瀝青面層雙層攤鋪混合料疲勞性能

楊永紅，任亞鵬，王選倉(cāng)，楊育生，路 楊

（1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.陜西交通建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710075）

雙層攤鋪技術(shù)是將兩層瀝青層一次攤鋪完成的新型施工技術(shù).與傳統(tǒng)單層攤鋪相比，其具有有效改善層間黏結(jié)狀況、減少攤鋪過(guò)程中的瀝青溫度散失、節(jié)省施工時(shí)間、優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)以及節(jié)約建設(shè)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn).

目前，雙層攤鋪技術(shù)已在瑞典、荷蘭等國(guó)家應(yīng)用，中國(guó)洛商高速等也鋪筑了試驗(yàn)工程.相對(duì)于傳統(tǒng)施工方法，其研究較為薄弱，同時(shí)雙層攤鋪情況下瀝青混合料的抗疲勞性能研究在國(guó)內(nèi)尚屬空白［1－3］.本文通過(guò)瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，對(duì)比分析了傳統(tǒng)單層攤鋪與雙層攤鋪對(duì)瀝青混合料彎曲性能和疲勞性能的影響.

1 雙層攤鋪層間應(yīng)力分布規(guī)律

1.1 層間有限元計(jì)算模型建立

雙層一體攤鋪技術(shù)通過(guò)熱結(jié)合工藝，提高了路面層間黏結(jié)性能.為了評(píng)價(jià)層間黏結(jié)性能對(duì)瀝青混合料疲勞性能的影響，建立了瀝青路面三維有限元模型，分析了層間完全光滑接觸、半連續(xù)接觸及完全連續(xù)接觸3種狀態(tài)下的路面力學(xué)響應(yīng)［4－5］.試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of pavement structure of experimental road（size：mm）

采用8結(jié)點(diǎn)等參單元C3D8R 進(jìn)行應(yīng)力分析，層間接觸狀態(tài)見(jiàn)表1.邊界條件假設(shè)：底面固定，左右兩面沒(méi)有x 方向位移，前后兩側(cè)沒(méi)有y 方向位移.

表1 不同工況對(duì)應(yīng)的層間接觸狀態(tài)Table 1 Contact state between layers corresponding to different working conditions

為了滿(mǎn)足計(jì)算要求，同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果收斂，本文選取計(jì)算模型尺寸為5m×6m×5m.根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行建模，加載示意圖如圖2所示.為了保證與實(shí)際情況一致，對(duì)模型進(jìn)行條件假設(shè)，由于路面兩端基本沒(méi)有力學(xué)響應(yīng)，可設(shè)為自由端，同時(shí)對(duì)水平方向位移進(jìn)行約束，并對(duì)路基底面所有位移進(jìn)行約束.

圖2 加載示意圖Fig.2 Loading diagram

圖3 加載有限元網(wǎng)格示意圖Fig.3 Finite element mesh of loading

圖3為加載有限元網(wǎng)格示意圖.本文對(duì)加載部位網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格尺寸0.003m，兩端最大網(wǎng)格尺寸為0.3m.試算表明：采用這種局部加密的網(wǎng)格剖分方法對(duì)道路結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析產(chǎn)生的影響很小，但能大量節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，提高運(yùn)算速率.參考文獻(xiàn)［6－8］確定了有限元模型相關(guān)參數(shù)，并在劃分網(wǎng)格后的模型上施加標(biāo)準(zhǔn)荷載，完成了道路三維有限元模型的建立，計(jì)算參數(shù)如表2 所示，其中E 為彈性模量，υ為泊松比.

表2 材料計(jì)算參數(shù)表Table 2 Material calculation parameter

1.2 層間計(jì)算結(jié)果分析

傳統(tǒng)施工工藝下，由于施工污染、黏結(jié)層撒布不均勻等問(wèn)題，路面層間很難保證處于完全連續(xù)接觸狀態(tài).因此，本文將路面層間分為完全光滑接觸、半連續(xù)接觸及完全連續(xù)接觸3種狀態(tài)［9－10］，對(duì)上中面層層間計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取分析，結(jié)果如圖4～6所示.

圖4 完全光滑接觸條件下層間水平應(yīng)力分布Fig.4 Horizontal stress distribution under smooth contract condition

圖5 半連續(xù)接觸條件下層間水平應(yīng)力分布Fig.5 Horizontal stress distribution under semicontinuous contact condition

圖6 完全連續(xù)接觸條件下層間水平應(yīng)力分布Fig.6 Horizontal stress distribution under continuous contact condition

由圖4可見(jiàn)，當(dāng)層間為完全光滑接觸狀態(tài)（摩擦系數(shù)為0）時(shí)，路面水平應(yīng)力沿深度方向呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)路面深度為10cm 以上時(shí)，水平應(yīng)力影響消失；上中面層層間部位水平應(yīng)力發(fā)生突變，其上部受拉、下部受壓，最大水平應(yīng)力值為0.13MPa.

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)層間為半連續(xù)接觸狀態(tài)（摩擦系數(shù)為0.5）時(shí)，路面水平應(yīng)力沿深度方向呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)路面深度為12cm 以上時(shí)，水平應(yīng)力影響消失；上中面層層間部位水平應(yīng)力發(fā)生突變，其上部受拉、下部受壓，最大水平應(yīng)力值為0.08MPa.

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)層間為完全連續(xù)接觸狀態(tài)（摩擦系數(shù)為1.0）時(shí)，路面水平應(yīng)力沿深度方向呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)路面深度為12cm 以上時(shí)，水平應(yīng)力影響消失；上中面層層間部位水平應(yīng)力發(fā)生突變，其上部受拉、下部受壓，最大水平應(yīng)力值為0.04MPa.

通過(guò)比較3種接觸工況下層間應(yīng)力計(jì)算分析可知，當(dāng)層間黏結(jié)狀態(tài)為完全連續(xù)接觸、半連續(xù)接觸時(shí)、較完全光滑接觸時(shí)，上面層水平應(yīng)力逐漸增加.由此可見(jiàn)，層間接觸狀態(tài)的薄弱，會(huì)造成道路結(jié)構(gòu)中水平應(yīng)力增大，進(jìn)而導(dǎo)致道路出現(xiàn)推移、擁包等病害.

通過(guò)上述有限元模型層間應(yīng)力分布理論，可知雙層一體攤鋪技術(shù)因熱結(jié)合工藝，而使層間黏結(jié)狀態(tài)為完全連續(xù)接觸，因而顯著提高了路面層間的黏結(jié)性能，進(jìn)而提高了瀝青混合料的抗疲勞性能.

2 小梁彎曲試驗(yàn)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用現(xiàn)象學(xué)方法對(duì)瀝青混合料疲勞性能的影響因素進(jìn)行了廣泛研究，也有學(xué)者從理論角度提出了不同的瀝青混合料疲勞模型和疲勞方程.這些研究為提高瀝青混合料的疲勞性能、延長(zhǎng)瀝青路面使用壽命打下基礎(chǔ)，然而在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，由于試驗(yàn)方法、試件尺寸和荷載參數(shù)等不一致，使得試驗(yàn)結(jié)果差異很大，因此瀝青混合料疲勞性能的研究仍有待深入.

本文從瀝青路面攤鋪方式的角度考慮，進(jìn)行室內(nèi)小梁彎曲試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，對(duì)比分析單層攤鋪與雙層攤鋪對(duì)瀝青混合料彎曲疲勞性能的影響.

2.1 試件制作

根據(jù)JTG E20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》碾壓成型250mm×300mm×50mm 車(chē)轍板.車(chē)轍板成型完成后，隔日脫模，在切割機(jī)上切割成250mm×30mm×50mm 的瀝青混合料小梁.試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的試件尺寸為250mm×30mm×35mm，考慮到雙層攤鋪路面厚度，試件高度定為50mm，跨徑200mm.1塊寬為300mm 的車(chē)轍板可切制8 個(gè)小梁試件.小梁彎曲試驗(yàn)在MTS 電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度15 ℃，加載速率50mm／min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄.

2.1.1 輪碾成型方法

將預(yù)熱的試模從烘箱中取出，裝上試?？蚣?；在試模中鋪1張裁好的普通紙，使試模底面及側(cè)面均被紙隔離；將拌好的瀝青混合料用小鏟均勻地沿試模由外至內(nèi)轉(zhuǎn)圈裝入試模，中部略高于四周.啟動(dòng)輪碾機(jī)，先朝一個(gè)方向碾壓2個(gè)往返，卸載，再將試件調(diào)轉(zhuǎn)方向進(jìn)行碾壓，一般進(jìn)行12個(gè)往返次數(shù)即可達(dá)到試驗(yàn)要求.

2.1.2 模擬單層攤鋪

先加入4 950g AC－20瀝青混合料，進(jìn)行30mm下面層混合料碾壓，待冷卻后，在試件表面按0.4kg／m2灑布量灑布熱SBS改性瀝青做黏層，之后再加入3 300g AC－13瀝青混合料，進(jìn)行20mm上面層混合料碾壓.

2.1.3 模擬雙層攤鋪

雙層梁在實(shí)驗(yàn)室預(yù)制過(guò)程中，采用熱接熱方式進(jìn)行試件預(yù)制.先將4 950g AC－20瀝青混合料裝入試模，放入烘箱內(nèi)保溫，下面層制作完成后，在控制好溫度的前提下，再將3 300g AC－13瀝青混合料放入原先保溫的試模中，一次性雙層碾壓瀝青混合料，從而減小溫度散失對(duì)雙層梁試件層間結(jié)合強(qiáng)度的影響，保證雙層梁的抗彎拉強(qiáng)度.

按照試驗(yàn)路不同面層結(jié)構(gòu)，需制作2種棱柱體小梁試件，如表3所示.

表3 試件類(lèi)型Table 3 Specimen type

每種方案需3個(gè)試件，試驗(yàn)共需6個(gè)試件.

2.2 試驗(yàn)方法

按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，進(jìn)行小梁跨中單點(diǎn)加載彎曲試驗(yàn)，得到單層攤鋪與雙層攤鋪下試件的荷載－撓度曲線圖及試件破壞時(shí)的勁度模量.

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

相應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算公式如下：

式中：Rb為彎拉強(qiáng)度，MPa；εb為彎拉應(yīng)度；Sb為勁度模量，MPa；b 為跨中斷面試件寬度，mm；h 為跨中斷面試件高度，mm；L 為試件跨徑，mm；Pb為試件破壞時(shí)的最大荷載，N；d 為試件破壞時(shí)的跨中撓度，mm.

試驗(yàn)結(jié)果按試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度進(jìn)行棄差處理，當(dāng)每組試驗(yàn)的有效試件為3根時(shí)，棄差標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)1組試件的測(cè)定值中某個(gè)測(cè)定值與平均值之差大于標(biāo)準(zhǔn)差的1.15倍時(shí)，該次試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)予以舍棄.經(jīng)計(jì)算處理后得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 小梁彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Experimental data of beam bending

在原方案和方案1中選擇典型試件試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出荷載－撓度曲線對(duì)比圖，如圖7所示.

圖7 小梁彎曲試驗(yàn)荷載－撓度曲線對(duì)比圖Fig.7 Load－deformation curves comparison chart of beam bending test

由圖7可知，雙層攤鋪情況下瀝青混合料小梁可承受較高的荷載值，而且試件破壞時(shí)的極限彎拉應(yīng)變得到了提升.這說(shuō)明雙層攤鋪形式可提高瀝青的彎曲性能，從而提高路面的承載能力.單層攤鋪時(shí)，瀝青混合料小梁彎拉強(qiáng)度均值為5.142 MPa，彎拉應(yīng)變均值為0.023 60，勁度模量均值為217.59MPa；雙層攤鋪時(shí)，瀝青混合料小梁彎拉強(qiáng)度均值為6.596MPa，彎拉應(yīng)變均值為0.029 65，勁度模量均值為222.40 MPa，分別較單層攤鋪提高28.3%，25.4%，2.2%.

3 小梁疲勞試驗(yàn)

通過(guò)測(cè)定瀝青混合料小梁承受重復(fù)彎曲荷載的疲勞壽命，對(duì)比分析單層攤鋪與雙層攤鋪對(duì)瀝青混合料疲勞性能的影響［4－5］.

3.1 試驗(yàn)方案

采用跨中加載小梁疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)單層攤鋪與雙層攤鋪對(duì)瀝青混合料疲勞性能的影響.試驗(yàn)設(shè)備為瀝青混合料彎曲試驗(yàn)機(jī)，加載方式為三點(diǎn)跨中加載，跨徑200 mm；控制方式為應(yīng)力控制；加載頻率10Hz；加載波形為正弦波，為避免長(zhǎng)時(shí)間加載可能出現(xiàn)試件脫空，造成對(duì)試件的沖擊作用，試驗(yàn)設(shè)置正弦波荷載的最小荷載為最大荷載的2%；試驗(yàn)溫度為15℃；疲勞破壞判斷標(biāo)準(zhǔn)為瀝青混合料小梁裂縫迅速發(fā)展，承載能力迅速下降.

根據(jù)瀝青混合料小梁的破壞強(qiáng)度，按表3所示的2種方案，各選擇0.3，0.4，0.5，0.6 和0.7 這5種應(yīng)力比，每種應(yīng)力比2 個(gè)平行試件，共計(jì)20 個(gè)試件.

3.2 雙層瀝青混合料小梁疲勞方程

根據(jù)瀝青混合料疲勞理論，在應(yīng)力控制疲勞試驗(yàn)中，應(yīng)力與疲勞壽命成雙對(duì)數(shù)線性關(guān)系，疲勞方程形式為：

式中：Nf為疲勞壽命；lg k 為疲勞壽命對(duì)數(shù)曲線的截距；n為疲勞壽命對(duì)數(shù)曲線的斜率；σ為彎拉應(yīng)力；k，n為通過(guò)試驗(yàn)確定的參數(shù)［9－10］.

根據(jù)瀝青混合料小梁試件抗疲勞試驗(yàn)結(jié)果，從小梁變形破壞情況來(lái)看，選擇單層攤鋪及雙層攤鋪這2種方案下典型小梁試件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，如表5所示.

表5 典型小梁試件試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of typical beam specimen

根據(jù)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出單層攤鋪時(shí)瀝青混合料小梁的疲勞壽命方程為lg Nf＝4.34－0.286lgσ；雙層攤鋪時(shí)瀝青混合料小梁的疲勞壽命方程為lg Nf＝4.53－2.95lgσ.

選擇典型試件的疲勞方程圖進(jìn)行分析，如圖8，9所示.由圖8，9可知，應(yīng)力水平與疲勞壽命之間在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下滿(mǎn)足良好的線性關(guān)系；應(yīng)力水平對(duì)疲勞壽命有顯著影響，隨著應(yīng)力水平的提高，瀝青混合料的疲勞壽命逐漸降低；疲勞曲線在y 軸上的截距值a，反映了疲勞曲線線位的高低，a值越大，疲勞曲線線位越高，混合料疲勞性能越好.由圖8，9可見(jiàn)，單層攤鋪情況下，a 值為4.34，雙層攤鋪情況下，a值為4.48，這說(shuō)明相對(duì)單層攤鋪，雙層攤鋪可提高瀝青混合料的疲勞壽命.

圖8 單層攤鋪瀝青混合料雙對(duì)數(shù)疲勞曲線Fig.8 Double logarithm fatigue curve of single－layer paving asphalt mixture

圖9 雙層攤鋪瀝青混合料雙對(duì)數(shù)疲勞曲線Fig.9 Double logarithm fatigue curve of double－layer paving asphalt mixture

雙層攤鋪較傳統(tǒng)單層攤鋪在不同應(yīng)力水平下疲勞壽命的提高值如表6所示.

表6 不同應(yīng)力水平下疲勞壽命提高值Table 6 Fatigue life increase value under different stress levels

4 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)施工工藝下，由于施工污染，黏結(jié)層撒布不均勻等問(wèn)題，路面層間很難保證完全連續(xù)接觸狀態(tài)，而層間接觸狀態(tài)的薄弱，會(huì)造成道路結(jié)構(gòu)中水平應(yīng)力增大，進(jìn)而造成道路推移、擁包等病害.雙層攤鋪技術(shù)在提高瀝青路面層間黏結(jié)效果的同時(shí)，還提高了層間混合料的嵌擠咬合能力，使兩層混合料形成一個(gè)整體的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)層，進(jìn)而提高了瀝青混合料的抗疲勞性能.

（2）傳統(tǒng)單層攤鋪情況下，瀝青混合料小梁彎拉強(qiáng)度為5.142MPa，彎拉應(yīng)變?yōu)?.023 60，勁度模量為217.59MPa.雙層攤鋪情況下，瀝青混合料小梁彎拉強(qiáng)度為6.596MPa，彎拉應(yīng)變?yōu)?.029 65，勁度模量為222.39 MPa，分別較傳統(tǒng)單層攤鋪提高28.3%，25.4%和2.2%.

（3）根據(jù)瀝青混合料小梁疲勞試驗(yàn)結(jié)果，得出了雙層攤鋪較傳統(tǒng)單層攤鋪在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命提高值.

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