沥青路面下面层施工空隙率对疲劳性能的研究

2014-01-08李泉

城市道桥与防洪 2014年2期

关键词：空隙寿命压实

李泉

（广州市公用事业技师学院，广东广州 510100）

0 引言

首先分析现场压实度与马歇尔密度控制的压实度K1、最大理论密度标准控制的压实度K2和路面实际空隙率的关系。见表1所列。

表1 压实度与路面实际空隙率对比表（单位：%）

路面实际空隙率与设计空隙率并不是同一事物，设计空隙率的性能在实验室取得了验证，然而路面实际空隙率的相关性能却不得而知，值得继续研究。例如：传统满足压实度98%作为交工检查和质量验收的标准，是否考虑到具体的沥青混合料性能。

关于疲劳性能的研究，国内多以疲劳方程为“桥梁”，研究疲劳性能的影响因素及这些因素对疲劳性能的影响，比如沥青类型、混合料类型及温度等。国内的疲劳方程已广泛应用，疲劳方程的成立是基于相同的沥青混合料结构，包括相同原材料和相似空隙构造。

通过试验得出相应的疲劳方程却不是一件很简单的工序，它不仅耗时，而且反复无常的变异性让人捉摸不定。疲劳试验中，变异性的存在是必然的，也是正常的。一般通过室内疲劳试验得出疲劳方程的过程中，有两个引起疲劳次数变异性大的关键环节，一个是仪器本身的特性，良好敏感的仪器对试验数据的真实性是有很大帮助的，不过对于试件疲劳性能影响因素来讲，它属于外因。另一个是试件本身，通过轮碾法进行切割得到的小梁试件存在着空隙率不均的事实，即使同一个板切割成的试件也有着相当大差异，而事实上，空隙率对疲劳次数的影响非常显著，这必然导致数据变异性过大。

沥青混合料的疲劳性能与空隙率有着密不可分的联系，有试验结果表明[2-3]，混合料的疲劳寿命随着空隙率的降低而显著地增长。调节沥青混合料的空隙率通常有两种方法。一种是通过级配的调整，调节混合料填料用量和油石比，来改变空隙率，这种方法达到的效果较好，而且对疲劳效果影响比较大，具体规律见图1所示。

图1 空隙率对沥青混合料疲劳寿命影响曲线图

另一种则是对设计完后的沥青混合料进行不同的施工压实质量来调节沥青混合料空隙率，这也是本文研究的主要方向。

本文基于西-铜高速下面层ATB-30，通过施工空隙率为变量的疲劳试验，分析施工空隙率与疲劳性能的相关性。

1 原材料

1.1 沥青原材料

沥青检测结果见表2所列。

表2 沥青种类、技术要求及检测结果一览表

1.2 其他原材料（见表3～表5）

表3 石灰岩粗集料试验指标与技术要求一览表

表4 细集料的试验指标与技术要求一览表

表5 矿粉的试验指标与技术要求一览表

2 下面层级配组成及路用性能验证

2.1 级配组成及马歇尔试验

参考《公路沥青路面施工技术规范》中表5.3.2-5[4]关于密级配沥青碎石混合料的矿料级配范围，得出西-铜高速下面层采用的级配组成如表6所列和图2所示。

ATB-30马歇尔试验的结果如表7所列。

由表7的结果可知，选择油石比为3.3%作为生产配合比的最佳油石比。

2.2 路用性能验证

各性能检测结果见表8所列。

各性能结果都满足规范要求，因此可进行沥青混合生产和施工。

3 空隙率与疲劳性能研究

3.1 试验方法和评价指标选择

纵观材料研究领域，疲劳试验的方法虽然有很多，归纳起来可以分为两大类，一类是真实的模拟实际路面来进行疲劳试验，像美国著名的AASHO试验路，环道试验和加速加载试验等。另一类是简化的模拟实际路面来进行疲劳试验，比如试验板试验法和试验室小型试件的疲劳试验。迄今为止，国内没有将某疲劳试验方法作为标准试验方法纳入规范，主要是以简单的弯曲试验为主。简单弯曲试验包括中点加载或三分点加载、旋转悬臂梁和梯形悬臂梁，该项试验采用三分点加载模式进行疲劳试验。

该项疲劳试验的目的并不是通过对比沥青混合料的疲劳方程中参数的优劣来分析沥青混合料疲劳性能，而是重点分析因施工质量导致的施工空隙率变化对混合料疲劳性能的影响。

3.2 试验方案设计

为了获得不同空隙率的疲劳试验试件，在该项试验中，首先采取不同碾压次数成型车辙板，再通过切割，即可得到不同空隙率的小梁试件。疲劳试验有两种控制模式，应力控制模式和应变控制模式。有试验表明[5]：通过APA疲劳试验（SHRP研制开发的一种往返轮载试验装置的沥青路面分析仪）得出的试验结果，与弯曲疲劳试验中采用应力控制模式下的疲劳试验结果是一致的。因此，该项疲劳试验采用控制应力模式。

表6 ATB-30级配组成表

图2 ATB-30级配组成曲线图

表7 ATB-30马歇尔试验结果数据表

表8 路用性能验证结果一览表

为了控制疲劳试验结果的变异程度，该项试验采用统一的试件尺寸（40 mm×40 mm×250 mm）、加载波形和频率（10HZ连续式半正矢波形）和试验温度（15℃±1℃）。试验仪器为MTS-810，试验仪器与过程见图3和图4所示。

进行疲劳试验时，必须首先确定关键参数即应力比。查阅相关资料可知，一般情况下，通过疲劳试验进行疲劳方程拟定时常用到的应力比范围为0.2～0.6，但该项试验并不是为了得出ATB-30的疲劳方程，而是为了研究施工孔隙率对疲劳性能的影响，所以在设定应力比时有所不同。由于混合料疲劳性能的优劣主要由材料内部结构所决定，鉴于该项试验研究的目的，同时考虑到疲劳试验周期长，最终仅选用应力比为0.4来开展疲劳试验。

图3 疲劳试验仪器实景

图4 疲劳试验过程实景

控制应力比为0.4，不同空隙率的ATB-30试件的疲劳试验结果汇总于表9。

3.3 沥青混合料空隙率与疲劳性能的相关分析

将表9中的实验结果绘于图5。

分析图5可知，空隙率与疲劳寿命的关系规律与图1是一致，即随着混合料空隙率减小，混合料内部结构更加密实，沥青混合料的疲劳寿命增大。由于该项试验采用的应力比较大，反映出相比图1中空隙率对疲劳次数的影响，施工压实质量导致的空隙率变化对疲劳寿命的影响程度在数量级上有所降低。此外，K.D.Raithy&A.B.Sterling通过试验认为，行车的补充压实作用能使试件在25℃时的疲劳寿命大致增长3倍[3]，因此，通过适当提高压实度能增大沥青混合料的疲劳性能的。提高压实度要配合好施工的各个环节，比如温度控制等。当温度降低后，单纯增加压实功能对提高压实度没有帮助，反而容易造成集料的破损，导致内部结构变化。