水对沥青混合料抗疲劳性能的影响试验研究

　　摘要：本研究采用4种级配沥青混合料,对试件设计了两种水处理条件,与未经水处理试件的疲劳试验结果进行对比。研究水对沥青混合料疲劳性能的影响,并初步分析水使混合料抗疲劳性能下降的力学机理。,
　　关键词：沥青混合料；降水；疲劳性能；机理
　　
　　
　　沥青混合料抗疲劳性能即路面混合料在反复荷载作用下抵抗破坏的能力。路面使用期限间经受车轮荷载反复作用，长期处于应力应变交叠变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载反复作用超过一定次数后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面出现裂纹，产生疲劳断裂。沥青路面的疲劳寿命除了受荷载条件的影响外，还受到材料性质和环境变化影响，具体包括荷载历史、加载频率、施加应力或应变波谱形式以及荷载间歇时间等。
　　目前国内道路界在湿度大气因素对路面寿命影响这方面的研究工作进行得很少，沥青路面的水损害能在路面投入使用后不长时间内发生，而且一旦开始病害发展较快，说明材料在降水和汽车荷载的反复作用下强度很快丧失，耐久性和抗疲劳性能下降很快，降水对沥青混合料的宏观力学性能会产生何种作用，对路面疲劳寿命会产生多大的影响，本研究就是针对这一问题展开试验模拟和讨论。
　　
　　1 原材料的选取
　　本课题采用埃索AH-90#沥青。该沥青满足重交通道路沥青AH-90#的技术要求。集料全部采用闪长岩，矿粉为石灰石磨制而成，集料各项指标均符合规范要求。所采用的级配有AC-16、AC-20、SMA-16、SAC-16，其各自级配的选取又分为这样几种情况，AC-16、AC-20则均采用规范中推荐的值，SMA-16取《公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南》（SHCF40-01-2002）推荐级配范围的中值，SAC-16取级配范围的中值。其级配曲线见图1。
　　
　　
　　图1-1级配曲线图
　　2试验方案
　　采用传统的疲劳理论，采用控制应力方式。试验结果可用下式来表示：
　　（2-1）
　　式中：Nf-试件破坏时加载次数；
　　k，n-取决于沥青混合料成分和特性的常数；
　　σ-对试件每次施加常量应力的最大幅值。
　　试验尺寸：50×50×250mm,跨径150mm；荷载波形：半正矢波；荷载频率：10Hz；试验温度：常温，15℃；加载方式：三分点加载；控制方法：控制应力的加载方式；
　　针对选定级配，即本课题中所采用的级配AC-16-I、AC-20-I、沥青玛蹄脂碎石SMA-16、多碎石沥青混凝土SAC-16，将每种沥青混合料切制好的36个小梁试件分别分为3组，每组12个试件，分别进行如下处理：
　　（1）一组采用条件1试验：条件1试验是将试件在常温25℃下直接进行疲劳试验；
　　（2）一组采用条件2试验：条件2试验是将试件在常温25℃作浸水7d处理，取出后立即在25℃条件下进行疲劳试验；
　　（3）一组采用条件3试验：条件3试验是先将试件放入水中抽真空（254-600mmHg）15min，然后让试件饱水0.5h，再将试件放入25℃水浴中保温2h，取出立即在25℃条件下进行疲劳试验。
　　
　　3试验结果
　　AC-16、AC-20、SMA-16和SAC-16四种级配类型沥青混合料的抗弯拉强度和疲劳试验结果如图2～图5所示。
　　
　　图2AC-20-I三种处理条件的试件疲劳曲线
　　
　　图3AC-16-I三种处理条件的试件疲劳曲线
　　
　　图4SMA-16三种处理条件的试件疲劳曲线
　　
　　图5SAC-16三种处理条件的试件疲劳曲线
　　
　　4 试验结果分析
　　上述试验所示的疲劳方程可写成通式，该方程表明沥青混合料的应力水平与疲劳寿命之间在双对数坐标上存在着线性关系，沥青混合料疲劳性能通过疲劳方程的两个参数k，n来反映。当对应力水平σ和疲劳寿命Nf进行双对数回归时，可得到一条直线，直线的截距为疲劳方程中k的对数，斜率为疲劳方程中的n。k值反映疲劳曲线线位的高低，k值越大，表明混合料的抗疲劳性能越好。而n值反映的疲劳寿命对应力水平变化的敏感程度，n值越大，疲劳曲线越陡，说明混合料的疲劳寿命对应力水平的变化越敏感。
　　针对图2～图5的疲劳曲线作以下分析和讨论。
　　（1）在疲劳试验过程中，沥青混合料小梁试件底部的弯拉应变随荷载作用次数的增加总的变化规律是：总应变随加载次数的增加而逐渐增大，其增大速度与荷载应力水平有关，应力水平越高，增大的速度越快。
　　（2）经水处理后试件疲劳方程的k值都比未经处理试件疲劳方程的k值小，表明经水处理过的试件的疲劳寿命均比未经水处理试件的疲劳寿命短，显示水对沥青混合料小梁试件的疲劳寿命表现出明显影响，经水处理后小梁试件的疲劳寿命均缩短，说明水会加快沥青混合料抗疲劳性能的衰减，另外，从试验结果看，7d浸水的处理方法比抽真空饱水的处理方法对混合料疲劳寿命的影响更大一些。
　　（3）从n值来看，对于SAC-16级配，经7d浸水试件疲劳方程的n值在其各自的三个疲劳方程的n值中最大，AC-20-I和AC-16-I两种级配则是抽真空浸水试件的n值最大，只有SMA-16未经处理试件疲劳方程的n值较其它两个方程的n值略大一些，表明经水处理试件的疲劳寿命对应力水平的变化更敏感。
　　（4）在控制应力加载模式中，疲劳寿命随混合料劲度的增加而增加，随混合料劲度的减小而减小，据此分析水之所以会使沥青混合料的疲劳寿命减少应是因为水的浸泡作用使得混合料劲度降低的结果。
　　
　　5参考文献
　　[1]沙庆林，高速公路沥青路面早期破坏现象及预防，北京：人民交通出版社，2001
　　[2]王端宜，邹桂莲，对沥青路面水损害早期破坏的认识。东北公路。V24（1）：23-25.2000
　　[3]沙庆林。高速公路沥青路面的水破坏及其防治措施（上）。国外公路。2000.3：1-4.2000
　　[4]沙庆林。高速公路沥青路面的水破坏及其防治措施（下）。国外公路。2000.4：1-5.2000
　　[5]中华人民共和国交通部。公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南（SHCF40-01-2002）
　　[6]张登良。沥青及沥青混合料。北京人民交通出版社。1993.6