■徐俊旺

（山西交通控股集團(tuán)有限公司忻州南高速分公司，忻州 034015）

0 引言

道路在使用過(guò)程中，隨著行車荷載和環(huán)境溫度的變化次數(shù)增多，強(qiáng)度逐漸降低，出現(xiàn)疲勞破壞，影響路面的使用性能。對(duì)此，研究影響瀝青混合料的疲勞性能的因素，提高瀝青混合料疲勞壽命具有重要意義。黃衛(wèi)東等對(duì)多種瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行了研究，ARAC-13在自愈合作用后疲勞壽命最長(zhǎng)[1]。韋璐等研究了不同行車荷載和溫度組合作用下瀝青路面的疲勞性能[2]。張雷等研究發(fā)現(xiàn)自愈合膠囊對(duì)瀝青混合料疲勞性能的影響規(guī)律[3]。敖清文等通過(guò)三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)研究了抗車轍劑、試驗(yàn)參數(shù)對(duì)改性瀝青混合料疲勞性能的影響規(guī)律[4]。馬海濤研究了不同玄武巖摻量對(duì)瀝青混合料抗疲勞性能的改善效果[5]。周志剛等基于間接拉伸疲勞試驗(yàn)研究了水對(duì)不同配合比和空隙率的瀝青混合料的疲勞性能影響規(guī)律[6]。張宜洛等對(duì)比了不同礦料級(jí)配的瀝青混合料疲勞性能[7]。以上研究主要內(nèi)容是多種內(nèi)部因素(材料、成型方式等)對(duì)瀝青混合料的疲勞性能的影響，不同的試驗(yàn)條件得到的結(jié)論會(huì)有偏差，數(shù)據(jù)對(duì)比缺少說(shuō)服性。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)瀝青路面受力狀態(tài)擬定應(yīng)力水平，在不同應(yīng)力水平下對(duì)瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)研究,整理分析加載頻率、礦料級(jí)配及纖維摻量對(duì)對(duì)瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)結(jié)果,為今后提高瀝青混合料抗疲勞性能和瀝青路面使用性能提供參考。

表1 SBS改性瀝青瀝青技術(shù)性質(zhì)

1 原材料及混合料配合比

1.1 原材料

（1）瀝青

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工，選用SBS改性瀝青，兩者技術(shù)性質(zhì)見表1。

（2）粗集料

粗集料采用玄武巖，公稱粒徑為10～15mm、5～10mm、3～5mm。技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 粗集料技術(shù)性質(zhì)

（3）細(xì)集料

細(xì)集料選用機(jī)制砂，其技術(shù)性質(zhì)見表3。

表3 細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)

（4）礦粉

礦粉技術(shù)性質(zhì)見表4。

表4 礦粉技術(shù)性質(zhì)

（5）外摻劑

瀝青混合料SMA中摻有纖維，可增強(qiáng)其溫度穩(wěn)定性，減少溫度疲勞裂縫的產(chǎn)生。常用的纖維有聚酯纖維、木質(zhì)素纖維及礦物纖維。研究表明，木質(zhì)素纖維拌和性能優(yōu)良，擬選用木質(zhì)素纖維，技術(shù)性質(zhì)見表5。

表5 木質(zhì)素纖維技術(shù)性質(zhì)

1.2 配合比

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]，確定的AC-13兩種礦料級(jí)配見表6，SMA-13礦料級(jí)配見表7。根據(jù)馬歇爾配合比設(shè)計(jì)法確定的AC-13瀝青混合料最佳瀝青用量分別為4.7%、5.1%,SMA-13瀝青混合料最佳瀝青用量為5.8%。

表6 瀝青混合料AC-13礦料級(jí)配

表7 瀝青混合料SMA-13礦料級(jí)配

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)方案

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際路面結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),采用控制應(yīng)力模式,研究應(yīng)力比、加載頻率、礦料級(jí)配及纖維摻量4個(gè)因素對(duì)AC-13和SMA-13瀝青混合料疲勞性能的影響規(guī)律[10]，采用疲勞壽命評(píng)價(jià)瀝青混合料疲勞性能，疲勞壽命越大，抗疲勞性能越好；否則，反之。

（1）應(yīng)力比的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)路面行車荷載和環(huán)境因素，擬應(yīng)力比為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8。

（2）加載頻率的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)道路行車速度，擬加載頻率為2Hz、5Hz、10Hz、15Hz，應(yīng)力比控制在 0.4、0.5、0.6。

（3）礦料級(jí)配的影響

擬選用AC-13礦料級(jí)配A型和B型及SMA-13礦料級(jí)配，應(yīng)力比控制在 0.4、0.5、0.6、0.7。

（4）纖維摻量的影響

擬瀝青混合料SMA-13中木質(zhì)素纖維摻量為0.40%、0.45%、0.50%，應(yīng)力比控制在 0.4、0.5、0.6、0.7。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）制備小梁試件

按照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中輪碾法成型車轍試件,AC-13車轍試件尺寸為300mm×300mm×40mm，相同環(huán)境下養(yǎng)護(hù)48h后拆模，沿試件輪碾成型方向切割成尺寸為250mm×40mm×40mm的小梁[10]。

（2）室內(nèi)彎曲疲勞試驗(yàn)

瀝青混合料疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)采用疲勞壽命，疲勞壽命是指瀝青混合料出現(xiàn)疲勞破壞時(shí)，應(yīng)力重復(fù)作用次數(shù)。試驗(yàn)采用MTS萬(wàn)能材料試驗(yàn)裝置，根據(jù)JTG E20-2011中的彎曲疲勞試驗(yàn)選用四點(diǎn)加載的加載方式，試驗(yàn)溫度控制在15℃左右，試件15℃養(yǎng)護(hù)至少3h[10]。

圖1 試件加載方式

3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力比

不同應(yīng)力水平下AC-13和SMA-13的疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表8和圖2。

表8 瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖2 瀝青混合料應(yīng)力比與疲勞壽命變化規(guī)律

由圖2可知，不同結(jié)構(gòu)類型的瀝青混合料疲勞壽命隨應(yīng)力比的增加逐漸減少，SMA-13減少速度大于AC-13。其中，當(dāng)應(yīng)力比小于0.5時(shí)，隨應(yīng)力比增加疲勞壽命減少幅度明顯，最小為33.6%；當(dāng)應(yīng)力比大于0.5時(shí)，疲勞壽命減少幅度逐漸降低。這說(shuō)明應(yīng)力水平小于0.5時(shí)，瀝青混合料疲勞壽命較長(zhǎng)；且相同應(yīng)力水平下，SMA-13疲勞壽命至少是AC-13的1.4倍。

3.2 加載頻率

應(yīng)力比分別為0.4、0.5、0.6時(shí)，加載頻率對(duì)AC-13和SMA-13疲勞性能影響的試驗(yàn)結(jié)果見表9和圖3。

表9 不同加載頻率下瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，在相同應(yīng)力比條件下，瀝青混合料疲勞壽命隨加載頻率的增加而逐漸增加；同一加載頻率下瀝青混合料隨應(yīng)力比增加，疲勞壽命減少幅度降低。另外，當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到一定值后，疲勞壽命受加載頻率的影響較少，這說(shuō)明應(yīng)力比是影響瀝青混合料疲勞性能的主要因素。

圖3 加載頻率對(duì)瀝青混合料疲勞壽命影響曲線

3.3 礦料級(jí)配

應(yīng)力比分別為0.4、0.5、0.6、0.7時(shí)，不同礦料級(jí)配類型的瀝青混合料小梁試件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表10和圖4。

表10 不同礦料級(jí)配類型小梁試件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，相同試驗(yàn)條件下，瀝青混合料AC-13（B）的疲勞壽命最長(zhǎng)，其次為SMA-13，當(dāng)應(yīng)力水平小于0.6時(shí)，三種礦料級(jí)配的瀝青混合料疲勞壽命減少明顯；而大于0.6時(shí)，疲勞壽命相近。說(shuō)明應(yīng)力水平較低時(shí)，礦料級(jí)配對(duì)瀝青混合料疲勞性能影響明顯。

3.4 纖維摻量

應(yīng)力比分別為0.4、0.5、0.6、0.7時(shí)，不同木質(zhì)素纖維摻量的SMA-13小梁試件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表11和圖5。

圖4 不同類型礦料級(jí)配瀝青混合料疲勞壽命變化規(guī)律

表11 不同木質(zhì)素纖維摻量SMA-13疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖5 木質(zhì)素纖維摻量對(duì)SMA-13疲勞壽命影響曲線

由圖5可知，SMA中摻入木質(zhì)素纖維后，其疲勞性能明顯提高。其中，當(dāng)木質(zhì)素纖維摻量為0.45%時(shí)，SMA-13疲勞壽命最長(zhǎng)；摻量為0.40%與0.50%時(shí)，SMA-13疲勞壽命變化曲線相近；當(dāng)應(yīng)力水平大于0.6時(shí)，摻木質(zhì)素纖維的試件疲勞壽命逐步趨近。這說(shuō)明應(yīng)力水平較低時(shí)，摻木質(zhì)素纖維可有效提高SMA-13的抗疲勞性能。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究應(yīng)力水平、加載頻率、礦料級(jí)配及纖維摻量對(duì)瀝青混合料的疲勞性能的影響，可以得到以下結(jié)論：

（1）不同結(jié)構(gòu)類型的瀝青混合料疲勞壽命隨應(yīng)力比增加逐漸減少，SMA-13減少速度大于AC-13。應(yīng)力水平小于0.5時(shí)，瀝青混合料疲勞壽命較長(zhǎng)；且相同應(yīng)力水平下，SMA-13疲勞壽命至少是AC-13的1.4倍。

（2）在相同應(yīng)力比條件下，瀝青混合料疲勞壽命隨加載頻率的增加而逐漸增加，同一加載頻率下瀝青混合料隨應(yīng)力比增加，疲勞壽命減少幅度降低。

（3）相同試驗(yàn)條件下，瀝青混合料 AC-13（B）的疲勞壽命最長(zhǎng)，應(yīng)力水平較低時(shí)，礦料級(jí)配對(duì)瀝青混合料疲勞性能影響明顯。

（4）摻木質(zhì)素纖維可有效提高SMA-13的抗疲勞性能，當(dāng)木質(zhì)素纖維摻量為0.45%時(shí)，SMA-13疲勞壽命最長(zhǎng)。