動(dòng)水作用下瀝青混合料疲勞性能變化

胡　斌， 張肖寧

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 510641 廣州)

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動(dòng)水作用下瀝青混合料疲勞性能變化

胡斌， 張肖寧

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 510641 廣州)

摘要:為研究不同材料組成下瀝青混合料抗疲勞性能受動(dòng)水作用的影響，開(kāi)發(fā)了模擬瀝青路面受水、荷載、溫度共同作用的室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備并提出了試驗(yàn)方法. 將6%、10%、14% 3種空隙率，AC-16、SMA-16、SAC-16 3種級(jí)配，A-90、A-110、A-130 3種瀝青組合成7種瀝青混合料；對(duì)比分析其動(dòng)水作用前后的應(yīng)力疲勞方程參數(shù)變化. 結(jié)果表明：7種瀝青混合料動(dòng)水作用后的疲勞性能均有不同程度衰減. 疲勞荷載作用下，動(dòng)水作用后的混合料瀝青膜更易剝落. 10%空隙率是AC類混合料的較不利空隙率；其疲勞壽命的衰減程度最大且應(yīng)力敏感性增加. 10%空隙率時(shí)，懸浮結(jié)構(gòu)瀝青混合料抗疲勞性能受動(dòng)水作用影響要比骨架結(jié)構(gòu)的大，高標(biāo)號(hào)瀝青混合料所受影響比低標(biāo)號(hào)的大.

關(guān)鍵詞:瀝青混合料；動(dòng)水作用；室內(nèi)模擬試驗(yàn)；疲勞壽命；衰減

行車荷載與水產(chǎn)生的動(dòng)水壓力作用是瀝青路面初期損壞的重要原因之一[1-2]. 早期的研究主要針對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)主要基于水溫耦合條件的室內(nèi)模擬[3-4], 近年來(lái)的研究開(kāi)始關(guān)注荷載、水與溫度共同作用對(duì)瀝青混合料的影響[2-5]. 動(dòng)水作用對(duì)瀝青混合料性能影響的相關(guān)研究，目前有3個(gè)方面工作較少涉及：1)模擬實(shí)際瀝青路面受動(dòng)水作用的室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備及方法；2)動(dòng)水作用對(duì)瀝青混合料疲勞性能影響的研究；3)瀝青混合料性能受動(dòng)水作用影響的材料組成因素研究. 為此，本文開(kāi)發(fā)了一種模擬瀝青路面受水、行車荷載、溫度共同作用的室內(nèi)動(dòng)水沖刷試驗(yàn)設(shè)備，并提出了試驗(yàn)方法. 對(duì)動(dòng)水作用前后的試件進(jìn)行劈裂疲勞試驗(yàn)；從空隙率、級(jí)配、瀝青標(biāo)號(hào)3個(gè)方面，分析瀝青混合料抗疲勞性能受動(dòng)水作用后的變化特點(diǎn).

1試件制備及動(dòng)水作用

1.1混合料試件制備

對(duì)空隙率、級(jí)配、瀝青標(biāo)號(hào)等3個(gè)因素分別選擇3種條件，組合成7種規(guī)格的瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)，其基本組成見(jiàn)表1.

表1　7種規(guī)格瀝青混合料基本組成

6%、10%、14%分別代表瀝青路面壓實(shí)合格、粗離析、嚴(yán)重粗離析3種狀態(tài)下的現(xiàn)場(chǎng)空隙率[6]. 混合料試件為圓柱形，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型，尺寸為直徑100 mm、高63.5 mm.

1.2動(dòng)水作用設(shè)備及試驗(yàn)條件

行車荷載產(chǎn)生的動(dòng)水壓力會(huì)對(duì)瀝青路面形成沖蝕和泵吸作用[2]，為此本文開(kāi)發(fā)了模擬這一過(guò)程的室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備，如圖1所示. 設(shè)備主體為高強(qiáng)玻璃纖維材質(zhì)圓筒，可放置一個(gè)馬歇爾試件. 試驗(yàn)時(shí)，設(shè)備置于MTS810萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)控溫箱內(nèi)；利用試驗(yàn)機(jī)加載使筒內(nèi)活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)荷載、溫度、水對(duì)瀝青混合料試件的共同作用.

(a)示意圖　　　　　　　(b)實(shí)物圖

蔣澤民、李少波等[7-8]實(shí)測(cè)車速為100～120 km/h時(shí)，路面動(dòng)水壓力約為0.35～0.45 MPa. 康海貴等[9]測(cè)得空氣溫度30 ℃時(shí)，路表溫度在45 ℃左右. 本文考慮實(shí)際狀況的模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的難易，初選不同試驗(yàn)條件水平，以動(dòng)水作用后10%-AC16-110試件劈裂強(qiáng)度比70%為標(biāo)準(zhǔn)；最終確定動(dòng)水作用條件為沖刷頻率為10 Hz，動(dòng)水壓力為0.4 MPa，作用時(shí)間為15 min，水溫為45 ℃.

2疲勞試驗(yàn)及結(jié)果

參考以往研究[10-11]成果，采用劈裂疲勞試驗(yàn)方法，疲勞壽命為試件完全破裂時(shí)的累積作用次數(shù). 試驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式；試驗(yàn)溫度為15 ℃；加載頻率為10 Hz；加載波形為連續(xù)半正矢波；應(yīng)力比分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7；平行試件為6個(gè). 對(duì)7種瀝青混合料基準(zhǔn)(未受動(dòng)水作用)及動(dòng)水作用后試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2.

3試驗(yàn)結(jié)果分析

瀝青混合料疲勞方程的對(duì)數(shù)形式為

(1)

式中：Nf為疲勞壽命，次；σ為疲勞應(yīng)力，MPa；n、K均為疲勞方程參數(shù)，K越大表明混合料在應(yīng)力σ=1時(shí)疲勞壽命越大，n越大表明混合料疲勞壽命對(duì)應(yīng)力的變化越敏感.

3.1空隙率

6%、10%、14% 3種空隙率的AC-16瀝青混合料動(dòng)水作用前后應(yīng)力-疲勞壽命雙對(duì)數(shù)曲線如圖2所示，疲勞方程參數(shù)變化見(jiàn)表3. 表3顯示，3種式樣的K值由大至小的試樣順序依次為6%-AC16-110、10%-AC16-110、14%-AC16-110，其動(dòng)水作用后亦是如此，說(shuō)明AC類瀝青混合料的空隙率越小，抗疲勞性能越好. 圖2中動(dòng)水作用后曲線均位于基準(zhǔn)曲線的下方，表明在5個(gè)應(yīng)力等級(jí)下，其動(dòng)水作用后的疲勞壽命均出現(xiàn)衰減.

由表3看出，空隙率10%混合料的K值變化率為-47.2%,表明在應(yīng)力為1 MPa時(shí)，其疲勞壽命衰減了大約一半. 空隙率為6%和14%混合料的n值在動(dòng)水作用后減小，表明其疲勞壽命對(duì)應(yīng)力變化敏感性降低了,而空隙率為10%混合料在動(dòng)水作用后，其疲勞壽命對(duì)應(yīng)力變化更敏感. 由此可認(rèn)為3種空隙率中，10%為AC類混合料的較不利空隙率，其混合料受動(dòng)水作用后的疲勞壽命不但衰減幅度最大，而且對(duì)應(yīng)力變化最敏感.

10%-AC16-110試件動(dòng)水作用前后的疲勞試驗(yàn)開(kāi)裂面如圖3所示. 兩種試件開(kāi)裂面的集料幾乎均沒(méi)有破碎；未經(jīng)動(dòng)水作用試件開(kāi)裂面上的集料絕大部分仍被瀝青裹附(圖中黑色部分)；而動(dòng)水作用后試件開(kāi)裂面上的集料由于瀝青剝離出現(xiàn)更多面積的裸露(圖中白色部分). 由此看出，疲勞荷載作用下，動(dòng)水作用后混合料的瀝青膜更易剝落.

3.2級(jí)配

空隙率為10%的SAC-16、SMA-16瀝青混合料動(dòng)水作用前后應(yīng)力-疲勞壽命雙對(duì)數(shù)曲線見(jiàn)圖4，AC-16曲線見(jiàn)圖2(b)，疲勞方程參數(shù)變化見(jiàn)表4.

表2　7種瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

(a)空隙率6%　　　　　　　　 　 　　　 (b)空隙率10%　　　　　　　　　　 (c)空隙率14%

試樣K基準(zhǔn)動(dòng)水作用變化率n基準(zhǔn)動(dòng)水作用變化率6%-AC16-1101333.51083.9-0.1873.6752.705-0.26410%-AC16-110659.2348.3-0.4723.1893.5130.10214%-AC16-110269.2233.9-0.1313.6082.608-0.277

表4　3種級(jí)配瀝青混合料疲勞方程參數(shù)變化

(a)基準(zhǔn)試件　　　　　　　　(b)動(dòng)水作用后試件

(a)SAC-16級(jí)配

(b)SMA-16級(jí)配

表4顯示，空隙率10%的3種級(jí)配瀝青混凝土在動(dòng)水作用前后，其同等應(yīng)力水平下的疲勞壽命由大到小依次為AC-16、SAC-16、SMA-16. 說(shuō)明在較大空隙條件下，懸浮結(jié)構(gòu)混凝土要比骨架結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能好. 從圖4中看出，3種級(jí)配的瀝青混合料，動(dòng)水作用后的抗疲勞性能均減弱. 由表4可知，3種級(jí)配瀝青混合料動(dòng)水作用后，疲勞壽命的衰減程度由大至小依次為AC-16、SMA-16、SAC-16；疲勞壽命的應(yīng)力敏感性由大到小依次為AC-16、SMA-16、SAC-16. 說(shuō)明在大空隙條件下，懸浮結(jié)構(gòu)混合料抗疲勞性能受動(dòng)水作用的不利影響要比骨架結(jié)構(gòu)大. 結(jié)合試件疲勞開(kāi)裂面分析，這是由于懸浮結(jié)構(gòu)混合料的集料間崁擠作用比骨架結(jié)構(gòu)的要小，其抗疲勞性能更多依賴瀝青與集料的粘附作用. 因此當(dāng)瀝青被剝落時(shí)，懸浮結(jié)構(gòu)混合料的抗疲勞性能將衰減更大. 3.3瀝青標(biāo)號(hào)

A-90、A-130瀝青制備的AC-16瀝青混合料動(dòng)水作用前后應(yīng)力-疲勞壽命雙對(duì)數(shù)曲線如圖5所示，A-110瀝青的曲線如圖2(b)所示，疲勞方程參數(shù)變化見(jiàn)表5, 3種混合料空隙率均為10%.

(a)A-90瀝青

(b)A-130瀝青

試樣K基準(zhǔn)動(dòng)水作用變化率n基準(zhǔn)動(dòng)水作用變化率10%-AC16-90901.6561.0-0.3783.7542.960-0.21210%-AC16-110659.2348.3-0.4723.1893.5130.10210%-AC16-130327.3156.7-0.5212.4063.0690.276

表5顯示，空隙率10%的3種標(biāo)號(hào)瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度及疲勞壽命由大至小依次為A-90、A-110、A-130. 說(shuō)明在大空隙條件下，低標(biāo)號(hào)瀝青AC類混合料的抗疲勞性能要比高標(biāo)號(hào)的好. 從圖5 看出，3種標(biāo)號(hào)瀝青混合料動(dòng)水作用后的疲勞壽命均減小，由表5可知，其疲勞壽命的衰減程度及應(yīng)力敏感性變化程度由大到小依次為A-130、A-110、A-90，說(shuō)明在大空隙條件下，高標(biāo)號(hào)瀝青混合料疲勞壽命受動(dòng)水作用影響比低標(biāo)號(hào)的大.

4結(jié)論

1)基于自行開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)設(shè)備，提出了瀝青路面受動(dòng)水作用的室內(nèi)模擬試驗(yàn)方法. 研究不同材料組成的瀝青混合料受動(dòng)水作用后的疲勞性能特點(diǎn)，結(jié)果表明：動(dòng)水作用后，瀝青混合料的抗疲勞性能均出現(xiàn)不同程度衰減，疲勞壽命可減少一半以上. 動(dòng)水作用使得混合料內(nèi)瀝青膜更易剝落.

2)10%是較不利空隙率，其瀝青混合料受動(dòng)水作用后的疲勞壽命不但衰減幅度最大，而且對(duì)應(yīng)力變化最敏感.

3)空隙率10%時(shí)，懸浮結(jié)構(gòu)瀝青混合料抗疲勞性能受動(dòng)水作用影響要比骨架結(jié)構(gòu)的大. 空隙率10%時(shí)，高標(biāo)號(hào)瀝青混合料抗疲勞性能受動(dòng)水作用影響比低標(biāo)號(hào)的大.

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(編輯魏希柱)

Reduction of asphalt concrete anti-fatigue performance under hydrodynamic effect

HU Bin, ZHANG Xiaoning

(School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology,510641 Guangzhou, China)

Abstract:In order to research influences of hydrodynamic effect on asphalt mixture anti-fatigue performance under different material composition, laboratory equipment is developed for simulating the asphalt pavement affected by water, load and temperature. Seven types of asphalt mixture are generated with void ratio of 6%, 10% and 14%, gradation of AC-16, SMA-16 and SAC-16 and asphalt of A-90, A-110 and A-130; stress-fatigue equation parameters change of these mixture after hydrodynamic effect are analyzed by comparison. The results have shown that anti-fatigue performance of the asphalt mixture is reduced after hydrodynamic effect. Under fatigue load, asphalt membrane of mixture after hydrodynamic effect is easier to spalling. 10% is unfavorable void ratio of AC concrete, it can cause fatigue life reduction and stress sensitivity increase. When the void ratio is 10%, suspension structure of the asphalt concrete follows the larger influence of hydrodynamic effect on anti-fatigue performance than the skeleton structure and high penetration asphalt concrete is larger than low penetration in the influence.

Keywords:asphalt mixture; hydrodynamic effect; laboratory simulation test; fatigue life; decay

中圖分類號(hào):U414

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)03-0120-05

通信作者:胡斌，hbhit@163.com.

作者簡(jiǎn)介:胡斌(1983—)，男，博士研究生;張肖寧(1951—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51038004).

收稿日期:2014-04-27.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.020