全厚式瀝青路面材料抗疲勞性能及疲勞預(yù)估模型

王其峰，吳文娟，申全軍，徐欽升*，齊輝

1.山東高速集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250102；3.山東高速集團(tuán)創(chuàng)新研究院，山東 濟(jì)南 250000

0 引言

社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展使得道路交通環(huán)境和交通荷載的復(fù)雜性加劇，瀝青路面疲勞損壞和永久變形問題日益嚴(yán)重，極大地縮短了路面使用壽命。20世紀(jì)以來，研究人員開始設(shè)計(jì)長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)[1-4]，多年的應(yīng)用實(shí)踐證明，全厚式瀝青路面的路用性能和經(jīng)濟(jì)社會效益較好，應(yīng)用廣泛。

全厚式瀝青路面是路床頂面以上各結(jié)構(gòu)層(墊層除外)均采用瀝青混合料鋪筑的路面，研究人員從全厚式瀝青路面的結(jié)構(gòu)、技術(shù)體系、力學(xué)性能、綜合評價(jià)等方面分析如何提高全厚式瀝青路面的抗疲勞性能[5-6]。鄭健龍等[7]研究長壽命路面的技術(shù)體系及關(guān)鍵問題；溫麗娟[8]對重載交通環(huán)境下長壽命瀝青材料的組成及路面性能進(jìn)行試驗(yàn)研究；趙向敏[9]研究長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法；張坤[10]研究全厚式瀝青路面材料與力學(xué)性能的關(guān)系；郭立成等[11]基于法國路面設(shè)計(jì)方法分析全厚式瀝青路面的結(jié)構(gòu)性能；李濤等[12]研究了全厚式高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)并進(jìn)行力學(xué)分析；徐希忠[13]研究了全厚式高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)。對全厚式瀝青路面的研究集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料綜合性能方面，因全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)組合的特殊性，其疲勞壽命是整個路面結(jié)構(gòu)服役、使用年限的瓶頸，如何確保全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)在復(fù)雜惡劣的交通荷載重復(fù)作用下不產(chǎn)生疲勞裂縫，對選取室內(nèi)瀝青混合料疲勞試驗(yàn)參數(shù)提出了更高要求[14-17]。

本文采用室內(nèi)四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)研究全厚式瀝青路面各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料的抗疲勞性能，并借鑒典型疲勞預(yù)估模型，建立全厚式瀝青路面的疲勞預(yù)估模型，實(shí)現(xiàn)對全厚式瀝青路面疲勞壽命的準(zhǔn)確評價(jià)和預(yù)估，以期為該路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及后期應(yīng)用提供理論支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1 全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文依托當(dāng)前高速公路中常用的、典型的全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式[18-19]，采用UTM-100萬能試驗(yàn)機(jī)，設(shè)計(jì)不同的應(yīng)變，對全厚式瀝青路面各結(jié)構(gòu)層混合料進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)(每個應(yīng)變下采集至少3個合適的試驗(yàn)數(shù)據(jù))，分析評價(jià)材料的抗疲勞性能，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對疲勞預(yù)估模型進(jìn)行修正，建立適用于全厚式瀝青路面各結(jié)構(gòu)層材料的疲勞預(yù)估模型。全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)組合方案如表1所示。

表1 全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)組合

①添加占瀝青混合料質(zhì)量0.7%的改性劑。

1.2 原材料

1)瀝青膠結(jié)料

按照文獻(xiàn)[20]要求，對全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)層SMA-13、HMAC-20、LSPM-25、AC-13F選用的SBS(I-D)改性瀝青和AC-25選用的70-A基質(zhì)瀝青進(jìn)行性能檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，檢測結(jié)果均滿足文獻(xiàn)[21]的性能指標(biāo)要求。

表2 瀝青膠結(jié)料性能檢測結(jié)果

2)集料

HMAC-20、LSPM-25、AC-25、AC-13F的集料選用優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r，SMA-13的集料選用玄武巖，礦粉為優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r磨細(xì)加工而成，粗、細(xì)集料主要技術(shù)指標(biāo)均滿足文獻(xiàn)[21]要求，結(jié)果如表3、4所示。

表3 粗集料主要技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

表4 細(xì)集料主要技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

3)改性劑

改性劑選用PR Module高模量改性劑，為黑色、扁平顆粒狀聚合物，粒徑為1～4 mm，密度為0.912～0.965 g/cm3，熔點(diǎn)為140～160 ℃。

1.3 各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料合成級配

按照文獻(xiàn)[21]要求進(jìn)行全厚式瀝青路面各結(jié)構(gòu)層混合料級配設(shè)計(jì)，并經(jīng)馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)驗(yàn)證，確定SMA-13、HMAC-20、AC-25、LSPM-25及AC-13F各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料合成級配及瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果如表5所示(φ為篩孔直徑)。

表5 全厚式瀝青路面各結(jié)構(gòu)層合成級配及瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 疲勞壽命分析

按照文獻(xiàn)[20]的要求，采用四點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)，在20 ℃、10 Hz條件下，應(yīng)變分別為0.000 2、0.000 4、0.000 6、0.000 8時驗(yàn)證全厚式瀝青路面混合料抗疲勞性能的優(yōu)劣，分析評價(jià)各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料的抗疲勞性能，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立疲勞預(yù)估模型，并修正疲勞預(yù)估模型的參數(shù)，確立適用于全厚式瀝青路面的疲勞預(yù)估模型。全厚式瀝青路面各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 全厚式瀝青路面各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料疲勞壽命

為了直觀分析評價(jià)不同應(yīng)變下全厚式瀝青路面各結(jié)構(gòu)層材料的疲勞壽命，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)處理，繪制瀝青混合料疲勞壽命與應(yīng)變的關(guān)系曲線，并通過數(shù)據(jù)擬合得到不同類型瀝青混合料疲勞壽命與應(yīng)變的關(guān)系，如圖1所示。

40年改革開放的偉大實(shí)踐， “我們黨引領(lǐng)人民繪就了一幅波瀾壯闊、氣勢恢宏的歷史畫卷，譜寫了一曲感天動地、氣壯山河的奮斗贊歌。”“改革開放40年積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)是黨和人民彌足珍貴的精神財(cái)富，對新時代堅(jiān)持和發(fā)展中國特色社會主義有著極為重要的指導(dǎo)意義，必須倍加珍惜、長期堅(jiān)持，在實(shí)踐中不斷豐富和發(fā)展?！?/p>

圖1 全厚式瀝青路面各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料疲勞壽命與應(yīng)變的關(guān)系曲線

由圖1可知：各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料的疲勞壽命按由高到低的順序依次為AC-13F、SMA-13、HMAC-20、LSPM-25、AC-25，表明AC-13F型瀝青混合料的抗疲勞性能最好，可滿足全厚式瀝青路面抗疲勞功能層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。AC-25型瀝青混合料(采用70#瀝青，空隙率為4.3%)的抗疲勞性能相對較差，與同粒徑LSPM-25型瀝青混合料(采用SBS改性瀝青，空隙率為15.3%)相比，在應(yīng)變?yōu)?.000 2時，前者的疲勞壽命約降低38.4%；在應(yīng)變?yōu)?.000 4時，前者的疲勞壽命約降低28.8%；在應(yīng)變?yōu)?.000 6時，其疲勞壽命約減小15.1%；在應(yīng)變?yōu)?.000 8時，其疲勞壽命約降低39.5%。由圖1可知：混合料的抗疲勞性能不僅與瀝青種類有關(guān)，還與混合料的最大粒徑有關(guān)，SBS改性瀝青在提高粗粒式瀝青混合料的抗疲勞性能方面更具優(yōu)勢。不同類型瀝青混合料的疲勞壽命對應(yīng)變變化的敏感性程度不同，HMAC-20高模量瀝青混合料的斜率最小，AC-13F和SMA-13次之，AC-25和LSPM-25相對較大，表明HMAC-20型瀝青混合料的疲勞壽命對應(yīng)變變化的敏感性最小。

2.2 疲勞預(yù)估模型及其修正

根據(jù)瀝青路面各結(jié)構(gòu)層應(yīng)變和路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時荷載作用次數(shù)的關(guān)系，建立瀝青混合料的基礎(chǔ)疲勞預(yù)估模型，并將混合料模量參數(shù)、體積指標(biāo)參數(shù)等因素引入模型加以修正改進(jìn)?；A(chǔ)疲勞預(yù)估模型為

(1)

圖2 修正前、后疲勞預(yù)估模型的預(yù)估疲勞壽命與實(shí)測疲勞壽命對比

選取ε、Sm、VFA及瀝青混合料調(diào)整系數(shù)A為全厚式瀝青路面疲勞預(yù)估模型參數(shù)，將表6數(shù)據(jù)帶入式(1)，預(yù)估全厚式瀝青路面各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料的疲勞壽命，并將預(yù)估疲勞壽命與試驗(yàn)實(shí)測疲勞壽命比較，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：基礎(chǔ)疲勞模型預(yù)估的瀝青混合料疲勞壽命與室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)測疲勞壽命回歸的相關(guān)系數(shù)較高(R2=0.907 6)，但預(yù)估結(jié)果明顯比實(shí)測結(jié)果低，表明全厚式瀝青路面模型的預(yù)估精度不能滿足路面設(shè)計(jì)要求，主要原因是該預(yù)測模型中涉及的瀝青混合料性能各參數(shù)基于常規(guī)路面混合料測試。全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)需修正模型系數(shù)(ε、Sm、VFA對應(yīng)系數(shù)分別為-3.973、-1.589、2.720)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析，確定3個擬合參數(shù)，并在基礎(chǔ)疲勞預(yù)估模型上添加瀝青混合料調(diào)整系數(shù)A，調(diào)整瀝青混合料間的差異性[22]，全厚式瀝青路面各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料疲勞預(yù)估模型最終擬合結(jié)果如表7所示。

表7 全厚式瀝青路面各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料疲勞預(yù)估模型最終擬合結(jié)果

根據(jù)擬合結(jié)果確定全厚式瀝青路面疲勞預(yù)估模型

(2)

由修正后的疲勞預(yù)估模型預(yù)估全厚式瀝青路面疲勞壽命，并與實(shí)測壽命比較，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：通過式(2)計(jì)算的疲勞壽命預(yù)估結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果吻合度較高，二者的相關(guān)系數(shù)R2=0.991 6，修正后的疲勞預(yù)估模型預(yù)測精度較高。因此全厚式瀝青路面可采用式(2)預(yù)估疲勞壽命，可按表7選取各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料的修正系數(shù)。

3 結(jié)論

1)采用瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)，研究分析全厚式瀝青路面材料的疲勞性能和疲勞預(yù)估模型，可知全厚式瀝青路面各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料的抗疲勞性能按從高到低的順序依次為AC-13F、SMA-13、HMAC-20、LSPM-25、AC-25；瀝青混合料對應(yīng)變變化的敏感性按從低到高的順序?yàn)镠MAC-20、SMA-13、AC-13F、LSPM-25、AC-25，HMAC-20高模量瀝青混合料可有效改善其對應(yīng)變變化的敏感程度。

2)瀝青混合料的抗疲勞性能與瀝青種類和混合料的最大粒徑有關(guān)，對比同粒徑AC-25(70#瀝青，空隙率為4.3%)和LSPM-25(SBS改性瀝青，空隙率為15.3%)瀝青混合料，在低應(yīng)變(0.000 2)條件下，AC-25的預(yù)估疲勞壽命比LSPM-25約降低38.4%，而在高應(yīng)變(0.000 8)條件下，AC-25的疲勞壽命比LSPM-25約降低39.5%，SBS改性瀝青可有效改善粗粒式瀝青混合料的抗疲勞性能。

3)結(jié)合室內(nèi)實(shí)測疲勞壽命，修正現(xiàn)有疲勞預(yù)估模型，建立預(yù)測精度更高的全厚式瀝青路面疲勞預(yù)估模型，修正后的疲勞預(yù)估模型預(yù)估的混合料疲勞壽命與實(shí)測疲勞壽命的相關(guān)系數(shù)R2=0.991 6，吻合程度較高,可用來預(yù)估全厚式瀝青路面的疲勞壽命。