动水冲刷作用下沥青混合料损伤试验研究

高武林，何建庆

(江西省公路桥梁工程有限公司，江西 南昌 330096)

动水冲刷作用下沥青混合料损伤试验研究

高武林，何建庆

(江西省公路桥梁工程有限公司，江西 南昌 330096)

结合目前沥青混合料水损坏问题的研究现状，利用动水冲刷试验仪对沥青混合料进行动水冲刷试验研究，建立了沥青混合料损伤本构模型，分析了动水冲刷前后初始空隙率及沥青品种对沥青混合料损伤特性的影响，为沥青路面水损坏防治措施提供理论指导，有着重要的现实意义。

沥青混合料；动水冲刷；试验研究；本构模型

1 模型试验

1.1 损伤模型

本文采用伯格斯模型，利用Weibull函数对沥青混合料内部缺陷的分布

(1)

损伤本构方程为

(2)

式中：σ0为恒外力；E为模量；η为材料参数；m和n为常数。

1.2 试验装置

试验所用试件为标准马歇尔试件，动水冲刷试验装置主要部件为：有机玻璃制成的冲刷桶，刷桶的外壁有加强铁环，桶内放置冲刷试件；试件上下区域的水通过导管相联，联接压力表；通过试桶侧壁下阀门进行注水和放水，桶身与加载活塞接触处用密封条密封。用橡胶套在沥青混合料试件的圆周外侧包裹，减少水从试件的外部流过。装置的下部底座固定在MTS试验机的下压头，上部活塞与MTS试验机的上压头相联，通过MTS试验机实现活塞的上下移动，产生对试件的冲刷作用。

1.3 试验条件

为产生动水冲刷效果，进行冲刷试验时通过MTS试验机施加动载荷，试验过程中控制加载的最大冲刷应力。试验前需要确定加载时间、加载频率、动水冲刷应力以及试验水温等试验参数。 对于动水冲刷试验，冲刷频率确定为10 Hz，选用90#基质沥青、70#基质沥青以及SBS改性沥青，沥青的技术性质见表 1 。

表1 沥青的技术指标

2 动水作用对混合料力学性能的影响

2.1 沥青对动水冲刷后沥青混合料性能的影响

利用90#基质沥青、70#基质沥青及SBS改性沥青制作试件并进行冲刷试验。可以看出，动水冲刷前后90#基质沥青、70#基质沥青及SBS改性沥青，劲度模量分别下降了：43.46%、36.43%、28.71%；劈裂强度分别下降了34.16%、26.93%、20.30%。沥青的粘度对沥青混合料的抗动水冲刷性能的影响较大，粘度越大其抗动水冲刷的能力越好，其劲度模量及劈裂强度下降越小。

2.2 空隙率对动水冲刷后沥青混合料性能的影响

为分析空隙率对动水冲刷沥青混合料性能的影响，对不同空隙率的沥青混合料进行动水冲刷试验，冲刷后劈裂强度对比如图1所示。可以看出，劲度模量及劈裂强度随着空隙率的增加先减小后增大。空隙率大于13%时，动水冲刷阻力较小，沥青混合料抗动水冲刷的能力较好；当空隙率为7.5%时，试件对透水的阻力相对较大，受动水冲刷的影响较大，其劈裂强度达到了最小值，试件抗动水冲刷能力较差；空隙率小于6%的沥青路面，抗动水冲刷的能力较强。

图1 空隙率变化对冲刷前后混合料性能的影响

3 动水冲刷作用下沥青混合料损伤分析

3.1 空隙率对沥青混合料冲刷后蠕变参数的影响

沥青混合料的空隙率对动水冲刷作用效果有很大的影响，在动水冲刷作用前后沥青混合料蠕变曲线如图2所示。可以看出，在动水冲刷作用后，沥青混合料的蠕变稳定期明显缩短，蠕变速率急剧增加，试件很快进入破坏期。对比图2(a)、(b) 可知，空隙率为13 %的透水性沥青混合料与空隙率为9 %的透水性沥青混合料相比，其受动水冲刷的影响较小。通过蠕变方程，对冲刷前后的蠕变曲线进行拟合，能够全面的拟合蠕变的三个阶段，拟合曲线与试验曲线符合较好。模型拟合参数如表2 所示，可以看出，动水冲刷作用对于材料的损伤较小，动水冲刷前后13%的沥青混合料材料参数较为接近。动水冲刷前后，9%的沥青混合料其材料参数发生不同程度的衰减，冲刷前后材料参数基本不变。

图2 沥青混合料蠕变曲线

空隙率试验条件η0/MPaη1/MPaE0/MPaE1/MPamn13%冲刷前8．4239．708．42302．153．131．96e7冲刷后6．4438．616．44232．753．131．28e79%冲刷前12．1842．7712．18132．362．291．13e7冲刷后7．1323．867．13126．031．892．76e7

3.2 沥青对沥青混合料冲刷后蠕变参数的影响

通过冲刷前后沥青混合料高温蠕变的对比分析，来研究沥青胶结料对沥青混合料动水冲刷后高温蠕变性能的影响关系。采用90#沥青、70#沥青以及SBS改性沥青制作沥青混合料试件，试件的空隙率为13%，对动水冲刷前后的沥青混合料进行蠕变试验。动水冲刷作用前后不同标号的沥青混合料的蠕变曲线，如图3所示。表明三种沥青混合料在动水冲刷作用后，均出现了较大损伤作用，蠕变曲线发生了较大的变化。对动水作用前后的蠕变数据进行拟合，材料参数如表3所示。可以看出，材料通过动水冲刷前后，模型的参数值出现了很大程度的衰减，材料出现了较大的损伤。其中，90#沥青混合料、70#沥青混合料以及SBS改性沥青粘度η0分别下降了27.13%、23.17%、10.99%；E0值分别下降了63.95%、52.17%、34.85%；通过对比可知，采用粘度较大的改性沥青，有利于提高材料的抗动水冲刷能力，同时能够有效减小动水冲刷对材料蠕变初始损伤的影响。

图3 沥青混合料动水冲刷作用前后蠕变曲线

空隙率试验条件η0/MPaη1/MPaE0/MPaE1/MPamn90#沥青冲刷前1556．6819020．976．4434．852．081．31e6冲刷后1130．1818272．632．2825．052．369．11e570#沥青冲刷前1576．7720593．399．0153．762．287．82e6冲刷后1206．4119612．995．2543．762．563．87e6SBS沥青冲刷前1596．1821594．9716．0462．772．052．49e6冲刷后1418．77202115．6310．4049．012．678．83e6

4 结 论

(1)动水冲刷前后90#基质沥青、70#基质沥青及SBS改性沥青，劲度模量分别下降了：43.46%、36.43%、28.71%；劈裂强度分别下降了34.16%、26.93%、20.30%。沥青的粘度对沥青混合料的抗动水冲刷性能的影响较大，粘度越大其抗动水冲刷的能力越好，其劲度模量及劈裂强度下降越小。

(2)劲度模量及劈裂强度随着空隙率的增加先减小后增大。空隙率大于13%时，动水冲刷阻力较小，抗动水冲刷的能力较好；当空隙率为7.5 %时，试件对透水的阻力相对较大，受动水冲刷的影响较大，其劈裂强度达到了最小值，抗动水冲刷能力较差；空隙率为小于6 %的沥青路面，抗动水冲刷的能力较强。

(3)材料通过动水冲刷前后，模型的参数值出现了很大程度的衰减， 90#沥青混合料、70#沥青混合料以及SBS改性沥青粘度η0分别下降了27.13%、23.17%、10.99%；E0值分别下降了63.95%、52.17%、34.85%；采用粘度较大的改性沥青，有利于提高材料的抗动水冲刷能力，同时能够有效减小动水冲刷对材料蠕变初始损伤的影响。

[1] 沙炯,邢明亮,张纪阳,等. 变幅荷载作用下沥青混合料的疲劳损伤试验[J]. 材料科学与工程学报,2017,(2):306-310，315.

[2] 胡斌,张肖宁. 动水作用下沥青混合料疲劳性能变化[J]. 哈尔滨工业大学学报,2016,(3):120-124.

[3] 郭虎强. 动水压力作用下沥青路面水—孔隙结构应力分析[J]. 兰州工业学院学报,2014,(6):48-51，55.

U412

C

1008-3383(2017)11-0016-02

2017-08-28

高武林(1984-)，男，江西南昌人，工程师，研究方向：公路桥梁施工。