(jí)配設(shè)計(jì)方法和公稱最大粒徑的交互作用對(duì)n值的影響不顯著。

表3 n值二元方差分析表

4.2 k值的方差分析

分析級(jí)配類型(A)和公稱最大粒徑(B)兩種因素對(duì)k值的影響，方差分析表如表4。

表4 k值二元方差分析表

給定顯著性水平 α =25%、10%，F(xiàn)0.25(2，2)=3.00，F(xiàn)0.1(2，2)=9.0，F(xiàn)0.25(1，2)=2.57，F(xiàn)0.1(1，2)=8.53，F(xiàn)0.25(3，2)=3.15，F(xiàn)0.1(3，2)=9.16 比較 FA＞ 3.00 ，F(xiàn)B＜2.57，F(xiàn)I＜3.15。依據(jù)二元方差分析的結(jié)果，級(jí)配設(shè)計(jì)方法對(duì)k值影響顯著，而公稱最大粒徑影響較小，級(jí)配設(shè)計(jì)方法和公稱最大粒徑的交互作用對(duì)k值的影響不顯著。

5 結(jié)論

(1)瀝青穩(wěn)定碎石混合料抗疲勞性能受設(shè)計(jì)方法影響較大，采用Superpave法設(shè)計(jì)的混合料抗疲勞性能最好，但對(duì)應(yīng)力的變化較為敏感;依據(jù)《規(guī)范》推薦的級(jí)配中值混合料抗疲勞特性與采用貝雷法設(shè)計(jì)的混合料的抗疲勞特性相當(dāng)，前者略大于后者，但采用貝雷法設(shè)計(jì)的混合料對(duì)荷載應(yīng)力的敏感度最小。

(2)對(duì)比不同公稱最大粒徑混合料的抗疲勞性能可得，最大公稱瀝青為31.5 mm的混合料較公稱粒徑為26.5 mm的混合料對(duì)應(yīng)值大;粒徑較小、細(xì)集料含量較高、均勻密實(shí)的混合料抗疲勞性能較好。

(3)采用二元方差分析設(shè)計(jì)方法和粒徑對(duì)疲勞參數(shù)n值和k值的影響程度分析可得，設(shè)計(jì)方法對(duì)n值和k值有顯著性影響，而公稱最大粒徑及其與設(shè)計(jì)方法的交互作用對(duì)n值和k值影響較小。

［1］ 張嘎吱，沙愛民.懸浮骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)配合比設(shè)計(jì)［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(1):1-4.

［2］ 郝培文，徐金枝，等.應(yīng)用貝雷法進(jìn)行級(jí)配組成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(6):1-6.

［3］ 陳愛文，郝培文.應(yīng)用貝雷法設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)級(jí)配［J］.中外公路，2004，24(5):101-103.