超載對AC-25瀝青混合料疲勞極限影響

徐鷗明*1,王松1,劉亞敏,韓森

(1.長安大學交通鋪面材料教育部工程研究中心， 陜西西安710061；2.長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室， 陜西西安710064)

0 引言

路面材料與結(jié)構(gòu)耐久性是道路工程領(lǐng)域熱點問題之一，長壽命瀝青路面引起了很多學者關(guān)切[1-2]。長壽命瀝青路面理論基礎(chǔ)認為材料的疲勞壽命與其變形有很大關(guān)系，當施加外力引起的變形足夠小時，由于自愈合特性，材料的疲勞壽命趨向于無窮[3-4]。為了探尋瀝青混合料疲勞極限，國內(nèi)外很多學者開展了相關(guān)研究。THOMPSON等[5-9]研究發(fā)現(xiàn)：基質(zhì)瀝青混合料疲勞極限約為60～70 με，而改性瀝青混合料疲勞極限大約為100 με。平樹江等[10]建議在濱州地區(qū)長壽命瀝青路面設(shè)計中，瀝青混合料疲勞極限應(yīng)變?nèi)≈祽?yīng)為70～80 με；張志祥等[11]提出大粒徑瀝青混合料疲勞極限可取70 με；徐鷗明等[12-14]研究發(fā)現(xiàn)：普通瀝青混合料疲勞極限約為70～100 με，SBS改性瀝青混合料疲勞極限約為140 με。因此，對于確定的瀝青混合料，可以通過試驗和統(tǒng)計分析，確定疲勞極限標準；然后擬定路面結(jié)構(gòu)，分析特定部位應(yīng)變響應(yīng)，通過調(diào)整瀝青層厚度使層底彎拉應(yīng)變低于疲勞極限標準，從而實現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)長壽命。但是，實際中，由于車輛超載或大型化發(fā)展，軸載往往遠大于標準軸載，一次超載對半剛性基層瀝青路面的損傷可能相當于標準軸載作用數(shù)千次[15]。對于采用柔性結(jié)構(gòu)的長壽命瀝青路面，瀝青層底承受彎拉作用，防止疲勞破壞是材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容。但目前關(guān)于重載或超載車輛作用在此種路面結(jié)構(gòu)上對層底瀝青混合料疲勞極限特性的影響尚不明確。鑒于此，本文選取用于長壽命瀝青路面下面層的典型AC-25瀝青混合料，采用控制應(yīng)變的小梁疲勞試驗裝置，對其進行低—高交變應(yīng)變疲勞試驗，研究在極限低應(yīng)變水平疲勞試驗中插入有限次數(shù)高應(yīng)變水平作用對瀝青混合料疲勞極限特性的影響，為長壽命瀝青路面設(shè)計提供參考。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

① 原材料主要技術(shù)性質(zhì)。

試驗采用90號道路石油瀝青，集料為石灰?guī)r碎石，其主要技術(shù)性質(zhì)見表1和表2。

表1 瀝青主要技術(shù)性質(zhì)Tab.2 Technical properties of asphalt

表2 集料主要技術(shù)性質(zhì)Tab.2 Technical properties of aggregates

② 礦料級配。

目前，高等級瀝青路面下面層常用AC-25瀝青混合料鋪筑。綜合規(guī)范要求、工程經(jīng)驗和現(xiàn)場原材料篩分情況，本文試驗采用的混合料級配在4.75 mm以上基本與規(guī)范中值重合，4.75 mm以下介于中值和下限之間，如表3所示。

表3 礦料級配Tab.3 Aggregate gradations

1.2 試驗方案

通過馬歇爾試驗確定AC-25瀝青混合料最佳瀝青用量為4.3 %；采用四點彎曲小梁疲勞試驗機(beam fatigue apparatus，BFA)在萬能材料試驗機UTM上按照AASHTO T321試驗規(guī)程[16]進行加載試驗，試件尺寸為380 mm×63 mm×50 mm(長×寬×高)，試驗溫度為(20±1) ℃。參照前期研究[12]，選取70 με為普通瀝青混合料疲勞極限應(yīng)變水平，200 με作為重載或超載時誘發(fā)瀝青層底彎拉應(yīng)變水平；試驗時，先在70 με水平下作用一定次數(shù)，再將應(yīng)變水平升高到200 με作用一定次數(shù)；以此作為一個加載循環(huán)，記錄模量和相位角的變化情況，并計算耗散能和累計耗散能。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)變水平跳躍對彎拉勁度模量的影響

試件在70 με應(yīng)變水平下持續(xù)作用1.08×106次彎拉勁度變化情況如圖1所示。

圖1 70με應(yīng)變水平重復(fù)加載1.08×106次的彎拉勁度Fig.1 Flexural stiffness for 1.08×106 loading cycles under 70 με strain condition

由圖1可以看出，AC-25瀝青混合料彎拉勁度隨加載次數(shù)增加呈衰減趨勢，初期衰減速率較快，后期衰減速率逐漸減緩。隨后，將應(yīng)變水平增大到200 με，并作用3.6×104次，彎拉勁度變化如圖2所示。

圖2 彎拉勁度與交變應(yīng)變的關(guān)系Fig.2 Relationship between flexural stiffness and alternating strain

AASHTO T231將控制應(yīng)變疲勞試驗過程中試件彎拉勁度降為初始值50 %作為破壞準則[16]，普通AC-25瀝青混合料在200 με應(yīng)變水平下疲勞壽命約為3.66×105次[13]，則試件疲勞壽命在此次加載中大約消耗10 %。由圖2可以看出，彎拉勁度隨應(yīng)變水平提高，在初期衰減較快，隨后逐漸趨于減緩，但衰減速率仍略大于70 με應(yīng)變水平下的。

2.2 低—高應(yīng)變交替作用對瀝青混合料疲勞特性的影響

以70 με和200 με應(yīng)變水平下交替加載1.08×106次和3.6×104次作為一個循環(huán)，分別再進行2次跳躍應(yīng)變循環(huán)加載，共進行3次跳躍應(yīng)變循環(huán)加載。然后，將應(yīng)變水平固定在70 με下進行持續(xù)加載，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 彎拉勁度與荷載作用次數(shù)的關(guān)系
Fig.3 Relationship between flexuralstiffness and loading cycles

圖4 相位角與荷載作用次數(shù)的關(guān)系
Fig.4 Relationship between phaseangle and loading cycles

由圖3可以看出，在應(yīng)變間斷跳躍加載模式下，試件彎拉勁度也具有明顯的間斷跳躍特征。表現(xiàn)為在單個交替加載循環(huán)中，彎拉勁度在高應(yīng)變水平加載階段衰減較大；在隨后的低應(yīng)變水平加載階段，混合料彎拉勁度又會躍升至接近于前一循環(huán)低應(yīng)變水平加載末端水平，并在加載初期有輕微增大趨勢，之后逐漸降低。這是因為，彎拉勁度定義為一定時間和溫度條件下拉應(yīng)力與總拉應(yīng)變的比值；在應(yīng)變控制疲勞試驗中，單次加載時間和溫度恒定，其總應(yīng)變控制不變，則每次施加的應(yīng)力逐漸減小，即“應(yīng)力松弛”特性。因而，隨著加載次數(shù)增加，彎拉勁度趨于降低；且拉應(yīng)變越大，初期施加拉應(yīng)力越大，后期松弛也越大。

由圖4可以看出，相位角在應(yīng)變間隔跳躍加載模式下大約處于40°～50°；總體趨勢表現(xiàn)為經(jīng)交變應(yīng)變加載后，相位角有略微增大趨勢。相位角增大預(yù)示著混合料彈性比例降低，粘性成分增大，儲能能力降低，耗能能力增強，抗疲勞性能降低。

為了從能量角度闡釋混合料交替應(yīng)變間隔加載模式下的疲勞特征，分別計算了疲勞試驗過程中的耗散能和累計耗散能，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 疲勞試驗中耗散能變化情況
Fig.5 Dissipation energy variationduring the fatigue test

圖6 疲勞試驗中累積耗散能變化情況
Fig.6 Cumulative dissipation energyvariation during the fatigue test

由圖5可以看出，耗散能隨施加應(yīng)變水平呈階躍特征；隨作用次數(shù)增加，70 με應(yīng)變水平下混合料耗散能變化較平緩，而200 με應(yīng)變水平下混合料耗散能呈衰減趨勢，且后者約為前者的6～7倍。累積耗散能反映了疲勞過程中外界施加的能量由于損傷累積轉(zhuǎn)換成熱能的大小，間接反映了疲勞損傷程度。由圖6可以看出，施加應(yīng)變水平越大，疲勞損傷速率越大，即損壞隨加載次數(shù)快速累積；不同間斷跳躍加載循環(huán)周期中同一應(yīng)變水平對應(yīng)損傷速率基本相同。這表明，試件在高應(yīng)變水平加載下所受到的疲勞損傷要大于低應(yīng)變水平，與實際一致；同時，在以疲勞極限施加應(yīng)變水平中插入有限高應(yīng)變水平疲勞作用，不會根本改變混合料疲勞極限特征，仍然存在某一疲勞極限。這可能與瀝青混合料的“自愈合”特性有關(guān)，即有限次高應(yīng)變疲勞作用造成瀝青混料微裂紋損壞，在拉伸松弛耗散能作用下又降低了微裂縫區(qū)表面能，促使微裂縫自愈，從而使疲勞損傷在一定程度上得到恢復(fù)。

由此可見，在進行長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計時，按照混合料疲勞極限確定的路面結(jié)構(gòu)組合，由于瀝青混合料“自愈合”特性，有限超載或重載車輛誘發(fā)的一定程度瀝青層底高彎拉疲勞損傷可以忽略不計，瀝青路面仍具有長壽命特征。

3 結(jié)語

① 在低應(yīng)變水平疲勞試驗中插入高應(yīng)變水平加載，對AC-25混合料彎拉勁度模量有一定加速衰減作用，當作用的高應(yīng)變水平大小和次數(shù)有限時，其對整個低應(yīng)變水平下混合料疲勞極限行為影響有限。

② AC-25瀝青混合料在高應(yīng)變水平下的相位角小于低應(yīng)變水平，而耗散能明顯偏大，但隨著應(yīng)變水平恢復(fù)到低應(yīng)變水平狀態(tài)，其相位角和耗散能符合低應(yīng)變水平變化趨勢。

③ 應(yīng)變水平一定時，AC-25瀝青混合料累積耗散能變化趨勢基本一致，應(yīng)變水平越高，累積耗散能增幅越大；隨荷載作用次數(shù)增加，累積耗散能呈增大趨勢，即混合料疲勞損傷越大，表現(xiàn)為彎拉勁度模量降低。