淺析瀝青混合料浸水疲勞試驗

李杰

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

一、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，最終材料組成和級配結果見表1。

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。它既可以進行車轍試驗，又可以進行疲勞試驗（包括浸水車轍和浸水疲勞試驗）。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。

為了便于計算分析處理和加快瀝青混凝土試件的疲勞損傷破壞，將試件放入試模時，其下不設墊塊。

二、試驗結果分析

（一）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。

（二）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。

三、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。