田小革， 竇文利， 昶慧芹， 李慧珍， 李光耀

(1.長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114； 2.河北省高速公路京雄臨時籌建處， 河北 保定 071700；3.承德市交通局交通規(guī)劃設(shè)計院， 河北 承德 067000； 4. 河北高速公路集團有限公司， 河北 石家莊 050031)

0 引言

我國高等級公路的路面結(jié)構(gòu)型式主要是半剛性基層瀝青路面[1]，由于半剛性材料易產(chǎn)生干縮/溫縮開裂，在行車荷載作用下，半剛性基層開裂部位的瀝青下面層存在較大的應力集中，拉應力、剪應力都比未開裂部位大，容易出現(xiàn)疲勞破壞，從而產(chǎn)生反射裂縫[2]。因此，提高下面層瀝青混合料的抗裂性能是延緩或避免反射裂縫產(chǎn)生或發(fā)展的重要途徑之一[3-4]。本文提出采用橡膠瀝青制備瀝青穩(wěn)定碎石，并通過增大橡膠瀝青用量的方法，進一步提高其抗裂、抗疲勞性能。同時，采用平衡設(shè)計法原理設(shè)計富橡膠瀝青穩(wěn)定碎石混合料，并對其抗疲勞性能進行了研究。

瀝青混合料的抗疲勞開裂性能評價方法有很多種，包括單軸拉伸疲勞試驗[5]、小梁三點/四點彎曲試驗[6-8]、半圓試件彎曲試驗(SCB)[9-11]、Overlay Tester試驗[12]等，但尚未統(tǒng)一標準。考慮到半剛性基層開裂后，瀝青面層在行車荷載的作用下在半剛性基層裂縫處會產(chǎn)生剪切作用，而目前很少有針對瀝青穩(wěn)定碎石抗剪切疲勞性能的研究。所以，為了更好地模擬基層出現(xiàn)裂縫后下面層受剪切作用產(chǎn)生的疲勞破壞，選用雙面剪切疲勞試驗來研究富橡膠瀝青ATB-25的抗疲勞開裂性能。通過對不同大油石比下的橡膠瀝青ATB-25混合料進行車轍試驗和雙面剪切疲勞試驗，確定橡膠瀝青的摻量；并研究其抗剪切疲勞性能隨應力比的變化，建立P-S-N型剪切疲勞方程。

1 試驗材料與方案

1.1 橡膠瀝青的制備

基質(zhì)瀝青采用70A#瀝青，技術(shù)指標見表1。

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標類別針入度(25 ℃,5 s,100 g)/0.1 mm針入度指數(shù)軟化點/℃10 ℃延度/cm15 ℃延度/cm60 ℃動力黏度/(Pa·s)閃點/℃含蠟量/%溶解度/%相對密度(25 ℃)TFOT后質(zhì)量變化/%殘留針入度比(25 ℃)/%殘留延度(10 ℃)/cm規(guī)范要求60～80-0.3747≥20≥100≥180≥260≤2.2≥99.5實測±0.8≥63≥6試驗結(jié)果71-1.5～1≥4685>1502202902.199.831.0430.1666.8

橡膠粉選用60目橡膠粉。配制橡膠粉摻量分別為18%、20%、22%的橡膠瀝青，測定各自的基本性能參數(shù)，比選后確定膠粉摻量為20%，制備摻量為20%的橡膠瀝青，其性能參數(shù)見表2。

表2 制備橡膠瀝青的技術(shù)指標針入度(25 ℃,5 s,100 g)/0.1 mm軟化點/℃5°延度/cm15°延度/cm180 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度/(Pa·s)43.470.114.215.44.63

1.2 富橡膠瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25混合料的級配

配制富橡膠瀝青ATB-25混合料的粗、細集料均為石灰?guī)r碎石，填料為石灰?guī)r磨細的礦粉。合成級配采用某依托工程實際采用的級配(見表3)，設(shè)計空隙率為4%，油石比為3.6%。

為確定富橡膠瀝青ATB的橡膠瀝青用量，制備了不同油石比(3.2%、3.6%、4.0%、4.4%、4.8%)的橡膠瀝青ATB-25試件，參照平衡設(shè)計法的理念[13-15]，分別按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(T 0719—2011)進行車轍試

表3 富橡膠瀝青ATB-25級配項目通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075級配上限100100806862524032251814106級配下限—90604842322015108532合成級配10092.267.558.348.639.726.219.815.512.510.37.14.9

驗[16]和雙面剪切疲勞試驗，雙面剪切疲勞試驗溫度選擇為15 ℃，加載波形為正弦波，頻率為10 Hz，采用應力控制模式，根據(jù)最大剪切應力1.94 MPa進行0.5應力比的雙面剪切疲勞試驗。然后根據(jù)不同油石比橡膠瀝青ATB-25混合料的高溫抗車轍性能和抗剪切疲勞性能,綜合決定橡膠瀝青的用量為4.4%。

圖1為油石比對橡膠瀝青ATB-25的動穩(wěn)定度和剪切疲勞壽命的影響。在試驗選用的油石比范圍內(nèi)，橡膠瀝青ATB-25的剪切疲勞壽命隨油石比的增大而增大，且增大幅度較為明顯，表明通過增大油石比提高瀝青混合料的抗裂性能是有效的。因此，綜合考慮穩(wěn)定度指標和疲勞壽命指標，最終確定富橡膠瀝青ATB-25的油石比為4.4%。

圖1 油石比對橡膠瀝青ATB-25動穩(wěn)定度和剪切疲勞壽命的影響

2 試驗結(jié)果分析

2.1 富橡膠瀝青ATB-25的抗剪切疲勞性能

成型車轍板試件，將其切割成300 mm×80mm×80 mm梁式試件，采用自制雙面剪切儀(如圖2所示)進行單向加載的雙面剪切疲勞試驗。

圖2 雙面剪切疲勞試驗(單位：mm)

該儀器由底座、左右兩塊固定鋼板和螺栓及中間一塊加載鋼板組成。該裝置將梁式試件分成左、中、右等長的3部分，通過加載鋼板對試件中部進行均勻加載，在試件中部的兩側(cè)截面處產(chǎn)生剪切效應，由此形成雙面剪切。

雙面剪切疲勞試驗采取控制應力的循環(huán)加載模式，先確定ATB-25梁式試件的雙面抗剪強度，以此作為剪切疲勞試驗的控制強度，然后進行應力比分別為0.3、0.4、0.5、0.6條件下的疲勞試驗。加載頻率為10 Hz，加載速率為50 mm/min，加載波形采用正弦波，試驗溫度為15 ℃，以小梁試件完全破壞為標準。每個應力比制作3個平行試件。實測各試件的剪切疲勞壽命見表4。

表4 富橡膠瀝青ATB-25梁式試件的雙面剪切疲勞壽命剪切強度/MPa不同應力比下疲勞壽命Nf/次0.30.40.50.67 8923 4221 2199601.948 3313 6731 4881 0248 8463 7911 6731 248

圖3為應力比對富橡膠瀝青疲勞壽命的影響，從圖中可以看出：應力比對富橡膠瀝青ATB-25的疲勞壽命具有顯著影響，應力比增大，其疲勞壽命大幅減小。

圖3 應力比對富橡膠瀝青ATB-25疲勞壽命的影響

2.2 考慮失效概率的雙面剪切疲勞方程

考慮到富橡膠瀝青ATB-25剪切疲勞壽命試驗結(jié)果(見表4和圖3)離散性較大，若采用常見的應力-疲勞壽命(S-N)方程來表征其應力和疲勞壽命的關(guān)系，精度較差(通常只有50%左右的保證率)[17-18]。因此，采用統(tǒng)計學中的威布爾分布(Weibull distribution)模型[19]對疲勞試驗結(jié)果進行分析，建立包含失效概率P的概率型(P-S-N型)疲勞方程。

對兩參數(shù)威布爾分布函數(shù)[30]進行整理可得：

(1)

Y=αX-β

(2)

對表4中的數(shù)據(jù)進行計算，得到各應力比的回歸系數(shù)如表5所示。

表5 不同應力比下4.4%油石比ATB-25的回歸系數(shù)應力比SαβR20.313.74124.50.990 50.414.863122.240.9780.54.907 736.1460.993 50.65.408 238.1560.880 1

將表5中不同應力比的雙參數(shù)威布爾概率分布參數(shù)α、β代入式(2)，可計算出富橡膠瀝青ATB-25試件在不同失效概率P下的等效疲勞壽命(見表6)。

表6 不同失效概率下ATB-25梁式試件的等效疲勞壽命應力比S以下失效概率P下的等效疲勞壽命0.050.10.20.30.40.50.36 9397 3137 7237 9918 2038 3870.43 0553 2073 3733 4813 5663 6400.58639991 1641 2811 3781 4660.66697648789581 0241 083

對表6中的數(shù)據(jù)采用雙對數(shù)方程(見式3)進行回歸，可得不同失效概率下應力比S與疲勞壽命N之間的回歸系數(shù)(見表7)。

lgN=a-blgS

(3)

式中：a、b為回歸系數(shù)。

表7 不同失效概率下應力-疲勞壽命方程回歸系數(shù)回歸系數(shù)以下失效概率P下的應力-疲勞壽命方程回歸系數(shù)0.050.100.200.300.400.50a3.008 13.060 13.114 33.148 23.174 23.196 2b3.608 23.462 03.309 53.214 23.141 23.079 2R20.964 80.970 70.976 70.980 20.982 80.984 8

表7中的系數(shù)a、b是關(guān)于失效概率P的函數(shù)，對其分別進行擬合，得到包含失效概率P的抗剪切疲勞方程如式(4)所示。

lgN=(-0.765 2P2+0.811 7P+2.977 6)-

(2.151 7P2-2.282 5P+3.693 9)lgS

(4)

3 結(jié)語

以實際工程采用的ATB-25配合比為基礎(chǔ)，制備不同高橡膠瀝青含量的橡膠瀝青ATB-25，通過車轍試驗和雙面剪切疲勞試驗，確定了富橡膠瀝青ATB-25的橡膠瀝青用量；然后對制備的富橡膠瀝青ATB-25進行了不同應力比下的雙面剪切疲勞試驗，并對試驗結(jié)果進行了統(tǒng)計分析，建立了概率型的疲勞方程。取得的具體成果如下：

1)綜合油石比對其高溫抗車轍性能和抗剪切疲勞性能的影響，確定橡膠瀝青的摻量為4.4%。

2)油石比和應力比對橡膠瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25抗剪切疲勞壽命具有顯著影響，且油石比對剪切疲勞壽命的影響程度比應力比更大。

3)疲勞數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明ATB-25梁式試件的剪切疲勞壽命符合雙參數(shù)威布爾分布。建立了富橡膠瀝青ATB-25含失效率P的P-S-N型剪切疲勞壽命方程：lgN=(-0.765 2P2+0.811 7P+2.977 6)-(2.151 7P2-2.282 5P+3.693 9)lgS。