沥青及沥青混合料疲劳性能影响因素

2017-04-10

四川水泥 2017年8期

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

沥青及沥青混合料疲劳性能影响因素

彭川

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

随着国家“十二五”的结束以及“十三五”的开始，在国际经济前景不景气的条件下，扩大内需，加快国家基础设施建设的步伐是一个行之有效的方法。在所有的基础设施建设中，公路运输建设俨然已经成为其中的关键因素。当前，在在世界范围内，道路建设中修建的大部分公路都属于沥青路面公路，沥青路面也是今后公路建设和发展的趋势。因此，研究影响沥青混合料的疲劳性能的影响因素就显得尤为重要。

沥青路面；沥青混合料；疲劳性能

0 引言

交通运输是经济推动发展的大动力。作为交通运输中的道路运输，不仅在世界各国经济发展扮演关键的角色，还有效的促进人类文明和物质生活的不断发展。世界各大国对本国公路投资建设都给予极高的重视。我国承担着重要运输任务的公路，经过这些年建设，取得了举世瞩目的成就。但由于我国复杂的地质、地形情况，再加上施工和外部荷载等因素，导致了不同地域的公路面临着不同程度的破坏。其中，疲劳破坏是高等级沥青混凝土公路最常见的路面病害之一。沥青公路由于疲劳破坏产生的裂缝，会严重影响车安全，缩短道路的使用寿命，甚至还可能会造成巨大的经济损失。

因此，为了道路的安全使用和满足预期的经济效益，影响道路疲性能因素的研究，从而达到预防道路早期破坏和累计破破坏，提高道路寿命的目的。

1 影响疲劳性能的因素

由于沥青混合料自身组成和外部环境的复杂性影响沥青混合料疲劳性能的因素是多种多样的。经过研究发现，这些影响因素可以分为以下两类[1]：一类是沥青混合料的内在组成原因，另一类是沥青混合料所处的外部环境。

1.1 内在组成原因

1.1.1 混合料劲度

在疲劳观点中，沥青混合料的劲度模量是一个十分重要的材料特性。路面材料设计是路面设计中的基础问题，而沥青混合料动态模量却是沥青路面设计的重要参数[2]。劲度是各种影响因素的集中体现。凡是任何能影响混合料劲度的变量，比如集料与沥青的性质、沥青种类与用量、混合料的压实度与空隙率等因素。

1.1.2 集料表面特征与级配

带有尖棱角的开级配粗集料通常由于难以压实而具有较高的孔隙率，这样就很有可能产生裂缝，从而进一步影响沥青集合料的疲劳寿命。具有良好级配的初集料可以形成劲度较高的集料，二表面光滑的圆集料形成劲度较低的集料，因而对疲劳可以产生不同的影响。

1.1.3 孔隙率

沥青混合料的疲劳性能随着孔隙率的降低而显著提高。孔隙率越大，沥青内部的空隙与微裂缝就越多，在荷载的循环作用下就越容易会引发微裂缝的扩展破坏，从而降低疲劳性能。

1.1.4 针入度与软化点

Bazin在-10～10℃下的常应力疲劳试验中得出沥青越硬，其疲劳寿命越长的结论。Epps在实验中也发现，沥青的硬度越高，其劲度模量越大，疲劳寿命也越长。在常应力条件下，如果沥青越硬，其疲劳寿命就会越长；而在应变模式下情况下则相反。经过反复试验证明，软化点是影响沥青疲劳性能的一个因素。其中，改性沥青就是一个强有力的说明。

1.2 外部因素

由于沥青路面的施工、检验以及使用都是在外界环境中进行，外部因素主要分为以下三类：温度与湿度、行车荷载、水分。

1.2.1 温度与湿度

温度与混合料疲劳劲度有着密切的关系，随着温度的升高，其疲劳强度和寿命会显著下降。在应力控制模式下，温度在一定范围内降低，材料所受应力也会相应减小，混合料劲度却会增大，从而可以增加混合料的疲劳寿命。在应变控制模式下，所得结果则刚刚相反。

在工程实践与实验条件下证明，湿度对沥青混合料疲劳性能也有一定影响。湿度会改变其疲劳性能，从而导致疲劳寿命缩短[3]。

1.2.2 行车荷载

车辆荷载是直接作用于沥青路面的荷载，在不同车辆荷载的长期反复的作用下，沥青路面的疲劳寿命会发生显著的变化。研究表明[4]，随着车辆荷载行驶速度的增加，路面所承受的来自车辆的静载和动载之和会随之变大，但是车辆荷载对路面某一位置的作用时间却减少了。因此，如果沥青路面长期的受到高速行驶的车辆荷载的作用，其疲劳寿命将会大大缩短。同时，在高速行驶的交通条件下，轻荷载对道路疲劳寿命的影响也是不容忽视的。

1.2.3 水分

水对沥青混合料的疲劳性能有显著的作用。它能进入集料之间的空隙，阻断集料表面之间的连接，减小沥青与集料之间的接触面积，从而降低混合料劲度模量。刘松[5]等人在沥青路面单轴压缩试验中发现：有水状态下的沥青路面的疲劳寿命仅为无水状态下的18.7%。张倩[6]等人认为：水可能是通过影响混合料劲度模量来改变沥青混合料疲劳寿命的。劈裂疲劳试验也表明：在水的作用下，沥青混合料的疲劳性能会明显降低。