用控制應(yīng)力彎曲疲勞試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)瀝青混合料抗疲勞性能

申展華，馮 卡

1.鄭州市市政工程總公司，河南 鄭州 450007

2.許昌華杰公路勘察設(shè)計(jì)有限公司，河南 許昌 461000

0 引言

瀝青混合料疲勞性能是指其在特定荷載環(huán)境與氣候環(huán)境條件下抵抗重復(fù)加載作用而不產(chǎn)生破裂的能力。疲勞損壞是瀝青混凝土路面最主要的破壞形式之一。為了保證瀝青路面具有良好的使用性和耐久性，世界各國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)方法均以路面疲勞特性作為基本設(shè)計(jì)原則，國(guó)內(nèi)外研究和評(píng)價(jià)瀝青混合料抗疲勞性能的方法有很多，其中控制應(yīng)力彎曲疲勞試驗(yàn)是研究瀝青混合料抗疲勞性能的最有效方法。

本文介紹控制應(yīng)力彎曲疲勞試驗(yàn)，并采用該試驗(yàn)方法對(duì)AC-13瀝青混合料的抗疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出瀝青混合料抗疲勞性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析AC-13瀝青混合料其抗疲勞性能變化規(guī)律。

1 瀝青混合料抗疲勞評(píng)價(jià)方法概述

國(guó)內(nèi)外研究瀝青混合料抗疲勞性能的方法有很多種，綜合目前已有的研究成果，瀝青路面疲勞特性試驗(yàn)方法主要包括：1）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法；2）試槽法；3）試板試驗(yàn)法(也稱(chēng)為試塊法)；4） 試件法；5）槽口彎曲疲勞試驗(yàn)等。

如此繁多的試驗(yàn)方法，如何選擇。本論文從試驗(yàn)的可操作性、試驗(yàn)結(jié)果的可直接應(yīng)用性及國(guó)內(nèi)對(duì)抗疲勞性能的相關(guān)規(guī)定要求考慮，采用控制應(yīng)力簡(jiǎn)支梁彎曲疲勞試驗(yàn)法進(jìn)行應(yīng)力控制的疲勞試驗(yàn)，研究瀝青混合料的疲勞性能，為瀝青混合料的設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)。

2 簡(jiǎn)支梁彎曲疲勞試驗(yàn)原理

本文采用中點(diǎn)加載簡(jiǎn)支梁彎曲試驗(yàn)法，加載模式為控制應(yīng)力方式。控制應(yīng)力的疲勞試驗(yàn)是在重復(fù)加載的疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，保持應(yīng)力不變，疲勞破壞是以試件的疲勞斷裂作為準(zhǔn)則，達(dá)到疲勞破壞的荷載作用次數(shù)為疲勞壽命。

這種加載方式下疲勞壽命公式一般為：

式中：

Nf為疲勞壽命，采用試件破壞時(shí)的加載次數(shù)；

k，n為試驗(yàn)常數(shù)，其值取決于試驗(yàn)條件，加載方式和材料特性等，n 也稱(chēng)為坡度系數(shù)；

σ為每次施加于試件的常量應(yīng)力的最大幅度，MPa；

σf為瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度。

3 瀝青混合料抗疲勞性能評(píng)價(jià)

采用控制應(yīng)力彎曲疲勞試驗(yàn)對(duì)AC-13瀝青混合料進(jìn)行抗疲勞性能評(píng)價(jià)，AC-13確定瀝青混合料抗疲勞性能。

3.1 試驗(yàn)材料

3.1.1 集料

粗集料采用石灰?guī)r碎石，細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，所采用的集料均滿足相關(guān)技術(shù)要求。

3.1.2 瀝青

采用Shell Pen60/80瀝青，對(duì)瀝青按JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求的性能指標(biāo)檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)瀝青性能指標(biāo)滿足相關(guān)技術(shù)要求。

3.2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

分別對(duì)AC-13瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定瀝青混合料的集料用量比例和最佳油石比。

3.2.1 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

礦料級(jí)配設(shè)計(jì)采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求，確定的AC-13瀝青混合料的集料用量比例為：

10～15mm碎石：5～10mm碎石：機(jī)制砂= 35%：23%：42%

3.2.2 最佳油石比確定

按照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的瀝青混合料最佳油石比確定方法，確定AC-13瀝青混合料的最佳油石比為為5.0%。

3.3 抗疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 Pen60/80的AC-13瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

采用PLS疲勞試驗(yàn)機(jī)以控制應(yīng)力簡(jiǎn)支梁彎曲疲勞試驗(yàn)對(duì)Pen60/80的AC-13型瀝青混合料抗疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

試件尺寸：采用車(chē)轍成型儀成型300mm×300mm×50mm的板狀試件，然后沿碾壓成型方向切割出240mm×50mm×50mm的小梁試件。

試驗(yàn)條件：試驗(yàn)溫度15℃，加載頻率10Hz，跨徑20cm，采用應(yīng)力控制三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，根據(jù)不同應(yīng)力比下的疲勞破壞數(shù)據(jù)，繪制加載次數(shù)和變形曲線。

AC-13瀝青混合料小梁彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果平均破壞荷載為2.63kN，抗彎拉強(qiáng)度為6.312 MPa；

AC-13瀝青混合料的小梁疲勞試驗(yàn)結(jié)果如下：

疲勞作用次數(shù)：212、347、2188、3447、19935；

相應(yīng)應(yīng)力比：0.6、0.5、0.3、0.2；

相應(yīng)對(duì)數(shù) ：2.326、2.540、3.340、3.537、4.300。

AC-13瀝青混合料的小梁疲勞彎曲疲勞方程如下：

疲勞方程：y = -0.1945x + 1.0241R2= 0.9633

疲勞方程參數(shù)及相關(guān)系數(shù) ：k=10.57n=0.1945R2= 0.9633

以疲勞次數(shù)的對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，應(yīng)力比為縱坐標(biāo)，繪制AC-13瀝青混合料的疲勞曲線圖如下圖1。

圖1 AC-13瀝青混合料對(duì)數(shù)坐標(biāo)回歸疲勞方程曲線

3.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

1） AC-13瀝青混合料的疲勞次數(shù)服從標(biāo)準(zhǔn)疲勞方程模式，滿足疲勞性能要求。疲勞次數(shù)都隨著應(yīng)力水平的增加而呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，說(shuō)明車(chē)輛輪載的增加，對(duì)路面耐久性的破壞很明顯，因此進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮擬建道路的交通組成特點(diǎn)，尤其是對(duì)于重載車(chē)輛的破壞作用要有較準(zhǔn)確的判斷，防止路面由于超載而使疲勞壽命大大降低。

2）疲勞方程的參數(shù)k值可以稱(chēng)為疲勞擴(kuò)大系數(shù)，k值越大，說(shuō)明疲勞壽命越長(zhǎng)，n可以稱(chēng)為速度系數(shù)，該值越大，說(shuō)明疲勞次數(shù)隨著應(yīng)力水平的增加衰減的速度越快，耐久性能良好的混合料的疲勞方程一般具有k值較大，n值較小的特點(diǎn)。

4 結(jié)論

通過(guò)研究現(xiàn)有的瀝青混合料疲勞試驗(yàn)方法，本論文采用現(xiàn)象學(xué)法中的控制應(yīng)力簡(jiǎn)支梁彎曲疲勞試驗(yàn)法，對(duì)AC-13瀝青混合料進(jìn)行抗疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，AC-13瀝青混合料的疲勞次數(shù)服從標(biāo)準(zhǔn)疲勞方程模式，滿足疲勞性能要求，提出應(yīng)將疲勞破壞試驗(yàn)、指標(biāo)作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

[1]公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程JTJ052—2000.北京：人民交通出版社，2000.

[2]公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范JTJF400—2004.北京：人民交通出版社，2004.

[3]公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范JTJD50—2006.北京：人民交通出版社，2006.

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[6]田小革，呂松濤，鄭健龍.瀝青混合料的疲勞效應(yīng)研究[J].公路交通科技，2005（10）.