基于耗散能法的富油瀝青下面層疲勞性能試驗研究

劉，劉力源

（1.山西交通科學研究院集團有限公司，山西 太原 030006；2.山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

柔性基層瀝青路面具有良好的耐久性能，契合長壽命路面的特點，在許多國家得到應用，而在我國應用甚少。在超載和重載行車條件下，由于柔性基層與半剛性基層相比具有更小的模量，柔性基層瀝青路面的面層層底將承受更大的拉應力或拉應變，同時，路基頂面也承受較大的豎向壓應力或壓應變。因此，和半剛性瀝青路面相比，柔性瀝青路面下面層更容易出現疲勞開裂，這對柔性瀝青路面的下面層提出了更高的抗疲勞性能要求[1-2]。如果能提升下面層瀝青混合料的疲勞性能，就可以改善整個結構層的耐久性，使柔性基層瀝青路面更加長壽。

目前，改善瀝青混合料疲勞性能有以下方法：使用橡膠瀝青、添加纖維、調整集料關鍵篩孔的通過率。除此之外，通過調研國外的研究成果，發現富油層是面向疲勞性能而提出的一種新型結構與材料設計[3-4]。所謂“富油”就是在最佳油石比的基礎上提高瀝青用量，從而使瀝青路面底層更加密實，其疲勞壽命得以延長。本研究將通過四點彎曲疲勞試驗，利用耗散能法分析瀝青含量對瀝青層的疲勞性能影響規律，從而為工程應用提供指導。

1 四點彎曲疲勞試驗

1.1 試件成型方法

利用更加貼近實際施工環境的剪切壓實方法成型不同油石比的AC-20 試件。油石比暫定為4.5%、4.7%。剪切壓實儀可以根據空隙率設置壓實終止條件，采用5%的空隙率作為終止條件。每組試驗制作4 個試件（分別編號 1、2、3、4）。圖 1 為剪切壓實成型儀，圖2 為3 種不同油石比的AC-20 試件，試件尺寸為（380±5）mm、（63±5）mm、（50±5）mm。

圖1 剪切壓實成型儀

圖2 3種不同油石比的AC-20試件

1.2 試驗過程

試驗設備采用UTM（universal testing machine）和氣動式四點彎曲小梁疲勞試驗裝置，如圖3 所示。

圖3 Universal Testing Machine

四點彎曲疲勞試驗采用三分點加載方式，對小梁試件進行連續振動加載，通過對勁度模量、耗散能、應力應變等數據實時采集，繪制以上數據與加載次數之間的關系曲線。本研究中試驗溫度設定為15℃。國內外的研究成果表明，瀝青混合料的疲勞破壞主要發生在常溫狀態。本試驗的加載波形與規范要求保持一致，設定為連續偏正弦波，已有研究表明連續偏正弦波與實際路面受力波形接近，加載頻率設定為10 Hz。四點彎曲疲勞試驗的加載模式通常有兩種：控制應力模式和控制應變模式，控制應變模式更符合瀝青路面的實際受力狀態，因此，加載控制模式設定為應變控制模式。

本研究前期曾進行過柔性瀝青路面的現場加載試驗，試驗結果表明：在正常荷載狀態下，瀝青下面層底的最大拉應變為0. 000 30；在超載狀態下，瀝青下面層底的最大拉應變為0. 000 60。因此模擬正常行車條件時，本研究將試驗的最大拉應變設定為0. 000 30，模擬重載行車條件時，本研究將試驗的最大拉應變設定為0. 000 60。試驗終止條件通過勁度模量控制，當混合料的勁度模量衰減到初始勁度模量的50% 時，試驗自動終止，初始勁度模量等于第50 次加載時對應的勁度模量。

1.3 數據分析

根據以上分析，利用UTM進行四點彎曲疲勞試驗，采取控制應變模式進行加載，首先設置最大彎拉應變為300，試件在環境箱內（15℃）養生4 個小時，然后開始試驗[5]。對試驗數據進行分析，如圖4、圖5 所示。

圖4 油石比為4.5%的AC-20試件1的試驗結果

圖5 油石比為4.7%的AC-20試件1的試驗結果

對上述兩個試件進行對比分析，如圖6 所示。

圖6 兩種試件的疲勞試驗數據對比分析

從圖中可以看出，油石比4.7%的AC-20 試件，其勁度模量的衰減更為順滑，而油石比4.5%的AC-20 試件，其勁度模量的衰減比較波折，在15 萬次左右開始波動衰減。對油石比4.5%的AC-20 試件2 的試驗數據進行分析，如圖7 所示。

從圖7 可以看出，該試件在加載次數為15 萬次左右時發生斷裂，將其與油石比4.7%的AC-20 試件1 的疲勞試驗數據進行對比，如圖8 所示。

圖7 油石比為4.5%的AC-20試件2的試驗結果

圖8 兩種試件的疲勞試驗數據對比分析

從這兩個試件可以看出，與油石比4.5%的AC-20 試件相比，油石比4.7%的AC-20 試件疲勞性能更好。然而上述的研究仍然可信度較低，原因有兩點：首先選取的最大拉應變值較低，可以看到，小梁試件都沒有發生斷裂，甚至勁度模量沒有衰減到50%；其次，應該在最佳油石比附件選取試驗油石比，并對空隙率進行比較，故而應在疲勞試驗前進行馬歇爾試驗，確定最佳油石比。

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004），選取AC-20 的級配中值配料，如表1 所示。

表1 試驗級配類型

按照以上級配，通過調整油石比，成型5 種不同油石比的馬歇爾試件，然后通過室內試驗，測定體積參數和相應力學指標，試驗結果如表2 所示。

VV 是混合料的空隙率；VMA 是礦料的間隙率；VA 是瀝青所占體積分數；MS 是馬歇爾穩定度；VFA 是瀝青飽和度；FL 是流值；VCADRC是粗集料松裝間隙率；VCAmix是粗集料骨架間隙率。從表2 可以得出：AC-20 的最佳油石比為4.3%。

表2 混合料體積參數及力學指標

2 基于耗散能法分析混合料疲勞性能

2.1 耗散能法

耗散能理論是20 世紀70 年代發展起來的。該理論假設疲勞壽命取決于各加載周期的耗散能累計值。通過建立不同應力水平下瀝青混合料的疲勞壽命與疲勞破壞時所對應的累積耗散能的關系曲線，以此評價瀝青混合料的疲勞性能。

2.2 耗散能方程

以油石比4.3%成型AC-20 試件，并以0.2%為間隔再成型4 組試件，分別為3.9%、4.1%、4.5%、4.7%。每組各做4 個試件。如圖9 所示。

圖9 小梁試件

對以上4 組試件分別進行四點梁彎曲疲勞試驗。試驗結果見表3 所示。

表3 不同油石比混合料的疲勞特性

將表3 中不同油石比瀝青混合料試件達到疲勞破壞時的累積耗散能和最終加載次數繪制在雙對數坐標系中，并進行冪次擬合，擬合結果如圖10、圖11所示。由圖可知：不同油石比下的AC-20 瀝青混合料達到疲勞破壞時的加載次數與累積耗散能在雙對數坐標下，具有非常好的線性關系，該線性關系不受瀝青含量及空隙率的影響，即混合料達到疲勞破壞時的累積耗散能與加載次數之間的線性關系與油石比無關。通過對試驗結果進行回歸分析，可以建立累積耗散能與加載次數之間的關系模型：

式中：W 表示混合料達到疲勞破壞時的累積耗散能；Nf表示加載次數。擬合優度R2為0.98。根據以上分析結果可以看出：在相同試驗條件下，不同油石比的瀝青混合料具有穩固的加載次數與總耗散能的關系模型，該模型不受油石比變化的影響。因此，可以通過耗散能大小對疲勞性能的優劣性進行評價[6]。

圖10 不同油石比AC-20累積耗散能與加載次數關系曲線

圖11 累積耗散能與加載次數的擬合關系

2.3 油石比對耗散能的影響規律

將不同油石比AC-20 的累積耗散能進行對比，如圖12 所示。

由圖12 可以看出：

a）對于級配為AC-20 的下面層瀝青混合料，隨著瀝青含量的提高，混合料達到破壞時的累積耗散能不斷增大，也就表明疲勞壽命在逐步提高。這說明瀝青含量的增加，會對混合料在全壽命周期內的累積耗散能產生有利的影響，對混合料的疲勞性能有積極的作用。分析原因，這歸結于在集料級配一定的情況下，瀝青用量的增加會提高瀝青飽和度，從而增大了瀝青膜厚度，更厚的瀝青膜厚度有助于瀝青膠結料與集料更加緊密地黏附，從而增大瀝青層密實度，提升疲勞性能。

b）試驗結果表明, 并不是瀝青含量越高，混合料的疲勞壽命越長，當瀝青含量達到一定值后，混合料疲勞破壞時所對應的累積耗散能將減小，這說明瀝青混合料的最大疲勞壽命對應一個最佳的瀝青含量。已有研究表明最大疲勞壽命對應的最佳瀝青含量用量不僅與礦料的級配、種類有關，而且通常與瀝青混合料的最大勁度對應的最佳瀝青用量相符，通過本研究可以看出，最大疲勞壽命對應的最佳瀝青用量比馬歇爾穩定度確定的最佳瀝青用量稍大。因此，疲勞開裂作為瀝青路面的主要病害, 在進行預防處置時，可略微增加瀝青用量，就有可能減少疲勞裂縫的產生。

3 結論

a）本文通過四點彎曲疲勞試驗，得出了瀝青混合料的疲勞壽命與達到疲勞破壞時的累積耗散具有良好的對數線性關系，并形成了唯一的加載次數與總耗散能的關系模型，該關系模型的存在與瀝青含量無關。

b）本文得出了下面層（AC-20）最大疲勞壽命對應的最佳瀝青用量范圍，該瀝青含量比馬歇爾穩定度所確定的最佳瀝青用量稍大。