疲勞加載對瀝青混合料SMA-13滲透特性的影響分析

李 巖， 周志剛， 李帥帥， 王 欣

(1. 南陽理工學(xué)院 河南 南陽 473004；2. 長沙理工大學(xué) 湖南 長沙 410004)

0 引言

調(diào)查表明，路面早期破壞多數(shù)是由水與交通荷載綜合作用引起的[1]。進(jìn)入瀝青面層的降水在高速、重載交通荷載作用下，極易產(chǎn)生不同形式的水損害。由于集料表面具有更強(qiáng)的吸附性，長期存在于瀝青路面內(nèi)的水會將瀝青與集料進(jìn)行剝離。另外，在高速行車荷載下，瀝青路面中的裂隙水在高速轉(zhuǎn)動的輪胎作用下產(chǎn)生較高的動水壓力，對路面材料產(chǎn)生沖刷作用。行車荷載結(jié)束時，產(chǎn)生的真空吸力使得孔隙水出現(xiàn)泵吸現(xiàn)象，使已剝離的瀝青和集料流失。重復(fù)的沖刷和泵吸作用，使得瀝青路面最終出現(xiàn)松散、剝離、坑洞等病害。

瀝青混合料滲透性是影響瀝青路面水損壞的關(guān)鍵指標(biāo)，影響其滲透性能的因素較多。研究發(fā)現(xiàn)瀝青混合料在自由滲流狀態(tài)下滲透性微弱，在動水壓力作用下滲透性能大幅度增長，滲透性對水壓力的變化頻率不敏感，對水壓力的峰值敏感[2-4]。國內(nèi)外研究表明，空隙率與滲透性具有很好的相關(guān)性[5-14]。馮德成[15]等對比分析了級配、成型方式、集料最大公稱粒徑、空隙率對瀝青混合料滲透性影響，發(fā)現(xiàn)空隙率較大時成型方式對滲水性能有顯著影響。蔡燕霞等[16]通過自研滲水裝置對兩種類型的瀝青混合料進(jìn)行動態(tài)滲水試驗(yàn)，提出了動力滲水系數(shù)的評價(jià)指標(biāo)并給出了建議值。

必須指出，目前關(guān)于瀝青混合料滲透性的測試分析是針對無損試件，反映的是路面剛建成時的材料性能。而在實(shí)際道路運(yùn)營過程中，材料的滲透性是隨損傷、荷載及動水壓力等因素的影響而動態(tài)變化的。鑒于目前尚無有效的瀝青路面材料滲透性能動態(tài)測試裝置來評價(jià)瀝青混合料滲透性能的動態(tài)變化，現(xiàn)利用自研的一種多場耦合條件下瀝青混合料滲透性測試儀，通過三軸疲勞加載及滲透性動態(tài)測試，研究荷載應(yīng)力-損傷-滲流多場耦合條件下瀝青混合料滲透特性變化，為揭示瀝青混合料滲透機(jī)理、改善瀝青路面水穩(wěn)定性提供有益幫助。

1 不同空隙率SMA-13瀝青混合料試件制備

試驗(yàn)用SMA-13瀝青混合料的粗細(xì)集料分別為玄武巖、石灰?guī)r，礦粉由泰和欣泰建材廠提供，瀝青為廈門華特集團(tuán)提供的SBS改性瀝青，纖維為德國JRS公司生產(chǎn)的木質(zhì)素纖維。

依照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[17]中SMA-13礦料級配表，設(shè)計(jì)本試驗(yàn)用的瀝青混合料礦料級配如表1。

表1 SMA-13級配組成

按以上礦料合成級配，通過馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為5.9%。分別采用Marshall擊實(shí)法和SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件，空隙率分別為4%、6%、8%、10%，以模擬現(xiàn)場施工壓實(shí)程度的不同狀態(tài)。馬歇爾成型試件尺寸為Φ101.6×63.5(±1.3)mm，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件尺寸為Φ100×63.5(±1.3)mm。每組平行試件為3個。本文試驗(yàn)中對于吸水率小于2%的試件采用表干法測量空隙率，吸水率大于2%的試件采用真空密封法測量空隙率。馬歇爾擊實(shí)成型試件的實(shí)測空隙率平均值分別為4.2%、6.3%、7.9%、10.0%，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的實(shí)測空隙率平均值分別為3.9%、5.8%、8.1%、9.8%。

2 動態(tài)滲透性測試方法

為了真實(shí)地測試多場耦合條件下瀝青混合料的動態(tài)滲透特性，設(shè)計(jì)開發(fā)了新型滲透性測試系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由多場耦合試驗(yàn)裝置系統(tǒng)、壓力水箱和氣壓控制系統(tǒng)3大部分組成。

由于瀝青路面表面層在交通荷載下處于三維受壓狀態(tài)，故針對飽水瀝青混合料試件，采用軸向壓應(yīng)力控制模式的三軸壓縮疲勞試驗(yàn)?zāi)M交通荷載的循環(huán)作用。軸向施加半正弦波型荷載，頻率為10 Hz。對于各類型試件采用其抗壓強(qiáng)度的0.7倍(即應(yīng)力比0.7)作為其峰值荷載進(jìn)行加載。為防止壓頭對試件造成沖擊，半正弦波型荷載最小值為峰值的2%。疲勞加載前對試件進(jìn)行預(yù)壓，以保證壓頭與試件上表面緊密平整接觸。疲勞加載試驗(yàn)時試驗(yàn)溫度為常溫15 ℃，側(cè)向圍壓為0.3 MPa。

在不同的疲勞加載階段，對試件進(jìn)行不同軸壓、水壓下滲透性測試。測試前對試件進(jìn)行飽水。為模擬不同交通荷載下路面材料所處的應(yīng)力狀態(tài)，分別對試件施加0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa的軸壓，側(cè)向圍壓仍為0.3 MPa。在每一級軸壓下分別施加0.04 MPa、0.10 MPa、0.18 MPa、0.26 MPa的動水水壓進(jìn)行滲透試驗(yàn)，水壓力由氣壓機(jī)提供。試驗(yàn)中采用滲水系數(shù)即單位時間內(nèi)透過試件的水的體積作為滲透性的表征參數(shù)，水的體積利用量筒采集測量。

通過觀察試件三軸疲勞試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，試件軸向壓縮變形0～3 mm階段軸向變形快速增長，軸向壓縮變形3～7 mm階段軸向變形增長速率逐漸變緩，軸向壓縮變形7 mm以后階段變形速率增長十分緩慢，基本處于平穩(wěn)階段。試件總壓縮變形量控制為10 mm，故以軸向壓縮變形3 mm、7 mm、10 mm時疲勞損傷階段分別作為第一疲勞階段、第二疲勞階段、第三疲勞階段。初始階段即加載前無損試件狀態(tài)。

3 馬歇爾擊實(shí)成型試件滲透性動態(tài)變化分析

圖1的圖例中“初始”表示初始狀態(tài)，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分別表示第一疲勞階段、第二疲勞階段第三疲勞階段。

圖1 孔隙率4%不同損傷階段、不同水壓及軸壓條件下試件的滲透性變化

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，空隙率4%的馬歇爾擊實(shí)成型試件在疲勞加載前和第一階段不透水，說明此時試件較為致密，即使經(jīng)受一定的循環(huán)加載作用后因損傷發(fā)展并不充分，仍沒有滲流通道。進(jìn)入第二疲勞階段后，出現(xiàn)輕微的滲水現(xiàn)象，說明試件內(nèi)部因損傷裂隙的萌生發(fā)展，出現(xiàn)連通空隙，形成一定的滲流通道，產(chǎn)生一定的滲透性。加載至第三疲勞階段，滲透性反而有所降低，說明此時盡管疲勞損傷繼續(xù)發(fā)展，但已有部分空隙因三向受壓(主要為側(cè)向圍壓)被壓縮閉合，致使?jié)B流通道數(shù)量或過水面積減少，滲透性降低，即滲透性隨著疲勞加載呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，但第二、第三疲勞階段的滲透性仍不明顯，疲勞加載對孔隙率4%的試件滲透性的影響非常有限，此時的試件仍處于難透水狀態(tài)。

圖2 孔隙率6%不同損傷階段、不同水壓及軸壓條件下試件的滲透性變化

圖3 孔隙率8%不同損傷階段、不同水壓及軸壓條件下試件的滲透性變化

此外，在第二疲勞階段和第三疲勞階段，試件滲水系數(shù)隨水壓的增大和軸壓的減小而增大，說明水壓有助于連通空隙的形成和擴(kuò)張，而過大的軸壓會促使連通空隙的閉合，導(dǎo)致滲透性性能減弱。不同軸壓下滲水系數(shù)的差異性在低水壓時沒有高水壓時那么明顯。在第二疲勞階段，軸壓0.7 Mpa下，水壓力為0.26 MPa時單位時間的滲水量是0.04 MPa水壓力下的8倍之多，可見過高的動水壓力會顯著地提高瀝青路面的滲透性能。

圖4 孔隙率10%不同損傷階段、不同水壓

圖2表明，空隙率6%的馬歇爾擊實(shí)成型試件在初始階段不透水，其滲水系數(shù)隨疲勞加載、軸壓和水壓的變化規(guī)律與空隙率4%試件的情形類似。只是在第一疲勞階段，試件已出現(xiàn)從上至下的滲流通道，開始有輕微的滲水。并且，在同樣的疲勞加載條件和軸壓、水壓下，它的滲水系數(shù)顯著高于空隙率4%的試件，水壓高時會超過了瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[17]中SMA車轍板試件滲水系數(shù)80 mL/min的要求。顯然這是因?yàn)樵嚰障堵试礁?，其?nèi)部連通空隙數(shù)量或過水面積越大。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，空隙率8%的馬歇爾擊實(shí)成型試件在初始階段的滲透性已較為明顯，均遠(yuǎn)高于空隙率4%和6%的試件經(jīng)歷疲勞損傷、滲透性增強(qiáng)后的滲水系數(shù)，也超過了瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[17]中SMA車轍板試件滲水系數(shù)80 mL/min的要求。可見7%～8%的空隙率是SMA-13瀝青混合料滲透性的激增點(diǎn)，也印證了前人研究發(fā)現(xiàn)的8%空隙率是瀝青混合料滲透性激增的臨界點(diǎn)的結(jié)論。但這是無損試件的試驗(yàn)結(jié)果，若計(jì)入疲勞損傷和軸壓、水壓的影響，空隙率6%的試件也達(dá)不到瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的滲水要求。

與空隙率4%和6%的試件另一不同之處在于，空隙率8%的試件的滲透性隨疲勞加載過程呈現(xiàn)先降低后增大的規(guī)律。這是因?yàn)榭障堵?%的試件空隙率較大，密度較小，在初期加載階段，有明顯的壓密現(xiàn)象，使得連通空隙數(shù)量或過水面積減少。而在后續(xù)疲勞加載階段，損傷繼續(xù)萌生并不斷演化發(fā)展，致使?jié)B流通道數(shù)量增多、過水面積增大，這是滲透性增強(qiáng)的主要原因。并且，其滲透性隨著疲勞加載而持續(xù)增強(qiáng)。這說明對于空隙率相對較大的試件，三向受壓(主要為側(cè)向圍壓)不足以抑制損傷使?jié)B流通道增多、過水面積增大的趨勢。

與空隙率4%和6%情形類似，空隙率8%的試件滲水系數(shù)隨水壓的增大和軸壓的減小而增大，只是其滲透性更強(qiáng)。

圖4表明，對于空隙率10%的馬歇爾擊實(shí)成型試件，疲勞前后的滲透性均很強(qiáng)，不同軸壓和水壓下1 min的滲透水量高達(dá)數(shù)升，達(dá)到了透水路面的要求。這主要是由于空隙率較大，初期已有較多的上下連通的滲流通道。

試件的滲水系數(shù)隨疲勞加載過程的變化規(guī)律與空隙率8%試件的相似，也呈現(xiàn)為先減少后增大的趨勢，只是在疲勞加載后期才有所增大，但仍未達(dá)到初始階段的滲水性能。圖4滲透試驗(yàn)結(jié)果表明，對于空隙率10%的試件，損傷的發(fā)展對滲水性能的影響有限，試件的滲水性能主要依賴于成型時的空隙結(jié)構(gòu)。在疲勞加載過程中，初始空隙被壓密和損傷的萌生發(fā)展同時進(jìn)行，只是前兩個疲勞加載階段空隙壓密對滲透性的削弱影響占主導(dǎo)地位，第三個疲勞加載階段損傷的進(jìn)一步發(fā)展對滲透性的增強(qiáng)產(chǎn)生貢獻(xiàn)。

在不同疲勞加載階段，滲透性隨水壓增大而持續(xù)增大，但增大的速率有所放緩。與水壓對滲透性的影響程度相比，軸壓對滲透性的影響很小，說明對于滲透性較強(qiáng)的試件，軸壓不足以改變材料內(nèi)部連通空隙結(jié)構(gòu)而引起滲透性的變化。

4 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件滲透性動態(tài)變化分析

圖5至圖8試驗(yàn)表明，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件與馬歇爾擊實(shí)成型試件相比，空隙率相同時，試件滲水系數(shù)隨疲勞加載、水壓和軸壓的變化規(guī)律非常相似。

(1)空隙率低(4%和6%)時，試件初始階段不透水，隨著疲勞加載，滲水系數(shù)先增大后減小。其中空隙率4%試件始終處于難透水狀態(tài)?？障堵?%的試件經(jīng)歷疲勞加載后，在高水壓下滲水系數(shù)會超過瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中SMA材料滲水性能要求。

圖5 孔隙率4%不同損傷階段、不同水壓及下試件的滲透性變化

圖6 孔隙率6%不同損傷階段、不同水壓及軸壓條件軸壓條件下試件的滲透性變化

圖7 孔隙率8%不同損傷階段、不同水壓壓條件下試件的滲透性變化

圖8 孔隙率10%不同損傷階段、不同水壓及軸及軸壓條件下試件的滲透性變化

(2)空隙率高(8%和10%)時，試件具有較強(qiáng)或很強(qiáng)的滲水性能，難以達(dá)到瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中SMA材料滲水性能要求。其中空隙率8%試件的滲水系數(shù)隨著疲勞加載呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。

(3)一般情形下，試件的滲水系數(shù)隨著水壓的增大和軸壓的減小而增大，其中水壓的增強(qiáng)效應(yīng)明顯。對于空隙率10%的試件，軸壓的影響非常大。

(4)空隙率低時，試件滲水系數(shù)隨水壓的增大而大體呈現(xiàn)為線性增長。而空隙率10%的試件和經(jīng)歷疲勞加載后的空隙率8%的試件，其滲水系數(shù)隨水壓的增大而增大的速率逐漸減緩。

兩種成型方式的試件滲水性能的不同之處在于：

(1)一般情形下，馬歇爾擊實(shí)成型試件的滲水性能強(qiáng)于旋轉(zhuǎn)成型試件的滲水性能。

(2)對于所測試的幾種空隙率，施加疲勞加載后，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件均會表現(xiàn)出不同程度的滲水現(xiàn)象，而空隙率4%的馬歇爾擊實(shí)成型試件在第一疲勞階段仍未滲水。

(3)對于空隙率6%的試件，經(jīng)歷疲勞加載后滲水系數(shù)超過瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中SMA材料滲水性能要求時，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件所對應(yīng)的水壓值更高，約為0.13～0.21 MPa，而馬歇爾擊實(shí)成型試件約為0.10～0.20 MPa。

(4)對于空隙率8%的試件，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的初始階段和第一疲勞階段的滲水系數(shù)明顯低于馬歇爾擊實(shí)成型試件，但疲勞加載后期時，前者要高于后者。

(5)對于空隙率10%的試件，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的滲水系數(shù)隨著疲勞加載而逐漸減小的規(guī)律性較強(qiáng)，而馬歇爾擊實(shí)成型試件在疲勞加載后期滲水系數(shù)有一定的波動。

產(chǎn)生上述差異性的關(guān)鍵原因在于馬歇爾擊實(shí)成型試件內(nèi)部粗細(xì)集料結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定性較差，并且存在部分被擊碎的集料，這些被擊碎的集料表面會部分缺乏瀝青膜，易于形成連通空隙，在一般情況下連通空隙率高于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，使得其滲水性能強(qiáng)于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，并且高水壓的擠壓擴(kuò)張作用會進(jìn)一步強(qiáng)化其滲水性能。正是由于馬歇爾擊實(shí)成型試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的欠均勻穩(wěn)定性和被擊碎集料碎片的存在，使得其滲水性能在疲勞加載過程中波動性相對較強(qiáng)。只是在致密結(jié)構(gòu)時(空隙率4%)，疲勞加載初期，馬歇爾擊實(shí)成型試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)欠均勻穩(wěn)定的集料(特別是被擊碎的集料碎片)的錯動程度有限，不足以改變原有的空隙結(jié)構(gòu)而形成有效貫通的滲水通道，必須經(jīng)受較長時間的疲勞加載后才會導(dǎo)致原有的空隙結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的改變而影響其滲水性能；而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件內(nèi)部集料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，施加疲勞荷載后原穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)會因集料隨瀝青膜錯動變化而受到一定程度的破壞，使得貫通空隙增多，滲水性能增強(qiáng)。對于較高空隙率情形(8%空隙率)，經(jīng)歷疲勞加載初期的壓密過程之后，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件內(nèi)部均勻穩(wěn)定性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)會因疲勞加載而受到破壞，使得其滲水性能增強(qiáng)，而馬歇爾擊實(shí)成型試件內(nèi)部欠均勻穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)因有更大的空間得到重新調(diào)整，使其滲水性能不如旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件那樣變化大。對于空隙率10%的試件，這種結(jié)構(gòu)調(diào)整不足以根本上改變馬歇爾擊實(shí)成型試件與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)的差異性，故此時前者滲水性能始終高于后者。

5 結(jié)論

本文利用自研的多場耦合條件下瀝青混合料滲透性測試裝置，開展了不同成型方法制備的不同空隙率試件的三軸壓縮疲勞加載試驗(yàn)，測試對比分析了不同疲勞階段時各類型試件的滲透性能，得到如下主要結(jié)論：

(1)由于三軸壓縮疲勞加載對試件的壓密和損傷雙重作用，不同空隙率瀝青混合料試件滲透性能隨疲勞加載的變化規(guī)律不同。壓密會導(dǎo)致試件已有連通空隙閉合、過水面積減少、滲水系數(shù)降低，而損傷的萌生發(fā)展會導(dǎo)致試件連通空隙增多、過水面積增大、滲水系數(shù)升高。對于低空隙率試件，其滲透性能主要受疲勞加載的損傷作用主導(dǎo)，即隨著疲勞損傷的持續(xù)，滲水系數(shù)增大，只是在后期會因一定程度的壓密而有所降低。對于高空隙率試件，主要受壓密作用的主導(dǎo)，即隨著疲勞加載，滲水系數(shù)降低，即使后期損傷會使?jié)B水系數(shù)有所提高，但仍難以達(dá)到初期水平。

(2)空隙率是影響瀝青混合料滲透性能的關(guān)鍵因素，高空隙率試件的滲水系數(shù)顯著高于低空隙率試件的滲水系數(shù)。滲水系數(shù)隨水壓力的增加而增大，滲透性較弱的試件受水壓的影響更為顯著。滲水系數(shù)隨軸壓的增大整體呈現(xiàn)減小的趨勢，與空隙率和水壓力相比，軸壓對滲透性的影響相對較弱。過高的動水壓力會顯著提高瀝青路面的滲透性能，導(dǎo)致空隙率6%左右的瀝青混合料滲水性能增強(qiáng)，超出相關(guān)技術(shù)規(guī)范容許范圍，產(chǎn)生水損害破壞。

(3)對于相同空隙率的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件與馬歇爾擊實(shí)成型試件，它們的滲水系數(shù)隨疲勞加載、水壓和軸壓的變化規(guī)律相似，但又存在差異。一般情形下，馬歇爾擊實(shí)成型試件較之旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件滲水系數(shù)偏大。