一種評(píng)價(jià)瀝青混合料疲勞性能的簡(jiǎn)單試驗(yàn)方法

沈洪濤， 趙樹青， 王曉平

(1.濰坊市公路勘察設(shè)計(jì)院， 山東 濰坊　261061；　2.山東交通職業(yè)學(xué)院， 山東 濰坊　261061)

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一種評(píng)價(jià)瀝青混合料疲勞性能的簡(jiǎn)單試驗(yàn)方法

沈洪濤1， 趙樹青2， 王曉平2

(1.濰坊市公路勘察設(shè)計(jì)院， 山東 濰坊261061；2.山東交通職業(yè)學(xué)院， 山東 濰坊261061)

[摘要]使用間接拉伸(IDT)試驗(yàn)來評(píng)估瀝青混合料的疲勞行為。再生混凝土集料(RCA)和新集料以不同比例(0%，20%，40%，60%，80%和100%)混合生成具有不同抗疲勞性能的混合料。為了表征疲勞，在中溫下進(jìn)行循環(huán)加載IDT和單調(diào)加載斷裂能試驗(yàn)。結(jié)果表明，在中溫下，循環(huán)加載IDT試驗(yàn)獲得的疲勞壽命和單調(diào)加載斷裂試驗(yàn)獲得的斷裂能之間具有良好的相關(guān)性。基于實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，單調(diào)加載IDT試驗(yàn)得到的斷裂能可以用于快速評(píng)估瀝青混合料疲勞性能?？紤]到IDT試驗(yàn)已經(jīng)用于表征瀝青混合料的低溫開裂和水敏感性，采用單調(diào)加載的IDT試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的疲勞性能易于推廣使用。

[關(guān)鍵詞]再生混凝土集料； 間接拉伸試驗(yàn)； 疲勞； 道路工程

0前言

我國(guó)每年有大量的資金用于道路的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)，設(shè)計(jì)和建造具有高服務(wù)能力的路面從而提高路面的長(zhǎng)期性能已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的共識(shí)。對(duì)瀝青混凝土路面，疲勞、車轍、水損害和低溫開裂為影響長(zhǎng)期性能的重要病害類型。因此，基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)采用合適的方法預(yù)測(cè)HMA性能是非常重要的，特別是在混合料設(shè)計(jì)過程中。一般與現(xiàn)場(chǎng)性能具有良好相關(guān)性的試驗(yàn)認(rèn)為是可以表征瀝青路面的性能試驗(yàn)。

瀝青混凝土路面的一個(gè)最主要病害類型為疲勞開裂。有多個(gè)試驗(yàn)方法可以評(píng)估瀝青混合料疲勞行為，如四點(diǎn)彎曲梁、間接拉伸(IDT)和單軸拉伸。在IDT試驗(yàn)中，沿著測(cè)試試件直徑方向施加壓縮荷載以沿著試件垂直直徑方向生成拉伸應(yīng)力，試件因此沿著垂直直徑方向的平面破壞。多個(gè)研究者使用IDT試驗(yàn)預(yù)測(cè)HMA的疲勞行為[1，2]。Roque等人采用Superpave IDT試驗(yàn)研究HMA裂縫的發(fā)展[3]。Shu等人發(fā)現(xiàn)IDT試驗(yàn)和彎曲梁試驗(yàn)均可很好地地預(yù)測(cè)瀝青混凝土的疲勞壽命[4]。目前最常用的疲勞試驗(yàn)為四點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)，且該試驗(yàn)為我國(guó)的瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。而四點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)設(shè)備及成型工藝復(fù)雜、且疲勞試驗(yàn)非常耗時(shí)，因此找出一個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)以評(píng)估瀝青混合料疲勞病害以顯著減少與測(cè)試相關(guān)的時(shí)間和檢測(cè)費(fèi)用是十分有必要的。

本文基于IDT試驗(yàn)表征瀝青混合料的疲勞行為。本研究中的瀝青混合料使用再生混凝土集料(RCA)和新集料以不同的比例從而獲得不同疲勞性能的混合料。本文使用循環(huán)和單調(diào)加載IDT試驗(yàn)驗(yàn)證了使用IDT試驗(yàn)獲得的斷裂能作為疲勞性能指標(biāo)的有效性。目前IDT試驗(yàn)可以根據(jù)AASHTO T322表征瀝青混合料的低溫開裂[5]，也可根據(jù)AASHTO T283進(jìn)行水損害檢測(cè)[6]。因此，使用IDT試驗(yàn)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)將可采用一種試驗(yàn)儀器表征三個(gè)主要的病害類型：疲勞、低溫開裂和水穩(wěn)定性，其可大幅度降低試驗(yàn)的成本和時(shí)間。

1材料和混合料設(shè)計(jì)

1.1材料

瀝青結(jié)合料采用中石油PG性能等級(jí)為PG58-28的道路石油瀝青。表1給出了新集料和再生混凝土集料(RCA)的特性。RCA和新集料均滿足規(guī)范對(duì)集料的要求。

表1 RCA和新集料的特性Tabel1 PropertiesofRCAandvirginaggregate試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)新集料RCA洛杉磯磨耗AASHTO962024破裂面AASHTOTP6195%93%砂當(dāng)量AASHTOT1769080粗集料毛體積密度AASHTOT852.6752.427細(xì)集料毛體積密度AASHTOT842.6862.125

1.2混合料設(shè)計(jì)

RCA與新集料以不同的比例(0%，20%，40%，60%，80%和100%)混合。根據(jù)Superpave體積設(shè)計(jì)法拌合和壓實(shí)試樣。表2和表3代表了設(shè)計(jì)級(jí)配和混合料設(shè)計(jì)結(jié)果。

表2 對(duì)不同RCA比例的混合設(shè)計(jì)Tabel2 DesignblendsfordifferentRCApercentages篩孔/mm不同RCA百分比的通過率/%020406080100級(jí)配控制點(diǎn)19 10010010010010010013.298979695939190～1009.5 888781807572≤904.756160514944432.3645403532272828～581.183530252420210.602722202017190.301916151615180.1597111312170.0754445552～7

表3 不同RCA比例混合料設(shè)計(jì)體積參數(shù)Tabel3 MixdesignvolumetricsfordifferentRCApercentagesRCA/%最佳AC/%%GmmNinitial%GmmNDesignVMA/%空隙率/%VFA/%粉膠比有效AC/%GmmGmbGse05.985.3596.0014.204.0071.830.924.302.5832.4862.848206.385.3096.0014.844.0672.640.874.602.4842.3882.749406.784.1496.0014.584.0872.010.904.072.4252.4242.687607.084.2396.0014.604.0472.321.134.402.3732.3762.632807.382.896.0014.803.9773.171.104.202.3022.2052.5591007.782.3596.0014.504.1071.721.094.572.2552.1592.504

2IDT疲勞試驗(yàn)

通過進(jìn)行循環(huán)加載疲勞和單調(diào)加載試驗(yàn)進(jìn)行IDT疲勞試驗(yàn)。根據(jù)AASHTO T322制備測(cè)試試樣。對(duì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試樣進(jìn)行取芯且切割制備成高度為38 mm和直徑為100 mm的測(cè)試試件。試件的目標(biāo)孔隙率為4±0.5%。為了測(cè)量水平和垂直變形，LVDT位移傳感器附著于測(cè)試試件的兩邊，如圖1所示。傳感器的測(cè)量長(zhǎng)度為50.8 mm以最小化較大集料顆粒的影響[7]。使用對(duì)試件大小和測(cè)量長(zhǎng)度的修正因素計(jì)算了時(shí)間中部的水平應(yīng)變[7]。由于瀝青混凝土的疲勞開裂發(fā)生在中溫下，對(duì)IDT循環(huán)疲勞試驗(yàn)在25 ℃下進(jìn)行試驗(yàn)，且施加800 N正弦荷載，頻率為10 Hz。選擇800 N荷載水平為了使得應(yīng)變水平在100～200微應(yīng)變范圍，從而在線粘彈性范圍。進(jìn)行試驗(yàn)直到觀察到可見的宏觀裂紋。時(shí)間的長(zhǎng)度確保測(cè)得的度數(shù)足夠計(jì)算混合料勁度折減達(dá)到50%循環(huán)的次數(shù)，作為疲勞壽命。對(duì)IDT單調(diào)加載斷裂能試驗(yàn)(見圖1)，試件以50.8 mm/min的速率加載直到觀察到破壞時(shí)明顯的峰值荷載，然后確定斷裂能，其數(shù)值為應(yīng)力和應(yīng)變曲線達(dá)到峰值應(yīng)力下方的面積，其原理圖如圖2所示。

圖1　IDT試驗(yàn)設(shè)備Figure 1　IDT test setup

圖2　單調(diào)加載試驗(yàn)獲得斷裂能的原理圖Figure 2　Schematic diagram of fracture energy from monotonic test

3結(jié)果和討論

IDT循環(huán)加載疲勞和單調(diào)加載斷裂試驗(yàn)的結(jié)果如表4所示。

表4 IDT循環(huán)加載疲勞和單調(diào)加載斷裂試驗(yàn)結(jié)果Tabel4 IDTcyclicfatigueandmonotonicfracturetestresultsRCA/%斷裂能/Pa疲勞壽命(加載次數(shù))/次09524124870208273692004056652122960453818400803658100001002872800

圖3顯示了勁度和循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，圖4顯示了正規(guī)化的勁度值(去除單位的影響)，可以看出隨著循環(huán)次數(shù)增加，勁度降低，表明試件中損傷的演化。圖5給出了混合料疲勞壽命和斷裂能之間的相關(guān)性。從循環(huán)加載試驗(yàn)獲得的疲勞壽命和單調(diào)加載試驗(yàn)獲得的斷裂能之間觀察到了具有很強(qiáng)的相關(guān)性(R2=0.984)?？傊?，IDT試驗(yàn)有可作為疲勞性能試驗(yàn)?？紤]到IDT試驗(yàn)已經(jīng)用于測(cè)試和評(píng)價(jià)HMA低溫和水穩(wěn)定性，其很有可能其用于測(cè)試疲勞、低溫開裂和水損傷的簡(jiǎn)單性能。采用簡(jiǎn)單的試驗(yàn)將顯著節(jié)約購(gòu)買設(shè)備和時(shí)間成本。

圖3　不同RCA比例的混合料疲勞壽命Figure 3　Fatigue life of mix with different RCA percentages

圖4　采用不同RCA比在規(guī)范化勁度下的疲勞壽命Figure 4　Fatigue life of mix with different RCA percentages at normalized stiffness

圖5　IDT疲勞壽命和斷裂能之間的相關(guān)性Figure 5　Correlation between IDT fatigue cycle and fracture energy

4結(jié)論

① 本文提出基于間接拉伸試驗(yàn)的單調(diào)加載試驗(yàn)得出的斷裂能作為瀝青混合料的抗疲勞性能試驗(yàn)方法，與常規(guī)循環(huán)加載方式得到的疲勞壽命相比，單調(diào)加載模式更加簡(jiǎn)單且大大節(jié)約了測(cè)試的時(shí)間。

② 常規(guī)的瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)設(shè)備

復(fù)雜，而且測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，不易于現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)瀝青混合料質(zhì)量控制，考慮到間接拉伸試驗(yàn)已經(jīng)用于確定瀝青混合料的低溫開裂和水穩(wěn)定性能，將其用于疲勞性能的測(cè)試可以簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)瀝青混合料疲勞控制的難度。

③IDT循環(huán)加載疲勞壽命和單調(diào)加載試驗(yàn)獲得的斷裂能之間發(fā)現(xiàn)具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達(dá)R2=0.984。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Srinivasan，G.，“EvaluationofIndirectTensileStrengthtoIndentifyAsphaltConcreteRuttingPotential，”ThesisSubmittedinPartialFulfillmentofRequirementofDegree，Dept.ofCivilandEnvironmental，WestVirginiaUniv.，Morgantown，WV，2004.

[2]Wen，H.，“FatiguePerformanceEvaluationofWestrackAsphaltMixturesBasedonViscoelasticAnalysisofIndirectTensileTest，”Dept.ofCivilEngineering，NCStateUniv.，RaleighNC，2002.

[3]Roque，R.，Birgisson，B.，Zhang，Z.，Sangpetngam，B.，andGrantT.，“ImplementationofSHRPIndirectTensileTestertoMitigateCrackinginAsphaltPavementandOverlays，”FloridaDept.ofTransportation，Tallahassee，F(xiàn)L，2002.

[4]Shu，X.，Haung，B.，andVukosavljevicD.，“ALaboratoryEvaluationofFatigueCharacteristicsofRecycledAsphaltPavements，”J.Constr.Build.Mater.，Vol.22，2008，pp.13-23.

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[6]AASTHOT283，2010，“StandardMethodofTestforResistanceofCompacted(HMA)toMoistureInducedDamage，”AmericanAssociationofStateandHighwayTransportationOfficials，Washington，DC.

[7]Christensen，W.D.，“AMixDesignManualforHotMixAsphalt，”NCHRP，Report673，TransportationResearchBoard，NationalResearchCouncil，Washington，DC，2010.

A Simple Method for Evaluate Fatigue Performance of Asphalt Mixture

SHEN Hongtao1， ZHAO Shuqing2， WANG Xiaoping2

(1.Weifang Highway Survey and Design Institute， Weifang， Shandong 261061， China；2.Shandong Transport Vocational College， Weifang， Shandong 261061， China)

[Abstract]This study uses the indirect tensile(IDT)test to evaluate fatigue behavior of asphalt.Recycled concrete aggregate(RCA)and virgin aggregate are blended at different percentages(0%，20%，40%，60%，80%，and 100 %)to produce mixes with a variety of fatigue performance.To characterize fatigue，cyclic IDT and monotonic fracture energy tests were performed at intermediate temperatures.At intermediate temperatures，good correlation is found between the fatigue life obtained from cyclic IDT test results and the fracture energy obtained from monotonic fracture test results.Based on the laboratory test results，the IDT test can be used to evaluate both the fatigue behavior of asphalt concrete.Considering that IDT testing has been used to characterize thermal cracking and moisture susceptibility，the IDT test has the potential to serve as a single performance test for fatigue，thermal cracking and moisture damage.

[Key words]recycled concrete aggregate； fatigue； road engineering

[收稿日期]2015-11-03

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金(51508095)

[作者簡(jiǎn)介]沈洪濤(1972-)，男，山東濰坊人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榈缆芳皹蛄旱目辈煸O(shè)計(jì)。

[中圖分類號(hào)]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)03-0151-03