張晗

（江蘇東部高速公路管理有限公司，江蘇 鹽城 224007）

0 引言

現(xiàn)階段，在瀝青路面建設(shè)過(guò)程中，往往在受到外界環(huán)境因素的影響而出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂的問(wèn)題，這也是道路使用耐久性降低的最直接因素之一。而在道路實(shí)際使用的過(guò)程中，道路會(huì)受到交通荷載以及水溫環(huán)境的雙重影響，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青路面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷[1，2]。荷載的增加會(huì)使瀝青路面出現(xiàn)的損傷不斷累積，進(jìn)而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度難以承受車輛等物體的壓力，在長(zhǎng)時(shí)間的使用下勢(shì)必會(huì)存在裂紋等損傷，并在最終出現(xiàn)相應(yīng)的疲勞破壞[3]。在這樣的環(huán)境下，為進(jìn)一步提升瀝青路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、耐久性以及使用性能，當(dāng)前在修建瀝青路面的時(shí)候，施工單位會(huì)更加注重以路面結(jié)構(gòu)的疲勞破壞的基本控制破壞模式[4]。因此，本文通過(guò)半圓彎曲試驗(yàn)開(kāi)展瀝青混凝土室內(nèi)疲勞試驗(yàn)，最大限度地貼近路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，研究瀝青混凝土的疲勞特性。研究成果為制定科學(xué)的路面養(yǎng)護(hù)方案提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 原材料

1.1 改性瀝青

試件采用SBS 改性瀝青，整體試驗(yàn)應(yīng)滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的技術(shù)要求（見(jiàn)表1）。

表1 SBS 改性瀝青(PG76-22)技術(shù)指標(biāo)

結(jié)果表明，SBS 改性瀝青(PG76-22)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求。

1.2 集料與礦粉

在試驗(yàn)的過(guò)程中，應(yīng)分別對(duì)粗、細(xì)集料以及石灰?guī)r礦粉進(jìn)行相應(yīng)的性能測(cè)試，并保證整體的試驗(yàn)過(guò)程都滿足《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）中的相關(guān)規(guī)定。

1.3 纖維

試驗(yàn)的順利開(kāi)展離不開(kāi)纖維穩(wěn)定劑，當(dāng)前比較常見(jiàn)的做法是將木質(zhì)素纖維作為SMA-13 穩(wěn)定劑，確?？梢韵嚓P(guān)規(guī)范規(guī)定。

2 試件成型

考慮到目前SMA-13 在工程實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛，具有一定的代表性。因此本文以SMA-13 為的瀝青混合設(shè)計(jì)級(jí)配進(jìn)行試件成型。級(jí)配設(shè)計(jì)如表2 和圖1 所示。

圖1 SMA-13 混合料礦料級(jí)配曲線

表2 SMA-13 瀝青瑪蹄脂碎石混合料礦料級(jí)配

成型方式采用SUPERPAVE 技術(shù)中旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（SGC）用來(lái)成型瀝青混合料的方式，進(jìn)行75 次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的過(guò)程。就此次試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，使用的大直徑圓柱體試件需要對(duì)兩端空隙率較大的部分進(jìn)行切割，進(jìn)而保留中間空隙率較小的位置，而完成切割之后的形狀，如圖2 所示。

圖2 切割完成的SCB 試件

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)際開(kāi)展相關(guān)疲勞試驗(yàn)的過(guò)程中，應(yīng)保證每個(gè)應(yīng)力水平下的平行試件最少應(yīng)在4 個(gè)以上，促進(jìn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)程度的提升。在得出平行試驗(yàn)結(jié)果之后還需要進(jìn)一步通過(guò)數(shù)據(jù)離散程度進(jìn)行棄差處理。半圓彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)的環(huán)境控制在15℃、50mm/min，其最終的數(shù)據(jù)如下表3 所示。SCB 半圓強(qiáng)度的試驗(yàn)斷裂強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：

表3 半圓彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

式（1）～（2）中：

σt——試件底部拉應(yīng)力值(MPa)；

F——豎直方向荷載(N)；

D——試件直徑(mm)；

B——試件厚度(mm)；

V——試件底部的豎向位移(mm)；

M——模量(MPa)。

根據(jù)上表的結(jié)果可知，在15℃以及50mm/min 的加載速率下，SBS 改性瀝青混合料的斷裂強(qiáng)度為11.7MPa。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同應(yīng)力比水平下的疲勞應(yīng)力展開(kāi)測(cè)算，進(jìn)而可以得出瀝青混合料疲勞壽命試驗(yàn)的具體結(jié)果，相關(guān)數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 不同應(yīng)力水平下半圓彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)疲勞壽命的試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)力比從0.11 增大到0.34 的過(guò)程中，瀝青混合料的疲勞壽命從85778 次降低到1269 次。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)的計(jì)算結(jié)果顯示，隨著應(yīng)力比水平的增大，數(shù)據(jù)之間的離散性變小，準(zhǔn)確度提高。

3.2 半圓彎曲疲勞特性分析

在開(kāi)展半圓試件疲勞試驗(yàn)的過(guò)程中，需要對(duì)試件在整個(gè)疲勞過(guò)程中的具體位移情況進(jìn)行分析，因此技術(shù)人員可以在其頂部進(jìn)行正弦荷載的施加，并把其中具體的位移情況表現(xiàn)出來(lái)。圖3 表明在荷載循環(huán)次數(shù)不斷提升的條件下，位移逐步體現(xiàn)出橫向的反S 形規(guī)律，進(jìn)而也更加直觀地展現(xiàn)出其在不同荷載水平下的變化過(guò)程，也更好地體現(xiàn)出其中蘊(yùn)含的變化規(guī)律。

圖3 施力點(diǎn)位移隨荷載循環(huán)次數(shù)變化曲線

由上圖3 可知，試件的位移在不同荷載水平下所表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律也是不同的。總體來(lái)說(shuō)，其中的演變規(guī)律主要可以分為三個(gè)階段以及存在兩個(gè)反彎點(diǎn)。首先，初期階段，在荷載持續(xù)增加的環(huán)境下，試件逐步體現(xiàn)出一定的黏塑性變形，并開(kāi)始生成不明顯的裂紋；其次，穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，在這一階段中位移會(huì)呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)，而裂紋也開(kāi)始進(jìn)行比較穩(wěn)定的擴(kuò)張；最后，擴(kuò)展階段，在這一階段中，試件呈現(xiàn)出破壞趨勢(shì)，位移的速度也開(kāi)始明顯加快，并在第二個(gè)反彎點(diǎn)發(fā)生疲勞破壞，同時(shí)還可以看出在荷載水平不同的環(huán)境下，位移線性增長(zhǎng)的斜率也不同。值得注意的是，較高荷載水平出現(xiàn)的荷載反而要更小一些。

4 結(jié)論

本文開(kāi)展了SBS 改性瀝青混合料半圓彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)，主要說(shuō)明了瀝青混合料半圓彎拉強(qiáng)度會(huì)受到溫度以及加載速率等變化的影響，同時(shí)也通過(guò)具體的半圓彎曲疲勞試驗(yàn)來(lái)展現(xiàn)不同情況下的變化情況。與此同時(shí)，完成了傳統(tǒng)疲勞方程與基于名義應(yīng)力比疲勞方程的對(duì)比，并站在位移變化的角度上明確瀝青混合料疲勞破壞內(nèi)部的聯(lián)系，進(jìn)一步突出了性質(zhì)和破壞性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系。主要得到以下結(jié)論：

一是斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明SBS 改性瀝青混合料的斷裂強(qiáng)度均值為11.7MPa，瀝青混合料的力學(xué)性能優(yōu)異。

二是疲勞次數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明隨著應(yīng)力比水平的增大，疲勞作用次數(shù)逐漸降低，即疲勞作用應(yīng)力越大，疲勞壽命越小；隨著應(yīng)力比增加，疲勞壽命次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差以及變異系數(shù)越來(lái)越小。

三是在荷載循環(huán)次數(shù)變化的過(guò)程中，軸載位移呈現(xiàn)出橫向反S 形規(guī)律，同時(shí)整個(gè)過(guò)程劃分為三個(gè)階段，并有著兩個(gè)反彎點(diǎn)。荷載水平越高位移的速率也就越大，但在疲勞破壞的情況下呈現(xiàn)出相反情況。