動(dòng)水沖刷作用下瀝青混合料損傷試驗(yàn)研究

高武林，何建慶

(江西省公路橋梁工程有限公司，江西 南昌 330096)

動(dòng)水沖刷作用下瀝青混合料損傷試驗(yàn)研究

高武林，何建慶

(江西省公路橋梁工程有限公司，江西 南昌 330096)

結(jié)合目前瀝青混合料水損壞問題的研究現(xiàn)狀，利用動(dòng)水沖刷試驗(yàn)儀對(duì)瀝青混合料進(jìn)行動(dòng)水沖刷試驗(yàn)研究，建立了瀝青混合料損傷本構(gòu)模型，分析了動(dòng)水沖刷前后初始空隙率及瀝青品種對(duì)瀝青混合料損傷特性的影響，為瀝青路面水損壞防治措施提供理論指導(dǎo)，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

瀝青混合料；動(dòng)水沖刷；試驗(yàn)研究；本構(gòu)模型

1 模型試驗(yàn)

1.1 損傷模型

本文采用伯格斯模型，利用Weibull函數(shù)對(duì)瀝青混合料內(nèi)部缺陷的分布

(1)

損傷本構(gòu)方程為

(2)

式中：σ0為恒外力；E為模量；η為材料參數(shù)；m和n為常數(shù)。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用試件為標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，動(dòng)水沖刷試驗(yàn)裝置主要部件為：有機(jī)玻璃制成的沖刷桶，刷桶的外壁有加強(qiáng)鐵環(huán)，桶內(nèi)放置沖刷試件；試件上下區(qū)域的水通過導(dǎo)管相聯(lián)，聯(lián)接壓力表；通過試桶側(cè)壁下閥門進(jìn)行注水和放水，桶身與加載活塞接觸處用密封條密封。用橡膠套在瀝青混合料試件的圓周外側(cè)包裹，減少水從試件的外部流過。裝置的下部底座固定在MTS試驗(yàn)機(jī)的下壓頭，上部活塞與MTS試驗(yàn)機(jī)的上壓頭相聯(lián)，通過MTS試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)活塞的上下移動(dòng)，產(chǎn)生對(duì)試件的沖刷作用。

1.3 試驗(yàn)條件

為產(chǎn)生動(dòng)水沖刷效果，進(jìn)行沖刷試驗(yàn)時(shí)通過MTS試驗(yàn)機(jī)施加動(dòng)載荷，試驗(yàn)過程中控制加載的最大沖刷應(yīng)力。試驗(yàn)前需要確定加載時(shí)間、加載頻率、動(dòng)水沖刷應(yīng)力以及試驗(yàn)水溫等試驗(yàn)參數(shù)。 對(duì)于動(dòng)水沖刷試驗(yàn)，沖刷頻率確定為10 Hz，選用90#基質(zhì)瀝青、70#基質(zhì)瀝青以及SBS改性瀝青，瀝青的技術(shù)性質(zhì)見表 1 。

表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)

2 動(dòng)水作用對(duì)混合料力學(xué)性能的影響

2.1 瀝青對(duì)動(dòng)水沖刷后瀝青混合料性能的影響

利用90#基質(zhì)瀝青、70#基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青制作試件并進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。可以看出，動(dòng)水沖刷前后90#基質(zhì)瀝青、70#基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青，勁度模量分別下降了：43.46%、36.43%、28.71%；劈裂強(qiáng)度分別下降了34.16%、26.93%、20.30%。瀝青的粘度對(duì)瀝青混合料的抗動(dòng)水沖刷性能的影響較大，粘度越大其抗動(dòng)水沖刷的能力越好，其勁度模量及劈裂強(qiáng)度下降越小。

2.2 空隙率對(duì)動(dòng)水沖刷后瀝青混合料性能的影響

為分析空隙率對(duì)動(dòng)水沖刷瀝青混合料性能的影響，對(duì)不同空隙率的瀝青混合料進(jìn)行動(dòng)水沖刷試驗(yàn)，沖刷后劈裂強(qiáng)度對(duì)比如圖1所示。可以看出，勁度模量及劈裂強(qiáng)度隨著空隙率的增加先減小后增大。空隙率大于13%時(shí)，動(dòng)水沖刷阻力較小，瀝青混合料抗動(dòng)水沖刷的能力較好；當(dāng)空隙率為7.5%時(shí)，試件對(duì)透水的阻力相對(duì)較大，受動(dòng)水沖刷的影響較大，其劈裂強(qiáng)度達(dá)到了最小值，試件抗動(dòng)水沖刷能力較差；空隙率小于6%的瀝青路面，抗動(dòng)水沖刷的能力較強(qiáng)。

圖1 空隙率變化對(duì)沖刷前后混合料性能的影響

3 動(dòng)水沖刷作用下瀝青混合料損傷分析

3.1 空隙率對(duì)瀝青混合料沖刷后蠕變參數(shù)的影響

瀝青混合料的空隙率對(duì)動(dòng)水沖刷作用效果有很大的影響，在動(dòng)水沖刷作用前后瀝青混合料蠕變曲線如圖2所示。可以看出，在動(dòng)水沖刷作用后，瀝青混合料的蠕變穩(wěn)定期明顯縮短，蠕變速率急劇增加，試件很快進(jìn)入破壞期。對(duì)比圖2(a)、(b) 可知，空隙率為13 %的透水性瀝青混合料與空隙率為9 %的透水性瀝青混合料相比，其受動(dòng)水沖刷的影響較小。通過蠕變方程，對(duì)沖刷前后的蠕變曲線進(jìn)行擬合，能夠全面的擬合蠕變的三個(gè)階段，擬合曲線與試驗(yàn)曲線符合較好。模型擬合參數(shù)如表2 所示，可以看出，動(dòng)水沖刷作用對(duì)于材料的損傷較小，動(dòng)水沖刷前后13%的瀝青混合料材料參數(shù)較為接近。動(dòng)水沖刷前后，9%的瀝青混合料其材料參數(shù)發(fā)生不同程度的衰減，沖刷前后材料參數(shù)基本不變。

圖2 瀝青混合料蠕變曲線

空隙率試驗(yàn)條件η0/MPaη1/MPaE0/MPaE1/MPamn13%沖刷前8．4239．708．42302．153．131．96e7沖刷后6．4438．616．44232．753．131．28e79%沖刷前12．1842．7712．18132．362．291．13e7沖刷后7．1323．867．13126．031．892．76e7

3.2 瀝青對(duì)瀝青混合料沖刷后蠕變參數(shù)的影響

通過沖刷前后瀝青混合料高溫蠕變的對(duì)比分析，來研究瀝青膠結(jié)料對(duì)瀝青混合料動(dòng)水沖刷后高溫蠕變性能的影響關(guān)系。采用90#瀝青、70#瀝青以及SBS改性瀝青制作瀝青混合料試件，試件的空隙率為13%，對(duì)動(dòng)水沖刷前后的瀝青混合料進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)。動(dòng)水沖刷作用前后不同標(biāo)號(hào)的瀝青混合料的蠕變曲線，如圖3所示。表明三種瀝青混合料在動(dòng)水沖刷作用后，均出現(xiàn)了較大損傷作用，蠕變曲線發(fā)生了較大的變化。對(duì)動(dòng)水作用前后的蠕變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，材料參數(shù)如表3所示。可以看出，材料通過動(dòng)水沖刷前后，模型的參數(shù)值出現(xiàn)了很大程度的衰減，材料出現(xiàn)了較大的損傷。其中，90#瀝青混合料、70#瀝青混合料以及SBS改性瀝青粘度η0分別下降了27.13%、23.17%、10.99%；E0值分別下降了63.95%、52.17%、34.85%；通過對(duì)比可知，采用粘度較大的改性瀝青，有利于提高材料的抗動(dòng)水沖刷能力，同時(shí)能夠有效減小動(dòng)水沖刷對(duì)材料蠕變初始損傷的影響。

圖3 瀝青混合料動(dòng)水沖刷作用前后蠕變曲線

空隙率試驗(yàn)條件η0/MPaη1/MPaE0/MPaE1/MPamn90#瀝青沖刷前1556．6819020．976．4434．852．081．31e6沖刷后1130．1818272．632．2825．052．369．11e570#瀝青沖刷前1576．7720593．399．0153．762．287．82e6沖刷后1206．4119612．995．2543．762．563．87e6SBS瀝青沖刷前1596．1821594．9716．0462．772．052．49e6沖刷后1418．77202115．6310．4049．012．678．83e6

4 結(jié) 論

(1)動(dòng)水沖刷前后90#基質(zhì)瀝青、70#基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青，勁度模量分別下降了：43.46%、36.43%、28.71%；劈裂強(qiáng)度分別下降了34.16%、26.93%、20.30%。瀝青的粘度對(duì)瀝青混合料的抗動(dòng)水沖刷性能的影響較大，粘度越大其抗動(dòng)水沖刷的能力越好，其勁度模量及劈裂強(qiáng)度下降越小。

(2)勁度模量及劈裂強(qiáng)度隨著空隙率的增加先減小后增大。空隙率大于13%時(shí)，動(dòng)水沖刷阻力較小，抗動(dòng)水沖刷的能力較好；當(dāng)空隙率為7.5 %時(shí)，試件對(duì)透水的阻力相對(duì)較大，受動(dòng)水沖刷的影響較大，其劈裂強(qiáng)度達(dá)到了最小值，抗動(dòng)水沖刷能力較差；空隙率為小于6 %的瀝青路面，抗動(dòng)水沖刷的能力較強(qiáng)。

(3)材料通過動(dòng)水沖刷前后，模型的參數(shù)值出現(xiàn)了很大程度的衰減， 90#瀝青混合料、70#瀝青混合料以及SBS改性瀝青粘度η0分別下降了27.13%、23.17%、10.99%；E0值分別下降了63.95%、52.17%、34.85%；采用粘度較大的改性瀝青，有利于提高材料的抗動(dòng)水沖刷能力，同時(shí)能夠有效減小動(dòng)水沖刷對(duì)材料蠕變初始損傷的影響。

[1] 沙炯,邢明亮,張紀(jì)陽,等. 變幅荷載作用下瀝青混合料的疲勞損傷試驗(yàn)[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2017,(2):306-310，315.

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U412

C

1008-3383(2017)11-0016-02

2017-08-28

高武林(1984-)，男，江西南昌人，工程師，研究方向：公路橋梁施工。