动水作用下沥青混合料疲劳性能变化

胡　斌， 张肖宁

(华南理工大学 土木与交通学院, 510641 广州)



动水作用下沥青混合料疲劳性能变化

胡斌， 张肖宁

(华南理工大学 土木与交通学院, 510641 广州)

摘要:为研究不同材料组成下沥青混合料抗疲劳性能受动水作用的影响，开发了模拟沥青路面受水、荷载、温度共同作用的室内试验设备并提出了试验方法. 将6%、10%、14% 3种空隙率，AC-16、SMA-16、SAC-16 3种级配，A-90、A-110、A-130 3种沥青组合成7种沥青混合料；对比分析其动水作用前后的应力疲劳方程参数变化. 结果表明：7种沥青混合料动水作用后的疲劳性能均有不同程度衰减. 疲劳荷载作用下，动水作用后的混合料沥青膜更易剥落. 10%空隙率是AC类混合料的较不利空隙率；其疲劳寿命的衰减程度最大且应力敏感性增加. 10%空隙率时，悬浮结构沥青混合料抗疲劳性能受动水作用影响要比骨架结构的大，高标号沥青混合料所受影响比低标号的大.

关键词:沥青混合料；动水作用；室内模拟试验；疲劳寿命；衰减

行车荷载与水产生的动水压力作用是沥青路面初期损坏的重要原因之一[1-2]. 早期的研究主要针对沥青混合料的水稳定性，试验主要基于水温耦合条件的室内模拟[3-4], 近年来的研究开始关注荷载、水与温度共同作用对沥青混合料的影响[2-5]. 动水作用对沥青混合料性能影响的相关研究，目前有3个方面工作较少涉及：1)模拟实际沥青路面受动水作用的室内试验设备及方法；2)动水作用对沥青混合料疲劳性能影响的研究；3)沥青混合料性能受动水作用影响的材料组成因素研究. 为此，本文开发了一种模拟沥青路面受水、行车荷载、温度共同作用的室内动水冲刷试验设备，并提出了试验方法. 对动水作用前后的试件进行劈裂疲劳试验；从空隙率、级配、沥青标号3个方面，分析沥青混合料抗疲劳性能受动水作用后的变化特点.

1试件制备及动水作用

1.1混合料试件制备

对空隙率、级配、沥青标号等3个因素分别选择3种条件，组合成7种规格的沥青混合料进行试验，其基本组成见表1.

表1　7种规格沥青混合料基本组成

6%、10%、14%分别代表沥青路面压实合格、粗离析、严重粗离析3种状态下的现场空隙率[6]. 混合料试件为圆柱形，采用旋转压实仪成型，尺寸为直径100 mm、高63.5 mm.

1.2动水作用设备及试验条件

行车荷载产生的动水压力会对沥青路面形成冲蚀和泵吸作用[2]，为此本文开发了模拟这一过程的室内试验设备，如图1所示. 设备主体为高强玻璃纤维材质圆筒，可放置一个马歇尔试件. 试验时，设备置于MTS810万能材料试验机控温箱内；利用试验机加载使筒内活塞上下往复运动，实现荷载、温度、水对沥青混合料试件的共同作用.

(a)示意图　　　　　　　(b)实物图

蒋泽民、李少波等[7-8]实测车速为100～120 km/h时，路面动水压力约为0.35～0.45 MPa. 康海贵等[9]测得空气温度30 ℃时，路表温度在45 ℃左右. 本文考虑实际状况的模拟和室内实验的难易，初选不同试验条件水平，以动水作用后10%-AC16-110试件劈裂强度比70%为标准；最终确定动水作用条件为冲刷频率为10 Hz，动水压力为0.4 MPa，作用时间为15 min，水温为45 ℃.

2疲劳试验及结果

参考以往研究[10-11]成果，采用劈裂疲劳试验方法，疲劳寿命为试件完全破裂时的累积作用次数. 试验采用应力控制模式；试验温度为15 ℃；加载频率为10 Hz；加载波形为连续半正矢波；应力比分别为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7；平行试件为6个. 对7种沥青混合料基准(未受动水作用)及动水作用后试件进行疲劳试验，结果见表2.

3试验结果分析

沥青混合料疲劳方程的对数形式为

(1)

式中：Nf为疲劳寿命，次；σ为疲劳应力，MPa；n、K均为疲劳方程参数，K越大表明混合料在应力σ=1时疲劳寿命越大，n越大表明混合料疲劳寿命对应力的变化越敏感.

3.1空隙率

6%、10%、14% 3种空隙率的AC-16沥青混合料动水作用前后应力-疲劳寿命双对数曲线如图2所示，疲劳方程参数变化见表3. 表3显示，3种式样的K值由大至小的试样顺序依次为6%-AC16-110、10%-AC16-110、14%-AC16-110，其动水作用后亦是如此，说明AC类沥青混合料的空隙率越小，抗疲劳性能越好. 图2中动水作用后曲线均位于基准曲线的下方，表明在5个应力等级下，其动水作用后的疲劳寿命均出现衰减.

由表3看出，空隙率10%混合料的K值变化率为-47.2%,表明在应力为1 MPa时，其疲劳寿命衰减了大约一半. 空隙率为6%和14%混合料的n值在动水作用后减小，表明其疲劳寿命对应力变化敏感性降低了,而空隙率为10%混合料在动水作用后，其疲劳寿命对应力变化更敏感. 由此可认为3种空隙率中，10%为AC类混合料的较不利空隙率，其混合料受动水作用后的疲劳寿命不但衰减幅度最大，而且对应力变化最敏感.

10%-AC16-110试件动水作用前后的疲劳试验开裂面如图3所示. 两种试件开裂面的集料几乎均没有破碎；未经动水作用试件开裂面上的集料绝大部分仍被沥青裹附(图中黑色部分)；而动水作用后试件开裂面上的集料由于沥青剥离出现更多面积的裸露(图中白色部分). 由此看出，疲劳荷载作用下，动水作用后混合料的沥青膜更易剥落.

3.2级配

空隙率为10%的SAC-16、SMA-16沥青混合料动水作用前后应力-疲劳寿命双对数曲线见图4，AC-16曲线见图2(b)，疲劳方程参数变化见表4.

表2　7种沥青混合料疲劳试验结果

(a)空隙率6%　　　　　　　　 　 　　　 (b)空隙率10%　　　　　　　　　　 (c)空隙率14%

试样K基准动水作用变化率n基准动水作用变化率6%-AC16-1101333.51083.9-0.1873.6752.705-0.26410%-AC16-110659.2348.3-0.4723.1893.5130.10214%-AC16-110269.2233.9-0.1313.6082.608-0.277

表4　3种级配沥青混合料疲劳方程参数变化

(a)基准试件　　　　　　　　(b)动水作用后试件

(a)SAC-16级配

(b)SMA-16级配

表4显示，空隙率10%的3种级配沥青混凝土在动水作用前后，其同等应力水平下的疲劳寿命由大到小依次为AC-16、SAC-16、SMA-16. 说明在较大空隙条件下，悬浮结构混凝土要比骨架结构的抗疲劳性能好. 从图4中看出，3种级配的沥青混合料，动水作用后的抗疲劳性能均减弱. 由表4可知，3种级配沥青混合料动水作用后，疲劳寿命的衰减程度由大至小依次为AC-16、SMA-16、SAC-16；疲劳寿命的应力敏感性由大到小依次为AC-16、SMA-16、SAC-16. 说明在大空隙条件下，悬浮结构混合料抗疲劳性能受动水作用的不利影响要比骨架结构大. 结合试件疲劳开裂面分析，这是由于悬浮结构混合料的集料间崁挤作用比骨架结构的要小，其抗疲劳性能更多依赖沥青与集料的粘附作用. 因此当沥青被剥落时，悬浮结构混合料的抗疲劳性能将衰减更大. 3.3沥青标号

A-90、A-130沥青制备的AC-16沥青混合料动水作用前后应力-疲劳寿命双对数曲线如图5所示，A-110沥青的曲线如图2(b)所示，疲劳方程参数变化见表5, 3种混合料空隙率均为10%.

(a)A-90沥青

(b)A-130沥青

试样K基准动水作用变化率n基准动水作用变化率10%-AC16-90901.6561.0-0.3783.7542.960-0.21210%-AC16-110659.2348.3-0.4723.1893.5130.10210%-AC16-130327.3156.7-0.5212.4063.0690.276

表5显示，空隙率10%的3种标号沥青混合料的劈裂抗拉强度及疲劳寿命由大至小依次为A-90、A-110、A-130. 说明在大空隙条件下，低标号沥青AC类混合料的抗疲劳性能要比高标号的好. 从图5 看出，3种标号沥青混合料动水作用后的疲劳寿命均减小，由表5可知，其疲劳寿命的衰减程度及应力敏感性变化程度由大到小依次为A-130、A-110、A-90，说明在大空隙条件下，高标号沥青混合料疲劳寿命受动水作用影响比低标号的大.

4结论

1)基于自行开发的试验设备，提出了沥青路面受动水作用的室内模拟试验方法. 研究不同材料组成的沥青混合料受动水作用后的疲劳性能特点，结果表明：动水作用后，沥青混合料的抗疲劳性能均出现不同程度衰减，疲劳寿命可减少一半以上. 动水作用使得混合料内沥青膜更易剥落.

2)10%是较不利空隙率，其沥青混合料受动水作用后的疲劳寿命不但衰减幅度最大，而且对应力变化最敏感.

3)空隙率10%时，悬浮结构沥青混合料抗疲劳性能受动水作用影响要比骨架结构的大. 空隙率10%时，高标号沥青混合料抗疲劳性能受动水作用影响比低标号的大.

参考文献

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[2] 孙立军. 沥青路面结构行为学[M]. 上海: 同济大学出版社, 2013: 277-281.

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[6] 张肖宁. 沥青路面施工质量控制与保证[M]. 北京:人民交通出版社,2009:248-254.

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[8] 李少波，张宏超，孙立军. 动水压力的形成与模拟测量[J]. 同济大学学报(自然科学版)， 2007，35(7): 915-918.

[9] 康海贵，郑元勋，蔡迎春. 实测沥青路面温度场分布规律的回归分析[J]. 中国公路学报， 2007，20(6): 13-18.

[10]IOANNIDES A M. Pavement fatigue concepts: a historical review[C]. West Lafayette: Purdue University, 1997.

[11]NGUYEN M T, LEE H J, BAEK J. Fatigue analysis of asphalt concrete under indirect tensile mode of loading using crack images[J]. Journal of Testing and Evaluation，2013, 41(1):1-11.

(编辑魏希柱)

Reduction of asphalt concrete anti-fatigue performance under hydrodynamic effect

HU Bin, ZHANG Xiaoning

(School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology,510641 Guangzhou, China)

Abstract:In order to research influences of hydrodynamic effect on asphalt mixture anti-fatigue performance under different material composition, laboratory equipment is developed for simulating the asphalt pavement affected by water, load and temperature. Seven types of asphalt mixture are generated with void ratio of 6%, 10% and 14%, gradation of AC-16, SMA-16 and SAC-16 and asphalt of A-90, A-110 and A-130; stress-fatigue equation parameters change of these mixture after hydrodynamic effect are analyzed by comparison. The results have shown that anti-fatigue performance of the asphalt mixture is reduced after hydrodynamic effect. Under fatigue load, asphalt membrane of mixture after hydrodynamic effect is easier to spalling. 10% is unfavorable void ratio of AC concrete, it can cause fatigue life reduction and stress sensitivity increase. When the void ratio is 10%, suspension structure of the asphalt concrete follows the larger influence of hydrodynamic effect on anti-fatigue performance than the skeleton structure and high penetration asphalt concrete is larger than low penetration in the influence.

Keywords:asphalt mixture; hydrodynamic effect; laboratory simulation test; fatigue life; decay

中图分类号:U414

文献标志码:A

文章编号:0367-6234(2016)03-0120-05

通信作者:胡斌，hbhit@163.com.

作者简介:胡斌(1983—)，男，博士研究生;张肖宁(1951—)，男，教授，博士生导师.

基金项目:国家自然科学基金(51038004).

收稿日期:2014-04-27.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.020