全厚式沥青路面材料抗疲劳性能及疲劳预估模型

王其峰，吴文娟，申全军，徐钦升*，齐辉

1.山东高速集团有限公司，山东 济南 250101；2.山东省交通科学研究院，山东 济南 250102；3.山东高速集团创新研究院，山东 济南 250000

0 引言

社会经济的飞速发展使得道路交通环境和交通荷载的复杂性加剧，沥青路面疲劳损坏和永久变形问题日益严重，极大地缩短了路面使用寿命。20世纪以来，研究人员开始设计长寿命沥青路面结构[1-4]，多年的应用实践证明，全厚式沥青路面的路用性能和经济社会效益较好，应用广泛。

全厚式沥青路面是路床顶面以上各结构层(垫层除外)均采用沥青混合料铺筑的路面，研究人员从全厚式沥青路面的结构、技术体系、力学性能、综合评价等方面分析如何提高全厚式沥青路面的抗疲劳性能[5-6]。郑健龙等[7]研究长寿命路面的技术体系及关键问题；温丽娟[8]对重载交通环境下长寿命沥青材料的组成及路面性能进行试验研究；赵向敏[9]研究长寿命沥青路面结构设计的方法；张坤[10]研究全厚式沥青路面材料与力学性能的关系；郭立成等[11]基于法国路面设计方法分析全厚式沥青路面的结构性能；李涛等[12]研究了全厚式高模量沥青混凝土路面结构并进行力学分析；徐希忠[13]研究了全厚式高模量沥青路面结构与材料设计。对全厚式沥青路面的研究集中在结构设计和材料综合性能方面，因全厚式沥青路面结构组合的特殊性，其疲劳寿命是整个路面结构服役、使用年限的瓶颈，如何确保全厚式沥青路面结构在复杂恶劣的交通荷载重复作用下不产生疲劳裂缝，对选取室内沥青混合料疲劳试验参数提出了更高要求[14-17]。

本文采用室内四点弯曲疲劳试验研究全厚式沥青路面各结构层沥青混合料的抗疲劳性能，并借鉴典型疲劳预估模型，建立全厚式沥青路面的疲劳预估模型，实现对全厚式沥青路面疲劳寿命的准确评价和预估，以期为该路面结构设计及后期应用提供理论支持。

1 试验方案

1.1 全厚式沥青路面结构设计

本文依托当前高速公路中常用的、典型的全厚式沥青路面结构设计形式[18-19]，采用UTM-100万能试验机，设计不同的应变，对全厚式沥青路面各结构层混合料进行四点弯曲疲劳试验(每个应变下采集至少3个合适的试验数据)，分析评价材料的抗疲劳性能，并结合试验数据对疲劳预估模型进行修正，建立适用于全厚式沥青路面各结构层材料的疲劳预估模型。全厚式沥青路面结构组合方案如表1所示。

表1 全厚式沥青路面结构组合

①添加占沥青混合料质量0.7%的改性剂。

1.2 原材料

1)沥青胶结料

按照文献[20]要求，对全厚式沥青路面结构层SMA-13、HMAC-20、LSPM-25、AC-13F选用的SBS(I-D)改性沥青和AC-25选用的70-A基质沥青进行性能检验，结果如表2所示，检测结果均满足文献[21]的性能指标要求。

表2 沥青胶结料性能检测结果

2)集料

HMAC-20、LSPM-25、AC-25、AC-13F的集料选用优质石灰岩，SMA-13的集料选用玄武岩，矿粉为优质石灰岩磨细加工而成，粗、细集料主要技术指标均满足文献[21]要求，结果如表3、4所示。

表3 粗集料主要技术指标检测结果

表4 细集料主要技术指标检测结果

3)改性剂

改性剂选用PR Module高模量改性剂，为黑色、扁平颗粒状聚合物，粒径为1～4 mm，密度为0.912～0.965 g/cm3，熔点为140～160 ℃。

1.3 各结构层沥青混合料合成级配

按照文献[21]要求进行全厚式沥青路面各结构层混合料级配设计，并经马歇尔击实试验验证，确定SMA-13、HMAC-20、AC-25、LSPM-25及AC-13F各结构层沥青混合料合成级配及沥青质量分数，结果如表5所示(φ为筛孔直径)。

表5 全厚式沥青路面各结构层合成级配及沥青质量分数

2 试验结果及分析

2.1 疲劳寿命分析

按照文献[20]的要求，采用四点弯曲疲劳寿命试验，在20 ℃、10 Hz条件下，应变分别为0.000 2、0.000 4、0.000 6、0.000 8时验证全厚式沥青路面混合料抗疲劳性能的优劣，分析评价各结构层沥青混合料的抗疲劳性能，根据试验数据建立疲劳预估模型，并修正疲劳预估模型的参数，确立适用于全厚式沥青路面的疲劳预估模型。全厚式沥青路面各结构层沥青混合料疲劳试验结果如表6所示。

表6 全厚式沥青路面各结构层沥青混合料疲劳寿命

为了直观分析评价不同应变下全厚式沥青路面各结构层材料的疲劳寿命，将试验数据进行对数处理，绘制沥青混合料疲劳寿命与应变的关系曲线，并通过数据拟合得到不同类型沥青混合料疲劳寿命与应变的关系，如图1所示。

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图1 全厚式沥青路面各结构层沥青混合料疲劳寿命与应变的关系曲线

由图1可知：各结构层沥青混合料的疲劳寿命按由高到低的顺序依次为AC-13F、SMA-13、HMAC-20、LSPM-25、AC-25，表明AC-13F型沥青混合料的抗疲劳性能最好，可满足全厚式沥青路面抗疲劳功能层结构设计要求。AC-25型沥青混合料(采用70#沥青，空隙率为4.3%)的抗疲劳性能相对较差，与同粒径LSPM-25型沥青混合料(采用SBS改性沥青，空隙率为15.3%)相比，在应变为0.000 2时，前者的疲劳寿命约降低38.4%；在应变为0.000 4时，前者的疲劳寿命约降低28.8%；在应变为0.000 6时，其疲劳寿命约减小15.1%；在应变为0.000 8时，其疲劳寿命约降低39.5%。由图1可知：混合料的抗疲劳性能不仅与沥青种类有关，还与混合料的最大粒径有关，SBS改性沥青在提高粗粒式沥青混合料的抗疲劳性能方面更具优势。不同类型沥青混合料的疲劳寿命对应变变化的敏感性程度不同，HMAC-20高模量沥青混合料的斜率最小，AC-13F和SMA-13次之，AC-25和LSPM-25相对较大，表明HMAC-20型沥青混合料的疲劳寿命对应变变化的敏感性最小。

2.2 疲劳预估模型及其修正

根据沥青路面各结构层应变和路面结构发生破坏时荷载作用次数的关系，建立沥青混合料的基础疲劳预估模型，并将混合料模量参数、体积指标参数等因素引入模型加以修正改进。基础疲劳预估模型为

(1)

图2 修正前、后疲劳预估模型的预估疲劳寿命与实测疲劳寿命对比

选取ε、Sm、VFA及沥青混合料调整系数A为全厚式沥青路面疲劳预估模型参数，将表6数据带入式(1)，预估全厚式沥青路面各结构层沥青混合料的疲劳寿命，并将预估疲劳寿命与试验实测疲劳寿命比较，结果如图2所示。

由图2可知：基础疲劳模型预估的沥青混合料疲劳寿命与室内试验实测疲劳寿命回归的相关系数较高(R2=0.907 6)，但预估结果明显比实测结果低，表明全厚式沥青路面模型的预估精度不能满足路面设计要求，主要原因是该预测模型中涉及的沥青混合料性能各参数基于常规路面混合料测试。全厚式沥青路面结构需修正模型系数(ε、Sm、VFA对应系数分别为-3.973、-1.589、2.720)，对试验数据进行非线性回归分析，确定3个拟合参数，并在基础疲劳预估模型上添加沥青混合料调整系数A，调整沥青混合料间的差异性[22]，全厚式沥青路面各结构层沥青混合料疲劳预估模型最终拟合结果如表7所示。

表7 全厚式沥青路面各结构层沥青混合料疲劳预估模型最终拟合结果

根据拟合结果确定全厚式沥青路面疲劳预估模型

(2)

由修正后的疲劳预估模型预估全厚式沥青路面疲劳寿命，并与实测寿命比较，结果如图2所示。由图2可知：通过式(2)计算的疲劳寿命预估结果与室内试验实测结果吻合度较高，二者的相关系数R2=0.991 6，修正后的疲劳预估模型预测精度较高。因此全厚式沥青路面可采用式(2)预估疲劳寿命，可按表7选取各结构层沥青混合料的修正系数。

3 结论

1)采用沥青混合料四点弯曲疲劳寿命试验，研究分析全厚式沥青路面材料的疲劳性能和疲劳预估模型，可知全厚式沥青路面各结构层沥青混合料的抗疲劳性能按从高到低的顺序依次为AC-13F、SMA-13、HMAC-20、LSPM-25、AC-25；沥青混合料对应变变化的敏感性按从低到高的顺序为HMAC-20、SMA-13、AC-13F、LSPM-25、AC-25，HMAC-20高模量沥青混合料可有效改善其对应变变化的敏感程度。

2)沥青混合料的抗疲劳性能与沥青种类和混合料的最大粒径有关，对比同粒径AC-25(70#沥青，空隙率为4.3%)和LSPM-25(SBS改性沥青，空隙率为15.3%)沥青混合料，在低应变(0.000 2)条件下，AC-25的预估疲劳寿命比LSPM-25约降低38.4%，而在高应变(0.000 8)条件下，AC-25的疲劳寿命比LSPM-25约降低39.5%，SBS改性沥青可有效改善粗粒式沥青混合料的抗疲劳性能。

3)结合室内实测疲劳寿命，修正现有疲劳预估模型，建立预测精度更高的全厚式沥青路面疲劳预估模型，修正后的疲劳预估模型预估的混合料疲劳寿命与实测疲劳寿命的相关系数R2=0.991 6，吻合程度较高,可用来预估全厚式沥青路面的疲劳寿命。