大粒徑瀝青混合料疲勞試驗研究

1、大粒徑瀝青混合料疲勞試驗研究熊尚陽 中鐵十一局集團第一工程有限公司 湖北襄樊 441000 摘 要：大粒徑瀝青混合料通過增大粒徑，可降低油量，從而增強瀝青路面的抗車轍能力及減緩反射裂縫的發(fā)生。為了評價骨料級配抗反射裂縫能力大小，本文通過對ATB-30型、ATB30-上限、ATB30-下限、AC30- S型、AM30- S型、ATPB30-S型六種大粒徑瀝青混合料進行APA模擬試驗，研究大粒徑瀝青混合料的疲勞性能。 關(guān)鍵詞：大粒徑瀝青混合料 反射裂縫 APA 疲勞性能為解決路面反射裂縫、抗車轍能力不足和路面的耐久性較差問題，我國目前正在開展大粒徑碎石瀝青混合料（Large Stone Aspha

2、lt Mixes，簡稱LSM）的研究。大粒徑瀝青混合料定義為最大集料尺寸在25mm 63mm(12.5英寸)之間的熱拌瀝青混合料6 7，其主要形式有適用于下面層和上基層的嵌擠骨架密實型結(jié)構(gòu)（空隙率36），另一種形式是適用于基層的嵌擠骨架空隙型結(jié)構(gòu)（空隙率15以上）2。大粒徑瀝青混合料通過增大粒徑，可降低油量，可以增強瀝青路面的抗車轍能力及減緩反射裂縫的發(fā)生。大粒徑瀝青混合料基層作為一類柔性結(jié)構(gòu)層，具有很強的柔性和變形能力，作為應(yīng)力消散層，可明顯提高路面抗反射裂縫的能力；另一方面大粒徑瀝青碎石基層可以與瀝青混凝土面層粘結(jié)牢固，并且由于其模量接近，路面結(jié)構(gòu)受力更均勻。高模量抗車轍的大粒徑瀝青混合料

3、也是永久性路面結(jié)構(gòu)（全厚式瀝青路面）的中間層或聯(lián)結(jié)層的首選8。但是目前，大粒徑瀝青混合料在我國還沒有相關(guān)的設(shè)計、施工規(guī)范。本文在總結(jié)國內(nèi)外大粒徑瀝青混合料研究的基礎(chǔ)上，深入研究大粒徑瀝青混合料（LSM）的疲勞性能。1、試驗方案1.1、試驗方法選擇目前，國內(nèi)外進行的疲勞試驗研究分為3種類型：一是檢測實際路面在真實汽車荷載作用下的疲勞性能。以美國AASHO試驗路為典型代表。二是用足尺路面結(jié)構(gòu)模擬汽車荷載作用下其疲勞性能。如美國華盛頓州立大學(xué)室外大型環(huán)道及長沙理工大學(xué)的室內(nèi)大型直道等。三是室內(nèi)小型材料試件的疲勞試驗。前兩類方法都能較好地反映路面實際疲勞性能，但耗資巨大、周期長，且試驗結(jié)果受當(dāng)?shù)丨h(huán)境及

4、所用路面結(jié)構(gòu)影響較大。因此，本研究采用的是周期短、費用低、簡便、易行的室內(nèi)小型材料試件的往返輪載試驗。這類試驗是針對瀝青混合料與其它材料組合模擬的路面結(jié)構(gòu)模型或梁式試件，采用小輪在模型或試件表面沿直線往返運動，模擬車輪運動狀態(tài)對試件進行疲勞加載。由于其試驗?zāi)Ｊ浇咏鼘嶋H路面受力狀態(tài)，因而受到人們的關(guān)注。美國戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP)研制開發(fā)的瀝青路面分析儀(Asphalt Pavement Analyzer，簡稱APA)就是這樣一種往返輪載試驗裝置。本論文采用APA進行疲勞試驗，采用車轍試驗成型機成型后切割成所需尺寸梁式試件用于試驗。成型后實測試件空隙率，若不滿足要求，則重新制件。試驗溫度為1

5、5。進行APA疲勞試驗時的荷載采用美國ASTM推薦的荷載，即90Kg和123 Kg。 當(dāng)試驗條件確定以后，要求試件成型后在室溫（25）下至少保持4h，然后在APA內(nèi)環(huán)境溫度15下恒溫2h后再進行試驗。1.2、試件的制備為了盡量真實地模擬車輪荷載重復(fù)作用在有接(裂)縫的舊混凝土路面加鋪的瀝青混凝土面層上的情況。試驗采用如圖1所示的模式。 圖1 瀝青混合料試件模式圖1.根據(jù)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程（JTJ052-2000）關(guān)于瀝青混合料試件制作方法（輪碾法）的規(guī)范要求，利用車轍試驗成型機制作 300mm×300mm×55mm 板塊狀試件。制作過程中ATB-30型、ATB

6、30-上限、ATB30-下限、AC30- S型四類密級配按照要求的空隙率水平（7%），AM30- S型按空隙率10%，ATPB30-S型按空隙率20%來計算所需的混合料數(shù)量，成型后實測試件空隙率，若不滿足要求，則重新制件。2.將成型好的試件用切割機切割成 300mm×125mm×55mm 的板狀試件(保留粗糙表面)，規(guī)范中規(guī)定：使用碾壓成型的混合料試件切制的板狀試件，長度不小于最大公稱粒徑的4倍，寬度或厚度不小于最大公稱粒徑的 11.5 倍，本次試驗采用的混合料最大公稱粒徑為 31.5mm，滿足規(guī)范要求。3.預(yù)制混凝土試塊厚度為2.0cm，確保兩塊混凝土試塊之間預(yù)留3mm的

7、裂縫。混凝土試塊與瀝青加鋪層之間涂敷一層粘層油，預(yù)制混凝土試塊下面墊一塊橡膠墊塊，橡膠墊塊的尺寸為27.5cm×12.5cm×2.14cm。4. 加工好的試件要在室溫下(25±3)冷卻4h，然后放到APA試驗機中，在試驗溫度（本研究為15）下養(yǎng)護2h。5. 試件成型后裝入試模中，然后連同試模一起放入APA中試件平臺上，在試驗前先對鋼輪輪壓及儀器水平位移、豎向位移進行標(biāo)定。標(biāo)定完成后，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與主機進行連接成功后，即可進行試驗。2、試驗標(biāo)準(zhǔn)、參數(shù)的設(shè)定2.1斷裂標(biāo)準(zhǔn)的判別在 APA疲勞試驗中，有兩種疲勞標(biāo)準(zhǔn)29。第一種是當(dāng)APA位移傳感器第N次所測得的位移

8、變形值與在此之前10次所測得位移變形平均值之差大于某個規(guī)定值（一般設(shè)定為1mm）時，APA操縱系統(tǒng)認(rèn)為試件已經(jīng)破壞或斷裂。第二種標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)試件底面所貼應(yīng)變片由于試件斷裂而發(fā)生斷裂時(應(yīng)變片與APA控制系統(tǒng)連接)，主機會自動檢測到信號。當(dāng)試件斷裂或達到預(yù)設(shè)的位移差值時，加載輪自動停止工作。從試驗運行的次數(shù)及采集的位移值可了解試件材料的疲勞壽命及疲勞性能等有關(guān)指標(biāo)。在本次試驗中，根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，我們把變形差（ROC）定為1.0mm，,這是當(dāng)試件接近斷裂或撓度很大時的ROC 值,大約在1.0mm 左右，當(dāng)試驗運行測得的差值超過1.0mm時，試驗自動停止。2.2輪壓荷載的設(shè)定進行APA疲勞試驗時的荷載采

9、用美國ASTM推薦的荷載，即90Kg，為模擬重載車輛對道路的影響和縮短試驗周期，另外設(shè)定123kg輪壓，比規(guī)范要求提高了10%。2.3其它參數(shù)的確定在試驗當(dāng)中，疲勞試驗機的加載頻率為50往返/分鐘，因此試驗加載頻率f=2次/秒；試件結(jié)構(gòu)層中模擬舊混凝土路面的混凝土試塊動態(tài)彈性模量E=40000MPa，泊松比u為0.15；硬橡膠的彈性模量E=70MPa，泊松比u為0.40。采用T=15作為試驗溫度。根據(jù)美國戰(zhàn)略公路研究計劃（SHRP）的研究成果，常溫以上的疲勞破壞主要是變形累積破壞，沒有明顯的疲勞開裂的意義。此外，哈爾濱建筑大學(xué)的研究成果表明，雖然全國各地氣溫變化較大，但是瀝青混合料的疲勞破壞主

10、要集中在15左右，恰好為北方春融期溫度，南方地區(qū)的雨季溫度，在此季節(jié)路面結(jié)構(gòu)強度有較明顯的減弱，是路面結(jié)構(gòu)抵抗疲勞破壞的最不利時期15。我國公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范中的容許拉應(yīng)力指標(biāo)采用的也是15的參數(shù)值。因此，利用自動瀝青路面分析儀作疲勞試驗時，采用T=15作為試驗溫度是合理的。3、試驗結(jié)果與分析利用自動瀝青路面分析儀在輪壓分別為123kg和90kg時測試六種類型大粒徑瀝青混合料的疲勞壽命（輪壓為123kg）如表4.1所示，六種瀝青混合料試件的疲勞性能試驗結(jié)果如圖4.2、圖4.3所示。表4.1 六種類型大粒徑瀝青混合料的疲勞壽命（輪壓為123kg）混合料類型疲勞壽命（次）平均值（次）ATB-30

11、型47304523655142650365ATB30-上限43315452764052143037AC30- S型40182389974377840985ATB30-下限32077345993562134099AM30- S型27318345203041530751ATPB30-S型4267668461005684 試驗結(jié)果表明，級配類型對瀝青混合料抗裂性能有很大影響。密級配連續(xù)級配混合料疲勞壽命明顯大于半開級配混合料和開級配混合料。ATB-30型的荷載疲勞次數(shù)最大，平均達到50365次，ATPB30-S型的荷載疲勞次數(shù)最小，平均只有5684次，相差近8倍。中間荷載疲勞次數(shù)由大到小依次為ATB

12、30-上限、AC30- S型、ATB30-下限、AM30- S型。分析原因，可能是ATB-30型兼顧了ATB上下限的特點，既有粗骨料又有細(xì)集料，粗骨料能有效的嵌擠在一起，形成了較大的內(nèi)摩擦角，同時含有較多的細(xì)集料，充分填充了粗骨料空隙，并且吸附了較多數(shù)量的瀝青粘結(jié)料，形成較大的粘聚力。ATB30-上限雖然細(xì)集料的用量較多，但細(xì)集料撐開了粗骨料骨架，使得混合料的內(nèi)摩擦角減小，故抗其抗疲勞開裂能力不如ATB-30型。AC-30 S型為懸浮密實結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)的細(xì)集料較多，占 40之多，粗集料只能懸浮在細(xì)集料之中，受瀝青材料的性質(zhì)和物理狀態(tài)的影響較大，空隙率雖然較小，混合料密度較大，具有較高的粘聚力，

13、但細(xì)集料和粗骨料之間產(chǎn)生干涉，粗骨料的骨架嵌擠作用沒有充分發(fā)揮出來，內(nèi)摩擦角較小，因而影響到其抗疲勞開裂能力。而ATB30-下限粗骨料是較多的，但由于細(xì)集料的用量偏少，瀝青含量較低，混合料中的瀝青粘結(jié)料不能充分粘附在集料上形成結(jié)構(gòu)瀝青，同時粗骨料間的空隙較大，故其抵抗荷載疲勞開裂能力要比前三者稍差。AM30- S型形成的是骨架空隙結(jié)構(gòu)，細(xì)集料含量少，不足以填充骨架空隙，因此瀝青混合料的空隙率較大，粘聚力較小，故抵抗荷載疲勞開裂能力較差。ATPB30-S型為開級配混合料，其空隙率在15%-20%之間，在六種級配中空隙率最大，有研究表明瀝青混合料的空隙率對疲勞性能有顯著的影響，瀝青混合料的疲勞壽命

14、隨空隙率的增長而顯著地降低。這是因為空隙率越大, 瀝青混合料內(nèi)部的空隙與微裂縫就越多, 裂紋擴展到表面所經(jīng)歷的有效面積小，消耗的能量少，在荷載反復(fù)作用下就愈易引發(fā)微裂縫的擴展破壞, 從而使疲勞抗裂性能降低。 試驗結(jié)果表明，在輪壓90 kg時，四種密集配瀝青混合料ATB-30型、ATB30-上限、AC30- S型、ATB30-下限的荷載疲勞次數(shù)由大到小，同輪壓123 kg時順序一樣。但在輪壓90 kg時，四種瀝青混合料的抗疲勞開裂能力有顯著提高。說明胎壓對加鋪層斷裂性能的影響非常顯著, 重載車輛對瀝青混凝土加鋪層的破壞嚴(yán)重。四種類型大粒徑瀝青混合料的疲勞壽命（輪壓為90kg）試驗結(jié)果見表1所示。

15、 混合料類型疲勞壽命（次）平均值（次）ATB-30型221627263758-242693ATB30-上限197713164978213314192002AC30- S型144701163335175689161225ATB30-下限11307598560156413122683 表1 四種類型大粒徑瀝青混合料的疲勞壽命（輪壓為90kg）試驗結(jié)果表明，隨著運行次數(shù)的增加，位移都隨著增大。在運行初期，試件處于壓密階段，六種級配位移都上升的很快。隨后，位移隨運行次數(shù)基本呈線形增長。其中，ATPB30-S型位移與運行次數(shù)關(guān)系線斜率最大，AC30- S型位移與運行次數(shù)關(guān)系線斜率居中，ATB-30型、A

16、TB30-上限、ATB30-下限、AM30- S型具有類似斜率，小于ATPB30-S型。即以試件破壞時運行次數(shù)對應(yīng)的位移相比，ATB-30型、ATB30-上限、ATB30-下限、AM30- S型的試件位移明顯要小于ATPB30-S型位移。六種類型大粒徑瀝青混合料的試件表面最大位移見表2所示。表2 六種類型大粒徑瀝青混合料的試件表面最大位移混合料類型最大位移值（mm）輪壓：90 kg輪壓：123 kgATB-30型16.841211.0373ATB30-上限14.25529.1778AC30- S型8.372910.2140ATB30-下限12.14677.9731AM30- S型-5.0715

17、ATPB30-S型-12.3100根據(jù)斷裂力學(xué)理論30，31, 荷載變形曲線下的面積代表材料發(fā)生斷裂所需的能量, 面積越大, 能量越大, 其疲勞壽命也就越長。由上圖所得到的位移與運行次數(shù)對應(yīng)關(guān)系曲線, 由于試驗荷載大小是固定的, 從而橫坐標(biāo)運行次數(shù)可理解為荷載作用的累計時間, 從某種意義上來講, 該對應(yīng)關(guān)系曲線下的面積大小就能反映其抗裂效果21。由圖4.2、4.3可知, ATPB30-S型的試件對應(yīng)曲線所圍面積最小, 其抗裂效果最差, 而AM30- S型、ATB30-下限、AC30- S型對應(yīng)曲線所圍面積接近,抗裂效果居中，ATB30-上限、ATB-30型對應(yīng)曲線所圍面積最大，抗裂效果最好。出

18、現(xiàn)裂紋的試件數(shù)量表如表3所示。表3 出現(xiàn)裂紋的試件數(shù)量表混合料 類 型輪壓123Kg試件輪壓90Kg試件試件數(shù)量（塊）側(cè)面裂紋 試件數(shù)輪跡面裂紋試件數(shù)試件數(shù)量（塊）側(cè)面裂紋 試件數(shù)輪跡面裂紋試件數(shù)ATB-30321220ATB30-上限322331AC30-S332310ATB30-下限332322AM30-S332-ATPB30-S332-合計1816111183試驗完成后根據(jù)對試件裂縫位置的觀測,六種瀝青混凝土被破壞試件的側(cè)面基本上都出現(xiàn)裂縫，部分破壞嚴(yán)重的輪跡面出現(xiàn)裂紋。如表4.4所示，輪壓123Kg時試件共18塊，其中16塊側(cè)面出現(xiàn)裂縫，11塊輪跡面出現(xiàn)裂縫。輪壓90Kg時試件共11塊，其中8塊側(cè)面出現(xiàn)裂紋，3塊輪跡面出現(xiàn)裂紋。有的裂縫不是在水泥混凝土接縫位置正上方出現(xiàn), 而是偏離23cm 的距離, 原因在于裂縫的發(fā)展是沿界面最薄弱處首先發(fā)展起來的, 它與級配類型、界面粘接有關(guān)。4、結(jié)論1.級配類型對