水对沥青混合料疲劳寿命影响的试验研究

高智杰，梁乃兴，肖 雄

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

沥青混凝土路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、震动小、噪音低、施工周期短、外形美观、养护维修简便、适宜分期修建等优点，因而获得越来越广泛的应用，现已成为我国公路路面的主要形式。然而，沥青路面存在病害多且复杂的特点。其疲劳破坏是沥青路面结构破坏的主要形式之一。国内外道路工作者对此进行了多种研究，并取得了一定的成果。然而，在潮湿的气候特征下，沥青路面的疲劳特性与常规情况下表现出较大的差异，其疲劳破坏机理、疲劳破坏过程都有所不同。笔者采用气动伺服沥青材料试验机，以AC-25沥青混合料为例，分别进行劈裂疲劳试验和冻融劈裂疲劳试验，探讨水损坏对沥青混合料疲劳特性的影响［1－3］。

1 试验

1.1 沥青混合料组成设计

1.1.1 试验原材料

AC-25沥青混合料粗集料(d>2.36 mm)采用石灰岩;细集料(d<2.36 mm)采用石灰岩机制砂，填料为矿粉。沥青结合料均采用壳牌70#沥青。各项技术指标均符合JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

1.1.2 设计级配

AC-25沥青混凝土的级配选择规范规定的范围内的3种:靠近级配范围下限的粗级配(Ⅰ型);级配范围的中值(Ⅱ型);靠近级配范围上限的细级配(Ⅲ型)。AC-25的3种级配组成见表1。

1.1.3 最佳油石比

根据马歇尔试验结果，综合分析确定出粗(Ⅰ型)、中(Ⅱ型)、细(Ⅲ型)级配AC-25沥青混凝土的最佳油石比分别为3.8%，3.7%，3.9%。

1.2 劈裂试验

1.2.1 试验方法

试验方法严格按照JTJ 052—2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行。试件成型方法:按沥青混合料马歇尔试验标准用标准击实成型的圆柱体试件，试件尺寸符合标准马歇尔试件的尺寸要求，每组5个试件，加载方式为应力控制，加载波形和频率为10Hz连续式半正矢荷载，应力比分别为0.3，0.4，0.5，0.6，0.7。将标准马歇尔试样切割成高40～50 mm的试件用于进行劈裂疲劳试验。对3种级配AC-25沥青混凝土试样经过未冻融和1次冻融循环处理后在25℃条件下进行了劈裂疲劳试验。劈裂疲劳试验仪器为气动伺服沥青材料试验机。

表1 3种级配AC-25组成Tab.1 Three kinds of AC-25 grading composition

1.2.2 劈裂试验与劈裂疲劳试验结果

3种级配AC-25沥青混凝土试样在25℃条件下的劈裂试验结果如表2，疲劳试验结果如表3。

表2 AC-25试样的劈裂试验结果Tab.2 The results of splitting test on AC-25 samples

表3 AC-25沥青混凝土在25℃时的疲劳试验结果Tab.3 The results of fatigue test on AC-25 concrete at 25℃

(续表3)

2 试验结果分析

2.1 单对数疲劳曲线

应力强度比与疲劳寿命在单对数坐标上表现出较好的线性关系，可以用式(1)进行拟合:

式中:N为达到破坏时的重复荷载作用次数;σ/S为应力强度比;k、n为由试验确定的系数。

由表3中的结果，可得到3种级配AC-25沥青混凝土未经冻融和经过1次冻融循环后在25℃时的劈裂疲劳寿命－应力比单对数疲劳曲线，如图1。

将以上结果按式(1)的形式进行回归，可得到AC－25Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型级配沥青混凝土未经冻融和经过1次冻融循环后在25℃时的单对数疲劳方程(表4)。

表4 AC-25沥青混凝土3种级配的单对数疲劳方程Tab.4 The semi-logarithmic fatigue equation of AC-25 gradationⅠ，ⅡandⅢ

从表4的单对数疲劳方程相关系数的显著性检验结果可以看出，它们是高显著度的回归方程。

2.2 破坏形式的差异

图2为未经冻融和经过1次冻融循环后试样劈裂疲劳试验后的破坏形态。未经冻融的试件疲劳破坏时表面的破裂线较为顺直贯通，但破裂面粗糙不平整;而经1次冻融循环后试件疲劳破坏时表面破裂线不规则，破裂面整体较为平整，但局部纹理杂乱，呈现出不同方向的张裂趋势。分析原因是:在无水状态下，沥青混凝土的孔隙可压缩，可以较好地承受压缩变形，因而其破坏呈劈裂状;但在饱水状态，在载荷速率较大时，沥青混凝土中附有超孔隙水压附加剪切应力，因而其破坏主要表现为剪切破坏［4－5］，是剪切和劈裂的综合作用结果。

图1 AC-25沥青混凝土有无冻融时单对数疲劳寿命曲线Fig.1 The semi-logarithmic fatiguelife curve of AC-25：non-freeze thaw(diamond)and after one freeze-thaw cycle(square)

图2 2种试样劈裂疲劳试验后的破坏形态Fig.2 The fracture morphology of specimen after the splitting test

2.3 疲劳寿命差异

由试验得出的疲劳方程可知，在相同疲劳荷载作用下，未经冻融的沥青混凝土要比经1次冻融后沥青混凝土试件所能承受的疲劳荷载作用次数大得多。如对细级配沥青混凝土，当疲劳荷载为0.4 MPa时，经计算，未经冻融的沥青混凝土试件疲劳次数可达10 435次，而经过1次冻融循环的试件疲劳次数仅为2 600次。劈裂强度试验结果显示:经过1次冻融循环后的破坏劲度模量比未冻融时的破坏劲度模量低27%左右。

2.4 疲劳特征参数k、n值差异分析

由表4列出的未冻融和1次冻融后的疲劳方程比较可得，经过1次冻融循环后沥青混合料试件疲劳方程比未经冻融沥青混合料疲劳方程的k值显著降低，表明疲劳寿命缩短;相反，n值增大，说明水作用状态下沥青混合料的疲劳寿命对应力水平的敏感程度比常规状态高。

2.5 级配对水损坏状态下的疲劳性能影响的差异

由表4所列的未冻融和1次冻融后的疲劳方程可知，沥青混合料的疲劳性能由优到劣的集料级配顺序依次为Ⅰ型>Ⅱ型>Ⅲ型，即粗级配>细级配>级配中值。原因为:3种级配中，粗级配的细集料含量最少，粗集料含量最多。可以认为大粒径的矿料从一定程度上阻碍了裂缝的发展，从而增强了混合料的抗疲劳能力。细级配的细集料含量最多，粗集料含量最少，能形成紧密的密级配混合料，所以在有水损害时表现出良好的抗疲劳性能［6－8］。

3 结论

通过对比AC-25沥青混凝土的劈裂疲劳试验与冻融劈裂疲劳试验结果，得出了以下结论:

1)劈裂强度试验结果显示:经过1次冻融循环后的破坏劲度模量比未冻融时的破坏劲度模量低27%左右。由试验得出的疲劳方程可知，在水损害状态下，沥青混合料的疲劳寿命较普通状态下大为缩短，在相同疲劳荷载作用下，未经冻融的沥青混凝土要比经1次冻融后沥青混凝土试件所能承受的疲劳荷载作用次数大得多。经过1次冻融循环后沥青混合料试件疲劳方程比未经冻融沥青混合料疲劳方程的k值显著降低，表明疲劳寿命缩短。而n值增大，说明水作用状态下沥青混合料的疲劳寿命对应力水平的敏感程度比常规状态高。分析其原因可能与水影响沥青混合料劲度等力学性能指标有关，自由水的存在将通过置换沥青与集料的黏结，导致沥青与矿料的剥离，在一定程度上为疲劳裂缝的产生创造了条件;同时，在反复的疲劳荷载作用下，水分不断冲刷集料表面，而水分的蒸发，又将加快沥青混凝土中沥青与石料的剥离速度，从而加快混合料的疲劳开裂，缩短沥青混合料的疲劳寿命。

2)在水损害状态下，沥青混凝土的抗疲劳性能从优到劣的集料级配排序为粗级配优于细级配，细级配优于级配中间值。分析其原因为:粗细集料和矿粉组成的矿料级配在抗疲劳方面起着重要作用。同时，矿料级配与透水性有着密切的关系，将直接影响水对沥青混合料的破坏程度，间接影响其抗疲劳性能，也就成为有水情况下疲劳性能的主要影响因素。同一面层的3种级配中，粗级配的细集料含量最少，粗集料含量最多。可以理解为大粒径的矿料阻碍了裂缝的发展，从而增加了抗疲劳能力。细级配的细集料含量最多，粗集料含量最少，能形成紧密的密级配混合料，故在有水损害时表现出良好的抗疲劳性能。总的来说，粗集料的骨架结构与细集料的紧密结构均可以从一定程度上延缓疲劳开裂的发展，故其疲劳性能相对较好。

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