瀝青混合料粗集料抗疲勞性能

李沛洪

(長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114)

瀝青混合料粗集料抗疲勞性能

李沛洪

(長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114)

為研究AC-13瀝青混合料在重復荷載下各擋粗集料的抗疲勞性能，提出反映各擋粗集料特性的瀝青混合料等效基體(AC-9.5、AC-4.75、AC-2.36、AC-1.18)概念；通過疲勞過程等效基體的開裂特性，分析各擋集料的抗疲勞能力。建立疲勞過程Miner線性損傷模型，設(shè)計不同應(yīng)力水平的劈裂強度試驗和疲勞試驗,得出各等效基體劈裂抗拉強度和疲勞壽命。依據(jù)損傷模型與疲勞壽命結(jié)果，劃分瀝青混合料及其等效基體不同損傷程度(20%～80%)的疲勞作用次數(shù)；定義裂紋貫穿比例，分析不同應(yīng)力水平等效基體隨損傷程度的裂紋貫穿變化規(guī)律。結(jié)果表明： 9.5～13.2 mm集料和4.75～9.5 mm集料對提高AC-13瀝青混合料抗疲勞性能的作用大于2.36～4.75 mm和13.2～16 mm集料；通過提高4.75～13.2 mm集料的質(zhì)量分數(shù)可以提高瀝青混合料的抗疲勞性能,但提高13.2～16 mm和2.36～4.75 mm集料的質(zhì)量分數(shù)對提高抗疲勞性能作用不明顯。

道路工程；瀝青混合料；等效基體；集料特性；疲勞開裂性能

瀝青混合料是由多種粒徑的集料、瀝青、外加劑等經(jīng)過加熱拌合并壓實成型的路面材料。密級配瀝青混合料(AC型)的空隙率較低，適用于上面層；半開級配(AM型)或開級配(ATPB型)瀝青混合料的粒徑和空隙較大，適用于下面層。不同級配類型瀝青混合料表現(xiàn)出不同的技術(shù)特點，如抗車轍、抗疲勞特性等。瀝青路面疲勞開裂是路面損壞的常見形式[1-2]，瀝青混合料在車輛荷載作用下集料與瀝青的粘結(jié)能力降低、集料松散、破損等影響路面正常使用[3-4]。本文研究瀝青混合料級配差異對疲勞開裂的影響程度[5-7]，優(yōu)化各擋集料配合比，從而提高瀝青混合料的抗疲勞性能。

1 瀝青混合料等效基體級配特征

不同級配類型的瀝青混合料表現(xiàn)出不同的材料屬性。通過改變集料的質(zhì)量分數(shù)研究瀝青混合料的抗疲勞性能，提出瀝青混合料等效基體的思想。研究等效基體的意義在于評估集料抗疲勞性能的能力。本文選用密級配瀝青混合料AC-13，等效基體命名原則以公稱最大粒徑確定，所以選定四類等效基體，分別為AC-9.5、AC-4.75、AC-2.36、AC-1.18。表1為AC-13瀝青混合料及其等效基體的級配特征。

2 劈裂疲勞試驗分析

疲勞性能是指瀝青混合料在反復荷載作用下抵抗破壞的能力[8-9]。劈裂疲勞試驗[10-11]使圓柱體試件處于二維應(yīng)力狀態(tài)，該種受力狀態(tài)相似于車輛荷載作用于瀝青面層的狀態(tài)，所以選用劈裂疲勞試驗研究瀝青混合料疲勞性能[12]。

2.1定義劈裂疲勞過程損傷

疲勞試驗過程中荷載對瀝青混合料試件進行重復作用，每一次荷載對瀝青混合料造成一定的損傷。借助數(shù)學模型定義每一次荷載損傷，Miner損傷模型是瀝青混合料疲勞損傷常用模型，假設(shè)每一次荷載作用對瀝青混合料產(chǎn)生的損傷相同[13-14]，即損傷是線性演化，表達式為：

d=l/Nf，

(1)

式中：d為每一次作用損傷值；Nf為疲勞壽命，次。

表1 瀝青混合料及不同等效基體通過不同邊長篩孔的質(zhì)量分數(shù) %

2.2設(shè)計劈裂疲勞試驗

級配差異使AC-13瀝青混合料及等效基體(AC-9.5、AC-4.75、AC-2.36、AC-1.18)劈裂強度和疲勞壽命各不相同[15]。為使疲勞過程每一次荷載對各類瀝青混合料產(chǎn)生的損傷一致，對疲勞試驗方案分3步進行：1)測定AC-13瀝青混合料及其等效基體的劈裂抗拉強度；2)確定應(yīng)力控制模式下劈裂疲勞試驗應(yīng)力水平值(0.3，0.4，0.5，0.6),并計算疲勞荷載；3)記錄各瀝青混合料及其等效基體隨疲勞作用次數(shù)的豎向變形及疲勞壽命。

2.3劈裂疲勞試驗結(jié)果

采用疲勞試驗測定瀝青混合料及其等效基體劈裂抗拉強度及不同應(yīng)力水平疲勞壽命[16]，如表2所示。

表2 瀝青混合料及其等效基體試驗結(jié)果

圖1 瀝青混合料及其等效基體疲勞過程變化趨勢

由表2得各類瀝青混合料疲勞過程曲線如圖1所示。

3 劈裂疲勞開裂研究

3.1損傷程度

疲勞損傷從第一次荷載作用開始不斷地累積,當疲勞作用次數(shù)達到試件疲勞壽命Nf時，試件完全破壞不能承受任何荷載。按照Miner線性損傷理論定義損傷程度S為疲勞作用次數(shù)與疲勞壽命之比，表達式為：

S=N/Nf，

(2)

式中：N為疲勞荷載作用次數(shù)；Nf為疲勞壽命。

依據(jù)式(2)可反算相應(yīng)損傷程度的疲勞作用次數(shù)N，并通過CT掃描得出相應(yīng)的裂紋擴展狀態(tài)[17-18]。本文定義的損傷程度為20%～80%。瀝青混合料及其等效基體不同損傷程度的疲勞作用次數(shù)見表3。

表3 瀝青混合料及其等效基體不同損傷程度疲勞作用次數(shù)

3.2疲勞裂紋貫穿率

瀝青混合料試件(Φ101.6 mm×63.5 mm)安裝于夾具內(nèi)，上下圓弧形壓頭附近材料受豎向壓力作用，受到拉伸的區(qū)域主要集中于試件圓心區(qū)域。在疲勞荷載重復作用時，上下壓頭對圓柱體側(cè)面進行重復荷載作用容易導致壓頭位置瀝青混合料松散開裂從而加快裂紋擴展。劈裂疲勞試驗瀝青混合料破壞狀態(tài)如圖2所示。

圖2 劈裂破壞狀態(tài) 圖3 裂紋貫穿狀態(tài)

為清晰還原不同疲勞損傷狀態(tài)裂紋的擴展規(guī)律，量化疲勞過程裂紋擴展情況，定義裂紋貫穿比例G，裂紋貫穿狀態(tài)如圖3所示。裂紋貫穿率表達式為：

G=(L1+L2+L3)/D，

式中：L1為上壓頭裂紋豎直長度，mm；L2為圓心區(qū)域延伸的裂紋豎直長度，mm；L3為下壓頭裂紋豎直長度，mm；D為圓柱體直徑，D=101.6 mm。

4 瀝青混合料及其等效基體疲勞開裂分析

列舉AC-13和AC-4.75在不同損傷程度的內(nèi)部裂紋擴展CT圖[19-20]如圖4、5所示。

圖4 不同損傷程度AC-13的CT圖 圖5 不同損傷程度AC-4.75的CT圖

4.1不同損傷程度的裂紋貫穿規(guī)律

在不同應(yīng)力水平條件下測定瀝青混合料及其等效基體裂紋貫穿長度計算裂紋貫穿率。不同應(yīng)力水平下的貫穿率變化趨勢如圖6所示。由圖6可得：

1)在4種不同應(yīng)力水平下，距AC-13變化曲線最近的是AC-9.5曲線，AC-9.5等效基體的公稱最大粒徑是9.5 mm且不存在13.2～16 mm；根據(jù)AC-13與AC-9.5貫穿率變化曲線的對比可評價13.2～16 mm集料對AC-13瀝青混合料的抗疲勞能力。根據(jù)AC-9.5的級配特點，AC-9.5等效基體在沒有13.2～16 mm集料的情況下仍能與AC-13貫穿率曲線接近，說明13.2～16 mm集料對AC-13瀝青混合料抗疲勞的作用不明顯，其原因是AC-13中13.2～16 mm集料的質(zhì)量分數(shù)小于10%，含量較少的13.2～16 mm集料對瀝青混合料抗疲勞性能貢獻不大。

a)應(yīng)力水平為0.3 b)應(yīng)力水平為0.4

c)應(yīng)力水平為0.5 d)應(yīng)力水平為0.6圖6 不同應(yīng)力水平時貫穿率的變化趨勢

2)在各個應(yīng)力水平中AC-1.18貫穿率曲線第二靠近AC-13曲線，AC-1.18是評價2.36～4.75 mm集料抗疲勞性能的等效基體，從貫穿率變化趨勢可得2.36～4.75 mm集料對瀝青混合料抗疲勞程度大于13.2～16 mm集料，但小于9.5～13.2 mm集料和4.75～9.5 mm集料；2.36～4.75 mm集料填充瀝青混合料大粒徑骨料之間空隙,而且傳遞骨料之間荷載作用，所以對提高瀝青混合料抗疲勞性能并不明顯。

3)從AC-4.75(評價9.5～13.2 mm集料的等效基體)和AC-2.36(評價4.75～9.5 mm集料的等效基體)貫穿率變化趨勢表明：4.75～13.2 mm范圍的集料對AC-13瀝青混合料抗疲勞作用明顯。從表1可知，AC-13瀝青混合料中4.75～13.2 mm粒徑集料的質(zhì)量分數(shù)為34%， 4.75～13.2 mm集料在瀝青混合料中構(gòu)成了骨架，抵抗外界重復荷載作用。當4.75～13.2 mm集料的質(zhì)量分數(shù)降低時會導致瀝青混合料抗疲勞性能下降。

4)應(yīng)力水平越高,各類瀝青混合料貫穿率亦高，但瀝青混合料及等效基體貫穿率變化曲線靠近程度不變，所以提高應(yīng)力水平不能改變集料對AC-13瀝青混合料的抗疲勞性能，即各擋集料對瀝青混合料抗疲勞性能是材料本身屬性決定而與荷載作用無關(guān)。

4.2級配優(yōu)化后瀝青混合料疲勞性能驗證

為使AC-13具有更優(yōu)的抗疲勞性能，增加9.5～13.2 mm集料和4.75～9.5 mm集料的質(zhì)量分數(shù)，減少13.2～16 mm集料的質(zhì)量分數(shù)，提出3種優(yōu)化方案，優(yōu)化方案級配設(shè)計如表4所示。

表4 瀝青混合料優(yōu)化級配設(shè)計 %

圖7 優(yōu)化后疲勞壽命變化規(guī)律

通過劈裂疲勞試驗繪制優(yōu)化后瀝青混合料疲勞曲線，如圖7所示。

由圖7優(yōu)化后的瀝青混合料疲勞壽命變化趨勢得出：優(yōu)化方案1、2都增加2.36～13.2 mm集料的質(zhì)量分數(shù)同時減少13.2～16 mm集料的質(zhì)量分數(shù)，2個方案的疲勞壽命高于原級配方案。優(yōu)化方案3減少13.2～16 mm集料并增加4.75～13.2 mm集料，其抗疲勞性能優(yōu)于其方案1、2。該現(xiàn)象說明AC-13瀝青混合料各擋集料的抗疲勞性能是不相同的，而且抗疲勞性能較好的集料集中在4.75～13.2 mm范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

1)AC-13瀝青混合料粗中9.5～13.2 mm和4.75～9.5 mm集料對瀝青混合料抗疲勞性能大于2.36～4.75mm和13.2～16 mm集料；說明9.5～13.2 mm和4.75～9.5 mm集料在瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中起骨架、承受外部荷載以及傳遞荷載的作用，而2.36～4.75 mm集料的作用體現(xiàn)在填充大粒徑骨料的空隙，同時13.2～16 mm集料起骨架作用但由于其質(zhì)量分數(shù)較少使其抗疲勞作用不明顯。

2)級配優(yōu)化試驗驗證了提高9.5～13.2 mm及4.75～9.5 mm集料的質(zhì)量分數(shù)有利于提高AC-13瀝青混合料的疲勞壽命，說明抗疲勞性能較好的集料集中在4.75～13.2 mm范圍內(nèi)。

3)本文定性研究集料差異對疲勞性能的影響并得出各集料間疲勞影響程度關(guān)系，但未從材料屬性如集料菱角性、集料體積、集料強度剛度、瀝青與集料粘附性等的力學特性考慮，若能從理論上推導集料性質(zhì)與抗疲勞性能的關(guān)系則更具實用意義。

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ResistingFatigueAbilityAboutCoarseAggregatesofAsphaltMixture

LIPeihong

(SchoolofTrafficandTransportationEngineering,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410114,China)

In order to research the resisting fatigue property of each aggregate about AC-13 asphalt mixture in repeated loading, the concept about asphalt mixture equivalent matrix (AC-9.5, AC-4.75, AC-2.36, AC-1.18) that reflects each coarse aggregate property is put forward in this article. By means of equivalent matrix fissure characteristic in the fatigue process, the capacity of resisting fatigue of each aggregate is analyzed. The Miner linear damaged model in fatigue process is established and the splitting strength test and fatigue test with different stress levels is designed, and then the splitting tensile strength and fatigue life of each equivalent matrix is obtained. According to damaged model and fatigue life results, the article divides the asphalt mixture and its equivalent matrix fatigue action times in line with various damaged degree (20%～80%) and defines the crack traversal percentage so that it analyzes the crack traversal rule about the equivalent matrix changing with damaged degree under different stress levels. The result shows that the fatigue incidence of aggregates about 9.5～13.2 mm and 4.75～9.5 mm in AC-13 asphalt mixture is higher than that of aggregates about 2.36～4.75 mm and 13.2～16 mm. The fatigue resistance ability of asphalt mixture increases by improving the mass fraction of 4.75～13.2 mm aggregate but it is not obvious for the improvement of the fatigue resistance ability to increase the mass fraction of 13.2～16 mm and 2.36～4.75 mm aggregatese.

road engineering；asphalt mixture；equivalent matrix；aggregate property；fatigue cracking ability

U416.217；U414

：A

：1672-0032(2017)03-0074-07

(責任編輯：郎偉鋒)

2016-12-06

李沛洪(1993—)，男，廣州人，碩士研究生，主要研究方向為道路結(jié)構(gòu)與材料,E-mail：road-engineering@foxmail.com

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.03.012