淺析瀝青混合料浸水疲勞試驗(yàn)

李杰

摘 要：通過使用瀝青路面分析儀（APA），模擬在降水、不同荷載和不同溫度條件下，瀝青混合料（AC-13I）的路面疲勞壽命變化規(guī)律。結(jié)果表明：瀝青混合料的浸水疲勞壽命隨著溫度的降低和荷載的減少而增長，并對(duì)水損害的作用機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步的探討。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料;水損害;疲勞壽命;溫度效應(yīng);試驗(yàn)?zāi)M

一、試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)選用的瀝青混凝土級(jí)配為AC-13F。通過對(duì)原材料進(jìn)行篩分并按常規(guī)方法進(jìn)行了級(jí)配設(shè)計(jì)，最終材料組成和級(jí)配結(jié)果見表1。

該次試樣采用美國Georgian州PTI公司生產(chǎn)的瀝青路面分析儀APA（Asphalt Pavement Analyzer）進(jìn)行試驗(yàn)。它既可以進(jìn)行車轍試驗(yàn)，又可以進(jìn)行疲勞試驗(yàn)（包括浸水車轍和浸水疲勞試驗(yàn)）。進(jìn)行疲勞試驗(yàn)或車轍試驗(yàn)時(shí)，每組可以同時(shí)對(duì)3個(gè)試件進(jìn)行平行試驗(yàn)?？紤]到試驗(yàn)方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的模擬程度、試驗(yàn)方法的簡便性及試驗(yàn)結(jié)果的可用性，該次試驗(yàn)試件采用梁式試件，利用輪碾成型方法制備，共制成24個(gè)APA試件，試件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為300mm×125mm×75mm。試件成型后，放入APA設(shè)備配置的試模內(nèi)，用墊塊將試件兩端穩(wěn)定，然后將試模放入APA中的平臺(tái)上。在試驗(yàn)中，共采用3種環(huán)境溫度：13、22、29℃。試件成型后在室溫下至少保持2d，APA環(huán)境溫度下恒溫4h再進(jìn)行試驗(yàn)。瀝青混凝土試件設(shè)置3級(jí)循環(huán)加載：P0=50、90、110kg。

為了便于計(jì)算分析處理和加快瀝青混凝土試件的疲勞損傷破壞，將試件放入試模時(shí)，其下不設(shè)墊塊。

二、試驗(yàn)結(jié)果分析

（一）溫度對(duì)試件應(yīng)變的影響

瀝青混合料梁式試件在13、22、29℃3種溫度下的50kg的APA浸水疲勞試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，在不同溫度下，浸水疲勞試驗(yàn)試件的垂直應(yīng)變與荷載運(yùn)行次數(shù)的關(guān)系也不相同。一般來說，垂直應(yīng)變發(fā)展可分為3個(gè)階段。以溫度為13℃時(shí)試件的破壞過程為例，當(dāng)垂直應(yīng)變小于3mm時(shí)，垂直應(yīng)變發(fā)展較快，此時(shí)應(yīng)變以壓密變形為主。隨著荷載繼續(xù)作用，應(yīng)變的增長速度變慢，試件進(jìn)入較穩(wěn)定階段。當(dāng)荷載次數(shù)超過50000次以后，試件臨近破壞壓潰階段，垂直應(yīng)變速率增大直至達(dá)到試驗(yàn)終止條件。22℃下，試件的垂直應(yīng)變達(dá)到7.5mm后進(jìn)入穩(wěn)定階段，之前增長較快。當(dāng)荷載次數(shù)達(dá)到120000后，應(yīng)變迅速增大而達(dá)到試驗(yàn)終止條件。與13℃時(shí)相比，穩(wěn)定階段時(shí)位移增長較緩，而第一和第三階段的應(yīng)變變化更加明顯。當(dāng)溫度為29℃時(shí)，試件的位移沒有出現(xiàn)明顯的階段性，當(dāng)荷載運(yùn)行至24000次后，試件破壞。由于室內(nèi)溫度條件限制，只做了22℃時(shí)干燥條件下的疲勞試驗(yàn)與浸水條件下的疲勞試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。當(dāng)荷載運(yùn)行18750次后，試件被破壞。表明浸水條件下，相同荷載作用次數(shù)下，試件的位移增加。同時(shí)試件發(fā)生破壞時(shí)，荷載的作用次數(shù)增加。

（二）破壞荷載次數(shù)分析

不同溫度和循環(huán)荷載作用下，試件的破壞荷載次數(shù)結(jié)果見表2。

由表2可知：溫度對(duì)瀝青混合料的抗水損壞性能有很大影響。瀝青混合料的粘聚力與溫度密切相關(guān)，溫度較高時(shí)，瀝青膠結(jié)料變軟、勁度模量降低，導(dǎo)致其抗剪變形能力降低，使混合料發(fā)生流動(dòng)變形。而低溫時(shí)其抗剪流變性能較好。在有水存在的情況下，瀝青混合料長期浸泡在水浴中，在水和動(dòng)荷載的抽吸作用下，造成集料松散，導(dǎo)致浸水疲勞試件的疲勞壽命進(jìn)一步減少。而荷載的大小對(duì)于瀝青混合料抗水損壞性能也有較大的影響，隨著荷載的增加，瀝青混合料的疲勞壽命有顯著的降低。這說明瀝青路面在浸水情況下，重載車輛的作用使路面更容易發(fā)生早期破壞，因?yàn)槁访嬖诮闆r下面層和基層的模量下降，面層底部的拉應(yīng)變?cè)黾?，隨著重載重復(fù)荷載的作用路面更易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。在水溫為13℃和29℃時(shí)，110kg下的破壞荷載次數(shù)大約為50kg下的10%。22℃時(shí)，110kg下的破壞荷載次數(shù)大約為50kg下的7%，說明此種溫度下，瀝青混合料對(duì)荷載重量更為敏感，而此時(shí)的溫度更加接近室溫，說明在設(shè)計(jì)時(shí)，要注意常溫條件下，浸水路面對(duì)重型荷載的承受能力。

三、結(jié)語

瀝青混合料的浸水疲勞壽命隨著溫度的降低和荷載的減少而增長。溫度上升導(dǎo)致瀝青混合料面層模量下降，瀝青混合料面層底部的拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力，此時(shí)的荷載主要由基層承擔(dān)，因此最不利拉應(yīng)變發(fā)生在瀝青基層底部，而不是面層，路面面層將不出現(xiàn)疲勞損傷，也就不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞現(xiàn)象。