不同级配大粒径沥青混合料疲劳性能研究

刘囡囡

（青岛富林达路桥工程有限公司，山东 青岛 266000）

引言

沥青路面的疲劳开裂是沥青路面最主要的破坏模式之一。沥青路面使用期间，经受车轮荷载的反复作用，其应力或应变长期处于交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定的次数后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过路面结构强度下降后的结构抗力，在路面处治层底部产生疲劳开裂，在荷载继续作用下，裂缝扩展至路表面形成疲劳裂缝[1-3]。

1 沥青混合料疲劳试验方法

目前，国内外对沥青混合料的疲劳性能分析主要有3 种方法：现象学方法、力学近似法和能耗方法。世界各国采用的沥青混合料室内小型疲劳试验的方法很多，主要有重复弯曲试验、直接拉伸试验、间接拉伸试验等，其优缺点见表1。

表1 沥青混合料室内小型疲劳试验方法比较

2 沥青混合料疲劳试验参数

2.1 荷载控制模式

采用控制应力或控制应变模式的方法进行试验。沥青混合料是黏弹性材料，其模量与沥青混合料的温度有关，并非定值，实际工程中所测得的应变转化成应力的精确度差。一般来说，应变控制的荷载模式能够更好地反映沥青混合料在路面中受行车荷载作用的疲劳特性，更接近于路面结构中沥青混合料的应力应变状态。

2.2 荷载频率

研究表明，加载时间或频率与车速有一定的关系，我国现行的《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）规定高等级公路计算行车速度的范围为60 ～120 km/h，因此采用10 Hz 的加载频率是合理的[4]。

2.3 荷载波形

材料的疲劳寿命与荷载波形有一定的关系，不同加载波形对沥青混合料疲劳性能有影响。通常认为正弦波和半正弦波形比较接近于实际路面所承受的荷载波形，在试验中选用半正弦波加载。

2.4 试验温度

沥青混合料在夏季高温时，疲劳损耗有很大的恢复。根据SHRP 的研究结果，常温以上的疲劳破坏主要是变形累积破坏，没有明显的疲劳意义，因此建议不考虑20℃以上的疲劳破坏。根据哈尔滨建筑大学的研究成果，虽然全国各地的气温变化较大，对于沥青混合料，其疲劳破坏主要集中在13 ～15℃之间，恰好是北方春融期温度，南方地区的雨季温度，此季节路面结构强度有较明显的削弱，是路面结构抗疲劳性能的最不利时期，因此疲劳试验温度采用15℃。

3 大粒径沥青混合料疲劳试验

3.1 原材料

采用重交沥青70#和MAC 改性沥青作为沥青混合料的胶结料，集料采用石灰岩，其性能满足《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）技术要求。

3.2 级配

采用5 种级配，其级配见表2。

表2 5 种沥青混合料级配

3.3 疲劳试验

试验设备采用进口UTM4 试验机系统，气动施加荷载。试件和成型方法按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011） 规定的轮碾压实并切割成小梁的方法成型试件，小梁宽和高分别为63.5 mm 和50 mm，梁长度为381 mm，两端支点距离355.5 mm。加载方式采用应变控制，三分点加载，加载点间距为118.5 mm，试验内容见表3。

表3 5 种沥青混合料疲劳试验结果

可以看出：5 种沥青混合料的弯拉疲劳曲线基本平行，曲线的斜率在-3.2 ～-4.0 之间，与研究成果吻合较好，如美国AI 设计法取值为-3.291，壳牌设计法取为-4.0。k 值反映疲劳曲线位置，反映了不同沥青混合料疲劳性能的优劣。5 种试验沥青混合料的疲劳性能由优至劣依次为：AC20 I＞ATB25＞ATB30＞LSM30 I＞LSM30 Ⅱ。

4 结语

（1）作为沥青稳定基层材料的ATB25、ATB30、LSM30 I、LSM30 Ⅱ型混合料均为嵌挤型沥青混合料，其疲劳性能相差不大。（2）AC20 I 型混合料属于悬浮密实型沥青混合料，其疲劳性能较嵌挤型沥青混合料好。（3）当应变水平为400 με时，AC20 I 型混合料的疲劳寿命是ATB30 型混合料的2.48 倍。