瀝青路面下面層施工空隙率對疲勞性能的研究

李 泉

（廣州市公用事業技師學院，廣東廣州 510100）

0 引言

首先分析現場壓實度與馬歇爾密度控制的壓實度K1、最大理論密度標準控制的壓實度K2和路面實際空隙率的關系。見表1所列。

表1 壓實度與路面實際空隙率對比表（單位：%）

路面實際空隙率與設計空隙率并不是同一事物，設計空隙率的性能在實驗室取得了驗證，然而路面實際空隙率的相關性能卻不得而知，值得繼續研究。例如：傳統滿足壓實度98%作為交工檢查和質量驗收的標準，是否考慮到具體的瀝青混合料性能。

關于疲勞性能的研究，國內多以疲勞方程為“橋梁”，研究疲勞性能的影響因素及這些因素對疲勞性能的影響，比如瀝青類型、混合料類型及溫度等。國內的疲勞方程已廣泛應用，疲勞方程的成立是基于相同的瀝青混合料結構，包括相同原材料和相似空隙構造。

通過試驗得出相應的疲勞方程卻不是一件很簡單的工序，它不僅耗時，而且反復無常的變異性讓人捉摸不定。疲勞試驗中，變異性的存在是必然的，也是正常的。一般通過室內疲勞試驗得出疲勞方程的過程中，有兩個引起疲勞次數變異性大的關鍵環節，一個是儀器本身的特性，良好敏感的儀器對試驗數據的真實性是有很大幫助的，不過對于試件疲勞性能影響因素來講，它屬于外因。另一個是試件本身，通過輪碾法進行切割得到的小梁試件存在著空隙率不均的事實，即使同一個板切割成的試件也有著相當大差異，而事實上，空隙率對疲勞次數的影響非常顯著，這必然導致數據變異性過大。

瀝青混合料的疲勞性能與空隙率有著密不可分的聯系，有試驗結果表明[2-3]，混合料的疲勞壽命隨著空隙率的降低而顯著地增長。調節瀝青混合料的空隙率通常有兩種方法。一種是通過級配的調整，調節混合料填料用量和油石比，來改變空隙率，這種方法達到的效果較好，而且對疲勞效果影響比較大，具體規律見圖1所示。

圖1 空隙率對瀝青混合料疲勞壽命影響曲線圖

另一種則是對設計完后的瀝青混合料進行不同的施工壓實質量來調節瀝青混合料空隙率，這也是本文研究的主要方向。

本文基于西-銅高速下面層ATB-30，通過施工空隙率為變量的疲勞試驗，分析施工空隙率與疲勞性能的相關性。

1 原材料

1.1 瀝青原材料

瀝青檢測結果見表2所列。

表2 瀝青種類、技術要求及檢測結果一覽表

1.2 其他原材料（見表3～表5）

表3 石灰巖粗集料試驗指標與技術要求一覽表

表4 細集料的試驗指標與技術要求一覽表

表5 礦粉的試驗指標與技術要求一覽表

2 下面層級配組成及路用性能驗證

2.1 級配組成及馬歇爾試驗

參考《公路瀝青路面施工技術規范》中表5.3.2-5[4]關于密級配瀝青碎石混合料的礦料級配范圍，得出西-銅高速下面層采用的級配組成如表6所列和圖2所示。

ATB-30馬歇爾試驗的結果如表7所列。

由表7的結果可知，選擇油石比為3.3%作為生產配合比的最佳油石比。

2.2 路用性能驗證

各性能檢測結果見表8所列。

各性能結果都滿足規范要求，因此可進行瀝青混合生產和施工。

3 空隙率與疲勞性能研究

3.1 試驗方法和評價指標選擇

縱觀材料研究領域，疲勞試驗的方法雖然有很多，歸納起來可以分為兩大類，一類是真實的模擬實際路面來進行疲勞試驗，像美國著名的AASHO試驗路，環道試驗和加速加載試驗等。另一類是簡化的模擬實際路面來進行疲勞試驗，比如試驗板試驗法和試驗室小型試件的疲勞試驗。迄今為止，國內沒有將某疲勞試驗方法作為標準試驗方法納入規范，主要是以簡單的彎曲試驗為主。簡單彎曲試驗包括中點加載或三分點加載、旋轉懸臂梁和梯形懸臂梁，該項試驗采用三分點加載模式進行疲勞試驗。

該項疲勞試驗的目的并不是通過對比瀝青混合料的疲勞方程中參數的優劣來分析瀝青混合料疲勞性能，而是重點分析因施工質量導致的施工空隙率變化對混合料疲勞性能的影響。

3.2 試驗方案設計

為了獲得不同空隙率的疲勞試驗試件，在該項試驗中，首先采取不同碾壓次數成型車轍板，再通過切割，即可得到不同空隙率的小梁試件。疲勞試驗有兩種控制模式，應力控制模式和應變控制模式。有試驗表明[5]：通過APA疲勞試驗（SHRP研制開發的一種往返輪載試驗裝置的瀝青路面分析儀）得出的試驗結果，與彎曲疲勞試驗中采用應力控制模式下的疲勞試驗結果是一致的。因此，該項疲勞試驗采用控制應力模式。

表6 ATB-30級配組成表

圖2 ATB-30級配組成曲線圖

表7 ATB-30馬歇爾試驗結果數據表

表8 路用性能驗證結果一覽表

為了控制疲勞試驗結果的變異程度，該項試驗采用統一的試件尺寸（40 mm×40 mm×250 mm）、加載波形和頻率（10HZ連續式半正矢波形）和試驗溫度（15℃±1℃）。試驗儀器為MTS-810，試驗儀器與過程見圖3和圖4所示。

進行疲勞試驗時，必須首先確定關鍵參數即應力比。查閱相關資料可知，一般情況下，通過疲勞試驗進行疲勞方程擬定時常用到的應力比范圍為0.2～0.6，但該項試驗并不是為了得出ATB-30的疲勞方程，而是為了研究施工孔隙率對疲勞性能的影響，所以在設定應力比時有所不同。由于混合料疲勞性能的優劣主要由材料內部結構所決定，鑒于該項試驗研究的目的，同時考慮到疲勞試驗周期長，最終僅選用應力比為0.4來開展疲勞試驗。

圖3 疲勞試驗儀器實景

圖4 疲勞試驗過程實景

控制應力比為0.4，不同空隙率的ATB-30試件的疲勞試驗結果匯總于表9。

3.3 瀝青混合料空隙率與疲勞性能的相關分析

將表9中的實驗結果繪于圖5。

分析圖5可知，空隙率與疲勞壽命的關系規律與圖1是一致，即隨著混合料空隙率減小，混合料內部結構更加密實，瀝青混合料的疲勞壽命增大。由于該項試驗采用的應力比較大，反映出相比圖1中空隙率對疲勞次數的影響，施工壓實質量導致的空隙率變化對疲勞壽命的影響程度在數量級上有所降低。此外，K.D.Raithy&A.B.Sterling通過試驗認為，行車的補充壓實作用能使試件在25℃時的疲勞壽命大致增長3倍[3]，因此，通過適當提高壓實度能增大瀝青混合料的疲勞性能的。提高壓實度要配合好施工的各個環節，比如溫度控制等。當溫度降低后，單純增加壓實功能對提高壓實度沒有幫助，反而容易造成集料的破損，導致內部結構變化。

表9 應力比為0.4的疲勞試驗結果一覽表

圖5 空隙率對ATB-30疲勞壽命影響圖示

通過得出施工空隙率對疲勞性能的影響規律，可指導施工工藝。同時根據規律人們可知，傳統滿足壓實度98%的實際空隙率的疲勞性能會低于設計空隙率，因此，可適當增大壓實度，減小施工空隙率，來提高瀝青混合料的疲勞性能。

4 結論

（1）傳統瀝青混合料在設計和施工兩者存在相脫節現象，設計無法指導施工，施工不能反映設計。對此，本文以空隙率為橋梁，嘗試通過施工空隙率來反映施工后瀝青混合料的性能。

（2）針對不同施工質量導致的不同空隙率的瀝青混合料小梁試件進行了大量疲勞試驗。試驗表明，隨著混合料空隙率減小，混合料內部結構更加密實，瀝青混合料的疲勞壽命增大。

[1]李泉.西-銅高速全壽命瀝青路面材料設計與施工一體化研究[D].2011.

[2]公路技術資料（11），公路柔性路面疲勞問題[M].北京：人民交通出版社，1979.

[3]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]JTG F40—2004，公路瀝青路面施工技術規范[S].

[5]饒奇志，葉會，張亮，李闖民.大粒徑瀝青混合料疲勞試驗研究[J].中外公路，2010，（2）.