水-溫作用下瀝青混合料疲勞性能分析

秦 旻，梁乃興，陸兆峰,

(1. 重慶交通大學 管理學院，重慶，400074；2. 重慶交通大學 土木建筑學院，重慶，400074；3. 重慶交通大學 機電與汽車工程學院，重慶，400074)

疲勞破壞是瀝青路面尤其是半剛性基層瀝青路面的主要破壞模式之一，多年來，瀝青路面的疲勞性能一直是人們對道路工程研究時的重點[1-2]。但這些疲勞研究主要基于路面結構設計層面上，其目的是為了提出用于路面設計的預估模型，一般會同時采用多個變量、大范圍變化[3-4]；而對于特定的瀝青混合料，人們對其疲勞性能的評價及溫度、水等外界條件對混合料疲勞性能的影響等研究則較少。由于各國采用的儀器和方法不統一，室內與現場的修正系數難以確定，同時，路面彎拉應力計算時所用到的材料參數(主要是模量)難以界定，在路面設計層面上進行疲勞研究迄今未能得到滿意的結果，因此，人們對疲勞性能的研究重點轉向混合料層面[5-6]。我國南方地區特別是西南地區氣候特征表現為高溫潮濕，有相當比例的公路在投入使用不久就出現疲勞破壞，而且病害發展較快，說明材料在水-溫和汽車荷載的反復作用下強度很快喪失，耐久性和抗疲勞性能下降很快[7]，瀝青路面的疲勞特性與常規情況下表現出較大的差異。為此，本文作者通過控制應力的疲勞試驗，采用凍融循環的試驗方法模擬濕熱地區瀝青混合料的水-溫作用，分析其疲勞壽命與疲勞特性，以便找出濕熱地區瀝青混合料的疲勞規律，為瀝青路面的設計與施工提供理論依據。

表1 AC-25 瀝青混凝土的級配組成(質量分數)Table1 Gradation composition of AC-25 asphalt concrete %

1 試驗儀器及材料

試驗儀器采用英國CRT-NU14氣動伺服瀝青材料試驗機。試驗用瀝青混合料為高速公路瀝青路面下面層常用的 AC-25瀝青混凝土，結合料為中海 AH-70#瀝青，集料為云南鄉菜彎子石場石灰巖；礦粉為石灰石礦粉。瀝青混合料試件直徑×高度為 101.1 mm×63.5 mm的標準馬歇爾圓柱體試件。根據《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2006)中AC-25級配范圍，分別選取靠近級配范圍下限的粗級配(Ⅰ型)、級配范圍的中值(Ⅱ型)和級配范圍上限的細級配(Ⅲ型)3種級配，其組成(質量分數)如表1所示。通過馬歇爾試驗確定3種級配的最佳油石比(即瀝青質量與礦料總質量之比)分別為3.8%，3.7%和3.9%。

2 試驗設計

2.1 試驗方法

Artamendi等[8-11]通過研究認為：間接拉伸疲勞試驗簡單易做、重復性好，是值得推薦的疲勞測試方法。我國瀝青路面設計規范中提出的瀝青層疲勞標準也是通過間接拉伸疲勞試驗獲得。參考國內外經驗，采用間接拉伸試驗研究水-溫作用下瀝青混合料的疲勞規律。

2.2 試件處理

按既定級配將制備好的試件分為A和B 2組，每組不少于5個試件。A組模擬未受水影響狀態下的疲勞破壞，即將試件直接進行疲勞試驗。B組模擬水損害嚴重狀態下的疲勞破壞，即：先將試件放入水中抽真空(98.3~98.7 kPa)15 min，讓試件飽水0.5 h；然后，將試件放入(-20~-16 ℃)的冰箱進行16 h冰凍處理；取出放入(59.5~60.5 ℃)的恒溫水槽浸泡24 h后，再進行疲勞試驗。

2.3 加載模式

鑒于我國目前高速公路瀝青面層厚度普遍超過15 cm，并且有加厚整體瀝青層的趨勢，本研究采用控制應力加載模式，以更好地接近實際路面結構的疲勞特性[12]。

2.4 加載波形和頻率

加載波形為連續式半正矢荷載，綜合考慮模擬效果、試驗時間和夾具性能等因素，確定試驗加載頻率為10 Hz，無間歇時間。

2.5 應力

根據劈裂抗拉強度確定0.3，0.4，0.5，0.6和0.7共5個不同的應力比作為試驗應力。

2.6 試驗溫度

選取15 ℃為常溫疲勞試驗溫度，25 ℃和30 ℃為高溫疲勞試驗溫度。

2.7 疲勞破壞判據

常溫情況下以試件的完全破裂作為疲勞破壞標準；高溫情況下將試件垂直變形由穩定的粘性流動階段發展為加速變形階段時反彎點對應的加荷次數量定義為疲勞破壞次數。

表2 劈裂抗拉試驗結果Table2 Splitting tensile testing results

表3 疲勞試驗結果Table3 Fatigue testing results

3 試驗結果與疲勞方程

AC-25瀝青混凝土粗級配(Ⅰ型)、中級配(Ⅱ型)和細級配(Ⅲ型)的混合料在不同水-溫條件下的劈裂抗拉強度測試結果如表2所示。

這3種級配類型瀝青混合料的疲勞試驗結果如表3所示。由于應力控制模式下瀝青混合料的應力與疲勞壽命成雙對數線性關系，其方程形式為

式中：N為疲勞壽命(次)；σ為施加應力(MPa)；k和n為系數。

在不同級配及不同水-溫條件下，將測得的疲勞試驗平行試件的試驗結果平均后回歸分析，得出其疲勞方程，結果如表3所示。

圖1 I型瀝青混合料有水與無水應力-疲勞壽命關系曲線Fig.1 Stress-fatigue life relation curves of type I asphalt mixture in water and anhydrous condition

圖2 II型瀝青混合料有水與無水應力-疲勞壽命關系曲線Fig.2 Stress-fatigue life relation curves of type II asphalt mixture in water and anhydrous condition

圖3 III型瀝青混合料有水與無水應力-疲勞壽命關系曲線Fig.3 Stress-fatigue life relation curves of type III asphalt mixture in water and anhydrous condition

圖4 I型瀝青混合料不同溫度應力-疲勞壽命關系曲線Fig.4 Stress-fatigue life relation curves of type I asphalt mixture in different temperature conditions

4 濕熱環境瀝青混合料疲勞性能分析

4.1 疲勞壽命的差異

為更清楚地比較不同水-溫條件下瀝青混凝土的疲勞壽命，將3種不同級配在相同溫度下的疲勞試驗結果如圖1~3所示；不同溫度下I型瀝青混凝土的應力-疲勞壽命關系如圖4所示。分析表3和圖1~4可以得出：

(1) 瀝青混合料應力與疲勞壽命在雙對數坐標中表現出良好的線性關系，疲勞曲線的相關系數均大于0.995。

(2) 在相同的溫度和應力作用下，Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3種級配瀝青混合料無水條件下的疲勞壽命均大于有水狀態下的疲勞壽命，兩者之差異反映了水對混合料疲勞性能的影響。以Ⅰ型級配混合料應力0.4 MPa為例，無水條件下的瀝青混凝土疲勞壽命為10 907.47次，經水損害作用后疲勞壽命為2 688.67次，后者只有前者的24.6%；同理可得到對于Ⅱ型和Ⅲ型2種級配混合料，水作用后的疲勞壽命都僅約為未經水作用的30%。

(3) 無水條件下瀝青混凝土的疲勞壽命與水作用后的疲勞壽命相比，在相同的溫度和應力比作用下，Ⅰ型瀝青混凝土的疲勞壽命平均降低約11%，Ⅱ型瀝青混凝土的疲勞壽命平均降低約40%，Ⅲ型瀝青混凝土的疲勞壽命平均降低約12%；說明水對瀝青混凝土疲勞壽命的影響顯著。

(4) 對I型級配混凝土，在相同應力的作用下，隨著溫度的升高，瀝青混凝土的疲勞壽命大幅度降低。同樣以應力0.4 MPa為例，溫度15 ℃時混凝土的疲勞壽命為457 028次，25 ℃時混凝土的疲勞壽命約為15℃時的2.4%，30 ℃時混凝土的疲勞壽命僅為15 ℃時的0.1%。

(5) 對I型級配混凝土，在相同應力比作用下，25℃時混凝土的疲勞壽命約為15 ℃時的38%，30 ℃時混凝土的疲勞壽命僅為15 ℃時的4.3%；說明溫度對瀝青混凝土疲勞壽命的影響同樣顯著。

4.2 疲勞特征參數的差異

瀝青混凝土疲勞方程中系數k和n在雙對數坐標中具有明顯的物理意義(由圖 1~4可以得到證實)，k和n分別為直線的截距和斜率。截距k表示疲勞曲線位置的高低：k大，則疲勞曲線的位置高，混合料的抗疲勞性能好。斜率n則決定疲勞曲線的陡緩，n越大則曲線越陡，說明應力的變化對疲勞壽命的影響越大。

圖 5~7所示為瀝青混凝土在不同水-溫條件下劈裂疲勞試驗得到的疲勞方程特征參數k和n的對比圖。可以看出水和溫度對瀝青混合料的抗疲勞性能影響顯著：

(1) Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3種級配的混合料經水作用后疲勞方程的k均比無水條件下的k小，說明水會加快瀝青混合料抗疲勞性能的衰減。

(2) Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3種級配的試件經水作用后疲勞方程的n都比未經水作用的n大，說明水作用狀態下瀝青混凝土的疲勞壽命對應力的變化更敏感。

(3) 對 I型級配混凝土，疲勞方程的特征參數 k和 n隨溫度的變化而不同，隨著溫度的升高，k和n減小，疲勞曲線越靠近左下方；表明在應力控制模式下，瀝青混凝土的疲勞阻抗隨溫度升高而降低，疲勞壽命對應力的敏感程度也隨溫度的升高而降低。

圖5 無水與有水3種級配混凝土疲勞方程中k比較Fig.5 Comparison of parameter k of three kind gradation concretes in water and anhydrous condition

圖6 無水與有水3種級配混凝土疲勞方程中n比較Fig.6 Comparison of parameter n of three kind gradation concretes in water and anhydrous condition

圖7 I型級配混凝土不同溫度下疲勞方程中k和n比較Fig.7 Comparison of parameter k and n of type I asphalt concrete at different temperatures

4.3 力學性能的影響

分析表2劈裂試驗結果可得：

(1) 在相同溫度情況下，3種級配瀝青混凝土的力學性能表現出相同的變化規律，即經過水作用瀝青混凝土的力學性能均低于未經水作用的力學性能，如圖8所示。

(2) 對同種級配的瀝青混凝土，隨著溫度的升高，其力學性能也呈下降趨勢，如圖9所示。

另外，比較瀝青混凝土經水-溫作用和無水-溫作用情況下的抗拉強度和相應的疲勞壽命可知：二者呈現明顯的相關性，即水-溫作用后試件的抗拉強度降低，相應的疲勞壽命減小。濕熱環境會使瀝青混凝土力學性能發生改變而導致其疲勞壽命縮短。分析其原因是：瀝青本身是黏-彈-塑性材料，其自身性能受溫度影響很大，加上水-溫條件作用下瀝青混凝土試件中的水分經歷液態—固態—液態等狀態對瀝青膠體與粗集料之間的界面黏結產生的較大損傷，使得瀝青混凝土的力學性能指標出現大幅度的下降，從而使其疲勞壽命縮短。

圖8 無水與有水3種級配混凝土力學性能比較Fig.8 Comparison of mechanical properties of three kind gradation concretes in water and anhydrous condition

圖9 I型級配混凝土不同溫度力學性能比較Fig.9 Comparison of mechanical properties of type I asphalt concrete in different temperature conditions

圖10 瀝青混凝土試件的疲勞破壞Fig.10 Fatigue failure of asphalt concrete specimens

同理，由于瀝青路面混凝土的不均勻性，道路表面總是存在有雨水下滲的通路，當降水或空氣中的水分到達路面后，會通過路面的空隙和裂縫進入路面結構內滯留在面層材料中，并沿著內部空隙和微裂縫進一步滲透并在路面結構內長期地滯留浸泡。濕熱環境豐富的地下水也會使路面基層、底基層及土基含水量較高，路面層結構內容易聚集水分，嚴重影響路面的結構強度。加上車輪動態荷載的作用，超孔隙水壓往復沖刷瀝青混合料中的孔隙，置換瀝青造成剝離現象，使得路面材料的勁度模量降低，進而對瀝青路面的疲勞性能產生影響[8,13]。

4.4 疲勞破壞特征

間接拉伸疲勞試驗結果見圖10。從圖10可見：

(1) 在較低溫度下進行疲勞試驗，試件的垂直變形隨荷載作用次數的增加而增長緩慢，但臨近破壞時出現一個變形急劇增大的短暫過程，試件最后呈脆性破裂；在試驗溫度較高的情況下，試件的垂直變形隨加載次數增加不斷增大，當變形超過3 mm時仍未出現明顯的裂縫，如圖10(a)所示，但此時試件變形嚴重，仍認為試件已破壞。以上現象與瀝青混合料自身性能有關，低溫下混合料的力學性質表現為彈性，隨著溫度的升高，混合料呈現出較多的彈-塑性質，彈塑性累積變形導致試件被破壞。因此，不能以常溫的疲勞判據來判斷試件的破壞。

(2) 如圖10(b)所示：在較低試驗溫度條件下，無論是經水作用還是未經水作用的瀝青混凝土試件，其疲勞破壞裂紋均從試件的底部開始向上擴展蔓延，這與路面的實際疲勞破壞情況相符。如圖 10(c)和(d)所示：未經水作用的試件疲勞破壞時表面的破裂線較為順直貫通，但破裂面粗糙不平整；而經水作用試件疲勞破壞時表面破裂線不規則，破裂面整體較為平整，但局部紋理雜亂，呈現出不同方向的張裂趨勢。分析其原因為無水狀態下瀝青混凝土的孔隙具有可壓縮性，可以較好地協同承受壓縮變形，因而其破壞呈劈裂狀；而在有水情況下，荷載對瀝青混凝土內空隙的壓縮產生超空隙水壓，對試件內部產生附加剪切應力，因而其破壞表現為劈裂和剪切綜合作用的形式[14]。本研究采用凍融循環模擬水-溫條件對瀝青混凝土的作用，對試件有剪切破壞。進行疲勞試驗時，出現了剪切和劈裂的綜合作用結果。這也充分證明用凍融循環處理條件模擬瀝青混凝土處于水-溫度作用下的合理性。

5 結論

(1) 不同水-溫條件下的瀝青混合料其應力與疲勞壽命在雙對數坐標中均表現出良好的線性關系，此規律可為瀝青路面的疲勞壽命預估提供了依據。

(2) 經水作用后的瀝青混合料，其疲勞壽命僅為未經水作用的24.6%~30.0%；25 ℃時瀝青混凝土的疲勞壽命約為15 ℃時的2.4%，30 ℃時混凝土的疲勞壽命僅為15 ℃時的0.1%。這說明水-溫對瀝青混凝土的疲勞壽命的影響顯著，在濕熱地區應加強路面結構防排水工程的設置和混合料配合比的設計。

(3) 水作用和溫度升高均會使瀝青混合料的抗疲勞特性衰減。

(4) 瀝青混凝土經水-溫作用和無水-溫作用下的劈裂強度和相應的疲勞壽命呈現明顯的相關性，濕熱環境使瀝青混合料的疲勞壽命縮短可能是水分和溫度的共同作用使得混合料勁度模量降低的結果。

(5) 在試驗溫度較高的情況下，試件沒有明顯裂縫，表現為變形嚴重；在較低試驗溫度條件下，試件呈脆性破裂，且無水作用試件疲勞破壞表現為劈裂形式，有水作用試件的疲勞破壞表現為剪切和劈裂聯合作用的形式，充分證明用凍融循環處理條件模擬瀝青混凝土處于水-溫度作用的合理性。

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