不同压实方法成型SMA-13疲劳性能研究

倪辰秧,蒋应军,张 宇,杨迪锋

(长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西 西安 710064)

沥青玛蹄脂碎石混合料(Stone mastic asphalt,SMA)由于其良好的路用性能在路面工程中得到广泛应用[1,2];然而,随着交通量、车辆荷载和极端天气事件的增加,导致SMA路面裂缝、车辙和渗水等病害的发生,从而降低了道路的耐久性[3]。Kopylov等[4]研究了天然沸石作为SMA的稳定添加剂的可能性,提出天然沸石可以提高混合料的粘结性;郝宏伟等[5]研究了纤维类型、沥青种类和冻融循环对沥青混合料抗裂性的影响;Bindu等[6]研究了废塑料对SMA性能的影响,对其影响机理进行了阐述;Sadeghnejad等[7]评估添加纳米SiO2和TiO2作为改性剂对SMA力学性能的影响。季节等[8]采用耗散能法分析了冷再生沥青路面(Reclaimed asphalt pavement,RAP)掺量、拌和方式对热拌及温拌再生SMA疲劳性能的影响。郭利杨等[9]研究了新型木质素纤维和抗车辙剂对SMA路用性能的影响。陈兵等[10]研究了苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(Styrene butadiene styrene,SBS)改性剂对SMA路用性能的影响。上述研究可知,对SMA的研究主要集中在外掺剂和拌合方式对其性能的影响,关于成型方法对SMA性能影响的研究鲜有报道。

目前,SMA广泛采用马歇尔(Marshall)法或Superpave旋转压实(Superpave gyratory compactor,SGC)法进行设计。然而,长期的工程经验发现,Marshall法的压实标准较低,很难适应现代运输[11]。许多研究人员建议增加锤击次数,导致压实过程中骨料很容易被压碎,不仅改变级配,而且会影响其骨架结构,从而降低了试样力学性能与路面实际芯样之间的相关性[12-14]。SGC成型的试件虽然与现场芯样有很好的相关性,但由于旋转压实设备过于昂贵而难以普及[15]。因此,本文采用与现行交通标准和施工现场实际压实效果更接近的垂直振动压实法(Vertical vibration compaction method,VVCM)进行SMA设计,对比Marshall、SGC和VVCM 3种方法下SMA-13的疲劳性能,以供工程实践参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验使用沥青为韩国双龙牌SBS改性沥青,技术性质见表1。粗集料类型为玄武岩碎石,来自陕西商洛,粗集料各指标见表2。细集料类型为石灰岩机制砂,来自陕西恒宇泰建设工程有限公司,各指标见表3。矿粉为陕西商洛洛南正泰矿业有限公司生产的矿粉,其技术性质见表4。纤维类型为木质素纤维,由江苏盐城欧路华科技有限公司提供,技术性质见表5。

表1 沥青技术性质表

表2 粗集料技术性质表

表3 细集料技术性质表

表4 矿粉技术性质表

表5 纤维技术性质表

1.2 矿料级配

试验采用的SMA-13矿料级配见图1。

图1 矿料级配图

1.3 试验方案

选择间接拉伸疲劳试验评价SMA-13的疲劳性能。间接拉伸疲劳试验的试件受力状态见图2。试验仪器采用MTS810试验机,仪器、疲劳试验夹具及试件安装如图3所示。

图2 试件疲劳试验受力状态图

图3 疲劳试验设备图

基于与实际路面使用情况相吻合的原则,试验选择应力控制模式加载,该模式具有良好的测试重现性,清晰的疲劳破坏定义和可靠的精度控制。荷载作用频率选择10 Hz,荷载加载波形为半正矢正弦波形,循环特征值为0.1,选择应力水平0.3、0.4、0.5、0.6、0.7进行试验,温度为15 ℃。根据不同应力水平下的疲劳破坏次数,对不同设计方法SMA的抗疲劳性能进行评价。

2 VVCM可靠性评价

VVCM参考路面实际施工时振动压路机的压实机理及工作参数,基于室内成型试件最大程度地模拟实际施工现场的原则,并结合课题组已有研究成果[16-18]。垂直振动击实仪工作参数为工作频率37 Hz,名义幅度1.2 mm,上车系统质量108 kg,下车系统质量167 kg。试件成型时,将SMA-13装入试模,采用振动仪振动压实65 s。

2.1 体积参数

标准Marshall试件、VVCM试件体积参数测试结果见表6,包括密度ρ、空隙率(Volume of air voids,VV)、矿料间隙率(Voids in mineral aggregate,VMA)、沥青饱和度(Voids filled with asphalt,VFA)。

表6 不同类型试件体积参数表

由表6知,与标准Marshall试件相比,VVCM试件由于压实机理的改变以及压实功的增大,各体积参数指标均有较大变化,密度提高,约为标准Marshall试件的1.02倍,VV及VMA均有减小,VFA有所提高。

2.2 矿料级配

标准Marshall试件、VVCM试件压实前后级配变化如图4所示。

图4 不同成型方法试件的矿料级配变化图

由图4知,无论何种压实方法,对混合料级配均有所影响,导致各筛孔通过率增大,说明压实过程中部分粗集料被压碎。但VVCM试件的级配变化要小于Marshall试件,这是因为2种方法压实机理不同。VVCM试件成型过程中混合料受到激振力作用,集料颗粒发生相对运动,其间的摩擦力由静摩擦力转变为动摩擦力,集料之间的摩阻力减小。在一定的外力与能量作用下,VVCM相对于标准Marshall法单纯增大外力,不仅可减少颗粒相互间挤压、摩擦破坏的几率,还能使粗、细集料在运动的状态下相互填充空隙,提高密实程度,排列组合更趋合理。

2.3 力学性能

对不同方法成型的试件进行力学性能试验,试验结果见表7。表7中,包括Marshall稳定度(Marshall stability,MS),Rc为抗压强度,Ri为劈裂强度,τd为抗剪强度。

表7 不同类型试件力学性能表

由表7知,与标准Marshall试件相比,VVCM试件的各力学性能均有提高,提高幅度分别为36%、22%、29%、38%。这是因为VVCM法对混合料施加高频激振力的作用,引发集料颗粒的相对运动,互相填充从而使混合料更密实。

3 试验结果

3.1 疲劳试验

3种方法设计的SMA-13疲劳试验结果见表8。应力水平S定义为最大荷载应力与极限破坏强度之比,疲劳寿命N定义为混合料达到破坏的总荷载次数。

由表8知,不同方法设计的混合料,疲劳寿命都随应力水平的增大而逐渐降低。本文采用威布尔分布中的两参数方程对疲劳次数N与应力水平S关系进行分析,失效概率P满足疲劳方程

(1)

通过对数变换将式(1)转换为

(2)

式中:m0是形状参数,m0=(1-R)×m,t是比例参数。

将表8中的疲劳试验数据带入式(2),将得到的回归系数m0、lnt和R2列入表9。

表8 SMA-13疲劳试验数据表

表9 威布尔分布回归系数表

3.2 疲劳方程

将表9中的回归系数的值代入式(2),得到不同设计方法下,对应于不同失效概率,各应力水平的试样的等效疲劳寿命,见表10。

表10 不同失效概率下试件的等效疲劳寿命表

续表10

沥青混合料疲劳寿命N与应力水平S在双对数坐标上呈线性关系

lgN=a-blgS

(3)

式中:a、b是相关的回归系数。疲劳方程中系数a和b分别为直线的截距和斜率。疲劳寿命N随着a值增大而增加,即a值越大,混合料疲劳性能越好;系数b反映疲劳寿命受应力水平变化影响的敏感性,即b值越小,疲劳性能越好。

疲劳方程参数和相关系数见表11。根据回归系数,构造5%和50%失效概率P下的疲劳曲线如图5所示。

表11 疲劳方程参数和回归系数表

图5 3种设计方法下SMA-13的疲劳曲线图

由表11、图5知,与标准Marshall法和SGC法相比,在相同失效概率下,VVCM法设计的SMA-13系数a值较大,而系数b值较小。这表明,VVCM法设计的SMA-13有更好的疲劳性能。

3.3 疲劳寿命分析

计算不同方法设计的SMA-13在S=0.45时的疲劳寿命,见表12。根据经验,车辆荷载作用在沥青路面上所产生的拉应力不会超过0.45[19],因此,本文采用S=0.45对不同方法设计的混合料进行疲劳寿命分析。NM、NS、NV分别代表3种方法设计的SMA-13在S=0.45时的疲劳寿命。

表12 采用不同方法设计的试样的疲劳寿命比较表

由表12知,在应力水平S=0.45时,VVCM法设计的SMA-13疲劳寿命较标准Marshall法最少提高了33%,较SGC法最少提高了9%。即与标准Marshall法和SGC法相比,VVCM法设计的SMA-13具有更好的抗疲劳性能。

3种设计方法相比,VVCM法对混合料中沥青用量的要求较低,从而降低了VV,提高了VFA和密实度。研究表明,在一定的合理范围内,随着VFA的增加,疲劳性能逐渐提高。同时,密实度和空隙率对疲劳寿命的影响也非常显著。较低的空隙率有利于防止水分进入路面结构,并能将水对路面的破坏控制在最低限度。相关研究表明,当路面结构空隙率足够低时,即使在荷载作用下,也能保证混合料内部不会出现动水压力,最大限度地防止路面结构的水损害疲劳。因此,混合物的空隙率越高,相应的疲劳寿命就越低。振动成型SMA具有较高的密度和较低的空隙率,因而具有较好的疲劳性能。振动成型保证SMA-13内部粗骨料相互嵌挤形成更好的骨架,玛蹄脂分布密实,整体结构和强度更加均匀,避免了试件在重复荷载的不断作用下由于局部不均匀出现裂缝而使混合料迅速破坏。综上,VVCM设计的SMA-13有更强的抵挡破坏的能力,能有效减少混合料内部的裂缝发展,故能承受更多次数的荷载作用,因此疲劳性能更好。

4 结束语

本文通过间接拉伸疲劳试验评价混合料的疲劳性能,应用威布尔分布建立疲劳方程,对比研究了不同成型方法对SMA-13疲劳性能的影响,结果表明:

(1)不同方法设计的SMA-13疲劳寿命均服从双参数威布尔分布,建立不同方法设计SMA-13的疲劳方程可以准确预估其疲劳寿命。

(2)压实方法对SMA疲劳性能影响显著,与标准Marshall法和SGC法相比,VVCM方法设计的SMA-13有更好的疲劳性能。表现在当失效概率相同时,通过VVCM方法设计的SMA-13的系数a较大,而系数b较小。

(3)在应力水平S=0.45时,VVCM法设计的SMA-13疲劳寿命较标准Marshall法至少提高33%,较SGC法至少提高9%,说明VVCM设计SMA-13可以有效提高其疲劳寿命。