淺談有水情況下瀝青混凝土的抗疲勞性能

邵彩明

重慶交通大學，重慶400074

    瀝青混凝土的疲勞是在應力或應變標準低于材料極限強度的情況下，由于荷載的重復作用導致開裂的一種破壞現(xiàn)象。在潮濕多雨的氣候特征下，瀝青路面的疲勞特性與常規(guī)狀態(tài)相比會有較大的差異。為了提高有水條件下瀝青路面的疲勞壽命，本文從材料角度出發(fā)，探討瀝青混凝土在有水條件下的耐疲勞性能專項優(yōu)化設計方法。

1.水對瀝青混凝土抗疲勞性能的影響

    在潮濕多雨情況下，水的介入使瀝青混凝土原有的抗疲勞性能發(fā)生了極大的改變，而反復作用的疲勞應力又加速了瀝青混凝土的水損壞過程。在這種情況下瀝青混凝土的水穩(wěn)定性和抗疲勞性能是相互影響、密不可分的。一般來說，水在動態(tài)疲勞荷載作用下，擠入混凝土空隙內(nèi)部，不斷產(chǎn)生動水壓力或真空負壓抽吸，加劇了強度衰減積累；水分逐漸滲入瀝青與集料的界面上，使瀝青粘附性降低并逐漸喪失粘結力，增加了瀝青混凝土疲勞裂縫的出現(xiàn)的機會，加速了疲勞損傷進程。故在這種水一荷載耦合作用下瀝青混凝土所表現(xiàn)出來的抗疲勞能力比單一疲勞荷載作用下要低很多。湖北省京珠高速公路建設指揮部對實際瀝青路面鉆芯取樣作了有水和無水情況下的軸向壓縮疲勞試驗，結果如表l。

表1疲勞試驗結果

    試驗結果表明，有水情況下的疲勞壽命要遠遠小于無水情況下的疲勞壽命，證明了水對瀝青混凝土的疲勞壽命影響顯著。

2.有水條件下瀝青混凝土材料設計中各要素對抗疲勞性能的影響

    2.1礦料種類及表面形狀對瀝青混凝土疲勞性能的影響

    礦料的表面紋理和形狀都可以影響混凝土的空隙結構以及瀝青的適宜用量和瀝青與集料的相互作用狀況，可以對疲勞壽命表現(xiàn)出不同的影響。在有水情況下，表面較為光滑的礦料水分更容易侵入，導致瀝青與礦料的剝離，置換瀝青與集料的粘結，產(chǎn)生水損壞。在反復的疲勞荷載作用下，水分不斷擠入排出，混凝土剝離速度加快，在這種情況下，礦料的選擇就不能只考慮與瀝青粘結力好壞的問題，也要考慮礦料與水相互作用的問題。一般來說，堿性石料(石灰?guī)r、白云巖、玄武巖、輝綠巖等)要比酸性石料(花崗巖、砂巖、正長巖、石英巖等)與瀝青的接觸角小，粘附性好。而堿性越強的材料與水的接觸角越大，粘附性越差，兩者的接觸角之差越小，其水穩(wěn)定越好，對疲勞性能影響越小。

    2.2礦料級配對瀝青混凝土疲勞性能的影響

    瀝青混凝土級配按其強度構成原則不同，可以分為嵌擠類和密實類兩種。礦料級配是與透水性有著密切的關系，將直接影響水對瀝青混凝土的破壞程度，間接影響其抗疲勞性能，也就成為有水情況下疲勞性能的主要影響因素。密集級配混凝土比大空隙的開級配混凝土有較低的空隙率，透水性小，水浸入要困難些，也有較良好的抗水損害能力，使水對瀝青混凝土疲勞性能的影響大大降低。總的來說，有水情況下各種不同結構形式的混凝土抗疲勞性能由好到壞排列為：嵌擠密實結構>懸浮密實結構>懸浮半密實空隙結構>嵌擠空隙結構。

    2.3通過率對瀝青混凝土疲勞性能的影響

    通過率代表了混凝土中細集料所占的比例大小。其值越大，細集料含量越多，空隙率一般較小，對于抵抗有水情況下的疲勞荷載有利。但太多的細集料也會導致混凝土強度不足，勁度模量偏低，抗疲勞性能也會降低。故有一個最佳范圍。

    2.4瀝青類型、等級對瀝青混凝土疲勞性能的影響

    在有水情況下，一般要選擇粘度較高、與礦料粘附性較好的瀝青。因為粘性高的瀝青對于抵抗水分的置換比粘性低的瀝青要好，這主要是由于在粘性高的瀝青中存在有較多的極性物質(zhì)，并有良好的潤濕性。

    2.5油石比對瀝青混凝土疲勞性能的影響

    在美國瀝青協(xié)會1981年的瀝青混凝土抗疲勞性能計算方程中，以瀝青的體積比用瀝青飽和度VFA作為參數(shù)，認為 VFA對瀝青混凝土的疲勞壽命有重要影響。計算公式為：Nf=Sf×10 [4.84(VFA—0.69]x0．004325×(εf)3 291×(Smix)-0.845式中：Nf為疲勞壽命；Sf為現(xiàn)場試驗和實驗室試驗的相關系數(shù)；VFA為瀝青飽和度；εf為瀝青混合料控制應變；Smix為瀝青混合料勁度。

    由此看出，瀝青混凝土的疲勞性能受瀝青用量的影響很大。VFA越大，疲勞壽命越高。因此，配合比設計的瀝青用量應在保證高溫穩(wěn)定性的前提下，盡量用大一些。在按馬歇爾試驗進行配合比設計決定瀝青用量時，選用瀝青用量高限也對水穩(wěn)定性有好處。

    2.6空隙率對瀝青混凝土疲勞性能的影響

    空隙率是瀝青混凝土的一個重要指標。在有水條件下，試驗結果表明，混凝土的疲勞壽命隨空隙率的降低而顯著增長。這個規(guī)律，既適用于控制應力加載模式的試驗，也適用于控制應變加載模式的試驗。一方面，低的空隙率大大降低了水侵入的可能，使水損害的程度降到最低。一般來說，瀝青路面的空隙率在8％以下時，混凝土中的水在荷載作用下一般不會產(chǎn)生動水壓力，不容易造成水損壞破壞。另一方面，空隙率低，大大降低出現(xiàn)疲勞裂縫的機會，延緩裂縫的延伸和擴展，也就延長了疲勞壽命。

    2.7壓實度對瀝青混凝土疲勞性能的影響

    在有水情況下，材料的壓實對其疲勞性能有很大的影響。壓實度經(jīng)常被用來評價現(xiàn)場施工壓實的混凝土密實情況，在潮濕多雨地區(qū)，壓實好壞與否直接影響到水分進人混凝土加劇疲勞損壞的難易程度。高的密實度和低的空隙率是密切相關的，在國外有直接采用路面鉆孔取樣的空隙率作為壓實度控制指標的。換算公式：

V0=1一K2或  V0=1一K1×(1一Ve)式中V0、Ve分別為現(xiàn)場實測空隙率和設計空隙率；K1、K2分別為按馬歇爾密度計算的壓實度與按最大理論密度計算的壓實度。

    2.8混凝土勁度對瀝青混凝土疲勞性能的影響

    瀝青混凝土的勁度模量是一個重要的材料特性。任何影響混凝土勁度的變量都會影響到它的疲勞壽命。在有水情況下，水分進入瀝青混凝土造成剝離，亦會導致其局部勁度模量降低進而影響整體。而在控制應力加載模式中，疲勞壽命隨混凝土勁度的增加而增加；在控制應變方式中則相反。

3.有水條件下基于抗疲勞性能的瀝青混凝土設計方法優(yōu)化

    以有水條件下的疲勞性能作為專項控制指標，集中對馬歇爾方法進行調(diào)整和優(yōu)化，以達到較為合理的混凝土組成設計。具體步驟是：

    (1)試驗選擇符合技術要求的原材料(粗集料、細集料、礦粉、瀝青等)。盡量選擇粗糙有棱角的憎水性礦料，粘度和軟化點較高而針人度相對較低的瀝青。在同等情況下，優(yōu)先選用改性瀝青。

    (2)選定并調(diào)配礦質(zhì)集料級配。選擇三種級配形式，一種選中值，一種為粗級配，一種為細級配。級配曲線盡量成S型，避免成駝峰曲線。然后三種級配形式分別取該類型混凝土的規(guī)范規(guī)定瀝青用量范圍中值制作標準馬歇爾試件，作凍融劈裂疲勞試驗，以壽命最長者作為最佳級配。

    (3)選擇瀝青用量(一般以該類型混凝土的規(guī)范規(guī)定瀝青用量范圍中值為基準，以0.5％為步長上下浮動，選擇5個油石比)作馬歇爾試件。分為A、B兩組，A組以傳統(tǒng)馬歇爾方法確定設計最佳瀝青用量OAC1；B組做凍融劈裂疲勞試驗，以壽命最長者作為最佳瀝青含量OAC2。則取最佳瀝青含量為0AC=(OAC1+OAC2)／2。

    (4)以此最佳礦料級配和最佳瀝青含量制作試件，測試其它路用性能，檢驗是否滿足要求。如不滿足則重新進行設計。

參考文獻

[1]黃曉明，吳少鵬，趙永利．瀝青與瀝青混合料[M]．南京：東南大學出版社，2002．

[2]劉松，張學鋒，葉志華，等．水對瀝青混凝土路面疲勞壽命影響初探[J]．公路，2006(7)．

[3]沈金安．瀝青及瀝青混合料路用性能[M]．北京：人民交通出版社．2003．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)