沈洪濤， 趙樹青， 王曉平

(1.濰坊市公路勘察設計院， 山東 濰坊　261061；　2.山東交通職業(yè)學院， 山東 濰坊　261061)

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一種評價瀝青混合料疲勞性能的簡單試驗方法

沈洪濤1， 趙樹青2， 王曉平2

(1.濰坊市公路勘察設計院， 山東 濰坊261061；2.山東交通職業(yè)學院， 山東 濰坊261061)

[摘要]使用間接拉伸(IDT)試驗來評估瀝青混合料的疲勞行為。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勞性能的混合料。為了表征疲勞，在中溫下進行循環(huán)加載IDT和單調(diào)加載斷裂能試驗。結(jié)果表明，在中溫下，循環(huán)加載IDT試驗獲得的疲勞壽命和單調(diào)加載斷裂試驗獲得的斷裂能之間具有良好的相關(guān)性?；趯嶒炇医Y(jié)果，單調(diào)加載IDT試驗得到的斷裂能可以用于快速評估瀝青混合料疲勞性能?？紤]到IDT試驗已經(jīng)用于表征瀝青混合料的低溫開裂和水敏感性，采用單調(diào)加載的IDT試驗評價瀝青混合料的疲勞性能易于推廣使用。

[關(guān)鍵詞]再生混凝土集料； 間接拉伸試驗； 疲勞； 道路工程

0前言

我國每年有大量的資金用于道路的建設和養(yǎng)護，設計和建造具有高服務能力的路面從而提高路面的長期性能已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的共識。對瀝青混凝土路面，疲勞、車轍、水損害和低溫開裂為影響長期性能的重要病害類型。因此，基于實驗室試驗采用合適的方法預測HMA性能是非常重要的，特別是在混合料設計過程中。一般與現(xiàn)場性能具有良好相關(guān)性的試驗認為是可以表征瀝青路面的性能試驗。

瀝青混凝土路面的一個最主要病害類型為疲勞開裂。有多個試驗方法可以評估瀝青混合料疲勞行為，如四點彎曲梁、間接拉伸(IDT)和單軸拉伸。在IDT試驗中，沿著測試試件直徑方向施加壓縮荷載以沿著試件垂直直徑方向生成拉伸應力，試件因此沿著垂直直徑方向的平面破壞。多個研究者使用IDT試驗預測HMA的疲勞行為[1，2]。Roque等人采用Superpave IDT試驗研究HMA裂縫的發(fā)展[3]。Shu等人發(fā)現(xiàn)IDT試驗和彎曲梁試驗均可很好地地預測瀝青混凝土的疲勞壽命[4]。目前最常用的疲勞試驗為四點彎曲梁試驗，且該試驗為我國的瀝青混合料標準測試方法。而四點彎曲梁試驗設備及成型工藝復雜、且疲勞試驗非常耗時，因此找出一個簡單的試驗以評估瀝青混合料疲勞病害以顯著減少與測試相關(guān)的時間和檢測費用是十分有必要的。

本文基于IDT試驗表征瀝青混合料的疲勞行為。本研究中的瀝青混合料使用再生混凝土集料(RCA)和新集料以不同的比例從而獲得不同疲勞性能的混合料。本文使用循環(huán)和單調(diào)加載IDT試驗驗證了使用IDT試驗獲得的斷裂能作為疲勞性能指標的有效性。目前IDT試驗可以根據(jù)AASHTO T322表征瀝青混合料的低溫開裂[5]，也可根據(jù)AASHTO T283進行水損害檢測[6]。因此，使用IDT試驗進行疲勞試驗將可采用一種試驗儀器表征三個主要的病害類型：疲勞、低溫開裂和水穩(wěn)定性，其可大幅度降低試驗的成本和時間。

1材料和混合料設計

1.1材料

瀝青結(jié)合料采用中石油PG性能等級為PG58-28的道路石油瀝青。表1給出了新集料和再生混凝土集料(RCA)的特性。RCA和新集料均滿足規(guī)范對集料的要求。

表1 RCA和新集料的特性Tabel1 PropertiesofRCAandvirginaggregate試驗標準新集料RCA洛杉磯磨耗AASHTO962024破裂面AASHTOTP6195%93%砂當量AASHTOT1769080粗集料毛體積密度AASHTOT852.6752.427細集料毛體積密度AASHTOT842.6862.125

1.2混合料設計

RCA與新集料以不同的比例(0%，20%，40%，60%，80%和100%)混合。根據(jù)Superpave體積設計法拌合和壓實試樣。表2和表3代表了設計級配和混合料設計結(jié)果。

表2 對不同RCA比例的混合設計Tabel2 DesignblendsfordifferentRCApercentages篩孔/mm不同RCA百分比的通過率/%020406080100級配控制點19 10010010010010010013.298979695939190～1009.5 888781807572≤904.756160514944432.3645403532272828～581.183530252420210.602722202017190.301916151615180.1597111312170.0754445552～7

表3 不同RCA比例混合料設計體積參數(shù)Tabel3 MixdesignvolumetricsfordifferentRCApercentagesRCA/%最佳AC/%%GmmNinitial%GmmNDesignVMA/%空隙率/%VFA/%粉膠比有效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疲勞試驗

通過進行循環(huán)加載疲勞和單調(diào)加載試驗進行IDT疲勞試驗。根據(jù)AASHTO T322制備測試試樣。對旋轉(zhuǎn)壓實試樣進行取芯且切割制備成高度為38 mm和直徑為100 mm的測試試件。試件的目標孔隙率為4±0.5%。為了測量水平和垂直變形，LVDT位移傳感器附著于測試試件的兩邊，如圖1所示。傳感器的測量長度為50.8 mm以最小化較大集料顆粒的影響[7]。使用對試件大小和測量長度的修正因素計算了時間中部的水平應變[7]。由于瀝青混凝土的疲勞開裂發(fā)生在中溫下，對IDT循環(huán)疲勞試驗在25 ℃下進行試驗，且施加800 N正弦荷載，頻率為10 Hz。選擇800 N荷載水平為了使得應變水平在100～200微應變范圍，從而在線粘彈性范圍。進行試驗直到觀察到可見的宏觀裂紋。時間的長度確保測得的度數(shù)足夠計算混合料勁度折減達到50%循環(huán)的次數(shù)，作為疲勞壽命。對IDT單調(diào)加載斷裂能試驗(見圖1)，試件以50.8 mm/min的速率加載直到觀察到破壞時明顯的峰值荷載，然后確定斷裂能，其數(shù)值為應力和應變曲線達到峰值應力下方的面積，其原理圖如圖2所示。

圖1　IDT試驗設備Figure 1　IDT test setup

圖2　單調(diào)加載試驗獲得斷裂能的原理圖Figure 2　Schematic diagram of fracture energy from monotonic test

3結(jié)果和討論

IDT循環(huán)加載疲勞和單調(diào)加載斷裂試驗的結(jié)果如表4所示。

表4 IDT循環(huán)加載疲勞和單調(diào)加載斷裂試驗結(jié)果Tabel4 IDTcyclicfatigueandmonotonicfracturetestresultsRCA/%斷裂能/Pa疲勞壽命(加載次數(shù))/次09524124870208273692004056652122960453818400803658100001002872800

圖3顯示了勁度和循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，圖4顯示了正規(guī)化的勁度值(去除單位的影響)，可以看出隨著循環(huán)次數(shù)增加，勁度降低，表明試件中損傷的演化。圖5給出了混合料疲勞壽命和斷裂能之間的相關(guān)性。從循環(huán)加載試驗獲得的疲勞壽命和單調(diào)加載試驗獲得的斷裂能之間觀察到了具有很強的相關(guān)性(R2=0.984)?？傊?，IDT試驗有可作為疲勞性能試驗?？紤]到IDT試驗已經(jīng)用于測試和評價HMA低溫和水穩(wěn)定性，其很有可能其用于測試疲勞、低溫開裂和水損傷的簡單性能。采用簡單的試驗將顯著節(jié)約購買設備和時間成本。

圖3　不同RCA比例的混合料疲勞壽命Figure 3　Fatigue life of mix with different RCA percentages

圖4　采用不同RCA比在規(guī)范化勁度下的疲勞壽命Figure 4　Fatigue life of mix with different RCA percentages at normalized stiffness

圖5　IDT疲勞壽命和斷裂能之間的相關(guān)性Figure 5　Correlation between IDT fatigue cycle and fracture energy

4結(jié)論

① 本文提出基于間接拉伸試驗的單調(diào)加載試驗得出的斷裂能作為瀝青混合料的抗疲勞性能試驗方法，與常規(guī)循環(huán)加載方式得到的疲勞壽命相比，單調(diào)加載模式更加簡單且大大節(jié)約了測試的時間。

② 常規(guī)的瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗設備

復雜，而且測試時間較長，不易于現(xiàn)場施工對瀝青混合料質(zhì)量控制，考慮到間接拉伸試驗已經(jīng)用于確定瀝青混合料的低溫開裂和水穩(wěn)定性能，將其用于疲勞性能的測試可以簡化現(xiàn)場瀝青混合料疲勞控制的難度。

③IDT循環(huán)加載疲勞壽命和單調(diào)加載試驗獲得的斷裂能之間發(fā)現(xiàn)具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達R2=0.984。

[參考文獻]

[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，F(xiàn)L，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

[基金項目]國家自然科學基金(51508095)

[作者簡介]沈洪濤(1972-)，男，山東濰坊人，高級工程師，研究方向為道路及橋梁的勘察設計。

[中圖分類號]U 414.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)03-0151-03