淺析水損害對瀝青路面疲勞壽命的影響

夏玲

摘要：通過使用瀝青路面分析儀（APA），模擬在降水、不同荷載和不同溫度條件下，瀝青混合料（AC-13I）的路面疲勞壽命變化規律。結果表明：瀝青混合料的浸水疲勞壽命隨著溫度的降低和荷載的減少而增長，并對水損害的作用機理進行了進一步的探討。

關鍵詞：瀝青混合料;水損害;疲勞壽命;溫度效應;試驗模擬

淺析水損害對瀝青路面疲勞壽命的影響近些年來，國內外對瀝青混合料的疲勞試驗研究較多，一般試驗室在進行試驗時，試件處于干燥狀態。瀝青路面破壞機理的研究中所考慮的外部因素主要集中在交通荷載和溫度荷載上，而對水介質對瀝青路面損害的影響所做工作有限。而瀝青路面的工作狀態往往受水的影響很大，常規試驗往往在試件完全干燥的情況下進行，故不能完全模擬瀝青路面實際的工作狀態。

1 試驗準備

試驗選用的瀝青混凝土級配為AC-13F。通過對原材料進行篩分并按常規方法進行了級配設計。按照AC-13F的礦料配合比備料，選擇5個油石比：4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%。分別制作試件，測定其密度、空隙率、瀝青飽和度等物理指標，然后用馬歇爾試驗儀測定其飽和度、穩定度和流值力學指標，由此確定最佳油石比。根據馬歇爾試驗結果，得到最佳瀝青用量為5.9%，對應毛體積密度為ρ=2.474g/cm3，理論密度為ρ=2.568 g/cm3，空隙率為3.9%，VMA=17.2%，VFA=77.5%，動穩定度為9.2kN，流值為32（0.1mm）。

該次試樣采用美國Georgian州PTI公司生產的瀝青路面分析儀APA（Asphalt Pavement Analyzer）進行試驗。進行疲勞試驗或車轍試驗時，每組可以同時對3個試件進行平行試驗。考慮到試驗方法對現場情況的模擬程度、試驗方法的簡便性及試驗結果的可用性，該次試驗試件采用梁式試件，利用輪碾成型方法制備，共制成24個APA試件，試件的標準尺寸為300mm×125mm×75mm。試件成型后，放入APA設備配置的試模內，用墊塊將試件兩端穩定，然后將試模放入APA中的平臺上。在試驗中，共采用3種環境溫度：13、22、29℃。試件成型后在室溫下至少保持2d，APA 環境溫度下恒溫4h再進行試驗。瀝青混凝土試件設置3級循環加載：P0=50、90、110kg。

2 試驗結果分析

2.1 溫度對試件應變的影響

瀝青混合料梁式試件在13、22、29℃3種溫度下的50kg的APA浸水疲勞試驗結果見圖2。

從圖2可以看出，在不同溫度下，浸水疲勞試驗試件的垂直應變與荷載運行次數的關系也不相同。一般來說，垂直應變發展可分為3個階段。以溫度為13℃時試件的破壞過程為例，當垂直應變小于3mm時，垂直應變發展較快，此時應變以壓密變形為主。隨著荷載繼續作用，應變的增長速度變慢，試件進入較穩定階段。當荷載次數超過50000次以后，試件臨近破壞壓潰階段，垂直應變速率增大直至達到試驗終止條件。22℃下，試件的垂直應變達到7.5mm后進入穩定階段，之前增長較快。當荷載次數達到120000后，應變迅速增大而達到試驗終止條件。與13℃時相比，穩定階段時位移增長較緩，而第一和第三階段的應變變化更加明顯。當溫度為29℃時，試件的位移沒有出現明顯的階段性，當荷載運行至24000次后，試件破壞。由于室內溫度條件限制，只做了22℃時干燥條件下的疲勞試驗與浸水條件下的疲勞試驗進行對比。試驗結果見圖3。當荷載運行18750次后，試件被破壞。表明浸水條件下，相同荷載作用次數下，試件的位移增加。同時試件發生破壞時，荷載的作用次數增加。

2.2 破壞荷載次數分析

不同溫度和循環荷載作用下，試件的破壞荷載次數結果見表2。

由表2可知：溫度對瀝青混合料的抗水損壞性能有很大影響。瀝青混合料的粘聚力與溫度密切相關，溫度較高時，瀝青膠結料變軟、勁度模量降低，導致其抗剪變形能力降低，使混合料發生流動變形。而低溫時其抗剪流變性能較好。在有水存在的情況下，瀝青混合料長期浸泡在水浴中，在水和動荷載的抽吸作用下，造成集料松散，導致浸水疲勞試件的疲勞壽命進一步減少。而荷載的大小對于瀝青混合料抗水損壞性能也有較大的影響，隨著荷載的增加，瀝青混合料的疲勞壽命有顯著的降低。這說明瀝青路面在浸水情況下，重載車輛的作用使路面更容易發生早期破壞，因為路面在浸水情況下面層和基層的模量下降，面層底部的拉應變增加，隨著重載重復荷載的作用路面更易發生結構破壞。在水溫為13℃和29℃時，110kg下的破壞荷載次數大約為50kg下的10%。22℃時，110kg下的破壞荷載次數大約為50kg下的7%，說明此種溫度下，瀝青混合料對荷載重量更為敏感，而此時的溫度更加接近室溫，說明在設計時，要注意常溫條件下，浸水路面對重型荷載的承受能力。

2.3 疲勞壽命及疲勞方程

與其他試驗結果一樣，瀝青混合料的應力-疲勞壽命關系呈對數線性關系，表現為以下形式：

若對上式兩邊取對數，則有：

式（1）和（2）中：Nf為疲勞壽命;S為試件所受的應力;C 和a為待定系數。

根據試驗數據，整理成不同溫度下疲勞方程的系數見表3。

2.4 作用機理

路面實際工作時，一方面水較容易進入面層內部;另一方面，水進入面層后，不易迅速排除且又難以蒸發，因此水能較長時間滯留在路面內，當在荷載作用下會產生較大的孔隙水壓力并成為動水壓力，由于路面是層狀結構，層間結合處易于出現孔隙，進入孔隙內的自由水在行車荷載下，會成為高孔隙水壓力和高流速的水流，沖刷層面材料并從縫隙處向外噴射出沖刷材料的泥漿，促使瀝青面層出現剝落和松散，從而造成瀝青混合料的水損害破壞，從而使整個路面結構的使用性能迅速變壞。

對于APA浸水疲勞試驗而言，試驗時試件連同試模一起放在APA試驗平臺上，并完全被水浸沒，當加載輪在來回運動的時候，充氣橡膠管受到加載輪的擠壓而產生變形，與汽車輪胎作用在實際路面上的情形完全類似。它較好地模擬了實際路面動載的作用。

3 結語

瀝青混合料的浸水疲勞壽命隨著溫度的降低和荷載的減少而增長。溫度上升導致瀝青混合料面層模量下降，瀝青混合料面層底部的拉應力變成壓應力，此時的荷載主要由基層承擔，因此最不利拉應變發生在瀝青基層底部，而不是面層，路面面層將不出現疲勞損傷，也就不會產生疲勞破壞現象。

揚州潤揚路面工程有限公司 江蘇 揚州 225000