郭德盛

（贵州路桥集团有限公司,贵州 贵阳 550004）

0 引言

沥青路面凭借稳定性高、舒适、平整、降噪、耐磨等优点，在高速公路建设中应用广泛。但近年来随着交通压力的日益增大，部分运营中的高速公路产生了不同程度的路面裂缝，在行车荷载及外界环境共同影响下，路面强度大幅度下降，严重影响道路使用性能[1-2]。该文通过静载试验及动载疲劳试验对ATB-25、AC-25 型沥青混合料、水稳碎石及水泥乳化沥青碎石4 种基层材料实施抗裂性能分析，得出各种材料在行车荷载作用下的抗裂状况，为今后沥青道路设计及施工提供帮助。

1 原材料性质

对试验中涉及的所有集料相关指标实施检测，完全符合规范要求；矿粉为磨细石灰岩，洁净、干燥、粒径适合，相关性能指标满足试验要求；水泥采用普通硅酸盐水泥，其性能指标检测数据如表1 所示；沥青选择SBS 改性沥青及中裂乳化沥青，其性能指标检测数据如表2、表3 所示。

表1 普通硅酸盐水泥性能指标检测值

表2 SBS 改性沥青性能指标检测值

表3 乳化沥青性能指标检测值

2 配合比设计

ATB-25 型、AC-25 型沥青混合料及水稳碎石矿料级配如表4 所示。分别对ATB-25、AC-25 型沥青混合料实施配合比试验，得出其用油量依次为3.5%和4.4%。对该级配条件下水稳碎石实施最佳含水量及干密度试验，得出其水泥用量为5%。

水泥乳化沥青碎石配比根据表4 中水稳碎石级配标准执行。其具体组成包含阳离子乳化沥青、普通水泥及外加剂等，其中外加剂有减水剂、增稠剂及消泡剂几种类型[3-4]。水泥乳化沥青碎石各成分含量如表5 所示，水泥剂量为基准1，水泥与乳化沥青总体含量为6%。

表4 ATB-25、AC-25 沥青混合料和水泥稳定碎石的矿料级配 /%

表5 水泥乳化沥青碎石的配比 /%

3 试件成型

根据最新实施的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》《公路工程无机结合料试验规程》，先后制备ATB-25、AC-25、水稳碎石、水泥乳化沥青碎石等各种材料的车辙板试件，其具体规格为30 cm×30 cm×5 cm。

因水稳类材料龄期达到28 d 后其强度基本处于稳定状态，因此该试验在水稳碎石试件及水泥乳化沥青碎石试件龄期达到28 d 后，再将试件裁剪成规格为30 cm×7 cm×5 cm 的梁式构件。

4 试验方案

在温度为25 ℃环境中，采用电液伺服疲劳机对梁式构件实施静载试验和动载疲劳试验。

4.1 静载试验

为保证梁式构件固定牢靠，避免试验过程中出现滑移，最大限度确保试验结果准确性、有效性，专业定制梁式构件固定夹具，其标准设计图如图1；上部螺栓主要用于固定梁式试件，防止出现纵横向移动。下部螺栓采用高强螺栓，主要作用是实现夹具与机器操作平台的可靠连接；荷载作用压头采用直径2 cm、长度为10 cm 的圆柱，其顶部通过螺栓与试验设备固定在一起。在梁式构件底面设置2 块厚10 cm 的钢板，并间隔1 cm 距离，用以模拟底部裂缝。

图1 试验夹具设计图

对梁式构件实施三点弯曲试验。通过移动试验设备，一次性破坏检测构件，严格控制试验机移动速度，以0.833 3 cm/s 为宜[5]。设备荷载随时间变化出现先增后降的变化趋势，其峰值记作P。

4.2 动载疲劳试验

动载疲劳试验主要目的是通过疲劳荷载作用，对各种材料的梁式构件实施抗裂性能检测[6]。该试验通过0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 五种级别的应力标准，对各种材料构件实施动载疲劳试验，其加载频率以10 Hz 为标准，等同于车速在60～65 km/h 状态下形成的加载频率。具体加载情况见图2。

图2 加载波形示意图

疲劳试验时，对处理合格的梁式构件实施固定，确保牢固、可靠，并准确调整加载压头位置，使其位于裂缝正上方。加载波形为半正弦波，其载荷峰值为静载试验得到的最大破坏荷载P与应力标准系数μ的乘积。当梁式构件出现开裂时，记为初裂次数N1；当裂缝贯穿时，记为终裂次数N2。

5 试验结果及分析

5.1 静载试验

根据各种材料构件类型，将各构件分为三组，并分别实施静载试验，获得各组最大破坏荷载值，并求出均值P，具体试验结果见表6。

表6 试件静载试验结果

通过表6 试验数据能够看出，水泥乳化沥青碎石破坏荷载最大，水稳碎石次之，ATB-25 型沥青混合料最小；水稳碎石类基层材料抗变形能力显著高于沥青类材料。

5.2 动载疲劳试验

以静载试验得出的各种材料最大破坏荷载P与应力水平系数μ的乘积作为半正弦波形最大荷载，并依次实施动载试验。各组取5 件梁式构件，分别得出各种材料构件出现疲劳裂缝的平均初裂与终裂次数N1、N2，其具体结果如表7 所示。

表7 试件动载疲劳试验结果

对动载疲劳试验得出的各种材料构件试验结果进行整合，依次获得各材料N1和N2与应力水平µ之间的关系曲线，具体如图3 所示。

通过图3 能够看出：

图3 4 种材料N1、N2 随µ的变化关系

（1）在相同荷载作用条件下，AC-25 型沥青混合料构件初裂与终裂次数最大，ATB-25 型沥青混合料次之，水稳碎石试件最小。

（2）通过初裂、终裂次数变化关系曲线能够看出，AC-25、ATB-25 构件在荷载作用下出现初裂后，经多次加载波形其裂缝逐渐贯穿整个梁式构件，持续时间较长，而水泥乳化沥青稳定碎石及水稳碎石梁式构件初裂产生后，较短时间内裂缝便迅速贯穿整个梁式构件，并且随着水泥用量的增大，对构件终裂次数影响更加明显，裂缝发展更加迅速[7]。

（3）通过力学性能分析可知，沥青混合料属柔性材料，当遭受竖向荷载作用时，荷载由基层顶部逐步向底层扩散，且随着深度的增大其荷载作用逐渐减弱，显著降低基层底部裂缝产生概率，防止裂缝产生[8-9]。

（4）水稳类材料属于半刚性材料，当上部遭受荷载作用时，基层顶部与底部同步承受荷载作用，且底部荷载作用显著高于顶部[10]。由此可知，沥青类基层抗裂性能显著高于水稳碎石类。

6 结论

该文通过静载试验及动载疲劳试验，分别对ATB-25型沥青混合料、AC-25 型沥青混合料、水稳碎石及水泥乳化沥青碎石4 种基层材料进行抗裂性能研究。得出如下结论：

（1）通过静载试验得出4 种材料最大破坏荷载关系，水泥乳化沥青碎石破坏荷载最大，水稳碎石次之，ATB-25 型沥青混合料最小；水稳碎石类基层材料抗变形能力显著高于沥青类材料。

（2）通过对比分析发现，沥青类基层材料抗开裂性能显著优于水稳碎石类，且AC-25 型沥青混合料抗开裂性能最强，ATB-25 型沥青材料次之。

（3）通过初裂、终裂次数变化情况分析可知，水泥用量对沥青类材料终裂次数影响较小，对碎石类材料影响较大，且随着水泥用量的增大，碎石类构件终裂次数显著增大，裂缝发展明显加快。