抗車轍劑改性瀝青混合料疲勞性能試驗研究

■江元建

（南平市公路工程試驗檢測中心，南平　353000）

抗車轍劑改性瀝青混合料疲勞性能試驗研究

■江元建

（南平市公路工程試驗檢測中心，南平353000）

為研究抗車轍劑改性瀝青混合料的疲勞特性，基于三點彎曲試驗?zāi)M分析了抗車轍劑摻量、車載水平、車輛速度率等因素對抗車轍劑改性瀝青混合料疲勞壽命的影響規(guī)律，并與普通瀝青混合料疲勞性能進行了比較。結(jié)果表明：當(dāng)抗車轍劑摻量超過0.3%時，混合料疲勞壽命降低幅度明顯；抗車轍劑改性瀝青混合料疲勞壽命隨施加應(yīng)力增加而快速降低，且兩者滿足冪函數(shù)疲勞方程；提高加載頻率，混合料的疲勞壽命隨之增加，且在低應(yīng)力水平下，加載頻率變化引起的疲勞壽命差異更大。

瀝青混合料抗車轍劑三點彎曲疲勞試驗冪函數(shù)疲勞方程車輛速度

1　引言

近年來，我國交通流量不斷增多，伴隨有車載也日漸加重，使得車轍成為瀝青路面一種主要病害形式［1］?？管囖H劑由于可大幅提高混合料的抗車轍能力，目前在新建瀝青路面中得到了越來越多的應(yīng)用。同時，隨著我國大部分國道舊水泥路面進入大修階段，考慮到行車的舒適性和養(yǎng)護維修的便利性，加鋪瀝青層成為一種優(yōu)選的技術(shù)方案［2］。然而舊水泥路面加鋪瀝青層受力相對于普通瀝青路面更為復(fù)雜，對加鋪層用瀝青混合料抗車轍能力提出了更高要求，所以可以預(yù)見抗車轍劑在舊水泥路面瀝青加鋪層工程中具有巨大的應(yīng)用前景。

以往由于抗車轍劑改性瀝青混合料主要用于瀝青路面中面層，關(guān)于抗車轍劑改性瀝青混合料的路用性能研究主要集中在其高溫、低溫和水穩(wěn)定性能［3-6］，而對其疲勞性能研究較少涉及。然而在抗車轍劑改性瀝青混合料廣泛應(yīng)用于舊水泥路面瀝青加鋪層中的背景下，其疲勞性能的表現(xiàn)已然成為一個重要關(guān)注點。這是因為，舊水泥路面往往存有一些原始裂縫，加鋪瀝青層前即使通過一些措施進行處理也難以完全消除，行車荷載重復(fù)作用下，在存有原始裂縫位置處瀝青加鋪層將受到不斷的彎曲疲勞作用?；谝陨蠁栴}，本文對抗車轍劑改性瀝青混合料進行了三點彎曲疲勞試驗，模擬分析了抗車轍劑摻量、車載水平、車輛速度等因素對抗車轍劑改性瀝青混合料疲勞性能的影響規(guī)律，為抗車轍劑改性瀝青混合料在舊水泥路面加鋪過程中應(yīng)用提供實驗基礎(chǔ)。

2　原材料與實驗方法

2.1原材料

（1）瀝青

試驗所用瀝青為A級70#瀝青，參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）進行相關(guān)試驗，基本技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果及要求見表1。

表1　瀝青技術(shù)性質(zhì)試驗結(jié)果

（2）礦料

試驗采用的礦料均為南平市浦城縣當(dāng)?shù)厥蠌S提供的花崗巖和閃長巖混雜物，礦料規(guī)格分為9.5～19.0mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75mm、機制砂和礦粉，參照 《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42-2005）進行密度試驗，試驗結(jié)果及要求見表2。

表2　礦料密度試驗結(jié)果

結(jié)合浦城五顯嶺隧道北洞口長陡坡路段瀝青路面車轍處治項目對混合料抗車轍高要求，對加鋪層所用混合料AC-20C的礦料級配進行了優(yōu)化，最終設(shè)計瀝青混合料礦料級配曲線如下圖1。

圖1　AC-20C礦料合成級配曲線圖

（3）抗車轍劑

車轍劑由深圳海川有限公司提供，在混合料中按干法加入，具體技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3　抗車轍劑技術(shù)指標(biāo)

2.2混合料馬歇爾實驗結(jié)果

按馬歇爾設(shè)計法確定了抗車轍劑摻量分別為0%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%（占瀝青混合料質(zhì)量）四種摻量下AC-20C抗車轍劑改性瀝青混合料的最佳油石比，各類瀝青混合料在最佳油石比下的體積指標(biāo)和馬歇爾參數(shù)如表4所示。

表4　馬歇爾試件技術(shù)指標(biāo)

2.3疲勞試驗方法

瀝青混合料的疲勞性能關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的使用年限，目前關(guān)于疲勞試驗的方法有很多，并無統(tǒng)一規(guī)定，主要可分為應(yīng)力控制模式與應(yīng)變控制模式［7］。為評價不同抗車轍劑摻量下混合料疲勞性能受車輛荷載水平和車輛速度的影響作用，首先輪碾法成型300mm× 300mm×50mm 車轍板試件，并將車轍板切割成250mm×40mm×40mm的試驗用小梁。然后應(yīng)用MTS疲勞試驗機在15℃下進行三點加載疲勞試驗，荷載設(shè)置分別為0.2σ、0.3σ、0.4σ、0.5σ四種應(yīng)力水平，施加頻率分別為5Hz、10Hz、20Hz的連續(xù)式正弦波荷載。σ為五種瀝青混合料在15℃下的極限破壞應(yīng)力的平均值4.12MPa，由彎曲試驗得到。

3　實驗結(jié)果與分析

3.1實驗結(jié)果

對不同抗車轍劑摻量的混合料三點彎曲疲勞試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

3.2抗車轍劑用量

為分析抗車轍劑摻量對抗車轍劑改性瀝青混合料疲勞性能的影響，假定普通熱拌瀝青混合料 （抗車轍劑摻量為0）的疲勞壽命為1，計算不同抗車轍劑摻量的改性瀝青混合料的相對疲勞壽命值，該值隨抗車轍劑摻量的變化曲線如圖2所示。

表5　三點彎曲疲勞試驗結(jié)果

圖2　疲勞壽命比隨抗車轍劑用量變化曲線

從圖2中可知，抗車轍劑改性瀝青混合料疲勞壽命相對于普通瀝青路面疲勞壽命比均小于1，且隨著抗車轍劑用量增加都呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢，表明抗車轍劑的加入會降低混合料的疲勞性能，且抗車轍劑摻量越大，混合料疲勞性能越差。進一步研究可知：抗車轍劑用量小于0.3%時，不同應(yīng)力比下改性瀝青混合料的疲勞壽命比均可達(dá)到90%左右，該階段基本可忽略抗車轍劑的不利影響；但抗車轍劑用量大于0.3%后，疲勞壽命比會迅速降低，尤其在0.5%的用量下，抗車轍劑改性瀝青混合料的疲勞壽命相對值均已降低至75%。所以基于疲勞性能考慮，抗車轍劑瀝青混合料中RAP摻量應(yīng)控制在0.3%以內(nèi)，最多放寬至0.4%，在該范圍內(nèi)時可以最大限度地消除抗車轍劑對混合料疲勞性能帶來的不利影響?；旌狭现屑尤肟管囖H劑后引起疲勞壽命降低的原因大致是，抗車轍劑的加入提升了材料的剛度，而剛度變大后會使彎曲性能顯著降低，以至于承受的彎曲作用疲勞次數(shù)減少。

3.3車載水平

車載越大，對路面材料產(chǎn)生的應(yīng)力也就越大。一般在控制應(yīng)力加載模式下，瀝青混合料的疲勞特性可由冪函數(shù)疲勞方程 （1）表征［8］，兩邊取對數(shù)值可得到式 （2），在雙對數(shù)坐標(biāo)圖中對試件的疲勞次數(shù)和應(yīng)力水平進行回歸分析，如圖3所示。

式 （1）、（2）中，Nf為疲勞壽命，σ0為施加應(yīng)力值（0.2σ、0.3σ、0.4σ、0.5σ）；k、n為由材料特性決定的回歸系數(shù)。

從圖3中顯然可以看出，隨著應(yīng)力水平提高，各混合料疲勞壽命對數(shù)值均顯著降低。利用SPSS軟件進行回歸分析，得到混合料疲勞曲線以及方程參數(shù)如圖中所示?？管囖H劑改性瀝青混合料擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2均達(dá)到了0.97以上，說明方程擬合效果很好，抗車轍劑改性瀝青混合料疲勞特性可用上述冪函數(shù)模型表征。

圖3　五種瀝青混合料雙對數(shù)疲勞曲線擬合圖

3.4車輛速度

車輛的行車速度與加載頻率密切相關(guān)，通常認(rèn)為當(dāng)試驗加載頻率為10Hz時，相當(dāng)于瀝青路面表面 60～65km/h的行車速度，加載頻率越高所模擬車輛速度也越高。為研究車輛速度對抗車轍劑改性瀝青混合料疲勞性能的影響，分別在 5Hz、10Hz、20Hz下對用量為0.3%抗車轍劑的改性瀝青混合料進行三點彎曲疲勞實驗，得到各應(yīng)力水平下疲勞壽命隨加載頻率的變化曲線，如圖4所示。

圖4　試件疲勞壽命隨加載頻率變化圖

從圖4中可以看出，在各應(yīng)力水平下，試件測得的疲勞壽命均表現(xiàn)出隨著加載頻率提高而增加的趨勢。且比較不同直線斜率可以看出，在0.2σ應(yīng)力下直線的斜率更大，由此可以看出低應(yīng)力水平下加載頻率變化引起的試件疲勞壽命差異更大。加載頻率越高意味著在單位時間內(nèi)對時間的作用次數(shù)越多，荷載每次作用時間越短，對試件的單次損傷也就越小，所以相比于低頻加載，高頻加載時試件達(dá)到相同的疲勞程度需要更多的加載次數(shù) （疲勞壽命）。

4　結(jié)論與建議

（1）抗車轍劑摻量在不大于0.3%時，抗車轍劑改性瀝青混合料相比普通瀝青混合料疲勞壽命下降幅度較小，但當(dāng)抗車轍劑摻量超過0.4%時，疲勞壽命快速降低，基于疲勞性能考慮，混合料中抗車轍劑摻量不宜大于0.3%。

（2）應(yīng)力水平提高后，抗車轍劑改性瀝青混合料疲勞壽命降低，回歸分析表明疲勞壽命與應(yīng)力水平滿足冪函數(shù)曲線關(guān)系，本文所擬合疲勞壽命-應(yīng)變變化曲線對豐富抗車轍劑混合料疲勞預(yù)測模型有重要意義。

（3）加載頻率代表了車輛速度對路面疲勞性能的影響，試驗結(jié)果顯示試件的疲勞壽命隨加載頻率增加而增加，這與車輛速度越高對路面疲勞損傷越小是一致的。同時在低應(yīng)力水平下，加載頻率不同對疲勞壽命的影響更為顯著。

［1］沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［2］武和平，何唯平，崔志波.公路大修改造工程施工新技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2008.

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［4］張革偉，解 剛.關(guān)于PRPLASTS抗車轍劑在瀝青混凝土面層中的應(yīng)用［J］.西北水利發(fā)電，2005，（2）.

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［6］薛鵬濤，袁萬杰，王 釗，等.添加PE抗車轍劑瀝青混合料配合比設(shè)計研究［J］.新型建筑材料，2007，（6）：54-56.

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