富橡胶沥青稳定碎石的抗双面剪切疲劳性能研究

2023-01-16 08:25田小革窦文利昶慧芹李慧珍李光耀
湖南交通科技 2022年4期
关键词:油石双面回归系数

田小革, 窦文利, 昶慧芹, 李慧珍, 李光耀

(1.长沙理工大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410114; 2.河北省高速公路京雄临时筹建处, 河北 保定 071700;3.承德市交通局交通规划设计院, 河北 承德 067000; 4. 河北高速公路集团有限公司, 河北 石家庄 050031)

0 引言

我国高等级公路的路面结构型式主要是半刚性基层沥青路面[1],由于半刚性材料易产生干缩/温缩开裂,在行车荷载作用下,半刚性基层开裂部位的沥青下面层存在较大的应力集中,拉应力、剪应力都比未开裂部位大,容易出现疲劳破坏,从而产生反射裂缝[2]。因此,提高下面层沥青混合料的抗裂性能是延缓或避免反射裂缝产生或发展的重要途径之一[3-4]。本文提出采用橡胶沥青制备沥青稳定碎石,并通过增大橡胶沥青用量的方法,进一步提高其抗裂、抗疲劳性能。同时,采用平衡设计法原理设计富橡胶沥青稳定碎石混合料,并对其抗疲劳性能进行了研究。

沥青混合料的抗疲劳开裂性能评价方法有很多种,包括单轴拉伸疲劳试验[5]、小梁三点/四点弯曲试验[6-8]、半圆试件弯曲试验(SCB)[9-11]、Overlay Tester试验[12]等,但尚未统一标准。考虑到半刚性基层开裂后,沥青面层在行车荷载的作用下在半刚性基层裂缝处会产生剪切作用,而目前很少有针对沥青稳定碎石抗剪切疲劳性能的研究。所以,为了更好地模拟基层出现裂缝后下面层受剪切作用产生的疲劳破坏,选用双面剪切疲劳试验来研究富橡胶沥青ATB-25的抗疲劳开裂性能。通过对不同大油石比下的橡胶沥青ATB-25混合料进行车辙试验和双面剪切疲劳试验,确定橡胶沥青的掺量;并研究其抗剪切疲劳性能随应力比的变化,建立P-S-N型剪切疲劳方程。

1 试验材料与方案

1.1 橡胶沥青的制备

基质沥青采用70A#沥青,技术指标见表1。

表1 基质沥青的技术指标类别针入度(25 ℃,5 s,100 g)/0.1 mm针入度指数软化点/℃10 ℃延度/cm15 ℃延度/cm60 ℃动力黏度/(Pa·s)闪点/℃含蜡量/%溶解度/%相对密度(25 ℃)TFOT后质量变化/%残留针入度比(25 ℃)/%残留延度(10 ℃)/cm规范要求60~80-0.3747≥20≥100≥180≥260≤2.2≥99.5实测±0.8≥63≥6试验结果71-1.5~1≥4685>1502202902.199.831.0430.1666.8

橡胶粉选用60目橡胶粉。配制橡胶粉掺量分别为18%、20%、22%的橡胶沥青,测定各自的基本性能参数,比选后确定胶粉掺量为20%,制备掺量为20%的橡胶沥青,其性能参数见表2。

表2 制备橡胶沥青的技术指标针入度(25 ℃,5 s,100 g)/0.1 mm软化点/℃5°延度/cm15°延度/cm180 ℃布氏旋转黏度/(Pa·s)43.470.114.215.44.63

1.2 富橡胶沥青稳定碎石ATB-25混合料的级配

配制富橡胶沥青ATB-25混合料的粗、细集料均为石灰岩碎石,填料为石灰岩磨细的矿粉。合成级配采用某依托工程实际采用的级配(见表3),设计空隙率为4%,油石比为3.6%。

为确定富橡胶沥青ATB的橡胶沥青用量,制备了不同油石比(3.2%、3.6%、4.0%、4.4%、4.8%)的橡胶沥青ATB-25试件,参照平衡设计法的理念[13-15],分别按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T 0719—2011)进行车辙试

表3 富橡胶沥青ATB-25级配项目通过下列筛孔(mm)的质量百分率/%31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075级配上限100100806862524032251814106级配下限—90604842322015108532合成级配10092.267.558.348.639.726.219.815.512.510.37.14.9

验[16]和双面剪切疲劳试验,双面剪切疲劳试验温度选择为15 ℃,加载波形为正弦波,频率为10 Hz,采用应力控制模式,根据最大剪切应力1.94 MPa进行0.5应力比的双面剪切疲劳试验。然后根据不同油石比橡胶沥青ATB-25混合料的高温抗车辙性能和抗剪切疲劳性能,综合决定橡胶沥青的用量为4.4%。

图1为油石比对橡胶沥青ATB-25的动稳定度和剪切疲劳寿命的影响。在试验选用的油石比范围内,橡胶沥青ATB-25的剪切疲劳寿命随油石比的增大而增大,且增大幅度较为明显,表明通过增大油石比提高沥青混合料的抗裂性能是有效的。因此,综合考虑稳定度指标和疲劳寿命指标,最终确定富橡胶沥青ATB-25的油石比为4.4%。

图1 油石比对橡胶沥青ATB-25动稳定度和剪切疲劳寿命的影响

2 试验结果分析

2.1 富橡胶沥青ATB-25的抗剪切疲劳性能

成型车辙板试件,将其切割成300 mm×80mm×80 mm梁式试件,采用自制双面剪切仪(如图2所示)进行单向加载的双面剪切疲劳试验。

图2 双面剪切疲劳试验(单位:mm)

该仪器由底座、左右两块固定钢板和螺栓及中间一块加载钢板组成。该装置将梁式试件分成左、中、右等长的3部分,通过加载钢板对试件中部进行均匀加载,在试件中部的两侧截面处产生剪切效应,由此形成双面剪切。

双面剪切疲劳试验采取控制应力的循环加载模式,先确定ATB-25梁式试件的双面抗剪强度,以此作为剪切疲劳试验的控制强度,然后进行应力比分别为0.3、0.4、0.5、0.6条件下的疲劳试验。加载频率为10 Hz,加载速率为50 mm/min,加载波形采用正弦波,试验温度为15 ℃,以小梁试件完全破坏为标准。每个应力比制作3个平行试件。实测各试件的剪切疲劳寿命见表4。

表4 富橡胶沥青ATB-25梁式试件的双面剪切疲劳寿命剪切强度/MPa不同应力比下疲劳寿命Nf/次0.30.40.50.67 8923 4221 2199601.948 3313 6731 4881 0248 8463 7911 6731 248

图3为应力比对富橡胶沥青疲劳寿命的影响,从图中可以看出:应力比对富橡胶沥青ATB-25的疲劳寿命具有显著影响,应力比增大,其疲劳寿命大幅减小。

图3 应力比对富橡胶沥青ATB-25疲劳寿命的影响

2.2 考虑失效概率的双面剪切疲劳方程

考虑到富橡胶沥青ATB-25剪切疲劳寿命试验结果(见表4和图3)离散性较大,若采用常见的应力-疲劳寿命(S-N)方程来表征其应力和疲劳寿命的关系,精度较差(通常只有50%左右的保证率)[17-18]。因此,采用统计学中的威布尔分布(Weibull distribution)模型[19]对疲劳试验结果进行分析,建立包含失效概率P的概率型(P-S-N型)疲劳方程。

对两参数威布尔分布函数[30]进行整理可得:

(1)

Y=αX-β

(2)

对表4中的数据进行计算,得到各应力比的回归系数如表5所示。

表5 不同应力比下4.4%油石比ATB-25的回归系数应力比SαβR20.313.74124.50.990 50.414.863122.240.9780.54.907 736.1460.993 50.65.408 238.1560.880 1

将表5中不同应力比的双参数威布尔概率分布参数α、β代入式(2),可计算出富橡胶沥青ATB-25试件在不同失效概率P下的等效疲劳寿命(见表6)。

表6 不同失效概率下ATB-25梁式试件的等效疲劳寿命应力比S以下失效概率P下的等效疲劳寿命0.050.10.20.30.40.50.36 9397 3137 7237 9918 2038 3870.43 0553 2073 3733 4813 5663 6400.58639991 1641 2811 3781 4660.66697648789581 0241 083

对表6中的数据采用双对数方程(见式3)进行回归,可得不同失效概率下应力比S与疲劳寿命N之间的回归系数(见表7)。

lgN=a-blgS

(3)

式中:a、b为回归系数。

表7 不同失效概率下应力-疲劳寿命方程回归系数回归系数以下失效概率P下的应力-疲劳寿命方程回归系数0.050.100.200.300.400.50a3.008 13.060 13.114 33.148 23.174 23.196 2b3.608 23.462 03.309 53.214 23.141 23.079 2R20.964 80.970 70.976 70.980 20.982 80.984 8

表7中的系数a、b是关于失效概率P的函数,对其分别进行拟合,得到包含失效概率P的抗剪切疲劳方程如式(4)所示。

lgN=(-0.765 2P2+0.811 7P+2.977 6)-

(2.151 7P2-2.282 5P+3.693 9)lgS

(4)

3 结语

以实际工程采用的ATB-25配合比为基础,制备不同高橡胶沥青含量的橡胶沥青ATB-25,通过车辙试验和双面剪切疲劳试验,确定了富橡胶沥青ATB-25的橡胶沥青用量;然后对制备的富橡胶沥青ATB-25进行了不同应力比下的双面剪切疲劳试验,并对试验结果进行了统计分析,建立了概率型的疲劳方程。取得的具体成果如下:

1)综合油石比对其高温抗车辙性能和抗剪切疲劳性能的影响,确定橡胶沥青的掺量为4.4%。

2)油石比和应力比对橡胶沥青稳定碎石ATB-25抗剪切疲劳寿命具有显著影响,且油石比对剪切疲劳寿命的影响程度比应力比更大。

3)疲劳数据的统计分析表明ATB-25梁式试件的剪切疲劳寿命符合双参数威布尔分布。建立了富橡胶沥青ATB-25含失效率P的P-S-N型剪切疲劳寿命方程:lgN=(-0.765 2P2+0.811 7P+2.977 6)-(2.151 7P2-2.282 5P+3.693 9)lgS。

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