浸水状态对沥青混凝土疲劳寿命的影响

杨大田，周 乾

0 引言

沥青混凝土路面容易发生早期损坏，对早期损坏产生的原因和机理，国内外进行了大量的研究。许多学者认为水对沥青混合料早期破坏影响较大，水主要以渗透、毛细上升和水汽的扩散3种方式侵入到沥青混凝土孔隙，进一步侵入到沥青与集料表面间的裂隙中，是沥青混合料发生早期破坏的最主要的原因［1-5］。沥青路面水损害是指在水的作用下沥青黏结料与集料表面黏结力丧失或内聚力丧失，从而导致路面功能累进性衰变。

丁立等对试件进行冻融循环和冲刷试验，模拟水对沥青混凝土路面的损伤，然后用剩余劈裂强度和劈裂强度来评估沥青混合料的水稳定性［6］;潘宝峰等制作了频率为0～25 Hz的高频高压动水压力发生器，并与三轴试验相结合，用峰值幅度为1 MPa的正弦波水流冲刷道路材料，用无测限抗压强度评价道路材料的水稳定性［7］;王莉等设计类似的装置对沥青混合料进行交变冲刷，模拟动水压力［8］;刘松等利用小梁疲劳试验，比较了应力和应变控制对疲劳寿命的影响，发现采用应力控制模式测试沥青混合料的疲劳寿命比较合理［9］。

亚利桑那大学(University of Arizona)的Jimenez R A提出了循环动水冲刷试验法，即把标准马歇尔试件浸在50益的水箱中，以每分钟580个循环的频率产生35～217 kPa的孔隙水压力作用于试件，该孔隙水压力与交通荷载下饱水路面的水压力相当，最后比较水作用前后试件的抗拉强度。该试验方法的特点是引入路面受到的动水作用，模拟了沥青混合料受到的孔隙水压力作用。

ECS试验 (Environment Conditioning System)即环境调节系统试验，是美国SHRP计划为了更好地模拟工程现场，缩小实验室与现场之间的差距，更有效地评价沥青混合料的水敏感性所提出的试验方法。该方法通过采用模拟路面浸水破坏环境的试验仪，对试件进行饱水处理、温度控制，并且施加脉冲荷载，通过无破损方式对同一试件进行浸水破坏前后对比分析，以水的渗透性、试件弹性模量和劈裂试件的沥青剥落百分比作为水稳定性评价指标，并以此评价混合料的水稳定性。

美国instroTek公司生产的MIST水损坏敏感测试仪可模拟HMA路面受水和往复交通荷载而产生剥落的情况，通过向压实的沥青混凝土试样中进行注水和抽水，在一定的温度和荷载下模拟车辆轮胎碾压潮湿路面的状况。MIST水损坏敏感测试仪可以选择不同的试验压力和温度，从而对沥青层产生不同的空隙压，对沥青混凝土进行荷载和温度双重处理后再进行间接拉伸强度试验，用间接拉伸强度比表征沥青混凝土的水稳定性［10-12］。Radiqul A.Tarefder等利用MIST和冻融(AASGHTO)2种方法制出沥青混凝土试样后，进行间接拉伸强度试验，以间接拉伸强度比评价沥青混凝土的水稳定性。试验发现，MIST法与沥青混凝土的渗透系数相关性较差，AASHTO法与沥青混凝土的渗透系数相关性较好。

本文通过自制沥青混合料试件浸水和水循环装置，将试件孔隙内的孔隙水变为超压力孔隙水，并与外界荷载耦合，作用于沥青混合料，测试其在水-荷载耦合作用下的疲劳寿命以及浸水条件对其疲劳寿命的影响。这个水-荷载耦合过程与实际沥青路面在运营期间发生的水损坏机理和过程相同。

在中国大部分地区，特别高温潮湿地区广泛采用SMA-13、AC-16和AC-20的路面组合结构，因此本文只对上述3种沥青混合料做试验研究，探讨3种沥青混合料在不同浸水条件下的疲劳性质。

1 原材料及试样制备

1.1 沥青

试验采用SBS改性沥青，其技术指标见表1。

表1 SBS改性沥青的技术性质

1.2 集料

SMA-13粗集料采用3～5 mm、5～10 mm和10～15 mm的玄武岩集料，其技术性质见表2。为了提高SMA-13的水稳定性，0～3 mm集料采用石灰岩。

表2 玄武岩集料的技术性质

SMA-13的纤维采用木质素纤维，其技术性质见表3。

表3 木质素纤维的技术性质

AC-16和AC-20粗集料均采用0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm和10～20 mm的石灰岩，其技术性质见表4。

表4 石灰岩集料的技术性质

上述3种沥青混凝土使用的填料均采用石灰岩磨制矿粉，其技术性质见表5。

表5 填料的技术性质

因为填料粒度范围影响沥青混合料的长期性能，所以对填料粒度进行筛分，其结果见表6。

表6 填料粒度范围试验结果

本次试验中SMA-13、AC-16和AC-20三种沥青混合料的矿料级配根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)取值，如表7所示。

表7 SMA-13、AC-16和AC-20级配

通过马歇尔试验和相关试验确定SMA-13、AC-16和AC-20的最佳油石比分别为6.3%、4.8%和4.5%。

1.3 试样制备

《公路沥青路面施工技术》(JTG F40—2004)规定，沥青混凝土路面的压实度为实验室马歇尔密度的96% ～98%、最大理论密度的92% ～94%。根据空隙率定义可知，沥青混凝土压实后空隙率为6% ～8%，这是许多沥青混合料出现超渗透性的临界空隙率。

为了接近现场沥青混凝土碾压后的空隙率(在7%依1%)，本次试验在室内采用轮碾方式成型标准车辙试块(300 mm伊300 mm伊50 mm)，用钻芯机取直径100 mm、高50 mm的圆形试件，用双面磨平机将试件的高度控制在40～45 mm。

2 试验方案设计

2.1 试验条件设计

在国内外，为了模拟水对沥青混合料的损伤，首先采用不同方式把水渗透到压实沥青混凝土内部的孔隙中。常用的3种方法分别是:第1种，将沥青混合料试样直接浸入一定温度的水中2～7 d，使其达到饱水状态，再进行疲劳试验;第2种，对试样采用真空饱和方式，让水渗透到试样内部，该方式的水饱和度比第1种方法高;第3种，采用真空冻融循环方式，该方式虽然能使水渗透到沥青混凝土内部，但也会造成混凝土内部的损伤。

为了模拟沥青混凝土受到的水-荷载耦合作用，设计了3种浸水条件:第1种，无水状态(基准条件);第2种，水-荷载耦合状态(静水条件);第3种，循环水-荷载耦合状态(动水条件)，具体试验的条件见表8。

表8 水环境试验条件

2.2 水循环环境箱设计

本次试验设计制作了一个有机玻璃材质的水环境箱，该箱长、宽皆为250 mm，高180 mm，与水泵、水温控制箱连接在一起。试验浸水装置见图1。恒温水槽中的水在水环境箱中自上而下循环流动，形成动水环境，模拟沥青混凝土周围和内部孔隙被流动水包围的状态。

2.3 间接拉伸疲劳试验

本文采用气动伺服材料试验机，按0.1 s加载时间和0.4 s卸载时间的半正弦波进行疲劳试验。对于间接拉伸疲劳试验，一般说来水平拉应变控制在100～400με，疲劳寿命在103～106次。根据以上原则选择3个应力比，即0.3、0.4和0.5。

图2为间接拉伸疲劳试验施加荷载的波形。在间接拉伸疲劳试验中，为了使加载条与试样保持紧密接触，需要施加一个接触压力，其值为施加荷载值的5%。

3 试验结果与分析

3.1 沥青混合料间接拉伸强度试验结果

图1 试验浸水装置

图2 间接拉伸疲劳荷载波形

对一组试件进行真空饱水后，与另外一组未进行真空饱水的试件一起进行间接拉伸破坏试验，试验结果如图3所示。

图3 间接拉伸强度对比

从图3可以看出，真空浸水后SMA-13的间接拉伸强度下降了11.3%，AC-16下降了24.7%，AC-20下降了15.9%。可见，水极大地减小了沥青混合料的拉伸强度。

3.2 浸水间接拉伸疲劳试验结果

对SMA-13、AC-16和AC-20试样分别在无水、静水和动水(循环水作用)条件下进行间接拉伸疲劳试验，对疲劳次数(N)和应力比(σ)取对数，在直角坐标系上画这2个对数值曲线，并进行拟合，结果见图4～6。

(1)从图4～6可以看出，在3种浸水试验条件下，SMA-13、AC-16和AC-20的疲劳次数与应力比关系曲线在双对数坐标上表现为直线关系，因此可采用以下方程来描述

图4 SMA-13应力比-疲劳寿命双对数曲线

图5 AC-16应力比-疲劳次数双对数曲线

式中:Nf为应力σ作用下的疲劳次数;n为线性方程的斜率;k为线性方程的截距。

一般说来，截距k值越大，材料的疲劳性能越好;斜率n值越大，表示曲线越陡，荷载对疲劳次数的影响越大。在双对数坐标上疲劳次数与应力比拟合曲线函数见表9。

图6 AC-20应力比-疲劳次数双对数曲线

(2)从表9可以看出:SMA-13、AC-16和AC-20三种沥青混合料在有水条件下(包括静水状态和动水状态)的k值都比无水条件下的k值小，这充分说明了在水和外界荷载耦合作用下沥青混合料的疲劳寿命显著变小;有水条件下的拟合曲线的斜率n值比无水状态下的n值大，这充分说明了在水和外界荷载耦合作用下，疲劳寿命对应力水平的敏感程度比单独荷载作用下的高。

在有水条件下，沥青混凝土的疲劳寿命小于无水条件下的疲劳寿命，这是因为在疲劳试验过程中沥青混凝土试样孔隙内部的水与疲劳荷载相互耦合的作用加快了沥青混凝土的疲劳损伤，在疲劳荷载作用下沥青混凝土孔隙内部的孔隙水产生较大的超孔隙水压力。这个超孔隙水压力可用图7加以解释说明［13-15］。

表9 在双对数坐标上疲劳次数与应力比拟合曲线函数

当沥青混凝土受到图2中示意的半正弦荷载作用，图7中的颗粒1、颗粒2受到竖向应力σ1作用，颗粒3、颗粒4受到水平应力σ3作用。

图7 沥青混凝土中孔隙及孔隙中的水变形过程

图7 是取沥青混凝土试样中一个与外界连通的孔隙，图7深色部分是由4个集料构成的孔隙，4个集料分别表示为1、2、3和4。图7的虚直线为假设的孔通道，一个孔隙中的水通过孔通道流到另一个孔隙中。

在外界荷载作用下，一部分孔隙水被挤出孔隙，流到另一个孔隙中，另外一部分孔隙水滞留在孔隙中，滞留在孔隙中的水的体积随孔隙体积的减小而减小，随之产生超孔隙水压力。

假设水是弹性体，图7深色孔隙的面积用Ak表示;当超孔隙水压力为零时，孔隙中水的面积为Wk。孔隙水面积的应变δW，按式(2)计算

在标准大气压和20益的条件下，水的体积弹性模量Ew为2.18伊108Pa，按式(3)计算超孔隙水压力 Uk［13］

在间接拉伸疲劳过程中，试样产生的整体水平拉应变控制在100～400με。假设沥青混凝土的泊松系数为0.35，则试样产生的整体竖向应变为285～1 142 με。在285～1 142με竖向应变的作用下，假设某一处孔隙水面积的应变为试样整体竖向应变的1%，根据式(3)得到超孔隙水压力为621.2～2 489.56 Pa，这个超孔隙水压力反作用在沥青膜上，同时从孔隙中挤出来的水对沥青膜有一个剪切应力。

因此，不管从孔隙中挤压出来的水，还是滞留在孔隙内部的水都冲刷孔隙壁，导致黏附在集料表面的沥青膜会被冲刷开裂，发生损伤破坏。

在卸载阶段，随着荷载的减小，试件内部的孔隙体积恢复，从而形成了负压。沥青混凝土试样在加载阶段产生的压缩应变在卸载阶段会恢复到原始状态，此时负孔隙水压力值会接近超孔隙水压力值。挤压、泵吸的循环过程将造成集料表面上的沥青膜受到一个反复剪切冲刷作用，2个集料间接触点受到一个膨胀力的作用。因此，在水和荷载耦合作用下沥青混合料的疲劳寿命缩短。

(3)从图4～6可以看出，有水试验条件下的曲线与无水状态下的曲线几乎平行。计算静水和动水条件拟合曲线函数的斜率n值相对于无水拟合曲线函数的斜率n值的百分率，见表9。从表9可以知道，这些百分率都在90%以上，特别是SMA-13的百分率几乎接近100%，这充分说明了水-荷载耦合作用对沥青混凝土的疲劳次数-应力双对数曲线与单独荷载作用的关系曲线具有相似性。

计算2条平行线间的距离，设2条直线方程为Ax+By+C1=0，Ax+By+C2=0，则其距离

式中:C1和C2分别为函数1和函数2的常量;A和B分别为函数的变量x和变量y的系数;d为2条平行直线的距离。

根据式(1)，以无水条件下的拟合曲线函数x和y的系数为基准，计算无水与静水试验条件下的拟合曲线距离的近似值，见表9。从表9可以知道，不管是静水还是动水条件，SMA-13的距离最小，AC-16的其次，AC-20的距离最大。因此，在有水条件下3种类型沥青混合料的疲劳性能从高到低依次为 SMA-13、AC-16、AC-20。

(4)无水状态与静水状态、动水状态的拟合曲线有显著差异，但是静水状态下的拟合曲线与动水状态下的几乎重合。从表9可以知道，动水条件拟合曲线与无水条件拟合曲线的距离稍大于静水条件拟合曲线与无水条件拟合曲线的距离。可见，在本试验中静水状态和动水状态对沥青混合料试件的疲劳寿命无显著差异。这可能是由于，循环水没有和试件内部的孔隙水连通，试件外部的流动水并没有和试件内部孔隙水发生相互作用，或者流动水流速较小，水对沥青膜的冲刷作用不显著。因此，动水对试件的力学作用几乎等同于静水作用，并未对试件造成较大的额外影响。

4 结语

通过自制水循环装置，设计了无水、静水和循环水3种浸水条件，对SMA-13、AC-16和AC-20三种沥青混凝土试样进行间接拉伸疲劳试验，得到如下结论。

(1)在水-荷载耦合作用下，沥青混合料的疲劳寿命显著减小，SMA-13具有较强的抗水损坏能力。

(2)在双对数坐标中，疲劳次数对数和应力比对数呈线性关系，无水和有水(静水和循环水)浸水条件下的疲劳次数与应力比关系曲线近似平行，利用2条平行线距离的计算公式，计算它们之间的距离，进一步分析了3种沥青混凝土的抗水损害能力。

(3)静水和循环水2种浸水条件对沥青混合料疲劳寿命的影响无显著差别，需要进一步改进试验方法和措施，促进循环水与试件内部孔隙间的相互作用。

(4)本文利用超孔隙水压力的产生过程，解释了水-荷载耦合作用对沥青混凝土产生水损坏的过程，但还需要利用其他数值方法进一步模拟在加载阶段产生的超孔隙水压力和在卸载阶段产生的孔隙水压力。

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