界面污染對(duì)瀝青小梁疲勞性能的影響研究

張逸琳

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

隨著瀝青作為主流路面材料使用愈加廣泛，其疲勞破壞現(xiàn)象作為瀝青路面的主要破壞方式之一，得到廣泛關(guān)注[1-2]。針對(duì)目前瀝青路面疲勞破壞的各種類型，當(dāng)前研究重點(diǎn)偏重其材料本身和材料間的結(jié)構(gòu)組合，以及以此為依據(jù)，根據(jù)路面的使用狀況和當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓?，?duì)其進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和改進(jìn)[3]。然而，研究和實(shí)踐均表明，如果忽略層間黏結(jié)、防水、應(yīng)力吸收和耐久性等問(wèn)題，即使大程度地提高面層和基層的強(qiáng)度，由于無(wú)法解決瀝青路面層間黏結(jié)不足而導(dǎo)致的層間滑移狀況，仍然無(wú)法從根本上解決瀝青路面的疲勞破壞問(wèn)題。一般認(rèn)為，導(dǎo)致層間滑移病害的原因?yàn)樗搅Φ膹?qiáng)度大于層間的黏結(jié)強(qiáng)度。細(xì)化到實(shí)際狀況中，原因主要表現(xiàn)為水平荷載作用過(guò)大或者路面層間黏結(jié)不足[4]。研究表明，水平荷載的存在會(huì)進(jìn)一步削弱層間的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致層間滑移。并且，水平荷載的作用會(huì)在很大程度上影響路面應(yīng)力場(chǎng)的分布，尤其對(duì)于上面層，將在層內(nèi)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力[5-6]。當(dāng)然，這是在前置條件為層間接觸狀態(tài)完全連續(xù)或完全光滑兩種極端情況下而得到的結(jié)論，實(shí)際工況下的層間接觸條件顯然將介于兩者之間[7]。研究表明，不同的層間接觸條件將對(duì)路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)狀況和分布產(chǎn)生很大的影響[8-11]。針對(duì)此類問(wèn)題，很多學(xué)者基于有限元理論，在不同的層間接觸狀態(tài)下，對(duì)水平荷載與豎向荷載聯(lián)合作用、荷載與溫度耦合作用等不同力學(xué)工況下，路面層內(nèi)的力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)的大小和分布特性展開(kāi)了研究[12-14]。同時(shí)，試驗(yàn)表明，在層間噴灑黏層油，能夠有效地提高層間的黏結(jié)力和抗剪力[15]，但忽略了界面污染因素的影響。由于路面的日常工作狀態(tài)完全暴露于自然環(huán)境中，外界的污染會(huì)引起瀝青路面層間接觸條件發(fā)生改變。文獻(xiàn)[16]針對(duì)界面污染下，半剛性基層與瀝青面層層間黏結(jié)性能進(jìn)行了研究，卻忽略了瀝青路面面層層間接觸狀態(tài)受到污染的情況。

基于此，本文針對(duì)不同界面污染情況，在抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行小梁彎曲疲勞試驗(yàn)，對(duì)復(fù)合瀝青混合料小梁的疲勞壽命展開(kāi)測(cè)試，并分析其彎曲勁度模量的變化規(guī)律，以分析其界面污染機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

考慮模擬鋼橋面的瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)工況，本試驗(yàn)采用新型骨架密實(shí)型防水混合料SMAP-5 和骨架懸浮密實(shí)型瀝青混合料SMA-13，用以制備小梁結(jié)構(gòu)件。用料選擇上，黏層油類型選取SBS 改性乳化瀝青，集料類型選擇玄武巖碎石，礦粉類型選擇石灰石礦粉，纖維類型選擇木質(zhì)素纖維，瀝青類型選擇自主研發(fā)的高黏彈改性瀝青。兩種混合料級(jí)配組成詳見(jiàn)表1，混合料體積參數(shù)詳見(jiàn)表2。復(fù)合小梁縱截面如圖1 所示。

圖1 S MA-13+S MAP-5 瀝青混合料復(fù)合小梁試件

表1 各混合料合成級(jí)配

表2 復(fù)合小梁組合方式及其體積參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

以四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)為主要試驗(yàn)方法。鑒于實(shí)際工況中，瀝青混合料的疲勞破壞主要發(fā)生在13～15℃之間，基本對(duì)應(yīng)于北方春融期溫度和南方地區(qū)的雨季溫度。因此，該試驗(yàn)選取試驗(yàn)溫度為15℃。此外，出于提高試驗(yàn)效率、節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間的考慮，試驗(yàn)采取應(yīng)變水平為1 250 με，且在加載時(shí)間上對(duì)制備的試件采取無(wú)間歇的荷載加載模式。

由于層間污染將對(duì)鋪面層與層之間的黏結(jié)產(chǎn)生不利影響。在實(shí)際的道路施工工程中，自然環(huán)境中的風(fēng)沙和施工時(shí)機(jī)械泄露的油污都是常見(jiàn)的路面結(jié)構(gòu)層污染源。因此，本文以風(fēng)沙和油污兩種污染源為試驗(yàn)對(duì)象，研究層間污染對(duì)瀝青混合料路面疲勞性能所產(chǎn)生的影響。

采用粉末狀黃土或者集料灰塵模擬環(huán)境風(fēng)沙，以及機(jī)油模擬施工時(shí)機(jī)械的油污，選取0 kg/m2、0.1 kg/m2、0.2 kg/m2、0.3 kg/m2四個(gè)水平，用以表征不同程度的污染量。

其他試驗(yàn)條件選取如下：試驗(yàn)溫度15℃，試驗(yàn)應(yīng)變水平1 250 με，試驗(yàn)加載頻率10 Hz。以馬歇爾試件為例，其層間污染效果如圖2 所示。

圖2 層間污染效果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 界面污染對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)試驗(yàn)方案，對(duì)制備的馬歇爾試件進(jìn)行不同預(yù)設(shè)工況的預(yù)處理之后，分別對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的抗剪強(qiáng)度測(cè)試，得到表3 中的試驗(yàn)結(jié)果。

表3 不同層間污染抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表3 中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相比層間潔凈的馬歇爾試件，層間受到污染的試件抗剪強(qiáng)度都有不同程度的減小。以粉末狀黃土作為層間污染源的混合料抗剪強(qiáng)度相對(duì)于層間潔凈的混合料抗剪強(qiáng)度分別下降了12.82%、19.87%、27.56%。以機(jī)油作為層間污染源的混合料抗剪強(qiáng)度相對(duì)于層間潔凈的混合料抗剪強(qiáng)度分別下降了17.95%、25.00%、32.05%。

從上述數(shù)據(jù)結(jié)果分析中可以得出，模擬自然封殺的黃土污染和模擬施工機(jī)械油污的機(jī)油污染，都會(huì)使層間抗剪強(qiáng)度下降。在相同污染量下，油污染的影響比土污染的影響更大。

分析其原因，盡管土顆粒阻礙了上下層混合料之間的黏結(jié)，并且在剪切過(guò)程中促使上下層混合料之間靜摩擦力轉(zhuǎn)換成滑動(dòng)摩擦力，從而造成混合料層間抗剪強(qiáng)度下降。然而，油污中的油類成分對(duì)層間抗剪強(qiáng)度造成的影響更大。根據(jù)相似相容原理，油污染中的油類成分一定程度上充當(dāng)了溶劑作用，部分溶解了原本充當(dāng)黏結(jié)作用的黏層油。同時(shí)，較高水平的滲透作用也使黏層油材料中瀝青的油分含量增加，從而導(dǎo)致層間黏結(jié)減弱。此外，油污不僅對(duì)上下層混合料之間的黏結(jié)造成了一定的阻礙，甚至還提供了一定的潤(rùn)滑作用。多種因素作用下，共同導(dǎo)致瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度大幅度下降。

2.2 界面污染對(duì)復(fù)合小梁疲勞壽命的影響

根據(jù)試驗(yàn)方案，層間污染考慮在路面鋪裝過(guò)程中常見(jiàn)的污染，即塵土污染和機(jī)油污染。瀝青混合料車轍板層間黏結(jié)狀態(tài)如圖3 所示，小梁疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖3 層間污染方式對(duì)比

圖4 層間污染疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由圖4 可知，上下層混合料層間接觸存在污染時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混合料的疲勞壽命下降。相比于層間潔凈，以黃土作為層間污染源時(shí)，不同的污染量工況下，混合料的疲勞壽命分別下降了13.37%、18.96%、21.83%。以機(jī)油作為層間污染源時(shí)，不同的污染量工況下，混合料的疲勞壽命分別下降了15.98%、20.78%、25.05%。試驗(yàn)結(jié)果表明，黃土污染源對(duì)混合料疲勞壽命的影響要小于機(jī)油污染源對(duì)混合料疲勞壽命的影響。其原因可能是：黃土顆粒存在與混合料層間黏結(jié)界面，雖然阻礙了上下層混合料的黏結(jié)，在車輛荷載作用的情況下，使混合料層間摩擦力由靜摩擦變成滑動(dòng)摩擦，但是，對(duì)于機(jī)油污染而言，其不僅阻礙了上下層混合料的黏結(jié)，而且在車輛荷載的作用情況下，在層間起到了潤(rùn)滑作用。

2.3 彎曲勁度模量損失分析

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，界面污染情況作為復(fù)合小梁疲勞壽命的主要影響因素之一，其影響程度不僅與污染源相關(guān)，還與層間界面受到的污染量有關(guān)。復(fù)合小梁試件的彎曲勁度模量損失量變化結(jié)果如圖5所示。

圖5 彎曲勁度模量損失量試驗(yàn)結(jié)果

由圖5 可知，復(fù)合小梁試件層間界面在受到兩種污染源的情況下，其彎曲勁度模量都有不同程度的損失。其中，相較于黃土污染，機(jī)油污染對(duì)于彎曲勁度模量損失的影響更大。同時(shí)，隨著污染量增加至某一定限度，機(jī)油污染會(huì)率先使層間黏結(jié)失效。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）瀝青復(fù)合小梁層間界面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，受到黃土污染的擾動(dòng)敏感程度要小于機(jī)油污染，且層間界面的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著界面污染源含量的增加而降低。

（2）隨著污染源含量的增加，瀝青混合料的疲勞性能存在顯著下降的趨勢(shì)，但隨著污染量的增加，復(fù)合小梁的疲勞壽命有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

（3）相同污染量下，機(jī)油污染對(duì)層間黏結(jié)性能的影響大于黃土污染。

（4）根據(jù)彎曲勁度模量損失結(jié)果分析，隨著污染量的逐步增加，小梁試件的彎曲勁度模量損失會(huì)逐漸增大。這說(shuō)明層間黏結(jié)力不斷減弱，當(dāng)污染量增至某一值時(shí)，瀝青路面上下面層的黏結(jié)性能基本喪失。

研究分析結(jié)果表明：采用分層鋪裝瀝青路面時(shí)，應(yīng)當(dāng)保持瀝青上下面層層間界面的潔凈，尤其是防止施工作業(yè)時(shí)，器械油污對(duì)界面造成污染，對(duì)提高瀝青路面的黏結(jié)性和整體性具有重要的意義。