水-溫作用下瀝青混合料疲勞性能分析

秦 旻，梁乃興，陸兆峰,

(1. 重慶交通大學(xué) 管理學(xué)院，重慶，400074；2. 重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶，400074；3. 重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶，400074)

疲勞破壞是瀝青路面尤其是半剛性基層瀝青路面的主要破壞模式之一，多年來，瀝青路面的疲勞性能一直是人們對(duì)道路工程研究時(shí)的重點(diǎn)[1-2]。但這些疲勞研究主要基于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面上，其目的是為了提出用于路面設(shè)計(jì)的預(yù)估模型，一般會(huì)同時(shí)采用多個(gè)變量、大范圍變化[3-4]；而對(duì)于特定的瀝青混合料，人們對(duì)其疲勞性能的評(píng)價(jià)及溫度、水等外界條件對(duì)混合料疲勞性能的影響等研究則較少。由于各國(guó)采用的儀器和方法不統(tǒng)一，室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)的修正系數(shù)難以確定，同時(shí)，路面彎拉應(yīng)力計(jì)算時(shí)所用到的材料參數(shù)(主要是模量)難以界定，在路面設(shè)計(jì)層面上進(jìn)行疲勞研究迄今未能得到滿意的結(jié)果，因此，人們對(duì)疲勞性能的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向混合料層面[5-6]。我國(guó)南方地區(qū)特別是西南地區(qū)氣候特征表現(xiàn)為高溫潮濕，有相當(dāng)比例的公路在投入使用不久就出現(xiàn)疲勞破壞，而且病害發(fā)展較快，說明材料在水-溫和汽車荷載的反復(fù)作用下強(qiáng)度很快喪失，耐久性和抗疲勞性能下降很快[7]，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。為此，本文作者通過控制應(yīng)力的疲勞試驗(yàn)，采用凍融循環(huán)的試驗(yàn)方法模擬濕熱地區(qū)瀝青混合料的水-溫作用，分析其疲勞壽命與疲勞特性，以便找出濕熱地區(qū)瀝青混合料的疲勞規(guī)律，為瀝青路面的設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù)。

表1 AC-25 瀝青混凝土的級(jí)配組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table1 Gradation composition of AC-25 asphalt concrete %

1 試驗(yàn)儀器及材料

試驗(yàn)儀器采用英國(guó)CRT-NU14氣動(dòng)伺服瀝青材料試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)用瀝青混合料為高速公路瀝青路面下面層常用的 AC-25瀝青混凝土，結(jié)合料為中海 AH-70#瀝青，集料為云南鄉(xiāng)菜彎子石場(chǎng)石灰?guī)r；礦粉為石灰石礦粉。瀝青混合料試件直徑×高度為 101.1 mm×63.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾圓柱體試件。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2006)中AC-25級(jí)配范圍，分別選取靠近級(jí)配范圍下限的粗級(jí)配(Ⅰ型)、級(jí)配范圍的中值(Ⅱ型)和級(jí)配范圍上限的細(xì)級(jí)配(Ⅲ型)3種級(jí)配，其組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。通過馬歇爾試驗(yàn)確定3種級(jí)配的最佳油石比(即瀝青質(zhì)量與礦料總質(zhì)量之比)分別為3.8%，3.7%和3.9%。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方法

Artamendi等[8-11]通過研究認(rèn)為：間接拉伸疲勞試驗(yàn)簡(jiǎn)單易做、重復(fù)性好，是值得推薦的疲勞測(cè)試方法。我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中提出的瀝青層疲勞標(biāo)準(zhǔn)也是通過間接拉伸疲勞試驗(yàn)獲得。參考國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，采用間接拉伸試驗(yàn)研究水-溫作用下瀝青混合料的疲勞規(guī)律。

2.2 試件處理

按既定級(jí)配將制備好的試件分為A和B 2組，每組不少于5個(gè)試件。A組模擬未受水影響狀態(tài)下的疲勞破壞，即將試件直接進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。B組模擬水損害嚴(yán)重狀態(tài)下的疲勞破壞，即：先將試件放入水中抽真空(98.3~98.7 kPa)15 min，讓試件飽水0.5 h；然后，將試件放入(-20~-16 ℃)的冰箱進(jìn)行16 h冰凍處理；取出放入(59.5~60.5 ℃)的恒溫水槽浸泡24 h后，再進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

2.3 加載模式

鑒于我國(guó)目前高速公路瀝青面層厚度普遍超過15 cm，并且有加厚整體瀝青層的趨勢(shì)，本研究采用控制應(yīng)力加載模式，以更好地接近實(shí)際路面結(jié)構(gòu)的疲勞特性[12]。

2.4 加載波形和頻率

加載波形為連續(xù)式半正矢荷載，綜合考慮模擬效果、試驗(yàn)時(shí)間和夾具性能等因素，確定試驗(yàn)加載頻率為10 Hz，無間歇時(shí)間。

2.5 應(yīng)力

根據(jù)劈裂抗拉強(qiáng)度確定0.3，0.4，0.5，0.6和0.7共5個(gè)不同的應(yīng)力比作為試驗(yàn)應(yīng)力。

2.6 試驗(yàn)溫度

選取15 ℃為常溫疲勞試驗(yàn)溫度，25 ℃和30 ℃為高溫疲勞試驗(yàn)溫度。

2.7 疲勞破壞判據(jù)

常溫情況下以試件的完全破裂作為疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)；高溫情況下將試件垂直變形由穩(wěn)定的粘性流動(dòng)階段發(fā)展為加速變形階段時(shí)反彎點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加荷次數(shù)量定義為疲勞破壞次數(shù)。

表2 劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果Table2 Splitting tensile testing results

表3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table3 Fatigue testing results

3 試驗(yàn)結(jié)果與疲勞方程

AC-25瀝青混凝土粗級(jí)配(Ⅰ型)、中級(jí)配(Ⅱ型)和細(xì)級(jí)配(Ⅲ型)的混合料在不同水-溫條件下的劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表2所示。

這3種級(jí)配類型瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由于應(yīng)力控制模式下瀝青混合料的應(yīng)力與疲勞壽命成雙對(duì)數(shù)線性關(guān)系，其方程形式為

式中：N為疲勞壽命(次)；σ為施加應(yīng)力(MPa)；k和n為系數(shù)。

在不同級(jí)配及不同水-溫條件下，將測(cè)得的疲勞試驗(yàn)平行試件的試驗(yàn)結(jié)果平均后回歸分析，得出其疲勞方程，結(jié)果如表3所示。

圖1 I型瀝青混合料有水與無水應(yīng)力-疲勞壽命關(guān)系曲線Fig.1 Stress-fatigue life relation curves of type I asphalt mixture in water and anhydrous condition

圖2 II型瀝青混合料有水與無水應(yīng)力-疲勞壽命關(guān)系曲線Fig.2 Stress-fatigue life relation curves of type II asphalt mixture in water and anhydrous condition

圖3 III型瀝青混合料有水與無水應(yīng)力-疲勞壽命關(guān)系曲線Fig.3 Stress-fatigue life relation curves of type III asphalt mixture in water and anhydrous condition

圖4 I型瀝青混合料不同溫度應(yīng)力-疲勞壽命關(guān)系曲線Fig.4 Stress-fatigue life relation curves of type I asphalt mixture in different temperature conditions

4 濕熱環(huán)境瀝青混合料疲勞性能分析

4.1 疲勞壽命的差異

為更清楚地比較不同水-溫條件下瀝青混凝土的疲勞壽命，將3種不同級(jí)配在相同溫度下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖1~3所示；不同溫度下I型瀝青混凝土的應(yīng)力-疲勞壽命關(guān)系如圖4所示。分析表3和圖1~4可以得出：

(1) 瀝青混合料應(yīng)力與疲勞壽命在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，疲勞曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.995。

(2) 在相同的溫度和應(yīng)力作用下，Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3種級(jí)配瀝青混合料無水條件下的疲勞壽命均大于有水狀態(tài)下的疲勞壽命，兩者之差異反映了水對(duì)混合料疲勞性能的影響。以Ⅰ型級(jí)配混合料應(yīng)力0.4 MPa為例，無水條件下的瀝青混凝土疲勞壽命為10 907.47次，經(jīng)水損害作用后疲勞壽命為2 688.67次，后者只有前者的24.6%；同理可得到對(duì)于Ⅱ型和Ⅲ型2種級(jí)配混合料，水作用后的疲勞壽命都僅約為未經(jīng)水作用的30%。

(3) 無水條件下瀝青混凝土的疲勞壽命與水作用后的疲勞壽命相比，在相同的溫度和應(yīng)力比作用下，Ⅰ型瀝青混凝土的疲勞壽命平均降低約11%，Ⅱ型瀝青混凝土的疲勞壽命平均降低約40%，Ⅲ型瀝青混凝土的疲勞壽命平均降低約12%；說明水對(duì)瀝青混凝土疲勞壽命的影響顯著。

(4) 對(duì)I型級(jí)配混凝土，在相同應(yīng)力的作用下，隨著溫度的升高，瀝青混凝土的疲勞壽命大幅度降低。同樣以應(yīng)力0.4 MPa為例，溫度15 ℃時(shí)混凝土的疲勞壽命為457 028次，25 ℃時(shí)混凝土的疲勞壽命約為15℃時(shí)的2.4%，30 ℃時(shí)混凝土的疲勞壽命僅為15 ℃時(shí)的0.1%。

(5) 對(duì)I型級(jí)配混凝土，在相同應(yīng)力比作用下，25℃時(shí)混凝土的疲勞壽命約為15 ℃時(shí)的38%，30 ℃時(shí)混凝土的疲勞壽命僅為15 ℃時(shí)的4.3%；說明溫度對(duì)瀝青混凝土疲勞壽命的影響同樣顯著。

4.2 疲勞特征參數(shù)的差異

瀝青混凝土疲勞方程中系數(shù)k和n在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中具有明顯的物理意義(由圖 1~4可以得到證實(shí))，k和n分別為直線的截距和斜率。截距k表示疲勞曲線位置的高低：k大，則疲勞曲線的位置高，混合料的抗疲勞性能好。斜率n則決定疲勞曲線的陡緩，n越大則曲線越陡，說明應(yīng)力的變化對(duì)疲勞壽命的影響越大。

圖 5~7所示為瀝青混凝土在不同水-溫條件下劈裂疲勞試驗(yàn)得到的疲勞方程特征參數(shù)k和n的對(duì)比圖?？梢钥闯鏊蜏囟葘?duì)瀝青混合料的抗疲勞性能影響顯著：

(1) Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3種級(jí)配的混合料經(jīng)水作用后疲勞方程的k均比無水條件下的k小，說明水會(huì)加快瀝青混合料抗疲勞性能的衰減。

(2) Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3種級(jí)配的試件經(jīng)水作用后疲勞方程的n都比未經(jīng)水作用的n大，說明水作用狀態(tài)下瀝青混凝土的疲勞壽命對(duì)應(yīng)力的變化更敏感。

(3) 對(duì) I型級(jí)配混凝土，疲勞方程的特征參數(shù) k和 n隨溫度的變化而不同，隨著溫度的升高，k和n減小，疲勞曲線越靠近左下方；表明在應(yīng)力控制模式下，瀝青混凝土的疲勞阻抗隨溫度升高而降低，疲勞壽命對(duì)應(yīng)力的敏感程度也隨溫度的升高而降低。

圖5 無水與有水3種級(jí)配混凝土疲勞方程中k比較Fig.5 Comparison of parameter k of three kind gradation concretes in water and anhydrous condition

圖6 無水與有水3種級(jí)配混凝土疲勞方程中n比較Fig.6 Comparison of parameter n of three kind gradation concretes in water and anhydrous condition

圖7 I型級(jí)配混凝土不同溫度下疲勞方程中k和n比較Fig.7 Comparison of parameter k and n of type I asphalt concrete at different temperatures

4.3 力學(xué)性能的影響

分析表2劈裂試驗(yàn)結(jié)果可得：

(1) 在相同溫度情況下，3種級(jí)配瀝青混凝土的力學(xué)性能表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即經(jīng)過水作用瀝青混凝土的力學(xué)性能均低于未經(jīng)水作用的力學(xué)性能，如圖8所示。

(2) 對(duì)同種級(jí)配的瀝青混凝土，隨著溫度的升高，其力學(xué)性能也呈下降趨勢(shì)，如圖9所示。

另外，比較瀝青混凝土經(jīng)水-溫作用和無水-溫作用情況下的抗拉強(qiáng)度和相應(yīng)的疲勞壽命可知：二者呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，即水-溫作用后試件的抗拉強(qiáng)度降低，相應(yīng)的疲勞壽命減小。濕熱環(huán)境會(huì)使瀝青混凝土力學(xué)性能發(fā)生改變而導(dǎo)致其疲勞壽命縮短。分析其原因是：瀝青本身是黏-彈-塑性材料，其自身性能受溫度影響很大，加上水-溫條件作用下瀝青混凝土試件中的水分經(jīng)歷液態(tài)—固態(tài)—液態(tài)等狀態(tài)對(duì)瀝青膠體與粗集料之間的界面黏結(jié)產(chǎn)生的較大損傷，使得瀝青混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)出現(xiàn)大幅度的下降，從而使其疲勞壽命縮短。

圖8 無水與有水3種級(jí)配混凝土力學(xué)性能比較Fig.8 Comparison of mechanical properties of three kind gradation concretes in water and anhydrous condition

圖9 I型級(jí)配混凝土不同溫度力學(xué)性能比較Fig.9 Comparison of mechanical properties of type I asphalt concrete in different temperature conditions

圖10 瀝青混凝土試件的疲勞破壞Fig.10 Fatigue failure of asphalt concrete specimens

同理，由于瀝青路面混凝土的不均勻性，道路表面總是存在有雨水下滲的通路，當(dāng)降水或空氣中的水分到達(dá)路面后，會(huì)通過路面的空隙和裂縫進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)滯留在面層材料中，并沿著內(nèi)部空隙和微裂縫進(jìn)一步滲透并在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)長(zhǎng)期地滯留浸泡。濕熱環(huán)境豐富的地下水也會(huì)使路面基層、底基層及土基含水量較高，路面層結(jié)構(gòu)內(nèi)容易聚集水分，嚴(yán)重影響路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。加上車輪動(dòng)態(tài)荷載的作用，超孔隙水壓往復(fù)沖刷瀝青混合料中的孔隙，置換瀝青造成剝離現(xiàn)象，使得路面材料的勁度模量降低，進(jìn)而對(duì)瀝青路面的疲勞性能產(chǎn)生影響[8,13]。

4.4 疲勞破壞特征

間接拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果見圖10。從圖10可見：

(1) 在較低溫度下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試件的垂直變形隨荷載作用次數(shù)的增加而增長(zhǎng)緩慢，但臨近破壞時(shí)出現(xiàn)一個(gè)變形急劇增大的短暫過程，試件最后呈脆性破裂；在試驗(yàn)溫度較高的情況下，試件的垂直變形隨加載次數(shù)增加不斷增大，當(dāng)變形超過3 mm時(shí)仍未出現(xiàn)明顯的裂縫，如圖10(a)所示，但此時(shí)試件變形嚴(yán)重，仍認(rèn)為試件已破壞。以上現(xiàn)象與瀝青混合料自身性能有關(guān)，低溫下混合料的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為彈性，隨著溫度的升高，混合料呈現(xiàn)出較多的彈-塑性質(zhì)，彈塑性累積變形導(dǎo)致試件被破壞。因此，不能以常溫的疲勞判據(jù)來判斷試件的破壞。

(2) 如圖10(b)所示：在較低試驗(yàn)溫度條件下，無論是經(jīng)水作用還是未經(jīng)水作用的瀝青混凝土試件，其疲勞破壞裂紋均從試件的底部開始向上擴(kuò)展蔓延，這與路面的實(shí)際疲勞破壞情況相符。如圖 10(c)和(d)所示：未經(jīng)水作用的試件疲勞破壞時(shí)表面的破裂線較為順直貫通，但破裂面粗糙不平整；而經(jīng)水作用試件疲勞破壞時(shí)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(shì)。分析其原因?yàn)闊o水狀態(tài)下瀝青混凝土的孔隙具有可壓縮性，可以較好地協(xié)同承受壓縮變形，因而其破壞呈劈裂狀；而在有水情況下，荷載對(duì)瀝青混凝土內(nèi)空隙的壓縮產(chǎn)生超空隙水壓，對(duì)試件內(nèi)部產(chǎn)生附加剪切應(yīng)力，因而其破壞表現(xiàn)為劈裂和剪切綜合作用的形式[14]。本研究采用凍融循環(huán)模擬水-溫條件對(duì)瀝青混凝土的作用，對(duì)試件有剪切破壞。進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)了剪切和劈裂的綜合作用結(jié)果。這也充分證明用凍融循環(huán)處理?xiàng)l件模擬瀝青混凝土處于水-溫度作用下的合理性。

5 結(jié)論

(1) 不同水-溫條件下的瀝青混合料其應(yīng)力與疲勞壽命在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中均表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，此規(guī)律可為瀝青路面的疲勞壽命預(yù)估提供了依據(jù)。

(2) 經(jīng)水作用后的瀝青混合料，其疲勞壽命僅為未經(jīng)水作用的24.6%~30.0%；25 ℃時(shí)瀝青混凝土的疲勞壽命約為15 ℃時(shí)的2.4%，30 ℃時(shí)混凝土的疲勞壽命僅為15 ℃時(shí)的0.1%。這說明水-溫對(duì)瀝青混凝土的疲勞壽命的影響顯著，在濕熱地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)防排水工程的設(shè)置和混合料配合比的設(shè)計(jì)。

(3) 水作用和溫度升高均會(huì)使瀝青混合料的抗疲勞特性衰減。

(4) 瀝青混凝土經(jīng)水-溫作用和無水-溫作用下的劈裂強(qiáng)度和相應(yīng)的疲勞壽命呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，濕熱環(huán)境使瀝青混合料的疲勞壽命縮短可能是水分和溫度的共同作用使得混合料勁度模量降低的結(jié)果。

(5) 在試驗(yàn)溫度較高的情況下，試件沒有明顯裂縫，表現(xiàn)為變形嚴(yán)重；在較低試驗(yàn)溫度條件下，試件呈脆性破裂，且無水作用試件疲勞破壞表現(xiàn)為劈裂形式，有水作用試件的疲勞破壞表現(xiàn)為剪切和劈裂聯(lián)合作用的形式，充分證明用凍融循環(huán)處理?xiàng)l件模擬瀝青混凝土處于水-溫度作用的合理性。

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