楊大田，周 乾

0 引言

瀝青混凝土路面容易發(fā)生早期損壞，對(duì)早期損壞產(chǎn)生的原因和機(jī)理，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究。許多學(xué)者認(rèn)為水對(duì)瀝青混合料早期破壞影響較大，水主要以滲透、毛細(xì)上升和水汽的擴(kuò)散3種方式侵入到瀝青混凝土孔隙，進(jìn)一步侵入到瀝青與集料表面間的裂隙中，是瀝青混合料發(fā)生早期破壞的最主要的原因［1-5］。瀝青路面水損害是指在水的作用下瀝青黏結(jié)料與集料表面黏結(jié)力喪失或內(nèi)聚力喪失，從而導(dǎo)致路面功能累進(jìn)性衰變。

丁立等對(duì)試件進(jìn)行凍融循環(huán)和沖刷試驗(yàn)，模擬水對(duì)瀝青混凝土路面的損傷，然后用剩余劈裂強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度來(lái)評(píng)估瀝青混合料的水穩(wěn)定性［6］;潘寶峰等制作了頻率為0～25 Hz的高頻高壓動(dòng)水壓力發(fā)生器，并與三軸試驗(yàn)相結(jié)合，用峰值幅度為1 MPa的正弦波水流沖刷道路材料，用無(wú)測(cè)限抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)道路材料的水穩(wěn)定性［7］;王莉等設(shè)計(jì)類似的裝置對(duì)瀝青混合料進(jìn)行交變沖刷，模擬動(dòng)水壓力［8］;劉松等利用小梁疲勞試驗(yàn)，比較了應(yīng)力和應(yīng)變控制對(duì)疲勞壽命的影響，發(fā)現(xiàn)采用應(yīng)力控制模式測(cè)試瀝青混合料的疲勞壽命比較合理［9］。

亞利桑那大學(xué)(University of Arizona)的Jimenez R A提出了循環(huán)動(dòng)水沖刷試驗(yàn)法，即把標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件浸在50益的水箱中，以每分鐘580個(gè)循環(huán)的頻率產(chǎn)生35～217 kPa的孔隙水壓力作用于試件，該孔隙水壓力與交通荷載下飽水路面的水壓力相當(dāng)，最后比較水作用前后試件的抗拉強(qiáng)度。該試驗(yàn)方法的特點(diǎn)是引入路面受到的動(dòng)水作用，模擬了瀝青混合料受到的孔隙水壓力作用。

ECS試驗(yàn) (Environment Conditioning System)即環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗(yàn)，是美國(guó)SHRP計(jì)劃為了更好地模擬工程現(xiàn)場(chǎng)，縮小實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)之間的差距，更有效地評(píng)價(jià)瀝青混合料的水敏感性所提出的試驗(yàn)方法。該方法通過(guò)采用模擬路面浸水破壞環(huán)境的試驗(yàn)儀，對(duì)試件進(jìn)行飽水處理、溫度控制，并且施加脈沖荷載，通過(guò)無(wú)破損方式對(duì)同一試件進(jìn)行浸水破壞前后對(duì)比分析，以水的滲透性、試件彈性模量和劈裂試件的瀝青剝落百分比作為水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，并以此評(píng)價(jià)混合料的水穩(wěn)定性。

美國(guó)instroTek公司生產(chǎn)的MIST水損壞敏感測(cè)試儀可模擬HMA路面受水和往復(fù)交通荷載而產(chǎn)生剝落的情況，通過(guò)向壓實(shí)的瀝青混凝土試樣中進(jìn)行注水和抽水，在一定的溫度和荷載下模擬車輛輪胎碾壓潮濕路面的狀況。MIST水損壞敏感測(cè)試儀可以選擇不同的試驗(yàn)壓力和溫度，從而對(duì)瀝青層產(chǎn)生不同的空隙壓，對(duì)瀝青混凝土進(jìn)行荷載和溫度雙重處理后再進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，用間接拉伸強(qiáng)度比表征瀝青混凝土的水穩(wěn)定性［10-12］。Radiqul A.Tarefder等利用MIST和凍融(AASGHTO)2種方法制出瀝青混凝土試樣后，進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，以間接拉伸強(qiáng)度比評(píng)價(jià)瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MIST法與瀝青混凝土的滲透系數(shù)相關(guān)性較差，AASHTO法與瀝青混凝土的滲透系數(shù)相關(guān)性較好。

本文通過(guò)自制瀝青混合料試件浸水和水循環(huán)裝置，將試件孔隙內(nèi)的孔隙水變?yōu)槌瑝毫紫端⑴c外界荷載耦合，作用于瀝青混合料，測(cè)試其在水-荷載耦合作用下的疲勞壽命以及浸水條件對(duì)其疲勞壽命的影響。這個(gè)水-荷載耦合過(guò)程與實(shí)際瀝青路面在運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生的水損壞機(jī)理和過(guò)程相同。

在中國(guó)大部分地區(qū)，特別高溫潮濕地區(qū)廣泛采用SMA-13、AC-16和AC-20的路面組合結(jié)構(gòu)，因此本文只對(duì)上述3種瀝青混合料做試驗(yàn)研究，探討3種瀝青混合料在不同浸水條件下的疲勞性質(zhì)。

1 原材料及試樣制備

1.1 瀝青

試驗(yàn)采用SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 SBS改性瀝青的技術(shù)性質(zhì)

1.2 集料

SMA-13粗集料采用3～5 mm、5～10 mm和10～15 mm的玄武巖集料，其技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表2。為了提高SMA-13的水穩(wěn)定性，0～3 mm集料采用石灰?guī)r。

表2 玄武巖集料的技術(shù)性質(zhì)

SMA-13的纖維采用木質(zhì)素纖維，其技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表3。

表3 木質(zhì)素纖維的技術(shù)性質(zhì)

AC-16和AC-20粗集料均采用0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm和10～20 mm的石灰?guī)r，其技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表4。

表4 石灰?guī)r集料的技術(shù)性質(zhì)

上述3種瀝青混凝土使用的填料均采用石灰?guī)r磨制礦粉，其技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表5。

表5 填料的技術(shù)性質(zhì)

因?yàn)樘盍狭６确秶绊憺r青混合料的長(zhǎng)期性能，所以對(duì)填料粒度進(jìn)行篩分，其結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 填料粒度范圍試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)中SMA-13、AC-16和AC-20三種瀝青混合料的礦料級(jí)配根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)取值，如表7所示。

表7 SMA-13、AC-16和AC-20級(jí)配

通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)和相關(guān)試驗(yàn)確定SMA-13、AC-16和AC-20的最佳油石比分別為6.3%、4.8%和4.5%。

1.3 試樣制備

《公路瀝青路面施工技術(shù)》(JTG F40—2004)規(guī)定，瀝青混凝土路面的壓實(shí)度為實(shí)驗(yàn)室馬歇爾密度的96% ～98%、最大理論密度的92% ～94%。根據(jù)空隙率定義可知，瀝青混凝土壓實(shí)后空隙率為6% ～8%，這是許多瀝青混合料出現(xiàn)超滲透性的臨界空隙率。

為了接近現(xiàn)場(chǎng)瀝青混凝土碾壓后的空隙率(在7%依1%)，本次試驗(yàn)在室內(nèi)采用輪碾方式成型標(biāo)準(zhǔn)車轍試塊(300 mm伊300 mm伊50 mm)，用鉆芯機(jī)取直徑100 mm、高50 mm的圓形試件，用雙面磨平機(jī)將試件的高度控制在40～45 mm。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)

在國(guó)內(nèi)外，為了模擬水對(duì)瀝青混合料的損傷，首先采用不同方式把水滲透到壓實(shí)瀝青混凝土內(nèi)部的孔隙中。常用的3種方法分別是:第1種，將瀝青混合料試樣直接浸入一定溫度的水中2～7 d，使其達(dá)到飽水狀態(tài)，再進(jìn)行疲勞試驗(yàn);第2種，對(duì)試樣采用真空飽和方式，讓水滲透到試樣內(nèi)部，該方式的水飽和度比第1種方法高;第3種，采用真空凍融循環(huán)方式，該方式雖然能使水滲透到瀝青混凝土內(nèi)部，但也會(huì)造成混凝土內(nèi)部的損傷。

為了模擬瀝青混凝土受到的水-荷載耦合作用，設(shè)計(jì)了3種浸水條件:第1種，無(wú)水狀態(tài)(基準(zhǔn)條件);第2種，水-荷載耦合狀態(tài)(靜水條件);第3種，循環(huán)水-荷載耦合狀態(tài)(動(dòng)水條件)，具體試驗(yàn)的條件見(jiàn)表8。

表8 水環(huán)境試驗(yàn)條件

2.2 水循環(huán)環(huán)境箱設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了一個(gè)有機(jī)玻璃材質(zhì)的水環(huán)境箱，該箱長(zhǎng)、寬皆為250 mm，高180 mm，與水泵、水溫控制箱連接在一起。試驗(yàn)浸水裝置見(jiàn)圖1。恒溫水槽中的水在水環(huán)境箱中自上而下循環(huán)流動(dòng)，形成動(dòng)水環(huán)境，模擬瀝青混凝土周圍和內(nèi)部孔隙被流動(dòng)水包圍的狀態(tài)。

2.3 間接拉伸疲勞試驗(yàn)

本文采用氣動(dòng)伺服材料試驗(yàn)機(jī)，按0.1 s加載時(shí)間和0.4 s卸載時(shí)間的半正弦波進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。對(duì)于間接拉伸疲勞試驗(yàn)，一般說(shuō)來(lái)水平拉應(yīng)變控制在100～400με，疲勞壽命在103～106次。根據(jù)以上原則選擇3個(gè)應(yīng)力比，即0.3、0.4和0.5。

圖2為間接拉伸疲勞試驗(yàn)施加荷載的波形。在間接拉伸疲勞試驗(yàn)中，為了使加載條與試樣保持緊密接觸，需要施加一個(gè)接觸壓力，其值為施加荷載值的5%。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 瀝青混合料間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 試驗(yàn)浸水裝置

圖2 間接拉伸疲勞荷載波形

對(duì)一組試件進(jìn)行真空飽水后，與另外一組未進(jìn)行真空飽水的試件一起進(jìn)行間接拉伸破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 間接拉伸強(qiáng)度對(duì)比

從圖3可以看出，真空浸水后SMA-13的間接拉伸強(qiáng)度下降了11.3%，AC-16下降了24.7%，AC-20下降了15.9%?？梢?jiàn)，水極大地減小了瀝青混合料的拉伸強(qiáng)度。

3.2 浸水間接拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)SMA-13、AC-16和AC-20試樣分別在無(wú)水、靜水和動(dòng)水(循環(huán)水作用)條件下進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)，對(duì)疲勞次數(shù)(N)和應(yīng)力比(σ)取對(duì)數(shù)，在直角坐標(biāo)系上畫這2個(gè)對(duì)數(shù)值曲線，并進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖4～6。

(1)從圖4～6可以看出，在3種浸水試驗(yàn)條件下，SMA-13、AC-16和AC-20的疲勞次數(shù)與應(yīng)力比關(guān)系曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上表現(xiàn)為直線關(guān)系，因此可采用以下方程來(lái)描述

圖4 SMA-13應(yīng)力比-疲勞壽命雙對(duì)數(shù)曲線

圖5 AC-16應(yīng)力比-疲勞次數(shù)雙對(duì)數(shù)曲線

式中:Nf為應(yīng)力σ作用下的疲勞次數(shù);n為線性方程的斜率;k為線性方程的截距。

一般說(shuō)來(lái)，截距k值越大，材料的疲勞性能越好;斜率n值越大，表示曲線越陡，荷載對(duì)疲勞次數(shù)的影響越大。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上疲勞次數(shù)與應(yīng)力比擬合曲線函數(shù)見(jiàn)表9。

圖6 AC-20應(yīng)力比-疲勞次數(shù)雙對(duì)數(shù)曲線

(2)從表9可以看出:SMA-13、AC-16和AC-20三種瀝青混合料在有水條件下(包括靜水狀態(tài)和動(dòng)水狀態(tài))的k值都比無(wú)水條件下的k值小，這充分說(shuō)明了在水和外界荷載耦合作用下瀝青混合料的疲勞壽命顯著變小;有水條件下的擬合曲線的斜率n值比無(wú)水狀態(tài)下的n值大，這充分說(shuō)明了在水和外界荷載耦合作用下，疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平的敏感程度比單獨(dú)荷載作用下的高。

在有水條件下，瀝青混凝土的疲勞壽命小于無(wú)水條件下的疲勞壽命，這是因?yàn)樵谄谠囼?yàn)過(guò)程中瀝青混凝土試樣孔隙內(nèi)部的水與疲勞荷載相互耦合的作用加快了瀝青混凝土的疲勞損傷，在疲勞荷載作用下瀝青混凝土孔隙內(nèi)部的孔隙水產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力。這個(gè)超孔隙水壓力可用圖7加以解釋說(shuō)明［13-15］。

表9 在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上疲勞次數(shù)與應(yīng)力比擬合曲線函數(shù)

當(dāng)瀝青混凝土受到圖2中示意的半正弦荷載作用，圖7中的顆粒1、顆粒2受到豎向應(yīng)力σ1作用，顆粒3、顆粒4受到水平應(yīng)力σ3作用。

圖7 瀝青混凝土中孔隙及孔隙中的水變形過(guò)程

圖7 是取瀝青混凝土試樣中一個(gè)與外界連通的孔隙，圖7深色部分是由4個(gè)集料構(gòu)成的孔隙，4個(gè)集料分別表示為1、2、3和4。圖7的虛直線為假設(shè)的孔通道，一個(gè)孔隙中的水通過(guò)孔通道流到另一個(gè)孔隙中。

在外界荷載作用下，一部分孔隙水被擠出孔隙，流到另一個(gè)孔隙中，另外一部分孔隙水滯留在孔隙中，滯留在孔隙中的水的體積隨孔隙體積的減小而減小，隨之產(chǎn)生超孔隙水壓力。

假設(shè)水是彈性體，圖7深色孔隙的面積用Ak表示;當(dāng)超孔隙水壓力為零時(shí)，孔隙中水的面積為Wk?？紫端娣e的應(yīng)變?chǔ)腤，按式(2)計(jì)算

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和20益的條件下，水的體積彈性模量Ew為2.18伊108Pa，按式(3)計(jì)算超孔隙水壓力 Uk［13］

在間接拉伸疲勞過(guò)程中，試樣產(chǎn)生的整體水平拉應(yīng)變控制在100～400με。假設(shè)瀝青混凝土的泊松系數(shù)為0.35，則試樣產(chǎn)生的整體豎向應(yīng)變?yōu)?85～1 142 με。在285～1 142με豎向應(yīng)變的作用下，假設(shè)某一處孔隙水面積的應(yīng)變?yōu)樵嚇诱w豎向應(yīng)變的1%，根據(jù)式(3)得到超孔隙水壓力為621.2～2 489.56 Pa，這個(gè)超孔隙水壓力反作用在瀝青膜上，同時(shí)從孔隙中擠出來(lái)的水對(duì)瀝青膜有一個(gè)剪切應(yīng)力。

因此，不管從孔隙中擠壓出來(lái)的水，還是滯留在孔隙內(nèi)部的水都沖刷孔隙壁，導(dǎo)致黏附在集料表面的瀝青膜會(huì)被沖刷開(kāi)裂，發(fā)生損傷破壞。

在卸載階段，隨著荷載的減小，試件內(nèi)部的孔隙體積恢復(fù)，從而形成了負(fù)壓。瀝青混凝土試樣在加載階段產(chǎn)生的壓縮應(yīng)變?cè)谛遁d階段會(huì)恢復(fù)到原始狀態(tài)，此時(shí)負(fù)孔隙水壓力值會(huì)接近超孔隙水壓力值。擠壓、泵吸的循環(huán)過(guò)程將造成集料表面上的瀝青膜受到一個(gè)反復(fù)剪切沖刷作用，2個(gè)集料間接觸點(diǎn)受到一個(gè)膨脹力的作用。因此，在水和荷載耦合作用下瀝青混合料的疲勞壽命縮短。

(3)從圖4～6可以看出，有水試驗(yàn)條件下的曲線與無(wú)水狀態(tài)下的曲線幾乎平行。計(jì)算靜水和動(dòng)水條件擬合曲線函數(shù)的斜率n值相對(duì)于無(wú)水?dāng)M合曲線函數(shù)的斜率n值的百分率，見(jiàn)表9。從表9可以知道，這些百分率都在90%以上，特別是SMA-13的百分率幾乎接近100%，這充分說(shuō)明了水-荷載耦合作用對(duì)瀝青混凝土的疲勞次數(shù)-應(yīng)力雙對(duì)數(shù)曲線與單獨(dú)荷載作用的關(guān)系曲線具有相似性。

計(jì)算2條平行線間的距離，設(shè)2條直線方程為Ax+By+C1=0，Ax+By+C2=0，則其距離

式中:C1和C2分別為函數(shù)1和函數(shù)2的常量;A和B分別為函數(shù)的變量x和變量y的系數(shù);d為2條平行直線的距離。

根據(jù)式(1)，以無(wú)水條件下的擬合曲線函數(shù)x和y的系數(shù)為基準(zhǔn)，計(jì)算無(wú)水與靜水試驗(yàn)條件下的擬合曲線距離的近似值，見(jiàn)表9。從表9可以知道，不管是靜水還是動(dòng)水條件，SMA-13的距離最小，AC-16的其次，AC-20的距離最大。因此，在有水條件下3種類型瀝青混合料的疲勞性能從高到低依次為 SMA-13、AC-16、AC-20。

(4)無(wú)水狀態(tài)與靜水狀態(tài)、動(dòng)水狀態(tài)的擬合曲線有顯著差異，但是靜水狀態(tài)下的擬合曲線與動(dòng)水狀態(tài)下的幾乎重合。從表9可以知道，動(dòng)水條件擬合曲線與無(wú)水條件擬合曲線的距離稍大于靜水條件擬合曲線與無(wú)水條件擬合曲線的距離?？梢?jiàn)，在本試驗(yàn)中靜水狀態(tài)和動(dòng)水狀態(tài)對(duì)瀝青混合料試件的疲勞壽命無(wú)顯著差異。這可能是由于，循環(huán)水沒(méi)有和試件內(nèi)部的孔隙水連通，試件外部的流動(dòng)水并沒(méi)有和試件內(nèi)部孔隙水發(fā)生相互作用，或者流動(dòng)水流速較小，水對(duì)瀝青膜的沖刷作用不顯著。因此，動(dòng)水對(duì)試件的力學(xué)作用幾乎等同于靜水作用，并未對(duì)試件造成較大的額外影響。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)自制水循環(huán)裝置，設(shè)計(jì)了無(wú)水、靜水和循環(huán)水3種浸水條件，對(duì)SMA-13、AC-16和AC-20三種瀝青混凝土試樣進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)，得到如下結(jié)論。

(1)在水-荷載耦合作用下，瀝青混合料的疲勞壽命顯著減小，SMA-13具有較強(qiáng)的抗水損壞能力。

(2)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，疲勞次數(shù)對(duì)數(shù)和應(yīng)力比對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，無(wú)水和有水(靜水和循環(huán)水)浸水條件下的疲勞次數(shù)與應(yīng)力比關(guān)系曲線近似平行，利用2條平行線距離的計(jì)算公式，計(jì)算它們之間的距離，進(jìn)一步分析了3種瀝青混凝土的抗水損害能力。

(3)靜水和循環(huán)水2種浸水條件對(duì)瀝青混合料疲勞壽命的影響無(wú)顯著差別，需要進(jìn)一步改進(jìn)試驗(yàn)方法和措施，促進(jìn)循環(huán)水與試件內(nèi)部孔隙間的相互作用。

(4)本文利用超孔隙水壓力的產(chǎn)生過(guò)程，解釋了水-荷載耦合作用對(duì)瀝青混凝土產(chǎn)生水損壞的過(guò)程，但還需要利用其他數(shù)值方法進(jìn)一步模擬在加載階段產(chǎn)生的超孔隙水壓力和在卸載階段產(chǎn)生的孔隙水壓力。

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