浸水狀態(tài)對瀝青混凝土疲勞壽命的影響

楊大田，周 乾

0 引言

瀝青混凝土路面容易發(fā)生早期損壞，對早期損壞產生的原因和機理，國內外進行了大量的研究。許多學者認為水對瀝青混合料早期破壞影響較大，水主要以滲透、毛細上升和水汽的擴散3種方式侵入到瀝青混凝土孔隙，進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料與集料表面黏結力喪失或內聚力喪失，從而導致路面功能累進性衰變。

丁立等對試件進行凍融循環(huán)和沖刷試驗，模擬水對瀝青混凝土路面的損傷，然后用剩余劈裂強度和劈裂強度來評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的高頻高壓動水壓力發(fā)生器，并與三軸試驗相結合，用峰值幅度為1 MPa的正弦波水流沖刷道路材料，用無測限抗壓強度評價道路材料的水穩(wěn)定性［7］;王莉等設計類似的裝置對瀝青混合料進行交變沖刷，模擬動水壓力［8］;劉松等利用小梁疲勞試驗，比較了應力和應變控制對疲勞壽命的影響，發(fā)現(xiàn)采用應力控制模式測試瀝青混合料的疲勞壽命比較合理［9］。

亞利桑那大學(University of Arizona)的Jimenez R A提出了循環(huán)動水沖刷試驗法，即把標準馬歇爾試件浸在50益的水箱中，以每分鐘580個循環(huán)的頻率產生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，最后比較水作用前后試件的抗拉強度。該試驗方法的特點是引入路面受到的動水作用，模擬了瀝青混合料受到的孔隙水壓力作用。

ECS試驗 (Environment Conditioning System)即環(huán)境調節(jié)系統(tǒng)試驗，是美國SHRP計劃為了更好地模擬工程現(xiàn)場，縮小實驗室與現(xiàn)場之間的差距，更有效地評價瀝青混合料的水敏感性所提出的試驗方法。該方法通過采用模擬路面浸水破壞環(huán)境的試驗儀，對試件進行飽水處理、溫度控制，并且施加脈沖荷載，通過無破損方式對同一試件進行浸水破壞前后對比分析，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)定性評價指標，并以此評價混合料的水穩(wěn)定性。

美國instroTek公司生產的MIST水損壞敏感測試儀可模擬HMA路面受水和往復交通荷載而產生剝落的情況，通過向壓實的瀝青混凝土試樣中進行注水和抽水，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水損壞敏感測試儀可以選擇不同的試驗壓力和溫度，從而對瀝青層產生不同的空隙壓，對瀝青混凝土進行荷載和溫度雙重處理后再進行間接拉伸強度試驗，用間接拉伸強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，進行間接拉伸強度試驗，以間接拉伸強度比評價瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。試驗發(fā)現(xiàn)，MIST法與瀝青混凝土的滲透系數相關性較差，AASHTO法與瀝青混凝土的滲透系數相關性較好。

本文通過自制瀝青混合料試件浸水和水循環(huán)裝置，將試件孔隙內的孔隙水變?yōu)槌瑝毫紫端?，并與外界荷載耦合，作用于瀝青混合料，測試其在水-荷載耦合作用下的疲勞壽命以及浸水條件對其疲勞壽命的影響。這個水-荷載耦合過程與實際瀝青路面在運營期間發(fā)生的水損壞機理和過程相同。

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

1 原材料及試樣制備

1.1 瀝青

試驗采用SBS改性瀝青，其技術指標見表1。

表1 SBS改性瀝青的技術性質

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，其技術性質見表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 玄武巖集料的技術性質

SMA-13的纖維采用木質素纖維，其技術性質見表3。

表3 木質素纖維的技術性質

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，其技術性質見表4。

表4 石灰?guī)r集料的技術性質

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，其技術性質見表5。

表5 填料的技術性質

因為填料粒度范圍影響瀝青混合料的長期性能，所以對填料粒度進行篩分，其結果見表6。

表6 填料粒度范圍試驗結果

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

表7 SMA-13、AC-16和AC-20級配

通過馬歇爾試驗和相關試驗確定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》(JTG F40—2004)規(guī)定，瀝青混凝土路面的壓實度為實驗室馬歇爾密度的96% ～98%、最大理論密度的92% ～94%。根據空隙率定義可知，瀝青混凝土壓實后空隙率為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)場瀝青混凝土碾壓后的空隙率(在7%依1%)，本次試驗在室內采用輪碾方式成型標準車轍試塊(300 mm伊300 mm伊50 mm)，用鉆芯機取直徑100 mm、高50 mm的圓形試件，用雙面磨平機將試件的高度控制在40～45 mm。

2 試驗方案設計

2.1 試驗條件設計

在國內外，為了模擬水對瀝青混合料的損傷，首先采用不同方式把水滲透到壓實瀝青混凝土內部的孔隙中。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，使其達到飽水狀態(tài)，再進行疲勞試驗;第2種，對試樣采用真空飽和方式，讓水滲透到試樣內部，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部，但也會造成混凝土內部的損傷。

為了模擬瀝青混凝土受到的水-荷載耦合作用，設計了3種浸水條件:第1種，無水狀態(tài)(基準條件);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)(動水條件)，具體試驗的條件見表8。

表8 水環(huán)境試驗條件

2.2 水循環(huán)環(huán)境箱設計

本次試驗設計制作了一個有機玻璃材質的水環(huán)境箱，該箱長、寬皆為250 mm，高180 mm，與水泵、水溫控制箱連接在一起。試驗浸水裝置見圖1。恒溫水槽中的水在水環(huán)境箱中自上而下循環(huán)流動，形成動水環(huán)境，模擬瀝青混凝土周圍和內部孔隙被流動水包圍的狀態(tài)。

2.3 間接拉伸疲勞試驗

本文采用氣動伺服材料試驗機，按0.1 s加載時間和0.4 s卸載時間的半正弦波進行疲勞試驗。對于間接拉伸疲勞試驗，一般說來水平拉應變控制在100～400με，疲勞壽命在103～106次。根據以上原則選擇3個應力比，即0.3、0.4和0.5。

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

3 試驗結果與分析

3.1 瀝青混合料間接拉伸強度試驗結果

圖1 試驗浸水裝置

圖2 間接拉伸疲勞荷載波形

對一組試件進行真空飽水后，與另外一組未進行真空飽水的試件一起進行間接拉伸破壞試驗，試驗結果如圖3所示。

圖3 間接拉伸強度對比

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

3.2 浸水間接拉伸疲勞試驗結果

對SMA-13、AC-16和AC-20試樣分別在無水、靜水和動水(循環(huán)水作用)條件下進行間接拉伸疲勞試驗，對疲勞次數(N)和應力比(σ)取對數，在直角坐標系上畫這2個對數值曲線，并進行擬合，結果見圖4～6。

(1)從圖4～6可以看出，在3種浸水試驗條件下，SMA-13、AC-16和AC-20的疲勞次數與應力比關系曲線在雙對數坐標上表現(xiàn)為直線關系，因此可采用以下方程來描述

圖4 SMA-13應力比-疲勞壽命雙對數曲線

圖5 AC-16應力比-疲勞次數雙對數曲線

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

一般說來，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，荷載對疲勞次數的影響越大。在雙對數坐標上疲勞次數與應力比擬合曲線函數見表9。

圖6 AC-20應力比-疲勞次數雙對數曲線

(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)和動水狀態(tài))的k值都比無水條件下的k值小，這充分說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值比無水狀態(tài)下的n值大，這充分說明了在水和外界荷載耦合作用下，疲勞壽命對應力水平的敏感程度比單獨荷載作用下的高。

在有水條件下，瀝青混凝土的疲勞壽命小于無水條件下的疲勞壽命，這是因為在疲勞試驗過程中瀝青混凝土試樣孔隙內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部的孔隙水產生較大的超孔隙水壓力。這個超孔隙水壓力可用圖7加以解釋說明［13-15］。

表9 在雙對數坐標上疲勞次數與應力比擬合曲線函數

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

圖7 瀝青混凝土中孔隙及孔隙中的水變形過程

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

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，隨之產生超孔隙水壓力。

假設水是彈性體，圖7深色孔隙的面積用Ak表示;當超孔隙水壓力為零時，孔隙中水的面積為Wk?？紫端娣e的應變δW，按式(2)計算

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

在間接拉伸疲勞過程中，試樣產生的整體水平拉應變控制在100～400με。假設瀝青混凝土的泊松系數為0.35，則試樣產生的整體豎向應變?yōu)?85～1 142 με。在285～1 142με豎向應變的作用下，假設某一處孔隙水面積的應變?yōu)樵嚇诱w豎向應變的1%，根據式(3)得到超孔隙水壓力為621.2～2 489.56 Pa，這個超孔隙水壓力反作用在瀝青膜上，同時從孔隙中擠出來的水對瀝青膜有一個剪切應力。

因此，不管從孔隙中擠壓出來的水，還是滯留在孔隙內部的水都沖刷孔隙壁，導致黏附在集料表面的瀝青膜會被沖刷開裂，發(fā)生損傷破壞。

在卸載階段，隨著荷載的減小，試件內部的孔隙體積恢復，從而形成了負壓。瀝青混凝土試樣在加載階段產生的壓縮應變在卸載階段會恢復到原始狀態(tài)，此時負孔隙水壓力值會接近超孔隙水壓力值。擠壓、泵吸的循環(huán)過程將造成集料表面上的瀝青膜受到一個反復剪切沖刷作用，2個集料間接觸點受到一個膨脹力的作用。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，有水試驗條件下的曲線與無水狀態(tài)下的曲線幾乎平行。計算靜水和動水條件擬合曲線函數的斜率n值相對于無水擬合曲線函數的斜率n值的百分率，見表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%，這充分說明了水-荷載耦合作用對瀝青混凝土的疲勞次數-應力雙對數曲線與單獨荷載作用的關系曲線具有相似性。

計算2條平行線間的距離，設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1和函數2的常量;A和B分別為函數的變量x和變量y的系數;d為2條平行直線的距離。

根據式(1)，以無水條件下的擬合曲線函數x和y的系數為基準，計算無水與靜水試驗條件下的擬合曲線距離的近似值，見表9。從表9可以知道，不管是靜水還是動水條件，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)無水狀態(tài)與靜水狀態(tài)、動水狀態(tài)的擬合曲線有顯著差異，但是靜水狀態(tài)下的擬合曲線與動水狀態(tài)下的幾乎重合。從表9可以知道，動水條件擬合曲線與無水條件擬合曲線的距離稍大于靜水條件擬合曲線與無水條件擬合曲線的距離?？梢?，在本試驗中靜水狀態(tài)和動水狀態(tài)對瀝青混合料試件的疲勞壽命無顯著差異。這可能是由于，循環(huán)水沒有和試件內部的孔隙水連通，試件外部的流動水并沒有和試件內部孔隙水發(fā)生相互作用，或者流動水流速較小，水對瀝青膜的沖刷作用不顯著。因此，動水對試件的力學作用幾乎等同于靜水作用，并未對試件造成較大的額外影響。

4 結語

通過自制水循環(huán)裝置，設計了無水、靜水和循環(huán)水3種浸水條件，對SMA-13、AC-16和AC-20三種瀝青混凝土試樣進行間接拉伸疲勞試驗，得到如下結論。

(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具有較強的抗水損壞能力。

(2)在雙對數坐標中，疲勞次數對數和應力比對數呈線性關系，無水和有水(靜水和循環(huán)水)浸水條件下的疲勞次數與應力比關系曲線近似平行，利用2條平行線距離的計算公式，計算它們之間的距離，進一步分析了3種瀝青混凝土的抗水損害能力。

(3)靜水和循環(huán)水2種浸水條件對瀝青混合料疲勞壽命的影響無顯著差別，需要進一步改進試驗方法和措施，促進循環(huán)水與試件內部孔隙間的相互作用。

(4)本文利用超孔隙水壓力的產生過程，解釋了水-荷載耦合作用對瀝青混凝土產生水損壞的過程，但還需要利用其他數值方法進一步模擬在加載階段產生的超孔隙水壓力和在卸載階段產生的孔隙水壓力。

參考文獻:

［1］ 何 演，李 明，王隨原.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象分析及防治措施［J］.公路交通技術，2007(2):52-54.

［2］ 沈金安.解決高速公路瀝青路面水損害早期損壞的技術途徑［J］.北京公路，2000(5):13-19.

［3］ 劉生海，呂永波.路面結構水損壞的研究［J］.公路交通技術，2006(3):35-38.

［4］ CARO S，MASAD E，BHASIN A，et al.Moisture Susceptibility of Asphalt Mixtures，Part 1:Mechanisms［J］.International Journal of Pavement Engineering，2008，9(2):81-98.

［5］ HAKUNO M，TARUMI Y A.Granular Assembly Simulation for The Dynamic Liquefaction of Sand［J］.Natural Disaster Science，1988，10(398):129-138.

［6］ 丁 立，劉朝暉，史 義.瀝青路面沖刷凍融劈裂的水損害試驗模擬環(huán)境［J］.公路交通科技，2006，23(9):15-19.

［7］ 潘寶峰，邵龍?zhí)?，王哲?瀝青路面水損害研究新方法［J］.武漢理工大學學報:交通科學與工程版，2009，33(2):250-252.

［8］ 王 莉，李 智，姜旺恒，等.新型瀝青路面動水壓力模擬試驗研究［J］.公路交通科技:應用技術版，2010(9):82-85.

［9］ 劉 松，張學鋒，葉志華，等.水對瀝青混凝土路面疲勞壽命影響初探［J］.公路，2006(7):35-36.

［10］ ARAMBULAR E，MASAD E，Martin A E.Influence of Air Void Distribution on the Moisture Susceptibility of Asphalt Mixes［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2007，19(8):655-664.

［11］ CHEN J S，LIN K Y，YOUNG S Y.Effects of Crack Width and Permeability on Moisture-Induced Damage of Pavements［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2004，16(3):276-282.

［12］ TAREFDER R A，AHMAD M.Evaluating the Relationship Between Permeability and Moisture Damage of Asphalt Concrete Pavements［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2015，27(5):04014172.

［13］ VARDANEGA PJ.State of the Art:Permeability of Asphalt Concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2014，26(1):54-64.

［14］ COOLEY L A，BROWN E R，MAGHSOODLOO S.Developing Critical Field Permeability and Pavement Density Values for Coarse-Graded Superpave Pavements［J］.Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board，2001，1761(1):41-49.

［15］ 楊大田，夏文軍.動態(tài)剪切蠕變試驗評價瀝青路面層間穩(wěn)定性［J］.筑路機械與施工機械化，2011，28(2):46-48.