抗裂型沥青稳定碎石的双面剪切疲劳性能研究

田小革， 韩海峰， 李新伟， 张起森， 李 烨(.长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 404； .广州市高速公路有限公司， 广东 广州 5088)

中国沥青路面结构多采用半刚性基层.与柔性基层相比，半刚性基层虽然较为经济且能够提供足够的承载能力，但在行车荷载和温度荷载的综合作用下易引起沥青面层的开裂.陈璟等[1-3]研究表明，在半刚性基层与沥青混凝土底面层间设置1层沥青稳定碎石(ATB)可起到延缓反射裂缝产生的效果，但其抗反射裂缝的效果与沥青稳定碎石的性能有关.由于中国现行规范中推荐的ATB-25级配范围太宽，在实际使用中有些工程的效果并不理想[3].因此，提高ATB的抗反射裂缝能力对于保证沥青路面的路用性能和使用寿命具有重要意义.在半刚性基层开裂的条件下，裂缝处的沥青稳定碎石层可同时承受行车荷载产生的弯拉作用和剪切作用.李立寒等[4]研究了泡沫沥青稳定碎石混合料圆柱体试件的压缩疲劳特性；李骏[5]通过小梁弯曲疲劳试验研究了ATB-30的抗疲劳性能；陈飞等[6]通过四点弯曲疲劳试验研究了3种ATB的抗疲劳性能；贾水彩等[7]通过三点弯曲疲劳试验研究了沥青稳定碎石的抗疲劳性能.但是以上研究均未涉及到沥青稳定碎石的抗剪切疲劳性能.

本文优化设计了粗集料间断半开级配的沥青稳定碎石(ATB-25)，通过双面剪切试验和双面剪切疲劳试验，研究其抗剪切疲劳性能，并建立p-S-N型的疲劳方程.

1 原材料与级配设计

1.1 原材料

沥青采用东莞泰和沥青有限公司生产的SBS-I-D改性沥青，其技术指标见表1.粗细集料均为石灰岩石料，矿粉由石灰岩集料加工而成，其技术指标均满足技术要求.

1.2 粗集料间断半开级配沥青稳定碎石的级配设计

为提高ATB-25的抗裂性能，在进行级配设计时，考虑了如下级配优化原则：(1)采用粗集料骨架结构的级配，以提高ATB的抗永久变形能力；(2)为保证骨架结构的稳定性，避免中间粒径集料对已形成的粗集料骨架结构的干涉作用，间断4.75mm 或9.5mm 粒径的集料；(3)为提高其抗裂能力，可适当增加其空隙率(体积分数)，采用控制空隙率为8%～10%的半开级配；(4)针对增大空隙率可能影响粗集料间的黏结性能问题，采用改性沥青来增强集料间的黏结.

表1 SBS-I-D改性沥青技术指标Table 1 Technical indexes of modified asphalt binder SBS-I-D

基于上述级配优化思想，采用体积设计法[8]确定ATB-25的级配(见表2)，按照文献[9]，采用大型马歇尔法确定其最佳沥青用量(质量分数)为4.6%.

表2 粗集料间断半开级配沥青稳定碎石ATB-25级配Table 2 Gradation of coarse aggregate gapped and semi-opened ATB-25

2 ATB-25双面剪切疲劳试验

2.1 试验方案

成型ATB-25混合料车辙板试件，将其切割成300mm×80mm×80mm的梁式试件，采用如图1所示的加载模式进行单向双面剪切疲劳试验.该加载装置将梁式试件分成等长的3部分，其中左右两部分用钢板和螺栓固定，在中间部分的上表面放置1块钢片进行加载，使其在试件中部的两侧截面处产生剪切，形成双面剪切.

图1 双面剪切疲劳试验Fig.1 Double sides shear fatigue test

双面剪切疲劳试验采取控制应力的疲劳加载模式，应力比S分别为0.1，0.2，0.3，0.4和0.5，荷载波形为半正弦波荷载，加载频率为10Hz，试验温度为15℃.考虑到疲劳试验结果会有较大的离散性，每个应力比做8个平行试验.

2.2 抗剪强度

取同一批的3根梁式试件进行了加载速率为5mm/min 的双面剪切试验，得到了ATB-25梁式试件的双面剪切强度(见表3)，以此作为剪切疲劳试验的控制强度.

表3 ATB-25梁式试件的双面剪切强度Table 3 Double-side shear strength of ATB-25 beam samples

2.3 剪切疲劳破坏标准

试件的剪切疲劳过程主要分为压密、稳定变形与破坏3个阶段.破坏阶段时试件的变形量剧增，是试件发生疲劳破坏的征兆.因此，将稳定变形阶段与破坏阶段的拐点作为试件产生剪切疲劳破坏的临界点，此时的疲劳荷载作用次数作为剪切疲劳寿命Nf.

2.4 剪切疲劳试验结果

对ATB-25梁式试件按前述试验方案设定的试验条件，进行了不同应力比下的双面剪切疲劳试验(每种应力比下各进行8次试验)，得到相应的剪切疲劳寿命(见表4).

表4 不同应力比下ATB-25梁式试件的疲劳寿命Table 4 Fatigue lives under different stress ratio of ATB-25 beam samples

由表4可知，ATB-25梁式试件的剪切疲劳寿命具有一定的离散性，且应力比越小，离散性越大；应力比对ATB-25梁式试件的疲劳寿命具有显著影响，随着应力比的降低，其疲劳寿命大幅增加.

3 考虑失效概率的双面剪切疲劳方程

由于ATB-25梁式试件的疲劳寿命具有一定的离散性，若单纯采用应力-寿命(S-N)曲线来表征其疲劳寿命，通常只有50%左右的保证率[10]，因此，本文将剪切疲劳寿命当作随机变量，以概率统计的形式合理准确地描述寿命分布情况，建立包含失效概率p的概率型(p-S-N型)疲劳方程.

由于Weibull分布是根据最弱环节模型或串联模型得到的，能充分反映材料缺陷和应力集中源对材料疲劳寿命的影响，且具有比对数正态分布更大的适用性[10]，所以本文选用Weibull分布模型来分析ATB-25梁式试件的剪切疲劳寿命.

表5 不同应力比下Weibull分布参数的回归关系Table 5 Parametric regression in Weibull model under different stress ratio

表6 不同失效概率下ATB-25梁式试件的疲劳寿命Table 6 Fatigue lives of ATB-25 beam samples under different failure probability cycle times

采用双对数方程lnN-lnS对表5中数据进行回归，得到包含失效概率p的剪切疲劳方程：

lnN= (0.4342p2-0.4616p-3.0416)×lnS+

(-0.6557p2+0.6956p+2.0418)

4 结论

(1)ATB-25梁式试件的剪切疲劳破坏过程可分为压密、稳定变形和破坏3个阶段.

(2)应力比对ATB-25梁式试件的剪切疲劳寿命具有显著影响，随着应力比的降低，ATB-25梁式试件的疲劳寿命逐渐增加.

(3)ATB-25梁式试件的剪切疲劳寿命具有较大的离散性，服从双参数Weibull分布.

(4)建立了包含失效概率p在内的p-S-N型式的剪切疲劳方程：

lnN= (0.4342p2-0.4616p-3.0416)×lnS+

(-0.6557p2+0.6956p+2.0418)

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