瀝青面層雙層攤鋪混合料疲勞性能

楊永紅，任亞鵬，王選倉，楊育生，路 楊

（1.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；3.陜西交通建設集團公司，陜西 西安 710075）

雙層攤鋪技術是將兩層瀝青層一次攤鋪完成的新型施工技術.與傳統單層攤鋪相比，其具有有效改善層間黏結狀況、減少攤鋪過程中的瀝青溫度散失、節(jié)省施工時間、優(yōu)化路面結構以及節(jié)約建設費用等優(yōu)點.

目前，雙層攤鋪技術已在瑞典、荷蘭等國家應用，中國洛商高速等也鋪筑了試驗工程.相對于傳統施工方法，其研究較為薄弱，同時雙層攤鋪情況下瀝青混合料的抗疲勞性能研究在國內尚屬空白［1－3］.本文通過瀝青混合料小梁彎曲試驗和疲勞試驗，對比分析了傳統單層攤鋪與雙層攤鋪對瀝青混合料彎曲性能和疲勞性能的影響.

1 雙層攤鋪層間應力分布規(guī)律

1.1 層間有限元計算模型建立

雙層一體攤鋪技術通過熱結合工藝，提高了路面層間黏結性能.為了評價層間黏結性能對瀝青混合料疲勞性能的影響，建立了瀝青路面三維有限元模型，分析了層間完全光滑接觸、半連續(xù)接觸及完全連續(xù)接觸3種狀態(tài)下的路面力學響應［4－5］.試驗路面結構示意圖如圖1所示.

圖1 試驗路面結構示意圖Fig.1 Sketch of pavement structure of experimental road（size：mm）

采用8結點等參單元C3D8R 進行應力分析，層間接觸狀態(tài)見表1.邊界條件假設：底面固定，左右兩面沒有x 方向位移，前后兩側沒有y 方向位移.

表1 不同工況對應的層間接觸狀態(tài)Table 1 Contact state between layers corresponding to different working conditions

為了滿足計算要求，同時保證計算結果收斂，本文選取計算模型尺寸為5m×6m×5m.根據實際情況進行建模，加載示意圖如圖2所示.為了保證與實際情況一致，對模型進行條件假設，由于路面兩端基本沒有力學響應，可設為自由端，同時對水平方向位移進行約束，并對路基底面所有位移進行約束.

圖2 加載示意圖Fig.2 Loading diagram

圖3 加載有限元網格示意圖Fig.3 Finite element mesh of loading

圖3為加載有限元網格示意圖.本文對加載部位網格進行加密處理，網格尺寸0.003m，兩端最大網格尺寸為0.3m.試算表明：采用這種局部加密的網格剖分方法對道路結構應力分析產生的影響很小，但能大量節(jié)省計算機資源，提高運算速率.參考文獻［6－8］確定了有限元模型相關參數，并在劃分網格后的模型上施加標準荷載，完成了道路三維有限元模型的建立，計算參數如表2 所示，其中E 為彈性模量，υ為泊松比.

表2 材料計算參數表Table 2 Material calculation parameter

1.2 層間計算結果分析

傳統施工工藝下，由于施工污染、黏結層撒布不均勻等問題，路面層間很難保證處于完全連續(xù)接觸狀態(tài).因此，本文將路面層間分為完全光滑接觸、半連續(xù)接觸及完全連續(xù)接觸3種狀態(tài)［9－10］，對上中面層層間計算結果進行提取分析，結果如圖4～6所示.

圖4 完全光滑接觸條件下層間水平應力分布Fig.4 Horizontal stress distribution under smooth contract condition

圖5 半連續(xù)接觸條件下層間水平應力分布Fig.5 Horizontal stress distribution under semicontinuous contact condition

圖6 完全連續(xù)接觸條件下層間水平應力分布Fig.6 Horizontal stress distribution under continuous contact condition

由圖4可見，當層間為完全光滑接觸狀態(tài)（摩擦系數為0）時，路面水平應力沿深度方向呈增長趨勢；當路面深度為10cm 以上時，水平應力影響消失；上中面層層間部位水平應力發(fā)生突變，其上部受拉、下部受壓，最大水平應力值為0.13MPa.

由圖5可見，當層間為半連續(xù)接觸狀態(tài)（摩擦系數為0.5）時，路面水平應力沿深度方向呈增長趨勢；當路面深度為12cm 以上時，水平應力影響消失；上中面層層間部位水平應力發(fā)生突變，其上部受拉、下部受壓，最大水平應力值為0.08MPa.

由圖6可見，當層間為完全連續(xù)接觸狀態(tài)（摩擦系數為1.0）時，路面水平應力沿深度方向呈增長趨勢；當路面深度為12cm 以上時，水平應力影響消失；上中面層層間部位水平應力發(fā)生突變，其上部受拉、下部受壓，最大水平應力值為0.04MPa.

通過比較3種接觸工況下層間應力計算分析可知，當層間黏結狀態(tài)為完全連續(xù)接觸、半連續(xù)接觸時、較完全光滑接觸時，上面層水平應力逐漸增加.由此可見，層間接觸狀態(tài)的薄弱，會造成道路結構中水平應力增大，進而導致道路出現推移、擁包等病害.

通過上述有限元模型層間應力分布理論，可知雙層一體攤鋪技術因熱結合工藝，而使層間黏結狀態(tài)為完全連續(xù)接觸，因而顯著提高了路面層間的黏結性能，進而提高了瀝青混合料的抗疲勞性能.

2 小梁彎曲試驗

近年來，國內外學者采用現象學方法對瀝青混合料疲勞性能的影響因素進行了廣泛研究，也有學者從理論角度提出了不同的瀝青混合料疲勞模型和疲勞方程.這些研究為提高瀝青混合料的疲勞性能、延長瀝青路面使用壽命打下基礎，然而在疲勞試驗過程中，由于試驗方法、試件尺寸和荷載參數等不一致，使得試驗結果差異很大，因此瀝青混合料疲勞性能的研究仍有待深入.

本文從瀝青路面攤鋪方式的角度考慮，進行室內小梁彎曲試驗和疲勞試驗，對比分析單層攤鋪與雙層攤鋪對瀝青混合料彎曲疲勞性能的影響.

2.1 試件制作

根據JTG E20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》碾壓成型250mm×300mm×50mm 車轍板.車轍板成型完成后，隔日脫模，在切割機上切割成250mm×30mm×50mm 的瀝青混合料小梁.試驗規(guī)程規(guī)定的試件尺寸為250mm×30mm×35mm，考慮到雙層攤鋪路面厚度，試件高度定為50mm，跨徑200mm.1塊寬為300mm 的車轍板可切制8 個小梁試件.小梁彎曲試驗在MTS 電子萬能材料試驗機上進行，試驗溫度15 ℃，加載速率50mm／min，試驗數據自動記錄.

2.1.1 輪碾成型方法

將預熱的試模從烘箱中取出，裝上試模框架；在試模中鋪1張裁好的普通紙，使試模底面及側面均被紙隔離；將拌好的瀝青混合料用小鏟均勻地沿試模由外至內轉圈裝入試模，中部略高于四周.啟動輪碾機，先朝一個方向碾壓2個往返，卸載，再將試件調轉方向進行碾壓，一般進行12個往返次數即可達到試驗要求.

2.1.2 模擬單層攤鋪

先加入4 950g AC－20瀝青混合料，進行30mm下面層混合料碾壓，待冷卻后，在試件表面按0.4kg／m2灑布量灑布熱SBS改性瀝青做黏層，之后再加入3 300g AC－13瀝青混合料，進行20mm上面層混合料碾壓.

2.1.3 模擬雙層攤鋪

雙層梁在實驗室預制過程中，采用熱接熱方式進行試件預制.先將4 950g AC－20瀝青混合料裝入試模，放入烘箱內保溫，下面層制作完成后，在控制好溫度的前提下，再將3 300g AC－13瀝青混合料放入原先保溫的試模中，一次性雙層碾壓瀝青混合料，從而減小溫度散失對雙層梁試件層間結合強度的影響，保證雙層梁的抗彎拉強度.

按照試驗路不同面層結構，需制作2種棱柱體小梁試件，如表3所示.

表3 試件類型Table 3 Specimen type

每種方案需3個試件，試驗共需6個試件.

2.2 試驗方法

按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，進行小梁跨中單點加載彎曲試驗，得到單層攤鋪與雙層攤鋪下試件的荷載－撓度曲線圖及試件破壞時的勁度模量.

2.3 試驗結果分析

相應的數據計算公式如下：

式中：Rb為彎拉強度，MPa；εb為彎拉應度；Sb為勁度模量，MPa；b 為跨中斷面試件寬度，mm；h 為跨中斷面試件高度，mm；L 為試件跨徑，mm；Pb為試件破壞時的最大荷載，N；d 為試件破壞時的跨中撓度，mm.

試驗結果按試驗數據的離散程度進行棄差處理，當每組試驗的有效試件為3根時，棄差標準為：當1組試件的測定值中某個測定值與平均值之差大于標準差的1.15倍時，該次試驗數據應予以舍棄.經計算處理后得出的試驗數據如表4所示.

表4 小梁彎曲試驗數據Table 4 Experimental data of beam bending

在原方案和方案1中選擇典型試件試驗結果進行對比，得出荷載－撓度曲線對比圖，如圖7所示.

圖7 小梁彎曲試驗荷載－撓度曲線對比圖Fig.7 Load－deformation curves comparison chart of beam bending test

由圖7可知，雙層攤鋪情況下瀝青混合料小梁可承受較高的荷載值，而且試件破壞時的極限彎拉應變得到了提升.這說明雙層攤鋪形式可提高瀝青的彎曲性能，從而提高路面的承載能力.單層攤鋪時，瀝青混合料小梁彎拉強度均值為5.142 MPa，彎拉應變均值為0.023 60，勁度模量均值為217.59MPa；雙層攤鋪時，瀝青混合料小梁彎拉強度均值為6.596MPa，彎拉應變均值為0.029 65，勁度模量均值為222.40 MPa，分別較單層攤鋪提高28.3%，25.4%，2.2%.

3 小梁疲勞試驗

通過測定瀝青混合料小梁承受重復彎曲荷載的疲勞壽命，對比分析單層攤鋪與雙層攤鋪對瀝青混合料疲勞性能的影響［4－5］.

3.1 試驗方案

采用跨中加載小梁疲勞試驗評價單層攤鋪與雙層攤鋪對瀝青混合料疲勞性能的影響.試驗設備為瀝青混合料彎曲試驗機，加載方式為三點跨中加載，跨徑200 mm；控制方式為應力控制；加載頻率10Hz；加載波形為正弦波，為避免長時間加載可能出現試件脫空，造成對試件的沖擊作用，試驗設置正弦波荷載的最小荷載為最大荷載的2%；試驗溫度為15℃；疲勞破壞判斷標準為瀝青混合料小梁裂縫迅速發(fā)展，承載能力迅速下降.

根據瀝青混合料小梁的破壞強度，按表3所示的2種方案，各選擇0.3，0.4，0.5，0.6 和0.7 這5種應力比，每種應力比2 個平行試件，共計20 個試件.

3.2 雙層瀝青混合料小梁疲勞方程

根據瀝青混合料疲勞理論，在應力控制疲勞試驗中，應力與疲勞壽命成雙對數線性關系，疲勞方程形式為：

式中：Nf為疲勞壽命；lg k 為疲勞壽命對數曲線的截距；n為疲勞壽命對數曲線的斜率；σ為彎拉應力；k，n為通過試驗確定的參數［9－10］.

根據瀝青混合料小梁試件抗疲勞試驗結果，從小梁變形破壞情況來看，選擇單層攤鋪及雙層攤鋪這2種方案下典型小梁試件的疲勞試驗結果，如表5所示.

表5 典型小梁試件試驗結果Table 5 Test results of typical beam specimen

根據萬能材料試驗機記錄的試驗數據，擬合出單層攤鋪時瀝青混合料小梁的疲勞壽命方程為lg Nf＝4.34－0.286lgσ；雙層攤鋪時瀝青混合料小梁的疲勞壽命方程為lg Nf＝4.53－2.95lgσ.

選擇典型試件的疲勞方程圖進行分析，如圖8，9所示.由圖8，9可知，應力水平與疲勞壽命之間在雙對數坐標下滿足良好的線性關系；應力水平對疲勞壽命有顯著影響，隨著應力水平的提高，瀝青混合料的疲勞壽命逐漸降低；疲勞曲線在y 軸上的截距值a，反映了疲勞曲線線位的高低，a值越大，疲勞曲線線位越高，混合料疲勞性能越好.由圖8，9可見，單層攤鋪情況下，a 值為4.34，雙層攤鋪情況下，a值為4.48，這說明相對單層攤鋪，雙層攤鋪可提高瀝青混合料的疲勞壽命.

圖8 單層攤鋪瀝青混合料雙對數疲勞曲線Fig.8 Double logarithm fatigue curve of single－layer paving asphalt mixture

圖9 雙層攤鋪瀝青混合料雙對數疲勞曲線Fig.9 Double logarithm fatigue curve of double－layer paving asphalt mixture

雙層攤鋪較傳統單層攤鋪在不同應力水平下疲勞壽命的提高值如表6所示.

表6 不同應力水平下疲勞壽命提高值Table 6 Fatigue life increase value under different stress levels

4 結論

（1）傳統施工工藝下，由于施工污染，黏結層撒布不均勻等問題，路面層間很難保證完全連續(xù)接觸狀態(tài)，而層間接觸狀態(tài)的薄弱，會造成道路結構中水平應力增大，進而造成道路推移、擁包等病害.雙層攤鋪技術在提高瀝青路面層間黏結效果的同時，還提高了層間混合料的嵌擠咬合能力，使兩層混合料形成一個整體的復合式路面結構層，進而提高了瀝青混合料的抗疲勞性能.

（2）傳統單層攤鋪情況下，瀝青混合料小梁彎拉強度為5.142MPa，彎拉應變?yōu)?.023 60，勁度模量為217.59MPa.雙層攤鋪情況下，瀝青混合料小梁彎拉強度為6.596MPa，彎拉應變?yōu)?.029 65，勁度模量為222.39 MPa，分別較傳統單層攤鋪提高28.3%，25.4%和2.2%.

（3）根據瀝青混合料小梁疲勞試驗結果，得出了雙層攤鋪較傳統單層攤鋪在不同應力水平下的疲勞壽命提高值.

［1］王選倉，穆柯，王朝輝.瀝青路面雙層攤鋪技術研究［J］.筑路機械與施工機械化，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］許志鴻，李淑明，高英.瀝青混合料疲勞性能研究［J］.交通運輸工程學報，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.柔性基層瀝青路面疲勞性能及設計方法研究［D］.南京：東南大學，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，黃曉明.瀝青混合料應變疲勞性能的試驗研究［J］.交通運輸工程學報，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.瀝青路面基面層粘結材料與性能研究［D］.西安：長安大學，2006.WANG Zhengwen.Research on the coherent material and properties of asphalt pavement［D］.Xi'an：Chang'an Unisersity，2006.（in Chinese）

［7］黃寶濤，廖公云，張靜芳.半剛性基層瀝青路面層間接觸臨界狀態(tài)值的計算方法［J］.東南大學學報：自然科學版，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］張東.基于內聚力模型的瀝青路面斷裂研究［D］.南京：東南大學，2010.ZHANG Dong.Study of low temperature cracking of asphalt pavement based on cohesive zone model［D］.Nanjing：Southeast University，2010.（in Chinese）

［9］趙名泮.應變疲勞分析手冊［M］.北京：科學出版社，1987：23－26.ZHAO Mingpan.Strain fatigue analysis handbook［M］.Beijing：Science Press，1987：23－26.（in Chinese）

［10］周傳月，鄭紅霞，羅慧強.MSC Fatigue疲勞分析應用與實例［M］.北京：科學出版社，2005：34－35.ZHOU Chuanyue，ZHENG Hongxia，LUO Huiqiang.MSC fatigue analysis applications and examples［M］.Beijing：Science Press，2005：34－35.（in Chinese）