基于瀝青混合料疲勞損傷細(xì)觀力學(xué)性能的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)研究*

朱默， 黃博， 李友云， 李懿

(1.湖南省蓮株高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 株洲 412000；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

目前，中國(guó)瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修中主要考慮的是公路技術(shù)狀況，根據(jù)“壞路優(yōu)先”或在資金許可時(shí)的“即壞即修”原則進(jìn)行決策，尚未將瀝青路面全壽命使用期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效益作為養(yǎng)護(hù)決策分析依據(jù)，也未將環(huán)境負(fù)荷、交通影響程度等作為養(yǎng)護(hù)決策的效能評(píng)價(jià)指標(biāo)，普遍存在養(yǎng)護(hù)決策方法簡(jiǎn)單、養(yǎng)護(hù)資金不落實(shí)、科學(xué)化程度不高、養(yǎng)護(hù)工藝落后、養(yǎng)護(hù)機(jī)制不健全等問題，養(yǎng)護(hù)質(zhì)量得不到保障。該文通過創(chuàng)新養(yǎng)護(hù)維修理論，提出一種基于瀝青混合料疲勞損傷過程中細(xì)觀力學(xué)性能的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修方法。

1 等效基體劈裂疲勞損傷性能試驗(yàn)

1.1 配合比設(shè)計(jì)

分析集料最大公稱粒徑減小對(duì)瀝青混合料力學(xué)及疲勞損傷特性的影響。為獲取其彈性參數(shù)，以AC-13C配合比為依據(jù)，去除粒徑≥2.36 mm的集料，利用剩余各檔集料質(zhì)量比不變及集料總比表面積與瀝青用量比值不變的原則設(shè)計(jì)試件進(jìn)行力學(xué)及疲勞損傷性能試驗(yàn)。

根據(jù)基體材料中各檔集料的篩余百分率、基體油石比、瀝青和各檔集料的密度，計(jì)算得到各檔集料及瀝青的體積比；由試件的總體積得到各檔集料及瀝青的體積，由各檔集料及瀝青的密度得到各檔集料及瀝青的質(zhì)量。通過某級(jí)配合比設(shè)計(jì)，類比得到其他各級(jí)等效基體配合比設(shè)計(jì)方案(見表1)。

1.2 試驗(yàn)方案

先進(jìn)行AC-13C及其等效基體AC-9.5、AC-4.75、AC-2.36、AC-1.18劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)定劈裂強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上，以0.3的應(yīng)力比用UTM試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行各試件不同損傷程度劈裂疲勞損傷試驗(yàn)，并通過MTS-810測(cè)量不同損傷程度下AC-13C及其等效基體的劈裂回彈模量，分析上述材料的強(qiáng)度衰減規(guī)律與剛度退化規(guī)律，對(duì)比分析AC-13C與其等效基體疲勞損傷的區(qū)別。

為了解AC-13C及其等效基體在相同條件、不同加載次數(shù)下的剩余強(qiáng)度和剩余劈裂回彈模量，先大概確定各材料在試驗(yàn)條件下的疲勞壽命，再在第一組試驗(yàn)中測(cè)出其在相同狀況下的疲勞壽命。如果測(cè)試結(jié)果和相關(guān)資料大概一致，則取均值作為其疲勞壽命Nf；若不一致，則再在相應(yīng)材料上加一組疲勞試驗(yàn)(3個(gè)試件)，將其試驗(yàn)結(jié)果和上面對(duì)應(yīng)的3個(gè)疲勞試驗(yàn)結(jié)果一起求平均值，求得6個(gè)試件的疲勞壽命均值作為該瀝青混合料的疲勞壽命Nf。

表1 各級(jí)等效基體的級(jí)配

2 基于CT圖像的瀝青混合料疲勞損傷細(xì)觀規(guī)律分析

根據(jù)AC-13C及其細(xì)觀組分的等效基體劈裂疲勞損傷試驗(yàn)結(jié)果，瀝青混合料在疲勞損傷過程中的強(qiáng)度、剛度下降趨勢(shì)呈明顯的非線性，且呈現(xiàn)3個(gè)階段，即在疲勞壽命的初期強(qiáng)度、剛度緩慢下降，中期下降速率明顯增大，后期下降速率急劇增大(見圖1、圖2)。

把瀝青混合料當(dāng)作均質(zhì)體難以分析其疲勞損傷機(jī)理及早期破壞現(xiàn)象，而由細(xì)觀尺度分析瀝青混合料因非均勻性導(dǎo)致應(yīng)力集中進(jìn)而引起的局部疲勞損傷，可得到其疲勞損傷起始位置及演化規(guī)律。圖3、圖4分別為AC-13C在不同疲勞損傷下的CT掃描圖像及數(shù)據(jù)模擬典型應(yīng)力云圖。

圖1 瀝青混合料強(qiáng)度和疲勞壽命的變化規(guī)律

圖2 瀝青混合料剛度和疲勞壽命的變化規(guī)律

圖3 AC-13C不同疲勞損傷狀態(tài)下的CT圖像

圖4 AC-13C細(xì)觀模型下不同疲勞損傷狀態(tài)的典型應(yīng)力云圖(單位：mm)

由圖3、圖4可知：1) 由細(xì)觀尺度分析AC-13C在不同疲勞損傷程度下的內(nèi)部應(yīng)力表現(xiàn)為明顯的非均勻性，表明把瀝青混合料當(dāng)作均質(zhì)體不合理。均質(zhì)體難以反映瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中及早期局部破壞，而由細(xì)觀尺度能從疲勞損傷發(fā)展源、疲勞損傷機(jī)理及疲勞損傷演化來分析其結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力集中情況及早期局部損傷。2) 在疲勞損傷初期，瀝青混合料損傷較小，應(yīng)力集中程度也較小，其損傷源于粗骨料尖角處的瀝青膠漿，原因是在循環(huán)荷載作用下粗集料尖角刺破瀝青膜(膠漿)而產(chǎn)生細(xì)觀裂縫，導(dǎo)致瀝青混合料瀝青膠漿發(fā)生損傷。大部分損傷源是由粗集料的棱角刺破瀝青膜(膠漿)所致，粗集料的棱角性容易導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中。隨著循環(huán)荷載的進(jìn)一步作用，瀝青混合料進(jìn)入疲勞損傷中期，前期被刺破的瀝青膜(膠漿)導(dǎo)致其宏觀力學(xué)性能下降，粗集料強(qiáng)度遠(yuǎn)大于瀝青膠漿，細(xì)觀裂縫大致沿與受力平行瀝青膠漿方向發(fā)展，遇到粗集料則繞開，逐步產(chǎn)生多條宏觀裂縫，此時(shí)細(xì)集料在抵抗疲勞損傷方面起關(guān)鍵作用。到了疲勞損傷晚期，瀝青混合料小裂縫與小裂縫不斷匯合，形成多條大致平行于受力方向的大裂縫，且骨料與骨料之間的嵌擠作用增強(qiáng)，此時(shí)粗集料與粗集料之間的相互作用在抵抗損傷方面起關(guān)鍵作用。

粗集料的棱角性在瀝青混合料結(jié)構(gòu)中起關(guān)鍵作用，一方面，棱角性好的粗集料有利于它們之間的嵌擠作用，使瀝青混合料的強(qiáng)度增加；另一方面，棱角性太好會(huì)在疲勞損傷初期刺破瀝青模(膠漿)，使瀝青混合料產(chǎn)生疲勞損傷源，影響瀝青混合料的疲勞壽命。參考相關(guān)文獻(xiàn)，得到粗集料棱角性與瀝青混合料強(qiáng)度、疲勞壽命的關(guān)系(見圖5、圖6)。

圖5 粗集料棱角性與-10 ℃小梁彎拉強(qiáng)度的關(guān)系

圖6 粗集料棱角性與15 ℃瀝青混合料劈裂疲勞壽命的關(guān)系

瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)影響其強(qiáng)度及疲勞壽命，當(dāng)前瀝青混合料設(shè)計(jì)方法存在較大缺陷，無法反映集料的細(xì)觀特征。由圖5、圖6可知：1) 瀝青混合料的強(qiáng)度隨著粗集料棱角性的增大先增大后減小，先增大的原因是在棱角性較小時(shí)，棱角性增大有利于骨料與骨料之間的嵌擠作用，使其強(qiáng)度增大，而增加到一定程度時(shí)，骨料與骨料之間的嵌擠已足夠緊密，再增加棱角性對(duì)其強(qiáng)度影響較小，且棱角性過大會(huì)導(dǎo)致骨料易于壓碎，進(jìn)而導(dǎo)致其強(qiáng)度下降。粗集料棱角性為1.055左右時(shí)，瀝青混合料的強(qiáng)度最大。2) 瀝青混合料的疲勞壽命隨著粗集料棱角性的增大呈減小趨勢(shì)且減小速率不斷增大，棱角性1.05左右為其下降速率的一個(gè)拐點(diǎn)。綜合考慮強(qiáng)度與疲勞壽命，瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)將粗集料棱角性控制在1.05左右較合理。

根據(jù)上述瀝青混合料細(xì)觀疲勞損傷規(guī)律及特性，瀝青路面使用壽命、行駛質(zhì)量的下降趨勢(shì)也呈明顯的非線性，在瀝青路面使用初期，其使用性能指標(biāo)降低較緩慢，主要是其結(jié)構(gòu)中瀝青混合料粗集料的尖角處刺破瀝青膜(膠漿)導(dǎo)致發(fā)生疲勞損傷，其為疲勞損傷源。如果此時(shí)不加以預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，任由其使用性能指標(biāo)降低，前期被刺破的瀝青膜(膠漿)會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致其宏觀力學(xué)性能下降，細(xì)觀裂縫大致沿著與受力平行瀝青膠漿的方向發(fā)展，到一定程度后，瀝青路面的使用性能會(huì)加速下降，出現(xiàn)較大縱、橫向裂縫，進(jìn)而出現(xiàn)孔洞、坑槽等，水分進(jìn)入瀝青路面內(nèi)部，在行車荷載作用下，路面內(nèi)部粗集料顆粒包裹的瀝青膜逐步脫落，使路面承載力下降，使用性能急速降低。目前絕大部分瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修是在任由其使用性能指標(biāo)下降到一定程度，對(duì)行車造成困擾后才采取養(yǎng)護(hù)維修措施，是被動(dòng)、不經(jīng)濟(jì)、落后的養(yǎng)護(hù)維修。而預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是在瀝青路面使用性能較好、病害出現(xiàn)之前就開始進(jìn)行相應(yīng)養(yǎng)護(hù)維修，可提高瀝青路面服務(wù)能力和行駛質(zhì)量，延長(zhǎng)其使用壽命。在瀝青路面使用壽命周期內(nèi)，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)相比傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)能大大降低養(yǎng)護(hù)所需資金，減緩道路養(yǎng)護(hù)部門資金壓力，提高道路行車安全性。圖7為瀝青路面使用性能隨使用壽命的下降趨勢(shì)。根據(jù)圖7，在前期使用壽命的75%其性能才下降40%，而之后12%使用壽命其性能也下降40%，再次表明瀝青路面在使用過程中性能呈現(xiàn)衰減加速，且在衰減過程中存在突變點(diǎn)。

圖7 瀝青路面使用性能和壽命的變化規(guī)律

基于上述理論，提出基于瀝青混合料疲勞損傷過程中細(xì)觀力學(xué)性能的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)。根據(jù)瀝青路面中瀝青混合料疲勞損傷過程中細(xì)觀力學(xué)性能的發(fā)生、演化、破壞規(guī)律進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修，通過檢測(cè)瀝青路面強(qiáng)度、剛度、損害度等宏觀指標(biāo)(見圖8、圖9)，在細(xì)觀尺度通過CT掃描及數(shù)字圖像處理得到瀝青路面中瀝青混合料的空隙率、CT數(shù)等細(xì)觀指標(biāo)(見圖10、圖11)，將宏觀尺度與細(xì)觀尺度相結(jié)合進(jìn)行瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)科學(xué)決策。

圖8 瀝青混合料相同壽命比下剩余強(qiáng)度

圖9 瀝青混合料相同壽命比下劈裂回彈模量

圖10 瀝青混合料不同損傷下CT數(shù)對(duì)比

圖11 瀝青混合料不同損傷下空隙率對(duì)比

由圖8～11可知：各瀝青混合料的力學(xué)性能、CT數(shù)隨著疲勞壽命的增加呈下降趨勢(shì)，空隙率隨著疲勞壽命的增加而遞增。各混合料的性能呈規(guī)律性變化，從無疲勞損傷到50%N/Nf其下降或增長(zhǎng)速率緩慢，稱為穩(wěn)定變化階段；由50%N/Nf到65%N/Nf其變化速率明顯增加，稱為加速變化階段；而65%N/Nf以后其變化速率急劇增加，稱為極速變化階段。在穩(wěn)定變化階段，每10%N/NfAC-13C的強(qiáng)度下降0.053 4 MPa，劈裂回彈模量下降28.48 MPa,CT數(shù)下降0.014 8，空隙率上升0.15%；在加速變化階段，每10%N/Nf其強(qiáng)度下降0.114 MPa，劈裂回彈模量下降72 MPa,CT數(shù)下降0.095 3，空隙率上升1.53%；在極速變化階段，每10%N/Nf其強(qiáng)度下降0.245 1 MPa，劈裂回彈模量下降153 MPa，CT數(shù)下降0.138 7，空隙率上升2.302%。

3 基于混合料疲勞損傷細(xì)觀力學(xué)性能的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)及養(yǎng)護(hù)措施

瀝青路面養(yǎng)護(hù)科學(xué)決策需考慮兩方面需求，一是路況指標(biāo)達(dá)不到規(guī)定技術(shù)要求時(shí)需采取的養(yǎng)護(hù)措施，二是路況指標(biāo)雖達(dá)到技術(shù)要求，但根據(jù)全壽命周期費(fèi)用分析的需要而采取的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，且決策結(jié)果最終要落實(shí)到養(yǎng)護(hù)規(guī)劃和養(yǎng)護(hù)計(jì)劃編制上。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)不屬于大中修、專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)和日常養(yǎng)護(hù)范疇，它根據(jù)瀝青路面疲勞損傷過程中細(xì)觀性能演化規(guī)律及路況指標(biāo)、大修或改建后使用年限、交通量等指標(biāo)進(jìn)行決策。

新建瀝青路面在前期其路用性能處于穩(wěn)定發(fā)展階段，主要是結(jié)構(gòu)中粗集料尖角處刺破瀝青膜(膠漿)導(dǎo)致疲勞損傷，這是疲勞損傷源，如果此時(shí)不加以預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，任由其使用性能指標(biāo)降低，則前期被刺破的瀝青膜(膠漿)會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致其宏觀力學(xué)性能下降。瀝青路面在使用中期其路用性能處于加速發(fā)展階段，主要是結(jié)構(gòu)中前期被刺破的瀝青膜(膠漿)及表面的微裂縫自上向下發(fā)展導(dǎo)致其宏觀力學(xué)性能下降，粗集料強(qiáng)度遠(yuǎn)大于瀝青膠漿，細(xì)觀裂縫大致沿著與受力平行的瀝青膠漿中發(fā)展，隨著循環(huán)交通荷載的進(jìn)一步作用，其路用性能下降較快，進(jìn)入加速發(fā)展階段的中后期其細(xì)觀力學(xué)性能的演化速率明顯增加，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青路面宏觀上的疲勞破壞加速。瀝青路面在使用晚期其路用性能處于極速發(fā)展階段，基體與骨料之間完全脫離，瀝青路面的使用性能呈現(xiàn)加速下降趨勢(shì)，開始出現(xiàn)較大縱、橫向裂縫，接著出現(xiàn)坑槽、孔洞，水分進(jìn)入路面內(nèi)部，在行車荷載作用下，路面內(nèi)部粗集料顆粒包裹的瀝青膜開始脫落，承載力下降，使用性能急速下降。根據(jù)上述細(xì)觀特征，結(jié)合路況指標(biāo)、使用年限、交通量等指標(biāo)確定早、中、晚3個(gè)時(shí)期預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)及養(yǎng)護(hù)措施。

(1) 早期預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)及養(yǎng)護(hù)措施。從細(xì)觀上看，瀝青路面在早期的疲勞損傷主要是微表層產(chǎn)生疲勞損傷，由于其直接與車輪接觸、受力較大且所處環(huán)境最惡劣，早期疲勞損傷形式是結(jié)構(gòu)中瀝青混合料的瀝青膜被粗集料尖角刺破而產(chǎn)生微裂紋。據(jù)此確定早期預(yù)防性養(yǎng)護(hù)采用含砂霧封層與微表處技術(shù)。含砂霧封層采用由改性乳化瀝青或煤瀝青基材料、陶土等添加劑、石灰?guī)r或玄武巖細(xì)粒砂組成的混合料，用專業(yè)的高壓噴灑車在瀝青路面上噴灑形成薄層。微表處采用由改性乳化瀝青、細(xì)礦料、添加劑和水按合適比例組成的混合料，采用專用稀漿攤鋪車進(jìn)行施工。含砂霧封層及微表處中的乳化瀝青可滲透到瀝青路面微表層，填補(bǔ)粗集料刺破的瀝青膜，修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中瀝青混合料早期損傷，從而延緩瀝青路面早期疲勞損傷的發(fā)生、發(fā)展；還能封閉瀝青路面表面的微裂縫，防止微裂縫自上往下發(fā)展及水分下滲，顯著延長(zhǎng)瀝青路面性能穩(wěn)定發(fā)展期。

(2) 中期預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)及養(yǎng)護(hù)措施。從細(xì)觀上看，瀝青路面在中期的疲勞損傷主要是微表層疲勞損傷沿著瀝青膠漿發(fā)展，微裂紋發(fā)展為宏觀裂縫。據(jù)此確定中期預(yù)防性養(yǎng)護(hù)采用碎石封層技術(shù)，在舊瀝青路面強(qiáng)度符合要求的條件下，對(duì)原瀝青路面進(jìn)行清掃及簡(jiǎn)單處理，直接灑布瀝青、撒布碎石經(jīng)碾壓后形成薄層。瀝青可滲透瀝青路面微表層修補(bǔ)一部分疲勞損傷，瀝青與碎石能較好地填補(bǔ)瀝青路面表面被損傷的瀝青膠漿。

(3) 晚期預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)及養(yǎng)護(hù)措施。從細(xì)觀上看，瀝青路面在晚期的疲勞損傷是宏觀裂縫進(jìn)一步發(fā)展，主要是基體與骨料之間完全脫離，各小裂縫不斷發(fā)展或匯合形成多條較大的宏觀裂縫。據(jù)此確定晚期預(yù)防性養(yǎng)護(hù)主要采用薄層罩面，在舊瀝青路面上鋪設(shè)一層較厚的改性乳化瀝青，然后馬上鋪筑熱拌瀝青混合料，緊接著壓路機(jī)進(jìn)行碾壓成型，攤鋪厚度10～30 mm。薄層罩面技術(shù)給原瀝青路面提供一個(gè)嶄新的表面，對(duì)原疲勞損傷的路面起到隔離作用，改善原瀝青表面的環(huán)境，行車循環(huán)荷載不直接

作用于原瀝青表面，進(jìn)而延長(zhǎng)其疲勞壽命，增加行車安全性；也使瀝青路面原有的許多表面破壞如裂縫、轍槽、坑洞等得到有效治理。

4 結(jié)論

(1) 均質(zhì)體難以反映瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中及早期局部破壞，而根據(jù)細(xì)觀尺度能從疲勞損傷的發(fā)展源、疲勞損傷機(jī)理及疲勞損傷演化分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力集中情況及早期局部損傷。

(2) 瀝青路面的使用壽命、行駛質(zhì)量下降趨勢(shì)呈現(xiàn)明顯的非線性，使用性能呈現(xiàn)加速下降趨勢(shì)，即前期穩(wěn)定變化、中期加速變化、后期極速變化。

(3) 瀝青路面使用性能處于穩(wěn)定變化階段的中后期，可采用早期預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，主要采用含砂霧封層技術(shù)與微表處技術(shù)；處于加速變化階段的中后期，可采用中期預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，主要采用碎石封層技術(shù)；處于極速變化階段的前期，可采用晚期預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，主要采用薄層罩面。