高智杰,梁乃興,肖 雄
(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,重慶400074)
瀝青混凝土路面具有表面平整、無(wú)接縫、行車舒適、耐磨、震動(dòng)小、噪音低、施工周期短、外形美觀、養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)便、適宜分期修建等優(yōu)點(diǎn),因而獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)已成為我國(guó)公路路面的主要形式。然而,瀝青路面存在病害多且復(fù)雜的特點(diǎn)。其疲勞破壞是瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞的主要形式之一。國(guó)內(nèi)外道路工作者對(duì)此進(jìn)行了多種研究,并取得了一定的成果。然而,在潮濕的氣候特征下,瀝青路面的疲勞特性與常規(guī)情況下表現(xiàn)出較大的差異,其疲勞破壞機(jī)理、疲勞破壞過(guò)程都有所不同。筆者采用氣動(dòng)伺服瀝青材料試驗(yàn)機(jī),以AC-25瀝青混合料為例,分別進(jìn)行劈裂疲勞試驗(yàn)和凍融劈裂疲勞試驗(yàn),探討水損壞對(duì)瀝青混合料疲勞特性的影響[1-3]。
1.1.1 試驗(yàn)原材料
AC-25瀝青混合料粗集料(d>2.36 mm)采用石灰?guī)r;細(xì)集料(d<2.36 mm)采用石灰?guī)r機(jī)制砂,填料為礦粉。瀝青結(jié)合料均采用殼牌70#瀝青。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。
1.1.2 設(shè)計(jì)級(jí)配
AC-25瀝青混凝土的級(jí)配選擇規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)的3種:靠近級(jí)配范圍下限的粗級(jí)配(Ⅰ型);級(jí)配范圍的中值(Ⅱ型);靠近級(jí)配范圍上限的細(xì)級(jí)配(Ⅲ型)。AC-25的3種級(jí)配組成見表1。
1.1.3 最佳油石比
根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果,綜合分析確定出粗(Ⅰ型)、中(Ⅱ型)、細(xì)(Ⅲ型)級(jí)配AC-25瀝青混凝土的最佳油石比分別為3.8%,3.7%,3.9%。
1.2.1 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)方法嚴(yán)格按照J(rèn)TJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。試件成型方法:按瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)成型的圓柱體試件,試件尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的尺寸要求,每組5個(gè)試件,加載方式為應(yīng)力控制,加載波形和頻率為10Hz連續(xù)式半正矢荷載,應(yīng)力比分別為0.3,0.4,0.5,0.6,0.7。將標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試樣切割成高40~50 mm的試件用于進(jìn)行劈裂疲勞試驗(yàn)。對(duì)3種級(jí)配AC-25瀝青混凝土試樣經(jīng)過(guò)未凍融和1次凍融循環(huán)處理后在25℃條件下進(jìn)行了劈裂疲勞試驗(yàn)。劈裂疲勞試驗(yàn)儀器為氣動(dòng)伺服瀝青材料試驗(yàn)機(jī)。
表1 3種級(jí)配AC-25組成Tab.1 Three kinds of AC-25 grading composition
1.2.2 劈裂試驗(yàn)與劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果
3種級(jí)配AC-25瀝青混凝土試樣在25℃條件下的劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表2,疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表3。
表2 AC-25試樣的劈裂試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The results of splitting test on AC-25 samples
表3 AC-25瀝青混凝土在25℃時(shí)的疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The results of fatigue test on AC-25 concrete at 25℃
(續(xù)表3)
應(yīng)力強(qiáng)度比與疲勞壽命在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)上表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系,可以用式(1)進(jìn)行擬合:
式中:N為達(dá)到破壞時(shí)的重復(fù)荷載作用次數(shù);σ/S為應(yīng)力強(qiáng)度比;k、n為由試驗(yàn)確定的系數(shù)。
由表3中的結(jié)果,可得到3種級(jí)配AC-25瀝青混凝土未經(jīng)凍融和經(jīng)過(guò)1次凍融循環(huán)后在25℃時(shí)的劈裂疲勞壽命-應(yīng)力比單對(duì)數(shù)疲勞曲線,如圖1。
將以上結(jié)果按式(1)的形式進(jìn)行回歸,可得到AC-25Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型級(jí)配瀝青混凝土未經(jīng)凍融和經(jīng)過(guò)1次凍融循環(huán)后在25℃時(shí)的單對(duì)數(shù)疲勞方程(表4)。
表4 AC-25瀝青混凝土3種級(jí)配的單對(duì)數(shù)疲勞方程Tab.4 The semi-logarithmic fatigue equation of AC-25 gradationⅠ,ⅡandⅢ
從表4的單對(duì)數(shù)疲勞方程相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可以看出,它們是高顯著度的回歸方程。
圖2為未經(jīng)凍融和經(jīng)過(guò)1次凍融循環(huán)后試樣劈裂疲勞試驗(yàn)后的破壞形態(tài)。未經(jīng)凍融的試件疲勞破壞時(shí)表面的破裂線較為順直貫通,但破裂面粗糙不平整;而經(jīng)1次凍融循環(huán)后試件疲勞破壞時(shí)表面破裂線不規(guī)則,破裂面整體較為平整,但局部紋理雜亂,呈現(xiàn)出不同方向的張裂趨勢(shì)。分析原因是:在無(wú)水狀態(tài)下,瀝青混凝土的孔隙可壓縮,可以較好地承受壓縮變形,因而其破壞呈劈裂狀;但在飽水狀態(tài),在載荷速率較大時(shí),瀝青混凝土中附有超孔隙水壓附加剪切應(yīng)力,因而其破壞主要表現(xiàn)為剪切破壞[4-5],是剪切和劈裂的綜合作用結(jié)果。
圖1 AC-25瀝青混凝土有無(wú)凍融時(shí)單對(duì)數(shù)疲勞壽命曲線Fig.1 The semi-logarithmic fatiguelife curve of AC-25:non-freeze thaw(diamond)and after one freeze-thaw cycle(square)
圖2 2種試樣劈裂疲勞試驗(yàn)后的破壞形態(tài)Fig.2 The fracture morphology of specimen after the splitting test
由試驗(yàn)得出的疲勞方程可知,在相同疲勞荷載作用下,未經(jīng)凍融的瀝青混凝土要比經(jīng)1次凍融后瀝青混凝土試件所能承受的疲勞荷載作用次數(shù)大得多。如對(duì)細(xì)級(jí)配瀝青混凝土,當(dāng)疲勞荷載為0.4 MPa時(shí),經(jīng)計(jì)算,未經(jīng)凍融的瀝青混凝土試件疲勞次數(shù)可達(dá)10 435次,而經(jīng)過(guò)1次凍融循環(huán)的試件疲勞次數(shù)僅為2 600次。劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示:經(jīng)過(guò)1次凍融循環(huán)后的破壞勁度模量比未凍融時(shí)的破壞勁度模量低27%左右。
由表4列出的未凍融和1次凍融后的疲勞方程比較可得,經(jīng)過(guò)1次凍融循環(huán)后瀝青混合料試件疲勞方程比未經(jīng)凍融瀝青混合料疲勞方程的k值顯著降低,表明疲勞壽命縮短;相反,n值增大,說(shuō)明水作用狀態(tài)下瀝青混合料的疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平的敏感程度比常規(guī)狀態(tài)高。
由表4所列的未凍融和1次凍融后的疲勞方程可知,瀝青混合料的疲勞性能由優(yōu)到劣的集料級(jí)配順序依次為Ⅰ型>Ⅱ型>Ⅲ型,即粗級(jí)配>細(xì)級(jí)配>級(jí)配中值。原因?yàn)?3種級(jí)配中,粗級(jí)配的細(xì)集料含量最少,粗集料含量最多。可以認(rèn)為大粒徑的礦料從一定程度上阻礙了裂縫的發(fā)展,從而增強(qiáng)了混合料的抗疲勞能力。細(xì)級(jí)配的細(xì)集料含量最多,粗集料含量最少,能形成緊密的密級(jí)配混合料,所以在有水損害時(shí)表現(xiàn)出良好的抗疲勞性能[6-8]。
通過(guò)對(duì)比AC-25瀝青混凝土的劈裂疲勞試驗(yàn)與凍融劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果,得出了以下結(jié)論:
1)劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示:經(jīng)過(guò)1次凍融循環(huán)后的破壞勁度模量比未凍融時(shí)的破壞勁度模量低27%左右。由試驗(yàn)得出的疲勞方程可知,在水損害狀態(tài)下,瀝青混合料的疲勞壽命較普通狀態(tài)下大為縮短,在相同疲勞荷載作用下,未經(jīng)凍融的瀝青混凝土要比經(jīng)1次凍融后瀝青混凝土試件所能承受的疲勞荷載作用次數(shù)大得多。經(jīng)過(guò)1次凍融循環(huán)后瀝青混合料試件疲勞方程比未經(jīng)凍融瀝青混合料疲勞方程的k值顯著降低,表明疲勞壽命縮短。而n值增大,說(shuō)明水作用狀態(tài)下瀝青混合料的疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平的敏感程度比常規(guī)狀態(tài)高。分析其原因可能與水影響瀝青混合料勁度等力學(xué)性能指標(biāo)有關(guān),自由水的存在將通過(guò)置換瀝青與集料的黏結(jié),導(dǎo)致瀝青與礦料的剝離,在一定程度上為疲勞裂縫的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件;同時(shí),在反復(fù)的疲勞荷載作用下,水分不斷沖刷集料表面,而水分的蒸發(fā),又將加快瀝青混凝土中瀝青與石料的剝離速度,從而加快混合料的疲勞開裂,縮短瀝青混合料的疲勞壽命。
2)在水損害狀態(tài)下,瀝青混凝土的抗疲勞性能從優(yōu)到劣的集料級(jí)配排序?yàn)榇旨?jí)配優(yōu)于細(xì)級(jí)配,細(xì)級(jí)配優(yōu)于級(jí)配中間值。分析其原因?yàn)?粗細(xì)集料和礦粉組成的礦料級(jí)配在抗疲勞方面起著重要作用。同時(shí),礦料級(jí)配與透水性有著密切的關(guān)系,將直接影響水對(duì)瀝青混合料的破壞程度,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。同一面層的3種級(jí)配中,粗級(jí)配的細(xì)集料含量最少,粗集料含量最多??梢岳斫鉃榇罅降牡V料阻礙了裂縫的發(fā)展,從而增加了抗疲勞能力。細(xì)級(jí)配的細(xì)集料含量最多,粗集料含量最少,能形成緊密的密級(jí)配混合料,故在有水損害時(shí)表現(xiàn)出良好的抗疲勞性能??偟膩?lái)說(shuō),粗集料的骨架結(jié)構(gòu)與細(xì)集料的緊密結(jié)構(gòu)均可以從一定程度上延緩疲勞開裂的發(fā)展,故其疲勞性能相對(duì)較好。
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