瀝青穩定碎石抗疲勞性能研究

楊小斌，張素蘭，賈水彩

(1.焦作市公路管理局規劃勘察設計院;2.漯河市泰贏路橋工程有限公司)

1 原材料及級配組成

1.1 瀝青

研究采用70#瀝青，其技術性能指標如表1。粗、細集料和填料均采用石灰巖加工而成，其性能技術指標均符合要求。

1.2 級配組成

選擇《規范》中ATB-30，ATB-25，采用 Superpave設計法設計SUP-25和SUP-30和貝雷法設計級配BLF-25和BLF-30六種級配作為試驗級配，如表2。

表1 瀝青性能指標

表2 試驗級配

2 試驗方法

研究采用三分點加載方法，應力控制的彎曲疲勞試驗方法對六種級配進行抗疲勞性能研究。對新拌瀝青混合料采用輪碾方法成型300 mm×300 mm×100 mm尺寸的板狀試件，切割為40mm×40mm×250 mm的梁形試件。采用美國產MTS閉環液壓伺服系統試驗機進行試驗，整個試驗過程可通過程序進行控制，試驗數據由計算機自動采集。試驗控制溫度為15℃，在恒溫水箱中保溫1 h，采用應力控制方式，三分點施加頻率為10 Hz的半正弦波形重復荷載。

3 數據分析

根據不同疲勞應力和疲勞壽命繪制雙對數坐標圖，并進行線性回歸，所回歸直線的截距k和斜率n為材料疲勞性能的重要參數，并以此作為瀝青碎石混合料抗疲勞性能參數。對六種級配的瀝青碎石進行疲勞試驗。

3.1 n值對比分析

六種瀝青碎石的n值試驗結果對比如圖1，圖2所示。

圖1 不同混合料類型下的n值

圖2 不同最大公稱粒徑下的n值

由圖1可知，對于三種瀝青碎石而言，公稱粒徑為31.5 mm的混合料n值大于公稱粒徑為26.5mm的對應值，公稱粒徑為31.5 mm的混合料疲勞曲線斜率較公稱粒徑為26.5 mm的大，故公稱粒徑為31.5 mm的混合料的疲勞壽命對應力水平變化最敏感，而公稱粒徑為26.5 mm的混合料疲勞壽命對應力水平變化敏感度較小。這主要是因為連續密級配瀝青混合料中的細集料含量相對較高，瀝青用量較大，故混合料的勁度模量較大，在荷載應力作用下的應變較小，疲勞破壞的次數就會增加，壽命延長，抗疲勞性能好;骨架密實結構的混合料中粗集料相互嵌擠，其勁度模量較低，在外在應力作用下其應變較大，尤其是應力水平較大時應變增加更快，故此時的疲勞曲線斜率較大，抗疲勞性能較差。

圖2中的數據表明，對于公稱最大粒徑為26.5 mm的混合料，其 n值的由大到小排序為 ATB-25、SUP-25、BLF-25，但ATB-25與SUP-25的對應n值大小差距不大，由此可知兩者的疲勞曲線斜率相當，而BLF-25的斜率較兩者小，故ATB-25和SUP-25的疲勞壽命對應力水平較BLF-25敏感;對于最大公稱粒徑為31.5 mm的混合料，n值的由大到小為SUP-30、ATB-30、BLF-30，ATB-30與BLF-30的n值相當，而SUP-30的n值較大，與兩者相比提高了約30%，故此時SUP-30混合料的疲勞對應力敏感度最大，而ATB-25和BLF-25混合料疲勞性能對應力的敏感度較小。

3.2 k值對比分析

對六種瀝青碎石進行疲勞試驗，分析疲勞與應力的曲線得k值試驗結果對比如圖3，圖4所示。

圖3 不同混合料類型下的k值

圖4 不同最大公稱粒徑下的k值

圖3可知，公稱最大粒徑對混合料的k值影響較大，公稱最大粒徑為31.5 mm的混合料k值大于公稱最大粒徑為26.5 mm的對應值，對于ATB、SUP、BLF三種不同級配設計方法，公稱最大粒徑為31.5 mm的k值為公稱最大粒徑為26.5 mm 的混合料對應值的 6.3、4.7、6.2 倍。公稱粒徑31.5mm混合料疲勞曲線線位較高，而公稱粒徑26.5 mm的混合料疲勞曲線線位較低。由此表明，較大公稱粒徑的混合料疲勞性能較強。

圖4為不同最大公稱粒徑下混合料的k值，對于公稱最大粒徑為31.5 mm和26.5 mm的混合料而言，SUP類型混合料對應的k值較大，為ATB和BLF類型4倍以上;ATB和BLF類型混合料的k值大小相當。由于SUP類型混合料的疲勞曲線線位較高，故其疲勞性能較好，而ATB和BLF類型混合料的疲勞性能相對較小。這主要是因為SUP類型的瀝青碎石混合料采用SGC的壓實標準成型試件，空隙率較低，由于較大空隙率的混合料內部存在較多的潛在薄弱面，故較低的空隙率能夠提高混合料的抗疲勞性能，在彎曲應力的作用下裂縫發展較慢，疲勞壽命提高。

4 影響因素方差分析

4.1 n值的方差分析

為進一步分析試驗數據的規律性，對影響n值的因素進行數理統計方差分析，兩種因素分別為級配類型(A)和公稱最大粒徑(B)，計算結果如表3。

給定顯著性水平 α =25%、10%，F0.25(2，2)=3.00，F0.1(2，2)=9.0，F0.25(1，2)=2.57，F0.1(1，2)=8.53，0.25(3，2)=3.15，F0.1(3，2)=9.16，比較 FA＞ 3.00 ，FB＜2.57，FI＜3.15。依據二元方差分析的結果，級配設計方法對n值影響顯著，而公稱最大粒徑影響較小，級配設計方法和公稱最大粒徑的交互作用對n值的影響不顯著。

表3 n值二元方差分析表

4.2 k值的方差分析

分析級配類型(A)和公稱最大粒徑(B)兩種因素對k值的影響，方差分析表如表4。

表4 k值二元方差分析表

給定顯著性水平 α =25%、10%，F0.25(2，2)=3.00，F0.1(2，2)=9.0，F0.25(1，2)=2.57，F0.1(1，2)=8.53，F0.25(3，2)=3.15，F0.1(3，2)=9.16 比較 FA＞ 3.00 ，FB＜2.57，FI＜3.15。依據二元方差分析的結果，級配設計方法對k值影響顯著，而公稱最大粒徑影響較小，級配設計方法和公稱最大粒徑的交互作用對k值的影響不顯著。

5 結論

(1)瀝青穩定碎石混合料抗疲勞性能受設計方法影響較大，采用Superpave法設計的混合料抗疲勞性能最好，但對應力的變化較為敏感;依據《規范》推薦的級配中值混合料抗疲勞特性與采用貝雷法設計的混合料的抗疲勞特性相當，前者略大于后者，但采用貝雷法設計的混合料對荷載應力的敏感度最小。

(2)對比不同公稱最大粒徑混合料的抗疲勞性能可得，最大公稱瀝青為31.5 mm的混合料較公稱粒徑為26.5 mm的混合料對應值大;粒徑較小、細集料含量較高、均勻密實的混合料抗疲勞性能較好。

(3)采用二元方差分析設計方法和粒徑對疲勞參數n值和k值的影響程度分析可得，設計方法對n值和k值有顯著性影響，而公稱最大粒徑及其與設計方法的交互作用對n值和k值影響較小。

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