高模量沥青混合料疲劳性能试验研究

道路工程

李庆国1，王　伟2

(1.唐山市交通建设质量监督处；2.天津市市政工程研究院)



高模量沥青混合料疲劳性能试验研究

道路工程

李庆国1，王伟2

(1.唐山市交通建设质量监督处；2.天津市市政工程研究院)

摘要：采用控制应力的方式进行三分点加载的弯曲试验对不同级配、不同油石比、不同旧料掺量下的高模量沥青混合料疲劳特性进行了试验研究。试验结果表明：接近AC-20中值的级配C疲劳性能最优；随着油石比的增大，高模量沥青混合料的疲劳性能不断提升；掺加旧料后，高模量沥青混合料的疲劳性能有所降低。随着旧料掺量的增加，混合料的疲劳性能先提高后降低，在旧料掺量为40%时达到最优。

关键词：道路工程；高模量；疲劳性能；旧料掺量

0引言

20世纪以来，各国都在努力的探索新的沥青混合料设计理念和设计方法，其中以法国LCPC基于性能指标设计的高模量沥青混凝土最为突出，沥青路面高模量化已经成为改善沥青路面性能的有效途径和发展方向。而法国高模量沥青混凝土(EME2)具有动态模量高(动态模量≥14 000 MPa)，抗疲劳性能好(ε6≥130 με)的双重特点。疲劳性能的优劣是高模量沥青混合料的重要标志，改善高模量沥青混凝土材料自身的疲劳性能，是保证高模量沥青混凝土路面的疲劳寿命不受影响的必要条件。因此，疲劳特性的研究对于将高模量沥青混合料成功应用于道路设计和评定的过程中具有重要的意义。

1疲劳试验条件和数据处理方法

(1)试件成型

成型方法和试件尺寸：按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0703-93规定的轮碾压实并切割成小梁的方法成型试件，试件尺寸为40.0 mm×40.0 mm×250 mm；平行试验试件个数：4根。

(2)试验条件

在制得小梁试件后，首先进行15 ℃的小梁弯曲试验得到破坏荷载P的大小，以确定小梁弯曲疲劳试验的加载量P1，然后进行小梁弯曲疲劳试验。试验条件如下：

试验设备： MTS材料试验机；加载方式：三分点加载；控制方式：控制应力；应力水平：0.2、0.3、0.4；加载波形和频率，连续式半正弦荷载，10 Hz；试验温度：15 ℃；间歇时间：0 s。

(3)数据处理方法

lgNf=lgk-nlg(σ/S)

(1)

式中：Nf为沥青混合料疲劳寿命；σ/S为不同的应力水平；k、n为试验常数，根据试验条件、加荷方式和材料特性来决定。

在Nf-σ/S双对数曲线中，lgk表示双对数线性方程中直线与纵坐标截距，lgk越大表示混合料在低应力比下疲劳寿命越高；n值表示沥青混合料疲劳寿命随荷载增大而衰减程度，n值越大表示疲劳寿命随应力比的增长降低速度越快。

2原材料和矿料级配曲线

本文采用40%BRA布敦岩沥青，干拌法掺入作为高模量沥青混合料的粘结料。级配曲线如图1所示，集料的各项性能均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的标准要求，通过逐档筛分可使混合料级配同设计级配相吻合，减小设计过程中由于级配差异对混合料性能的影响。

图1　设计级配曲线

需要指出的是，图1中AC-20为我国规范规定的AC-20级配范围的中值，EME-20为法国规范使用的级配范围中值。由图2可知，四条级配曲线依次变粗，级配A和级配B参照法国设计规范设计，级配A达到法国设计规范上限，级配B接近法国规范下限，由于法国规范中筛孔尺寸与我国的差异，级配A和级配B在设计过程中按照差分法确定我国筛孔尺寸通过率；级配A和级配B4.75 mm通过率分别达到59.8%和47.1%，0.075 mm通过率均超过6%，这与法国高模量沥青混合料设计过程中采用低空隙率(VV约为3%)，高油石比(油石比约为5.5%~6.5%)而形成的密实结构相吻合，能够满足混合料抗高温变形能力，同时由于沥青含量较高，混合料的抗低温开裂及疲劳性能均可得到保证。级配C接近AC-20中值，级配D接近我国规范下限，4.75 mm通过率分别为41.2%和30.8%，粗集料含量均超过50%，均为粗型密级配混合料，混合料中可形成部分骨架结构，高温性能得到保证，但由于空隙率较高、油石比较低使混合料抗低温开裂性能、抗水损害及疲劳性能不能得到有力保证，有待于进一步验证。

3不同级配下高模量沥青混合料疲劳性能

采用图1中所示的级配曲线，得到不同设计级配沥青混合料的疲劳曲线如图2所示。

图2　不同设计级配的疲劳曲线

由图2可知，四种级配沥青混合料在双对数坐标下均呈线性变化，四种混合料在应力比为0.2时疲劳寿命从大到小排序为：级配D>级配A>级配C>级配B，随着应力比不断增加，混合料疲劳寿命呈不同规律变化，级配C减小速度最慢，级配D减小速度最快。

表1　不同设计级配的疲劳方程

对应力比和疲劳寿命取双对数，建立双对数曲线，通过曲线拟合分别得出各级配沥青混合料的与n值如表1所示。由表1可知，级配B与级配C的值较另两种混合料大，而n值是级配A与级配D的30%左右，随着应力的增大疲劳寿命衰减程度很小，可适用于重载车辆较多的道路。因此，对四种级配沥青混合料疲劳性能从优到差排序为：级配C>级配B>级配A>级配D。

4不同油石比下高模量沥青混合料疲劳性能

油石比是影响高模量沥青混合料疲劳性能的重要影响因素。为此，选取级配C作为目标级配，对4.0%、4.5%、5.0%、5.5%四种油石比下的高模量沥青混合料的疲劳性能进行研究。

图3　不同油石比下的疲劳曲线

表2　不同油石比下的疲劳方程

由表2及图4可知，高模量沥青混合料疲劳性能随油石比增加得到迅速改善，当油石比由4.0%增至4.5%时，值由1.829 9增至2.749 7，疲劳曲线线位得到提升，疲劳寿命得到很大提高，n值由3.336 5降至2.400 6，疲劳寿命衰减幅度减缓，整体疲劳寿命得到改善。随着油石比的继续增大，疲劳寿命继续得到提升，但整体改善幅度不大。

5不同旧料掺量下高模量沥青混合料疲劳性能

选取级配C作为目标级配，在4.0%油石比下依次对20%～80%旧料掺量下的热再生高模量沥青混合料的疲劳性能进行研究。

由表3及图4可知，未掺加旧料的混合料值最大、n值最小，表明在应力较小情况下，混合料具有较高疲劳寿命，随着荷载应力的增加疲劳寿命减小速度较慢；当旧料掺量增加后，值和n值均呈现不同的变化规律，值随旧料掺量的增加，先增加后减小，旧料掺量为40%时达到最大，但此时的n值也最大，疲劳寿命随荷载应力的增加减小速度最快；n值随旧料掺量的增加先减小后变大，在旧料掺量为40%时达到最小值，而且此时的值也最小，因此，在该旧料掺量下，混合料的疲劳性能最优。

图4　不同旧料掺量下的疲劳曲线

表3　不同旧料掺量下的疲劳方程

6结论

(1)对比研究四种级配高模量沥青混合料的疲劳性能，发现级配C的疲劳性能最优，而级配C接近我国规范AC-20中值，说明采用我国规范AC-20级配配制高模量沥青混合料能够得到较好的抗疲劳性能。

(2)对比研究不同油石比下的高模量沥青混合料的疲劳性能，发现随着油石比的不断增大，混合料的疲劳寿命不断提升。

(3)掺加旧料后，高模量沥青混合料的疲劳性能有所降低。随着旧料掺量的增加，混合料的疲劳性能先提高后降低，在旧料掺量为40%时达到最优。

参考文献：

[1]陈顺福，韩东萍，延西利．法国沥青混合料设计方法[J].国外公路，2000，(6)：49-52.

[2]马峰，傅珍．硬质沥青和高模量沥青混凝土在法国的应用[J].中外公路，2008，(6)：221-223.

[3]黄晓明，吴少鹏，赵永利．沥青与沥青混合料[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4]潘学政,拾方治.泡沫沥青冷再生混合料疲劳性能的探讨[J].公路交通科技，2007,24(8)：19-26.

The Experimental Study on Fatigue Performance

of Asphalt Mixtures of High Modulus

LI Qing-guo1，WANG Wei2

(1. Tangshan City Transport Construction Quality Supervision Department；

2.Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute)

Abstract:The different gradations and aggregate ratio, the fatigue properties of high modulus asphalt old material content under different mixes were tested by thirds point bending test on the way to control stress. The results showed that: the gradation C closed to the AC-20 C values is optimal fatigue performance; With the increase of aggregate ratio, the fatigue properties of high modulus asphalt mixture is increased. The fatigue performance of high modulus asphalt mixture decreased by mixing old material. With increasing content of old material, the fatigue properties of the mixture of first increased and then decreased ,and the old material dosage of 40% become to achieve optimal.

Key words:road engineering; high modulus; fatigue performance; content of old material; asphalt mixture

作者简介：李庆国(1968-)，男，高级工程师。

收稿日期：2015-04-07

中图分类号：U416. 217

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2015)08-0001-02