不同CA比的ATB—30疲勞特性研究

馬朝鮮，李 駿，武建民

（1.陜西路橋集團有限公司，陜西 西安 710054；2.合肥市市政設計院有限公司，安徽 合肥230000；3.長安大學 教育部特殊地區公路工程重點實驗室，陜西 西安 710064）

不同CA比的ATB—30疲勞特性研究

馬朝鮮1，李 駿2，武建民3

（1.陜西路橋集團有限公司，陜西 西安 710054；2.合肥市市政設計院有限公司，安徽 合肥230000；3.長安大學 教育部特殊地區公路工程重點實驗室，陜西 西安 710064）

采用貝雷法設計了0.6、0.7、0.8、0.9四種不同CA比的ATB—30瀝青混合料，并應用于高速公路路面下面層。為了易于在施工中壓實以達到節能減排的目的，同時確保在運營時具有良好的抗變形能力以減少車轍的產生，通過SGC儀旋轉壓實成型試件，采用密實曲線斜率（K1、K2）和能量指數（CEI、TDI）分析其壓實特性，得出CA比=0.8時，ATB—30具有最優的壓實特性。通過室內小梁彎曲疲勞試驗，應用Weibull概率分布，建立并分析了不同可靠度下的P-S-N和P-σ-N疲勞預估等效方程，得出采用貝雷法設計的級配其混合料的疲勞特性優于規范中值和Superpave設計方法，同樣得出CA比=0.8的4#級配具有最好的抗疲勞特性，表明ATB—30的壓實特性與抗疲勞性能具有良好的一致性。推薦ATB—30級配設計中CA比采用0.8，以實現在施工時易于壓實，開放交通后不易產生變形并且具有良好的抗疲勞性能的目的。

ATB—30；CA比；級配設計；壓實特性；疲勞特性

0 引言

ATB—30用作路面下面層時，其結構層厚度往往較大，一般為10～12cm。因此對其進行有效的壓實是保證路面性能的前提。一方面，良好的壓實特性有助于減少施工期間的壓實機械能耗，實現節能減排；另一方面，可以使路面在運營期間具有良好的抗變形能力，有利于抑制車轍的產生[2-3]。同時，當ATB—30用作路面下面層時，其抗疲勞性能也直接影響著整個瀝青路面的使用壽命，因此受到了廣泛關注[4]。目前國內對密級配瀝青穩定碎石的研究多集中于混合料的壓實特性和疲勞特性研究：張爭奇等人研究了瀝青混合料的壓實特性及其影響因素，分析了壓實特性參數的物理意義[5]；張宇等人在室內試驗研究瀝青混合料壓實特性的基礎上，分析了不同粗集料比（Coarse Aggregate Ratio，以下簡稱CA比）的瀝青混合料壓實難易程度[6]；李漢光等人從能量角度研究了瀝青混合料的壓實特性及施工現場碾壓的遍數[7]；隆然等人基于三分點加載研究了橡膠粉摻量、級配類型等對橡膠瀝青混合料的疲勞特性的影響[8]；韋佑坡等人根據室內疲勞試驗分析了不同設計方法下不同最大公稱粒徑對瀝青穩定碎石混合料疲勞性能的影響[9]；葉永迪基于疲勞損傷理論對包括ATB—30在內的三種瀝青混合料的疲勞損傷機理及疲勞壽命影響因素進行了研究[10]；杜麗娟研究分析了三種不同設計方法下ATB—30瀝青混合料的疲勞特性，推薦采用貝雷法進行設計[11]。但是將ATB—30的壓實特性與抗疲勞性能兩者結合起來進行研究的甚少。本文在瀝青混合料壓實特性研究的基礎上，設計不同級配的ATB—30，通過試驗評價其壓實特性。在此基礎上，對不同級配的ATB—30進行室內小梁彎曲疲勞試驗，并采用Weibull概率分布，對其疲勞特性進行分析研究，以期得到具有良好壓實特性與抗疲勞性能的ATB—30材料組成，用于指導路面材料組成設計。

1 ATB—30組成設計

設計良好的級配組成對提高瀝青混合料的路用性能有著重要意義。為了保證瀝青混合料的強度、穩定性和耐久性，本文通過貝雷法設計不同CA比的集料級配，并采用SGC旋轉壓實成型試件，通過密實曲線斜率和能量指數來分析其壓實特性。

1.1 貝雷法級配設計

貝雷法通過最大篩孔將集料按粒徑劃分為粗、細兩部分，根據相關研究成果，得出對壓實影響較為顯著的是粗集料CA比。CA比主要用來計算瀝青混合料中粗集料含量并分析空隙的組成，如式（1）所示。

式中：PD2為D/2篩孔的通過率（D為公稱最大粒徑）（%）；PPCS為基本控制篩孔的通過率（%）。

本文試驗所用材料為ATB—30，公稱最大粒徑為31.5mm，選擇粗細粒徑控制篩孔為：PCS= 9.5mm,SCS=2.36mm,TCS=0.6mm。因此本文根據貝雷法設計了四種CA比：0.6、0.7、0.8和0.9，再通過各檔料比例和篩分結果，可以計算得出不同CA比的貝雷法設計級配a#～d#，級配通過率如表1所示。

表1 不同級配篩孔通過率

1.2 SGC壓實特性分析

SGC剪切旋轉壓實儀是美國SHRP計劃中為了模擬路面施工中壓實和車輛荷載作用而設計的一種瀝青混合料成型方法。參考關于瀝青穩定碎石配合比的相關研究成果[1,14,15]，通過計算預估選擇2.8%、3.2%、3.6%和4.0%四種油石比成型SGC試件。根據Superpave旋轉壓實次數的要求，確定初始、設計及最大旋轉壓實次數分別為9、125、205，選取空隙率4%所對應的油石比為最佳油石比，可以得出級配a#～d#的最佳油石比分別為3.1%、3.0%、3.4%和3.1%。

通過SGC生成的壓實旋轉次數與試件高度數據可分析材料的壓實特性。Nini（初始壓實次數）、Ndes（設計壓實次數）和Nmax（最大壓實次數）三者能夠反映瀝青混合料在施工期間、開放交通后的很多信息，根據壓實數據和試件體積參數可以計算SGC試件的估算密實度Gmm@Nx。以級配a#為例，試驗中其估算密實度與旋轉壓實次數的關系曲線如圖1所示。

圖1 級配a#試件旋轉次數與估算密實度關系曲線圖

通常，密實曲線斜率K1、K2和能量指數CEI、TDI能反映瀝青混合料的內在信息，可用于預測瀝青混合料的施工壓實特性和交通荷載變形能力[2]。根據旋轉次數與密實度關系曲線圖可以得出最佳油石比下不同CA比的K1、K2值和CEI、TDI關系圖，如圖2、圖3所示。

圖2 最佳油石比下不同CA比的K1、K2值

圖3 最佳油石比下不同CA比的CEI和TDI值

由圖2、圖3可以看出，隨著CA比的增大，K1、TDI和K2、CEI的變化規律相反，K1和TDI都是先增大、后減小，當CA比＝0.8時，K1和TDI最大，此時K2和CEI最小，這是因為當CA比增大時，粗集料中細料成分含量大，可以很好地填充粗料之間的空隙，使瀝青混合料易于壓實；當CA比大于0.8時，隨著CA比的增大，CEI越來越大，TDI逐漸減小，混合料中細料成分逐漸增大，材料越來越難壓實，開放交通后易于被追密壓實而影響路面使用性能。因此，當CA比=0.8時，ATB—30具有最優良的壓實特性。

2 ATB—30疲勞試驗方案設計

2.1 ATB—30級配設計

根據ATB—30級配設計以及相關文獻資料，選擇規范中值為級配1#，油石比為3.3%，CA比為0.3；以Superpave級配設計推薦值作為級配2#，油石比為3.2%，CA比為0.5；根據貝雷法重新設計級配3#、4#和5#，對應的CA比分別為0.7、0.8和0.9，油石比分別為3.0%、3.4%和3.1%。具體級配組成如表2所示。

表2 不同級配篩孔通過率

2.2 輪碾成型與小梁試件制作

根據前文的級配設計成型密級配瀝青穩定碎石混合料車轍板，并切割成小梁試件。成型后的試件應在標準養護環境下養護12h后再脫模，切割后的小梁試件應在12h內進行風干處理以便后續試驗。表3為小梁彎曲破壞試驗結果，其中PB和RB分別為小梁試件破壞時的最大荷載和抗彎拉強度。

表3 不同研究級配下小梁彎曲破壞試驗結果

從表3可知，隨著貝雷法檢驗參數CA比的提高，試件的抗彎拉強度和破壞荷載也在提高，其中CA比=0.8時的破壞荷載和抗彎拉強度最大，其破壞荷載是規范推薦中值級配材料（級配1#）的1.7倍，抗彎拉強度是規范推薦中值級配材料的1.54。這說明CA比=0.8時，瀝青混合料具有優良的抗彎拉特性，其疲勞破壞次數無疑也會提高。

2.3 小梁彎曲破壞試驗

小梁彎曲破壞試驗參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）[16]中關于瀝青混合料彎曲試驗（T 0715-2011）的規定，選擇試驗溫度為10℃，速度為10mm/min，支座間距為200mm，由試驗得出的最大破壞荷載PB可以為通過應力控制模式下的彎曲疲勞試驗提供不同應力水平S下的應力。

2.4 彎曲疲勞試驗

三點彎曲疲勞試驗的試驗平臺為MTS—810材料試驗機，采用三點應力加載方式施加荷載，試驗溫度為15℃，加載頻率為10Hz?？紤]不同應力水平的影響，試驗選取了0.3、0.4、0.5、0.6共四個應力水平。

3 疲勞壽命分析

通過試驗可知，不管哪一種級配類型，彎曲疲勞破壞次數都隨著應力水平S的提高而減少，但數據存在著一定的離散性[17,18]。為了提高疲勞方程的可靠度，本文通過Weibull概率分布分析不同可靠度下的P-S-N曲線方程來對比不同設計方法的疲勞性能優劣。

3.1 疲勞預估方程擬合計算

對ATB—30混合料三點彎曲疲勞試驗數據進行整理，根據Weibull分布設計步驟[19]，按照換算關系lgNi—-lnlnPi-1，通過線性擬合可以得出對應的擬合系數α、β以及相關系數R2。以級配1#為例，其疲勞試驗數據如表4和圖4所示。

表4 研究級配1#疲勞試驗數據

表4（續）

圖4 不同應力水平下級配1#的疲勞數據擬合結果

同理，可以計算得出2#～5#級配在不同應力水平下的疲勞數據擬合結果。由于lgNi與-lnlnPi-1呈現良好的線性分布關系，因此接受該應力水平下的疲勞壽命數據服從Weibull概率分布，將Weibull概率分布數據得到的線性關系回歸系數α、β代入兩參數Weibull概率分布方程，即可計算任意其他可靠度下的等效疲勞壽命[11]。本文選取保證率50%、70%和95%三種可靠度來計算不同研究級配下的P-S-N方程并分析其路面疲勞特性。計算結果見表5。

表5 不同可靠度下研究對象的等效疲勞壽命次數

由表5不難看出，疲勞等效破壞次數在相同級配類型下都隨著應力水平S的提高而逐漸降低。當應力水平為0.3時，50%和70%可靠度下級配4#的等效疲勞壽命最大，而95%可靠度下級配5#的抗疲勞性能最佳，等效疲勞破壞次數達到14 201次。

3.2 等效疲勞方程計算分析

瀝青穩定碎石混合料的疲勞壽命次數Nf分別與應力水平S和應力大小σ在雙對數坐標上呈線性關系，數學公式表達形式如下：

將五種不同級配的密級配瀝青穩定碎石混合料在可靠度分別為50%、70%和95%條件下的疲勞次數N與應力水平S對數散點進行線性擬合回歸分析，根據公式（2）可以得到圖5。

圖5 不同可靠度下應力水平與疲勞壽命雙對數回歸圖

根據圖5可以看出，密級配瀝青穩定碎石混合料ATB—30在不同可靠度下疲勞壽命對數與應力水平對數lgS呈反比，五種不同級配的混合料其疲勞壽命次數在三種可靠度下得到的擬合曲線方程相關系數R2均大于0.9。由此可知，采用本方法計算疲勞方程可有效反映材料的抗疲勞特性。對比不同可靠度下的疲勞壽命回歸圖可以看出，隨著Weibull概率分布可靠度的提高，不同設計級配疲勞壽命擬合曲線之間區分度增大，由此可看出不同級配混合料的優劣。

同理，根據公式（3）可以繪出不同設計級配的密級配瀝青穩定碎石混合料ATB—30在三種可靠度概率條件下的疲勞次數N與應力σ的雙對數散點圖并進行線性回歸擬合，得到表6和圖6。

表6 不同級配在各應力水平下的荷載應力

圖6 不同可靠度下應力值與疲勞壽命雙對數回歸圖

從圖6可以看出，五種不同設計級配在Weibull概率分布中可靠度為50%、70%和95%概率下根據瀝青穩定碎石混合料疲勞壽命N與應力值σ在雙對數坐標上呈線性相關，擬合曲線形式為標準疲勞方程。從圖6中還可以看出，在同一可靠度和相同應力大小條件下，設計級配3#、4#和5#的線位高于設計級配1#和2#，這說明前三者的抗疲勞特性優于后兩者。

為了更好地評價每一種級配在相同可靠度下的路面抗疲勞特性，根據疲勞方程統計了其相關參數并繪制成柱狀圖（見圖7）。

圖7 兩種疲勞方程不同可靠度下不同級配參數柱狀圖

隨著Weibull概率分布可靠度的提高，不同設計級配之間的差別更為顯著，可以明顯地反映出不同級配ATB—30瀝青混合料的抗疲勞性能。由圖7可知，在不同可靠度的P-S-N圖中，系數a值較大的為級配5#，系數a值較小的為級配1#，二者截距a的比值為0.49～0.81，斜率b的比值為1.14～1.36；而在不同可靠度的P-σ-N圖中，級配5#與級配1#截距a的比值為0.87～0.89，斜率b的比值為1.14～1.36。同理可以得出，級配4#和5#的疲勞方程系數a值高于級配1#、2#和3#，即前兩者的疲勞曲線截距較大，而系數b值則小于后者，說明級配4#和5#的抗疲勞性能優于其他三種級配。

綜上所述，密級配瀝青穩定碎石混合料的疲勞壽命受級配組成設計的影響顯著，隨著CA比的不斷提高，粗集料中的細料部分所占比重也在不斷提高，由于這些細料填充了粗料中的空隙，致使混合料形成了較為緊密的骨架嵌擠密實結構，其抗變形破壞能力得到加強，在車輛重復荷載作用下能有效抵抗并減少裂縫的產生。根據圖6，在不同可靠度的P-σ-N圖中，級配4#的疲勞壽命曲線優于其他級配，這是因為級配4#有著較好的密實特性，在瀝青穩定碎石混合料成型時更容易壓實。由此也可以得出結論：ATB—30的壓實特性與其抗疲勞性能具有良好的一致性。

4 結論

（1）根據SGC旋轉壓實數據得到密實曲線，選取密實曲線斜率K1、K2和能量指數CEI、TDI四個參數，評價了不同級配的壓實特性，得出CA比為0.8時且在最佳油石比下材料具有較好的壓實特性，在路面施工時可以節約能源、減少排放，同時在運營期間具有良好的抗變形能力。

（2）通過對不同級配的ATB—30的P-S-N和P-σ-N曲線方程進行分析，得出采用貝雷法設計的級配其疲勞特性優于規范中值和Superpave設計方法得到的級配。在重載交通作用下，路面結構層材料所受到的應力水平S會顯著提高，其疲勞特性優勢更為明顯。

（3）隨著Weibull概率分布可靠度的增加，不同級配之間抗疲勞性能的差異越來越顯著。通過P-S-N曲線可以看出，疲勞壽命次數與CA比成正比。同時，在P-σ-N曲線中，CA比為0.8的級配4#疲勞性能最佳，說明ATB—30的壓實特性與其抗疲勞性能具有良好的一致性，CA比=0.8的ATB—30同時具有良好的壓實特性和抗疲勞性能。

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Fatigue Properties ofATB—30 with Different CARatios

MA Chao-xian1,LI Jun2,WU Jian-min3
(1.Shaanxi Road＆Bridge Group Co.,Ltd.,Xi′an 710054,China;2.Hefei Municipal Design Institute Co.,Ltd., Hefei 230000,China;3.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang′an University,Xi′an 710064,China)

Four kinds of ATB—30(Asphalt-Treated Base—30)mixture with different CA(Coarse Aggregate)ratios(0.6,0.7,0.8,and 0.9)were designed through Bailey Method,which were used in the bottom layer of asphalt pavement in freeway.In order to compact easily in the construction for realizing energy conservation and emission reduction,and to achieve good deformation resistance for decreasing the ruts during the operation of high grade highway,the dense slopes of curves（K1,K2）and energy indexes (CEI(Compactness Energy Index),TDI(Traffic Dense Index))were used to analyze the compaction characteristics of ATB—30 by SGC molded specimens.And it was concluded that ATB—30 has the best compaction characteristics when CA ratio=0.8.The indoor bending fatigue test of small beam and Weibull probability distribution were applied to establish and analyze the P-S-N&P-σ-N fatigue equivalent estimated equations under different reliabilities.It is proved that the fatigue property of mixture with gradation designed by Bailey Method is superior to mixture with the standard median gradation or gradation designed by Superpave Method.It also denotes that gradation 4#(CA ratio=0.8)has the best anti-fatigue property,which indicates that ATB—30 has a good consistency between compaction charac-teristics and anti-fatigue properties.CA ratio=0.8 is recommended in ATB—30 grade design,so as to achieve easy compaction during construction,and make the pavement be easy to open to traffic after deformation and has good fatigue resistance.

ATB—30;CA ratio;gradation design;compaction characteristic;fatigue property

U414.01

A

2095-9931（2015）06-0071-10

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.06.012

2015-07-31

陜西省交通運輸廳交通科技項目（13-03K）

馬朝鮮（1971—），男，陜西周至人，高級工程師，研究方向為路面工程施工。E-mail：39759709@qq.com。