高模量瀝青混合料疲勞性能試驗研究

道路工程

李慶國1，王　偉2

(1.唐山市交通建設質量監督處；2.天津市市政工程研究院)

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高模量瀝青混合料疲勞性能試驗研究

道路工程

李慶國1，王偉2

(1.唐山市交通建設質量監督處；2.天津市市政工程研究院)

摘要：采用控制應力的方式進行三分點加載的彎曲試驗對不同級配、不同油石比、不同舊料摻量下的高模量瀝青混合料疲勞特性進行了試驗研究。試驗結果表明：接近AC-20中值的級配C疲勞性能最優；隨著油石比的增大，高模量瀝青混合料的疲勞性能不斷提升；摻加舊料后，高模量瀝青混合料的疲勞性能有所降低。隨著舊料摻量的增加，混合料的疲勞性能先提高后降低，在舊料摻量為40%時達到最優。

關鍵詞：道路工程；高模量；疲勞性能；舊料摻量

0引言

20世紀以來，各國都在努力的探索新的瀝青混合料設計理念和設計方法，其中以法國LCPC基于性能指標設計的高模量瀝青混凝土最為突出，瀝青路面高模量化已經成為改善瀝青路面性能的有效途徑和發展方向。而法國高模量瀝青混凝土(EME2)具有動態模量高(動態模量≥14 000 MPa)，抗疲勞性能好(ε6≥130 με)的雙重特點。疲勞性能的優劣是高模量瀝青混合料的重要標志，改善高模量瀝青混凝土材料自身的疲勞性能，是保證高模量瀝青混凝土路面的疲勞壽命不受影響的必要條件。因此，疲勞特性的研究對于將高模量瀝青混合料成功應用于道路設計和評定的過程中具有重要的意義。

1疲勞試驗條件和數據處理方法

(1)試件成型

成型方法和試件尺寸：按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)中T0703-93規定的輪碾壓實并切割成小梁的方法成型試件，試件尺寸為40.0 mm×40.0 mm×250 mm；平行試驗試件個數：4根。

(2)試驗條件

在制得小梁試件后，首先進行15 ℃的小梁彎曲試驗得到破壞荷載P的大小，以確定小梁彎曲疲勞試驗的加載量P1，然后進行小梁彎曲疲勞試驗。試驗條件如下：

試驗設備： MTS材料試驗機；加載方式：三分點加載；控制方式：控制應力；應力水平：0.2、0.3、0.4；加載波形和頻率，連續式半正弦荷載，10 Hz；試驗溫度：15 ℃；間歇時間：0 s。

(3)數據處理方法

lgNf=lgk-nlg(σ/S)

(1)

式中：Nf為瀝青混合料疲勞壽命；σ/S為不同的應力水平；k、n為試驗常數，根據試驗條件、加荷方式和材料特性來決定。

在Nf-σ/S雙對數曲線中，lgk表示雙對數線性方程中直線與縱坐標截距，lgk越大表示混合料在低應力比下疲勞壽命越高；n值表示瀝青混合料疲勞壽命隨荷載增大而衰減程度，n值越大表示疲勞壽命隨應力比的增長降低速度越快。

2原材料和礦料級配曲線

本文采用40%BRA布敦巖瀝青，干拌法摻入作為高模量瀝青混合料的粘結料。級配曲線如圖1所示，集料的各項性能均符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)的標準要求，通過逐檔篩分可使混合料級配同設計級配相吻合，減小設計過程中由于級配差異對混合料性能的影響。

圖1　設計級配曲線

需要指出的是，圖1中AC-20為我國規范規定的AC-20級配范圍的中值，EME-20為法國規范使用的級配范圍中值。由圖2可知，四條級配曲線依次變粗，級配A和級配B參照法國設計規范設計，級配A達到法國設計規范上限，級配B接近法國規范下限，由于法國規范中篩孔尺寸與我國的差異，級配A和級配B在設計過程中按照差分法確定我國篩孔尺寸通過率；級配A和級配B4.75 mm通過率分別達到59.8%和47.1%，0.075 mm通過率均超過6%，這與法國高模量瀝青混合料設計過程中采用低空隙率(VV約為3%)，高油石比(油石比約為5.5%~6.5%)而形成的密實結構相吻合，能夠滿足混合料抗高溫變形能力，同時由于瀝青含量較高，混合料的抗低溫開裂及疲勞性能均可得到保證。級配C接近AC-20中值，級配D接近我國規范下限，4.75 mm通過率分別為41.2%和30.8%，粗集料含量均超過50%，均為粗型密級配混合料，混合料中可形成部分骨架結構，高溫性能得到保證，但由于空隙率較高、油石比較低使混合料抗低溫開裂性能、抗水損害及疲勞性能不能得到有力保證，有待于進一步驗證。

3不同級配下高模量瀝青混合料疲勞性能

采用圖1中所示的級配曲線，得到不同設計級配瀝青混合料的疲勞曲線如圖2所示。

圖2　不同設計級配的疲勞曲線

由圖2可知，四種級配瀝青混合料在雙對數坐標下均呈線性變化，四種混合料在應力比為0.2時疲勞壽命從大到小排序為：級配D>級配A>級配C>級配B，隨著應力比不斷增加，混合料疲勞壽命呈不同規律變化，級配C減小速度最慢，級配D減小速度最快。

表1　不同設計級配的疲勞方程

對應力比和疲勞壽命取雙對數，建立雙對數曲線，通過曲線擬合分別得出各級配瀝青混合料的與n值如表1所示。由表1可知，級配B與級配C的值較另兩種混合料大，而n值是級配A與級配D的30%左右，隨著應力的增大疲勞壽命衰減程度很小，可適用于重載車輛較多的道路。因此，對四種級配瀝青混合料疲勞性能從優到差排序為：級配C>級配B>級配A>級配D。

4不同油石比下高模量瀝青混合料疲勞性能

油石比是影響高模量瀝青混合料疲勞性能的重要影響因素。為此，選取級配C作為目標級配，對4.0%、4.5%、5.0%、5.5%四種油石比下的高模量瀝青混合料的疲勞性能進行研究。

圖3　不同油石比下的疲勞曲線

表2　不同油石比下的疲勞方程

由表2及圖4可知，高模量瀝青混合料疲勞性能隨油石比增加得到迅速改善，當油石比由4.0%增至4.5%時，值由1.829 9增至2.749 7，疲勞曲線線位得到提升，疲勞壽命得到很大提高，n值由3.336 5降至2.400 6，疲勞壽命衰減幅度減緩，整體疲勞壽命得到改善。隨著油石比的繼續增大，疲勞壽命繼續得到提升，但整體改善幅度不大。

5不同舊料摻量下高模量瀝青混合料疲勞性能

選取級配C作為目標級配，在4.0%油石比下依次對20%～80%舊料摻量下的熱再生高模量瀝青混合料的疲勞性能進行研究。

由表3及圖4可知，未摻加舊料的混合料值最大、n值最小，表明在應力較小情況下，混合料具有較高疲勞壽命，隨著荷載應力的增加疲勞壽命減小速度較慢；當舊料摻量增加后，值和n值均呈現不同的變化規律，值隨舊料摻量的增加，先增加后減小，舊料摻量為40%時達到最大，但此時的n值也最大，疲勞壽命隨荷載應力的增加減小速度最快；n值隨舊料摻量的增加先減小后變大，在舊料摻量為40%時達到最小值，而且此時的值也最小，因此，在該舊料摻量下，混合料的疲勞性能最優。

圖4　不同舊料摻量下的疲勞曲線

表3　不同舊料摻量下的疲勞方程

6結論

(1)對比研究四種級配高模量瀝青混合料的疲勞性能，發現級配C的疲勞性能最優，而級配C接近我國規范AC-20中值，說明采用我國規范AC-20級配配制高模量瀝青混合料能夠得到較好的抗疲勞性能。

(2)對比研究不同油石比下的高模量瀝青混合料的疲勞性能，發現隨著油石比的不斷增大，混合料的疲勞壽命不斷提升。

(3)摻加舊料后，高模量瀝青混合料的疲勞性能有所降低。隨著舊料摻量的增加，混合料的疲勞性能先提高后降低，在舊料摻量為40%時達到最優。

參考文獻：

[1]陳順福，韓東萍，延西利．法國瀝青混合料設計方法[J].國外公路，2000，(6)：49-52.

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[4]潘學政,拾方治.泡沫瀝青冷再生混合料疲勞性能的探討[J].公路交通科技，2007,24(8)：19-26.

The Experimental Study on Fatigue Performance

of Asphalt Mixtures of High Modulus

LI Qing-guo1，WANG Wei2

(1. Tangshan City Transport Construction Quality Supervision Department；

2.Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute)

Abstract:The different gradations and aggregate ratio, the fatigue properties of high modulus asphalt old material content under different mixes were tested by thirds point bending test on the way to control stress. The results showed that: the gradation C closed to the AC-20 C values is optimal fatigue performance; With the increase of aggregate ratio, the fatigue properties of high modulus asphalt mixture is increased. The fatigue performance of high modulus asphalt mixture decreased by mixing old material. With increasing content of old material, the fatigue properties of the mixture of first increased and then decreased ,and the old material dosage of 40% become to achieve optimal.

Key words:road engineering; high modulus; fatigue performance; content of old material; asphalt mixture

作者簡介：李慶國(1968-)，男，高級工程師。

收稿日期：2015-04-07

中圖分類號：U416. 217

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2015)08-0001-02