聚酯玻纤布加筋沥青混合料应力疲劳试验研究

纤维的复合物。具有很高的耐热性和优异的耐寒性，即使在250℃高温时其性能仍然稳定。②膨胀系数低，耐磨性强。③抗撕裂强度优良，没有长期蠕变，并有优良的物理化学稳定性。④与沥青有良好的相容性。⑤能防止路表面水下渗。⑥在沥青回收时，可以碾磨碎，从而提高RAP的路用性能。⑦施工时不会折皱，施工方便。

试验中按照试验程序，对聚酯玻纤布进行了一系列物理特性测试试验，每个指标均测试了6个平行试件，试验结果如表1所示。

表1  聚酯玻纤布的主要技术参数

1.2沥青混合料

本研究采用了两种沥青，即埃索 AH-70^＃普通沥青和SBS改性沥青，按照沥青和沥青混合料试验规程^[2]对沥青的试验指标进行了测定，试验结果见表2所示。

表2  沥青的试验指标与技术要求

本试验采用了石灰岩（Limestone）和玄武岩（Basalt）两种不同的集料，矿粉均采用石灰石矿粉，集料和矿粉均满足试验规范^[3]的要求。本研究选择了两种级配，即AC-20I和AK-13。沥青用量由Marshell试验确定，AC-20I、AK-13A两种沥青混合料的最佳油石比分别是4.2％、5.0％。AC-20I、AK-13A两种沥青混合料的材料组合见表3所示：

表3   两种沥青混合料的材料组合

2  试验方法设计

沥青混合料的疲劳特性可以用各种不同的室内试验方法测定，各国都没有统一的规定。目前应用最多的主要有：简单弯曲试验（包括中点加载或者三分点加载等）、支承弯曲试验、单轴试验、间接拉伸试验、三轴试验等。经过多方面的比较，重复弯曲试验最能代表实际路面的受力状况，试验结果可直接用于设计，故本研究采用重复弯曲疲劳试验，具体试验设计如下：

2.1 加载控制模式

应力控制模式的再现能力较好，试验时间较短，以试件的完全断裂作为疲劳破坏的标准。由于施加定荷载过程中，在应力集中处开始产生裂缝，随着荷载作用次数增多，试件不断受到损伤，试件中材料的劲度也随之而降低，而弯挠应变随之增大，疲劳破坏的定义明确，另外，控制应力模式所需试件数量较少，疲劳数据点分散程度小，应力精度控制可靠，且易设定试件破坏状态。因此，本研究采用应力控制模式在MTS试验系统上进行沥青混合料疲劳试验研究，加载模型见图1：

图 1 应力控制加载疲劳试验模型示意图

2.2  荷载波形与频率

本试验采用正弦波形荷载进行加载，由于荷载波形全部处于受压的一侧，也称半正失波^[4]，且在相邻波形之间不插入间歇时间。对于室内小型试验，车轮荷载的加载时间可根据VanderPoel的公式来确定t=1/(2πf)，选择加载频率为10Hz，加载时间为t=1/(2πf)=0.016s，0.016s的加载时间对沥青混合料路面大致相当于60～65km/h的行车速度。

2.3  试验温度

我国沥青路面设计规范中容许拉应力指标采用的是15℃的参考值，此外，哈尔滨建筑科技大学的研究成果表明，虽然全国各地气温变化很大，但沥青混合料的疲劳寿命主要集中在13～15℃之间，恰好在北方春融期温度，南方地区的雨季温度，在此季节路面结构强度有明显减弱，是路面结构抵抗疲劳破坏最不利时期，所以，本研究试验温度采用15℃。

2.4  试件成型

试件采用由轮碾法成型的车辙试验板（30cm×30cm×5cm），切割成的长250mm±2.0mm，宽35mm±2.0mm，高35mm±2.0mm的棱柱体小梁，其跨径为200mm0.5mm。试件晾干后，并在相应数目的小梁下用普通热沥青分别粘贴聚酯玻纤布。试验前，在试验温度15℃下养护6h。

3 试验结果与分析

3.1弯曲试验结果与分析

在疲劳试验前，测定加载速率为50mm/min， 15℃温度条件下沥青混合料的弯拉强度，为应力控制疲劳试验的应力水平提供基准。弯曲试验结果见表4所示：

表4   沥青混合料弯曲试验结果（15℃）

【注】：*N——基础试件；*T——有聚酯玻纤布的试件

从试验结果可以看出，聚酯玻纤布复合的沥青混合料的抗弯拉强度较基础试件都有明显的提高。同级配的沥青混合料，改性沥青的优于普通沥青。

3.1疲劳试验结果与分析

根据各组沥青混合料15℃的弯曲强度，分别以应力强度比0.2、0.25、0.3、0.35、0.4在MTS-810材料试验机上对六组混合料试件进行弯拉疲劳试验，为减少试验误差，每组混合料的每个应力水平各做3～5个平行试件。本试验的沥青混合料疲劳试验有效试验数据均值见表5。

表5 应力控制疲劳试验疲劳寿命统计

由图2～图4给出应力控制条件下应力水平与疲劳寿命次数的关系。

图2  应力控制模式下AC-20I普通沥青（BP）混合料疲劳试验结果

图3  应力控制模式下AC-20I改性沥青（BG）混合料疲劳试验结果

图4  应力控制模式下AK-13A（KG）沥青混合料疲劳试验结果

由上图可以得到如下结论：

a）疲劳寿命与应变水平在半对数坐标上有较好的相关性，可用方程表示，其中A、n为试验参数，疲劳方程的相关系数（0.95～0.99）较理想，故可用回归方程预测沥青混合料的疲劳寿命。

b）对于同级配不同沥青的混合料，改性沥青的A值和n值均较普通沥青混合料高。改性沥青混合料的疲劳寿命较长，特别是在低应力比下，大约为普通沥青混合料的2倍，但聚酯玻纤布加筋后，普通沥青混合料（BP）提高的比例较改性沥青混合料（BG）多。

c）同一应力比下，不同级配的沥青混合料，BG和KG混合料的疲劳性能较优且相近，BP沥青混合料的疲劳性能较差，这说明改性沥青混合料的疲劳性能较优。

d）从应力控制的疲劳试验来看，聚酯玻纤布加筋沥青混合料的疲劳寿命有较大提高（提高比例为10％～70％），尤其在低应力比下，聚酯玻纤布加筋沥青混合料趋向于更长的疲劳寿命。

图5  KG混合料疲劳试验跨中位移与运行次数对应关系图

图5给出沥青混合料应力控制疲劳试验位移与运行次数之间的关系，随着运行次数的增大，位移随之增大。以基础试件运行次数相同时对应的位移相比，聚酯玻纤布加筋的试件位移明显小于基础试件。此外，有聚酯玻纤布的试件在破坏前能承受更大的变形。

4  结 语

本文运用MTS材料试验系统对两种级配六种沥青混合料进行了应力控制的疲劳试验，并对其疲劳试验数据进行详尽的分析，主要结论如下：

1）在应力控制的疲劳试验中，在半对数坐标下以应力表示方程能较好的判断混合料的疲劳性能，同时考虑相关因素，还能较好的预测混合料的疲劳寿命。

2）低应力比下，聚酯玻纤布加筋沥青混合料疲劳寿命提高的比例较大；同时，在低应力水平下，沥青混合料趋向于更长的疲劳寿命。对同种级配沥青混合料，聚酯玻纤布加筋后，普通沥青混合料提高的比例较改性的大。

3）相同作用次数时，基础试件的跨中位移比聚酯玻纤布试件的大。这说明聚酯玻纤布加筋沥青混合料能延缓裂缝的发生。

4）通过观测，虽然沥青混凝土梁中裂缝已经发展到试件顶部，但聚酯玻纤布仍没有出现破坏现象，故可以继续起到加筋作用，这在一定程度上提高了结构的承载能力。

5）在实际道路上行车加载有间歇时间(≥2s)，这将有利于沥青混合料疲劳过程的恢复,而室内疲劳试验的荷载脉冲间没有设置间歇时间，故在室内得到的疲劳寿命将明显小于道路路面实际的疲劳寿命。国外研究者布朗认为，因室内疲劳试验的荷载脉冲没有设置间歇时间，与实际道路行车荷载相比，可导致室内试验的疲劳寿命减少到1/5。

参考文献

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