界面污染對瀝青小梁疲勞性能的影響研究

張逸琳

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

隨著瀝青作為主流路面材料使用愈加廣泛，其疲勞破壞現象作為瀝青路面的主要破壞方式之一，得到廣泛關注[1-2]。針對目前瀝青路面疲勞破壞的各種類型，當前研究重點偏重其材料本身和材料間的結構組合，以及以此為依據，根據路面的使用狀況和當地的溫度變化，對其進行相應的優化和改進[3]。然而，研究和實踐均表明，如果忽略層間黏結、防水、應力吸收和耐久性等問題，即使大程度地提高面層和基層的強度，由于無法解決瀝青路面層間黏結不足而導致的層間滑移狀況，仍然無法從根本上解決瀝青路面的疲勞破壞問題。一般認為，導致層間滑移病害的原因為水平力的強度大于層間的黏結強度。細化到實際狀況中，原因主要表現為水平荷載作用過大或者路面層間黏結不足[4]。研究表明，水平荷載的存在會進一步削弱層間的結構，從而導致層間滑移。并且，水平荷載的作用會在很大程度上影響路面應力場的分布，尤其對于上面層，將在層內產生較大的拉應力[5-6]。當然，這是在前置條件為層間接觸狀態完全連續或完全光滑兩種極端情況下而得到的結論，實際工況下的層間接觸條件顯然將介于兩者之間[7]。研究表明，不同的層間接觸條件將對路面結構的力學響應狀況和分布產生很大的影響[8-11]。針對此類問題，很多學者基于有限元理論，在不同的層間接觸狀態下，對水平荷載與豎向荷載聯合作用、荷載與溫度耦合作用等不同力學工況下，路面層內的力學響應指標的大小和分布特性展開了研究[12-14]。同時，試驗表明，在層間噴灑黏層油，能夠有效地提高層間的黏結力和抗剪力[15]，但忽略了界面污染因素的影響。由于路面的日常工作狀態完全暴露于自然環境中，外界的污染會引起瀝青路面層間接觸條件發生改變。文獻[16]針對界面污染下，半剛性基層與瀝青面層層間黏結性能進行了研究，卻忽略了瀝青路面面層層間接觸狀態受到污染的情況。

基于此，本文針對不同界面污染情況，在抗剪強度試驗的基礎上，進一步進行小梁彎曲疲勞試驗，對復合瀝青混合料小梁的疲勞壽命展開測試，并分析其彎曲勁度模量的變化規律，以分析其界面污染機理。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

考慮模擬鋼橋面的瀝青鋪裝結構工況，本試驗采用新型骨架密實型防水混合料SMAP-5 和骨架懸浮密實型瀝青混合料SMA-13，用以制備小梁結構件。用料選擇上，黏層油類型選取SBS 改性乳化瀝青，集料類型選擇玄武巖碎石，礦粉類型選擇石灰石礦粉，纖維類型選擇木質素纖維，瀝青類型選擇自主研發的高黏彈改性瀝青。兩種混合料級配組成詳見表1，混合料體積參數詳見表2。復合小梁縱截面如圖1 所示。

圖1 S MA-13+S MAP-5 瀝青混合料復合小梁試件

表1 各混合料合成級配

表2 復合小梁組合方式及其體積參數

1.2 試驗方案

以四點彎曲疲勞試驗為主要試驗方法。鑒于實際工況中，瀝青混合料的疲勞破壞主要發生在13～15℃之間，基本對應于北方春融期溫度和南方地區的雨季溫度。因此，該試驗選取試驗溫度為15℃。此外，出于提高試驗效率、節約試驗時間的考慮，試驗采取應變水平為1 250 με，且在加載時間上對制備的試件采取無間歇的荷載加載模式。

由于層間污染將對鋪面層與層之間的黏結產生不利影響。在實際的道路施工工程中，自然環境中的風沙和施工時機械泄露的油污都是常見的路面結構層污染源。因此，本文以風沙和油污兩種污染源為試驗對象，研究層間污染對瀝青混合料路面疲勞性能所產生的影響。

采用粉末狀黃土或者集料灰塵模擬環境風沙，以及機油模擬施工時機械的油污，選取0 kg/m2、0.1 kg/m2、0.2 kg/m2、0.3 kg/m2四個水平，用以表征不同程度的污染量。

其他試驗條件選取如下：試驗溫度15℃，試驗應變水平1 250 με，試驗加載頻率10 Hz。以馬歇爾試件為例，其層間污染效果如圖2 所示。

圖2 層間污染效果

2 試驗結果分析

2.1 界面污染對層間抗剪強度的影響

根據試驗方案，對制備的馬歇爾試件進行不同預設工況的預處理之后，分別對其進行進一步的抗剪強度測試，得到表3 中的試驗結果。

表3 不同層間污染抗剪強度試驗結果

從表3 中的試驗結果可以看出，相比層間潔凈的馬歇爾試件，層間受到污染的試件抗剪強度都有不同程度的減小。以粉末狀黃土作為層間污染源的混合料抗剪強度相對于層間潔凈的混合料抗剪強度分別下降了12.82%、19.87%、27.56%。以機油作為層間污染源的混合料抗剪強度相對于層間潔凈的混合料抗剪強度分別下降了17.95%、25.00%、32.05%。

從上述數據結果分析中可以得出，模擬自然封殺的黃土污染和模擬施工機械油污的機油污染，都會使層間抗剪強度下降。在相同污染量下，油污染的影響比土污染的影響更大。

分析其原因，盡管土顆粒阻礙了上下層混合料之間的黏結，并且在剪切過程中促使上下層混合料之間靜摩擦力轉換成滑動摩擦力，從而造成混合料層間抗剪強度下降。然而，油污中的油類成分對層間抗剪強度造成的影響更大。根據相似相容原理，油污染中的油類成分一定程度上充當了溶劑作用，部分溶解了原本充當黏結作用的黏層油。同時，較高水平的滲透作用也使黏層油材料中瀝青的油分含量增加，從而導致層間黏結減弱。此外，油污不僅對上下層混合料之間的黏結造成了一定的阻礙，甚至還提供了一定的潤滑作用。多種因素作用下，共同導致瀝青混合料的抗剪強度大幅度下降。

2.2 界面污染對復合小梁疲勞壽命的影響

根據試驗方案，層間污染考慮在路面鋪裝過程中常見的污染，即塵土污染和機油污染。瀝青混合料車轍板層間黏結狀態如圖3 所示，小梁疲勞試驗結果如圖4 所示。

圖3 層間污染方式對比

圖4 層間污染疲勞試驗結果

由圖4 可知，上下層混合料層間接觸存在污染時，會導致混合料的疲勞壽命下降。相比于層間潔凈，以黃土作為層間污染源時，不同的污染量工況下，混合料的疲勞壽命分別下降了13.37%、18.96%、21.83%。以機油作為層間污染源時，不同的污染量工況下，混合料的疲勞壽命分別下降了15.98%、20.78%、25.05%。試驗結果表明，黃土污染源對混合料疲勞壽命的影響要小于機油污染源對混合料疲勞壽命的影響。其原因可能是：黃土顆粒存在與混合料層間黏結界面，雖然阻礙了上下層混合料的黏結，在車輛荷載作用的情況下，使混合料層間摩擦力由靜摩擦變成滑動摩擦，但是，對于機油污染而言，其不僅阻礙了上下層混合料的黏結，而且在車輛荷載的作用情況下，在層間起到了潤滑作用。

2.3 彎曲勁度模量損失分析

上述試驗結果表明，界面污染情況作為復合小梁疲勞壽命的主要影響因素之一，其影響程度不僅與污染源相關，還與層間界面受到的污染量有關。復合小梁試件的彎曲勁度模量損失量變化結果如圖5所示。

圖5 彎曲勁度模量損失量試驗結果

由圖5 可知，復合小梁試件層間界面在受到兩種污染源的情況下，其彎曲勁度模量都有不同程度的損失。其中，相較于黃土污染，機油污染對于彎曲勁度模量損失的影響更大。同時，隨著污染量增加至某一定限度，機油污染會率先使層間黏結失效。

3 結 語

（1）瀝青復合小梁層間界面的抗剪強度指標，受到黃土污染的擾動敏感程度要小于機油污染，且層間界面的抗剪強度會隨著界面污染源含量的增加而降低。

（2）隨著污染源含量的增加，瀝青混合料的疲勞性能存在顯著下降的趨勢，但隨著污染量的增加，復合小梁的疲勞壽命有趨于穩定的趨勢。

（3）相同污染量下，機油污染對層間黏結性能的影響大于黃土污染。

（4）根據彎曲勁度模量損失結果分析，隨著污染量的逐步增加，小梁試件的彎曲勁度模量損失會逐漸增大。這說明層間黏結力不斷減弱，當污染量增至某一值時，瀝青路面上下面層的黏結性能基本喪失。

研究分析結果表明：采用分層鋪裝瀝青路面時，應當保持瀝青上下面層層間界面的潔凈，尤其是防止施工作業時，器械油污對界面造成污染，對提高瀝青路面的黏結性和整體性具有重要的意義。