一种评价沥青混合料疲劳性能的简单试验方法

沈洪涛， 赵树青， 王晓平

(1.潍坊市公路勘察设计院， 山东 潍坊　261061；　2.山东交通职业学院， 山东 潍坊　261061)



一种评价沥青混合料疲劳性能的简单试验方法

沈洪涛1， 赵树青2， 王晓平2

(1.潍坊市公路勘察设计院， 山东 潍坊261061；2.山东交通职业学院， 山东 潍坊261061)

[摘要]使用间接拉伸(IDT)试验来评估沥青混合料的疲劳行为。再生混凝土集料(RCA)和新集料以不同比例(0%，20%，40%，60%，80%和100%)混合生成具有不同抗疲劳性能的混合料。为了表征疲劳，在中温下进行循环加载IDT和单调加载断裂能试验。结果表明，在中温下，循环加载IDT试验获得的疲劳寿命和单调加载断裂试验获得的断裂能之间具有良好的相关性。基于实验室结果，单调加载IDT试验得到的断裂能可以用于快速评估沥青混合料疲劳性能。考虑到IDT试验已经用于表征沥青混合料的低温开裂和水敏感性，采用单调加载的IDT试验评价沥青混合料的疲劳性能易于推广使用。

[关键词]再生混凝土集料； 间接拉伸试验； 疲劳； 道路工程

0前言

我国每年有大量的资金用于道路的建设和养护，设计和建造具有高服务能力的路面从而提高路面的长期性能已经成为业内的共识。对沥青混凝土路面，疲劳、车辙、水损害和低温开裂为影响长期性能的重要病害类型。因此，基于实验室试验采用合适的方法预测HMA性能是非常重要的，特别是在混合料设计过程中。一般与现场性能具有良好相关性的试验认为是可以表征沥青路面的性能试验。

沥青混凝土路面的一个最主要病害类型为疲劳开裂。有多个试验方法可以评估沥青混合料疲劳行为，如四点弯曲梁、间接拉伸(IDT)和单轴拉伸。在IDT试验中，沿着测试试件直径方向施加压缩荷载以沿着试件垂直直径方向生成拉伸应力，试件因此沿着垂直直径方向的平面破坏。多个研究者使用IDT试验预测HMA的疲劳行为[1，2]。Roque等人采用Superpave IDT试验研究HMA裂缝的发展[3]。Shu等人发现IDT试验和弯曲梁试验均可很好地地预测沥青混凝土的疲劳寿命[4]。目前最常用的疲劳试验为四点弯曲梁试验，且该试验为我国的沥青混合料标准测试方法。而四点弯曲梁试验设备及成型工艺复杂、且疲劳试验非常耗时，因此找出一个简单的试验以评估沥青混合料疲劳病害以显著减少与测试相关的时间和检测费用是十分有必要的。

本文基于IDT试验表征沥青混合料的疲劳行为。本研究中的沥青混合料使用再生混凝土集料(RCA)和新集料以不同的比例从而获得不同疲劳性能的混合料。本文使用循环和单调加载IDT试验验证了使用IDT试验获得的断裂能作为疲劳性能指标的有效性。目前IDT试验可以根据AASHTO T322表征沥青混合料的低温开裂[5]，也可根据AASHTO T283进行水损害检测[6]。因此，使用IDT试验进行疲劳试验将可采用一种试验仪器表征三个主要的病害类型：疲劳、低温开裂和水稳定性，其可大幅度降低试验的成本和时间。

1材料和混合料设计

1.1材料

沥青结合料采用中石油PG性能等级为PG58-28的道路石油沥青。表1给出了新集料和再生混凝土集料(RCA)的特性。RCA和新集料均满足规范对集料的要求。

表1 RCA和新集料的特性Tabel1 PropertiesofRCAandvirginaggregate试验标准新集料RCA洛杉矶磨耗AASHTO962024破裂面AASHTOTP6195%93%砂当量AASHTOT1769080粗集料毛体积密度AASHTOT852.6752.427细集料毛体积密度AASHTOT842.6862.125

1.2混合料设计

RCA与新集料以不同的比例(0%，20%，40%，60%，80%和100%)混合。根据Superpave体积设计法拌合和压实试样。表2和表3代表了设计级配和混合料设计结果。

表2 对不同RCA比例的混合设计Tabel2 DesignblendsfordifferentRCApercentages筛孔/mm不同RCA百分比的通过率/%020406080100级配控制点19 10010010010010010013.298979695939190～1009.5 888781807572≤904.756160514944432.3645403532272828～581.183530252420210.602722202017190.301916151615180.1597111312170.0754445552～7

表3 不同RCA比例混合料设计体积参数Tabel3 MixdesignvolumetricsfordifferentRCApercentagesRCA/%最佳AC/%%GmmNinitial%GmmNDesignVMA/%空隙率/%VFA/%粉胶比有效AC/%GmmGmbGse05.985.3596.0014.204.0071.830.924.302.5832.4862.848206.385.3096.0014.844.0672.640.874.602.4842.3882.749406.784.1496.0014.584.0872.010.904.072.4252.4242.687607.084.2396.0014.604.0472.321.134.402.3732.3762.632807.382.896.0014.803.9773.171.104.202.3022.2052.5591007.782.3596.0014.504.1071.721.094.572.2552.1592.504

2IDT疲劳试验

通过进行循环加载疲劳和单调加载试验进行IDT疲劳试验。根据AASHTO T322制备测试试样。对旋转压实试样进行取芯且切割制备成高度为38 mm和直径为100 mm的测试试件。试件的目标孔隙率为4±0.5%。为了测量水平和垂直变形，LVDT位移传感器附着于测试试件的两边，如图1所示。传感器的测量长度为50.8 mm以最小化较大集料颗粒的影响[7]。使用对试件大小和测量长度的修正因素计算了时间中部的水平应变[7]。由于沥青混凝土的疲劳开裂发生在中温下，对IDT循环疲劳试验在25 ℃下进行试验，且施加800 N正弦荷载，频率为10 Hz。选择800 N荷载水平为了使得应变水平在100～200微应变范围，从而在线粘弹性范围。进行试验直到观察到可见的宏观裂纹。时间的长度确保测得的度数足够计算混合料劲度折减达到50%循环的次数，作为疲劳寿命。对IDT单调加载断裂能试验(见图1)，试件以50.8 mm/min的速率加载直到观察到破坏时明显的峰值荷载，然后确定断裂能，其数值为应力和应变曲线达到峰值应力下方的面积，其原理图如图2所示。

图1　IDT试验设备Figure 1　IDT test setup

图2　单调加载试验获得断裂能的原理图Figure 2　Schematic diagram of fracture energy from monotonic test

3结果和讨论

IDT循环加载疲劳和单调加载断裂试验的结果如表4所示。

表4 IDT循环加载疲劳和单调加载断裂试验结果Tabel4 IDTcyclicfatigueandmonotonicfracturetestresultsRCA/%断裂能/Pa疲劳寿命(加载次数)/次09524124870208273692004056652122960453818400803658100001002872800

图3显示了劲度和循环次数之间的关系，图4显示了正规化的劲度值(去除单位的影响)，可以看出随着循环次数增加，劲度降低，表明试件中损伤的演化。图5给出了混合料疲劳寿命和断裂能之间的相关性。从循环加载试验获得的疲劳寿命和单调加载试验获得的断裂能之间观察到了具有很强的相关性(R2=0.984)。总之，IDT试验有可作为疲劳性能试验。考虑到IDT试验已经用于测试和评价HMA低温和水稳定性，其很有可能其用于测试疲劳、低温开裂和水损伤的简单性能。采用简单的试验将显著节约购买设备和时间成本。

图3　不同RCA比例的混合料疲劳寿命Figure 3　Fatigue life of mix with different RCA percentages

图4　采用不同RCA比在规范化劲度下的疲劳寿命Figure 4　Fatigue life of mix with different RCA percentages at normalized stiffness

图5　IDT疲劳寿命和断裂能之间的相关性Figure 5　Correlation between IDT fatigue cycle and fracture energy

4结论

① 本文提出基于间接拉伸试验的单调加载试验得出的断裂能作为沥青混合料的抗疲劳性能试验方法，与常规循环加载方式得到的疲劳寿命相比，单调加载模式更加简单且大大节约了测试的时间。

② 常规的沥青混合料四点弯曲疲劳试验设备

复杂，而且测试时间较长，不易于现场施工对沥青混合料质量控制，考虑到间接拉伸试验已经用于确定沥青混合料的低温开裂和水稳定性能，将其用于疲劳性能的测试可以简化现场沥青混合料疲劳控制的难度。

③IDT循环加载疲劳寿命和单调加载试验获得的断裂能之间发现具有良好的相关性，相关系数高达R2=0.984。

[参考文献]

[1]Srinivasan，G.，“EvaluationofIndirectTensileStrengthtoIndentifyAsphaltConcreteRuttingPotential，”ThesisSubmittedinPartialFulfillmentofRequirementofDegree，Dept.ofCivilandEnvironmental，WestVirginiaUniv.，Morgantown，WV，2004.

[2]Wen，H.，“FatiguePerformanceEvaluationofWestrackAsphaltMixturesBasedonViscoelasticAnalysisofIndirectTensileTest，”Dept.ofCivilEngineering，NCStateUniv.，RaleighNC，2002.

[3]Roque，R.，Birgisson，B.，Zhang，Z.，Sangpetngam，B.，andGrantT.，“ImplementationofSHRPIndirectTensileTestertoMitigateCrackinginAsphaltPavementandOverlays，”FloridaDept.ofTransportation，Tallahassee，FL，2002.

[4]Shu，X.，Haung，B.，andVukosavljevicD.，“ALaboratoryEvaluationofFatigueCharacteristicsofRecycledAsphaltPavements，”J.Constr.Build.Mater.，Vol.22，2008，pp.13-23.

[5]AASTHOT322，2010，“StandardMethodofTestforDeterminingtheCreepComplianceandStrengthofHotMixAsphalt(HMA)UsingtheIndirectTensileTest，”AmericanAssociationofStateandHighwayTransportation，Washington，DC.

[6]AASTHOT283，2010，“StandardMethodofTestforResistanceofCompacted(HMA)toMoistureInducedDamage，”AmericanAssociationofStateandHighwayTransportationOfficials，Washington，DC.

[7]Christensen，W.D.，“AMixDesignManualforHotMixAsphalt，”NCHRP，Report673，TransportationResearchBoard，NationalResearchCouncil，Washington，DC，2010.

A Simple Method for Evaluate Fatigue Performance of Asphalt Mixture

SHEN Hongtao1， ZHAO Shuqing2， WANG Xiaoping2

(1.Weifang Highway Survey and Design Institute， Weifang， Shandong 261061， China；2.Shandong Transport Vocational College， Weifang， Shandong 261061， China)

[Abstract]This study uses the indirect tensile(IDT)test to evaluate fatigue behavior of asphalt.Recycled concrete aggregate(RCA)and virgin aggregate are blended at different percentages(0%，20%，40%，60%，80%，and 100 %)to produce mixes with a variety of fatigue performance.To characterize fatigue，cyclic IDT and monotonic fracture energy tests were performed at intermediate temperatures.At intermediate temperatures，good correlation is found between the fatigue life obtained from cyclic IDT test results and the fracture energy obtained from monotonic fracture test results.Based on the laboratory test results，the IDT test can be used to evaluate both the fatigue behavior of asphalt concrete.Considering that IDT testing has been used to characterize thermal cracking and moisture susceptibility，the IDT test has the potential to serve as a single performance test for fatigue，thermal cracking and moisture damage.

[Key words]recycled concrete aggregate； fatigue； road engineering

[收稿日期]2015-11-03

[基金项目]国家自然科学基金(51508095)

[作者简介]沈洪涛(1972-)，男，山东潍坊人，高级工程师，研究方向为道路及桥梁的勘察设计。

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0151-03