沥青混合料疲劳性能关键影响因素分析

Analysis of key influential factors of asphalt mixture fatigue property
Zhu Hongzhou Huang Xiaoming
( Col lege of Transportat ion, Southeast U niversity, Nanjing 210096, China)
收稿日期 : 2003 09 01. 作者简介 : 朱洪洲 ( 1976 ) , 男 , 博士生 ; 黄晓明 ( 联系人 ) , 男 , 博 士 , 教授 , 博士生导师 , huangxm@ seu. edu. cn.
Байду номын сангаас
程度 , 为沥青混合料疲劳设计提供参考 .
1 影响沥青混合料疲劳性能的材料 因素
级配 A B C D E F 筛孔尺寸 / mm 19 0 100 100 100 100 100 100 16 0 97 5 97 5 95 0 95 0 95 0 100 13 82 82 82 75 71 92 2 5 5 5 0 0 5 9 5 68 0 62 5 70 0 60 0 57 5 60 0 4 75 52 5 35 0 46 0 40 0 35 0 29 0 2 36 41 0 26 5 31 5 26 5 25 0 20 0
沥青技术性质
编号 ! 89 > 100 48 1 1 1 021
集料各项性能指标符合规范要求. 6 种矿料级 配类型如表 2 所示.
%
0 3 16 0 13 5 10 5 9 0 9 5 7 5 0 15 11 0 11 5 7 0 6 0 7 0 6 0 0 075 6 0 8 0 4 0 3 5 5 0 4 0 备注 AC 16 SAC 16 superpave 16 AC 16 ! AK 16 AK 13B
性能也有影响. 表面粗糙、 棱角性好的集料通常由 于难以压实而造成较高的空隙率, 从而缩短混合料 疲劳寿命 ; 但粗糙有棱角的集料可以产生劲度高的 沥青混合料 , 影响混合料疲劳性能. 集料级配对于 混合料疲劳性能的影响主要因为级配类型对混合 料的空隙率影响很大 . 一般而言, 由于密级配沥青 混合料较开级配混合料具有较低的空隙率, 因而具 有更好的疲劳性能. 1 4 混合料空隙率 研究表明, 不论对控制应力的加载模式 , 还是 控制应变的加载模式 , 沥青混合料的疲劳寿命随着 混合料空隙率的降低而显著增长. 这是因为空隙率 越大, 沥青混合料内部的空隙与微裂缝就越多 , 在
262
东南大学学报( 自然科学版)
第 34 卷
3
灰关联分析
灰关联分析是一种系统分析方法 , 可在不完全
按灰关联分析方法 , 首先对表 3 所示试验结果 进行初值化处理, 计算求差序列 , 最终计算各因素 灰关联系数如表 4 所示. 图 1 为各因素的灰关联度 的直观对比. 可以看出各影响因素对 K 值的影响 大小依次为: 沥青混合料饱和度, 混合料空隙率, 胶 粉质量比 , 沥青膜厚度, 4 75 mm 筛孔通过率, 油石 质量比 , 沥青软化点 , 沥青针入度 . 因此 , 沥青饱和 度对沥青混合料疲劳性能的影响最显著. 根据美国 SHRPA 003A 的研究, 沥青饱和度对沥青混合料疲 劳寿命有重要影响 , 如图 2 所示 . 图中 Nx , N 70 分别 为沥青饱和度为 x % 和 70% 的混合料疲劳寿命 .
沥青针入度 沥青 级配 沥青 P / 0. 1 mm 软化点/ ∀ A B C D E F ! ! ! 89 89 89 88 88 88 46 8 46 8 46 8 48. 0 48. 0 48. 0 油石 质量比 0. 047 0. 044 0. 047 0. 052 0. 050 0. 053 4 75 mm 筛孔 通过率 / % 52 5 35. 0 46. 0 40. 0 35. 0 29. 0 胶粉 质量比 0 78 0 55 1 18 1 49 1 00 1 33 沥青混合料 沥青混合料 空隙率/ % 饱和度 / % 3 89 3 80 3 56 6 90 7 15 7. 28 79. 0 78 3 74 6 61. 0 60. 0 60. 0 沥青膜 厚度/ m 7 24 6 72 10 52 12 91 10 99 13 82 K 4 256 1 909 2 649 2 873 2 172 1 602 n 1 159 5 1 701 3 1 943 1 2 870 0 3 120 0 3 010 0
荷载反复作用下就愈易引发微裂缝的扩展破坏, 从 而使其疲劳性能降低. 以上分析了影响沥青混合料疲劳性能的内部 因素 . 在对沥青混合料疲劳性能进行试验研究和评 价时 , 还需考虑不同试验条件的影响. 综上所述, 本 文选取沥青针入度、 沥青软化点、 油石质量比、 集料 4 75 mm 筛孔通过率、 胶粉质量比、 沥青 混合料空 隙率及饱和度和沥青膜厚度作为影响沥青混合料 高温稳定性的主要因素进行研究 .
11 沥青性质 沥青粘度对混合料疲劳寿命的影响主要由于 其对混合料劲度的作用 . 因此 , 在控制应力的加载 模式下, 沥青混合料疲劳寿命随沥青粘度的增加而 增加 ; 而在控制应变的加载模式下 , 沥青越软, 混合 [ 1] 料疲劳寿命越长. P. S. Pell 的研究表明 , 在一定的 沥青用量下 , 沥青的软化点越高 , 混合料的疲劳寿 命就越长 . 1 2 沥青用量 在集料级配一定的情况下, 沥青用量的增加会 导致沥青饱和度提高和沥青膜厚度增加, 这样会显
第2期
朱洪洲, 等 : 沥青混合料疲劳性能关键影响因素分析
261
著影响沥青混合料的疲劳寿命. 研究表明 , 在控制 应力的加载模式下, 相应于混合料的最大疲劳寿命 有一个最佳的沥青用量[ 2, 3] . 这个沥青用量不仅与 矿料的级配有关 , 而且与集料的种类有关 , 通常与 最大混合料劲度所需的最佳沥青用量相符; 而在控 制应变的加载模式下 , 混合料疲劳寿命随沥青用量 的增加而增大. 1 3 集料特性及级配 矿料表面性状( 纹理、 形状 ) 对沥青混合料疲劳
表 2 矿料级配组成 ( 质量分数 )
1 18 29 5 20 0 20 0 19 0 17 5 15 0 0 6 22 0 16 0 13 5 13 0 13 0 10 0
2 2
疲劳试验方法 疲劳试验采用控制应力的三分点加载小梁试
可以看出 , 沥青混合料的抗疲劳性能通过应力 与疲劳作用次数的回归方程的 2 个参数 n, K 来 反映 . K 值表示疲劳曲线线位的高低, K 值越大说 明混合料耐疲劳性能越好; n 值表示疲劳曲线斜率 的陡缓程度, n 值越大 , 混合料的疲劳寿命对应力 水平变化越敏感, 表示混合料耐疲劳性越差. 文献 [ 4, 5] 进行了上述级配沥青混合料的疲劳试验 , 表 3 列出了试验结果 .
第 34 卷第 2 期 2004 年 3 月
东 南 大学 学 报(
自然 科学版)
JOU RNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY ( Natural Science Edition)
Vol 34 No 2 Mar. 2004
沥青混合料疲劳性能关键影响因素分析
朱洪洲 黄晓明
( 东南大学交通学院 , 南京 210096)
2 材料及试验方法
21 材 料 沥青技术性质见表 1.
表1
指 标 针入度 ( 25 ∀ , 100 g, 5 s) P / 0. 1 mm 延度 ( 15 ∀ , 5 cm/ min) D / cm 软化点 t R&B/ ∀ 蜡的质量分数 / % 密度 / ( g# cm - 3 ) 88 > 100 46 8 1 9 1 019
验, 试验温度 15 ∀ , 试件尺寸为 50 mm ∃ 50 mm ∃ 250 mm, 荷载为半正矢波形 , 加载频率为 10 Hz. 一 般而言, 应力 疲劳寿命关系呈对数线形关系, 即 N= K 式中 , N 为疲劳寿命; 的系数. 1
n
为拉应力 ; n, K 为试验确定
表 3 沥青混合料疲劳试验结果
摘要: 从材料角度讨论了影响沥青混合料抗疲劳性能的因素, 对不同因素条件下沥青混合料室 内疲劳试验结果进行灰关联分析, 分别研究了沥青性质 、 集料级配和混合料体积参数对沥青混合 料疲劳模型中 K 值和 n 值影响的程度 . 研究表明: 混合料饱和度和空隙率对 K 值, 即沥青混合料 疲劳寿命有较大影响 ; 胶粉质量比和沥青膜厚度对 n 值, 即疲劳寿命对应力水平变化敏感程度 有较大影响 . 因此要提高沥青混合料耐疲劳性能, 应保证沥青用量 , 从而形成高质量的沥青胶结 料, 并使混合料充分密实 . 关键词: 沥青混合料; 疲劳性能 ; 影响因素; 灰关联分析 中图分类号 : U414 75 文献标识码 : A 文章编号: 1001- 0505( 2004) 02 0260 04
Abstract: The influential factors of asphalt mixture fatigue property such as asphalt binds properties, gradation of aggregate, percent air voids and percent of voids filled with asphalt in asphalt mixtures are discussed. Beam flexure fatigue test results of different asphalt mixtures are analyzed by gray relation degree theory. Gray relation degree between each factor and K and n in fatigue model are studied respectively. The results show that percent air voids and percent of voids filled with asphalt in asphalt mixtures have great influence affect K value which indicates the extension of fatigue life. On the other hand, filler bitumen ratio and asphalt film thickness primarily affect n value which indicates the stress sensitivity of fatigue life. Therefore appropriate asphalt content, high quality bitumen filling combinat ion and reasonable compacted density will produce preferable fatigue property of asphalt mixtures. Key words: asphalt mixes; fatigue property; influential factors; gray correlat ion analysis 在汽车轮载作用下, 沥青路面长期承受应力应 变重复循环变化 , 致使路面结构强度逐渐下降 . 当 荷载重复作用超过一定次数后 , 荷载应力超过路面 材料极限强度, 使路面出现裂缝, 即为疲劳断裂破 坏. 疲劳损坏是沥青路面尤其是柔性基层沥青路面 的主要破坏模式之一 . 因此 , 多年以来沥青及沥青 混合料的疲劳性能一直是路面工程研究重点 , 美国 SHRP 研究计划也把沥青及混合料的疲劳作为主要 研究项目之一. 本文从材料角度分析了影响沥青混 合料抗疲劳性能的因素, 并采用灰关联方法对不同 因素条件下沥青混合料小梁疲劳试验结果进行分 析, 评价各影响因素对沥青混合料疲劳性能影响的