沥青稳定碎石抗疲劳性能研究

杨小斌，张素兰，贾水彩

(1.焦作市公路管理局规划勘察设计院;2.漯河市泰赢路桥工程有限公司)

1 原材料及级配组成

1.1 沥青

研究采用70#沥青，其技术性能指标如表1。粗、细集料和填料均采用石灰岩加工而成，其性能技术指标均符合要求。

1.2 级配组成

选择《规范》中ATB-30，ATB-25，采用 Superpave设计法设计SUP-25和SUP-30和贝雷法设计级配BLF-25和BLF-30六种级配作为试验级配，如表2。

表1 沥青性能指标

表2 试验级配

2 试验方法

研究采用三分点加载方法，应力控制的弯曲疲劳试验方法对六种级配进行抗疲劳性能研究。对新拌沥青混合料采用轮碾方法成型300 mm×300 mm×100 mm尺寸的板状试件，切割为40mm×40mm×250 mm的梁形试件。采用美国产MTS闭环液压伺服系统试验机进行试验，整个试验过程可通过程序进行控制，试验数据由计算机自动采集。试验控制温度为15℃，在恒温水箱中保温1 h，采用应力控制方式，三分点施加频率为10 Hz的半正弦波形重复荷载。

3 数据分析

根据不同疲劳应力和疲劳寿命绘制双对数坐标图，并进行线性回归，所回归直线的截距k和斜率n为材料疲劳性能的重要参数，并以此作为沥青碎石混合料抗疲劳性能参数。对六种级配的沥青碎石进行疲劳试验。

3.1 n值对比分析

六种沥青碎石的n值试验结果对比如图1，图2所示。

图1 不同混合料类型下的n值

图2 不同最大公称粒径下的n值

由图1可知，对于三种沥青碎石而言，公称粒径为31.5 mm的混合料n值大于公称粒径为26.5mm的对应值，公称粒径为31.5 mm的混合料疲劳曲线斜率较公称粒径为26.5 mm的大，故公称粒径为31.5 mm的混合料的疲劳寿命对应力水平变化最敏感，而公称粒径为26.5 mm的混合料疲劳寿命对应力水平变化敏感度较小。这主要是因为连续密级配沥青混合料中的细集料含量相对较高，沥青用量较大，故混合料的劲度模量较大，在荷载应力作用下的应变较小，疲劳破坏的次数就会增加，寿命延长，抗疲劳性能好;骨架密实结构的混合料中粗集料相互嵌挤，其劲度模量较低，在外在应力作用下其应变较大，尤其是应力水平较大时应变增加更快，故此时的疲劳曲线斜率较大，抗疲劳性能较差。

图2中的数据表明，对于公称最大粒径为26.5 mm的混合料，其 n值的由大到小排序为 ATB-25、SUP-25、BLF-25，但ATB-25与SUP-25的对应n值大小差距不大，由此可知两者的疲劳曲线斜率相当，而BLF-25的斜率较两者小，故ATB-25和SUP-25的疲劳寿命对应力水平较BLF-25敏感;对于最大公称粒径为31.5 mm的混合料，n值的由大到小为SUP-30、ATB-30、BLF-30，ATB-30与BLF-30的n值相当，而SUP-30的n值较大，与两者相比提高了约30%，故此时SUP-30混合料的疲劳对应力敏感度最大，而ATB-25和BLF-25混合料疲劳性能对应力的敏感度较小。

3.2 k值对比分析

对六种沥青碎石进行疲劳试验，分析疲劳与应力的曲线得k值试验结果对比如图3，图4所示。

图3 不同混合料类型下的k值

图4 不同最大公称粒径下的k值

图3可知，公称最大粒径对混合料的k值影响较大，公称最大粒径为31.5 mm的混合料k值大于公称最大粒径为26.5 mm的对应值，对于ATB、SUP、BLF三种不同级配设计方法，公称最大粒径为31.5 mm的k值为公称最大粒径为26.5 mm 的混合料对应值的 6.3、4.7、6.2 倍。公称粒径31.5mm混合料疲劳曲线线位较高，而公称粒径26.5 mm的混合料疲劳曲线线位较低。由此表明，较大公称粒径的混合料疲劳性能较强。

图4为不同最大公称粒径下混合料的k值，对于公称最大粒径为31.5 mm和26.5 mm的混合料而言，SUP类型混合料对应的k值较大，为ATB和BLF类型4倍以上;ATB和BLF类型混合料的k值大小相当。由于SUP类型混合料的疲劳曲线线位较高，故其疲劳性能较好，而ATB和BLF类型混合料的疲劳性能相对较小。这主要是因为SUP类型的沥青碎石混合料采用SGC的压实标准成型试件，空隙率较低，由于较大空隙率的混合料内部存在较多的潜在薄弱面，故较低的空隙率能够提高混合料的抗疲劳性能，在弯曲应力的作用下裂缝发展较慢，疲劳寿命提高。

4 影响因素方差分析

4.1 n值的方差分析

为进一步分析试验数据的规律性，对影响n值的因素进行数理统计方差分析，两种因素分别为级配类型(A)和公称最大粒径(B)，计算结果如表3。

给定显著性水平 α =25%、10%，F0.25(2，2)=3.00，F0.1(2，2)=9.0，F0.25(1，2)=2.57，F0.1(1，2)=8.53，0.25(3，2)=3.15，F0.1(3，2)=9.16，比较 FA＞ 3.00 ，FB＜2.57，FI＜3.15。依据二元方差分析的结果，级配设计方法对n值影响显著，而公称最大粒径影响较小，级配设计方法和公称最大粒径的交互作用对n值的影响不显著。

表3 n值二元方差分析表

4.2 k值的方差分析

分析级配类型(A)和公称最大粒径(B)两种因素对k值的影响，方差分析表如表4。

表4 k值二元方差分析表

给定显著性水平 α =25%、10%，F0.25(2，2)=3.00，F0.1(2，2)=9.0，F0.25(1，2)=2.57，F0.1(1，2)=8.53，F0.25(3，2)=3.15，F0.1(3，2)=9.16 比较 FA＞ 3.00 ，FB＜2.57，FI＜3.15。依据二元方差分析的结果，级配设计方法对k值影响显著，而公称最大粒径影响较小，级配设计方法和公称最大粒径的交互作用对k值的影响不显著。

5 结论

(1)沥青稳定碎石混合料抗疲劳性能受设计方法影响较大，采用Superpave法设计的混合料抗疲劳性能最好，但对应力的变化较为敏感;依据《规范》推荐的级配中值混合料抗疲劳特性与采用贝雷法设计的混合料的抗疲劳特性相当，前者略大于后者，但采用贝雷法设计的混合料对荷载应力的敏感度最小。

(2)对比不同公称最大粒径混合料的抗疲劳性能可得，最大公称沥青为31.5 mm的混合料较公称粒径为26.5 mm的混合料对应值大;粒径较小、细集料含量较高、均匀密实的混合料抗疲劳性能较好。

(3)采用二元方差分析设计方法和粒径对疲劳参数n值和k值的影响程度分析可得，设计方法对n值和k值有显著性影响，而公称最大粒径及其与设计方法的交互作用对n值和k值影响较小。

［1］ 张嘎吱，沙爱民.悬浮骨架密实结构配合比设计［J］.长安大学学报，2004，24(1):1-4.

［2］ 郝培文，徐金枝，等.应用贝雷法进行级配组成设计的关键技术［J］.长安大学学报，2004，24(6):1-6.

［3］ 陈爱文，郝培文.应用贝雷法设计和检验级配［J］.中外公路，2004，24(5):101-103.