水對瀝青混合料疲勞壽命影響的試驗研究

高智杰，梁乃興，肖 雄

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074)

瀝青混凝土路面具有表面平整、無接縫、行車舒適、耐磨、震動小、噪音低、施工周期短、外形美觀、養(yǎng)護(hù)維修簡便、適宜分期修建等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得越來越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已成為我國公路路面的主要形式。然而，瀝青路面存在病害多且復(fù)雜的特點(diǎn)。其疲勞破壞是瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞的主要形式之一。國內(nèi)外道路工作者對此進(jìn)行了多種研究，并取得了一定的成果。然而，在潮濕的氣候特征下，瀝青路面的疲勞特性與常規(guī)情況下表現(xiàn)出較大的差異，其疲勞破壞機(jī)理、疲勞破壞過程都有所不同。筆者采用氣動伺服瀝青材料試驗機(jī)，以AC-25瀝青混合料為例，分別進(jìn)行劈裂疲勞試驗和凍融劈裂疲勞試驗，探討水損壞對瀝青混合料疲勞特性的影響［1－3］。

1 試驗

1.1 瀝青混合料組成設(shè)計

1.1.1 試驗原材料

AC-25瀝青混合料粗集料(d>2.36 mm)采用石灰?guī)r;細(xì)集料(d<2.36 mm)采用石灰?guī)r機(jī)制砂，填料為礦粉。瀝青結(jié)合料均采用殼牌70#瀝青。各項技術(shù)指標(biāo)均符合JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

1.1.2 設(shè)計級配

AC-25瀝青混凝土的級配選擇規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)的3種:靠近級配范圍下限的粗級配(Ⅰ型);級配范圍的中值(Ⅱ型);靠近級配范圍上限的細(xì)級配(Ⅲ型)。AC-25的3種級配組成見表1。

1.1.3 最佳油石比

根據(jù)馬歇爾試驗結(jié)果，綜合分析確定出粗(Ⅰ型)、中(Ⅱ型)、細(xì)(Ⅲ型)級配AC-25瀝青混凝土的最佳油石比分別為3.8%，3.7%，3.9%。

1.2 劈裂試驗

1.2.1 試驗方法

試驗方法嚴(yán)格按照J(rèn)TJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進(jìn)行。試件成型方法:按瀝青混合料馬歇爾試驗標(biāo)準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)擊實成型的圓柱體試件，試件尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的尺寸要求，每組5個試件，加載方式為應(yīng)力控制，加載波形和頻率為10Hz連續(xù)式半正矢荷載，應(yīng)力比分別為0.3，0.4，0.5，0.6，0.7。將標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試樣切割成高40～50 mm的試件用于進(jìn)行劈裂疲勞試驗。對3種級配AC-25瀝青混凝土試樣經(jīng)過未凍融和1次凍融循環(huán)處理后在25℃條件下進(jìn)行了劈裂疲勞試驗。劈裂疲勞試驗儀器為氣動伺服瀝青材料試驗機(jī)。

表1 3種級配AC-25組成Tab.1 Three kinds of AC-25 grading composition

1.2.2 劈裂試驗與劈裂疲勞試驗結(jié)果

3種級配AC-25瀝青混凝土試樣在25℃條件下的劈裂試驗結(jié)果如表2，疲勞試驗結(jié)果如表3。

表2 AC-25試樣的劈裂試驗結(jié)果Tab.2 The results of splitting test on AC-25 samples

表3 AC-25瀝青混凝土在25℃時的疲勞試驗結(jié)果Tab.3 The results of fatigue test on AC-25 concrete at 25℃

(續(xù)表3)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 單對數(shù)疲勞曲線

應(yīng)力強(qiáng)度比與疲勞壽命在單對數(shù)坐標(biāo)上表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，可以用式(1)進(jìn)行擬合:

式中:N為達(dá)到破壞時的重復(fù)荷載作用次數(shù);σ/S為應(yīng)力強(qiáng)度比;k、n為由試驗確定的系數(shù)。

由表3中的結(jié)果，可得到3種級配AC-25瀝青混凝土未經(jīng)凍融和經(jīng)過1次凍融循環(huán)后在25℃時的劈裂疲勞壽命－應(yīng)力比單對數(shù)疲勞曲線，如圖1。

將以上結(jié)果按式(1)的形式進(jìn)行回歸，可得到AC－25Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型級配瀝青混凝土未經(jīng)凍融和經(jīng)過1次凍融循環(huán)后在25℃時的單對數(shù)疲勞方程(表4)。

表4 AC-25瀝青混凝土3種級配的單對數(shù)疲勞方程Tab.4 The semi-logarithmic fatigue equation of AC-25 gradationⅠ，ⅡandⅢ

從表4的單對數(shù)疲勞方程相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗結(jié)果可以看出，它們是高顯著度的回歸方程。

2.2 破壞形式的差異

圖2為未經(jīng)凍融和經(jīng)過1次凍融循環(huán)后試樣劈裂疲勞試驗后的破壞形態(tài)。未經(jīng)凍融的試件疲勞破壞時表面的破裂線較為順直貫通，但破裂面粗糙不平整;而經(jīng)1次凍融循環(huán)后試件疲勞破壞時表面破裂線不規(guī)則，破裂面整體較為平整，但局部紋理雜亂，呈現(xiàn)出不同方向的張裂趨勢。分析原因是:在無水狀態(tài)下，瀝青混凝土的孔隙可壓縮，可以較好地承受壓縮變形，因而其破壞呈劈裂狀;但在飽水狀態(tài)，在載荷速率較大時，瀝青混凝土中附有超孔隙水壓附加剪切應(yīng)力，因而其破壞主要表現(xiàn)為剪切破壞［4－5］，是剪切和劈裂的綜合作用結(jié)果。

圖1 AC-25瀝青混凝土有無凍融時單對數(shù)疲勞壽命曲線Fig.1 The semi-logarithmic fatiguelife curve of AC-25：non-freeze thaw(diamond)and after one freeze-thaw cycle(square)

圖2 2種試樣劈裂疲勞試驗后的破壞形態(tài)Fig.2 The fracture morphology of specimen after the splitting test

2.3 疲勞壽命差異

由試驗得出的疲勞方程可知，在相同疲勞荷載作用下，未經(jīng)凍融的瀝青混凝土要比經(jīng)1次凍融后瀝青混凝土試件所能承受的疲勞荷載作用次數(shù)大得多。如對細(xì)級配瀝青混凝土，當(dāng)疲勞荷載為0.4 MPa時，經(jīng)計算，未經(jīng)凍融的瀝青混凝土試件疲勞次數(shù)可達(dá)10 435次，而經(jīng)過1次凍融循環(huán)的試件疲勞次數(shù)僅為2 600次。劈裂強(qiáng)度試驗結(jié)果顯示:經(jīng)過1次凍融循環(huán)后的破壞勁度模量比未凍融時的破壞勁度模量低27%左右。

2.4 疲勞特征參數(shù)k、n值差異分析

由表4列出的未凍融和1次凍融后的疲勞方程比較可得，經(jīng)過1次凍融循環(huán)后瀝青混合料試件疲勞方程比未經(jīng)凍融瀝青混合料疲勞方程的k值顯著降低，表明疲勞壽命縮短;相反，n值增大，說明水作用狀態(tài)下瀝青混合料的疲勞壽命對應(yīng)力水平的敏感程度比常規(guī)狀態(tài)高。

2.5 級配對水損壞狀態(tài)下的疲勞性能影響的差異

由表4所列的未凍融和1次凍融后的疲勞方程可知，瀝青混合料的疲勞性能由優(yōu)到劣的集料級配順序依次為Ⅰ型>Ⅱ型>Ⅲ型，即粗級配>細(xì)級配>級配中值。原因為:3種級配中，粗級配的細(xì)集料含量最少，粗集料含量最多。可以認(rèn)為大粒徑的礦料從一定程度上阻礙了裂縫的發(fā)展，從而增強(qiáng)了混合料的抗疲勞能力。細(xì)級配的細(xì)集料含量最多，粗集料含量最少，能形成緊密的密級配混合料，所以在有水損害時表現(xiàn)出良好的抗疲勞性能［6－8］。

3 結(jié)論

通過對比AC-25瀝青混凝土的劈裂疲勞試驗與凍融劈裂疲勞試驗結(jié)果，得出了以下結(jié)論:

1)劈裂強(qiáng)度試驗結(jié)果顯示:經(jīng)過1次凍融循環(huán)后的破壞勁度模量比未凍融時的破壞勁度模量低27%左右。由試驗得出的疲勞方程可知，在水損害狀態(tài)下，瀝青混合料的疲勞壽命較普通狀態(tài)下大為縮短，在相同疲勞荷載作用下，未經(jīng)凍融的瀝青混凝土要比經(jīng)1次凍融后瀝青混凝土試件所能承受的疲勞荷載作用次數(shù)大得多。經(jīng)過1次凍融循環(huán)后瀝青混合料試件疲勞方程比未經(jīng)凍融瀝青混合料疲勞方程的k值顯著降低，表明疲勞壽命縮短。而n值增大，說明水作用狀態(tài)下瀝青混合料的疲勞壽命對應(yīng)力水平的敏感程度比常規(guī)狀態(tài)高。分析其原因可能與水影響瀝青混合料勁度等力學(xué)性能指標(biāo)有關(guān)，自由水的存在將通過置換瀝青與集料的黏結(jié)，導(dǎo)致瀝青與礦料的剝離，在一定程度上為疲勞裂縫的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件;同時，在反復(fù)的疲勞荷載作用下，水分不斷沖刷集料表面，而水分的蒸發(fā)，又將加快瀝青混凝土中瀝青與石料的剝離速度，從而加快混合料的疲勞開裂，縮短瀝青混合料的疲勞壽命。

2)在水損害狀態(tài)下，瀝青混凝土的抗疲勞性能從優(yōu)到劣的集料級配排序為粗級配優(yōu)于細(xì)級配，細(xì)級配優(yōu)于級配中間值。分析其原因為:粗細(xì)集料和礦粉組成的礦料級配在抗疲勞方面起著重要作用。同時，礦料級配與透水性有著密切的關(guān)系，將直接影響水對瀝青混合料的破壞程度，間接影響其抗疲勞性能，也就成為有水情況下疲勞性能的主要影響因素。同一面層的3種級配中，粗級配的細(xì)集料含量最少，粗集料含量最多?？梢岳斫鉃榇罅降牡V料阻礙了裂縫的發(fā)展，從而增加了抗疲勞能力。細(xì)級配的細(xì)集料含量最多，粗集料含量最少，能形成緊密的密級配混合料，故在有水損害時表現(xiàn)出良好的抗疲勞性能?？偟膩碚f，粗集料的骨架結(jié)構(gòu)與細(xì)集料的緊密結(jié)構(gòu)均可以從一定程度上延緩疲勞開裂的發(fā)展，故其疲勞性能相對較好。

［1］沙慶林.高速公路瀝青路面的水破壞及其防治措施［J］.中外公路，2000(3):2－5.

［2］秦旻，梁乃興，陸兆峰，等.濕熱地區(qū)瀝青混合料正交試驗分析［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，28(5):877－882.

［3］梁乃興，韓森，屠書榮.現(xiàn)代路面與材料［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］李之達(dá)，沈成武，周增國，等.超孔隙水壓力對瀝青混凝土的影響［J］.湘潭大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2003，25(4):98 －100.

［5］傅博峰.瀝青路面水損害疲勞破壞過程的數(shù)值模擬分析［D］.長沙:長沙理工大學(xué)，2005.

［6］邵彩民.高溫潮濕條件下瀝青混合料疲勞性能研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2008.

［7］張登良.瀝青路面工程手冊［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［8］沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能［M］.北京:人民交通出版社，2001.