不同CA比的ATB—30疲劳特性研究

马朝鲜，李 骏，武建民

（1.陕西路桥集团有限公司，陕西 西安 710054；2.合肥市市政设计院有限公司，安徽 合肥230000；3.长安大学 教育部特殊地区公路工程重点实验室，陕西 西安 710064）

不同CA比的ATB—30疲劳特性研究

马朝鲜1，李 骏2，武建民3

（1.陕西路桥集团有限公司，陕西 西安 710054；2.合肥市市政设计院有限公司，安徽 合肥230000；3.长安大学 教育部特殊地区公路工程重点实验室，陕西 西安 710064）

采用贝雷法设计了0.6、0.7、0.8、0.9四种不同CA比的ATB—30沥青混合料，并应用于高速公路路面下面层。为了易于在施工中压实以达到节能减排的目的，同时确保在运营时具有良好的抗变形能力以减少车辙的产生，通过SGC仪旋转压实成型试件，采用密实曲线斜率（K1、K2）和能量指数（CEI、TDI）分析其压实特性，得出CA比=0.8时，ATB—30具有最优的压实特性。通过室内小梁弯曲疲劳试验，应用Weibull概率分布，建立并分析了不同可靠度下的P-S-N和P-σ-N疲劳预估等效方程，得出采用贝雷法设计的级配其混合料的疲劳特性优于规范中值和Superpave设计方法，同样得出CA比=0.8的4#级配具有最好的抗疲劳特性，表明ATB—30的压实特性与抗疲劳性能具有良好的一致性。推荐ATB—30级配设计中CA比采用0.8，以实现在施工时易于压实，开放交通后不易产生变形并且具有良好的抗疲劳性能的目的。

ATB—30；CA比；级配设计；压实特性；疲劳特性

0 引言

ATB—30用作路面下面层时，其结构层厚度往往较大，一般为10～12cm。因此对其进行有效的压实是保证路面性能的前提。一方面，良好的压实特性有助于减少施工期间的压实机械能耗，实现节能减排；另一方面，可以使路面在运营期间具有良好的抗变形能力，有利于抑制车辙的产生[2-3]。同时，当ATB—30用作路面下面层时，其抗疲劳性能也直接影响着整个沥青路面的使用寿命，因此受到了广泛关注[4]。目前国内对密级配沥青稳定碎石的研究多集中于混合料的压实特性和疲劳特性研究：张争奇等人研究了沥青混合料的压实特性及其影响因素，分析了压实特性参数的物理意义[5]；张宇等人在室内试验研究沥青混合料压实特性的基础上，分析了不同粗集料比（Coarse Aggregate Ratio，以下简称CA比）的沥青混合料压实难易程度[6]；李汉光等人从能量角度研究了沥青混合料的压实特性及施工现场碾压的遍数[7]；隆然等人基于三分点加载研究了橡胶粉掺量、级配类型等对橡胶沥青混合料的疲劳特性的影响[8]；韦佑坡等人根据室内疲劳试验分析了不同设计方法下不同最大公称粒径对沥青稳定碎石混合料疲劳性能的影响[9]；叶永迪基于疲劳损伤理论对包括ATB—30在内的三种沥青混合料的疲劳损伤机理及疲劳寿命影响因素进行了研究[10]；杜丽娟研究分析了三种不同设计方法下ATB—30沥青混合料的疲劳特性，推荐采用贝雷法进行设计[11]。但是将ATB—30的压实特性与抗疲劳性能两者结合起来进行研究的甚少。本文在沥青混合料压实特性研究的基础上，设计不同级配的ATB—30，通过试验评价其压实特性。在此基础上，对不同级配的ATB—30进行室内小梁弯曲疲劳试验，并采用Weibull概率分布，对其疲劳特性进行分析研究，以期得到具有良好压实特性与抗疲劳性能的ATB—30材料组成，用于指导路面材料组成设计。

1 ATB—30组成设计

设计良好的级配组成对提高沥青混合料的路用性能有着重要意义。为了保证沥青混合料的强度、稳定性和耐久性，本文通过贝雷法设计不同CA比的集料级配，并采用SGC旋转压实成型试件，通过密实曲线斜率和能量指数来分析其压实特性。

1.1 贝雷法级配设计

贝雷法通过最大筛孔将集料按粒径划分为粗、细两部分，根据相关研究成果，得出对压实影响较为显著的是粗集料CA比。CA比主要用来计算沥青混合料中粗集料含量并分析空隙的组成，如式（1）所示。

式中：PD2为D/2筛孔的通过率（D为公称最大粒径）（%）；PPCS为基本控制筛孔的通过率（%）。

本文试验所用材料为ATB—30，公称最大粒径为31.5mm，选择粗细粒径控制筛孔为：PCS= 9.5mm,SCS=2.36mm,TCS=0.6mm。因此本文根据贝雷法设计了四种CA比：0.6、0.7、0.8和0.9，再通过各档料比例和筛分结果，可以计算得出不同CA比的贝雷法设计级配a#～d#，级配通过率如表1所示。

表1 不同级配筛孔通过率

1.2 SGC压实特性分析

SGC剪切旋转压实仪是美国SHRP计划中为了模拟路面施工中压实和车辆荷载作用而设计的一种沥青混合料成型方法。参考关于沥青稳定碎石配合比的相关研究成果[1,14,15]，通过计算预估选择2.8%、3.2%、3.6%和4.0%四种油石比成型SGC试件。根据Superpave旋转压实次数的要求，确定初始、设计及最大旋转压实次数分别为9、125、205，选取空隙率4%所对应的油石比为最佳油石比，可以得出级配a#～d#的最佳油石比分别为3.1%、3.0%、3.4%和3.1%。

通过SGC生成的压实旋转次数与试件高度数据可分析材料的压实特性。Nini（初始压实次数）、Ndes（设计压实次数）和Nmax（最大压实次数）三者能够反映沥青混合料在施工期间、开放交通后的很多信息，根据压实数据和试件体积参数可以计算SGC试件的估算密实度Gmm@Nx。以级配a#为例，试验中其估算密实度与旋转压实次数的关系曲线如图1所示。

图1 级配a#试件旋转次数与估算密实度关系曲线图

通常，密实曲线斜率K1、K2和能量指数CEI、TDI能反映沥青混合料的内在信息，可用于预测沥青混合料的施工压实特性和交通荷载变形能力[2]。根据旋转次数与密实度关系曲线图可以得出最佳油石比下不同CA比的K1、K2值和CEI、TDI关系图，如图2、图3所示。

图2 最佳油石比下不同CA比的K1、K2值

图3 最佳油石比下不同CA比的CEI和TDI值

由图2、图3可以看出，随着CA比的增大，K1、TDI和K2、CEI的变化规律相反，K1和TDI都是先增大、后减小，当CA比＝0.8时，K1和TDI最大，此时K2和CEI最小，这是因为当CA比增大时，粗集料中细料成分含量大，可以很好地填充粗料之间的空隙，使沥青混合料易于压实；当CA比大于0.8时，随着CA比的增大，CEI越来越大，TDI逐渐减小，混合料中细料成分逐渐增大，材料越来越难压实，开放交通后易于被追密压实而影响路面使用性能。因此，当CA比=0.8时，ATB—30具有最优良的压实特性。

2 ATB—30疲劳试验方案设计

2.1 ATB—30级配设计

根据ATB—30级配设计以及相关文献资料，选择规范中值为级配1#，油石比为3.3%，CA比为0.3；以Superpave级配设计推荐值作为级配2#，油石比为3.2%，CA比为0.5；根据贝雷法重新设计级配3#、4#和5#，对应的CA比分别为0.7、0.8和0.9，油石比分别为3.0%、3.4%和3.1%。具体级配组成如表2所示。

表2 不同级配筛孔通过率

2.2 轮碾成型与小梁试件制作

根据前文的级配设计成型密级配沥青稳定碎石混合料车辙板，并切割成小梁试件。成型后的试件应在标准养护环境下养护12h后再脱模，切割后的小梁试件应在12h内进行风干处理以便后续试验。表3为小梁弯曲破坏试验结果，其中PB和RB分别为小梁试件破坏时的最大荷载和抗弯拉强度。

表3 不同研究级配下小梁弯曲破坏试验结果

从表3可知，随着贝雷法检验参数CA比的提高，试件的抗弯拉强度和破坏荷载也在提高，其中CA比=0.8时的破坏荷载和抗弯拉强度最大，其破坏荷载是规范推荐中值级配材料（级配1#）的1.7倍，抗弯拉强度是规范推荐中值级配材料的1.54。这说明CA比=0.8时，沥青混合料具有优良的抗弯拉特性，其疲劳破坏次数无疑也会提高。

2.3 小梁弯曲破坏试验

小梁弯曲破坏试验参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[16]中关于沥青混合料弯曲试验（T 0715-2011）的规定，选择试验温度为10℃，速度为10mm/min，支座间距为200mm，由试验得出的最大破坏荷载PB可以为通过应力控制模式下的弯曲疲劳试验提供不同应力水平S下的应力。

2.4 弯曲疲劳试验

三点弯曲疲劳试验的试验平台为MTS—810材料试验机，采用三点应力加载方式施加荷载，试验温度为15℃，加载频率为10Hz。考虑不同应力水平的影响，试验选取了0.3、0.4、0.5、0.6共四个应力水平。

3 疲劳寿命分析

通过试验可知，不管哪一种级配类型，弯曲疲劳破坏次数都随着应力水平S的提高而减少，但数据存在着一定的离散性[17,18]。为了提高疲劳方程的可靠度，本文通过Weibull概率分布分析不同可靠度下的P-S-N曲线方程来对比不同设计方法的疲劳性能优劣。

3.1 疲劳预估方程拟合计算

对ATB—30混合料三点弯曲疲劳试验数据进行整理，根据Weibull分布设计步骤[19]，按照换算关系lgNi—-lnlnPi-1，通过线性拟合可以得出对应的拟合系数α、β以及相关系数R2。以级配1#为例，其疲劳试验数据如表4和图4所示。

表4 研究级配1#疲劳试验数据

表4（续）

图4 不同应力水平下级配1#的疲劳数据拟合结果

同理，可以计算得出2#～5#级配在不同应力水平下的疲劳数据拟合结果。由于lgNi与-lnlnPi-1呈现良好的线性分布关系，因此接受该应力水平下的疲劳寿命数据服从Weibull概率分布，将Weibull概率分布数据得到的线性关系回归系数α、β代入两参数Weibull概率分布方程，即可计算任意其他可靠度下的等效疲劳寿命[11]。本文选取保证率50%、70%和95%三种可靠度来计算不同研究级配下的P-S-N方程并分析其路面疲劳特性。计算结果见表5。

表5 不同可靠度下研究对象的等效疲劳寿命次数

由表5不难看出，疲劳等效破坏次数在相同级配类型下都随着应力水平S的提高而逐渐降低。当应力水平为0.3时，50%和70%可靠度下级配4#的等效疲劳寿命最大，而95%可靠度下级配5#的抗疲劳性能最佳，等效疲劳破坏次数达到14 201次。

3.2 等效疲劳方程计算分析

沥青稳定碎石混合料的疲劳寿命次数Nf分别与应力水平S和应力大小σ在双对数坐标上呈线性关系，数学公式表达形式如下：

将五种不同级配的密级配沥青稳定碎石混合料在可靠度分别为50%、70%和95%条件下的疲劳次数N与应力水平S对数散点进行线性拟合回归分析，根据公式（2）可以得到图5。

图5 不同可靠度下应力水平与疲劳寿命双对数回归图

根据图5可以看出，密级配沥青稳定碎石混合料ATB—30在不同可靠度下疲劳寿命对数与应力水平对数lgS呈反比，五种不同级配的混合料其疲劳寿命次数在三种可靠度下得到的拟合曲线方程相关系数R2均大于0.9。由此可知，采用本方法计算疲劳方程可有效反映材料的抗疲劳特性。对比不同可靠度下的疲劳寿命回归图可以看出，随着Weibull概率分布可靠度的提高，不同设计级配疲劳寿命拟合曲线之间区分度增大，由此可看出不同级配混合料的优劣。

同理，根据公式（3）可以绘出不同设计级配的密级配沥青稳定碎石混合料ATB—30在三种可靠度概率条件下的疲劳次数N与应力σ的双对数散点图并进行线性回归拟合，得到表6和图6。

表6 不同级配在各应力水平下的荷载应力

图6 不同可靠度下应力值与疲劳寿命双对数回归图

从图6可以看出，五种不同设计级配在Weibull概率分布中可靠度为50%、70%和95%概率下根据沥青稳定碎石混合料疲劳寿命N与应力值σ在双对数坐标上呈线性相关，拟合曲线形式为标准疲劳方程。从图6中还可以看出，在同一可靠度和相同应力大小条件下，设计级配3#、4#和5#的线位高于设计级配1#和2#，这说明前三者的抗疲劳特性优于后两者。

为了更好地评价每一种级配在相同可靠度下的路面抗疲劳特性，根据疲劳方程统计了其相关参数并绘制成柱状图（见图7）。

图7 两种疲劳方程不同可靠度下不同级配参数柱状图

随着Weibull概率分布可靠度的提高，不同设计级配之间的差别更为显著，可以明显地反映出不同级配ATB—30沥青混合料的抗疲劳性能。由图7可知，在不同可靠度的P-S-N图中，系数a值较大的为级配5#，系数a值较小的为级配1#，二者截距a的比值为0.49～0.81，斜率b的比值为1.14～1.36；而在不同可靠度的P-σ-N图中，级配5#与级配1#截距a的比值为0.87～0.89，斜率b的比值为1.14～1.36。同理可以得出，级配4#和5#的疲劳方程系数a值高于级配1#、2#和3#，即前两者的疲劳曲线截距较大，而系数b值则小于后者，说明级配4#和5#的抗疲劳性能优于其他三种级配。

综上所述，密级配沥青稳定碎石混合料的疲劳寿命受级配组成设计的影响显著，随着CA比的不断提高，粗集料中的细料部分所占比重也在不断提高，由于这些细料填充了粗料中的空隙，致使混合料形成了较为紧密的骨架嵌挤密实结构，其抗变形破坏能力得到加强，在车辆重复荷载作用下能有效抵抗并减少裂缝的产生。根据图6，在不同可靠度的P-σ-N图中，级配4#的疲劳寿命曲线优于其他级配，这是因为级配4#有着较好的密实特性，在沥青稳定碎石混合料成型时更容易压实。由此也可以得出结论：ATB—30的压实特性与其抗疲劳性能具有良好的一致性。

4 结论

（1）根据SGC旋转压实数据得到密实曲线，选取密实曲线斜率K1、K2和能量指数CEI、TDI四个参数，评价了不同级配的压实特性，得出CA比为0.8时且在最佳油石比下材料具有较好的压实特性，在路面施工时可以节约能源、减少排放，同时在运营期间具有良好的抗变形能力。

（2）通过对不同级配的ATB—30的P-S-N和P-σ-N曲线方程进行分析，得出采用贝雷法设计的级配其疲劳特性优于规范中值和Superpave设计方法得到的级配。在重载交通作用下，路面结构层材料所受到的应力水平S会显著提高，其疲劳特性优势更为明显。

（3）随着Weibull概率分布可靠度的增加，不同级配之间抗疲劳性能的差异越来越显著。通过P-S-N曲线可以看出，疲劳寿命次数与CA比成正比。同时，在P-σ-N曲线中，CA比为0.8的级配4#疲劳性能最佳，说明ATB—30的压实特性与其抗疲劳性能具有良好的一致性，CA比=0.8的ATB—30同时具有良好的压实特性和抗疲劳性能。

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Fatigue Properties ofATB—30 with Different CARatios

MA Chao-xian1,LI Jun2,WU Jian-min3
(1.Shaanxi Road＆Bridge Group Co.,Ltd.,Xi′an 710054,China;2.Hefei Municipal Design Institute Co.,Ltd., Hefei 230000,China;3.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang′an University,Xi′an 710064,China)

Four kinds of ATB—30(Asphalt-Treated Base—30)mixture with different CA(Coarse Aggregate)ratios(0.6,0.7,0.8,and 0.9)were designed through Bailey Method,which were used in the bottom layer of asphalt pavement in freeway.In order to compact easily in the construction for realizing energy conservation and emission reduction,and to achieve good deformation resistance for decreasing the ruts during the operation of high grade highway,the dense slopes of curves（K1,K2）and energy indexes (CEI(Compactness Energy Index),TDI(Traffic Dense Index))were used to analyze the compaction characteristics of ATB—30 by SGC molded specimens.And it was concluded that ATB—30 has the best compaction characteristics when CA ratio=0.8.The indoor bending fatigue test of small beam and Weibull probability distribution were applied to establish and analyze the P-S-N&P-σ-N fatigue equivalent estimated equations under different reliabilities.It is proved that the fatigue property of mixture with gradation designed by Bailey Method is superior to mixture with the standard median gradation or gradation designed by Superpave Method.It also denotes that gradation 4#(CA ratio=0.8)has the best anti-fatigue property,which indicates that ATB—30 has a good consistency between compaction charac-teristics and anti-fatigue properties.CA ratio=0.8 is recommended in ATB—30 grade design,so as to achieve easy compaction during construction,and make the pavement be easy to open to traffic after deformation and has good fatigue resistance.

ATB—30;CA ratio;gradation design;compaction characteristic;fatigue property

U414.01

A

2095-9931（2015）06-0071-10

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.06.012

2015-07-31

陕西省交通运输厅交通科技项目（13-03K）

马朝鲜（1971—），男，陕西周至人，高级工程师，研究方向为路面工程施工。E-mail：39759709@qq.com。