再生瀝青路面基面層間剪切疲勞壽命預估

何 軍

（陜西省交通規劃設計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

引言

路面層間結構因處于覆蓋層下導致在破壞的初始階段很難被發現,給病害的產生和發展埋下了隱患[1-2]。而國內外學者對再生路面結構基面層間剪切疲勞壽命的研究較少,鑒于此,本文研究了“兩油一料”新型層間處治技術、普通碎石封層及稀漿封層等不同層間處治技術的剪切疲勞特性,并建立再生瀝青路面基面層間剪切疲勞壽命預估模型,實現在剪應力已知的情況下,通過預估模型預估不同層間處治技術的剪切疲勞壽命。研究成果為瀝青路面層間處治設計提供了科學的理論依據。

1 試驗材料

1.1 瀝青材料

根據相關研究基礎,“兩油一料”新型層間處治技術及普通碎石封層技術瀝青材料選擇膠粉改性瀝青,技術指標如表1 所示,稀漿封層瀝青材料選擇乳化瀝青,技術指標如表2 所示。

表1 膠粉改性瀝青技術指標

表2 乳化瀝青技術指標

1.2 集料及水泥

集料統一選用9.5 mm～13.2 mm 的石灰巖,各項指標滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的要求。稀漿封層采用相關技術指南中ES-3 的級配中值,配合比選用集料：乳化瀝青：水泥：水為100:15:2.5:10。

2 不同基面層間處治技術室內剪切試驗

2.1 試驗設計

剪切試驗采用“水穩碎石板+層間處治技術+AC-25”的路面結構形式,為更好地模擬路面的實際施工狀態,參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E20-2011 采用車轍板成型試件,試驗中采用雙層車轍板模具,上、下層的厚度分別為5 cm,以鉆芯機鉆取芯樣進行層間剪切試驗。

首先靜壓成型水穩碎石板,養生后撒透層油、下封層,然后在上部成型再生混合料下面層。同步碎石封層瀝青材料選擇膠粉改性瀝青,透層采用陽離子改性乳化瀝青0.8 kg/m2,集料選用粒徑為9.5 mm～13.2 mm 的石灰巖。確定碎石灑布量采用6～8 kg/m2,“兩油一料”新型層間處治技術下層瀝青灑布量為1.0 kg/m2,上層灑布量為0.5 kg/m2。實際行車狀態中層間材料主要承受剪應力作用,采用電液伺服疲勞試驗機對三種層間處治技術的鉆芯芯樣進行剪切疲勞試驗,分別評價不同層間粘結狀態（“兩油一料”新型層間處治封層、普通碎石封層、稀漿封層）、不同應力水平（0.3、0.4、0.5、0.6、0.7）及不同試驗溫度下（15 ℃、25℃、40 ℃）再生瀝青路面基- 面層間處治技術的剪切疲勞性能,試驗過程如圖1 所示。

2.2 不同層間粘結狀態下剪切強度

參考相關規范及實際施工經驗,選擇室溫25 ℃、荷載速率10 mm/min 進行剪切試驗,試驗結果如圖1所示。

圖1 不同層間粘結狀態下剪切強度

從圖2 中可以看出相同的試驗條件下,不同層間處治技術的最大剪應力和剪切強度表現出明顯的差異。“兩油一料”新型層間處治技術性能最好,相比普通碎石封層和稀漿封層處治技術,新型層間處治技術的最大剪應力和剪切強度分別提高14.9%、41.4%和42%、100%。說明兩層瀝青可以使層間碎石完全被瀝青裹附,與上層再生混合料完全融為一體,提高整體強度,而稀漿封層采用乳化瀝青,粘結力沒有熱瀝青大,故剪切強度較低。

2.3 不同試驗溫度下剪切強度

選擇荷載速率10 mm/min,分別控制試驗溫度為15 ℃、25 ℃、40 ℃進行剪切試驗,不同層間處治技術剪切強度試驗結果如圖2 所示。

圖2 不同試驗溫度下各層間處治技術剪切強度

從圖3 中可以看出,在不同的試驗溫度下,“兩油一料”新型層間處治技術剪切強度最好,其次是普通碎石封層,稀漿封層處治技術性能最差。三種層間處治技術的剪切強度隨溫度的升高表現出了相同的變化趨勢,均隨溫度的升高而逐漸減小。對于新型層間處治技術,試驗溫度從15 ℃提高至25 ℃、40 ℃時,剪切強度分別降低25.3%、39.6%；同理,普通碎石封層分別降低29.3%、50%；稀漿封層處治技術剪切強度分別降低40.3%、57.6%。這說明溫度升高會降低層間剪切強度,而15 ℃和25 ℃時,各層間處治技術的剪切強度相差不大,溫度升高至40 ℃時,會顯著降低層間處治技術的剪切強度。結合施工條件和試驗結果,推薦各層間處治技術的試驗和施工溫度應控制在15℃～25 ℃。

2.4 不同應力水平下剪切強度

從圖3 中可以看出,同一應力水平下,“兩油一料”新型層間處治技術剪切強度最好,稀漿封層處治技術性能最差,且各層間處治技術的剪切強度隨應力水平的增加均表現出了減小的趨勢。當應力水平由0.3 增加至0.6 時,各層間處治技術的剪切強度減小近一半左右,說明應力水平對層間剪切強度影響顯著。

圖3 不同應力比下各層間處治技術剪切強度

綜合不同基面層層間處治技術的室內剪切試驗結果,推薦選擇試驗溫度25 ℃,荷載速率10 mm/min,分別進行0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 五個應力水平下的剪切疲勞試驗,進一步分析不同處治技術在不同應力水平下的剪切疲勞壽命。

3 基面層間剪切疲勞壽命預估模型

3.1 不同應力水平下層間材料剪切疲勞壽命

疲勞試驗分為應力控制模式與應變控制模式,應力控制模式是加載過程中保持應力值不變,和路面實際工作狀態更為接近[3]。結合相關研究,三種處治技術的層間最大剪應力范圍為0.45 MPa ～0.8 MPa,工程實際中層間應力水平為0.3 MPa ～0.7 Mpa,所以采用應力控制模式,選用0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 五個應力水平,試驗溫度采用25 ℃,進行疲勞壽命測試,為消除結果變異性影響,每組試件進行4 組平行試驗取平均值作為最終結果。試驗結果如圖4 所示。

圖4 不同層間處治技術疲勞壽命變化

從圖5 可以看出,隨著應力比的增加,不同層間處治技術的層間剪切疲勞壽命均出現減小的趨勢,新型層間處治技術整體疲勞壽命高于普通碎石封層及稀漿封層,普通碎石封層疲勞壽命略高于稀漿封層,在應力比為0.3 時,新型層間處治技術疲勞壽命超過18 000 次,約高出另外兩種技術70%。隨著應力比增大三種層間處治技術差距逐漸減小,可見應力水平對三種技術疲勞壽命的影響較大。

3.2 不同層間處治技術剪切疲勞壽命預估模型

通過室內試驗結果分析,建立不同層間處治技術的室內剪切疲勞方程。研究表明[4-5],在雙對數坐標上材料的疲勞壽命與應力比呈線性關系。

因此,不同層間處治技術的室內剪切疲勞方程用公式（1）來表示。

式中：lgNf為對數疲勞壽命；a 為疲勞壽命對數曲線的截距；b 為對數曲線的斜率；lgσ/s 為對數應力比。

以25 ℃作為標準溫度,確定不同層間處治技術的室內剪切疲勞方程,然后通過對標準溫度的剪切疲勞方程進行溫度修正可以得到任意溫度的剪切疲勞方程,不同層間處治技術的疲勞壽命在對數坐標上與應力比的關系如圖5 所示。

圖5 不同層間處治技術疲勞壽命與應力比關系

采用SPSS 數據處理系統將25 ℃條件下不同層間處治技術的對數疲勞壽命進行線性回歸,得到不同層間處治技術的剪切疲勞方程及預估模型,如表3。

表3 不同層間處治技術剪切疲勞方程及預估模型

由圖5 及表3 可以看出,在對數坐標上不同層間處治技術的剪切疲勞壽命與應力比有良好的線性關系。對剪切疲勞方程進行變換,可以得到不同層間處治技術下的室內剪切疲勞壽命預估模型。在不同層間處治技術所受剪應力已知的情況下,可以通過預估模型對不同層間處治技術進行室內剪切疲勞壽命的預估。

4 結論

本文研究了“兩油一料”新型層間處治技術、普通碎石封層及稀漿封層等不同層間處治技術的剪切疲勞特性,并建立了再生瀝青路面基面層間剪切疲勞壽命預估模型。主要研究結論如下：

（1） 對比分析了“兩油一料”新型層間處治技術、普通碎石封層及稀漿封層等不同層間處治技術的剪切疲勞特性,“兩油一料”新型層間處治技術性能具有最好的層間粘結強,通過對比不同試驗溫度下各層間處治技術的剪切強度,推薦各層間處治技術的試驗和施工溫度應控制在15 ℃～25 ℃。

（2） 研究了不同應力水平下各層間處治技術的剪切疲勞壽命變化規律,新型層間處治技術整體疲勞壽命高于普通碎石封層及稀漿封層,在應力比為0.3時疲勞壽命約高出另外兩種技術70%,基于試驗結果,提出了基于工程實際的室內層間剪切疲勞壽命預估方法,實現了對不同層間處治技術的剪切疲勞壽命預估。