倪辰秧,蔣應(yīng)軍,張 宇,楊迪鋒

(長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064)

瀝青瑪蹄脂碎石混合料(Stone mastic asphalt,SMA)由于其良好的路用性能在路面工程中得到廣泛應(yīng)用[1,2];然而,隨著交通量、車輛荷載和極端天氣事件的增加,導(dǎo)致SMA路面裂縫、車轍和滲水等病害的發(fā)生,從而降低了道路的耐久性[3]。Kopylov等[4]研究了天然沸石作為SMA的穩(wěn)定添加劑的可能性,提出天然沸石可以提高混合料的粘結(jié)性;郝宏偉等[5]研究了纖維類型、瀝青種類和凍融循環(huán)對瀝青混合料抗裂性的影響;Bindu等[6]研究了廢塑料對SMA性能的影響,對其影響機(jī)理進(jìn)行了闡述;Sadeghnejad等[7]評估添加納米SiO2和TiO2作為改性劑對SMA力學(xué)性能的影響。季節(jié)等[8]采用耗散能法分析了冷再生瀝青路面(Reclaimed asphalt pavement,RAP)摻量、拌和方式對熱拌及溫拌再生SMA疲勞性能的影響。郭利楊等[9]研究了新型木質(zhì)素纖維和抗車轍劑對SMA路用性能的影響。陳兵等[10]研究了苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(Styrene butadiene styrene,SBS)改性劑對SMA路用性能的影響。上述研究可知,對SMA的研究主要集中在外摻劑和拌合方式對其性能的影響,關(guān)于成型方法對SMA性能影響的研究鮮有報(bào)道。

目前,SMA廣泛采用馬歇爾(Marshall)法或Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)(Superpave gyratory compactor,SGC)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而,長期的工程經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),Marshall法的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)較低,很難適應(yīng)現(xiàn)代運(yùn)輸[11]。許多研究人員建議增加錘擊次數(shù),導(dǎo)致壓實(shí)過程中骨料很容易被壓碎,不僅改變級配,而且會影響其骨架結(jié)構(gòu),從而降低了試樣力學(xué)性能與路面實(shí)際芯樣之間的相關(guān)性[12-14]。SGC成型的試件雖然與現(xiàn)場芯樣有很好的相關(guān)性,但由于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)備過于昂貴而難以普及[15]。因此,本文采用與現(xiàn)行交通標(biāo)準(zhǔn)和施工現(xiàn)場實(shí)際壓實(shí)效果更接近的垂直振動壓實(shí)法(Vertical vibration compaction method,VVCM)進(jìn)行SMA設(shè)計(jì),對比Marshall、SGC和VVCM 3種方法下SMA-13的疲勞性能,以供工程實(shí)踐參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)使用瀝青為韓國雙龍牌SBS改性瀝青,技術(shù)性質(zhì)見表1。粗集料類型為玄武巖碎石,來自陜西商洛,粗集料各指標(biāo)見表2。細(xì)集料類型為石灰?guī)r機(jī)制砂,來自陜西恒宇泰建設(shè)工程有限公司,各指標(biāo)見表3。礦粉為陜西商洛洛南正泰礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的礦粉,其技術(shù)性質(zhì)見表4。纖維類型為木質(zhì)素纖維,由江蘇鹽城歐路華科技有限公司提供,技術(shù)性質(zhì)見表5。

表1 瀝青技術(shù)性質(zhì)表

表2 粗集料技術(shù)性質(zhì)表

表3 細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)表

表4 礦粉技術(shù)性質(zhì)表

表5 纖維技術(shù)性質(zhì)表

1.2 礦料級配

試驗(yàn)采用的SMA-13礦料級配見圖1。

圖1 礦料級配圖

1.3 試驗(yàn)方案

選擇間接拉伸疲勞試驗(yàn)評價SMA-13的疲勞性能。間接拉伸疲勞試驗(yàn)的試件受力狀態(tài)見圖2。試驗(yàn)儀器采用MTS810試驗(yàn)機(jī),儀器、疲勞試驗(yàn)夾具及試件安裝如圖3所示。

圖2 試件疲勞試驗(yàn)受力狀態(tài)圖

圖3 疲勞試驗(yàn)設(shè)備圖

基于與實(shí)際路面使用情況相吻合的原則,試驗(yàn)選擇應(yīng)力控制模式加載,該模式具有良好的測試重現(xiàn)性,清晰的疲勞破壞定義和可靠的精度控制。荷載作用頻率選擇10 Hz,荷載加載波形為半正矢正弦波形,循環(huán)特征值為0.1,選擇應(yīng)力水平0.3、0.4、0.5、0.6、0.7進(jìn)行試驗(yàn),溫度為15 ℃。根據(jù)不同應(yīng)力水平下的疲勞破壞次數(shù),對不同設(shè)計(jì)方法SMA的抗疲勞性能進(jìn)行評價。

2 VVCM可靠性評價

VVCM參考路面實(shí)際施工時振動壓路機(jī)的壓實(shí)機(jī)理及工作參數(shù),基于室內(nèi)成型試件最大程度地模擬實(shí)際施工現(xiàn)場的原則,并結(jié)合課題組已有研究成果[16-18]。垂直振動擊實(shí)儀工作參數(shù)為工作頻率37 Hz,名義幅度1.2 mm,上車系統(tǒng)質(zhì)量108 kg,下車系統(tǒng)質(zhì)量167 kg。試件成型時,將SMA-13裝入試模,采用振動儀振動壓實(shí)65 s。

2.1 體積參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)Marshall試件、VVCM試件體積參數(shù)測試結(jié)果見表6,包括密度ρ、空隙率(Volume of air voids,VV)、礦料間隙率(Voids in mineral aggregate,VMA)、瀝青飽和度(Voids filled with asphalt,VFA)。

表6 不同類型試件體積參數(shù)表

由表6知,與標(biāo)準(zhǔn)Marshall試件相比,VVCM試件由于壓實(shí)機(jī)理的改變以及壓實(shí)功的增大,各體積參數(shù)指標(biāo)均有較大變化,密度提高,約為標(biāo)準(zhǔn)Marshall試件的1.02倍,VV及VMA均有減小,VFA有所提高。

2.2 礦料級配

標(biāo)準(zhǔn)Marshall試件、VVCM試件壓實(shí)前后級配變化如圖4所示。

圖4 不同成型方法試件的礦料級配變化圖

由圖4知,無論何種壓實(shí)方法,對混合料級配均有所影響,導(dǎo)致各篩孔通過率增大,說明壓實(shí)過程中部分粗集料被壓碎。但VVCM試件的級配變化要小于Marshall試件,這是因?yàn)?種方法壓實(shí)機(jī)理不同。VVCM試件成型過程中混合料受到激振力作用,集料顆粒發(fā)生相對運(yùn)動,其間的摩擦力由靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮?集料之間的摩阻力減小。在一定的外力與能量作用下,VVCM相對于標(biāo)準(zhǔn)Marshall法單純增大外力,不僅可減少顆粒相互間擠壓、摩擦破壞的幾率,還能使粗、細(xì)集料在運(yùn)動的狀態(tài)下相互填充空隙,提高密實(shí)程度,排列組合更趨合理。

2.3 力學(xué)性能

對不同方法成型的試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表7。表7中,包括Marshall穩(wěn)定度(Marshall stability,MS),Rc為抗壓強(qiáng)度,Ri為劈裂強(qiáng)度,τd為抗剪強(qiáng)度。

表7 不同類型試件力學(xué)性能表

由表7知,與標(biāo)準(zhǔn)Marshall試件相比,VVCM試件的各力學(xué)性能均有提高,提高幅度分別為36%、22%、29%、38%。這是因?yàn)閂VCM法對混合料施加高頻激振力的作用,引發(fā)集料顆粒的相對運(yùn)動,互相填充從而使混合料更密實(shí)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 疲勞試驗(yàn)

3種方法設(shè)計(jì)的SMA-13疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表8。應(yīng)力水平S定義為最大荷載應(yīng)力與極限破壞強(qiáng)度之比,疲勞壽命N定義為混合料達(dá)到破壞的總荷載次數(shù)。

由表8知,不同方法設(shè)計(jì)的混合料,疲勞壽命都隨應(yīng)力水平的增大而逐漸降低。本文采用威布爾分布中的兩參數(shù)方程對疲勞次數(shù)N與應(yīng)力水平S關(guān)系進(jìn)行分析,失效概率P滿足疲勞方程

(1)

通過對數(shù)變換將式(1)轉(zhuǎn)換為

(2)

式中:m0是形狀參數(shù),m0=(1-R)×m,t是比例參數(shù)。

將表8中的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入式(2),將得到的回歸系數(shù)m0、lnt和R2列入表9。

表8 SMA-13疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表9 威布爾分布回歸系數(shù)表

3.2 疲勞方程

將表9中的回歸系數(shù)的值代入式(2),得到不同設(shè)計(jì)方法下,對應(yīng)于不同失效概率,各應(yīng)力水平的試樣的等效疲勞壽命,見表10。

表10 不同失效概率下試件的等效疲勞壽命表

續(xù)表10

瀝青混合料疲勞壽命N與應(yīng)力水平S在雙對數(shù)坐標(biāo)上呈線性關(guān)系

lgN=a-blgS

(3)

式中:a、b是相關(guān)的回歸系數(shù)。疲勞方程中系數(shù)a和b分別為直線的截距和斜率。疲勞壽命N隨著a值增大而增加,即a值越大,混合料疲勞性能越好;系數(shù)b反映疲勞壽命受應(yīng)力水平變化影響的敏感性,即b值越小,疲勞性能越好。

疲勞方程參數(shù)和相關(guān)系數(shù)見表11。根據(jù)回歸系數(shù),構(gòu)造5%和50%失效概率P下的疲勞曲線如圖5所示。

表11 疲勞方程參數(shù)和回歸系數(shù)表

圖5 3種設(shè)計(jì)方法下SMA-13的疲勞曲線圖

由表11、圖5知,與標(biāo)準(zhǔn)Marshall法和SGC法相比,在相同失效概率下,VVCM法設(shè)計(jì)的SMA-13系數(shù)a值較大,而系數(shù)b值較小。這表明,VVCM法設(shè)計(jì)的SMA-13有更好的疲勞性能。

3.3 疲勞壽命分析

計(jì)算不同方法設(shè)計(jì)的SMA-13在S=0.45時的疲勞壽命,見表12。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),車輛荷載作用在瀝青路面上所產(chǎn)生的拉應(yīng)力不會超過0.45[19],因此,本文采用S=0.45對不同方法設(shè)計(jì)的混合料進(jìn)行疲勞壽命分析。NM、NS、NV分別代表3種方法設(shè)計(jì)的SMA-13在S=0.45時的疲勞壽命。

表12 采用不同方法設(shè)計(jì)的試樣的疲勞壽命比較表

由表12知,在應(yīng)力水平S=0.45時,VVCM法設(shè)計(jì)的SMA-13疲勞壽命較標(biāo)準(zhǔn)Marshall法最少提高了33%,較SGC法最少提高了9%。即與標(biāo)準(zhǔn)Marshall法和SGC法相比,VVCM法設(shè)計(jì)的SMA-13具有更好的抗疲勞性能。

3種設(shè)計(jì)方法相比,VVCM法對混合料中瀝青用量的要求較低,從而降低了VV,提高了VFA和密實(shí)度。研究表明,在一定的合理范圍內(nèi),隨著VFA的增加,疲勞性能逐漸提高。同時,密實(shí)度和空隙率對疲勞壽命的影響也非常顯著。較低的空隙率有利于防止水分進(jìn)入路面結(jié)構(gòu),并能將水對路面的破壞控制在最低限度。相關(guān)研究表明,當(dāng)路面結(jié)構(gòu)空隙率足夠低時,即使在荷載作用下,也能保證混合料內(nèi)部不會出現(xiàn)動水壓力,最大限度地防止路面結(jié)構(gòu)的水損害疲勞。因此,混合物的空隙率越高,相應(yīng)的疲勞壽命就越低。振動成型SMA具有較高的密度和較低的空隙率,因而具有較好的疲勞性能。振動成型保證SMA-13內(nèi)部粗骨料相互嵌擠形成更好的骨架,瑪蹄脂分布密實(shí),整體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度更加均勻,避免了試件在重復(fù)荷載的不斷作用下由于局部不均勻出現(xiàn)裂縫而使混合料迅速破壞。綜上,VVCM設(shè)計(jì)的SMA-13有更強(qiáng)的抵擋破壞的能力,能有效減少混合料內(nèi)部的裂縫發(fā)展,故能承受更多次數(shù)的荷載作用,因此疲勞性能更好。

4 結(jié)束語

本文通過間接拉伸疲勞試驗(yàn)評價混合料的疲勞性能,應(yīng)用威布爾分布建立疲勞方程,對比研究了不同成型方法對SMA-13疲勞性能的影響,結(jié)果表明:

(1)不同方法設(shè)計(jì)的SMA-13疲勞壽命均服從雙參數(shù)威布爾分布,建立不同方法設(shè)計(jì)SMA-13的疲勞方程可以準(zhǔn)確預(yù)估其疲勞壽命。

(2)壓實(shí)方法對SMA疲勞性能影響顯著,與標(biāo)準(zhǔn)Marshall法和SGC法相比,VVCM方法設(shè)計(jì)的SMA-13有更好的疲勞性能。表現(xiàn)在當(dāng)失效概率相同時,通過VVCM方法設(shè)計(jì)的SMA-13的系數(shù)a較大,而系數(shù)b較小。

(3)在應(yīng)力水平S=0.45時,VVCM法設(shè)計(jì)的SMA-13疲勞壽命較標(biāo)準(zhǔn)Marshall法至少提高33%,較SGC法至少提高9%,說明VVCM設(shè)計(jì)SMA-13可以有效提高其疲勞壽命。