不同級(jí)配大粒徑瀝青混合料疲勞性能研究

劉囡囡

（青島富林達(dá)路橋工程有限公司，山東 青島 266000）

引言

瀝青路面的疲勞開(kāi)裂是瀝青路面最主要的破壞模式之一。瀝青路面使用期間，經(jīng)受車輪荷載的反復(fù)作用，其應(yīng)力或應(yīng)變長(zhǎng)期處于交迭變化狀態(tài)，致使路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)荷載重復(fù)作用超過(guò)一定的次數(shù)后，在荷載作用下路面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)超過(guò)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降后的結(jié)構(gòu)抗力，在路面處治層底部產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂，在荷載繼續(xù)作用下，裂縫擴(kuò)展至路表面形成疲勞裂縫[1-3]。

1 瀝青混合料疲勞試驗(yàn)方法

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)瀝青混合料的疲勞性能分析主要有3 種方法：現(xiàn)象學(xué)方法、力學(xué)近似法和能耗方法。世界各國(guó)采用的瀝青混合料室內(nèi)小型疲勞試驗(yàn)的方法很多，主要有重復(fù)彎曲試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)等，其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 瀝青混合料室內(nèi)小型疲勞試驗(yàn)方法比較

2 瀝青混合料疲勞試驗(yàn)參數(shù)

2.1 荷載控制模式

采用控制應(yīng)力或控制應(yīng)變模式的方法進(jìn)行試驗(yàn)。瀝青混合料是黏彈性材料，其模量與瀝青混合料的溫度有關(guān)，并非定值，實(shí)際工程中所測(cè)得的應(yīng)變轉(zhuǎn)化成應(yīng)力的精確度差。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)變控制的荷載模式能夠更好地反映瀝青混合料在路面中受行車荷載作用的疲勞特性，更接近于路面結(jié)構(gòu)中瀝青混合料的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

2.2 荷載頻率

研究表明，加載時(shí)間或頻率與車速有一定的關(guān)系，我國(guó)現(xiàn)行的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）規(guī)定高等級(jí)公路計(jì)算行車速度的范圍為60 ～120 km/h，因此采用10 Hz 的加載頻率是合理的[4]。

2.3 荷載波形

材料的疲勞壽命與荷載波形有一定的關(guān)系，不同加載波形對(duì)瀝青混合料疲勞性能有影響。通常認(rèn)為正弦波和半正弦波形比較接近于實(shí)際路面所承受的荷載波形，在試驗(yàn)中選用半正弦波加載。

2.4 試驗(yàn)溫度

瀝青混合料在夏季高溫時(shí)，疲勞損耗有很大的恢復(fù)。根據(jù)SHRP 的研究結(jié)果，常溫以上的疲勞破壞主要是變形累積破壞，沒(méi)有明顯的疲勞意義，因此建議不考慮20℃以上的疲勞破壞。根據(jù)哈爾濱建筑大學(xué)的研究成果，雖然全國(guó)各地的氣溫變化較大，對(duì)于瀝青混合料，其疲勞破壞主要集中在13 ～15℃之間，恰好是北方春融期溫度，南方地區(qū)的雨季溫度，此季節(jié)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較明顯的削弱，是路面結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的最不利時(shí)期，因此疲勞試驗(yàn)溫度采用15℃。

3 大粒徑瀝青混合料疲勞試驗(yàn)

3.1 原材料

采用重交瀝青70#和MAC 改性瀝青作為瀝青混合料的膠結(jié)料，集料采用石灰?guī)r，其性能滿足《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）技術(shù)要求。

3.2 級(jí)配

采用5 種級(jí)配，其級(jí)配見(jiàn)表2。

表2 5 種瀝青混合料級(jí)配

3.3 疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備采用進(jìn)口UTM4 試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，氣動(dòng)施加荷載。試件和成型方法按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011） 規(guī)定的輪碾壓實(shí)并切割成小梁的方法成型試件，小梁寬和高分別為63.5 mm 和50 mm，梁長(zhǎng)度為381 mm，兩端支點(diǎn)距離355.5 mm。加載方式采用應(yīng)變控制，三分點(diǎn)加載，加載點(diǎn)間距為118.5 mm，試驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表3。

表3 5 種瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

可以看出：5 種瀝青混合料的彎拉疲勞曲線基本平行，曲線的斜率在-3.2 ～-4.0 之間，與研究成果吻合較好，如美國(guó)AI 設(shè)計(jì)法取值為-3.291，殼牌設(shè)計(jì)法取為-4.0。k 值反映疲勞曲線位置，反映了不同瀝青混合料疲勞性能的優(yōu)劣。5 種試驗(yàn)瀝青混合料的疲勞性能由優(yōu)至劣依次為：AC20 I＞ATB25＞ATB30＞LSM30 I＞LSM30 Ⅱ。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）作為瀝青穩(wěn)定基層材料的ATB25、ATB30、LSM30 I、LSM30 Ⅱ型混合料均為嵌擠型瀝青混合料，其疲勞性能相差不大。（2）AC20 I 型混合料屬于懸浮密實(shí)型瀝青混合料，其疲勞性能較嵌擠型瀝青混合料好。（3）當(dāng)應(yīng)變水平為400 με時(shí)，AC20 I 型混合料的疲勞壽命是ATB30 型混合料的2.48 倍。