動水沖刷作用下瀝青混合料損傷試驗研究

高武林，何建慶

(江西省公路橋梁工程有限公司，江西 南昌 330096)

動水沖刷作用下瀝青混合料損傷試驗研究

高武林，何建慶

(江西省公路橋梁工程有限公司，江西 南昌 330096)

結合目前瀝青混合料水損壞問題的研究現狀，利用動水沖刷試驗儀對瀝青混合料進行動水沖刷試驗研究，建立了瀝青混合料損傷本構模型，分析了動水沖刷前后初始空隙率及瀝青品種對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，有著重要的現實意義。

瀝青混合料；動水沖刷；試驗研究；本構模型

1 模型試驗

1.1 損傷模型

本文采用伯格斯模型，利用Weibull函數對瀝青混合料內部缺陷的分布

(1)

損傷本構方程為

(2)

式中：σ0為恒外力；E為模量；η為材料參數；m和n為常數。

1.2 試驗裝置

試驗所用試件為標準馬歇爾試件，動水沖刷試驗裝置主要部件為：有機玻璃制成的沖刷桶，刷桶的外壁有加強鐵環，桶內放置沖刷試件；試件上下區域的水通過導管相聯，聯接壓力表；通過試桶側壁下閥門進行注水和放水，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試驗機的下壓頭，上部活塞與MTS試驗機的上壓頭相聯，通過MTS試驗機實現活塞的上下移動，產生對試件的沖刷作用。

1.3 試驗條件

為產生動水沖刷效果，進行沖刷試驗時通過MTS試驗機施加動載荷，試驗過程中控制加載的最大沖刷應力。試驗前需要確定加載時間、加載頻率、動水沖刷應力以及試驗水溫等試驗參數。 對于動水沖刷試驗，沖刷頻率確定為10 Hz，選用90#基質瀝青、70#基質瀝青以及SBS改性瀝青，瀝青的技術性質見表 1 。

表1 瀝青的技術指標

2 動水作用對混合料力學性能的影響

2.1 瀝青對動水沖刷后瀝青混合料性能的影響

利用90#基質瀝青、70#基質瀝青及SBS改性瀝青制作試件并進行沖刷試驗?？梢钥闯?，動水沖刷前后90#基質瀝青、70#基質瀝青及SBS改性瀝青，勁度模量分別下降了：43.46%、36.43%、28.71%；劈裂強度分別下降了34.16%、26.93%、20.30%。瀝青的粘度對瀝青混合料的抗動水沖刷性能的影響較大，粘度越大其抗動水沖刷的能力越好，其勁度模量及劈裂強度下降越小。

2.2 空隙率對動水沖刷后瀝青混合料性能的影響

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

圖1 空隙率變化對沖刷前后混合料性能的影響

3 動水沖刷作用下瀝青混合料損傷分析

3.1 空隙率對瀝青混合料沖刷后蠕變參數的影響

瀝青混合料的空隙率對動水沖刷作用效果有很大的影響，在動水沖刷作用前后瀝青混合料蠕變曲線如圖2所示?？梢钥闯?，在動水沖刷作用后，瀝青混合料的蠕變穩定期明顯縮短，蠕變速率急劇增加，試件很快進入破壞期。對比圖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，其受動水沖刷的影響較小。通過蠕變方程，對沖刷前后的蠕變曲線進行擬合，能夠全面的擬合蠕變的三個階段，擬合曲線與試驗曲線符合較好。模型擬合參數如表2 所示，可以看出，動水沖刷作用對于材料的損傷較小，動水沖刷前后13%的瀝青混合料材料參數較為接近。動水沖刷前后，9%的瀝青混合料其材料參數發生不同程度的衰減，沖刷前后材料參數基本不變。

圖2 瀝青混合料蠕變曲線

空隙率試驗條件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 瀝青對瀝青混合料沖刷后蠕變參數的影響

通過沖刷前后瀝青混合料高溫蠕變的對比分析，來研究瀝青膠結料對瀝青混合料動水沖刷后高溫蠕變性能的影響關系。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%，對動水沖刷前后的瀝青混合料進行蠕變試驗。動水沖刷作用前后不同標號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水沖刷作用后，均出現了較大損傷作用，蠕變曲線發生了較大的變化。對動水作用前后的蠕變數據進行擬合，材料參數如表3所示。可以看出，材料通過動水沖刷前后，模型的參數值出現了很大程度的衰減，材料出現了較大的損傷。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%；通過對比可知，采用粘度較大的改性瀝青，有利于提高材料的抗動水沖刷能力，同時能夠有效減小動水沖刷對材料蠕變初始損傷的影響。

圖3 瀝青混合料動水沖刷作用前后蠕變曲線

空隙率試驗條件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 論

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

(2)勁度模量及劈裂強度隨著空隙率的增加先減小后增大?？障堵蚀笥?3%時，動水沖刷阻力較小，抗動水沖刷的能力較好；當空隙率為7.5 %時，試件對透水的阻力相對較大，受動水沖刷的影響較大，其劈裂強度達到了最小值，抗動水沖刷能力較差；空隙率為小于6 %的瀝青路面，抗動水沖刷的能力較強。

(3)材料通過動水沖刷前后，模型的參數值出現了很大程度的衰減， 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水沖刷能力，同時能夠有效減小動水沖刷對材料蠕變初始損傷的影響。

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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。