浅析水损害对沥青路面疲劳寿命的影响

夏玲

摘要：通过使用沥青路面分析仪（APA），模拟在降水、不同荷载和不同温度条件下，沥青混合料（AC-13I）的路面疲劳寿命变化规律。结果表明：沥青混合料的浸水疲劳寿命随着温度的降低和荷载的减少而增长，并对水损害的作用机理进行了进一步的探讨。

关键词：沥青混合料;水损害;疲劳寿命;温度效应;试验模拟

浅析水损害对沥青路面疲劳寿命的影响近些年来，国内外对沥青混合料的疲劳试验研究较多，一般试验室在进行试验时，试件处于干燥状态。沥青路面破坏机理的研究中所考虑的外部因素主要集中在交通荷载和温度荷载上，而对水介质对沥青路面损害的影响所做工作有限。而沥青路面的工作状态往往受水的影响很大，常规试验往往在试件完全干燥的情况下进行，故不能完全模拟沥青路面实际的工作状态。

1 试验准备

试验选用的沥青混凝土级配为AC-13F。通过对原材料进行筛分并按常规方法进行了级配设计。按照AC-13F的矿料配合比备料，选择5个油石比：4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%。分别制作试件，测定其密度、空隙率、沥青饱和度等物理指标，然后用马歇尔试验仪测定其饱和度、稳定度和流值力学指标，由此确定最佳油石比。根据马歇尔试验结果，得到最佳沥青用量为5.9%，对应毛体积密度为ρ=2.474g/cm3，理论密度为ρ=2.568 g/cm3，空隙率为3.9%，VMA=17.2%，VFA=77.5%，动稳定度为9.2kN，流值为32（0.1mm）。

该次试样采用美国Georgian州PTI公司生产的沥青路面分析仪APA（Asphalt Pavement Analyzer）进行试验。进行疲劳试验或车辙试验时，每组可以同时对3个试件进行平行试验。考虑到试验方法对现场情况的模拟程度、试验方法的简便性及试验结果的可用性，该次试验试件采用梁式试件，利用轮碾成型方法制备，共制成24个APA试件，试件的标准尺寸为300mm×125mm×75mm。试件成型后，放入APA设备配置的试模内，用垫块将试件两端稳定，然后将试模放入APA中的平台上。在试验中，共采用3种环境温度：13、22、29℃。试件成型后在室温下至少保持2d，APA 环境温度下恒温4h再进行试验。沥青混凝土试件设置3级循环加载：P0=50、90、110kg。

2 试验结果分析

2.1 温度对试件应变的影响

沥青混合料梁式试件在13、22、29℃3种温度下的50kg的APA浸水疲劳试验结果见图2。

从图2可以看出，在不同温度下，浸水疲劳试验试件的垂直应变与荷载运行次数的关系也不相同。一般来说，垂直应变发展可分为3个阶段。以温度为13℃时试件的破坏过程为例，当垂直应变小于3mm时，垂直应变发展较快，此时应变以压密变形为主。随着荷载继续作用，应变的增长速度变慢，试件进入较稳定阶段。当荷载次数超过50000次以后，试件临近破坏压溃阶段，垂直应变速率增大直至达到试验终止条件。22℃下，试件的垂直应变达到7.5mm后进入稳定阶段，之前增长较快。当荷载次数达到120000后，应变迅速增大而达到试验终止条件。与13℃时相比，稳定阶段时位移增长较缓，而第一和第三阶段的应变变化更加明显。当温度为29℃时，试件的位移没有出现明显的阶段性，当荷载运行至24000次后，试件破坏。由于室内温度条件限制，只做了22℃时干燥条件下的疲劳试验与浸水条件下的疲劳试验进行对比。试验结果见图3。当荷载运行18750次后，试件被破坏。表明浸水条件下，相同荷载作用次数下，试件的位移增加。同时试件发生破坏时，荷载的作用次数增加。

2.2 破坏荷载次数分析

不同温度和循环荷载作用下，试件的破坏荷载次数结果见表2。

由表2可知：温度对沥青混合料的抗水损坏性能有很大影响。沥青混合料的粘聚力与温度密切相关，温度较高时，沥青胶结料变软、劲度模量降低，导致其抗剪变形能力降低，使混合料发生流动变形。而低温时其抗剪流变性能较好。在有水存在的情况下，沥青混合料长期浸泡在水浴中，在水和动荷载的抽吸作用下，造成集料松散，导致浸水疲劳试件的疲劳寿命进一步减少。而荷载的大小对于沥青混合料抗水损坏性能也有较大的影响，随着荷载的增加，沥青混合料的疲劳寿命有显著的降低。这说明沥青路面在浸水情况下，重载车辆的作用使路面更容易发生早期破坏，因为路面在浸水情况下面层和基层的模量下降，面层底部的拉应变增加，随着重载重复荷载的作用路面更易发生结构破坏。在水温为13℃和29℃时，110kg下的破坏荷载次数大约为50kg下的10%。22℃时，110kg下的破坏荷载次数大约为50kg下的7%，说明此种温度下，沥青混合料对荷载重量更为敏感，而此时的温度更加接近室温，说明在设计时，要注意常温条件下，浸水路面对重型荷载的承受能力。

2.3 疲勞寿命及疲劳方程

与其他试验结果一样，沥青混合料的应力-疲劳寿命关系呈对数线性关系，表现为以下形式：

若对上式两边取对数，则有：

式（1）和（2）中：Nf为疲劳寿命;S为试件所受的应力;C 和a为待定系数。

根据试验数据，整理成不同温度下疲劳方程的系数见表3。

2.4 作用机理

路面实际工作时，一方面水较容易进入面层内部;另一方面，水进入面层后，不易迅速排除且又难以蒸发，因此水能较长时间滞留在路面内，当在荷载作用下会产生较大的孔隙水压力并成为动水压力，由于路面是层状结构，层间结合处易于出现孔隙，进入孔隙内的自由水在行车荷载下，会成为高孔隙水压力和高流速的水流，冲刷层面材料并从缝隙处向外喷射出冲刷材料的泥浆，促使沥青面层出现剥落和松散，从而造成沥青混合料的水损害破坏，从而使整个路面结构的使用性能迅速变坏。

对于APA浸水疲劳试验而言，试验时试件连同试模一起放在APA试验平台上，并完全被水浸没，当加载轮在来回运动的时候，充气橡胶管受到加载轮的挤压而产生变形，与汽车轮胎作用在实际路面上的情形完全类似。它较好地模拟了实际路面动载的作用。

3 结语

沥青混合料的浸水疲劳寿命随着温度的降低和荷载的减少而增长。温度上升导致沥青混合料面层模量下降，沥青混合料面层底部的拉应力变成压应力，此时的荷载主要由基层承担，因此最不利拉应变发生在沥青基层底部，而不是面层，路面面层将不出现疲劳损伤，也就不会产生疲劳破坏现象。

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