基于耗散能法的富油瀝青下面層疲勞性能試驗(yàn)研究

劉，劉力源

（1.山西交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006；2.山西省交通科技研發(fā)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(zhǎng)壽命路面的特點(diǎn)，在許多國(guó)家得到應(yīng)用，而在我國(guó)應(yīng)用甚少。在超載和重載行車(chē)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(yīng)力或拉應(yīng)變，同時(shí)，路基頂面也承受較大的豎向壓應(yīng)力或壓應(yīng)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(xiàn)疲勞開(kāi)裂，這對(duì)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(gè)結(jié)構(gòu)層的耐久性，使柔性基層瀝青路面更加長(zhǎng)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(diào)整集料關(guān)鍵篩孔的通過(guò)率。除此之外，通過(guò)調(diào)研國(guó)外的研究成果，發(fā)現(xiàn)富油層是面向疲勞性能而提出的一種新型結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)[3-4]。所謂“富油”就是在最佳油石比的基礎(chǔ)上提高瀝青用量，從而使瀝青路面底層更加密實(shí)，其疲勞壽命得以延長(zhǎng)。本研究將通過(guò)四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，利用耗散能法分析瀝青含量對(duì)瀝青層的疲勞性能影響規(guī)律，從而為工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

1.1 試件成型方法

利用更加貼近實(shí)際施工環(huán)境的剪切壓實(shí)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(shí)儀可以根據(jù)空隙率設(shè)置壓實(shí)終止條件，采用5%的空隙率作為終止條件。每組試驗(yàn)制作4 個(gè)試件（分別編號(hào) 1、2、3、4）。圖 1 為剪切壓實(shí)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(shí)成型儀

圖2 3種不同油石比的AC-20試件

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)設(shè)備采用UTM（universal testing machine）和氣動(dòng)式四點(diǎn)彎曲小梁疲勞試驗(yàn)裝置，如圖3 所示。

圖3 Universal Testing Machine

四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加載方式，對(duì)小梁試件進(jìn)行連續(xù)振動(dòng)加載，通過(guò)對(duì)勁度模量、耗散能、應(yīng)力應(yīng)變等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，繪制以上數(shù)據(jù)與加載次數(shù)之間的關(guān)系曲線(xiàn)。本研究中試驗(yàn)溫度設(shè)定為15℃。國(guó)內(nèi)外的研究成果表明，瀝青混合料的疲勞破壞主要發(fā)生在常溫狀態(tài)。本試驗(yàn)的加載波形與規(guī)范要求保持一致，設(shè)定為連續(xù)偏正弦波，已有研究表明連續(xù)偏正弦波與實(shí)際路面受力波形接近，加載頻率設(shè)定為10 Hz。四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的加載模式通常有兩種：控制應(yīng)力模式和控制應(yīng)變模式，控制應(yīng)變模式更符合瀝青路面的實(shí)際受力狀態(tài)，因此，加載控制模式設(shè)定為應(yīng)變控制模式。

本研究前期曾進(jìn)行過(guò)柔性瀝青路面的現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在正常荷載狀態(tài)下，瀝青下面層底的最大拉應(yīng)變?yōu)?. 000 30；在超載狀態(tài)下，瀝青下面層底的最大拉應(yīng)變?yōu)?. 000 60。因此模擬正常行車(chē)條件時(shí)，本研究將試驗(yàn)的最大拉應(yīng)變?cè)O(shè)定為0. 000 30，模擬重載行車(chē)條件時(shí)，本研究將試驗(yàn)的最大拉應(yīng)變?cè)O(shè)定為0. 000 60。試驗(yàn)終止條件通過(guò)勁度模量控制，當(dāng)混合料的勁度模量衰減到初始勁度模量的50% 時(shí)，試驗(yàn)自動(dòng)終止，初始勁度模量等于第50 次加載時(shí)對(duì)應(yīng)的勁度模量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上分析，利用UTM進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，采取控制應(yīng)變模式進(jìn)行加載，首先設(shè)置最大彎拉應(yīng)變?yōu)?00，試件在環(huán)境箱內(nèi)（15℃）養(yǎng)生4 個(gè)小時(shí)，然后開(kāi)始試驗(yàn)[5]。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)結(jié)果

圖5 油石比為4.7%的AC-20試件1的試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述兩個(gè)試件進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6 所示。

圖6 兩種試件的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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(wàn)次左右開(kāi)始波動(dòng)衰減。對(duì)油石比4.5%的AC-20 試件2 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖7 所示。

從圖7 可以看出，該試件在加載次數(shù)為15 萬(wàn)次左右時(shí)發(fā)生斷裂，將其與油石比4.7%的AC-20 試件1 的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖8 所示。

圖7 油石比為4.5%的AC-20試件2的試驗(yàn)結(jié)果

圖8 兩種試件的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

從這兩個(gè)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(diǎn)：首先選取的最大拉應(yīng)變值較低，可以看到，小梁試件都沒(méi)有發(fā)生斷裂，甚至勁度模量沒(méi)有衰減到50%；其次，應(yīng)該在最佳油石比附件選取試驗(yàn)油石比，并對(duì)空隙率進(jìn)行比較，故而應(yīng)在疲勞試驗(yàn)前進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，確定最佳油石比。

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004），選取AC-20 的級(jí)配中值配料，如表1 所示。

表1 試驗(yàn)級(jí)配類(lèi)型

按照以上級(jí)配，通過(guò)調(diào)整油石比，成型5 種不同油石比的馬歇爾試件，然后通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定體積參數(shù)和相應(yīng)力學(xué)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)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?jǐn)?shù)；MS 是馬歇爾穩(wěn)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(shù)及力學(xué)指標(biāo)

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(jì)70 年代發(fā)展起來(lái)的。該理論假設(shè)疲勞壽命取決于各加載周期的耗散能累計(jì)值。通過(guò)建立不同應(yīng)力水平下瀝青混合料的疲勞壽命與疲勞破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的累積耗散能的關(guān)系曲線(xiàn)，以此評(píng)價(jià)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(gè)試件。如圖9 所示。

圖9 小梁試件

對(duì)以上4 組試件分別進(jìn)行四點(diǎn)梁彎曲疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(dá)到疲勞破壞時(shí)的累積耗散能和最終加載次數(shù)繪制在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，并進(jìn)行冪次擬合，擬合結(jié)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(dá)到疲勞破壞時(shí)的加載次數(shù)與累積耗散能在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，具有非常好的線(xiàn)性關(guān)系，該線(xiàn)性關(guān)系不受瀝青含量及空隙率的影響，即混合料達(dá)到疲勞破壞時(shí)的累積耗散能與加載次數(shù)之間的線(xiàn)性關(guān)系與油石比無(wú)關(guān)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，可以建立累積耗散能與加載次數(shù)之間的關(guān)系模型：

式中：W 表示混合料達(dá)到疲勞破壞時(shí)的累積耗散能；Nf表示加載次數(shù)。擬合優(yōu)度R2為0.98。根據(jù)以上分析結(jié)果可以看出：在相同試驗(yàn)條件下，不同油石比的瀝青混合料具有穩(wěn)固的加載次數(shù)與總耗散能的關(guān)系模型，該模型不受油石比變化的影響。因此，可以通過(guò)耗散能大小對(duì)疲勞性能的優(yōu)劣性進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]。

圖10 不同油石比AC-20累積耗散能與加載次數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)

圖11 累積耗散能與加載次數(shù)的擬合關(guān)系

2.3 油石比對(duì)耗散能的影響規(guī)律

將不同油石比AC-20 的累積耗散能進(jìn)行對(duì)比，如圖12 所示。

由圖12 可以看出：

a）對(duì)于級(jí)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(dá)到破壞時(shí)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(shuō)明瀝青含量的增加，會(huì)對(duì)混合料在全壽命周期內(nèi)的累積耗散能產(chǎn)生有利的影響，對(duì)混合料的疲勞性能有積極的作用。分析原因，這歸結(jié)于在集料級(jí)配一定的情況下，瀝青用量的增加會(huì)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(jié)料與集料更加緊密地黏附，從而增大瀝青層密實(shí)度，提升疲勞性能。

b）試驗(yàn)結(jié)果表明, 并不是瀝青含量越高，混合料的疲勞壽命越長(zhǎng)，當(dāng)瀝青含量達(dá)到一定值后，混合料疲勞破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的累積耗散能將減小，這說(shuō)明瀝青混合料的最大疲勞壽命對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳的瀝青含量。已有研究表明最大疲勞壽命對(duì)應(yīng)的最佳瀝青含量用量不僅與礦料的級(jí)配、種類(lèi)有關(guān)，而且通常與瀝青混合料的最大勁度對(duì)應(yīng)的最佳瀝青用量相符，通過(guò)本研究可以看出，最大疲勞壽命對(duì)應(yīng)的最佳瀝青用量比馬歇爾穩(wěn)定度確定的最佳瀝青用量稍大。因此，疲勞開(kāi)裂作為瀝青路面的主要病害, 在進(jìn)行預(yù)防處置時(shí)，可略微增加瀝青用量，就有可能減少疲勞裂縫的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

a）本文通過(guò)四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，得出了瀝青混合料的疲勞壽命與達(dá)到疲勞破壞時(shí)的累積耗散具有良好的對(duì)數(shù)線(xiàn)性關(guān)系，并形成了唯一的加載次數(shù)與總耗散能的關(guān)系模型，該關(guān)系模型的存在與瀝青含量無(wú)關(guān)。

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