抗疲勞層疲勞性能影響因素分析

張劍

（重慶市江北嘴中央商務(wù)區(qū)開發(fā)投資有限公司 重慶 400020）

引言

長壽命瀝青路面就是要讓瀝青路面的損壞是自上而下的發(fā)生，因此在使用過程中只需要定期對其做功能性的恢復(fù)修補(bǔ)即可。這就要求瀝青路面底層具有很好的抗疲勞性能，絕對不能出現(xiàn)疲勞開裂現(xiàn)象。抗疲勞層就是據(jù)此而提出的新型材料設(shè)計(jì)，即在最佳油石比的基礎(chǔ)上將瀝青用量再提高0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右，從而使瀝青路面底層更加密實(shí)，其疲勞壽命得以延長。影響抗疲勞層疲勞性能的因素很多，影響程度不一，這使抗疲勞層在設(shè)計(jì)時(shí)變得很復(fù)雜，為了簡化工作，需要篩選出影響瀝青抗疲勞層疲勞性能的關(guān)鍵材料參數(shù)。

灰色理論是我國鄧聚龍教授于1982年提出的一種新型工程系統(tǒng)理論。這種理論的優(yōu)點(diǎn)是，在不完全的信息中，分析隨機(jī)因素序列的關(guān)聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)的主要因素和因素間對系統(tǒng)影響的差別，只需較少的試驗(yàn)量，具有較高實(shí)用價(jià)值。但現(xiàn)有的這些灰色關(guān)聯(lián)方法的共同特點(diǎn)是在確定關(guān)聯(lián)度時(shí)，都采用計(jì)算逐點(diǎn)關(guān)聯(lián)測度平均值的辦法得到的，這就必然帶來以下不足:(1)局部關(guān)聯(lián)傾向，即在點(diǎn)關(guān)聯(lián)測度值分布離散情況下由點(diǎn)關(guān)聯(lián)測度值大的點(diǎn)決定總體關(guān)聯(lián)度傾向；（2）造成信息損失，平均值淹沒了許多點(diǎn)關(guān)聯(lián)測度的個(gè)性，沒有充分利用點(diǎn)關(guān)聯(lián)測度提供的豐富信息 ，灰熵方法可以克服這些不足，使分析更加合理準(zhǔn)確[1]。

本文應(yīng)用灰關(guān)聯(lián)熵方法分析瀝青抗疲勞層疲勞材料參數(shù)對其疲勞性能影響的顯著性，找出影響瀝青抗疲勞層疲勞性能的關(guān)鍵因素，可為瀝青抗疲勞層的材料設(shè)計(jì)提供參考。

1 疲勞性能的參量選取

1.1 瀝青性質(zhì)

瀝青粘度對混合料疲勞壽命的影響主要由于其對混合料勁度的作用。在控制應(yīng)力的加載模式下，瀝青混合料疲勞壽命隨瀝青粘度的增加而增加；而在控制應(yīng)變的加載模式下，瀝青越軟，混合料疲勞壽命越長。研究表明，在一定的瀝青用量下，瀝青的針入度越小，瀝青的軟化點(diǎn)越高，混合料的疲勞壽命就越長。

1.2 瀝青用量

在集料級配一定的情況下，瀝青用量的增加會導(dǎo)致瀝青飽和度提高和瀝青膜厚度增加，這樣會顯著影響瀝青混合料的疲勞壽命。研究表明，在控制應(yīng)力的加載模式下，相應(yīng)于混合料的最大疲勞壽命有一個(gè)最佳的瀝青用量。這個(gè)瀝青用量不僅與礦料的級配有關(guān)，而且與集料的種類有關(guān)，通常與最大混合料勁度所需的最佳瀝青用量相符；而在控制應(yīng)變的加載模式下，混合料疲勞壽命隨瀝青用量的增加而增大。

1.3 集料特性及級配

礦料表面性狀(紋理、形狀)對瀝青混合料疲勞性能也有影響。表面粗糙、棱角性好的集料通常由于難以壓實(shí)而造成較高的空隙率，從而縮短混合料疲勞壽命；但粗糙有棱角的集料可以產(chǎn)生勁度高的瀝青混合料，影響混合料疲勞性能。集料級配對于混合料疲勞性能的影響主要因?yàn)榧壟漕愋蛯旌狭系目障堵视绊懞艽?。一般而言，由于密級配瀝青混合料較開級配混合料具有較低的空隙率，因而具有更好的疲勞性能。

1.4 混合料空隙率

研究表明，不論對控制應(yīng)力的加載模式，還是控制應(yīng)變的加載模式，瀝青混合料的疲勞壽命隨著混合料空隙率的降低而顯著增長。這是因?yàn)榭障堵试酱螅瑸r青混合料內(nèi)部的空隙與微裂縫就越多，在荷載反復(fù)作用下就愈易引發(fā)微裂縫的擴(kuò)展破壞，從而使其疲勞性能降低[2～5]。

以上分析了影響瀝青混合料疲勞性能的內(nèi)部因素。在對瀝青混合料疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究和評價(jià)時(shí)，還需考慮不同試驗(yàn)條件的影響。綜上所述，本文選取瀝青針入度、瀝青軟化點(diǎn)、油石比、瀝青混合料間隙率、空隙率、混合料最大粒徑及集料4.75 mm和0.075mm的篩孔通過率作為影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的主要因素進(jìn)行研究。

2 灰熵法分析步驟

首先求出關(guān)聯(lián)系數(shù)，然后進(jìn)行灰熵關(guān)聯(lián)的密度值計(jì)算、灰熵計(jì)算，最后計(jì)算出灰熵關(guān)聯(lián)度，并根據(jù)其大小確定主次因素。

2.1 灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

X為灰關(guān)聯(lián)因子集，x0∈x為參考列，xi∈x(i=1， 2，…， m)為比較列:

有道是“寶貝放錯(cuò)了地方就是垃圾”。依我看，“能量”一旦用錯(cuò)了地方，就是“廢品”，甚至是“危險(xiǎn)品”。我們知道，毒品中毒有急性與慢性之分，而慢性中毒更為常見。所謂慢性中毒，是指人體臟器通過吸收毒品，積少成多，慢慢累積，以致形成侵蝕和損害，且中毒所造成的疾病狀態(tài)會一直伴隨。現(xiàn)實(shí)生活中，一些人因?yàn)椴涣私饴灾卸镜母拍詈臀：Γ楸源笠?，吸毒中毒。鐵的事實(shí)表明，毒品既毒害著社會，也毒害著家庭，更毒害著身體。而像吳業(yè)平這樣的干部，因?yàn)椤澳芰俊庇缅e(cuò)了地方，其造成的危害，并不亞于毒品。

則比較列與參考列間的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)為:

級最大差；p為分辨系數(shù)，一般取0.5。

2.2 灰熵

設(shè)內(nèi)涵數(shù)列x=(x1，x2，...，xm)，坌i，xi≥0，且=，稱函數(shù)

為序號X的灰熵，xi為屬性信息。

2.3 灰熵與灰熵關(guān)聯(lián)度

X為離散數(shù)列，x0∈x為參考列，xi∈x，i=1，2，...，m為比較列，Ri={ξ[x0(k)， xi(k)] k=1，2，...，n}，則

稱為分布的密度值。

xi的灰熵表示為:

序列xi的灰熵關(guān)聯(lián)度為:

其中Hmax=1nn，n代表由n個(gè)元素構(gòu)成的差異信息列的最大值。

3 疲勞試驗(yàn)

3.1 材料

瀝青采用Shell 70#基質(zhì)瀝青和SK SBS改性瀝青。瀝青的各項(xiàng)性能按照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 052—2000)測定了這兩種瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度、閃點(diǎn)和密度等指標(biāo)，結(jié)果見表1。

表1 瀝青性能

抗疲勞層瀝青混合料級配采用AC-25C，AC-25F，AC-20F及AC-13，按馬歇爾設(shè)計(jì)方法定出的最佳油石比 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為4.0%，4.2%，4.5%及4.7%?？蛊趯訛r青混合料小梁試件用車轍板切割制成，車轍板的油石比在最佳油石比基礎(chǔ)上有所提高。在碾壓成型車轍板時(shí)改變壓實(shí)次數(shù)，可使抗疲勞層混合料達(dá)到不同的空隙率，以模擬施工現(xiàn)場不同壓實(shí)度對其疲勞性能的影響[6]。表2中給出了這種瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果。

表2 試驗(yàn)瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3.2 疲勞試驗(yàn)

通過在MTS-810材料測試機(jī)上進(jìn)行的10組試件的三分點(diǎn)加載小梁彎拉試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度15℃，研究了瀝青針入度(25℃)、軟化點(diǎn)、用量，瀝青混合料空隙率、4.75 mm篩孔通過率、0.075 mm篩孔通過率、最大公稱粒徑及礦料間隙率等因素對瀝青混合料疲勞性能的影響。

4 基于疲勞壽命的灰關(guān)聯(lián)熵分析

不同混合料的影響參量值及疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表3所列。

將表3作為灰關(guān)聯(lián)熵分析的原始數(shù)列，對其進(jìn)行均值變換(同時(shí)將所有指標(biāo)轉(zhuǎn)換為正項(xiàng)指標(biāo))。生成數(shù)列見表4所列。

按照(1)、(2)式計(jì)算出各影響指標(biāo)與動穩(wěn)定度的關(guān)聯(lián)系數(shù)，其結(jié)果見表5所列。根據(jù)(3)式，計(jì)算得灰熵關(guān)聯(lián)密度結(jié)果見表6所列。的。

表3 不同材料參數(shù)的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

表4 生成數(shù)列

表5 灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

表6 灰熵關(guān)聯(lián)密度

當(dāng)采用相同級配、相同瀝青及瀝青用量時(shí)，瀝青混合料空隙率的不同對路面疲勞性能的影響是很大的。若在施工時(shí)，因壓實(shí)度不夠而導(dǎo)致瀝青混合料空隙率較大，則會大大影響其疲勞壽命。

瀝青混合料0.075 mm篩孔通過率的影響程度僅次于最大公稱粒徑、空隙率和油石比，0.075 mm篩孔通過率越大，即礦粉用量越多，瀝青混合料的抗疲勞性能越好，因此，在進(jìn)行抗疲勞層的抗疲勞性能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將0.075 mm篩孔作為瀝青混合料的關(guān)鍵篩孔[6]。

5 結(jié)論

根據(jù)(4)式計(jì)算，得到比較列的灰關(guān)聯(lián)熵H(Rj)分別為:

最后，由灰關(guān)聯(lián)熵按照(5)式計(jì)算出灰熵關(guān)聯(lián)度，不同因素的灰熵關(guān)聯(lián)度如圖1所示。

由于影響因素的顯著性隨灰熵關(guān)聯(lián)度的增大而增大，故從圖1可知:影響抗疲勞層疲勞性能因素的順序?yàn)?最大公稱粒徑>空隙率>油石比>0.075 mm篩孔通過率>軟化點(diǎn)>4.75 mm篩孔通過率>針入度(25℃)>VMA。

（1）影響抗疲勞層疲勞性能的因素很多，各因素對疲勞性能的影響程度也不一樣。

（2）影響抗疲勞層疲勞性能因素的順序?yàn)?最大公稱粒徑>空隙率>油石比>0.075 mm篩孔通過率>軟化點(diǎn)>4.75 mm篩孔通過率>針入度(25℃)>VMA。

（3）為了提高抗疲勞層的抗疲勞性能，瀝青混合料的最大公稱粒徑不宜過大，同時(shí)應(yīng)增加瀝青混合料油石比，減小瀝青混合料空隙率；另外，0.075 mm應(yīng)作為瀝青混合料的關(guān)鍵篩孔孔徑。

圖1 不同因素的灰熵關(guān)聯(lián)度

瀝青混合料的最大公稱粒徑對抗疲勞層疲勞性能的影響程度最大。在進(jìn)行抗疲勞層設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高其疲勞壽命，瀝青混合料的最大公稱粒徑不宜過大。現(xiàn)在常用的瀝青混合料的最大公稱粒徑一般都在25 mm左右，這對其抗疲勞是不利

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