道路瀝青含量對(duì)瀝青混合料勁度的影響研究

趙淑青

（鄂爾多斯市公路管理局準(zhǔn)格爾旗公路管理工區(qū)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

對(duì)于瀝青路面，AC-25、AC-20 等是下面層瀝青混合料最常用的形式，在行車荷載作用下，瀝青層的最大拉應(yīng)變通常產(chǎn)生在這一層。因此，對(duì)于瀝青路面下層瀝青混合料的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注的是其抗疲勞性能。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究[1-3]，適當(dāng)增加瀝青用量可以提高下層瀝青混合料的抗疲勞性能，但增加瀝青用量究竟對(duì)疲勞性能有何種程度的影響，最佳抗疲勞性能的瀝青含量與最佳油石比之間的關(guān)系如何？這方面還沒有定量化的研究成果。勁度是反應(yīng)瀝青混合料在給定溫度和加載條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的參數(shù)，各種因素實(shí)質(zhì)上通過影響瀝青混合料的勁度來(lái)影響其疲勞性能[4-5]，本文將基于劈裂疲勞試驗(yàn)，定量研究瀝青含量和瀝青混合料的勁度的變化規(guī)律，從而揭示瀝青含量對(duì)瀝青混合料疲勞性能的關(guān)鍵作用。

1 劈裂疲勞試驗(yàn)

1.1 試件準(zhǔn)備

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004），選取AC-20 的級(jí)配中值配料，如表1 所示。

表1 試驗(yàn)級(jí)配類型 %

根據(jù)以上級(jí)配，選取5 個(gè)油石比成型馬歇爾試件，測(cè)試其體積參數(shù)及力學(xué)指標(biāo)，如表2 所示。

表2 混合料體積參數(shù)及力學(xué)指標(biāo)

VV 表示瀝青混合料空隙率；VA 表示瀝青體積分?jǐn)?shù)；VMA 表示礦料間隙率；VFA 表示瀝青飽和度；MS 表示馬歇爾穩(wěn)定度；FL 表示流值；VCAmix表示粗集料骨架間隙率；VCADRC表示粗集料松裝間隙率。從表2 可以得出：AC-20 的最佳油石比為4.3%。

以油石比4.3%成型AC-20 試件，并以0.2%為間隔再成型4 組試件，分別為3.9%、4.1%、4.5%、4.7%。每組各做4 個(gè)試件。

1.2 劈裂試驗(yàn)

1.2.1 荷載控制模式

由于瀝青混合料的勁度較低，應(yīng)力反復(fù)施加過程中，試件的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變量不斷發(fā)生變化，因此，常采用控制應(yīng)力試驗(yàn)或控制應(yīng)變?cè)囼?yàn)兩種模式，即分別保持應(yīng)力或者應(yīng)變始終不變的方式加載。不同控制模式的試驗(yàn)會(huì)得到不同的結(jié)果，表現(xiàn)出不同的疲勞特性。

應(yīng)力控制模式試驗(yàn)時(shí)間較短，加載容易精確控制，通常以試件斷裂為破壞標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)束判斷標(biāo)準(zhǔn)明確。應(yīng)變控制模式，由于荷載逐漸減小，試件一般不會(huì)出現(xiàn)明顯破壞，通常習(xí)慣以混合料勁度下降到初始值的50%或更低時(shí)作為疲勞損壞標(biāo)準(zhǔn)。作用在路面上的車輛，施加的是軸載和接觸壓力而不是變形，從這個(gè)意義上來(lái)講，整個(gè)路面結(jié)構(gòu)受到的是應(yīng)力控制的加載體系。綜合考慮以上因素，本研究的室內(nèi)試驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式，即在試驗(yàn)中保持荷載或應(yīng)力值始終不變。

1.2.2 應(yīng)力水平

應(yīng)力水平應(yīng)根據(jù)試件的極限破壞應(yīng)力來(lái)確定，若應(yīng)力水平選擇過低，試件的疲勞壽命過大，過于消耗試驗(yàn)時(shí)間；若應(yīng)力水平過高，試件很容易就發(fā)生破壞，無(wú)法很好地體現(xiàn)出疲勞破壞的特性，因此需要結(jié)合試件的極限破壞應(yīng)力和試驗(yàn)?zāi)康膩?lái)合理確定應(yīng)力比。本研究采用的應(yīng)力比為0.5、0.4、0.3、0.25。

1.2.3 溫度選擇

瀝青混合料在溫度較高時(shí)，疲勞損耗有很好的恢復(fù)性。美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃（SHRP）[6]的研究結(jié)果表明，常溫以上的疲勞破壞主要是變形累積破壞，無(wú)明顯的疲勞意義，所以建議不考慮20 ℃以上的疲勞破壞。另外我國(guó)試驗(yàn)規(guī)程[7]推薦劈裂試驗(yàn)的溫度為15 ℃±0.5 ℃。本研究采用的試驗(yàn)溫度為15 ℃±0.5 ℃。

1.2.4 加載頻率

對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)，車輪荷載的加載時(shí)間可以根據(jù)式（1）來(lái)確定。

中國(guó)現(xiàn)行的《公路工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的汽車專用公路的計(jì)算行車速度范圍為40～120 km/h。當(dāng)加載頻率為10 Hz 時(shí)，加載時(shí)間為0.016 s。0.016 s 的加載時(shí)間對(duì)瀝青混合料路面表面大致相當(dāng)于60～65 km/h 的行車速度[8]。因此本研究選擇的加載頻率為10 Hz。

1.2.5 加載波形

波形采用比較接近實(shí)際路面所承受的荷載的半正弦波。為避免試驗(yàn)出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，設(shè)置最小荷載為0.2 kN。試驗(yàn)前先進(jìn)行預(yù)加載以保證試件與加載裝置接觸良好。為了節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，相鄰周期之間不插入間歇時(shí)間，見圖1。

圖1 加載波形示意圖

1.2.6 數(shù)據(jù)采集

在試驗(yàn)過程中，從第10 個(gè)周期開始，每2 ms 記錄一組數(shù)據(jù)，包括荷載和試件水平方向變形，因此每個(gè)加載周期可記錄50 組數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)加載周期的勁度并繪制勁度- 荷載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。按照應(yīng)力比的不同，將五類試件中記錄有勁度數(shù)據(jù)的勁度曲線分別進(jìn)行研究。

1.2.7 疲勞破壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)

采用控制應(yīng)力模式，以試件完全斷裂為判斷破壞的標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)行疲勞試驗(yàn)之前首先通過劈裂試驗(yàn)確定劈裂強(qiáng)度，試驗(yàn)溫度為15 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表3，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)依據(jù)五類試件各自的劈裂強(qiáng)度采用不同的應(yīng)力比進(jìn)行加載。

表3 五類試件的劈裂強(qiáng)度

將表中數(shù)據(jù)繪制點(diǎn)線圖，如圖2 所示。

圖2 不同瀝青含量混合料的劈裂強(qiáng)度

由圖2 可知，隨著油石比的增大，劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)拋物線變化規(guī)律，當(dāng)瀝青含量較低時(shí)，由于瀝青的黏結(jié)能力不足，劈裂強(qiáng)度較低；當(dāng)瀝青含量過高時(shí)，導(dǎo)致混合料“變軟”，劈裂強(qiáng)度也較低。

2 數(shù)據(jù)分析

油石比4.3%的試件應(yīng)力比為0.5 的勁度曲線見圖3，每一條曲線代表一個(gè)試件?？梢钥闯?，幾乎所有試件的勁度曲線都呈S 形，有兩個(gè)拐點(diǎn)，將曲線分為3 個(gè)階段。

第一階段是勁度迅速降低階段，從開始加載到拐點(diǎn)1。勁度迅速衰減，到達(dá)拐點(diǎn)1 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。

第二階段為損傷穩(wěn)定發(fā)展階段，從拐點(diǎn)1 開始到拐點(diǎn)2 結(jié)束。這一階段的勁度下降非常平緩，隨著加載次數(shù)的增加，勁度的下降速度緩慢上升。

第三階段為破壞階段，從拐點(diǎn)2 開始到試件斷裂。這一階段試件開始產(chǎn)生宏觀裂縫，裂縫逐漸貫穿且寬度逐漸增大，橫向位移加速增長(zhǎng)，勁度加速降低，直至試件斷裂。

圖3 油石比4.3%試件勁度曲線（應(yīng)力比0.5）

為了確定拐點(diǎn)1 的位置，對(duì)勁度曲線采用分段函數(shù)進(jìn)行擬合，由于二次多項(xiàng)式對(duì)拐點(diǎn)1 前后兩段曲線的擬合程度較好，因此，兩段函數(shù)形式均采用二次多項(xiàng)式，并在分段點(diǎn)保持連續(xù)。首先，對(duì)分段點(diǎn)的橫坐標(biāo)和二次多項(xiàng)式的系數(shù)賦初始值，然后經(jīng)多次迭代之后得到的最優(yōu)函數(shù)（R2最高）對(duì)應(yīng)的分段點(diǎn)即為拐點(diǎn)1，迭代過程以圖4 為例，R2分別為0.926和0.986，圖4 擬合得到的分段點(diǎn)即拐點(diǎn)1。

圖4 擬合示意圖（最終結(jié)果）

采用同樣方法，將應(yīng)力比0.5、0.4、0.3 狀況下的拐點(diǎn)1 對(duì)應(yīng)勁度數(shù)據(jù)列于表4。由表4 可以看出，大部分拐點(diǎn)1 對(duì)應(yīng)的勁度為初始勁度的40%～70%。

以同樣的方法分析其他4 種試件的勁度變化曲線，油石比3.9%的試件本身劈裂強(qiáng)度較低，在相同的應(yīng)力比下，絕對(duì)的應(yīng)力值較低，當(dāng)應(yīng)力比為0.4時(shí)，試件沒有明顯的破壞階段，且勁度曲線的損傷穩(wěn)定發(fā)展階段的前半段為凹形，后半段為凸形，而之前瀝青含量較高的試件的損傷穩(wěn)定發(fā)展階段始終為凸形。這說明在較低應(yīng)力水平下，瀝青含量較低的試件的損傷發(fā)展較為平緩而充分，不會(huì)產(chǎn)生明顯的突然斷裂；另一方面，隨著損傷的發(fā)展，瀝青的愈合作用開始增強(qiáng)，所以損傷穩(wěn)定發(fā)展階段前半段勁度的下降速度逐漸降低，呈現(xiàn)凹形，而當(dāng)損傷進(jìn)一步擴(kuò)展，裂縫寬度增大并且開始貫穿，瀝青的愈合作用減弱，勁度加速下降，直至破壞，曲線呈現(xiàn)凸形。因此，較低的應(yīng)力值更能夠體現(xiàn)瀝青的愈合作用。

表4 拐點(diǎn)1 對(duì)應(yīng)的勁度數(shù)據(jù)

圖5 油石比3.9%試件勁度曲線（應(yīng)力比0.4）

油石比4.1%和4.5%的試件，幾乎所有試件的勁度曲線都呈S 形，有兩個(gè)拐點(diǎn)，將曲線分為3 個(gè)階段，即勁度迅速降低階段、損傷穩(wěn)定發(fā)展階段和破壞階段。

油石比4.7%的混合料勁度曲線只有一個(gè)拐點(diǎn)，曲線可分為兩個(gè)階段，即勁度迅速衰減階段和損傷穩(wěn)定發(fā)展階段，沒有明顯的破壞階段；絕大部分曲線的損傷穩(wěn)定發(fā)展階段呈凹形。這可能有兩方面原因，第一，相比前4 種試件，該試件的瀝青含量高，具有較強(qiáng)的黏彈性，自身愈合能力較強(qiáng)；第二，油石比4.7%的試件劈裂強(qiáng)度相比其他試件較低，所以盡管采用相同的應(yīng)力比，絕對(duì)應(yīng)力值還是較低，較低的應(yīng)力值體現(xiàn)了更多的瀝青愈合作用。

圖6 油石比4.7%試件勁度曲線（應(yīng)力比0.4）

通過以上分析，各類試件的勁度在加載之初都會(huì)經(jīng)歷不同程度的下降，然后迅速達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，隨后勁度開始緩慢下降，本研究將該點(diǎn)（即拐點(diǎn)1）作為疲勞損傷的起始點(diǎn)。以該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的勁度與初始勁度做比值，比較這5 種瀝青含量試件的勁度衰減情況，如圖7 所示。

圖7 不同瀝青含量試件的勁度衰減對(duì)比

從圖7 可知，當(dāng)應(yīng)力比為 0.5 時(shí)，瀝青含量4.1%、4.3%、4.5%的試件，拐點(diǎn)勁度與初始勁度的比值隨著瀝青含量的增高，呈線性增大趨勢(shì)；當(dāng)應(yīng)力比為0.4 時(shí)，瀝青含量4.5%的試件，拐點(diǎn)勁度與初始勁度的比值最高，瀝青含量4.3%的試件次之。當(dāng)應(yīng)力比為0.3 時(shí)，拐點(diǎn)勁度與初始勁度的比值呈先增后降的二次曲線變化，瀝青含量為4.3%的勁度比最高，瀝青含量4.5%的試件次之。何種應(yīng)力比情況下，瀝青含量4.7%的試件勁度比都很低，說明其勁度衰減很快，抗疲勞性能較弱。通過勁度曲線的研究可以得出，適當(dāng)增加瀝青含量確實(shí)可以增加抗疲勞性能，特別是在高應(yīng)力比情況下尤為明顯，最佳抗疲勞性能對(duì)應(yīng)的瀝青含量略高于馬歇爾試驗(yàn)確定的最佳油石比。

3 結(jié)論

a）瀝青混合料的勁度在加載之初都會(huì)經(jīng)歷不同程度的下降，然后迅速達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，隨后勁度開始緩慢下降，本文建議以拐點(diǎn)1 作為疲勞損傷的起始點(diǎn)。

b）在應(yīng)力比較低的情況下，瀝青含量較高的試件，損傷發(fā)展較為平緩而充分，不會(huì)產(chǎn)生明顯的突然斷裂。較低的應(yīng)力比更能夠體現(xiàn)瀝青的愈合作用。

c）適當(dāng)增加瀝青含量確實(shí)可以增加抗疲勞性能。特別是在高應(yīng)力比情況下尤為明顯，最佳抗疲勞性能對(duì)應(yīng)的瀝青含量略高于馬歇爾試驗(yàn)確定的最佳油石比，過高或過低的瀝青含量都會(huì)對(duì)抗疲勞性能造成影響。