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摘要：分析了水對(duì)瀝青混凝土抗疲勞性能的影響，對(duì)瀝青混凝土材料設(shè)計(jì)中各因素在有水條件下疲勞性能的影響情況進(jìn)行了論述。并提出了有水條件下基于疲勞性能的瀝青混凝土優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。...

淺談?dòng)兴�情況下瀝青混凝土的抗疲勞性能

邵彩明

重慶交通大學(xué)，重慶400074

    瀝青混凝土的疲勞是在應(yīng)力或應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)低于材料極限強(qiáng)度的情況下，由于荷載的重復(fù)作用導(dǎo)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(huì)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(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1.水對(duì)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(fù)作用的疲勞應(yīng)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(dòng)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(dòng)水壓力或真空負(fù)壓抽吸，加劇了強(qiáng)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(jié)力，增加了瀝青混凝土疲勞裂縫的出現(xiàn)的機(jī)會(huì)，加速了疲勞損傷進(jìn)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(shè)指揮部對(duì)實(shí)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(yàn)，結(jié)果如表l。

表1疲勞試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)環(huán)境	試件組號(hào)	0.7	0.6	0.5	0.4	0.3
	1	78.04	115.16	184.65	192.52	360.38
	2	18.34	177.74	123.93	264.72	463.98
	3		l00.05	149.98	295.18	353.1
有水	4	38.34	147.24	120.12	201.16	513.26
	5	45.46	113.29	151.05	244.38
	平均	45.46	113.29	145.95	239.59	422.68
無水	l	80.2	172.10		605.18	2500.56

    試驗(yàn)結(jié)果表明，有水情況下的疲勞壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無水情況下的疲勞壽命，證明了水對(duì)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(shè)計(jì)中各要素對(duì)抗疲勞性能的影響

    2.1礦料種類及表面形狀對(duì)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(jié)構(gòu)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(duì)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(dǎo)致瀝青與礦料的剝離，置換瀝青與集料的粘結(jié)，產(chǎn)生水損壞。在反復(fù)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(jié)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(zhǎng)巖、石英巖等)與瀝青的接觸角小，粘附性好。而堿性越強(qiáng)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(duì)疲勞性能影響越小。

    2.2礦料級(jí)配對(duì)瀝青混凝土疲勞性能的影響

    瀝青混凝土級(jí)配按其強(qiáng)度構(gòu)成原則不同，可以分為嵌擠類和密實(shí)類兩種。礦料級(jí)配是與透水性有著密切的關(guān)系，將直接影響水對(duì)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(jí)配混凝土比大空隙的開級(jí)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(duì)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(jié)構(gòu)形式的混凝土抗疲勞性能由好到壞排列為：嵌擠密實(shí)結(jié)構(gòu)>懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)>懸浮半密實(shí)空隙結(jié)構(gòu)>嵌擠空隙結(jié)構(gòu)。

    2.3通過率對(duì)瀝青混凝土疲勞性能的影響

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

    2.4瀝青類型、等級(jí)對(duì)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?yàn)檎承愿叩臑r青對(duì)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(rùn)濕性。

    2.5油石比對(duì)瀝青混凝土疲勞性能的影響

    在美國(guó)瀝青協(xié)會(huì)1981年的瀝青混凝土抗疲勞性能計(jì)算方程中，以瀝青的體積比用瀝青飽和度VFA作為參數(shù)，認(rèn)為 VFA對(duì)瀝青混凝土的疲勞壽命有重要影響。計(jì)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(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)；VFA為瀝青飽和度；εf為瀝青混合料控制應(yīng)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(shè)計(jì)的瀝青用量應(yīng)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(yàn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)決定瀝青用量時(shí)，選用瀝青用量高限也對(duì)水穩(wěn)定性有好處。

    2.6空隙率對(duì)瀝青混凝土疲勞性能的影響

    空隙率是瀝青混凝土的一個(gè)重要指標(biāo)。在有水條件下，試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土的疲勞壽命隨空隙率的降低而顯著增長(zhǎng)。這個(gè)規(guī)律，既適用于控制應(yīng)力加載模式的試驗(yàn)，也適用于控制應(yīng)變加載模式的試驗(yàn)。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(shí)，混凝土中的水在荷載作用下一般不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)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(jī)會(huì)，延緩裂縫的延伸和擴(kuò)展，也就延長(zhǎng)了疲勞壽命。

    2.7壓實(shí)度對(duì)瀝青混凝土疲勞性能的影響

    在有水情況下，材料的壓實(shí)對(duì)其疲勞性能有很大的影響。壓實(shí)度經(jīng)常被用來評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)施工壓實(shí)的混凝土密實(shí)情況，在潮濕多雨地區(qū)，壓實(shí)好壞與否直接影響到水分進(jìn)人混凝土加劇疲勞損壞的難易程度。高的密實(shí)度和低的空隙率是密切相關(guān)的，在國(guó)外有直接采用路面鉆孔取樣的空隙率作為壓實(shí)度控制指標(biāo)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(chǎng)實(shí)測(cè)空隙率和設(shè)計(jì)空隙率；K1、K2分別為按馬歇爾密度計(jì)算的壓實(shí)度與按最大理論密度計(jì)算的壓實(shí)度。

    2.8混凝土勁度對(duì)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(gè)重要的材料特性。任何影響混凝土勁度的變量都會(huì)影響到它的疲勞壽命。在有水情況下，水分進(jìn)入瀝青混凝土造成剝離，亦會(huì)導(dǎo)致其局部勁度模量降低進(jìn)而影響整體。而在控制應(yīng)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(yīng)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(shè)計(jì)方法優(yōu)化

    以有水條件下的疲勞性能作為專項(xiàng)控制指標(biāo)，集中對(duì)馬歇爾方法進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以達(dá)到較為合理的混凝土組成設(shè)計(jì)。具體步驟是：

    (1)試驗(yàn)選擇符合技術(shù)要求的原材料(粗集料、細(xì)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(diǎn)較高而針人度相對(duì)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(jí)配。選擇三種級(jí)配形式，一種選中值，一種為粗級(jí)配，一種為細(xì)級(jí)配。級(jí)配曲線盡量成S型，避免成駝峰曲線。然后三種級(jí)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(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，作凍融劈裂疲勞試驗(yàn)，以壽命最長(zhǎng)者作為最佳級(jí)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(zhǔn)，以0.5％為步長(zhǎng)上下浮動(dòng)，選擇5個(gè)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(shè)計(jì)最佳瀝青用量OAC1；B組做凍融劈裂疲勞試驗(yàn)，以壽命最長(zhǎng)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(jí)配和最佳瀝青含量制作試件，測(cè)試其它路用性能，檢驗(yàn)是否滿足要求。如不滿足則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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

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