浅析沥青混合料浸水疲劳试验

李杰

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

一、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，最终材料组成和级配结果见表1。

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。它既可以进行车辙试验，又可以进行疲劳试验（包括浸水车辙和浸水疲劳试验）。进行疲劳试验或车辙试验时，每组可以同时对3个试件进行平行試验。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。

为了便于计算分析处理和加快沥青混凝土试件的疲劳损伤破坏，将试件放入试模时，其下不设垫块。

二、试验结果分析

（一）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。

（二）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。

三、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。