水-温作用下沥青混合料疲劳性能分析
秦旻1，梁乃兴2，陆兆峰2, 3
(1. 重庆交通大学 管理学院，重庆，400074；
2. 重庆交通大学 土木建筑学院，重庆，400074；
3. 重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆，400074)
摘要：针对我国南方湿热多雨的气候条件，采用冻融循环的试验方法模拟湿热地区沥青混合料的水-温作用，通过CRT-NU14气动伺服沥青材料试验机对高速公路沥青路面下面层常用AC-25沥青混合料进行间接拉伸疲劳试验，得到不同水-温条件下的疲劳曲线和疲劳方程，并从疲劳寿命、力学性能、疲劳特征参数和疲劳破坏特征4个方面分析水-温作用下沥青混合料的疲劳规律。研究结果表明：不同水-温条件下沥青混合料的应力与疲劳寿命在双对数坐标中均呈良好的线性关系，可为沥青路面疲劳寿命预估提供依据；水作用和温度升高对沥青混凝土的疲劳寿命和力学性能影响显著，可使混合料的抗疲劳特性大幅衰减；水-温作用下试件疲劳破坏表现为剪切和劈裂联合作用形式，证明用冻融循环处理条件模拟沥青混凝土处于水-温作用的合理性。
关键词：
中图分类号：U416.217 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)04-1126-07
Fatigue property analysis of asphalt mixture in
water-temperature action
QIN Min1, LIANG Nai-xing2, LU Zhao-feng2, 3
(1. School of Management, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;
2. School of Civil Engineering and Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;
3. School of Mechatronics and Automotive Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)
Abstract: Given the hot and humid weather conditions in Southern China，the water-temperature action of asphalt mixture was simulated by freeze-thaw cycle test method and the indirect tensile fatigue test of commonly used AC-25 asphalt mixture was carried out through CRT-NU14 pneumatic servo asphalt material testing machine at various stress levels. Then, fatigue curves and fatigue equations of different water-temperature conditions were obtained and the influencing factors of fatigue life, mechanical properties, fatigue characteristic parameters and fatigue failure features were analyzed. The results indicate that there is good linear relationship between stress level and fatigue life in double-logarithm coordinates which can serve as a basis to forecast fatigue life, and water action and temperature rise can significantly impact on fatigue life and mechanical properties of asphalt mixture which decline anti-fatigue properties of mixture in a large extent. Also, the fatigue failure features of shear and splitting combined effect in water-temperature action fully prove that it is reasonable to use freeze-thaw cycling simulate hot and humid environment.
Key words: road engineering; asphalt mixture; fatigue properties; water-temperature action; fatigue equation
疲劳破坏是沥青路面尤其是半刚性基层沥青路面的主要破坏模式之一，多年来，沥青路面的疲劳性能一直是人们对道路工程研究时的重点[1-2]。但这些疲劳研究主要基于路面结构设计层面上，其目的是为了提出用于路面设计的预估模型，一般会同时采用多个变量、大范围变化[3-4]；而对于特定的沥青混合料，人们对其疲劳性能的评价及温度、水等外界条件对混合料疲劳性能的影响等研究则较少。由于各国采用的仪器和方法不统一，室内与现场的修正系数难以确定，同时，路面弯拉应力计算时所用到的材料参数(主要是模量)难以界定，在路面设计层面上进行疲劳研究迄今未能得到满意的结果，因此，人们对疲劳性能的研究重点转向混合料层面[5-6]。我国南方地区特别是西南地区气候特征表现为高温潮湿，有相当比例的公路在投入使用不久就出现疲劳破坏，而且病害发展较快，说明材料在水-温和汽车荷载的反复作用下强度很快丧失，耐久性和抗疲劳性能下降很快[7]，沥青路面的疲劳特性与常规情况下表现出较大的差异。为此，本文作者通过控制应力的疲劳试验，采用冻融循环的试验方法模拟湿热地区沥青混合料的水-温作用，分析其疲劳寿命与疲劳特性，以便找出湿热地区沥青混合料的疲劳规律，为沥青路面的设计与施工提供理论依据。
1 试验仪器及材料
试验仪器采用英国CRT-NU14气动伺服沥青材料试验机。试验用沥青混合料为高速公路沥青路面下面层常用的AC-25沥青混凝土，结合料为中海AH-70#沥青，集料为云南乡菜弯子石场石灰岩；矿粉为石灰石矿粉。沥青混合料试件直径×高度为101.1 mm×63.5 mm的标准马歇尔圆柱体试件。根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)中AC-25级配范围，分别选取靠近级配范围下限的粗级配(Ⅰ型)、级配范围的中值(Ⅱ型)和级配范围上限的细级配(Ⅲ型)3种级配，其组成(质量分数)如表1所示。通过马歇尔试验确定3种级配的最佳油石比(即沥青质量与矿料总质量之比)分别为3.8%，3.7%和3.9%。
2 试验设计
2.1 试验方法
Artamendi等[8-11]通过研究认为：间接拉伸疲劳试验简单易做、重复性好，是值得推荐的疲劳测试方法。我国沥青路面设计规范中提出的沥青层疲劳标准也是通过间接拉伸疲劳试验获得。参考国内外经验，采用间接拉伸试验研究水-温作用下沥青混合料的疲劳规律。
2.2 试件处理
按既定级配将制备好的试件分为A和B 2组，每组不少于5个试件。A组模拟未受水影响状态下的疲劳破坏，即将试件直接进行疲劳试验。B组模拟水损害严重状态下的疲劳破坏，即：先将试件放入水中抽真空(98.3~98.7 kPa)15 min，让试件饱水0.5 h；然后，将试件放入(-20~-16 ℃)的冰箱进行16 h冰冻处理；取出放入(59.5~60.5 ℃)的恒温水槽浸泡24 h后，再进行疲劳试验。
2.3 加载模式
鉴于我国目前高速公路沥青面层厚度普遍超过15 cm，并且有加厚整体沥青层的趋势，本研究采用控制应力加载模式，以更好地接近实际路面结构的疲劳特性[12]。
2.4 加载波形和频率
加载波形为连续式半正矢荷载，综合考虑模拟效果、试验时间和夹具性能等因素，确定试验加载频率为10 Hz，无间歇时间。
2.5 应力
根据劈裂抗拉强度确定0.3，0.4，0.5，0.6和0.7共5个不同的应力比作为试验应力。
2.6 试验温度
选取15 ℃为常温疲劳试验温度，25 ℃和30 ℃为高温疲劳试验温度。
2.7 疲劳破坏判据
常温情况下以试件的完全破裂作为疲劳破坏标准；高温情况下将试件垂直变形由稳定的粘性流动阶段发展为加速变形阶段时反弯点对应的加荷次数量定义为疲劳破坏次数。
表1 AC-25 沥青混凝土的级配组成(质量分数)
Table 1 Gradation composition of AC-25 asphalt concrete %
3 试验结果与疲劳方程
AC-25沥青混凝土粗级配(Ⅰ型)、中级配(Ⅱ型)和细级配(Ⅲ型)的混合料在不同水-温条件下的劈裂抗拉强度测试结果如表2所示。
这3种级配类型沥青混合料的疲劳试验结果如表3所示。由于应力控制模式下沥青混合料的应力与疲劳寿命成双对数线性关系，其方程形式为
(1)
式中：N为疲劳寿命(次)；σ为施加应力(MPa)；k和n为系数。
表2 劈裂抗拉试验结果
Table 2 Splitting tensile testing results
表3 疲劳试验结果
Table 3 Fatigue testing results
在不同级配及不同水-温条件下，将测得的疲劳试验平行试件的试验结果平均后回归分析，得出其疲劳方程，结果如表3所示。
4 湿热环境沥青混合料疲劳性能分析
4.1 疲劳寿命的差异
为更清楚地比较不同水-温条件下沥青混凝土的疲劳寿命，将3种不同级配在相同温度下的疲劳试验结果如图1~3所示；不同温度下I型沥青混凝土的应力-疲劳寿命关系如图4所示。分析表3和图1~4可以得出：
(1) 沥青混合料应力与疲劳寿命在双对数坐标中表现出良好的线性关系，疲劳曲线的相关系数均大于0.995。
(2) 在相同的温度和应力作用下，Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3种级配沥青混合料无水条件下的疲劳寿命均大于有水状态下的疲劳寿命，两者之差异反映了水对混合料疲劳性能的影响。以Ⅰ型级配混合料应力0.4 MPa为例，无水条件下的沥青混凝土疲劳寿命为10 907.47次，经水损害作用后疲劳寿命为2 688.67次，后者只有前者的24.6%；同理可得到对于Ⅱ型和Ⅲ型2种级配混合料，水作用后的疲劳寿命都仅约为未经水作用的30%。
(3) 无水条件下沥青混凝土的疲劳寿命与水作用后的疲劳寿命相比，在相同的温度和应力比作用下，Ⅰ型沥青混凝土的疲劳寿命平均降低约11%，Ⅱ型沥青混凝土的疲劳寿命平均降低约40%，Ⅲ型沥青混凝土的疲劳寿命平均降低约12%；说明水对沥青混凝土疲劳寿命的影响显著。
(4) 对I型级配混凝土，在相同应力的作用下，随着温度的升高，沥青混凝土的疲劳寿命大幅度降低。同样以应力0.4 MPa为例，温度15 ℃时混凝土的疲劳寿命为457 028次，25 ℃时混凝土的疲劳寿命约为15 ℃时的2.4%，30 ℃时混凝土的疲劳寿命仅为15 ℃时的0.1%。
(5) 对I型级配混凝土，在相同应力比作用下，25 ℃时混凝土的疲劳寿命约为15 ℃时的38%，30 ℃时混凝土的疲劳寿命仅为15 ℃时的4.3%；说明温度对沥青混凝土疲劳寿命的影响同样显著。
图1 I型沥青混合料有水与无水应力-疲劳寿命关系曲线
Fig.1 Stress-fatigue life relation curves of type I asphalt mixture in water and anhydrous condition
图2 II型沥青混合料有水与无水应力-疲劳寿命关系曲线
Fig.2 Stress-fatigue life relation curves of type II asphalt mixture in water and anhydrous condition
图3 III型沥青混合料有水与无水应力-疲劳寿命关系曲线
Fig.3 Stress-fatigue life relation curves of type III asphalt mixture in water and anhydrous condition
图4 I型沥青混合料不同温度应力-疲劳寿命关系曲线
Fig.4 Stress-fatigue life relation curves of type I asphalt mixture in different temperature conditions
4.2 疲劳特征参数的差异
沥青混凝土疲劳方程中系数k和n在双对数坐标中具有明显的物理意义(由图1~4可以得到证实)，k和n分别为直线的截距和斜率。截距k表示疲劳曲线位置的高低：k大，则疲劳曲线的位置高，混合料的抗疲劳性能好。斜率n则决定疲劳曲线的陡缓，n越大则曲线越陡，说明应力的变化对疲劳寿命的影响 越大。
图5~7所示为沥青混凝土在不同水-温条件下劈裂疲劳试验得到的疲劳方程特征参数k和n的对比图。可以看出水和温度对沥青混合料的抗疲劳性能影响 显著：
(1) Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3种级配的混合料经水作用后疲劳方程的k均比无水条件下的k小，说明水会加快沥青混合料抗疲劳性能的衰减。
(2) Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3种级配的试件经水作用后疲劳方程的n都比未经水作用的n大，说明水作用状态下沥青混凝土的疲劳寿命对应力的变化更敏感。
图5 无水与有水3种级配混凝土疲劳方程中k比较
Fig.5 Comparison of parameter k of three kind gradation concretes in water and anhydrous condition
图6 无水与有水3种级配混凝土疲劳方程中n比较
Fig.6 Comparison of parameter n of three kind gradation concretes in water and anhydrous condition
图7 I型级配混凝土不同温度下疲劳方程中k和n比较
Fig.7 Comparison of parameter k and n of type I asphalt concrete at different temperatures
(3) 对I型级配混凝土，疲劳方程的特征参数k和n随温度的变化而不同，随着温度的升高，k和n减小，疲劳曲线越靠近左下方；表明在应力控制模式下，沥青混凝土的疲劳阻抗随温度升高而降低，疲劳寿命对应力的敏感程度也随温度的升高而降低。
4.3 力学性能的影响
分析表2劈裂试验结果可得：
(1) 在相同温度情况下，3种级配沥青混凝土的力学性能表现出相同的变化规律，即经过水作用沥青混凝土的力学性能均低于未经水作用的力学性能，如图8所示。
(2) 对同种级配的沥青混凝土，随着温度的升高，其力学性能也呈下降趋势，如图9所示。
另外，比较沥青混凝土经水-温作用和无水-温作用情况下的抗拉强度和相应的疲劳寿命可知：二者呈现明显的相关性，即水-温作用后试件的抗拉强度降低，相应的疲劳寿命减小。湿热环境会使沥青混凝土力学性能发生改变而导致其疲劳寿命缩短。分析其原因是：沥青本身是黏-弹-塑性材料，其自身性能受温度影响很大，加上水-温条件作用下沥青混凝土试件中的水分经历液态—固态—液态等状态对沥青胶体与粗集料之间的界面黏结产生的较大损伤，使得沥青混凝土的力学性能指标出现大幅度的下降，从而使其疲劳寿命缩短。
图8 无水与有水3种级配混凝土力学性能比较
Fig.8 Comparison of mechanical properties of three kind gradation concretes in water and anhydrous condition
图9 I型级配混凝土不同温度力学性能比较
Fig.9 Comparison of mechanical properties of type I asphalt concrete in different temperature conditions
同理，由于沥青路面混凝土的不均匀性，道路表面总是存在有雨水下渗的通路，当降水或空气中的水分到达路面后，会通过路面的空隙和裂缝进入路面结构内滞留在面层材料中，并沿着内部空隙和微裂缝进一步渗透并在路面结构内长期地滞留浸泡。湿热环境丰富的地下水也会使路面基层、底基层及土基含水量较高，路面层结构内容易聚集水分，严重影响路面的结构强度。加上车轮动态荷载的作用，超孔隙水压往复冲刷沥青混合料中的孔隙，置换沥青造成剥离现象，使得路面材料的劲度模量降低，进而对沥青路面的疲劳性能产生影响[8, 13]。
4.4 疲劳破坏特征
间接拉伸疲劳试验结果见图10。从图10可见：
(1) 在较低温度下进行疲劳试验，试件的垂直变形随荷载作用次数的增加而增长缓慢，但临近破坏时出现一个变形急剧增大的短暂过程，试件最后呈脆性破裂；在试验温度较高的情况下，试件的垂直变形随加载次数增加不断增大，当变形超过3 mm时仍未出现明显的裂缝，如图10(a)所示，但此时试件变形严重，仍认为试件已破坏。以上现象与沥青混合料自身性能有关，低温下混合料的力学性质表现为弹性，随着温度的升高，混合料呈现出较多的弹-塑性质，弹塑性累积变形导致试件被破坏。因此，不能以常温的疲劳判据来判断试件的破坏。
(2) 如图10(b)所示：在较低试验温度条件下，无论是经水作用还是未经水作用的沥青混凝土试件，其疲劳破坏裂纹均从试件的底部开始向上扩展蔓延，这与路面的实际疲劳破坏情况相符。如图10(c)和(d)所示：未经水作用的试件疲劳破坏时表面的破裂线较为顺直贯通，但破裂面粗糙不平整；而经水作用试件疲劳破坏时表面破裂线不规则，破裂面整体较为平整，但局部纹理杂乱，呈现出不同方向的张裂趋势。分析其原因为无水状态下沥青混凝土的孔隙具有可压缩性，可以较好地协同承受压缩变形，因而其破坏呈劈裂状；而在有水情况下，荷载对沥青混凝土内空隙的压缩产生超空隙水压，对试件内部产生附加剪切应力，因而其破坏表现为劈裂和剪切综合作用的形式[14]。本研究采用冻融循环模拟水-温条件对沥青混凝土的作用，对试件有剪切破坏。进行疲劳试验时，出现了剪切和劈裂的综合作用结果。这也充分证明用冻融循环处理条件模拟沥青混凝土处于水-温度作用下的合 理性。
图10 沥青混凝土试件的疲劳破坏
Fig.10 Fatigue failure of asphalt concrete specimens
5 结论
(1) 不同水-温条件下的沥青混合料其应力与疲劳寿命在双对数坐标中均表现出良好的线性关系，此规律可为沥青路面的疲劳寿命预估提供了依据。
(2) 经水作用后的沥青混合料，其疲劳寿命仅为未经水作用的24.6%~30.0%；25 ℃时沥青混凝土的疲劳寿命约为15 ℃时的2.4%，30 ℃时混凝土的疲劳寿命仅为15 ℃时的0.1%。这说明水-温对沥青混凝土的疲劳寿命的影响显著，在湿热地区应加强路面结构防排水工程的设置和混合料配合比的设计。
(3) 水作用和温度升高均会使沥青混合料的抗疲劳特性衰减。
(4) 沥青混凝土经水-温作用和无水-温作用下的劈裂强度和相应的疲劳寿命呈现明显的相关性，湿热环境使沥青混合料的疲劳寿命缩短可能是水分和温度的共同作用使得混合料劲度模量降低的结果。
(5) 在试验温度较高的情况下，试件没有明显裂缝，表现为变形严重；在较低试验温度条件下，试件呈脆性破裂，且无水作用试件疲劳破坏表现为劈裂形式，有水作用试件的疲劳破坏表现为剪切和劈裂联合作用的形式，充分证明用冻融循环处理条件模拟沥青混凝土处于水-温度作用的合理性。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2010-06-04；修回日期：2010-08-01
基金项目：西部交通建设科技项目(2008318814065)；云南省交通厅科技项目(KJC2006-123)
通信作者：秦旻(1981-)，女，四川广安人，博士，讲师，从事路基路面结构与材料研究；电话：13883327596；E-mail：qinmin_1981@163.com
