2015-6

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1 DOI./j.cnki 第卷第期年月 Vol. No. 不同 CA 比的 ATB 疲劳特性研究马朝鲜李骏武建民. 陕西路桥集团有限公司陕西西安 7. 合肥市市政设计院有限公司安徽合肥. 长安大学教育部特殊地区公路工程重点实验室陕西西安 7 摘要采用贝雷法设计了四种不同 CA 比的 ATB 沥青混合料并应用于高速公路路面下面层为了易于在施工中压实以达到节能减排的目的同时确保在运营时具有良好的抗变形能力以减少车辙的产生通过 SGC 仪旋转压实成型试件采用密实曲线斜率 K K 和能量指数 CEI TDI 分析其压实特性得出 CA 比=.8 时 ATB 具有最优的压实特性通过室内小梁弯曲疲劳试验应用 Weibull 概率分布建立并分析了不同可靠度下的 P-S-N 和 P-sN 疲劳预估等效方程得出采用贝雷法设计的级配其混合料的疲劳特性优于规范中值和 Superpave 设计方法同样得出 CA 比=.8 的 #级配具有最好的抗疲劳特性表明 ATB 的压实特性与抗疲劳性能具有良好的一致性推荐 ATB 级配设计中 CA 比采用.8 以实现在施工时易于压实开放交通后不易产生变形并且具有良好的抗疲劳性能的目的关键词 ATB CA 比级配设计压实特性疲劳特性中图分类号 U. 文献标识码 A 文章编号 Fatigue Properties of ATB with Different CA Ratios MA Chao-xian, LI Jun, WU Jian-min (. Shaanxi Road Bridge Group Co., Ltd., Xi an 7, China;. Hefei Municipal Design Institute Co., Ltd., Hefei, China;. Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang an University, Xi an 7, China) Abstract: Four kinds of ATB (Asphalt-Treated Base ) mixture with different CA (Coarse Ag gregate) ratios (.,.7,.8, and.9) were designed through Bailey Method, which were used in the bot tom layer of asphalt pavement in freeway. In order to compact easily in the construction for realizing en ergy 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 K, K and energy indexes (CEI (Compactness Energy Index), TDI(Traffic Dense Index) ) were used to analyze the compaction char acteristics of ATB by SGC molded specimens. And it was concluded that ATB has the best compaction characteristics when CA ratio=.8. The indoor bending fatigue test of small beam and Weibull probability distribution were applied to establish and analyze the P- S- N & P- s- N fatigue equivalent estimated equations under different reliabilities. It is proved that the fatigue property of mix ture 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 # (CA ratio=.8) has the best anti-fatigue property, which indicates that ATB has a good consistency between compaction charac 收稿日期 -7- 基金项目陕西省交通运输厅交通科技项目 -K 作者简介马朝鲜 97 男陕西周至人高级工程师研究方向为路面工程施工 @qq.com 7

2 第卷第期 Dec. teristics and anti- fatigue properties. CA ratio=.8 is recommended in ATB grade design, so as to achieve easy compaction during construction, and make the pavement be easy to open to traffic after de formation and has good fatigue resistance. Key words: ATB ; CA ratio; gradation design; compaction characteristic; fatigue property 引言 ATB 用作路面下面层时, 其结构层厚度往往较大, 一般为 ~cm 因此对其进行有效的压实是保证路面性能的前提一方面, 良好的压实特性有助于减少施工期间的压实机械能耗, 实现节能减排 ; 另一方面, 可以使路面在运营期间具有良好 [- ] 的抗变形能力, 有利于抑制车辙的产生同时, 当 ATB 用作路面下面层时, 其抗疲劳性能也直接影响着整个沥青路面的使用寿命, 因此受到了广泛关注 [] 目前国内对密级配沥青稳定碎石的研究多集中于混合料的压实特性和疲劳特性研究 : 张争奇等人研究了沥青混合料的压实特性及其影响因素, 分析了压实特性参数的物理意义 [] ; 张宇等人在室内试验研究沥青混合料压实特性的基础上, 分析了不同粗集料比 (Coarse Aggregate Ratio, [] 以下简称 CA 比 ) 的沥青混合料压实难易程度 ; 李汉光等人从能量角度研究了沥青混合料的压实特性及施工现场碾压的遍数 [7] ; 隆然等人基于三分点加载研究了橡胶粉掺量级配类型等对橡胶沥青混合料的疲劳特性的影响 [8] ; 韦佑坡等人根据室内疲劳试验分析了不同设计方法下不同最大公称粒径对沥青稳定碎石混合料疲劳性能的影响 [9] ; 叶永迪基于疲劳损伤理论对包括 ATB 在内的三种沥青混合料的疲劳损伤机理及疲劳寿命影响因素进行了研 [] 究 ; 杜丽娟研究分析了三种不同设计方法下 ATB 沥青混合料的疲劳特性, 推荐采用贝雷法进行设计 [] 但是将 ATB 的压实特性与抗疲劳性能两者结合起来进行研究的甚少本文在沥青混合料压实特性研究的基础上, 设计不同级配的 ATB, 通过试验评价其压实特性在此基础上, 对不同级配的 ATB 进行室内小梁弯曲疲劳试验, 并采用 Weibull 概率分布, 对其疲劳特性进行分析研究, 以期得到具有良好压实特性与抗疲劳性能的 ATB 材料组成, 用于指导路面材料组成设计 ATB 组成设计设计良好的级配组成对提高沥青混合料的路用性能有着重要意义为了保证沥青混合料的强度稳定性和耐久性, 本文通过贝雷法设计不同 CA 比的集料级配, 并采用 SGC 旋转压实成型试件, 通过密实曲线斜率和能量指数来分析其压实特性. 贝雷法级配设计贝雷法通过最大筛孔将集料按粒径划分为粗细两部分, 根据相关研究成果, 得出对压实影响较为显著的是粗集料 CA 比 CA 比主要用来计算沥青混合料中粗集料含量并分析空隙的组成, 如式 () 所示 CA = P D - P PCS - P D () 式中 :P D 为 D/ 筛孔的通过率 (D 为公称最大粒径 )(%);P PCS 为基本控制筛孔的通过率 (%) 本文试验所用材料为 ATB, 公称最大粒径为.mm, 选择粗细粒径控制筛孔为 : PCS= 9.mm, SCS=.mm, TCS=.mm 因此本文根据贝雷法设计了四种 CA 比 :..7.8 和.9, 再通过各档料比例和筛分结果, 可以计算得出不同 CA 比的贝雷法设计级配 a#~d#, 级配通过率如表所示表不同级配筛孔通过率级配类型通过下列筛孔 (mm) 的质量百分率 (%) 级配 a# 级配 b# 级配 c# 级配 d#

3 Vol. No. 马朝鲜, 等 : 不同 CA 比的 ATB 疲劳特性研究. SGC 压实特性分析 SGC 剪切旋转压实仪是美国 SHRP 计划中为了模拟路面施工中压实和车辆荷载作用而设计的一种沥青混合料成型方法参考关于沥青稳定碎石配合 [,, ] 比的相关研究成果, 通过计算预估选择.8%.%.% 和.% 四种油石比成型 SGC 试件根据 Superpave 旋转压实次数的要求, 确定初始设计及最大旋转压实次数分别为 9, 选取空隙率 % 所对应的油石比为最佳油石比, 可以得出级配 a#~d# 的最佳油石比分别为.%.%.% 和.% 通过 SGC 生成的压实旋转次数与试件高度数据可分析材料的压实特性 N ini ( 初始压实次数 ) N des ( 设计压实次数 ) 和 N max ( 最大压实次数 ) 三者能够反映沥青混合料在施工期间开放交通后的很多信息, 根据压实数据和试件体积参数可以计算 SGC 试件的估算密实度 G mm@n x 以级配 a# 为例, 试验中其估算密实度与旋转压实次数的关系曲线如图所示估算密度度 Gmm@Nx 图通常, 密实曲线斜率 K K 和能量指数 CEI TDI 能反映沥青混合料的内在信息, 可用于预测沥青混合料的施工压实特性和交通荷载变形能力 [] 根据旋转次数与密实度关系曲线图可以得出最佳油石比下不同 CA 比的 K K 值和 CEI TDI 关系图, 如图图所示 K 旋转次数 / 次级配 a# 试件旋转次数与估算密实度关系曲线图 CA 比 (a) K CEI TDI 图由图图可以看出, 随着 CA 比的增大, K TDI 和 K CEI 的变化规律相反,K 和 TDI 都是先增大后减小, 当 CA 比 =.8 时,K 和 TDI 最大, 此时 K 和 CEI 最小, 这是因为当 CA 比增大时, 粗集料中细料成分含量大, 可以很好地填充粗料之间的空隙, 使沥青混合料易于压实 ; 当 CA 比大于.8 时, 随着 CA 比的增大,CEI 越来越大, TDI 逐渐减小, 混合料中细料成分逐渐增大, 材料越来越难压实, 开放交通后易于被追密压实而影响路面使用性能因此, 当 CA 比 =.8 时,ATB 具有最优良的压实特性 ATB 疲劳试验方案设计. ATB 级配设计 CA 比 (b) 最佳油石比下不同 CA 比的 K K 值 CA 比 (a) CA 比 (b) 图最佳油石比下不同 CA 比的 CEI 和 TDI 值根据 ATB 级配设计以及相关文献资料, 7

4 第卷第期 Dec. 选择规范中值为, 油石比为.%,CA 比为.; 以 Superpave 级配设计推荐值作为, 油石比为.%,CA 比为.; 根据贝雷法重新设计级配 # # 和 #, 对应的 CA 比分别为.7.8 和.9, 油石比分别为.%.% 和.% 具体级配组成如表所示表不同级配筛孔通过率级配类型通过下列筛孔 (mm) 的质量百分率 (%) 轮碾成型与小梁试件制作根据前文的级配设计成型密级配沥青稳定碎石混合料车辙板, 并切割成小梁试件成型后的试件应在标准养护环境下养护 h 后再脱模, 切割后的小梁试件应在 h 内进行风干处理以便后续试验表为小梁弯曲破坏试验结果, 其中 P B 和 R B 分别为小梁试件破坏时的最大荷载和抗弯拉强度表不同研究级配下小梁弯曲破坏试验结果级配类型 CA 比 PB /kn RB /MPa 从表可知, 随着贝雷法检验参数 CA 比的提高, 试件的抗弯拉强度和破坏荷载也在提高, 其中 CA 比 =.8 时的破坏荷载和抗弯拉强度最大, 其破坏荷载是规范推荐中值级配材料 ( ) 的.7 倍, 抗弯拉强度是规范推荐中值级配材料的. 这说明 CA 比 =.8 时, 沥青混合料具有优良的抗弯拉特性, 其疲劳破坏次数无疑也会提高. 小梁弯曲破坏试验小梁弯曲破坏试验参考公路工程沥青及沥青混合料试验规程 (JTG E ) [] 中关于沥青混合料弯曲试验 (T 7-) 的规定, 选择试验温度为, 速度为 mm/min, 支座间距为 mm, 由试验得出的最大破坏荷载 P B 可以为通过应力控制模式下的弯曲疲劳试验提供不同应力水平 S 下的应力. 弯曲疲劳试验三点弯曲疲劳试验的试验平台为 MTS 8 材料试验机, 采用三点应力加载方式施加荷载, 试验温度为, 加载频率为 Hz 考虑不同应力水平的影响, 试验选取了.... 共四个应力水平疲劳寿命分析通过试验可知, 不管哪一种级配类型, 弯曲疲劳破坏次数都随着应力水平 S 的提高而减少, 但数 [7, 8] 据存在着一定的离散性为了提高疲劳方程的可靠度, 本文通过 Weibull 概率分布分析不同可靠度下的 P-S-N 曲线方程来对比不同设计方法的疲劳性能优劣. 疲劳预估方程拟合计算对 ATB 混合料三点弯曲疲劳试验数据进 [9] 行整理, 根据 Weibull 分布设计步骤, 按照换算关系 i -lnlnp - i, 通过线性拟合可以得出对应的拟合系数 α β 以及相关系数 R 以为例, 其疲劳试验数据如表和图所示表研究疲劳试验数据应力水平试件编号疲劳寿命 / 次

5 Vol. No. 马朝鲜, 等 : 不同 CA 比的 ATB 疲劳特性研究应力水平试件编号疲劳寿命 / 次图表 ( 续 ) y=-.99x+.989 R =.9 -lnlnp - (a) 应力水平为. 时 -lnlnp - (b) 应力水平为. 时 y=-.8x+.78 R = lnlnp - (c) 应力水平为. 时 y=-.77x+.77 R =.97 y=-.x+.87 R = lnlnp - (d) 应力水平为. 时不同应力水平下的疲劳数据拟合结果同理, 可以计算得出 #~# 级配在不同应力水平下的疲劳数据拟合结果由于 i 与 -lnlnp i - 呈现良好的线性分布关系, 因此接受该应力水平下的疲劳寿命数据服从 Weibull 概率分布, 将 Weibull 概率分布数据得到的线性关系回归系数 α β 代入两参数 Weibull 概率分布方程, 即可计算任意其他可靠度下的等效疲劳寿命 [] 本文选取保证率 % 7% 和 9% 三种可靠度来计算不同研究级配下的 P-S-N 方程并分析其路面疲劳特性计算结果见表表可靠度 % 7% 9% 不同可靠度下研究对象的等效疲劳寿命次数级配类型不同应力水平 S 下等效疲劳寿命次数 Nf / 次由表不难看出, 疲劳等效破坏次数在相同级配类型下都随着应力水平 S 的提高而逐渐降低当应力水平为. 时,% 和 7% 可靠度下的等效疲劳寿命最大, 而 9% 可靠度下的抗疲劳性能最佳, 等效疲劳破坏次数达到次. 等效疲劳方程计算分析沥青稳定碎石混合料的疲劳寿命次数 N f 分别与应力水平 S 和应力大小 s 在双对数坐标上呈线性关系, 数学公式表达形式如下 : lg Nˉ = a - b lg S () lg Nˉ = a - b lg σ () 式 () 式 () 中 :N 为等效疲劳寿命 ;S 为应力水平 ;s 为应力值 (MPa); a, a 为截距 ; b, b 为斜率 7

6 第卷第期 Dec. 将五种不同级配的密级配沥青稳定碎石混合料在可靠度分别为 % 7% 和 9% 条件下的疲劳次数 N 与应力水平 S 对数散点进行线性拟合回归分析, 根据公式 () 可以得到图 y=-.89x+.8 R =.99 y=-.x+.7 R =.97 y=-.79x+.88 R =.98 y=-.77x+.97 R =.998 y=-.8x+.7 R = lgs y=-.9x+.9 R =.99 y=-.8x+.78 R =.98 y=-.8x+.79 R =.989 y=-.x+.99 R =.997 y=-.7x+. R = 当 lgs=-.8 时, 级配值由高到低排序为 :#>#>#>#># (a) 可靠度为 % 时应力水平与疲劳寿命双对数回归图当 lgs=-. 时, 级配值由高到低排序为 :#>#>#>#># lgs (b) 可靠度为 7% 时应力水平与疲劳寿命双对数回归图 y=-.89x+.9 R =.9 y=-.x+. R =.99 y=-.7x+.9 R =.9 y=-.7x+.88 R =.9 y=-.8x+.88 R =.98.. 当 lgs=-. 时, 级配值由高到低排序为 :#>#>#>#># lgs (c) 可靠度为 9% 时应力水平与疲劳寿命双对数回归图图不同可靠度下应力水平与疲劳寿命双对数回归图 7

7 Vol. No. 马朝鲜, 等 : 不同 CA 比的 ATB 疲劳特性研究根据图可以看出, 密级配沥青稳定碎石混合料 ATB 在不同可靠度下疲劳寿命对数与应力水平对数 lgs 呈反比, 五种不同级配的混合料其疲劳寿命次数在三种可靠度下得到的拟合曲线方程相关系数 R 均大于.9 由此可知, 采用本方法计算疲劳方程可有效反映材料的抗疲劳特性对比不同可靠度下的疲劳寿命回归图可以看出, 随着 Weibull 概率分布可靠度的提高, 不同设计级配疲劳寿命拟合曲线之间区分度增大, 由此可看出不同级配混合料的优劣同理, 根据公式 () 可以绘出不同设计级配的密级配沥青稳定碎石混合料 ATB 在三种可靠度概率条件下的疲劳次数 N 与应力 s 的双对数散点图并进行线性回归拟合, 得到表和图表设计级配不同级配在各应力水平下的荷载应力抗弯拉强度 RB /MPa 不同应力水平 S 下的荷载应力 s/mpa y=-.89x+.88 R =.99 y=-.x+.89 R =.97 y=-.79x+.8 R =.98 y=-.77x+. R =.998 y=-.8x+.9 R = lgs (a) 可靠度为 % 时应力值与疲劳寿命双对数回归图...7. y=-.9x+.77 R =.99 y=-.8x+. R =.98 y=-.8x+.9 R =.989 y=-.x+. R =.997 y=-.7x+.9 R = lgs (b) 可靠度为 7% 时应力值与疲劳寿命双对数回归图 77

8 第卷第期 Dec.. y=-.89x+. R =.9 y=-.x+. R =.99 y=-.7x+. R =.9 y=-.7x+.77 R =.9 y=-.8x+.77 R = 图.... lgs c 可靠度为 9%时应力值与疲劳寿命双对数回归图.7.8 不同可靠度下应力值与疲劳寿命双对数回归图从图可以看出五种不同设计级配在线位高于设计和 # 这说明前三者的抗疲率下根据沥青稳定碎石混合料疲劳寿命 N 与应力值为了更好地评价每一种级配在相同可靠度下的 s 在双对数坐标上呈线性相关拟合曲线形式为标路面抗疲劳特性根据疲劳方程统计了其相关参数 Weibull 概率分布中可靠度为 % 7%和 9%概准疲劳方程从图中还可以看出在同一可靠度和相同应力大小条件下设计 #和 #的劳特性优于后两者并绘制成柱状图见图 7 7 R R a %可靠度下两种疲劳方程的不同级配参数柱状图 R R b 7%可靠度下两种疲劳方程的不同级配参数柱状图 78 7

9 Vol. No. 马朝鲜等不同 CA 比的 ATB 疲劳特性研究 7 7 R R c 9%可靠度下两种疲劳方程的不同级配参数柱状图图 7 两种疲劳方程不同可靠度下不同级配参数柱状图随着 Weibull 概率分布可靠度的提高不同设性在路面施工时可以节约能源减少排放同时同级配 ATB 沥青混合料的抗疲劳性能由图 7 通过对不同级配的 ATB 的 P-S-N 和计级配之间的差别更为显著可以明显地反映出不在运营期间具有良好的抗变形能力可知在不同可靠度的 P-S-N 图中系数 a 值较大 P- s-n 曲线方程进行分析得出采用贝雷法设计 a 的比值为.9~.8 斜率 b 的比值为.~. 方法得到的级配在重载交通作用下路面结构层的为系数 a 值较小的为二者截距而在不同可靠度的 P-s-N 图中与截距 a 的比值为.87~.89 斜率 b 的比值为.~. 同理可以得出和 #的疲劳方程系数的级配其疲劳特性优于规范中值和 Superpave 设计材料所受到的应力水平 S 会显著提高其疲劳特性优势更为明显随着 Weibull 概率分布可靠度的增加不 a 值高于 #和 # 即前两者的疲劳曲线截同级配之间抗疲劳性能的差异越来越显著通过的抗疲劳性能优于其他三种级配比同时在 P- s-n 曲线中 CA 比为.8 的级配距较大而系数 b 值则小于后者说明和 # 综上所述密级配沥青稳定碎石混合料的疲劳寿命受级配组成设计的影响显著随着 CA 比的不断提高粗集料中的细料部分所占比重也在不断提高由于这些细料填充了粗料中的空隙致使混合料形成了较为紧密的骨架嵌挤密实结构其抗变形 P-S-N 曲线可以看出疲劳寿命次数与 CA 比成正 #疲劳性能最佳说明 ATB 的压实特性与其抗疲劳性能具有良好的一致性 CA 比 =.8 的 ATB 同时具有良好的压实特性和抗疲劳性能参考文献 [] 梅彦峰. 沥青稳定碎石基层应用研究[D]. 天津河北工业 [] 张争奇袁迎捷王秉纲. 沥青混合料旋转压实曲线信级配这是因为有着较好的密实特性在 [] 张建琴. 论级配沥青稳定碎石基层施工工艺[J]. 科学之以得出结论 ATB 的压实特性与其抗疲劳性能 [] 陈飞吴勇往陈明等. 密级配沥青稳定碎石疲劳性 [] 张争奇边秀奇杜群乐等. 沥青混合料压实特性影 [] 张宇韩冰. 贝雷法不同 CA 参数下沥青混合料的压实性 [7] 李汉光高英余文斌. 沥青混合料压实特性及沥青路破坏能力得到加强在车辆重复荷载作用下能有效抵抗并减少裂缝的产生根据图在不同可靠度的 P- s-n 图中的疲劳寿命曲线优于其他沥青稳定碎石混合料成型时更容易压实由此也可具有良好的一致性结论根据 SGC 旋转压实数据得到密实曲线选取密实曲线斜率 K K 和能量指数 CEI TDI 四个参数评价了不同级配的压实特性得出 CA 比为.8 时且在最佳油石比下材料具有较好的压实特大学. 息及其应用[J]. 中国公路学报 8 -. 友能研究[J]. 公路 -. 响因素研究[J]. 武汉理工大学学报. 能[J]. 公路工程 7-. 面碾压遍数确定 [J]. 东南大学学报自然科学版 79

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mm ~ 16 3 2011 6 Vol 16 No 3 JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Jun 2011 1 2 3 1 150040 2 150040 3 450052 1 3 4 > 1 ~ 3 > > U414 A 1007-2683 2011 03-0121- 06 Shrinkage Characteristics of