沥青面层双层摊铺混合料疲劳性能

杨永红，任亚鹏，王选仓，杨育生，路 杨

（1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.陕西交通建设集团公司，陕西 西安 710075）

双层摊铺技术是将两层沥青层一次摊铺完成的新型施工技术.与传统单层摊铺相比，其具有有效改善层间黏结状况、减少摊铺过程中的沥青温度散失、节省施工时间、优化路面结构以及节约建设费用等优点.

目前，双层摊铺技术已在瑞典、荷兰等国家应用，中国洛商高速等也铺筑了试验工程.相对于传统施工方法，其研究较为薄弱，同时双层摊铺情况下沥青混合料的抗疲劳性能研究在国内尚属空白［1－3］.本文通过沥青混合料小梁弯曲试验和疲劳试验，对比分析了传统单层摊铺与双层摊铺对沥青混合料弯曲性能和疲劳性能的影响.

1 双层摊铺层间应力分布规律

1.1 层间有限元计算模型建立

双层一体摊铺技术通过热结合工艺，提高了路面层间黏结性能.为了评价层间黏结性能对沥青混合料疲劳性能的影响，建立了沥青路面三维有限元模型，分析了层间完全光滑接触、半连续接触及完全连续接触3种状态下的路面力学响应［4－5］.试验路面结构示意图如图1所示.

图1 试验路面结构示意图Fig.1 Sketch of pavement structure of experimental road（size：mm）

采用8结点等参单元C3D8R 进行应力分析，层间接触状态见表1.边界条件假设：底面固定，左右两面没有x 方向位移，前后两侧没有y 方向位移.

表1 不同工况对应的层间接触状态Table 1 Contact state between layers corresponding to different working conditions

为了满足计算要求，同时保证计算结果收敛，本文选取计算模型尺寸为5m×6m×5m.根据实际情况进行建模，加载示意图如图2所示.为了保证与实际情况一致，对模型进行条件假设，由于路面两端基本没有力学响应，可设为自由端，同时对水平方向位移进行约束，并对路基底面所有位移进行约束.

图2 加载示意图Fig.2 Loading diagram

图3 加载有限元网格示意图Fig.3 Finite element mesh of loading

图3为加载有限元网格示意图.本文对加载部位网格进行加密处理，网格尺寸0.003m，两端最大网格尺寸为0.3m.试算表明：采用这种局部加密的网格剖分方法对道路结构应力分析产生的影响很小，但能大量节省计算机资源，提高运算速率.参考文献［6－8］确定了有限元模型相关参数，并在划分网格后的模型上施加标准荷载，完成了道路三维有限元模型的建立，计算参数如表2 所示，其中E 为弹性模量，υ为泊松比.

表2 材料计算参数表Table 2 Material calculation parameter

1.2 层间计算结果分析

传统施工工艺下，由于施工污染、黏结层撒布不均匀等问题，路面层间很难保证处于完全连续接触状态.因此，本文将路面层间分为完全光滑接触、半连续接触及完全连续接触3种状态［9－10］，对上中面层层间计算结果进行提取分析，结果如图4～6所示.

图4 完全光滑接触条件下层间水平应力分布Fig.4 Horizontal stress distribution under smooth contract condition

图5 半连续接触条件下层间水平应力分布Fig.5 Horizontal stress distribution under semicontinuous contact condition

图6 完全连续接触条件下层间水平应力分布Fig.6 Horizontal stress distribution under continuous contact condition

由图4可见，当层间为完全光滑接触状态（摩擦系数为0）时，路面水平应力沿深度方向呈增长趋势；当路面深度为10cm 以上时，水平应力影响消失；上中面层层间部位水平应力发生突变，其上部受拉、下部受压，最大水平应力值为0.13MPa.

由图5可见，当层间为半连续接触状态（摩擦系数为0.5）时，路面水平应力沿深度方向呈增长趋势；当路面深度为12cm 以上时，水平应力影响消失；上中面层层间部位水平应力发生突变，其上部受拉、下部受压，最大水平应力值为0.08MPa.

由图6可见，当层间为完全连续接触状态（摩擦系数为1.0）时，路面水平应力沿深度方向呈增长趋势；当路面深度为12cm 以上时，水平应力影响消失；上中面层层间部位水平应力发生突变，其上部受拉、下部受压，最大水平应力值为0.04MPa.

通过比较3种接触工况下层间应力计算分析可知，当层间黏结状态为完全连续接触、半连续接触时、较完全光滑接触时，上面层水平应力逐渐增加.由此可见，层间接触状态的薄弱，会造成道路结构中水平应力增大，进而导致道路出现推移、拥包等病害.

通过上述有限元模型层间应力分布理论，可知双层一体摊铺技术因热结合工艺，而使层间黏结状态为完全连续接触，因而显著提高了路面层间的黏结性能，进而提高了沥青混合料的抗疲劳性能.

2 小梁弯曲试验

近年来，国内外学者采用现象学方法对沥青混合料疲劳性能的影响因素进行了广泛研究，也有学者从理论角度提出了不同的沥青混合料疲劳模型和疲劳方程.这些研究为提高沥青混合料的疲劳性能、延长沥青路面使用寿命打下基础，然而在疲劳试验过程中，由于试验方法、试件尺寸和荷载参数等不一致，使得试验结果差异很大，因此沥青混合料疲劳性能的研究仍有待深入.

本文从沥青路面摊铺方式的角度考虑，进行室内小梁弯曲试验和疲劳试验，对比分析单层摊铺与双层摊铺对沥青混合料弯曲疲劳性能的影响.

2.1 试件制作

根据JTG E20—2011《公路沥青及沥青混合料试验规程》碾压成型250mm×300mm×50mm 车辙板.车辙板成型完成后，隔日脱模，在切割机上切割成250mm×30mm×50mm 的沥青混合料小梁.试验规程规定的试件尺寸为250mm×30mm×35mm，考虑到双层摊铺路面厚度，试件高度定为50mm，跨径200mm.1块宽为300mm 的车辙板可切制8 个小梁试件.小梁弯曲试验在MTS 电子万能材料试验机上进行，试验温度15 ℃，加载速率50mm／min，试验数据自动记录.

2.1.1 轮碾成型方法

将预热的试模从烘箱中取出，装上试模框架；在试模中铺1张裁好的普通纸，使试模底面及侧面均被纸隔离；将拌好的沥青混合料用小铲均匀地沿试模由外至内转圈装入试模，中部略高于四周.启动轮碾机，先朝一个方向碾压2个往返，卸载，再将试件调转方向进行碾压，一般进行12个往返次数即可达到试验要求.

2.1.2 模拟单层摊铺

先加入4 950g AC－20沥青混合料，进行30mm下面层混合料碾压，待冷却后，在试件表面按0.4kg／m2洒布量洒布热SBS改性沥青做黏层，之后再加入3 300g AC－13沥青混合料，进行20mm上面层混合料碾压.

2.1.3 模拟双层摊铺

双层梁在实验室预制过程中，采用热接热方式进行试件预制.先将4 950g AC－20沥青混合料装入试模，放入烘箱内保温，下面层制作完成后，在控制好温度的前提下，再将3 300g AC－13沥青混合料放入原先保温的试模中，一次性双层碾压沥青混合料，从而减小温度散失对双层梁试件层间结合强度的影响，保证双层梁的抗弯拉强度.

按照试验路不同面层结构，需制作2种棱柱体小梁试件，如表3所示.

表3 试件类型Table 3 Specimen type

每种方案需3个试件，试验共需6个试件.

2.2 试验方法

按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，进行小梁跨中单点加载弯曲试验，得到单层摊铺与双层摊铺下试件的荷载－挠度曲线图及试件破坏时的劲度模量.

2.3 试验结果分析

相应的数据计算公式如下：

式中：Rb为弯拉强度，MPa；εb为弯拉应度；Sb为劲度模量，MPa；b 为跨中断面试件宽度，mm；h 为跨中断面试件高度，mm；L 为试件跨径，mm；Pb为试件破坏时的最大荷载，N；d 为试件破坏时的跨中挠度，mm.

试验结果按试验数据的离散程度进行弃差处理，当每组试验的有效试件为3根时，弃差标准为：当1组试件的测定值中某个测定值与平均值之差大于标准差的1.15倍时，该次试验数据应予以舍弃.经计算处理后得出的试验数据如表4所示.

表4 小梁弯曲试验数据Table 4 Experimental data of beam bending

在原方案和方案1中选择典型试件试验结果进行对比，得出荷载－挠度曲线对比图，如图7所示.

图7 小梁弯曲试验荷载－挠度曲线对比图Fig.7 Load－deformation curves comparison chart of beam bending test

由图7可知，双层摊铺情况下沥青混合料小梁可承受较高的荷载值，而且试件破坏时的极限弯拉应变得到了提升.这说明双层摊铺形式可提高沥青的弯曲性能，从而提高路面的承载能力.单层摊铺时，沥青混合料小梁弯拉强度均值为5.142 MPa，弯拉应变均值为0.023 60，劲度模量均值为217.59MPa；双层摊铺时，沥青混合料小梁弯拉强度均值为6.596MPa，弯拉应变均值为0.029 65，劲度模量均值为222.40 MPa，分别较单层摊铺提高28.3%，25.4%，2.2%.

3 小梁疲劳试验

通过测定沥青混合料小梁承受重复弯曲荷载的疲劳寿命，对比分析单层摊铺与双层摊铺对沥青混合料疲劳性能的影响［4－5］.

3.1 试验方案

采用跨中加载小梁疲劳试验评价单层摊铺与双层摊铺对沥青混合料疲劳性能的影响.试验设备为沥青混合料弯曲试验机，加载方式为三点跨中加载，跨径200 mm；控制方式为应力控制；加载频率10Hz；加载波形为正弦波，为避免长时间加载可能出现试件脱空，造成对试件的冲击作用，试验设置正弦波荷载的最小荷载为最大荷载的2%；试验温度为15℃；疲劳破坏判断标准为沥青混合料小梁裂缝迅速发展，承载能力迅速下降.

根据沥青混合料小梁的破坏强度，按表3所示的2种方案，各选择0.3，0.4，0.5，0.6 和0.7 这5种应力比，每种应力比2 个平行试件，共计20 个试件.

3.2 双层沥青混合料小梁疲劳方程

根据沥青混合料疲劳理论，在应力控制疲劳试验中，应力与疲劳寿命成双对数线性关系，疲劳方程形式为：

式中：Nf为疲劳寿命；lg k 为疲劳寿命对数曲线的截距；n为疲劳寿命对数曲线的斜率；σ为弯拉应力；k，n为通过试验确定的参数［9－10］.

根据沥青混合料小梁试件抗疲劳试验结果，从小梁变形破坏情况来看，选择单层摊铺及双层摊铺这2种方案下典型小梁试件的疲劳试验结果，如表5所示.

表5 典型小梁试件试验结果Table 5 Test results of typical beam specimen

根据万能材料试验机记录的试验数据，拟合出单层摊铺时沥青混合料小梁的疲劳寿命方程为lg Nf＝4.34－0.286lgσ；双层摊铺时沥青混合料小梁的疲劳寿命方程为lg Nf＝4.53－2.95lgσ.

选择典型试件的疲劳方程图进行分析，如图8，9所示.由图8，9可知，应力水平与疲劳寿命之间在双对数坐标下满足良好的线性关系；应力水平对疲劳寿命有显著影响，随着应力水平的提高，沥青混合料的疲劳寿命逐渐降低；疲劳曲线在y 轴上的截距值a，反映了疲劳曲线线位的高低，a值越大，疲劳曲线线位越高，混合料疲劳性能越好.由图8，9可见，单层摊铺情况下，a 值为4.34，双层摊铺情况下，a值为4.48，这说明相对单层摊铺，双层摊铺可提高沥青混合料的疲劳寿命.

图8 单层摊铺沥青混合料双对数疲劳曲线Fig.8 Double logarithm fatigue curve of single－layer paving asphalt mixture

图9 双层摊铺沥青混合料双对数疲劳曲线Fig.9 Double logarithm fatigue curve of double－layer paving asphalt mixture

双层摊铺较传统单层摊铺在不同应力水平下疲劳寿命的提高值如表6所示.

表6 不同应力水平下疲劳寿命提高值Table 6 Fatigue life increase value under different stress levels

4 结论

（1）传统施工工艺下，由于施工污染，黏结层撒布不均匀等问题，路面层间很难保证完全连续接触状态，而层间接触状态的薄弱，会造成道路结构中水平应力增大，进而造成道路推移、拥包等病害.双层摊铺技术在提高沥青路面层间黏结效果的同时，还提高了层间混合料的嵌挤咬合能力，使两层混合料形成一个整体的复合式路面结构层，进而提高了沥青混合料的抗疲劳性能.

（2）传统单层摊铺情况下，沥青混合料小梁弯拉强度为5.142MPa，弯拉应变为0.023 60，劲度模量为217.59MPa.双层摊铺情况下，沥青混合料小梁弯拉强度为6.596MPa，弯拉应变为0.029 65，劲度模量为222.39 MPa，分别较传统单层摊铺提高28.3%，25.4%和2.2%.

（3）根据沥青混合料小梁疲劳试验结果，得出了双层摊铺较传统单层摊铺在不同应力水平下的疲劳寿命提高值.

［1］王选仓，穆柯，王朝辉.沥青路面双层摊铺技术研究［J］.筑路机械与施工机械化，2012，29（1）：24－27.WANG Xuancang，MU Ke，WANG Chaohui.Double－layer paving technology of asphalt pavement［J］.Road Machinery＆ Construction Mechanization，2012，29（1）：24－27.（in Chinese）

［2］许志鸿，李淑明，高英.沥青混合料疲劳性能研究［J］.交通运输工程学报，2001，1（1）：20－24.XU Zhihong，LI Shuming，GAO Ying.The fracture analysis of asphalt mixture［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2001，1（1）：20－24.（in Chinese）

［3］LUO Hui，ZHU Hongping，HAO Xinzhou.Semi－rigid basecourse asphalt pavement under the temperature and tire load［C］∥Advances in Structural Engineering—Theory and Applications.Beijing：Science Press，2006：2045－2050.

［4］朱洪洲.柔性基层沥青路面疲劳性能及设计方法研究［D］.南京：东南大学，2005：50－56.ZHU Hongzhou.The fracture analysis and design methods of flexible base asphalt pavement［D］.Nanjing：Southeast University，2005.（in Chinese）

［5］葛折圣，黄晓明.沥青混合料应变疲劳性能的试验研究［J］.交通运输工程学报，2002，2（1）：1－4.GE Zhesheng，HUANG Xiaoming.The fracture analysis of asphalt mixture［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2002，2（1）：1－4.（in Chinese）

［6］王正文.沥青路面基面层粘结材料与性能研究［D］.西安：长安大学，2006.WANG Zhengwen.Research on the coherent material and properties of asphalt pavement［D］.Xi'an：Chang'an Unisersity，2006.（in Chinese）

［7］黄宝涛，廖公云，张静芳.半刚性基层沥青路面层间接触临界状态值的计算方法［J］.东南大学学报：自然科学版，2007，37（4）：666－670.HUANG Baotao，LIAO Gongyun，ZHANG Jingfang.Analytical method of interlayer cintact fettle in semi－rigid base bituminous pavement［J］.Journal of Southeast University：Natural Science，2007，37（4）：666－670.（in Chinese）

［8］张东.基于内聚力模型的沥青路面断裂研究［D］.南京：东南大学，2010.ZHANG Dong.Study of low temperature cracking of asphalt pavement based on cohesive zone model［D］.Nanjing：Southeast University，2010.（in Chinese）

［9］赵名泮.应变疲劳分析手册［M］.北京：科学出版社，1987：23－26.ZHAO Mingpan.Strain fatigue analysis handbook［M］.Beijing：Science Press，1987：23－26.（in Chinese）

［10］周传月，郑红霞，罗慧强.MSC Fatigue疲劳分析应用与实例［M］.北京：科学出版社，2005：34－35.ZHOU Chuanyue，ZHENG Hongxia，LUO Huiqiang.MSC fatigue analysis applications and examples［M］.Beijing：Science Press，2005：34－35.（in Chinese）