抗裂型瀝青穩定碎石的雙面剪切疲勞性能研究

田小革， 韓海峰， 李新偉， 張起森， 李 燁(.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 404； .廣州市高速公路有限公司， 廣東 廣州 5088)

中國瀝青路面結構多采用半剛性基層.與柔性基層相比，半剛性基層雖然較為經濟且能夠提供足夠的承載能力，但在行車荷載和溫度荷載的綜合作用下易引起瀝青面層的開裂.陳璟等[1-3]研究表明，在半剛性基層與瀝青混凝土底面層間設置1層瀝青穩定碎石(ATB)可起到延緩反射裂縫產生的效果，但其抗反射裂縫的效果與瀝青穩定碎石的性能有關.由于中國現行規范中推薦的ATB-25級配范圍太寬，在實際使用中有些工程的效果并不理想[3].因此，提高ATB的抗反射裂縫能力對于保證瀝青路面的路用性能和使用壽命具有重要意義.在半剛性基層開裂的條件下，裂縫處的瀝青穩定碎石層可同時承受行車荷載產生的彎拉作用和剪切作用.李立寒等[4]研究了泡沫瀝青穩定碎石混合料圓柱體試件的壓縮疲勞特性；李駿[5]通過小梁彎曲疲勞試驗研究了ATB-30的抗疲勞性能；陳飛等[6]通過四點彎曲疲勞試驗研究了3種ATB的抗疲勞性能；賈水彩等[7]通過三點彎曲疲勞試驗研究了瀝青穩定碎石的抗疲勞性能.但是以上研究均未涉及到瀝青穩定碎石的抗剪切疲勞性能.

本文優化設計了粗集料間斷半開級配的瀝青穩定碎石(ATB-25)，通過雙面剪切試驗和雙面剪切疲勞試驗，研究其抗剪切疲勞性能，并建立p-S-N型的疲勞方程.

1 原材料與級配設計

1.1 原材料

瀝青采用東莞泰和瀝青有限公司生產的SBS-I-D改性瀝青，其技術指標見表1.粗細集料均為石灰巖石料，礦粉由石灰巖集料加工而成，其技術指標均滿足技術要求.

1.2 粗集料間斷半開級配瀝青穩定碎石的級配設計

為提高ATB-25的抗裂性能，在進行級配設計時，考慮了如下級配優化原則：(1)采用粗集料骨架結構的級配，以提高ATB的抗永久變形能力；(2)為保證骨架結構的穩定性，避免中間粒徑集料對已形成的粗集料骨架結構的干涉作用，間斷4.75mm 或9.5mm 粒徑的集料；(3)為提高其抗裂能力，可適當增加其空隙率(體積分數)，采用控制空隙率為8%～10%的半開級配；(4)針對增大空隙率可能影響粗集料間的黏結性能問題，采用改性瀝青來增強集料間的黏結.

表1 SBS-I-D改性瀝青技術指標Table 1 Technical indexes of modified asphalt binder SBS-I-D

基于上述級配優化思想，采用體積設計法[8]確定ATB-25的級配(見表2)，按照文獻[9]，采用大型馬歇爾法確定其最佳瀝青用量(質量分數)為4.6%.

表2 粗集料間斷半開級配瀝青穩定碎石ATB-25級配Table 2 Gradation of coarse aggregate gapped and semi-opened ATB-25

2 ATB-25雙面剪切疲勞試驗

2.1 試驗方案

成型ATB-25混合料車轍板試件，將其切割成300mm×80mm×80mm的梁式試件，采用如圖1所示的加載模式進行單向雙面剪切疲勞試驗.該加載裝置將梁式試件分成等長的3部分，其中左右兩部分用鋼板和螺栓固定，在中間部分的上表面放置1塊鋼片進行加載，使其在試件中部的兩側截面處產生剪切，形成雙面剪切.

圖1 雙面剪切疲勞試驗Fig.1 Double sides shear fatigue test

雙面剪切疲勞試驗采取控制應力的疲勞加載模式，應力比S分別為0.1，0.2，0.3，0.4和0.5，荷載波形為半正弦波荷載，加載頻率為10Hz，試驗溫度為15℃.考慮到疲勞試驗結果會有較大的離散性，每個應力比做8個平行試驗.

2.2 抗剪強度

取同一批的3根梁式試件進行了加載速率為5mm/min 的雙面剪切試驗，得到了ATB-25梁式試件的雙面剪切強度(見表3)，以此作為剪切疲勞試驗的控制強度.

表3 ATB-25梁式試件的雙面剪切強度Table 3 Double-side shear strength of ATB-25 beam samples

2.3 剪切疲勞破壞標準

試件的剪切疲勞過程主要分為壓密、穩定變形與破壞3個階段.破壞階段時試件的變形量劇增，是試件發生疲勞破壞的征兆.因此，將穩定變形階段與破壞階段的拐點作為試件產生剪切疲勞破壞的臨界點，此時的疲勞荷載作用次數作為剪切疲勞壽命Nf.

2.4 剪切疲勞試驗結果

對ATB-25梁式試件按前述試驗方案設定的試驗條件，進行了不同應力比下的雙面剪切疲勞試驗(每種應力比下各進行8次試驗)，得到相應的剪切疲勞壽命(見表4).

表4 不同應力比下ATB-25梁式試件的疲勞壽命Table 4 Fatigue lives under different stress ratio of ATB-25 beam samples

由表4可知，ATB-25梁式試件的剪切疲勞壽命具有一定的離散性，且應力比越小，離散性越大；應力比對ATB-25梁式試件的疲勞壽命具有顯著影響，隨著應力比的降低，其疲勞壽命大幅增加.

3 考慮失效概率的雙面剪切疲勞方程

由于ATB-25梁式試件的疲勞壽命具有一定的離散性，若單純采用應力-壽命(S-N)曲線來表征其疲勞壽命，通常只有50%左右的保證率[10]，因此，本文將剪切疲勞壽命當作隨機變量，以概率統計的形式合理準確地描述壽命分布情況，建立包含失效概率p的概率型(p-S-N型)疲勞方程.

由于Weibull分布是根據最弱環節模型或串聯模型得到的，能充分反映材料缺陷和應力集中源對材料疲勞壽命的影響，且具有比對數正態分布更大的適用性[10]，所以本文選用Weibull分布模型來分析ATB-25梁式試件的剪切疲勞壽命.

表5 不同應力比下Weibull分布參數的回歸關系Table 5 Parametric regression in Weibull model under different stress ratio

表6 不同失效概率下ATB-25梁式試件的疲勞壽命Table 6 Fatigue lives of ATB-25 beam samples under different failure probability cycle times

采用雙對數方程lnN-lnS對表5中數據進行回歸，得到包含失效概率p的剪切疲勞方程：

lnN= (0.4342p2-0.4616p-3.0416)×lnS+

(-0.6557p2+0.6956p+2.0418)

4 結論

(1)ATB-25梁式試件的剪切疲勞破壞過程可分為壓密、穩定變形和破壞3個階段.

(2)應力比對ATB-25梁式試件的剪切疲勞壽命具有顯著影響，隨著應力比的降低，ATB-25梁式試件的疲勞壽命逐漸增加.

(3)ATB-25梁式試件的剪切疲勞壽命具有較大的離散性，服從雙參數Weibull分布.

(4)建立了包含失效概率p在內的p-S-N型式的剪切疲勞方程：

lnN= (0.4342p2-0.4616p-3.0416)×lnS+

(-0.6557p2+0.6956p+2.0418)

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