李 泉

（廣州市公用事業(yè)技師學(xué)院，廣東廣州 510100）

0 引言

首先分析現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度與馬歇爾密度控制的壓實(shí)度K1、最大理論密度標(biāo)準(zhǔn)控制的壓實(shí)度K2和路面實(shí)際空隙率的關(guān)系。見(jiàn)表1所列。

表1 壓實(shí)度與路面實(shí)際空隙率對(duì)比表（單位：%）

路面實(shí)際空隙率與設(shè)計(jì)空隙率并不是同一事物，設(shè)計(jì)空隙率的性能在實(shí)驗(yàn)室取得了驗(yàn)證，然而路面實(shí)際空隙率的相關(guān)性能卻不得而知，值得繼續(xù)研究。例如：傳統(tǒng)滿足壓實(shí)度98%作為交工檢查和質(zhì)量驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)，是否考慮到具體的瀝青混合料性能。

關(guān)于疲勞性能的研究，國(guó)內(nèi)多以疲勞方程為“橋梁”，研究疲勞性能的影響因素及這些因素對(duì)疲勞性能的影響，比如瀝青類型、混合料類型及溫度等。國(guó)內(nèi)的疲勞方程已廣泛應(yīng)用，疲勞方程的成立是基于相同的瀝青混合料結(jié)構(gòu)，包括相同原材料和相似空隙構(gòu)造。

通過(guò)試驗(yàn)得出相應(yīng)的疲勞方程卻不是一件很簡(jiǎn)單的工序，它不僅耗時(shí)，而且反復(fù)無(wú)常的變異性讓人捉摸不定。疲勞試驗(yàn)中，變異性的存在是必然的，也是正常的。一般通過(guò)室內(nèi)疲勞試驗(yàn)得出疲勞方程的過(guò)程中，有兩個(gè)引起疲勞次數(shù)變異性大的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一個(gè)是儀器本身的特性，良好敏感的儀器對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性是有很大幫助的，不過(guò)對(duì)于試件疲勞性能影響因素來(lái)講，它屬于外因。另一個(gè)是試件本身，通過(guò)輪碾法進(jìn)行切割得到的小梁試件存在著空隙率不均的事實(shí)，即使同一個(gè)板切割成的試件也有著相當(dāng)大差異，而事實(shí)上，空隙率對(duì)疲勞次數(shù)的影響非常顯著，這必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)變異性過(guò)大。

瀝青混合料的疲勞性能與空隙率有著密不可分的聯(lián)系，有試驗(yàn)結(jié)果表明[2-3]，混合料的疲勞壽命隨著空隙率的降低而顯著地增長(zhǎng)。調(diào)節(jié)瀝青混合料的空隙率通常有兩種方法。一種是通過(guò)級(jí)配的調(diào)整，調(diào)節(jié)混合料填料用量和油石比，來(lái)改變空隙率，這種方法達(dá)到的效果較好，而且對(duì)疲勞效果影響比較大，具體規(guī)律見(jiàn)圖1所示。

圖1 空隙率對(duì)瀝青混合料疲勞壽命影響曲線圖

另一種則是對(duì)設(shè)計(jì)完后的瀝青混合料進(jìn)行不同的施工壓實(shí)質(zhì)量來(lái)調(diào)節(jié)瀝青混合料空隙率，這也是本文研究的主要方向。

本文基于西-銅高速下面層ATB-30，通過(guò)施工空隙率為變量的疲勞試驗(yàn)，分析施工空隙率與疲勞性能的相關(guān)性。

1 原材料

1.1 瀝青原材料

瀝青檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 瀝青種類、技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果一覽表

1.2 其他原材料（見(jiàn)表3～表5）

表3 石灰?guī)r粗集料試驗(yàn)指標(biāo)與技術(shù)要求一覽表

表4 細(xì)集料的試驗(yàn)指標(biāo)與技術(shù)要求一覽表

表5 礦粉的試驗(yàn)指標(biāo)與技術(shù)要求一覽表

2 下面層級(jí)配組成及路用性能驗(yàn)證

2.1 級(jí)配組成及馬歇爾試驗(yàn)

參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中表5.3.2-5[4]關(guān)于密級(jí)配瀝青碎石混合料的礦料級(jí)配范圍，得出西-銅高速下面層采用的級(jí)配組成如表6所列和圖2所示。

ATB-30馬歇爾試驗(yàn)的結(jié)果如表7所列。

由表7的結(jié)果可知，選擇油石比為3.3%作為生產(chǎn)配合比的最佳油石比。

2.2 路用性能驗(yàn)證

各性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8所列。

各性能結(jié)果都滿足規(guī)范要求，因此可進(jìn)行瀝青混合生產(chǎn)和施工。

3 空隙率與疲勞性能研究

3.1 試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

縱觀材料研究領(lǐng)域，疲勞試驗(yàn)的方法雖然有很多，歸納起來(lái)可以分為兩大類，一類是真實(shí)的模擬實(shí)際路面來(lái)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，像美國(guó)著名的AASHO試驗(yàn)路，環(huán)道試驗(yàn)和加速加載試驗(yàn)等。另一類是簡(jiǎn)化的模擬實(shí)際路面來(lái)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，比如試驗(yàn)板試驗(yàn)法和試驗(yàn)室小型試件的疲勞試驗(yàn)。迄今為止，國(guó)內(nèi)沒(méi)有將某疲勞試驗(yàn)方法作為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法納入規(guī)范，主要是以簡(jiǎn)單的彎曲試驗(yàn)為主。簡(jiǎn)單彎曲試驗(yàn)包括中點(diǎn)加載或三分點(diǎn)加載、旋轉(zhuǎn)懸臂梁和梯形懸臂梁，該項(xiàng)試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加載模式進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

該項(xiàng)疲勞試驗(yàn)的目的并不是通過(guò)對(duì)比瀝青混合料的疲勞方程中參數(shù)的優(yōu)劣來(lái)分析瀝青混合料疲勞性能，而是重點(diǎn)分析因施工質(zhì)量導(dǎo)致的施工空隙率變化對(duì)混合料疲勞性能的影響。

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了獲得不同空隙率的疲勞試驗(yàn)試件，在該項(xiàng)試驗(yàn)中，首先采取不同碾壓次數(shù)成型車轍板，再通過(guò)切割，即可得到不同空隙率的小梁試件。疲勞試驗(yàn)有兩種控制模式，應(yīng)力控制模式和應(yīng)變控制模式。有試驗(yàn)表明[5]：通過(guò)APA疲勞試驗(yàn)（SHRP研制開(kāi)發(fā)的一種往返輪載試驗(yàn)裝置的瀝青路面分析儀）得出的試驗(yàn)結(jié)果，與彎曲疲勞試驗(yàn)中采用應(yīng)力控制模式下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果是一致的。因此，該項(xiàng)疲勞試驗(yàn)采用控制應(yīng)力模式。

表6 ATB-30級(jí)配組成表

圖2 ATB-30級(jí)配組成曲線圖

表7 ATB-30馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表

表8 路用性能驗(yàn)證結(jié)果一覽表

為了控制疲勞試驗(yàn)結(jié)果的變異程度，該項(xiàng)試驗(yàn)采用統(tǒng)一的試件尺寸（40 mm×40 mm×250 mm）、加載波形和頻率（10HZ連續(xù)式半正矢波形）和試驗(yàn)溫度（15℃±1℃）。試驗(yàn)儀器為MTS-810，試驗(yàn)儀器與過(guò)程見(jiàn)圖3和圖4所示。

進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，必須首先確定關(guān)鍵參數(shù)即應(yīng)力比。查閱相關(guān)資料可知，一般情況下，通過(guò)疲勞試驗(yàn)進(jìn)行疲勞方程擬定時(shí)常用到的應(yīng)力比范圍為0.2～0.6，但該項(xiàng)試驗(yàn)并不是為了得出ATB-30的疲勞方程，而是為了研究施工孔隙率對(duì)疲勞性能的影響，所以在設(shè)定應(yīng)力比時(shí)有所不同。由于混合料疲勞性能的優(yōu)劣主要由材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定，鑒于該項(xiàng)試驗(yàn)研究的目的，同時(shí)考慮到疲勞試驗(yàn)周期長(zhǎng)，最終僅選用應(yīng)力比為0.4來(lái)開(kāi)展疲勞試驗(yàn)。

圖3 疲勞試驗(yàn)儀器實(shí)景

圖4 疲勞試驗(yàn)過(guò)程實(shí)景

控制應(yīng)力比為0.4，不同空隙率的ATB-30試件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果匯總于表9。

3.3 瀝青混合料空隙率與疲勞性能的相關(guān)分析

將表9中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪于圖5。

分析圖5可知，空隙率與疲勞壽命的關(guān)系規(guī)律與圖1是一致，即隨著混合料空隙率減小，混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，瀝青混合料的疲勞壽命增大。由于該項(xiàng)試驗(yàn)采用的應(yīng)力比較大，反映出相比圖1中空隙率對(duì)疲勞次數(shù)的影響，施工壓實(shí)質(zhì)量導(dǎo)致的空隙率變化對(duì)疲勞壽命的影響程度在數(shù)量級(jí)上有所降低。此外，K.D.Raithy&A.B.Sterling通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為，行車的補(bǔ)充壓實(shí)作用能使試件在25℃時(shí)的疲勞壽命大致增長(zhǎng)3倍[3]，因此，通過(guò)適當(dāng)提高壓實(shí)度能增大瀝青混合料的疲勞性能的。提高壓實(shí)度要配合好施工的各個(gè)環(huán)節(jié)，比如溫度控制等。當(dāng)溫度降低后，單純?cè)黾訅簩?shí)功能對(duì)提高壓實(shí)度沒(méi)有幫助，反而容易造成集料的破損，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。

表9 應(yīng)力比為0.4的疲勞試驗(yàn)結(jié)果一覽表

圖5 空隙率對(duì)ATB-30疲勞壽命影響圖示

通過(guò)得出施工空隙率對(duì)疲勞性能的影響規(guī)律，可指導(dǎo)施工工藝。同時(shí)根據(jù)規(guī)律人們可知，傳統(tǒng)滿足壓實(shí)度98%的實(shí)際空隙率的疲勞性能會(huì)低于設(shè)計(jì)空隙率，因此，可適當(dāng)增大壓實(shí)度，減小施工空隙率，來(lái)提高瀝青混合料的疲勞性能。

4 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)瀝青混合料在設(shè)計(jì)和施工兩者存在相脫節(jié)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)無(wú)法指導(dǎo)施工，施工不能反映設(shè)計(jì)。對(duì)此，本文以空隙率為橋梁，嘗試通過(guò)施工空隙率來(lái)反映施工后瀝青混合料的性能。

（2）針對(duì)不同施工質(zhì)量導(dǎo)致的不同空隙率的瀝青混合料小梁試件進(jìn)行了大量疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，隨著混合料空隙率減小，混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，瀝青混合料的疲勞壽命增大。

[1]李泉.西-銅高速全壽命瀝青路面材料設(shè)計(jì)與施工一體化研究[D].2011.

[2]公路技術(shù)資料（11），公路柔性路面疲勞問(wèn)題[M].北京：人民交通出版社，1979.

[3]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4]JTG F40—2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[5]饒奇志，葉會(huì)，張亮，李闖民.大粒徑瀝青混合料疲勞試驗(yàn)研究[J].中外公路，2010，（2）.