浅谈防腐路面蠕变的特征

张俊杰

摘 要 沥青混合料是一种比较典型的黏、弹、塑性综合体，在道路建设中得到广泛的应用，在我国，干线公路的沥青路面铺装率高达百分之九十以上。沥青路面由于受到荷载重复作用以及雨水气候因素的综合作用，导致沥青路面发生影响路面的低温缩裂、高温车辙、疲劳损坏以及腐蚀等病害的出现。如何提高沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性、抗剪切性、抗疲劳损坏性，防止沥青路面腐蚀，提高沥青路面服务水平与使用寿命，是我国目前交通量日益繁重、车载增加、交通渠化的条件下沥青混合料选择以及沥青路面结构设计必须解决的难题。本文通过在荷载作用下改性沥青混合料与普通蠕变性能试验的研究，对防腐沥青路面蠕变性能进一步系统、深入地了解。

关键词 沥青混合料 性能试验 防腐路面 蠕变特征

中图分类号：TU452 文献标识码：A

国内对沥青混合料的研究，通过近几十年的努力取得了大量的研究成果，对社会的发展以及公众的生活方式和质量产生重大而深远的影响。随着公路交通量与车辆荷载的不断增大，对沥青路面的质量等级与服务水平要求越来越高，也是对沥青混合料组成成分与结构设计提出了更高的要求。

1沥青混合料的强度与稳定性

沥青混合料是一种成分与结构复杂的材料。因为这种材料的各种不同特点的概念，都与结构概念联系在一起。影响其特点有：矿质混合料物颗粒的相互位置、大小以及粒径的分布、沥青的特征、颗粒上沥青层性质、空隙量分布、空隙量比值等。“沥青混合料结构”是一种沥青混合料的单一结构和相互联系结构的组成。其中包括：沥青结构、矿物骨架结构及沥青-矿粉分散系统结构等。其中每种单一结构与相互联系结构，对于沥青混合料的性质密切相关。沥青混合料蠕变性能是评价沥青路面的重要指标之一，沥青路面蠕变寿命及流动变形是沥青混合料蠕变性能的重要因素。近年来，随着国内经济快速发展和沥青公路工程大的量建设与使用，沥青混合料蠕变性能的试验研究也取得一定的成果。

（1）在温度和外荷载作用下，沥青混合料应变随着时间的变化而变化的现象称为蠕变。其中，在荷载作用下，沥青混合料的蠕变分为三个阶段：第一阶段：蠕变减速阶段或过渡阶段。沥青混合料应变速率随时间减小，持续时间短；第二阶段：恒定蠕变阶段。沥青混合料应变速率最小；第三阶段：加速蠕变阶段：是断裂来临之前的最后一个阶段。其中，蠕变曲线斜率k为沥青混合料的蠕变速率，k值越大，沥青路面抗变形能力越差，荷载作用下变形也就越快。一般认为，蠕变是沥青混合料黏弹性力学响应行为的表现形式.研究表明，蠕变曲线第2阶段的斜率k（稳态蠕变速率）可以反映材料的蠕变性能和变形特性。因此，沥青混合料稳态蠕变速率可以反映其抗车辙性能.k值的大小除了与温度和应力水平有关，还与沥青混合料的特性有关。

（2）目前，关于沥青混合料蠕变机理研究有两种不同结论：

①蠕变速率随着沥青混合料颗粒尺寸的增大而减小；

②蠕变速率随着沥青混合料颗粒尺寸的增大先升后降。

沥青混合料是一种组成成分与结构多样的粘弹性混合料，颗粒的形状、大小、表面结构复杂多样，对沥青混合料蠕变速率的影响很大。高温度条件下，矿质混合料界面的沥青结合料表现为黏滞性，在矿质混合料界面的切应力作用下，矿质混合料骨料之间发生蠕动，沥青路面发生变形。因此，矿质混合料级配越小，界面越大，矿质混合料滑动对沥青路面变形也就越大。在沥青种类及用量相同情况下，细矿质混合料的蠕变速率一般较大。还有，矿质混合料越细，蠕变扩散的概率也越大，从而导致沥青混合料的抗车辙性能和高温稳定性能也越差。当矿质混合料尺寸足够大时，矿质混合料界面的矿料滑动、蠕变扩散、路面变形会很小，蠕变速率不再随矿质混合料尺寸变化，其沥青混合料抗车撤性能和高温稳定性能也会越好。

2沥青路面的破坏形态

沥青路面在温度骤降或温差较大地区，沥青路面会由于温度应力的作用而产生裂缝，水通过裂缝渗入沥青路面内部，引起沥青与矿料界面的侵蚀与剥离，常常导致沥青路面发生松散破坏。我国北方气温较低，容易发生沥青路面低温缩裂，沥青路面的质量等级与使用寿命严重下降，导致沥青路面低温缩裂的因素除了与沥青本身的性质有关外，还与沥青混合料的组成成分、结构形式、公路厚度、公路交通量、气候条件等因素也有关。因此，研究沥青路面低温抗裂性能对提高沥青路面使用质量具有重要意义。沥青混合料的低温开裂问题长期以来受到国内外道路工作者的重视，对这一问题做了不同层面的研究，形成了许多试验方法：等应变加载的破坏试验、直接拉伸试验、弯曲拉伸蠕变试验、受限试件温度应力试验、三点弯曲J积分试验、C积分试验、收缩系数试验、应力松弛试验等。其中，低温弯曲蠕变试验与小梁弯曲试验是国内研究沥青混合料低温抗裂性能工作者使用较为普遍的试验方法。

2.1沥青混合料低温下路面的破坏

沥青路面的低温开裂一般从两种力学行为分析。一种力学行为是细观力学行为，其沥青混合料是由孔隙系、沥青基质系、骨料分散系三系组成的。另一种力学行为是宏观力学行为，宏观破坏行为是细观行为上导致损伤累积的表现。从损伤力学角度看，沥青混合料在荷载重复作用下的低温开裂是一个不断变化以及过程复杂的行为，主要表现为软化、承载力降低、断裂等力学行为。沥青路面开裂的主要原因：

（1）周期性寒冷气温变化所产生的温度应力，且该温度应力超过沥青混料抗拉强度的极限值时，沥青混凝土就会发生裂缝，此裂缝一般发生在路面表面，然后逐渐向下发展。

（2）沥青混合料经过长期温度循环作用下，温度应力小于抗拉强度，从而导致温度疲劳开裂，导致沥青路面出现大量的横向裂缝，横向裂缝的产生也可能是路基的冷冻及收缩产生的结果。沥青路面一般是纵向收缩，沥青路面低温缩裂一般是横向开裂，沥青路面裂缝的间距平均在6～10m之间，在车轮荷载、温度变化循环、路面反复疲劳作用下，会加剧路面裂缝的发展，降低公路服务水平和质量，给工程建设造成较大的经济损失。

2.2沥青混合料高温下路面的破坏

沥青混合料的高温稳定性是指在高温条件下沥青混合料（粘弹性材料）受重复荷载作用产生一定的塑性流动变形。在车轮荷载作用下，沥青路面永久变形主要在气温30℃左右，即路面表面温度达到40℃以上，大于沥青混合料软化点温度，且随着温度的增高和行车荷载的增大，沥青路面变形也增大，从而易于导致其它病害，影响行车的安全性与舒适性。有必要研究沥青混合料的高温稳定性，改善沥青路面结构性能，提高沥青路面使用寿命，从而降低沥青路面建设及养护成本。

3沥青剪切蠕变性能研究

3.1选用方法——单轴贯入试验法

试验选取及试件制备：

（1）选择试验方法时，应考虑以下几个原则：

①试件的受力状态与路面结构的受力状态相似；

②试件的损坏过程不仅能够反应沥青混合料损坏机理，也能够反应其强度特性；

③除能够测得抗剪强度外，最好能够评价沥青和集料的性能；

④试验过程简单，试验参数容易确定。

单轴贯入试验较好地满足上面提到的原则。首先，在单轴贯入试验中，试件内产生的剪切应力分布于实际路面在车轮荷载下产生的剪应力分布相似。试验加载过程中沥青混合料试件将发生侧向的约束作用，导致试件发生约束破坏，形成沥青混合料剪切强度机理。侧向约束的大小与沥青混合料的性能密切相关。当试件贯入压力不同时，其侧向约束也不同；在试验过程中，试件侧向约束的大小与竖向压力有关，试件约束有竖向压力（主动）与侧向压力（被动）组成。

采用单轴贯入试验虽然可以测出沥青混合料的抗剪强度，但无法得出混合料的粘聚力c和 内摩擦角，单轴压缩试验可计算出内聚力c和 内摩擦角，达到评价试件表面纹理特性，控制集料质量的目的。

3.2选用方法——单轴压缩试验法

试件制备：

以最佳油石比和对应的马歇尔密度静压成型：

试件：100x100mm（直径€赘撸┰仓澹？

数量：单轴贯人试件3个，单轴压缩试件3个；

加载速率：1mm/min。

3.3单轴压缩一单轴贯入试验

3.3.1实验原理

单轴贯人试验是通过试验机一个刚压头直径小于试件直径上进行加压，两个压头直径的比值为r/R。为了更好地模拟实际路面的受力状态，路面结构简化为r/R比值足够小的圆柱体，对它施加一定的圆形荷载（见图4.1）。贯入压强为1MPa时最大剪应力处的剪应力称为试件基本的抗剪参数，试件的基本抗剪参数乘以实际试件在贯入试验中得到的贯入压强称为试件的抗剪强度值（如下）。

S = C€譖

式中：S表示所求试件抗剪强度值；C表示抗剪参数；P表示试验获得贯入强度。

单轴贯人试验试件变形分为四个阶段：

第一阶段：压密阶段；沥青混合料试件粗、细集料颗粒与沥青进行重新组合和嵌挤；

第二阶段：弹性工作阶段；在外力作用下试件出现弹性变形，阶段后期出现微细裂纹；

第三阶段：破坏阶段；试件微细裂纹开始发展，整体结构未破坏；

第四阶段：完全破坏阶段；试件裂缝超过所能承受的最大应力值时发生结构破坏；随着压头位移的增大，应力开始变小。

3.3.2实验方法

在单轴贯人试验中，为了保证试验的准确性，混合料最大公称粒径选取16mm，使用万能材料试验机MTS-810进行加载，环境温度为20℃、60℃，试件尺寸：100€？00mm，压头直径为： 28.5mm，加载速度：1mm/min。竖向固定圆柱体模型底部，试件四周不受侧向限制，材料泊松比取0.35，算出贯入压强为1MPa时最大剪应力处的剪应力值如表3.3.1：

表中： 1（第一主应力）； 3 1 （第三主应力）； max（最大剪应力）。为了求得混合料黏聚力c和内摩擦角，采用无测限抗压强度试验，得到测限 3=0时的一组 1值，这样，结合单轴贯人的一组 1 3值画出莫尔圆，从而求出c和。

通过单轴压缩一单轴贯入试验绘出两个莫尔圆以及它们的公切线，可得出沥青混合料的c和 值。

单轴压缩一单轴贯入试验：莫尔圆受力分析图

也可以通过下式求解：

=arcsin（）

c=（）

式中， u 为单轴压缩强度，MPa； g1为贯人强度与c1的积，MPa； g2为贯入强度与c2的积，MPa。

表3.3.2：试验方法所用的强度参数

3.4实验参数及分析

根据上述公式和强度参数，其计算结果如表。从表可以看出，用单轴压缩一单轴贯人试验所呈现出来的规律：

（1）掺加聚酯纤维沥青（改性沥青）的内摩擦角 和黏聚力C比未掺加纤维沥青（普通沥青）的内摩擦角 稍大，说明掺加聚酯纤维沥青（改性沥青）较未掺加纤维沥青（普通沥青）抗剪切性能有所提高。

（2）随着温度的升高，沥青混合料粘聚力C值逐渐减小，减小趋势逐渐变缓。总体来说，C值对温度变化还是非常敏感的，尤其在20℃-40℃之间。因此，温度对掺加聚酯纤维沥青（改性沥青）混合料粘聚力的影响要小于对未掺加纤维沥青混合料粘聚力的影响。

（3）沥青混合料的粘聚力C值随加载速率增大而增大，增长趋势逐渐减小，但加载速率对内摩擦角 值影响规律也不明确。在高温作用下，未掺加纤维沥青混合料（改性沥青）粘聚力C随加载速率的变化大于对掺加聚酯纤维沥青混合料（普通沥青）。

4沥青路面的耐久性

近年来，随着我国高等级沥青公路的大量修建，沥青混合料的疲劳性能在公路建设中占据越来越重要的地位。

4.1国内外疲劳试验研究类型

根据国内已有沥青混合料疲劳研究，结合适用于中国实际情况的试验方法，对改性沥青混合料和普通沥青混合料试件进行疲劳破坏试验，进一步了解沥青混合料防腐路面的疲劳特性。

目前，国内外疲劳试验研究分为3种类型：（1）实际路面在实际行车荷载作用下的疲劳性能；（2）用实际路面结构模拟行车荷载作用下的疲劳性能；（3）材料试件的室内疲劳试验。前2类方法虽然能够较好地反映实际路面的疲劳性能，但试验周期长、资金耗费巨大，且试验结果受环境和路面结构影响较大。因此，我国对于沥青路面疲劳性能的研究，使用最多的是材料试件的室内疲劳试验。

4.2沥青混合料疲劳试验

疲劳试验的加载方式分为两种：应力控制和应变控制。总的来说，在应变控制的疲劳试验过程中，沥青混合料的应力应变状态能够更好地模拟实际路面结构受行车荷载作用的疲劳特性，疲劳试验的结果可直接应用。

沥青混合料疲劳试验采用小梁应力控制方式，小梁通常不会出现明显的断裂现象，假定小梁劲度模量下降为初始劲度模量50%的循环荷载次数称为沥青混合料疲劳寿命。由于所加荷载大小与混合料劲度成正比关系，因此试验中以所加荷载大小达到初始荷载的一半时作为破坏标淮。

三点加载小梁弯曲试验的计算方法如下：

（1）抗弯拉强度： R=LP/wh2

式中：R-表示试件破坏时抗弯拉强度，MPa；

L-表示试件梁跨径，mm；

P-表示试件破坏时的最大荷载，N；

W-表示 跨中断面试件宽度，mm；

H-表示跨中断面试件高度，mm；

梁底最大弯拉应变： =12 h/3L2-4a2 a=L/3

式中：h-跨中断面试件高度，mm；

-试件破坏时的跨中挠度，mm；

L-试件梁跨径，mm；

（2）弯曲劲度模量：S=R/

式中：R-试件破坏时抗弯拉强度，MPa；

-试件破坏时的最大弯拉应变；

（3）应变控制方法：Nf=C（1/ 0）m

式中：Nf-达到破坏时的重复荷载作用次数；

C，m-试验确定的系数；

0-初始的弯拉应变；

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定：

试件制作方法：轮碾压实并切割成小梁；

小梁尺寸：50mm€？0mm€？50mm；

平行试验小梁个数：4根；

加载方式：应变控制、三点加载、支座间距：小梁的跨径300mm；

应力比：0.2、 0.3 、 0.4 、 0.5；

加载波形和频率：根据理论分析，连续式正弦波比较接近实际路面承受的荷载波形；更好地模拟行车对沥青混合料路面的实际荷载作用，本章沥青混合料疲劳试验的加载频率采用10Hz。

试验温度：我国不同省份的温度差别虽然很大，但沥青混合料的疲劳破坏温度差别不大，一般集中在10-15℃。因此，本章沥青混合料疲劳试验温度采用15℃。

试验设备：MTS-810万能材料试验系统；

试验步骤：

（1）试件养护，试件放置在实验室（采用空调控制，温度控在15℃€？℃）保温3个小时以上。

（2）试件安置，将试件小梁在支座上轻轻放置，使小梁与支座紧密接触，调整支座与加载的位置处于小梁的三分点。

（3）计算各应变相应的系数输进MTS系统中，并对系数进行实时调整，保证在设定应变比条件下进行。

（4）进行试验时，观察施加荷载及时间、位移等相关情况，并记录试验结果。

4.3试验结果与分析

表4.3.2可知：在应力控制模式下，掺加聚酯纤维沥青（改性沥青）疲劳寿命要高于未掺加纤维沥青（普通沥青）疲劳寿命，表明聚酯纤维对于沥青混合料的疲劳寿命有所提高。

表4.3.1和表4.3.2结果分析：在常量应力控制下，掺加聚酯纤维沥青（改性沥青）的弯曲劲度模量比未掺加纤维沥青（普通沥青）要大，故应力相同水平下，达到最大应变所需的循环荷载次数相对较多，则掺加聚酯纤维沥青混合料疲劳寿命相对于未掺加纤维沥青混合料要长。

4.4 疲劳破坏是路面结构在应力或应变低于混合料强度极限时，荷载的重复作用导致路面开裂的一种破坏现象

根据实际情况，我国沥青路面形式大部分以半刚性沥青路面为主。在沥青路面的早期病害中，路面裂缝较为明显，如果处理不及时，路面上积存的雨水和泥浆以及其它有害物质会通过裂缝进入到基层中，再加上车轮的循环荷载，路面将产生唧浆、坑槽、断裂等破坏，严重影响路面上行驶车辆的的平顺性与安全性。因此，要及时维修路面早期的裂缝阻止继续扩展，对路面破坏及行车安全起到很好的保护作用。青路面疲劳开裂的研究方法主要分为3类：现象学分析法、力学分析法和能量分析法。

现象学分析法是疲劳试验中沥青混合料出现疲劳破坏的重复应力值，即沥称青混合料疲劳强度；对应的重复应力作用次数称沥青混合料疲劳寿命。且进行疲劳试验时，采用应变控制和应力控制两种不同的加载模式。

力学分析法是一种预测并假定沥青混合料疲劳寿命的方法，它主要根据路面断裂力学原理推理路面疲劳裂缝的形成与演变规律，一般假设开裂过程分为3个阶段：（1）裂缝初始生成；（2）裂缝的稳定成长；（3）裂缝的不稳定发展，其中以第二阶段裂缝的稳定成长为疲劳寿命的主要部分。

能量分析法是根据粘弹性沥青混合料的综合模量与力学性质判断沥青混合料的疲劳特性，其综合模量包括恒定模量（弹性）和损耗模量（粘性），力学性质取决于荷载作用的时间和温度，沥青混合料的疲劳强度主要由损耗能量和应力应变循环荷载过程中的能耗组成。该方法的主要特点是试验中总能耗与循环荷载重复作用次数之间存在一定关系。

5结语

在高速发展的当代社会，交通变得相当发达对路面提出了更高的要求。提高沥青路面服务水平与使用寿命，在目前交通量日益繁重、车载增加、交通渠化的条件下沥青混合料的选择以及沥青路面结构的设计必须找到解决的办法。如果解决了这个难题，将节省土建路面施工工程中耗费的大量材料，在未来的道桥路面的应用中必定会起到突破性的作用。大交通量的沥青路面除采用沥青混凝土作面层外，有些主张采用密实的沥青面层等，对延长疲劳寿命和简化施工工艺都起到了一定的作用。所以研究防腐路面的蠕变情况对土木工程有着重要的意义

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