大粒径沥青混合料疲劳试验研究

1、大粒径沥青混合料疲劳试验研究熊尚阳 中铁十一局集团第一工程有限公司 湖北襄樊 441000 摘 要：大粒径沥青混合料通过增大粒径，可降低油量，从而增强沥青路面的抗车辙能力及减缓反射裂缝的发生。为了评价骨料级配抗反射裂缝能力大小，本文通过对ATB-30型、ATB30-上限、ATB30-下限、AC30- S型、AM30- S型、ATPB30-S型六种大粒径沥青混合料进行APA模拟试验，研究大粒径沥青混合料的疲劳性能。 关键词：大粒径沥青混合料 反射裂缝 APA 疲劳性能为解决路面反射裂缝、抗车辙能力不足和路面的耐久性较差问题，我国目前正在开展大粒径碎石沥青混合料（Large Stone Aspha

2、lt Mixes，简称LSM）的研究。大粒径沥青混合料定义为最大集料尺寸在25mm 63mm(12.5英寸)之间的热拌沥青混合料6 7，其主要形式有适用于下面层和上基层的嵌挤骨架密实型结构（空隙率36），另一种形式是适用于基层的嵌挤骨架空隙型结构（空隙率15以上）2。大粒径沥青混合料通过增大粒径，可降低油量，可以增强沥青路面的抗车辙能力及减缓反射裂缝的发生。大粒径沥青混合料基层作为一类柔性结构层，具有很强的柔性和变形能力，作为应力消散层，可明显提高路面抗反射裂缝的能力；另一方面大粒径沥青碎石基层可以与沥青混凝土面层粘结牢固，并且由于其模量接近，路面结构受力更均匀。高模量抗车辙的大粒径沥青混合料

3、也是永久性路面结构（全厚式沥青路面）的中间层或联结层的首选8。但是目前，大粒径沥青混合料在我国还没有相关的设计、施工规范。本文在总结国内外大粒径沥青混合料研究的基础上，深入研究大粒径沥青混合料（LSM）的疲劳性能。1、试验方案1.1、试验方法选择目前，国内外进行的疲劳试验研究分为3种类型：一是检测实际路面在真实汽车荷载作用下的疲劳性能。以美国AASHO试验路为典型代表。二是用足尺路面结构模拟汽车荷载作用下其疲劳性能。如美国华盛顿州立大学室外大型环道及长沙理工大学的室内大型直道等。三是室内小型材料试件的疲劳试验。前两类方法都能较好地反映路面实际疲劳性能，但耗资巨大、周期长，且试验结果受当地环境及

4、所用路面结构影响较大。因此，本研究采用的是周期短、费用低、简便、易行的室内小型材料试件的往返轮载试验。这类试验是针对沥青混合料与其它材料组合模拟的路面结构模型或梁式试件，采用小轮在模型或试件表面沿直线往返运动，模拟车轮运动状态对试件进行疲劳加载。由于其试验模式接近实际路面受力状态，因而受到人们的关注。美国战略公路研究计划(SHRP)研制开发的沥青路面分析仪(Asphalt Pavement Analyzer，简称APA)就是这样一种往返轮载试验装置。本论文采用APA进行疲劳试验，采用车辙试验成型机成型后切割成所需尺寸梁式试件用于试验。成型后实测试件空隙率，若不满足要求，则重新制件。试验温度为1

5、5。进行APA疲劳试验时的荷载采用美国ASTM推荐的荷载，即90Kg和123 Kg。 当试验条件确定以后，要求试件成型后在室温（25）下至少保持4h，然后在APA内环境温度15下恒温2h后再进行试验。1.2、试件的制备为了尽量真实地模拟车轮荷载重复作用在有接(裂)缝的旧混凝土路面加铺的沥青混凝土面层上的情况。试验采用如图1所示的模式。 图1 沥青混合料试件模式图1.根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTJ052-2000）关于沥青混合料试件制作方法（轮碾法）的规范要求，利用车辙试验成型机制作 300mm×300mm×55mm 板块状试件。制作过程中ATB-30型、ATB

6、30-上限、ATB30-下限、AC30- S型四类密级配按照要求的空隙率水平（7%），AM30- S型按空隙率10%，ATPB30-S型按空隙率20%来计算所需的混合料数量，成型后实测试件空隙率，若不满足要求，则重新制件。2.将成型好的试件用切割机切割成 300mm×125mm×55mm 的板状试件(保留粗糙表面)，规范中规定：使用碾压成型的混合料试件切制的板状试件，长度不小于最大公称粒径的4倍，宽度或厚度不小于最大公称粒径的 11.5 倍，本次试验采用的混合料最大公称粒径为 31.5mm，满足规范要求。3.预制混凝土试块厚度为2.0cm，确保两块混凝土试块之间预留3mm的

7、裂缝。混凝土试块与沥青加铺层之间涂敷一层粘层油，预制混凝土试块下面垫一块橡胶垫块，橡胶垫块的尺寸为27.5cm×12.5cm×2.14cm。4. 加工好的试件要在室温下(25±3)冷却4h，然后放到APA试验机中，在试验温度（本研究为15）下养护2h。5. 试件成型后装入试模中，然后连同试模一起放入APA中试件平台上，在试验前先对钢轮轮压及仪器水平位移、竖向位移进行标定。标定完成后，开启数据采集系统，与主机进行连接成功后，即可进行试验。2、试验标准、参数的设定2.1断裂标准的判别在 APA疲劳试验中，有两种疲劳标准29。第一种是当APA位移传感器第N次所测得的位移

8、变形值与在此之前10次所测得位移变形平均值之差大于某个规定值（一般设定为1mm）时，APA操纵系统认为试件已经破坏或断裂。第二种标准是当试件底面所贴应变片由于试件断裂而发生断裂时(应变片与APA控制系统连接)，主机会自动检测到信号。当试件断裂或达到预设的位移差值时，加载轮自动停止工作。从试验运行的次数及采集的位移值可了解试件材料的疲劳寿命及疲劳性能等有关指标。在本次试验中，根据国内外经验，我们把变形差（ROC）定为1.0mm，,这是当试件接近断裂或挠度很大时的ROC 值,大约在1.0mm 左右，当试验运行测得的差值超过1.0mm时，试验自动停止。2.2轮压荷载的设定进行APA疲劳试验时的荷载采

9、用美国ASTM推荐的荷载，即90Kg，为模拟重载车辆对道路的影响和缩短试验周期，另外设定123kg轮压，比规范要求提高了10%。2.3其它参数的确定在试验当中，疲劳试验机的加载频率为50往返/分钟，因此试验加载频率f=2次/秒；试件结构层中模拟旧混凝土路面的混凝土试块动态弹性模量E=40000MPa，泊松比u为0.15；硬橡胶的弹性模量E=70MPa，泊松比u为0.40。采用T=15作为试验温度。根据美国战略公路研究计划（SHRP）的研究成果，常温以上的疲劳破坏主要是变形累积破坏，没有明显的疲劳开裂的意义。此外，哈尔滨建筑大学的研究成果表明，虽然全国各地气温变化较大，但是沥青混合料的疲劳破坏主

10、要集中在15左右，恰好为北方春融期温度，南方地区的雨季温度，在此季节路面结构强度有较明显的减弱，是路面结构抵抗疲劳破坏的最不利时期15。我国公路沥青路面设计规范中的容许拉应力指标采用的也是15的参数值。因此，利用自动沥青路面分析仪作疲劳试验时，采用T=15作为试验温度是合理的。3、试验结果与分析利用自动沥青路面分析仪在轮压分别为123kg和90kg时测试六种类型大粒径沥青混合料的疲劳寿命（轮压为123kg）如表4.1所示，六种沥青混合料试件的疲劳性能试验结果如图4.2、图4.3所示。表4.1 六种类型大粒径沥青混合料的疲劳寿命（轮压为123kg）混合料类型疲劳寿命（次）平均值（次）ATB-30

11、型47304523655142650365ATB30-上限43315452764052143037AC30- S型40182389974377840985ATB30-下限32077345993562134099AM30- S型27318345203041530751ATPB30-S型4267668461005684 试验结果表明，级配类型对沥青混合料抗裂性能有很大影响。密级配连续级配混合料疲劳寿命明显大于半开级配混合料和开级配混合料。ATB-30型的荷载疲劳次数最大，平均达到50365次，ATPB30-S型的荷载疲劳次数最小，平均只有5684次，相差近8倍。中间荷载疲劳次数由大到小依次为ATB

12、30-上限、AC30- S型、ATB30-下限、AM30- S型。分析原因，可能是ATB-30型兼顾了ATB上下限的特点，既有粗骨料又有细集料，粗骨料能有效的嵌挤在一起，形成了较大的内摩擦角，同时含有较多的细集料，充分填充了粗骨料空隙，并且吸附了较多数量的沥青粘结料，形成较大的粘聚力。ATB30-上限虽然细集料的用量较多，但细集料撑开了粗骨料骨架，使得混合料的内摩擦角减小，故抗其抗疲劳开裂能力不如ATB-30型。AC-30 S型为悬浮密实结构，这类结构的细集料较多，占 40之多，粗集料只能悬浮在细集料之中，受沥青材料的性质和物理状态的影响较大，空隙率虽然较小，混合料密度较大，具有较高的粘聚力，

13、但细集料和粗骨料之间产生干涉，粗骨料的骨架嵌挤作用没有充分发挥出来，内摩擦角较小，因而影响到其抗疲劳开裂能力。而ATB30-下限粗骨料是较多的，但由于细集料的用量偏少，沥青含量较低，混合料中的沥青粘结料不能充分粘附在集料上形成结构沥青，同时粗骨料间的空隙较大，故其抵抗荷载疲劳开裂能力要比前三者稍差。AM30- S型形成的是骨架空隙结构，细集料含量少，不足以填充骨架空隙，因此沥青混合料的空隙率较大，粘聚力较小，故抵抗荷载疲劳开裂能力较差。ATPB30-S型为开级配混合料，其空隙率在15%-20%之间，在六种级配中空隙率最大，有研究表明沥青混合料的空隙率对疲劳性能有显著的影响，沥青混合料的疲劳寿命

14、随空隙率的增长而显著地降低。这是因为空隙率越大, 沥青混合料内部的空隙与微裂缝就越多, 裂纹扩展到表面所经历的有效面积小，消耗的能量少，在荷载反复作用下就愈易引发微裂缝的扩展破坏, 从而使疲劳抗裂性能降低。 试验结果表明，在轮压90 kg时，四种密集配沥青混合料ATB-30型、ATB30-上限、AC30- S型、ATB30-下限的荷载疲劳次数由大到小，同轮压123 kg时顺序一样。但在轮压90 kg时，四种沥青混合料的抗疲劳开裂能力有显著提高。说明胎压对加铺层断裂性能的影响非常显著, 重载车辆对沥青混凝土加铺层的破坏严重。四种类型大粒径沥青混合料的疲劳寿命（轮压为90kg）试验结果见表1所示。

15、 混合料类型疲劳寿命（次）平均值（次）ATB-30型221627263758-242693ATB30-上限197713164978213314192002AC30- S型144701163335175689161225ATB30-下限11307598560156413122683 表1 四种类型大粒径沥青混合料的疲劳寿命（轮压为90kg）试验结果表明，随着运行次数的增加，位移都随着增大。在运行初期，试件处于压密阶段，六种级配位移都上升的很快。随后，位移随运行次数基本呈线形增长。其中，ATPB30-S型位移与运行次数关系线斜率最大，AC30- S型位移与运行次数关系线斜率居中，ATB-30型、A

16、TB30-上限、ATB30-下限、AM30- S型具有类似斜率，小于ATPB30-S型。即以试件破坏时运行次数对应的位移相比，ATB-30型、ATB30-上限、ATB30-下限、AM30- S型的试件位移明显要小于ATPB30-S型位移。六种类型大粒径沥青混合料的试件表面最大位移见表2所示。表2 六种类型大粒径沥青混合料的试件表面最大位移混合料类型最大位移值（mm）轮压：90 kg轮压：123 kgATB-30型16.841211.0373ATB30-上限14.25529.1778AC30- S型8.372910.2140ATB30-下限12.14677.9731AM30- S型-5.0715

17、ATPB30-S型-12.3100根据断裂力学理论30，31, 荷载变形曲线下的面积代表材料发生断裂所需的能量, 面积越大, 能量越大, 其疲劳寿命也就越长。由上图所得到的位移与运行次数对应关系曲线, 由于试验荷载大小是固定的, 从而横坐标运行次数可理解为荷载作用的累计时间, 从某种意义上来讲, 该对应关系曲线下的面积大小就能反映其抗裂效果21。由图4.2、4.3可知, ATPB30-S型的试件对应曲线所围面积最小, 其抗裂效果最差, 而AM30- S型、ATB30-下限、AC30- S型对应曲线所围面积接近,抗裂效果居中，ATB30-上限、ATB-30型对应曲线所围面积最大，抗裂效果最好。出

18、现裂纹的试件数量表如表3所示。表3 出现裂纹的试件数量表混合料 类 型轮压123Kg试件轮压90Kg试件试件数量（块）侧面裂纹 试件数轮迹面裂纹试件数试件数量（块）侧面裂纹 试件数轮迹面裂纹试件数ATB-30321220ATB30-上限322331AC30-S332310ATB30-下限332322AM30-S332-ATPB30-S332-合计1816111183试验完成后根据对试件裂缝位置的观测,六种沥青混凝土被破坏试件的侧面基本上都出现裂缝，部分破坏严重的轮迹面出现裂纹。如表4.4所示，轮压123Kg时试件共18块，其中16块侧面出现裂缝，11块轮迹面出现裂缝。轮压90Kg时试件共11块，其中8块侧面出现裂纹，3块轮迹面出现裂纹。有的裂缝不是在水泥混凝土接缝位置正上方出现, 而是偏离23cm 的距离, 原因在于裂缝的发展是沿界面最薄弱处首先发展起来的, 它与级配类型、界面粘接有关。4、结论1.级配类型对