沥青混合料疲劳性能影响因素研究

■徐俊旺

（山西交通控股集团有限公司忻州南高速分公司，忻州 034015）

0 引言

道路在使用过程中，随着行车荷载和环境温度的变化次数增多，强度逐渐降低，出现疲劳破坏，影响路面的使用性能。对此，研究影响沥青混合料的疲劳性能的因素，提高沥青混合料疲劳寿命具有重要意义。黄卫东等对多种沥青混合料的疲劳性能进行了研究，ARAC-13在自愈合作用后疲劳寿命最长[1]。韦璐等研究了不同行车荷载和温度组合作用下沥青路面的疲劳性能[2]。张雷等研究发现自愈合胶囊对沥青混合料疲劳性能的影响规律[3]。敖清文等通过三点弯曲疲劳试验研究了抗车辙剂、试验参数对改性沥青混合料疲劳性能的影响规律[4]。马海涛研究了不同玄武岩掺量对沥青混合料抗疲劳性能的改善效果[5]。周志刚等基于间接拉伸疲劳试验研究了水对不同配合比和空隙率的沥青混合料的疲劳性能影响规律[6]。张宜洛等对比了不同矿料级配的沥青混合料疲劳性能[7]。以上研究主要内容是多种内部因素(材料、成型方式等)对沥青混合料的疲劳性能的影响，不同的试验条件得到的结论会有偏差，数据对比缺少说服性。因此，本文在前人研究的基础上，根据现场沥青路面受力状态拟定应力水平，在不同应力水平下对沥青混合料的疲劳性能进行三点弯曲疲劳试验研究,整理分析加载频率、矿料级配及纤维掺量对对沥青混合料的疲劳试验结果,为今后提高沥青混合料抗疲劳性能和沥青路面使用性能提供参考。

表1 SBS改性沥青沥青技术性质

1 原材料及混合料配合比

1.1 原材料

（1）沥青

结合现场施工，选用SBS改性沥青，两者技术性质见表1。

（2）粗集料

粗集料采用玄武岩，公称粒径为10～15mm、5～10mm、3～5mm。技术指标见表2。

表2 粗集料技术性质

（3）细集料

细集料选用机制砂，其技术性质见表3。

表3 细集料技术性质

（4）矿粉

矿粉技术性质见表4。

表4 矿粉技术性质

（5）外掺剂

沥青混合料SMA中掺有纤维，可增强其温度稳定性，减少温度疲劳裂缝的产生。常用的纤维有聚酯纤维、木质素纤维及矿物纤维。研究表明，木质素纤维拌和性能优良，拟选用木质素纤维，技术性质见表5。

表5 木质素纤维技术性质

1.2 配合比

查阅相关文献[8-9]，确定的AC-13两种矿料级配见表6，SMA-13矿料级配见表7。根据马歇尔配合比设计法确定的AC-13沥青混合料最佳沥青用量分别为4.7%、5.1%,SMA-13沥青混合料最佳沥青用量为5.8%。

表6 沥青混合料AC-13矿料级配

表7 沥青混合料SMA-13矿料级配

2 试验方法

2.1 试验方案

结合现场实际路面结构受力特点,采用控制应力模式,研究应力比、加载频率、矿料级配及纤维掺量4个因素对AC-13和SMA-13沥青混合料疲劳性能的影响规律[10]，采用疲劳寿命评价沥青混合料疲劳性能，疲劳寿命越大，抗疲劳性能越好；否则，反之。

（1）应力比的影响

根据现场路面行车荷载和环境因素，拟应力比为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8。

（2）加载频率的影响

根据现场道路行车速度，拟加载频率为2Hz、5Hz、10Hz、15Hz，应力比控制在 0.4、0.5、0.6。

（3）矿料级配的影响

拟选用AC-13矿料级配A型和B型及SMA-13矿料级配，应力比控制在 0.4、0.5、0.6、0.7。

（4）纤维掺量的影响

拟沥青混合料SMA-13中木质素纤维掺量为0.40%、0.45%、0.50%，应力比控制在 0.4、0.5、0.6、0.7。

2.2 试验方法

（1）制备小梁试件

按照 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中轮碾法成型车辙试件,AC-13车辙试件尺寸为300mm×300mm×40mm，相同环境下养护48h后拆模，沿试件轮碾成型方向切割成尺寸为250mm×40mm×40mm的小梁[10]。

（2）室内弯曲疲劳试验

沥青混合料疲劳性能评价指标采用疲劳寿命，疲劳寿命是指沥青混合料出现疲劳破坏时，应力重复作用次数。试验采用MTS万能材料试验装置，根据JTG E20-2011中的弯曲疲劳试验选用四点加载的加载方式，试验温度控制在15℃左右，试件15℃养护至少3h[10]。

图1 试件加载方式

3 疲劳试验结果分析

3.1 应力比

不同应力水平下AC-13和SMA-13的疲劳试验结果见表8和图2。

表8 沥青混合料疲劳试验结果

图2 沥青混合料应力比与疲劳寿命变化规律

由图2可知，不同结构类型的沥青混合料疲劳寿命随应力比的增加逐渐减少，SMA-13减少速度大于AC-13。其中，当应力比小于0.5时，随应力比增加疲劳寿命减少幅度明显，最小为33.6%；当应力比大于0.5时，疲劳寿命减少幅度逐渐降低。这说明应力水平小于0.5时，沥青混合料疲劳寿命较长；且相同应力水平下，SMA-13疲劳寿命至少是AC-13的1.4倍。

3.2 加载频率

应力比分别为0.4、0.5、0.6时，加载频率对AC-13和SMA-13疲劳性能影响的试验结果见表9和图3。

表9 不同加载频率下沥青混合料疲劳试验结果

由图3可知，在相同应力比条件下，沥青混合料疲劳寿命随加载频率的增加而逐渐增加；同一加载频率下沥青混合料随应力比增加，疲劳寿命减少幅度降低。另外，当应力水平达到一定值后，疲劳寿命受加载频率的影响较少，这说明应力比是影响沥青混合料疲劳性能的主要因素。

图3 加载频率对沥青混合料疲劳寿命影响曲线

3.3 矿料级配

应力比分别为0.4、0.5、0.6、0.7时，不同矿料级配类型的沥青混合料小梁试件的疲劳试验结果见表10和图4。

表10 不同矿料级配类型小梁试件的疲劳试验结果

由图4可知，相同试验条件下，沥青混合料AC-13（B）的疲劳寿命最长，其次为SMA-13，当应力水平小于0.6时，三种矿料级配的沥青混合料疲劳寿命减少明显；而大于0.6时，疲劳寿命相近。说明应力水平较低时，矿料级配对沥青混合料疲劳性能影响明显。

3.4 纤维掺量

应力比分别为0.4、0.5、0.6、0.7时，不同木质素纤维掺量的SMA-13小梁试件的疲劳试验结果见表11和图5。

图4 不同类型矿料级配沥青混合料疲劳寿命变化规律

表11 不同木质素纤维掺量SMA-13疲劳试验结果

图5 木质素纤维掺量对SMA-13疲劳寿命影响曲线

由图5可知，SMA中掺入木质素纤维后，其疲劳性能明显提高。其中，当木质素纤维掺量为0.45%时，SMA-13疲劳寿命最长；掺量为0.40%与0.50%时，SMA-13疲劳寿命变化曲线相近；当应力水平大于0.6时，掺木质素纤维的试件疲劳寿命逐步趋近。这说明应力水平较低时，掺木质素纤维可有效提高SMA-13的抗疲劳性能。

4 结语

通过研究应力水平、加载频率、矿料级配及纤维掺量对沥青混合料的疲劳性能的影响，可以得到以下结论：

（1）不同结构类型的沥青混合料疲劳寿命随应力比增加逐渐减少，SMA-13减少速度大于AC-13。应力水平小于0.5时，沥青混合料疲劳寿命较长；且相同应力水平下，SMA-13疲劳寿命至少是AC-13的1.4倍。

（2）在相同应力比条件下，沥青混合料疲劳寿命随加载频率的增加而逐渐增加，同一加载频率下沥青混合料随应力比增加，疲劳寿命减少幅度降低。

（3）相同试验条件下，沥青混合料 AC-13（B）的疲劳寿命最长，应力水平较低时，矿料级配对沥青混合料疲劳性能影响明显。

（4）掺木质素纤维可有效提高SMA-13的抗疲劳性能，当木质素纤维掺量为0.45%时，SMA-13疲劳寿命最长。