全厚式瀝青路面材料抗疲勞性能及疲勞預估模型

王其峰，吳文娟，申全軍，徐欽升*，齊輝

1.山東高速集團有限公司，山東 濟南 250101；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250102；3.山東高速集團創新研究院，山東 濟南 250000

0 引言

社會經濟的飛速發展使得道路交通環境和交通荷載的復雜性加劇，瀝青路面疲勞損壞和永久變形問題日益嚴重，極大地縮短了路面使用壽命。20世紀以來，研究人員開始設計長壽命瀝青路面結構[1-4]，多年的應用實踐證明，全厚式瀝青路面的路用性能和經濟社會效益較好，應用廣泛。

全厚式瀝青路面是路床頂面以上各結構層(墊層除外)均采用瀝青混合料鋪筑的路面，研究人員從全厚式瀝青路面的結構、技術體系、力學性能、綜合評價等方面分析如何提高全厚式瀝青路面的抗疲勞性能[5-6]。鄭健龍等[7]研究長壽命路面的技術體系及關鍵問題；溫麗娟[8]對重載交通環境下長壽命瀝青材料的組成及路面性能進行試驗研究；趙向敏[9]研究長壽命瀝青路面結構設計的方法；張坤[10]研究全厚式瀝青路面材料與力學性能的關系；郭立成等[11]基于法國路面設計方法分析全厚式瀝青路面的結構性能；李濤等[12]研究了全厚式高模量瀝青混凝土路面結構并進行力學分析；徐希忠[13]研究了全厚式高模量瀝青路面結構與材料設計。對全厚式瀝青路面的研究集中在結構設計和材料綜合性能方面，因全厚式瀝青路面結構組合的特殊性，其疲勞壽命是整個路面結構服役、使用年限的瓶頸，如何確保全厚式瀝青路面結構在復雜惡劣的交通荷載重復作用下不產生疲勞裂縫，對選取室內瀝青混合料疲勞試驗參數提出了更高要求[14-17]。

本文采用室內四點彎曲疲勞試驗研究全厚式瀝青路面各結構層瀝青混合料的抗疲勞性能，并借鑒典型疲勞預估模型，建立全厚式瀝青路面的疲勞預估模型，實現對全厚式瀝青路面疲勞壽命的準確評價和預估，以期為該路面結構設計及后期應用提供理論支持。

1 試驗方案

1.1 全厚式瀝青路面結構設計

本文依托當前高速公路中常用的、典型的全厚式瀝青路面結構設計形式[18-19]，采用UTM-100萬能試驗機，設計不同的應變，對全厚式瀝青路面各結構層混合料進行四點彎曲疲勞試驗(每個應變下采集至少3個合適的試驗數據)，分析評價材料的抗疲勞性能，并結合試驗數據對疲勞預估模型進行修正，建立適用于全厚式瀝青路面各結構層材料的疲勞預估模型。全厚式瀝青路面結構組合方案如表1所示。

表1 全厚式瀝青路面結構組合

①添加占瀝青混合料質量0.7%的改性劑。

1.2 原材料

1)瀝青膠結料

按照文獻[20]要求，對全厚式瀝青路面結構層SMA-13、HMAC-20、LSPM-25、AC-13F選用的SBS(I-D)改性瀝青和AC-25選用的70-A基質瀝青進行性能檢驗，結果如表2所示，檢測結果均滿足文獻[21]的性能指標要求。

表2 瀝青膠結料性能檢測結果

2)集料

HMAC-20、LSPM-25、AC-25、AC-13F的集料選用優質石灰巖，SMA-13的集料選用玄武巖，礦粉為優質石灰巖磨細加工而成，粗、細集料主要技術指標均滿足文獻[21]要求，結果如表3、4所示。

表3 粗集料主要技術指標檢測結果

表4 細集料主要技術指標檢測結果

3)改性劑

改性劑選用PR Module高模量改性劑，為黑色、扁平顆粒狀聚合物，粒徑為1～4 mm，密度為0.912～0.965 g/cm3，熔點為140～160 ℃。

1.3 各結構層瀝青混合料合成級配

按照文獻[21]要求進行全厚式瀝青路面各結構層混合料級配設計，并經馬歇爾擊實試驗驗證，確定SMA-13、HMAC-20、AC-25、LSPM-25及AC-13F各結構層瀝青混合料合成級配及瀝青質量分數，結果如表5所示(φ為篩孔直徑)。

表5 全厚式瀝青路面各結構層合成級配及瀝青質量分數

2 試驗結果及分析

2.1 疲勞壽命分析

按照文獻[20]的要求，采用四點彎曲疲勞壽命試驗，在20 ℃、10 Hz條件下，應變分別為0.000 2、0.000 4、0.000 6、0.000 8時驗證全厚式瀝青路面混合料抗疲勞性能的優劣，分析評價各結構層瀝青混合料的抗疲勞性能，根據試驗數據建立疲勞預估模型，并修正疲勞預估模型的參數，確立適用于全厚式瀝青路面的疲勞預估模型。全厚式瀝青路面各結構層瀝青混合料疲勞試驗結果如表6所示。

表6 全厚式瀝青路面各結構層瀝青混合料疲勞壽命

為了直觀分析評價不同應變下全厚式瀝青路面各結構層材料的疲勞壽命，將試驗數據進行對數處理，繪制瀝青混合料疲勞壽命與應變的關系曲線，并通過數據擬合得到不同類型瀝青混合料疲勞壽命與應變的關系，如圖1所示。

40年改革開放的偉大實踐， “我們黨引領人民繪就了一幅波瀾壯闊、氣勢恢宏的歷史畫卷，譜寫了一曲感天動地、氣壯山河的奮斗贊歌。”“改革開放40年積累的寶貴經驗是黨和人民彌足珍貴的精神財富，對新時代堅持和發展中國特色社會主義有著極為重要的指導意義，必須倍加珍惜、長期堅持，在實踐中不斷豐富和發展。”

圖1 全厚式瀝青路面各結構層瀝青混合料疲勞壽命與應變的關系曲線

由圖1可知：各結構層瀝青混合料的疲勞壽命按由高到低的順序依次為AC-13F、SMA-13、HMAC-20、LSPM-25、AC-25，表明AC-13F型瀝青混合料的抗疲勞性能最好，可滿足全厚式瀝青路面抗疲勞功能層結構設計要求。AC-25型瀝青混合料(采用70#瀝青，空隙率為4.3%)的抗疲勞性能相對較差，與同粒徑LSPM-25型瀝青混合料(采用SBS改性瀝青，空隙率為15.3%)相比，在應變為0.000 2時，前者的疲勞壽命約降低38.4%；在應變為0.000 4時，前者的疲勞壽命約降低28.8%；在應變為0.000 6時，其疲勞壽命約減小15.1%；在應變為0.000 8時，其疲勞壽命約降低39.5%。由圖1可知：混合料的抗疲勞性能不僅與瀝青種類有關，還與混合料的最大粒徑有關，SBS改性瀝青在提高粗粒式瀝青混合料的抗疲勞性能方面更具優勢。不同類型瀝青混合料的疲勞壽命對應變變化的敏感性程度不同，HMAC-20高模量瀝青混合料的斜率最小，AC-13F和SMA-13次之，AC-25和LSPM-25相對較大，表明HMAC-20型瀝青混合料的疲勞壽命對應變變化的敏感性最小。

2.2 疲勞預估模型及其修正

根據瀝青路面各結構層應變和路面結構發生破壞時荷載作用次數的關系，建立瀝青混合料的基礎疲勞預估模型，并將混合料模量參數、體積指標參數等因素引入模型加以修正改進。基礎疲勞預估模型為

(1)

圖2 修正前、后疲勞預估模型的預估疲勞壽命與實測疲勞壽命對比

選取ε、Sm、VFA及瀝青混合料調整系數A為全厚式瀝青路面疲勞預估模型參數，將表6數據帶入式(1)，預估全厚式瀝青路面各結構層瀝青混合料的疲勞壽命，并將預估疲勞壽命與試驗實測疲勞壽命比較，結果如圖2所示。

由圖2可知：基礎疲勞模型預估的瀝青混合料疲勞壽命與室內試驗實測疲勞壽命回歸的相關系數較高(R2=0.907 6)，但預估結果明顯比實測結果低，表明全厚式瀝青路面模型的預估精度不能滿足路面設計要求，主要原因是該預測模型中涉及的瀝青混合料性能各參數基于常規路面混合料測試。全厚式瀝青路面結構需修正模型系數(ε、Sm、VFA對應系數分別為-3.973、-1.589、2.720)，對試驗數據進行非線性回歸分析，確定3個擬合參數，并在基礎疲勞預估模型上添加瀝青混合料調整系數A，調整瀝青混合料間的差異性[22]，全厚式瀝青路面各結構層瀝青混合料疲勞預估模型最終擬合結果如表7所示。

表7 全厚式瀝青路面各結構層瀝青混合料疲勞預估模型最終擬合結果

根據擬合結果確定全厚式瀝青路面疲勞預估模型

(2)

由修正后的疲勞預估模型預估全厚式瀝青路面疲勞壽命，并與實測壽命比較，結果如圖2所示。由圖2可知：通過式(2)計算的疲勞壽命預估結果與室內試驗實測結果吻合度較高，二者的相關系數R2=0.991 6，修正后的疲勞預估模型預測精度較高。因此全厚式瀝青路面可采用式(2)預估疲勞壽命，可按表7選取各結構層瀝青混合料的修正系數。

3 結論

1)采用瀝青混合料四點彎曲疲勞壽命試驗，研究分析全厚式瀝青路面材料的疲勞性能和疲勞預估模型，可知全厚式瀝青路面各結構層瀝青混合料的抗疲勞性能按從高到低的順序依次為AC-13F、SMA-13、HMAC-20、LSPM-25、AC-25；瀝青混合料對應變變化的敏感性按從低到高的順序為HMAC-20、SMA-13、AC-13F、LSPM-25、AC-25，HMAC-20高模量瀝青混合料可有效改善其對應變變化的敏感程度。

2)瀝青混合料的抗疲勞性能與瀝青種類和混合料的最大粒徑有關，對比同粒徑AC-25(70#瀝青，空隙率為4.3%)和LSPM-25(SBS改性瀝青，空隙率為15.3%)瀝青混合料，在低應變(0.000 2)條件下，AC-25的預估疲勞壽命比LSPM-25約降低38.4%，而在高應變(0.000 8)條件下，AC-25的疲勞壽命比LSPM-25約降低39.5%，SBS改性瀝青可有效改善粗粒式瀝青混合料的抗疲勞性能。

3)結合室內實測疲勞壽命，修正現有疲勞預估模型，建立預測精度更高的全厚式瀝青路面疲勞預估模型，修正后的疲勞預估模型預估的混合料疲勞壽命與實測疲勞壽命的相關系數R2=0.991 6，吻合程度較高,可用來預估全厚式瀝青路面的疲勞壽命。