淺析水損害對(duì)瀝青路面疲勞壽命的影響

夏玲

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

淺析水損害對(duì)瀝青路面疲勞壽命的影響近些年來，國內(nèi)外對(duì)瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)研究較多，一般試驗(yàn)室在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試件處于干燥狀態(tài)。瀝青路面破壞機(jī)理的研究中所考慮的外部因素主要集中在交通荷載和溫度荷載上，而對(duì)水介質(zhì)對(duì)瀝青路面損害的影響所做工作有限。而瀝青路面的工作狀態(tài)往往受水的影響很大，常規(guī)試驗(yàn)往往在試件完全干燥的情況下進(jìn)行，故不能完全模擬瀝青路面實(shí)際的工作狀態(tài)。

1 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)。按照AC-13F的礦料配合比備料，選擇5個(gè)油石比：4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%。分別制作試件，測(cè)定其密度、空隙率、瀝青飽和度等物理指標(biāo)，然后用馬歇爾試驗(yàn)儀測(cè)定其飽和度、穩(wěn)定度和流值力學(xué)指標(biāo)，由此確定最佳油石比。根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，得到最佳瀝青用量為5.9%，對(duì)應(yīng)毛體積密度為ρ=2.474g/cm3，理論密度為ρ=2.568 g/cm3，空隙率為3.9%，VMA=17.2%，VFA=77.5%，動(dòng)穩(wěn)定度為9.2kN，流值為32（0.1mm）。

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)。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(jiǎn)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。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 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。

2.2 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)黾樱S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。

2.3 疲勞壽命及疲勞方程

與其他試驗(yàn)結(jié)果一樣，瀝青混合料的應(yīng)力-疲勞壽命關(guān)系呈對(duì)數(shù)線性關(guān)系，表現(xiàn)為以下形式：

若對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，則有：

式（1）和（2）中：Nf為疲勞壽命;S為試件所受的應(yīng)力;C 和a為待定系數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理成不同溫度下疲勞方程的系數(shù)見表3。

2.4 作用機(jī)理

路面實(shí)際工作時(shí)，一方面水較容易進(jìn)入面層內(nèi)部;另一方面，水進(jìn)入面層后，不易迅速排除且又難以蒸發(fā)，因此水能較長時(shí)間滯留在路面內(nèi)，當(dāng)在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的孔隙水壓力并成為動(dòng)水壓力，由于路面是層狀結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合處易于出現(xiàn)孔隙，進(jìn)入孔隙內(nèi)的自由水在行車荷載下，會(huì)成為高孔隙水壓力和高流速的水流，沖刷層面材料并從縫隙處向外噴射出沖刷材料的泥漿，促使瀝青面層出現(xiàn)剝落和松散，從而造成瀝青混合料的水損害破壞，從而使整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的使用性能迅速變壞。

對(duì)于APA浸水疲勞試驗(yàn)而言，試驗(yàn)時(shí)試件連同試模一起放在APA試驗(yàn)平臺(tái)上，并完全被水浸沒，當(dāng)加載輪在來回運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，充氣橡膠管受到加載輪的擠壓而產(chǎn)生變形，與汽車輪胎作用在實(shí)際路面上的情形完全類似。它較好地模擬了實(shí)際路面動(dòng)載的作用。

3 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。

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