結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土路用性能評價研究＊

孫長軍 吳少鵬 唐 寧 Kim Jenkins 潘 攀 李文濤

（1.唐山曹妃甸發(fā)展投資集團有限公司 唐山 063210；

2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070；3.University of Stellenbosch，Moderator，South Africa）

瀝青路面具有油耗低、噪聲小、抗滑性好、車輛磨損小等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于城市道路、橋梁加鋪、機場跑道及高速公路。然而，由于超重載、施工、材料設(shè)計以及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計等原因，瀝青路面在使用過程中常常出現(xiàn)早期破壞［1－2］。如何確定合適的養(yǎng)護時機，提出養(yǎng)護對策，從而延長道路的使用壽命，一直是交通部門和道路研究工作者迫切希望解決的問題。

研究表明，通過摻入導(dǎo)電相材料（粉末、纖維以及鋼渣），可以使瀝青混凝土從高絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體［3－5］。導(dǎo)電瀝青混凝土在應(yīng)力、應(yīng)變下具有靈敏的電阻變化的特性，即壓敏特性。結(jié)構(gòu)自診斷技術(shù)是根據(jù)瀝青基復(fù)合材料電阻率的變化來判定其結(jié)構(gòu)所處的工作狀態(tài)，及時地了解掌握結(jié)構(gòu)的健康狀況數(shù)據(jù)，從而在未達到永久性破壞前及時采取相應(yīng)的補強措施，使瀝青路面恢復(fù)到正常的服務(wù)水平［6－8］。導(dǎo)電瀝青混凝土在實現(xiàn)其自診斷功能的同時應(yīng)具有優(yōu)良的路用性能，本文對結(jié)構(gòu)自診斷導(dǎo)電瀝青混凝土的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性進行了評價，并通過四點彎曲疲勞試驗對其疲勞特性進行了探討。

1 原材料

本次試驗研究所用瀝青為盤錦遼河油田A級70號道路石油瀝青，其主要指標：針入度（25℃，100 g，5 s）為66（0.1 mm），軟化點（環(huán)球法）為49.5 ℃，延度 （5 c m·min－1，15 ℃）為150 c m。集料采用優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r碎石，最大粒徑為16 mm，礦粉為內(nèi)蒙古白音錫勒石灰?guī)r礦粉，親水系數(shù)為0.9，密度為2.702 g·c m－3。以上試驗材料的各項技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求。導(dǎo)電相材料石墨是青島天盛石墨公司生產(chǎn)的鱗片石墨，其主要性質(zhì)見表1。

表1 石墨的主要性質(zhì)

普通瀝青混凝土屬于不良導(dǎo)體，只有摻入大量的導(dǎo)電相材料才能獲得良好的導(dǎo)電性能。研究表明，傳導(dǎo)瀝青混凝土的級配設(shè)計應(yīng)滿足3個方面的要求［9］：良好的骨架結(jié)構(gòu)、足夠的礦料間隙以及低瀝青用量。因此通常采用Superpave級配設(shè)計方法進行傳導(dǎo)瀝青混凝土的級配設(shè)計。本試驗中瀝青混合料的級配采用Super pave12.5，見表2。普通瀝青混凝土采用的油石比為5.1%。石墨替代部分礦粉作為填料使用，質(zhì)量分數(shù)為2%，由于瀝青易被石墨吸收，結(jié)構(gòu)自診斷導(dǎo)電瀝青混凝土采用的油石比為6.2%。

表2 結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土Super pave12.5合成級配

2 試驗方法

2.1 基本性能試驗

瀝青混合料的基本性能主要包括水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性2個方面。依據(jù)《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》［10］，馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比是目前常用來評價瀝青混合料抗水損害能力的2個指標，高溫穩(wěn)定性指瀝青混凝土抵抗高溫永久變形的能力。為了降低試驗誤差，水穩(wěn)定試驗中對比組和試驗組均采用8個試件，高溫穩(wěn)定性試驗中每組采用4個車轍試件。

2.2 疲勞性能試驗

本研究采用四點彎曲試驗來評價瀝青混合料的疲勞特性，試驗設(shè)備均采用UT M-25伺服試驗機。四點彎曲疲勞試驗主要用來測定壓實瀝青混合料承受彎曲荷載的疲勞壽命，將車轍試樣切割成長度380 mm±5 mm、高度50 mm±6 mm、寬度63 mm±6 mm的棱柱體小梁試件，預(yù)加載50個循環(huán)后所對應(yīng)的彎曲勁度模量即為初始勁度S0，當(dāng)試件的彎曲勁度模量降低到初始彎曲模量50%時，所對應(yīng)的加載循環(huán)次數(shù)即為疲勞壽命。試驗采用的加載模式為應(yīng)變控制模式，應(yīng)變范圍一般情況下控制在250～750微應(yīng)變之間，特殊情況下可適當(dāng)擴大應(yīng)變范圍。實驗加載頻率控制在10 Hz，波形選為正弦波形。為了研究傳導(dǎo)瀝青混凝土在中溫和低溫條件下的疲勞特性，故試驗溫度分別設(shè)為（15±0.5）℃和（5±0.5）℃。

3 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 水穩(wěn)定性

表3對比分析了結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土和普通瀝青混凝土的水穩(wěn)定性試驗結(jié)果。從表3可以看出，結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土的馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均低于普通瀝青混凝土，這說明石墨會降低瀝青混凝土的抗水損害的能力。由于石墨層間易解理滑移，起到潤滑劑的作用，不利于瀝青混凝土抵抗剪切應(yīng)力，這樣也使集料與石墨瀝青膠漿更容易發(fā)生剝離。雖然導(dǎo)電瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能仍滿足規(guī)范的要求，但是在實際應(yīng)用過程中還需要采取必要的措施來改善其抗水損害能力，如采用抗剝落劑，防水抗油劑等。

表3 結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

3.2 高溫穩(wěn)定性

瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性是指瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力。本文采用動穩(wěn)定度（dynamic stability，DS）和車轍深度（r utting dept h）2個指標來評價瀝青混凝土的抗高溫變形能力。2種瀝青混凝土的車轍試驗結(jié)果見圖1。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土比普通瀝青混凝土具有更大的動穩(wěn)定度和更低的車轍深度，這說明石墨的加入提高了瀝青混凝土的高溫抗車轍性能。研究表明，瀝青膠漿的流變特性對瀝青混凝土的抗永久變形能力具有決定性的影響。因此，上述試驗結(jié)果可能是由于石墨降低了瀝青膠漿的溫度敏感性，從而提高了瀝青混凝土的抗高溫永久變形的能力。

圖1 2種瀝青混凝土的車轍深度與DS對比

3.3 疲勞特性

本研究中的四點彎曲疲勞試驗采用應(yīng)變控制模式，分別在5℃和15℃時試驗測得普通瀝青混凝土試件和結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土試件的加載次數(shù)和應(yīng)變值數(shù)據(jù)，將疲勞壽命及相應(yīng)的應(yīng)變在雙對數(shù)坐標系中作圖，可以發(fā)現(xiàn)上述兩者之間存在著良好的線性關(guān)系，見圖2。結(jié)果表明隨著應(yīng)變水平的增加，瀝青混凝土的疲勞壽命逐漸下降；而隨著溫度的升高，其疲勞壽命是逐漸提高的。

圖2 疲勞壽命與應(yīng)變之間的雙對數(shù)坐標圖

由圖2可見，5℃時，傳導(dǎo)型瀝青混凝土試件比空白試件有更大的趨勢線斜率，說明在較低溫度下，隨著應(yīng)變水平的增加，傳導(dǎo)型瀝青混凝土的破壞速率更大，疲勞壽命下降更快。相反，在15℃下，傳導(dǎo)型瀝青混凝土試件趨勢線斜率不及空白試件，由此可知在中溫下，隨著應(yīng)變水平的增加，傳導(dǎo)型瀝青混凝土的破壞速率更小，疲勞壽命下降更慢。

總的來看，不管在中溫還是低溫下，傳導(dǎo)型瀝青混凝土比空白試件具有更短的疲勞壽命，這主要是由石墨特殊的物理結(jié)構(gòu)特性決定的，在試驗中使用的石墨的粒徑是非常小的，并且它是鱗片狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)給其施加一定的力時，鱗片容易發(fā)生錯動以至于抵抗外力的能力變差；另外，石墨具有很強的潤滑作用，這也會造成傳導(dǎo)型瀝青混凝土的強度下降。值得注意的一點是，在低溫低應(yīng)變下，傳導(dǎo)型瀝青混凝土的疲勞壽命優(yōu)于空白樣，這可能是由于低溫下石墨的潤滑作用減弱，造成傳導(dǎo)型瀝青混凝土的疲勞壽命更優(yōu)。

4 結(jié)論

（1）石墨會在一定程度上降低結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土水穩(wěn)定性能，在實際應(yīng)用過程中還需要采取必要的措施來改善其抗水損害能力。

（2）結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土比普通瀝青混凝土具有更大的動穩(wěn)定度和更低的車轍深度，這可能是由于石墨改性瀝青膠漿溫度敏感性的降低導(dǎo)致的。

（3）與普通瀝青混凝土相比，結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土的疲勞壽命更短；并且疲勞破壞速率呈現(xiàn)出溫度依賴性，在同一應(yīng)變水平下，溫度下降時，傳導(dǎo)型瀝青混凝土的破壞速率加快，疲勞壽命縮短。

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