沥青混合料粗集料抗疲劳性能

李沛洪

(长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410114)

沥青混合料粗集料抗疲劳性能

李沛洪

(长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410114)

为研究AC-13沥青混合料在重复荷载下各挡粗集料的抗疲劳性能，提出反映各挡粗集料特性的沥青混合料等效基体(AC-9.5、AC-4.75、AC-2.36、AC-1.18)概念；通过疲劳过程等效基体的开裂特性，分析各挡集料的抗疲劳能力。建立疲劳过程Miner线性损伤模型，设计不同应力水平的劈裂强度试验和疲劳试验,得出各等效基体劈裂抗拉强度和疲劳寿命。依据损伤模型与疲劳寿命结果，划分沥青混合料及其等效基体不同损伤程度(20%～80%)的疲劳作用次数；定义裂纹贯穿比例，分析不同应力水平等效基体随损伤程度的裂纹贯穿变化规律。结果表明： 9.5～13.2 mm集料和4.75～9.5 mm集料对提高AC-13沥青混合料抗疲劳性能的作用大于2.36～4.75 mm和13.2～16 mm集料；通过提高4.75～13.2 mm集料的质量分数可以提高沥青混合料的抗疲劳性能,但提高13.2～16 mm和2.36～4.75 mm集料的质量分数对提高抗疲劳性能作用不明显。

道路工程；沥青混合料；等效基体；集料特性；疲劳开裂性能

沥青混合料是由多种粒径的集料、沥青、外加剂等经过加热拌合并压实成型的路面材料。密级配沥青混合料(AC型)的空隙率较低，适用于上面层；半开级配(AM型)或开级配(ATPB型)沥青混合料的粒径和空隙较大，适用于下面层。不同级配类型沥青混合料表现出不同的技术特点，如抗车辙、抗疲劳特性等。沥青路面疲劳开裂是路面损坏的常见形式[1-2]，沥青混合料在车辆荷载作用下集料与沥青的粘结能力降低、集料松散、破损等影响路面正常使用[3-4]。本文研究沥青混合料级配差异对疲劳开裂的影响程度[5-7]，优化各挡集料配合比，从而提高沥青混合料的抗疲劳性能。

1 沥青混合料等效基体级配特征

不同级配类型的沥青混合料表现出不同的材料属性。通过改变集料的质量分数研究沥青混合料的抗疲劳性能，提出沥青混合料等效基体的思想。研究等效基体的意义在于评估集料抗疲劳性能的能力。本文选用密级配沥青混合料AC-13，等效基体命名原则以公称最大粒径确定，所以选定四类等效基体，分别为AC-9.5、AC-4.75、AC-2.36、AC-1.18。表1为AC-13沥青混合料及其等效基体的级配特征。

2 劈裂疲劳试验分析

疲劳性能是指沥青混合料在反复荷载作用下抵抗破坏的能力[8-9]。劈裂疲劳试验[10-11]使圆柱体试件处于二维应力状态，该种受力状态相似于车辆荷载作用于沥青面层的状态，所以选用劈裂疲劳试验研究沥青混合料疲劳性能[12]。

2.1定义劈裂疲劳过程损伤

疲劳试验过程中荷载对沥青混合料试件进行重复作用，每一次荷载对沥青混合料造成一定的损伤。借助数学模型定义每一次荷载损伤，Miner损伤模型是沥青混合料疲劳损伤常用模型，假设每一次荷载作用对沥青混合料产生的损伤相同[13-14]，即损伤是线性演化，表达式为：

d=l/Nf，

(1)

式中：d为每一次作用损伤值；Nf为疲劳寿命，次。

表1 沥青混合料及不同等效基体通过不同边长筛孔的质量分数 %

2.2设计劈裂疲劳试验

级配差异使AC-13沥青混合料及等效基体(AC-9.5、AC-4.75、AC-2.36、AC-1.18)劈裂强度和疲劳寿命各不相同[15]。为使疲劳过程每一次荷载对各类沥青混合料产生的损伤一致，对疲劳试验方案分3步进行：1)测定AC-13沥青混合料及其等效基体的劈裂抗拉强度；2)确定应力控制模式下劈裂疲劳试验应力水平值(0.3，0.4，0.5，0.6),并计算疲劳荷载；3)记录各沥青混合料及其等效基体随疲劳作用次数的竖向变形及疲劳寿命。

2.3劈裂疲劳试验结果

采用疲劳试验测定沥青混合料及其等效基体劈裂抗拉强度及不同应力水平疲劳寿命[16]，如表2所示。

表2 沥青混合料及其等效基体试验结果

图1 沥青混合料及其等效基体疲劳过程变化趋势

由表2得各类沥青混合料疲劳过程曲线如图1所示。

3 劈裂疲劳开裂研究

3.1损伤程度

疲劳损伤从第一次荷载作用开始不断地累积,当疲劳作用次数达到试件疲劳寿命Nf时，试件完全破坏不能承受任何荷载。按照Miner线性损伤理论定义损伤程度S为疲劳作用次数与疲劳寿命之比，表达式为：

S=N/Nf，

(2)

式中：N为疲劳荷载作用次数；Nf为疲劳寿命。

依据式(2)可反算相应损伤程度的疲劳作用次数N，并通过CT扫描得出相应的裂纹扩展状态[17-18]。本文定义的损伤程度为20%～80%。沥青混合料及其等效基体不同损伤程度的疲劳作用次数见表3。

表3 沥青混合料及其等效基体不同损伤程度疲劳作用次数

3.2疲劳裂纹贯穿率

沥青混合料试件(Φ101.6 mm×63.5 mm)安装于夹具内，上下圆弧形压头附近材料受竖向压力作用，受到拉伸的区域主要集中于试件圆心区域。在疲劳荷载重复作用时，上下压头对圆柱体侧面进行重复荷载作用容易导致压头位置沥青混合料松散开裂从而加快裂纹扩展。劈裂疲劳试验沥青混合料破坏状态如图2所示。

图2 劈裂破坏状态 图3 裂纹贯穿状态

为清晰还原不同疲劳损伤状态裂纹的扩展规律，量化疲劳过程裂纹扩展情况，定义裂纹贯穿比例G，裂纹贯穿状态如图3所示。裂纹贯穿率表达式为：

G=(L1+L2+L3)/D，

式中：L1为上压头裂纹竖直长度，mm；L2为圆心区域延伸的裂纹竖直长度，mm；L3为下压头裂纹竖直长度，mm；D为圆柱体直径，D=101.6 mm。

4 沥青混合料及其等效基体疲劳开裂分析

列举AC-13和AC-4.75在不同损伤程度的内部裂纹扩展CT图[19-20]如图4、5所示。

图4 不同损伤程度AC-13的CT图 图5 不同损伤程度AC-4.75的CT图

4.1不同损伤程度的裂纹贯穿规律

在不同应力水平条件下测定沥青混合料及其等效基体裂纹贯穿长度计算裂纹贯穿率。不同应力水平下的贯穿率变化趋势如图6所示。由图6可得：

1)在4种不同应力水平下，距AC-13变化曲线最近的是AC-9.5曲线，AC-9.5等效基体的公称最大粒径是9.5 mm且不存在13.2～16 mm；根据AC-13与AC-9.5贯穿率变化曲线的对比可评价13.2～16 mm集料对AC-13沥青混合料的抗疲劳能力。根据AC-9.5的级配特点，AC-9.5等效基体在没有13.2～16 mm集料的情况下仍能与AC-13贯穿率曲线接近，说明13.2～16 mm集料对AC-13沥青混合料抗疲劳的作用不明显，其原因是AC-13中13.2～16 mm集料的质量分数小于10%，含量较少的13.2～16 mm集料对沥青混合料抗疲劳性能贡献不大。

a)应力水平为0.3 b)应力水平为0.4

c)应力水平为0.5 d)应力水平为0.6图6 不同应力水平时贯穿率的变化趋势

2)在各个应力水平中AC-1.18贯穿率曲线第二靠近AC-13曲线，AC-1.18是评价2.36～4.75 mm集料抗疲劳性能的等效基体，从贯穿率变化趋势可得2.36～4.75 mm集料对沥青混合料抗疲劳程度大于13.2～16 mm集料，但小于9.5～13.2 mm集料和4.75～9.5 mm集料；2.36～4.75 mm集料填充沥青混合料大粒径骨料之间空隙,而且传递骨料之间荷载作用，所以对提高沥青混合料抗疲劳性能并不明显。

3)从AC-4.75(评价9.5～13.2 mm集料的等效基体)和AC-2.36(评价4.75～9.5 mm集料的等效基体)贯穿率变化趋势表明：4.75～13.2 mm范围的集料对AC-13沥青混合料抗疲劳作用明显。从表1可知，AC-13沥青混合料中4.75～13.2 mm粒径集料的质量分数为34%， 4.75～13.2 mm集料在沥青混合料中构成了骨架，抵抗外界重复荷载作用。当4.75～13.2 mm集料的质量分数降低时会导致沥青混合料抗疲劳性能下降。

4)应力水平越高,各类沥青混合料贯穿率亦高，但沥青混合料及等效基体贯穿率变化曲线靠近程度不变，所以提高应力水平不能改变集料对AC-13沥青混合料的抗疲劳性能，即各挡集料对沥青混合料抗疲劳性能是材料本身属性决定而与荷载作用无关。

4.2级配优化后沥青混合料疲劳性能验证

为使AC-13具有更优的抗疲劳性能，增加9.5～13.2 mm集料和4.75～9.5 mm集料的质量分数，减少13.2～16 mm集料的质量分数，提出3种优化方案，优化方案级配设计如表4所示。

表4 沥青混合料优化级配设计 %

图7 优化后疲劳寿命变化规律

通过劈裂疲劳试验绘制优化后沥青混合料疲劳曲线，如图7所示。

由图7优化后的沥青混合料疲劳寿命变化趋势得出：优化方案1、2都增加2.36～13.2 mm集料的质量分数同时减少13.2～16 mm集料的质量分数，2个方案的疲劳寿命高于原级配方案。优化方案3减少13.2～16 mm集料并增加4.75～13.2 mm集料，其抗疲劳性能优于其方案1、2。该现象说明AC-13沥青混合料各挡集料的抗疲劳性能是不相同的，而且抗疲劳性能较好的集料集中在4.75～13.2 mm范围内。

5 结论

1)AC-13沥青混合料粗中9.5～13.2 mm和4.75～9.5 mm集料对沥青混合料抗疲劳性能大于2.36～4.75mm和13.2～16 mm集料；说明9.5～13.2 mm和4.75～9.5 mm集料在沥青混合料内部结构中起骨架、承受外部荷载以及传递荷载的作用，而2.36～4.75 mm集料的作用体现在填充大粒径骨料的空隙，同时13.2～16 mm集料起骨架作用但由于其质量分数较少使其抗疲劳作用不明显。

2)级配优化试验验证了提高9.5～13.2 mm及4.75～9.5 mm集料的质量分数有利于提高AC-13沥青混合料的疲劳寿命，说明抗疲劳性能较好的集料集中在4.75～13.2 mm范围内。

3)本文定性研究集料差异对疲劳性能的影响并得出各集料间疲劳影响程度关系，但未从材料属性如集料菱角性、集料体积、集料强度刚度、沥青与集料粘附性等的力学特性考虑，若能从理论上推导集料性质与抗疲劳性能的关系则更具实用意义。

[1]沈洪涛,赵树青,王晓平.一种评价沥青混合料疲劳性能的简单试验方法[J].公路工程,2016,41(3):151-153. SHEN Hongtao,ZHAO Shuqing,WANG Xiaoping.A simple method for evaluate fatigue performance of asphalt mixture[J].Highway Engineering,2016,41(3):151-153.

[2]黄卫东,郑茂,黄明.多种沥青混合料疲劳性能的比较[J].建筑材料学报,2015,18(6):1089-1094. HUANG Weidong,ZHENG Mao,HUANG Ming.Fatigue performance comparison of various kinds of asphalt mixture[J].Journal of Building Materials,2015,18(6):1089-1094.

[3]黄明,温学钧,黄卫东,等.不同设计目标下沥青混合料的疲劳性能[J].同济大学学报(自然科学版),2016,44(4):572-579. HUANG Ming,WEN Xuejun,HUANG Weidong,et al.Fatigue performance of asphalt mixtures with different design goals[J].Journal of Tongji University(Natural Science),2016,44(4):572-579.

[4]吕松涛,陈杰.基于加速加载试验的沥青混合料刚度衰变规律研究[J].公路交通科技,2016,33(5):1-6. LYU Songtao,CHEN Jie.Study on stiffness decay regularity of asphalt mixture based on accelerated loading test[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2016,33(5):1-6.

[5]郑健龙,吕松涛.沥青混合料非线性疲劳损伤模型[J].中国公路学报,2009,22(5):21-28 ZHENG Jianlong,LYU Songtao.Nonlinear fatigue damage model for asphalt mixtures[J].China Journal of Highway and Transport,2009,22(5):21-28.

[6]栾利强,田小革.沥青混合料疲劳损伤的非线性分析[J].建筑材料学报,2012,15(4):508-512. LUAN Liqiang,TIAN Xiaoge.Non-linear analysis of fatigue damage of asphalt mixture[J].Journal of Building Materials,2012,15(4):508-512.

[7]李波,李涛,滕旭秋,等.基于集料分形特征的沥青混合料配合比设计[J].武汉理工大学学报,2008,30(12):50-53. LI Bo,LI Tao,TENG Xuqiu,et al.Mix design method for asphalt mixtures based on the fractal characteristic of aggregate[J].Jounal of Wuhan University of Technology,2008,30(12):50-53.

[8]吕松涛,郑健龙.宽应力比条件下的沥青混合料疲劳特性：改进的S-N模型[J].公路交通科技,2011,28(8):1-6. LYU Songtao,ZHENG Jianlong.Fatigue properties of asphalt mixtures under broad stress ratio conditions: improved S-N model[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2011,28(8):1-6.

[9]PROWELL B.Estimate of fatigue shift factors between laboratory tests and field performance[J].Transportation Research Record,2010,2181:117-124.

[10]马林,张肖宁.基于间接拉伸试验模式的沥青混合料动态模量[J].华南理工大学学报(自然科学版),2008,36(10):86-91. MA Lin,ZHANG Xiaoning.Dynamic modulus of asphalt mixture based on indirect tensile test mode[J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2008,36(10):86-91.

[11]邱延峻,闫常赫,艾长发.非均质沥青混合料劈裂试验全过程数值模拟[J].交通运输工程学报,2009,9(2):12-16. QIU Yanjun,YAN Changhe,AI Changfa.Numerical simulation of split test process for asphalt mixture under heterogeneous state[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2009,9(2):12-16.

[12]姚莉莉,王选仓.沥青混合料劈裂试验的扩展有限元法数值模拟[J].武汉大学学报(工学版),2011,44(6):748-751. YAO Lili,WANG Xuancang.Numerical simulation on splitting test process of asphalt mixtures based on extended finite element method[J].Engineering Journal of Wuhan University,2011,44(6):748-751.

[13]MATEOS A,AYUSO J.Shift factors for asphalt fatigue from full-scale testing[J].Transportation Research Record,2011,2225:128-136.

[14]董忠红,张扬,吕彭民.拉-压交变荷载下沥青混合料的疲劳性能[J].中国公路学报,2013,26(2):15-19. DONG Zhonghong,ZHANG Yang,LYU Pengmin.Fatigue performance of asphalt mixture under tensile-compressive alternating loading[J].China Journal of Highway and Transport,2013,26(2):15-19.

[15]RASHID K,ABU A,MASOUD K,et al.A micro-damage healing model that improves prediction of fatigue life in asphalt mixes[J].International Journal of Engineering Science,2010(48)：966.

[16]交通部公路科学研究院.公路工程沥青及沥青混合料试验规程:JTG E20—2011[S].北京:人民交通出版社,2011.

[17]石立万,王端宜,吴志勇.沥青混合料疲劳裂缝分布特性研究[J].公路,2016(7):260-264. SHI Liwan,WANG Duanyi,WU Zhiyong.Research on fatigue cracks distribution in asphalt mixture[J].Highway,2016 (7):260-264.

[18]陈俊,黄晓明.集料分布特性对混合料疲劳性能的影响分析[J].建筑材料学报,2009,12(4):442-447. CHEN Jun,HUANG Xiaoming.Research on influence of distribution characteristics of aggregate on fatigue performance of asphalt mixture[J].Journal of Building Materials,2009,12(4):442-447.

[19]胡霞光.沥青混合料微观力学分析综述[J].长安大学学报(自然科学版),2005,25(2):6-9. HU Xiaguang.Review on asphalt mixture micromechanics analysis[J].Journal of Chang′an University(Natural Science Edition),2005,25(2):6-9.

[20]MORENO C,RUBIO M.Effect of aggregate nature on the fatigue-cracking behavior of asphalt mixes[J].Materials and Design,2013,47:61-67.

ResistingFatigueAbilityAboutCoarseAggregatesofAsphaltMixture

LIPeihong

(SchoolofTrafficandTransportationEngineering,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410114,China)

In order to research the resisting fatigue property of each aggregate about AC-13 asphalt mixture in repeated loading, the concept about asphalt mixture equivalent matrix (AC-9.5, AC-4.75, AC-2.36, AC-1.18) that reflects each coarse aggregate property is put forward in this article. By means of equivalent matrix fissure characteristic in the fatigue process, the capacity of resisting fatigue of each aggregate is analyzed. The Miner linear damaged model in fatigue process is established and the splitting strength test and fatigue test with different stress levels is designed, and then the splitting tensile strength and fatigue life of each equivalent matrix is obtained. According to damaged model and fatigue life results, the article divides the asphalt mixture and its equivalent matrix fatigue action times in line with various damaged degree (20%～80%) and defines the crack traversal percentage so that it analyzes the crack traversal rule about the equivalent matrix changing with damaged degree under different stress levels. The result shows that the fatigue incidence of aggregates about 9.5～13.2 mm and 4.75～9.5 mm in AC-13 asphalt mixture is higher than that of aggregates about 2.36～4.75 mm and 13.2～16 mm. The fatigue resistance ability of asphalt mixture increases by improving the mass fraction of 4.75～13.2 mm aggregate but it is not obvious for the improvement of the fatigue resistance ability to increase the mass fraction of 13.2～16 mm and 2.36～4.75 mm aggregatese.

road engineering；asphalt mixture；equivalent matrix；aggregate property；fatigue cracking ability

U416.217；U414

：A

：1672-0032(2017)03-0074-07

(责任编辑：郎伟锋)

2016-12-06

李沛洪(1993—)，男，广州人，硕士研究生，主要研究方向为道路结构与材料,E-mail：road-engineering@foxmail.com

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.03.012