抗车辙剂改性沥青混合料疲劳性能试验研究

2015-10-20江元建

福建交通科技 2015年6期

关键词：加铺车辙沥青路面

■江元建

（南平市公路工程试验检测中心，南平　353000）

抗车辙剂改性沥青混合料疲劳性能试验研究

■江元建

（南平市公路工程试验检测中心，南平353000）

为研究抗车辙剂改性沥青混合料的疲劳特性，基于三点弯曲试验模拟分析了抗车辙剂掺量、车载水平、车辆速度率等因素对抗车辙剂改性沥青混合料疲劳寿命的影响规律，并与普通沥青混合料疲劳性能进行了比较。结果表明：当抗车辙剂掺量超过0.3%时，混合料疲劳寿命降低幅度明显；抗车辙剂改性沥青混合料疲劳寿命随施加应力增加而快速降低，且两者满足幂函数疲劳方程；提高加载频率，混合料的疲劳寿命随之增加，且在低应力水平下，加载频率变化引起的疲劳寿命差异更大。

沥青混合料抗车辙剂三点弯曲疲劳试验幂函数疲劳方程车辆速度

1　引言

近年来，我国交通流量不断增多，伴随有车载也日渐加重，使得车辙成为沥青路面一种主要病害形式［1］。抗车辙剂由于可大幅提高混合料的抗车辙能力，目前在新建沥青路面中得到了越来越多的应用。同时，随着我国大部分国道旧水泥路面进入大修阶段，考虑到行车的舒适性和养护维修的便利性，加铺沥青层成为一种优选的技术方案［2］。然而旧水泥路面加铺沥青层受力相对于普通沥青路面更为复杂，对加铺层用沥青混合料抗车辙能力提出了更高要求，所以可以预见抗车辙剂在旧水泥路面沥青加铺层工程中具有巨大的应用前景。

以往由于抗车辙剂改性沥青混合料主要用于沥青路面中面层，关于抗车辙剂改性沥青混合料的路用性能研究主要集中在其高温、低温和水稳定性能［3-6］，而对其疲劳性能研究较少涉及。然而在抗车辙剂改性沥青混合料广泛应用于旧水泥路面沥青加铺层中的背景下，其疲劳性能的表现已然成为一个重要关注点。这是因为，旧水泥路面往往存有一些原始裂缝，加铺沥青层前即使通过一些措施进行处理也难以完全消除，行车荷载重复作用下，在存有原始裂缝位置处沥青加铺层将受到不断的弯曲疲劳作用。基于以上问题，本文对抗车辙剂改性沥青混合料进行了三点弯曲疲劳试验，模拟分析了抗车辙剂掺量、车载水平、车辆速度等因素对抗车辙剂改性沥青混合料疲劳性能的影响规律，为抗车辙剂改性沥青混合料在旧水泥路面加铺过程中应用提供实验基础。

2　原材料与实验方法

2.1原材料

（1）沥青

试验所用沥青为A级70#沥青，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）进行相关试验，基本技术指标试验结果及要求见表1。

表1　沥青技术性质试验结果

（2）矿料

试验采用的矿料均为南平市浦城县当地石料厂提供的花岗岩和闪长岩混杂物，矿料规格分为9.5～19.0mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75mm、机制砂和矿粉，参照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）进行密度试验，试验结果及要求见表2。

表2　矿料密度试验结果

结合浦城五显岭隧道北洞口长陡坡路段沥青路面车辙处治项目对混合料抗车辙高要求，对加铺层所用混合料AC-20C的矿料级配进行了优化，最终设计沥青混合料矿料级配曲线如下图1。

图1　AC-20C矿料合成级配曲线图

（3）抗车辙剂

车辙剂由深圳海川有限公司提供，在混合料中按干法加入，具体技术指标见表3。

表3　抗车辙剂技术指标

2.2混合料马歇尔实验结果

按马歇尔设计法确定了抗车辙剂掺量分别为0%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%（占沥青混合料质量）四种掺量下AC-20C抗车辙剂改性沥青混合料的最佳油石比，各类沥青混合料在最佳油石比下的体积指标和马歇尔参数如表4所示。

表4　马歇尔试件技术指标

2.3疲劳试验方法

沥青混合料的疲劳性能关系到路面结构的使用年限，目前关于疲劳试验的方法有很多，并无统一规定，主要可分为应力控制模式与应变控制模式［7］。为评价不同抗车辙剂掺量下混合料疲劳性能受车辆荷载水平和车辆速度的影响作用，首先轮碾法成型300mm× 300mm×50mm 车辙板试件，并将车辙板切割成250mm×40mm×40mm的试验用小梁。然后应用MTS疲劳试验机在15℃下进行三点加载疲劳试验，荷载设置分别为0.2σ、0.3σ、0.4σ、0.5σ四种应力水平，施加频率分别为5Hz、10Hz、20Hz的连续式正弦波荷载。σ为五种沥青混合料在15℃下的极限破坏应力的平均值4.12MPa，由弯曲试验得到。

3　实验结果与分析

3.1实验结果

对不同抗车辙剂掺量的混合料三点弯曲疲劳试验结果汇总如表5所示。

3.2抗车辙剂用量

为分析抗车辙剂掺量对抗车辙剂改性沥青混合料疲劳性能的影响，假定普通热拌沥青混合料（抗车辙剂掺量为0）的疲劳寿命为1，计算不同抗车辙剂掺量的改性沥青混合料的相对疲劳寿命值，该值随抗车辙剂掺量的变化曲线如图2所示。

表5　三点弯曲疲劳试验结果

图2　疲劳寿命比随抗车辙剂用量变化曲线

从图2中可知，抗车辙剂改性沥青混合料疲劳寿命相对于普通沥青路面疲劳寿命比均小于1，且随着抗车辙剂用量增加都呈现持续降低趋势，表明抗车辙剂的加入会降低混合料的疲劳性能，且抗车辙剂掺量越大，混合料疲劳性能越差。进一步研究可知：抗车辙剂用量小于0.3%时，不同应力比下改性沥青混合料的疲劳寿命比均可达到90%左右，该阶段基本可忽略抗车辙剂的不利影响；但抗车辙剂用量大于0.3%后，疲劳寿命比会迅速降低，尤其在0.5%的用量下，抗车辙剂改性沥青混合料的疲劳寿命相对值均已降低至75%。所以基于疲劳性能考虑，抗车辙剂沥青混合料中RAP掺量应控制在0.3%以内，最多放宽至0.4%，在该范围内时可以最大限度地消除抗车辙剂对混合料疲劳性能带来的不利影响。混合料中加入抗车辙剂后引起疲劳寿命降低的原因大致是，抗车辙剂的加入提升了材料的刚度，而刚度变大后会使弯曲性能显著降低，以至于承受的弯曲作用疲劳次数减少。

3.3车载水平

车载越大，对路面材料产生的应力也就越大。一般在控制应力加载模式下，沥青混合料的疲劳特性可由幂函数疲劳方程（1）表征［8］，两边取对数值可得到式（2），在双对数坐标图中对试件的疲劳次数和应力水平进行回归分析，如图3所示。

式（1）、（2）中，Nf为疲劳寿命，σ0为施加应力值（0.2σ、0.3σ、0.4σ、0.5σ）；k、n为由材料特性决定的回归系数。

从图3中显然可以看出，随着应力水平提高，各混合料疲劳寿命对数值均显著降低。利用SPSS软件进行回归分析，得到混合料疲劳曲线以及方程参数如图中所示。抗车辙剂改性沥青混合料拟合曲线的相关系数R2均达到了0.97以上，说明方程拟合效果很好，抗车辙剂改性沥青混合料疲劳特性可用上述幂函数模型表征。

图3　五种沥青混合料双对数疲劳曲线拟合图

3.4车辆速度

车辆的行车速度与加载频率密切相关，通常认为当试验加载频率为10Hz时，相当于沥青路面表面 60～65km/h的行车速度，加载频率越高所模拟车辆速度也越高。为研究车辆速度对抗车辙剂改性沥青混合料疲劳性能的影响，分别在 5Hz、10Hz、20Hz下对用量为0.3%抗车辙剂的改性沥青混合料进行三点弯曲疲劳实验，得到各应力水平下疲劳寿命随加载频率的变化曲线，如图4所示。

图4　试件疲劳寿命随加载频率变化图

从图4中可以看出，在各应力水平下，试件测得的疲劳寿命均表现出随着加载频率提高而增加的趋势。且比较不同直线斜率可以看出，在0.2σ应力下直线的斜率更大，由此可以看出低应力水平下加载频率变化引起的试件疲劳寿命差异更大。加载频率越高意味着在单位时间内对时间的作用次数越多，荷载每次作用时间越短，对试件的单次损伤也就越小，所以相比于低频加载，高频加载时试件达到相同的疲劳程度需要更多的加载次数（疲劳寿命）。