疲劳加载对沥青混合料SMA-13渗透特性的影响分析

李 岩， 周志刚， 李帅帅， 王 欣

(1. 南阳理工学院 河南 南阳 473004；2. 长沙理工大学 湖南 长沙 410004)

0 引言

调查表明，路面早期破坏多数是由水与交通荷载综合作用引起的[1]。进入沥青面层的降水在高速、重载交通荷载作用下，极易产生不同形式的水损害。由于集料表面具有更强的吸附性，长期存在于沥青路面内的水会将沥青与集料进行剥离。另外，在高速行车荷载下，沥青路面中的裂隙水在高速转动的轮胎作用下产生较高的动水压力，对路面材料产生冲刷作用。行车荷载结束时，产生的真空吸力使得孔隙水出现泵吸现象，使已剥离的沥青和集料流失。重复的冲刷和泵吸作用，使得沥青路面最终出现松散、剥离、坑洞等病害。

沥青混合料渗透性是影响沥青路面水损坏的关键指标，影响其渗透性能的因素较多。研究发现沥青混合料在自由渗流状态下渗透性微弱，在动水压力作用下渗透性能大幅度增长，渗透性对水压力的变化频率不敏感，对水压力的峰值敏感[2-4]。国内外研究表明，空隙率与渗透性具有很好的相关性[5-14]。冯德成[15]等对比分析了级配、成型方式、集料最大公称粒径、空隙率对沥青混合料渗透性影响，发现空隙率较大时成型方式对渗水性能有显著影响。蔡燕霞等[16]通过自研渗水装置对两种类型的沥青混合料进行动态渗水试验，提出了动力渗水系数的评价指标并给出了建议值。

必须指出，目前关于沥青混合料渗透性的测试分析是针对无损试件，反映的是路面刚建成时的材料性能。而在实际道路运营过程中，材料的渗透性是随损伤、荷载及动水压力等因素的影响而动态变化的。鉴于目前尚无有效的沥青路面材料渗透性能动态测试装置来评价沥青混合料渗透性能的动态变化，现利用自研的一种多场耦合条件下沥青混合料渗透性测试仪，通过三轴疲劳加载及渗透性动态测试，研究荷载应力-损伤-渗流多场耦合条件下沥青混合料渗透特性变化，为揭示沥青混合料渗透机理、改善沥青路面水稳定性提供有益帮助。

1 不同空隙率SMA-13沥青混合料试件制备

试验用SMA-13沥青混合料的粗细集料分别为玄武岩、石灰岩，矿粉由泰和欣泰建材厂提供，沥青为厦门华特集团提供的SBS改性沥青，纤维为德国JRS公司生产的木质素纤维。

依照《公路沥青路面施工技术规范》[17]中SMA-13矿料级配表，设计本试验用的沥青混合料矿料级配如表1。

表1 SMA-13级配组成

按以上矿料合成级配，通过马歇尔试验确定最佳油石比为5.9%。分别采用Marshall击实法和SGC旋转压实法成型试件，空隙率分别为4%、6%、8%、10%，以模拟现场施工压实程度的不同状态。马歇尔成型试件尺寸为Φ101.6×63.5(±1.3)mm，旋转压实成型试件尺寸为Φ100×63.5(±1.3)mm。每组平行试件为3个。本文试验中对于吸水率小于2%的试件采用表干法测量空隙率，吸水率大于2%的试件采用真空密封法测量空隙率。马歇尔击实成型试件的实测空隙率平均值分别为4.2%、6.3%、7.9%、10.0%，旋转压实成型试件的实测空隙率平均值分别为3.9%、5.8%、8.1%、9.8%。

2 动态渗透性测试方法

为了真实地测试多场耦合条件下沥青混合料的动态渗透特性，设计开发了新型渗透性测试系统。本系统主要由多场耦合试验装置系统、压力水箱和气压控制系统3大部分组成。

由于沥青路面表面层在交通荷载下处于三维受压状态，故针对饱水沥青混合料试件，采用轴向压应力控制模式的三轴压缩疲劳试验模拟交通荷载的循环作用。轴向施加半正弦波型荷载，频率为10 Hz。对于各类型试件采用其抗压强度的0.7倍(即应力比0.7)作为其峰值荷载进行加载。为防止压头对试件造成冲击，半正弦波型荷载最小值为峰值的2%。疲劳加载前对试件进行预压，以保证压头与试件上表面紧密平整接触。疲劳加载试验时试验温度为常温15 ℃，侧向围压为0.3 MPa。

在不同的疲劳加载阶段，对试件进行不同轴压、水压下渗透性测试。测试前对试件进行饱水。为模拟不同交通荷载下路面材料所处的应力状态，分别对试件施加0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa的轴压，侧向围压仍为0.3 MPa。在每一级轴压下分别施加0.04 MPa、0.10 MPa、0.18 MPa、0.26 MPa的动水水压进行渗透试验，水压力由气压机提供。试验中采用渗水系数即单位时间内透过试件的水的体积作为渗透性的表征参数，水的体积利用量筒采集测量。

通过观察试件三轴疲劳试验过程发现，试件轴向压缩变形0～3 mm阶段轴向变形快速增长，轴向压缩变形3～7 mm阶段轴向变形增长速率逐渐变缓，轴向压缩变形7 mm以后阶段变形速率增长十分缓慢，基本处于平稳阶段。试件总压缩变形量控制为10 mm，故以轴向压缩变形3 mm、7 mm、10 mm时疲劳损伤阶段分别作为第一疲劳阶段、第二疲劳阶段、第三疲劳阶段。初始阶段即加载前无损试件状态。

3 马歇尔击实成型试件渗透性动态变化分析

图1的图例中“初始”表示初始状态，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别表示第一疲劳阶段、第二疲劳阶段第三疲劳阶段。

图1 孔隙率4%不同损伤阶段、不同水压及轴压条件下试件的渗透性变化

由图1可以发现，空隙率4%的马歇尔击实成型试件在疲劳加载前和第一阶段不透水，说明此时试件较为致密，即使经受一定的循环加载作用后因损伤发展并不充分，仍没有渗流通道。进入第二疲劳阶段后，出现轻微的渗水现象，说明试件内部因损伤裂隙的萌生发展，出现连通空隙，形成一定的渗流通道，产生一定的渗透性。加载至第三疲劳阶段，渗透性反而有所降低，说明此时尽管疲劳损伤继续发展，但已有部分空隙因三向受压(主要为侧向围压)被压缩闭合，致使渗流通道数量或过水面积减少，渗透性降低，即渗透性随着疲劳加载呈现先增大后减小的趋势，但第二、第三疲劳阶段的渗透性仍不明显，疲劳加载对孔隙率4%的试件渗透性的影响非常有限，此时的试件仍处于难透水状态。

图2 孔隙率6%不同损伤阶段、不同水压及轴压条件下试件的渗透性变化

图3 孔隙率8%不同损伤阶段、不同水压及轴压条件下试件的渗透性变化

此外，在第二疲劳阶段和第三疲劳阶段，试件渗水系数随水压的增大和轴压的减小而增大，说明水压有助于连通空隙的形成和扩张，而过大的轴压会促使连通空隙的闭合，导致渗透性性能减弱。不同轴压下渗水系数的差异性在低水压时没有高水压时那么明显。在第二疲劳阶段，轴压0.7 Mpa下，水压力为0.26 MPa时单位时间的渗水量是0.04 MPa水压力下的8倍之多，可见过高的动水压力会显著地提高沥青路面的渗透性能。

图4 孔隙率10%不同损伤阶段、不同水压

图2表明，空隙率6%的马歇尔击实成型试件在初始阶段不透水，其渗水系数随疲劳加载、轴压和水压的变化规律与空隙率4%试件的情形类似。只是在第一疲劳阶段，试件已出现从上至下的渗流通道，开始有轻微的渗水。并且，在同样的疲劳加载条件和轴压、水压下，它的渗水系数显著高于空隙率4%的试件，水压高时会超过了沥青路面施工技术规范[17]中SMA车辙板试件渗水系数80 mL/min的要求。显然这是因为试件空隙率越高，其内部连通空隙数量或过水面积越大。

由图3可以发现，空隙率8%的马歇尔击实成型试件在初始阶段的渗透性已较为明显，均远高于空隙率4%和6%的试件经历疲劳损伤、渗透性增强后的渗水系数，也超过了沥青路面施工技术规范[17]中SMA车辙板试件渗水系数80 mL/min的要求。可见7%～8%的空隙率是SMA-13沥青混合料渗透性的激增点，也印证了前人研究发现的8%空隙率是沥青混合料渗透性激增的临界点的结论。但这是无损试件的试验结果，若计入疲劳损伤和轴压、水压的影响，空隙率6%的试件也达不到沥青路面施工技术规范的渗水要求。

与空隙率4%和6%的试件另一不同之处在于，空隙率8%的试件的渗透性随疲劳加载过程呈现先降低后增大的规律。这是因为空隙率8%的试件空隙率较大，密度较小，在初期加载阶段，有明显的压密现象，使得连通空隙数量或过水面积减少。而在后续疲劳加载阶段，损伤继续萌生并不断演化发展，致使渗流通道数量增多、过水面积增大，这是渗透性增强的主要原因。并且，其渗透性随着疲劳加载而持续增强。这说明对于空隙率相对较大的试件，三向受压(主要为侧向围压)不足以抑制损伤使渗流通道增多、过水面积增大的趋势。

与空隙率4%和6%情形类似，空隙率8%的试件渗水系数随水压的增大和轴压的减小而增大，只是其渗透性更强。

图4表明，对于空隙率10%的马歇尔击实成型试件，疲劳前后的渗透性均很强，不同轴压和水压下1 min的渗透水量高达数升，达到了透水路面的要求。这主要是由于空隙率较大，初期已有较多的上下连通的渗流通道。

试件的渗水系数随疲劳加载过程的变化规律与空隙率8%试件的相似，也呈现为先减少后增大的趋势，只是在疲劳加载后期才有所增大，但仍未达到初始阶段的渗水性能。图4渗透试验结果表明，对于空隙率10%的试件，损伤的发展对渗水性能的影响有限，试件的渗水性能主要依赖于成型时的空隙结构。在疲劳加载过程中，初始空隙被压密和损伤的萌生发展同时进行，只是前两个疲劳加载阶段空隙压密对渗透性的削弱影响占主导地位，第三个疲劳加载阶段损伤的进一步发展对渗透性的增强产生贡献。

在不同疲劳加载阶段，渗透性随水压增大而持续增大，但增大的速率有所放缓。与水压对渗透性的影响程度相比，轴压对渗透性的影响很小，说明对于渗透性较强的试件，轴压不足以改变材料内部连通空隙结构而引起渗透性的变化。

4 旋转压实成型试件渗透性动态变化分析

图5至图8试验表明，旋转压实成型试件与马歇尔击实成型试件相比，空隙率相同时，试件渗水系数随疲劳加载、水压和轴压的变化规律非常相似。

(1)空隙率低(4%和6%)时，试件初始阶段不透水，随着疲劳加载，渗水系数先增大后减小。其中空隙率4%试件始终处于难透水状态。空隙率6%的试件经历疲劳加载后，在高水压下渗水系数会超过沥青路面施工技术规范中SMA材料渗水性能要求。

图5 孔隙率4%不同损伤阶段、不同水压及下试件的渗透性变化

图6 孔隙率6%不同损伤阶段、不同水压及轴压条件轴压条件下试件的渗透性变化

图7 孔隙率8%不同损伤阶段、不同水压压条件下试件的渗透性变化

图8 孔隙率10%不同损伤阶段、不同水压及轴及轴压条件下试件的渗透性变化

(2)空隙率高(8%和10%)时，试件具有较强或很强的渗水性能，难以达到沥青路面施工技术规范中SMA材料渗水性能要求。其中空隙率8%试件的渗水系数随着疲劳加载呈现先减小后增大的规律。

(3)一般情形下，试件的渗水系数随着水压的增大和轴压的减小而增大，其中水压的增强效应明显。对于空隙率10%的试件，轴压的影响非常大。

(4)空隙率低时，试件渗水系数随水压的增大而大体呈现为线性增长。而空隙率10%的试件和经历疲劳加载后的空隙率8%的试件，其渗水系数随水压的增大而增大的速率逐渐减缓。

两种成型方式的试件渗水性能的不同之处在于：

(1)一般情形下，马歇尔击实成型试件的渗水性能强于旋转成型试件的渗水性能。

(2)对于所测试的几种空隙率，施加疲劳加载后，旋转压实成型试件均会表现出不同程度的渗水现象，而空隙率4%的马歇尔击实成型试件在第一疲劳阶段仍未渗水。

(3)对于空隙率6%的试件，经历疲劳加载后渗水系数超过沥青路面施工技术规范中SMA材料渗水性能要求时，旋转压实成型的试件所对应的水压值更高，约为0.13～0.21 MPa，而马歇尔击实成型试件约为0.10～0.20 MPa。

(4)对于空隙率8%的试件，旋转压实成型的初始阶段和第一疲劳阶段的渗水系数明显低于马歇尔击实成型试件，但疲劳加载后期时，前者要高于后者。

(5)对于空隙率10%的试件，旋转压实成型试件的渗水系数随着疲劳加载而逐渐减小的规律性较强，而马歇尔击实成型试件在疲劳加载后期渗水系数有一定的波动。

产生上述差异性的关键原因在于马歇尔击实成型试件内部粗细集料结构均匀稳定性较差，并且存在部分被击碎的集料，这些被击碎的集料表面会部分缺乏沥青膜，易于形成连通空隙，在一般情况下连通空隙率高于旋转压实成型试件，使得其渗水性能强于旋转压实成型试件，并且高水压的挤压扩张作用会进一步强化其渗水性能。正是由于马歇尔击实成型试件内部结构的欠均匀稳定性和被击碎集料碎片的存在，使得其渗水性能在疲劳加载过程中波动性相对较强。只是在致密结构时(空隙率4%)，疲劳加载初期，马歇尔击实成型试件内部结构欠均匀稳定的集料(特别是被击碎的集料碎片)的错动程度有限，不足以改变原有的空隙结构而形成有效贯通的渗水通道，必须经受较长时间的疲劳加载后才会导致原有的空隙结构出现明显的改变而影响其渗水性能；而旋转压实成型试件内部集料结构稳定性强，施加疲劳荷载后原稳定的结构会因集料随沥青膜错动变化而受到一定程度的破坏，使得贯通空隙增多，渗水性能增强。对于较高空隙率情形(8%空隙率)，经历疲劳加载初期的压密过程之后，旋转压实成型试件内部均匀稳定性强的结构会因疲劳加载而受到破坏，使得其渗水性能增强，而马歇尔击实成型试件内部欠均匀稳定的结构因有更大的空间得到重新调整，使其渗水性能不如旋转压实成型试件那样变化大。对于空隙率10%的试件，这种结构调整不足以根本上改变马歇尔击实成型试件与旋转压实成型试件内部空隙结构的差异性，故此时前者渗水性能始终高于后者。

5 结论

本文利用自研的多场耦合条件下沥青混合料渗透性测试装置，开展了不同成型方法制备的不同空隙率试件的三轴压缩疲劳加载试验，测试对比分析了不同疲劳阶段时各类型试件的渗透性能，得到如下主要结论：

(1)由于三轴压缩疲劳加载对试件的压密和损伤双重作用，不同空隙率沥青混合料试件渗透性能随疲劳加载的变化规律不同。压密会导致试件已有连通空隙闭合、过水面积减少、渗水系数降低，而损伤的萌生发展会导致试件连通空隙增多、过水面积增大、渗水系数升高。对于低空隙率试件，其渗透性能主要受疲劳加载的损伤作用主导，即随着疲劳损伤的持续，渗水系数增大，只是在后期会因一定程度的压密而有所降低。对于高空隙率试件，主要受压密作用的主导，即随着疲劳加载，渗水系数降低，即使后期损伤会使渗水系数有所提高，但仍难以达到初期水平。

(2)空隙率是影响沥青混合料渗透性能的关键因素，高空隙率试件的渗水系数显著高于低空隙率试件的渗水系数。渗水系数随水压力的增加而增大，渗透性较弱的试件受水压的影响更为显著。渗水系数随轴压的增大整体呈现减小的趋势，与空隙率和水压力相比，轴压对渗透性的影响相对较弱。过高的动水压力会显著提高沥青路面的渗透性能，导致空隙率6%左右的沥青混合料渗水性能增强，超出相关技术规范容许范围，产生水损害破坏。

(3)对于相同空隙率的旋转压实成型试件与马歇尔击实成型试件，它们的渗水系数随疲劳加载、水压和轴压的变化规律相似，但又存在差异。一般情形下，马歇尔击实成型试件较之旋转压实成型试件渗水系数偏大。