淺談防腐路面蠕變的特征

1、    淺談防腐路面蠕變的特征    張俊杰摘 要 瀝青混合料是一種比較典型的黏、彈、塑性綜合體，在道路建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用，在我國，干線公路的瀝青路面鋪裝率高達(dá)百分之九十以上。瀝青路面由于受到荷載重復(fù)作用以及雨水氣候因素的綜合作用，導(dǎo)致瀝青路面發(fā)生影響路面的低溫縮裂、高溫車轍、疲勞損壞以及腐蝕等病害的出現(xiàn)。如何提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗剪切性、抗疲勞損壞性，防止瀝青路面腐蝕，提高瀝青路面服務(wù)水平與使用壽命，是我國目前交通量日益繁重、車載增加、交通渠化的條件下瀝青混合料選擇以及瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計必須解決的難題。本文通過在荷載作用下改性瀝青混合

2、料與普通蠕變性能試驗的研究，對防腐瀝青路面蠕變性能進(jìn)一步系統(tǒng)、深入地了解。關(guān)鍵詞 瀝青混合料 性能試驗 防腐路面 蠕變特征：tu452 ：a國內(nèi)對瀝青混合料的研究，通過近幾十年的努力取得了大量的研究成果，對社會的發(fā)展以及公眾的生活方式和質(zhì)量產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。隨著公路交通量與車輛荷載的不斷增大，對瀝青路面的質(zhì)量等級與服務(wù)水平要求越來越高，也是對瀝青混合料組成成分與結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。1瀝青混合料的強(qiáng)度與穩(wěn)定性瀝青混合料是一種成分與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料。因為這種材料的各種不同特點的概念，都與結(jié)構(gòu)概念聯(lián)系在一起。影響其特點有：礦質(zhì)混合料物顆粒的相互位置、大小以及粒徑的分布、瀝青的特征、顆粒上瀝青

3、層性質(zhì)、空隙量分布、空隙量比值等?！盀r青混合料結(jié)構(gòu)”是一種瀝青混合料的單一結(jié)構(gòu)和相互聯(lián)系結(jié)構(gòu)的組成。其中包括：瀝青結(jié)構(gòu)、礦物骨架結(jié)構(gòu)及瀝青-礦粉分散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。其中每種單一結(jié)構(gòu)與相互聯(lián)系結(jié)構(gòu)，對于瀝青混合料的性質(zhì)密切相關(guān)。瀝青混合料蠕變性能是評價瀝青路面的重要指標(biāo)之一，瀝青路面蠕變壽命及流動變形是瀝青混合料蠕變性能的重要因素。近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和瀝青公路工程大的量建設(shè)與使用，瀝青混合料蠕變性能的試驗研究也取得一定的成果。（1）在溫度和外荷載作用下，瀝青混合料應(yīng)變隨著時間的變化而變化的現(xiàn)象稱為蠕變。其中，在荷載作用下，瀝青混合料的蠕變分為三個階段：第一階段：蠕變減速階段或過渡階段。瀝青

4、混合料應(yīng)變速率隨時間減小，持續(xù)時間短；第二階段：恒定蠕變階段。瀝青混合料應(yīng)變速率最??；第三階段：加速蠕變階段：是斷裂來臨之前的最后一個階段。其中，蠕變曲線斜率k為瀝青混合料的蠕變速率，k值越大，瀝青路面抗變形能力越差，荷載作用下變形也就越快。一般認(rèn)為，蠕變是瀝青混合料黏彈性力學(xué)響應(yīng)行為的表現(xiàn)形式.研究表明，蠕變曲線第2階段的斜率k（穩(wěn)態(tài)蠕變速率）可以反映材料的蠕變性能和變形特性。因此，瀝青混合料穩(wěn)態(tài)蠕變速率可以反映其抗車轍性能.k值的大小除了與溫度和應(yīng)力水平有關(guān)，還與瀝青混合料的特性有關(guān)。（2）目前，關(guān)于瀝青混合料蠕變機(jī)理研究有兩種不同結(jié)論：蠕變速率隨著瀝青混合料顆粒尺寸的增大而減??；蠕變速率

5、隨著瀝青混合料顆粒尺寸的增大先升后降。瀝青混合料是一種組成成分與結(jié)構(gòu)多樣的粘彈性混合料，顆粒的形狀、大小、表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，對瀝青混合料蠕變速率的影響很大。高溫度條件下，礦質(zhì)混合料界面的瀝青結(jié)合料表現(xiàn)為黏滯性，在礦質(zhì)混合料界面的切應(yīng)力作用下，礦質(zhì)混合料骨料之間發(fā)生蠕動，瀝青路面發(fā)生變形。因此，礦質(zhì)混合料級配越小，界面越大，礦質(zhì)混合料滑動對瀝青路面變形也就越大。在瀝青種類及用量相同情況下，細(xì)礦質(zhì)混合料的蠕變速率一般較大。還有，礦質(zhì)混合料越細(xì)，蠕變擴(kuò)散的概率也越大，從而導(dǎo)致瀝青混合料的抗車轍性能和高溫穩(wěn)定性能也越差。當(dāng)?shù)V質(zhì)混合料尺寸足夠大時，礦質(zhì)混合料界面的礦料滑動、蠕變擴(kuò)散、路面變形會很小，蠕變

6、速率不再隨礦質(zhì)混合料尺寸變化，其瀝青混合料抗車撤性能和高溫穩(wěn)定性能也會越好。2瀝青路面的破壞形態(tài)瀝青路面在溫度驟降或溫差較大地區(qū)，瀝青路面會由于溫度應(yīng)力的作用而產(chǎn)生裂縫，水通過裂縫滲入瀝青路面內(nèi)部，引起瀝青與礦料界面的侵蝕與剝離，常常導(dǎo)致瀝青路面發(fā)生松散破壞。我國北方氣溫較低，容易發(fā)生瀝青路面低溫縮裂，瀝青路面的質(zhì)量等級與使用壽命嚴(yán)重下降，導(dǎo)致瀝青路面低溫縮裂的因素除了與瀝青本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與瀝青混合料的組成成分、結(jié)構(gòu)形式、公路厚度、公路交通量、氣候條件等因素也有關(guān)。因此，研究瀝青路面低溫抗裂性能對提高瀝青路面使用質(zhì)量具有重要意義。瀝青混合料的低溫開裂問題長期以來受到國內(nèi)外道路工作者的重視

7、，對這一問題做了不同層面的研究，形成了許多試驗方法：等應(yīng)變加載的破壞試驗、直接拉伸試驗、彎曲拉伸蠕變試驗、受限試件溫度應(yīng)力試驗、三點彎曲j積分試驗、c積分試驗、收縮系數(shù)試驗、應(yīng)力松弛試驗等。其中，低溫彎曲蠕變試驗與小梁彎曲試驗是國內(nèi)研究瀝青混合料低溫抗裂性能工作者使用較為普遍的試驗方法。2.1瀝青混合料低溫下路面的破壞瀝青路面的低溫開裂一般從兩種力學(xué)行為分析。一種力學(xué)行為是細(xì)觀力學(xué)行為，其瀝青混合料是由孔隙系、瀝青基質(zhì)系、骨料分散系三系組成的。另一種力學(xué)行為是宏觀力學(xué)行為，宏觀破壞行為是細(xì)觀行為上導(dǎo)致?lián)p傷累積的表現(xiàn)。從損傷力學(xué)角度看，瀝青混合料在荷載重復(fù)作用下的低溫開裂是一個不斷變化以及過程復(fù)

8、雜的行為，主要表現(xiàn)為軟化、承載力降低、斷裂等力學(xué)行為。瀝青路面開裂的主要原因：（1）周期性寒冷氣溫變化所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，且該溫度應(yīng)力超過瀝青混料抗拉強(qiáng)度的極限值時，瀝青混凝土就會發(fā)生裂縫，此裂縫一般發(fā)生在路面表面，然后逐漸向下發(fā)展。（2）瀝青混合料經(jīng)過長期溫度循環(huán)作用下，溫度應(yīng)力小于抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致溫度疲勞開裂，導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)大量的橫向裂縫，橫向裂縫的產(chǎn)生也可能是路基的冷凍及收縮產(chǎn)生的結(jié)果。瀝青路面一般是縱向收縮，瀝青路面低溫縮裂一般是橫向開裂，瀝青路面裂縫的間距平均在610m之間，在車輪荷載、溫度變化循環(huán)、路面反復(fù)疲勞作用下，會加劇路面裂縫的發(fā)展，降低公路服務(wù)水平和質(zhì)量，給工程建設(shè)造成較

9、大的經(jīng)濟(jì)損失。 2.2瀝青混合料高溫下路面的破壞瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性是指在高溫條件下瀝青混合料（粘彈性材料）受重復(fù)荷載作用產(chǎn)生一定的塑性流動變形。在車輪荷載作用下，瀝青路面永久變形主要在氣溫30左右，即路面表面溫度達(dá)到40以上，大于瀝青混合料軟化點溫度，且隨著溫度的增高和行車荷載的增大，瀝青路面變形也增大，從而易于導(dǎo)致其它病害，影響行車的安全性與舒適性。有必要研究瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，改善瀝青路面結(jié)構(gòu)性能，提高瀝青路面使用壽命，從而降低瀝青路面建設(shè)及養(yǎng)護(hù)成本。3瀝青剪切蠕變性能研究3.1選用方法單軸貫入試驗法試驗選取及試件制備：（1）選擇試驗方法時，應(yīng)考慮以下幾個原則：試件的受力狀態(tài)與路面

10、結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)相似；試件的損壞過程不僅能夠反應(yīng)瀝青混合料損壞機(jī)理，也能夠反應(yīng)其強(qiáng)度特性；除能夠測得抗剪強(qiáng)度外，最好能夠評價瀝青和集料的性能；試驗過程簡單，試驗參數(shù)容易確定。單軸貫入試驗較好地滿足上面提到的原則。首先，在單軸貫入試驗中，試件內(nèi)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力分布于實際路面在車輪荷載下產(chǎn)生的剪應(yīng)力分布相似。試驗加載過程中瀝青混合料試件將發(fā)生側(cè)向的約束作用，導(dǎo)致試件發(fā)生約束破壞，形成瀝青混合料剪切強(qiáng)度機(jī)理。側(cè)向約束的大小與瀝青混合料的性能密切相關(guān)。當(dāng)試件貫入壓力不同時，其側(cè)向約束也不同；在試驗過程中，試件側(cè)向約束的大小與豎向壓力有關(guān)，試件約束有豎向壓力（主動）與側(cè)向壓力（被動）組成。采用單軸貫入試驗雖

11、然可以測出瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，但無法得出混合料的粘聚力c和 內(nèi)摩擦角，單軸壓縮試驗可計算出內(nèi)聚力c和 內(nèi)摩擦角，達(dá)到評價試件表面紋理特性，控制集料質(zhì)量的目的。3.2選用方法單軸壓縮試驗法試件制備：以最佳油石比和對應(yīng)的馬歇爾密度靜壓成型：試件：100x100mm（直徑贅擼倉澹？數(shù)量：單軸貫人試件3個，單軸壓縮試件3個；加載速率：1mm/min。3.3單軸壓縮一單軸貫入試驗3.3.1實驗原理單軸貫人試驗是通過試驗機(jī)一個剛壓頭直徑小于試件直徑上進(jìn)行加壓，兩個壓頭直徑的比值為r/r。為了更好地模擬實際路面的受力狀態(tài)，路面結(jié)構(gòu)簡化為r/r比值足夠小的圓柱體，對它施加一定的圓形荷載（見圖4.1）。貫入壓

12、強(qiáng)為1mpa時最大剪應(yīng)力處的剪應(yīng)力稱為試件基本的抗剪參數(shù)，試件的基本抗剪參數(shù)乘以實際試件在貫入試驗中得到的貫入壓強(qiáng)稱為試件的抗剪強(qiáng)度值（如下）。s = c譖式中：s表示所求試件抗剪強(qiáng)度值；c表示抗剪參數(shù)；p表示試驗獲得貫入強(qiáng)度。單軸貫人試驗試件變形分為四個階段：第一階段：壓密階段；瀝青混合料試件粗、細(xì)集料顆粒與瀝青進(jìn)行重新組合和嵌擠；第二階段：彈性工作階段；在外力作用下試件出現(xiàn)彈性變形，階段后期出現(xiàn)微細(xì)裂紋；第三階段：破壞階段；試件微細(xì)裂紋開始發(fā)展，整體結(jié)構(gòu)未破壞；第四階段：完全破壞階段；試件裂縫超過所能承受的最大應(yīng)力值時發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞；隨著壓頭位移的增大，應(yīng)力開始變小。3.3.2實驗方法在單軸

13、貫人試驗中，為了保證試驗的準(zhǔn)確性，混合料最大公稱粒徑選取16mm，使用萬能材料試驗機(jī)mts-810進(jìn)行加載，環(huán)境溫度為20、60，試件尺寸：100？00mm，壓頭直徑為： 28.5mm，加載速度：1mm/min。豎向固定圓柱體模型底部，試件四周不受側(cè)向限制，材料泊松比取0.35，算出貫入壓強(qiáng)為1mpa時最大剪應(yīng)力處的剪應(yīng)力值如表3.3.1：表中： 1（第一主應(yīng)力）； 3 1 （第三主應(yīng)力）； max（最大剪應(yīng)力）。為了求得混合料黏聚力c和內(nèi)摩擦角，采用無測限抗壓強(qiáng)度試驗，得到測限 3=0時的一組 1值，這樣，結(jié)合單軸貫人的一組 1 3值畫出莫爾圓，從而求出c和。通過單軸壓縮一單軸貫入試驗繪出兩

14、個莫爾圓以及它們的公切線，可得出瀝青混合料的c和 值。單軸壓縮一單軸貫入試驗：莫爾圓受力分析圖也可以通過下式求解：=arcsin（）c=（）式中， u 為單軸壓縮強(qiáng)度，mpa； g1為貫人強(qiáng)度與c1的積，mpa； g2為貫入強(qiáng)度與c2的積，mpa。表3.3.2：試驗方法所用的強(qiáng)度參數(shù)3.4實驗參數(shù)及分析根據(jù)上述公式和強(qiáng)度參數(shù)，其計算結(jié)果如表。從表可以看出，用單軸壓縮一單軸貫人試驗所呈現(xiàn)出來的規(guī)律：（1）摻加聚酯纖維瀝青（改性瀝青）的內(nèi)摩擦角 和黏聚力c比未摻加纖維瀝青（普通瀝青）的內(nèi)摩擦角 稍大，說明摻加聚酯纖維瀝青（改性瀝青）較未摻加纖維瀝青（普通瀝青）抗剪切性能有所提高。（2）隨著溫度的升

15、高，瀝青混合料粘聚力c值逐漸減小，減小趨勢逐漸變緩?？傮w來說，c值對溫度變化還是非常敏感的，尤其在20-40之間。因此，溫度對摻加聚酯纖維瀝青（改性瀝青）混合料粘聚力的影響要小于對未摻加纖維瀝青混合料粘聚力的影響。（3）瀝青混合料的粘聚力c值隨加載速率增大而增大，增長趨勢逐漸減小，但加載速率對內(nèi)摩擦角 值影響規(guī)律也不明確。在高溫作用下，未摻加纖維瀝青混合料（改性瀝青）粘聚力c隨加載速率的變化大于對摻加聚酯纖維瀝青混合料（普通瀝青）。4瀝青路面的耐久性近年來，隨著我國高等級瀝青公路的大量修建，瀝青混合料的疲勞性能在公路建設(shè)中占據(jù)越來越重要的地位。4.1國內(nèi)外疲勞試驗研究類型 根據(jù)國內(nèi)已有瀝青混合

16、料疲勞研究，結(jié)合適用于中國實際情況的試驗方法，對改性瀝青混合料和普通瀝青混合料試件進(jìn)行疲勞破壞試驗，進(jìn)一步了解瀝青混合料防腐路面的疲勞特性。目前，國內(nèi)外疲勞試驗研究分為3種類型：（1）實際路面在實際行車荷載作用下的疲勞性能；（2）用實際路面結(jié)構(gòu)模擬行車荷載作用下的疲勞性能；（3）材料試件的室內(nèi)疲勞試驗。前2類方法雖然能夠較好地反映實際路面的疲勞性能，但試驗周期長、資金耗費巨大，且試驗結(jié)果受環(huán)境和路面結(jié)構(gòu)影響較大。因此，我國對于瀝青路面疲勞性能的研究，使用最多的是材料試件的室內(nèi)疲勞試驗。4.2瀝青混合料疲勞試驗疲勞試驗的加載方式分為兩種：應(yīng)力控制和應(yīng)變控制?？偟膩碚f，在應(yīng)變控制的疲勞試驗過程中，

17、瀝青混合料的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)能夠更好地模擬實際路面結(jié)構(gòu)受行車荷載作用的疲勞特性，疲勞試驗的結(jié)果可直接應(yīng)用。瀝青混合料疲勞試驗采用小梁應(yīng)力控制方式，小梁通常不會出現(xiàn)明顯的斷裂現(xiàn)象，假定小梁勁度模量下降為初始勁度模量50%的循環(huán)荷載次數(shù)稱為瀝青混合料疲勞壽命。由于所加荷載大小與混合料勁度成正比關(guān)系，因此試驗中以所加荷載大小達(dá)到初始荷載的一半時作為破壞標(biāo)淮。三點加載小梁彎曲試驗的計算方法如下：（1）抗彎拉強(qiáng)度： r=lp/wh2式中：r-表示試件破壞時抗彎拉強(qiáng)度，mpa；l-表示試件梁跨徑，mm；p-表示試件破壞時的最大荷載，n；w-表示 跨中斷面試件寬度，mm；h-表示跨中斷面試件高度，mm；梁底最大

18、彎拉應(yīng)變： =12 h/3l2-4a2 a=l/3式中：h-跨中斷面試件高度，mm；-試件破壞時的跨中撓度，mm；l-試件梁跨徑，mm；（2）彎曲勁度模量：s=r/式中：r-試件破壞時抗彎拉強(qiáng)度，mpa；-試件破壞時的最大彎拉應(yīng)變；（3）應(yīng)變控制方法：nf=c（1/ 0）m式中：nf-達(dá)到破壞時的重復(fù)荷載作用次數(shù)；c，m-試驗確定的系數(shù)；0-初始的彎拉應(yīng)變；根據(jù)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程規(guī)定：試件制作方法：輪碾壓實并切割成小梁；小梁尺寸：50mm？0mm？50mm；平行試驗小梁個數(shù)：4根；加載方式：應(yīng)變控制、三點加載、支座間距：小梁的跨徑300mm；應(yīng)力比：0.2、 0.3 、 0.4

19、、 0.5；加載波形和頻率：根據(jù)理論分析，連續(xù)式正弦波比較接近實際路面承受的荷載波形；更好地模擬行車對瀝青混合料路面的實際荷載作用，本章瀝青混合料疲勞試驗的加載頻率采用10hz。試驗溫度：我國不同省份的溫度差別雖然很大，但瀝青混合料的疲勞破壞溫度差別不大，一般集中在10-15。因此，本章瀝青混合料疲勞試驗溫度采用15。試驗設(shè)備：mts-810萬能材料試驗系統(tǒng)；試驗步驟：（1）試件養(yǎng)護(hù)，試件放置在實驗室（采用空調(diào)控制，溫度控在15？）保溫3個小時以上。（2）試件安置，將試件小梁在支座上輕輕放置，使小梁與支座緊密接觸，調(diào)整支座與加載的位置處于小梁的三分點。（3）計算各應(yīng)變相應(yīng)的系數(shù)輸進(jìn)mts系統(tǒng)中

20、，并對系數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整，保證在設(shè)定應(yīng)變比條件下進(jìn)行。（4）進(jìn)行試驗時，觀察施加荷載及時間、位移等相關(guān)情況，并記錄試驗結(jié)果。4.3試驗結(jié)果與分析表4.3.2可知：在應(yīng)力控制模式下，摻加聚酯纖維瀝青（改性瀝青）疲勞壽命要高于未摻加纖維瀝青（普通瀝青）疲勞壽命，表明聚酯纖維對于瀝青混合料的疲勞壽命有所提高。表4.3.1和表4.3.2結(jié)果分析：在常量應(yīng)力控制下，摻加聚酯纖維瀝青（改性瀝青）的彎曲勁度模量比未摻加纖維瀝青（普通瀝青）要大，故應(yīng)力相同水平下，達(dá)到最大應(yīng)變所需的循環(huán)荷載次數(shù)相對較多，則摻加聚酯纖維瀝青混合料疲勞壽命相對于未摻加纖維瀝青混合料要長。4.4 疲勞破壞是路面結(jié)構(gòu)在應(yīng)力或應(yīng)變低于混合

21、料強(qiáng)度極限時，荷載的重復(fù)作用導(dǎo)致路面開裂的一種破壞現(xiàn)象根據(jù)實際情況，我國瀝青路面形式大部分以半剛性瀝青路面為主。在瀝青路面的早期病害中，路面裂縫較為明顯，如果處理不及時，路面上積存的雨水和泥漿以及其它有害物質(zhì)會通過裂縫進(jìn)入到基層中，再加上車輪的循環(huán)荷載，路面將產(chǎn)生唧漿、坑槽、斷裂等破壞，嚴(yán)重影響路面上行駛車輛的的平順性與安全性。因此，要及時維修路面早期的裂縫阻止繼續(xù)擴(kuò)展，對路面破壞及行車安全起到很好的保護(hù)作用。青路面疲勞開裂的研究方法主要分為3類：現(xiàn)象學(xué)分析法、力學(xué)分析法和能量分析法?，F(xiàn)象學(xué)分析法是疲勞試驗中瀝青混合料出現(xiàn)疲勞破壞的重復(fù)應(yīng)力值，即瀝稱青混合料疲勞強(qiáng)度；對應(yīng)的重復(fù)應(yīng)力作用次數(shù)稱瀝

22、青混合料疲勞壽命。且進(jìn)行疲勞試驗時，采用應(yīng)變控制和應(yīng)力控制兩種不同的加載模式。力學(xué)分析法是一種預(yù)測并假定瀝青混合料疲勞壽命的方法，它主要根據(jù)路面斷裂力學(xué)原理推理路面疲勞裂縫的形成與演變規(guī)律，一般假設(shè)開裂過程分為3個階段：（1）裂縫初始生成；（2）裂縫的穩(wěn)定成長；（3）裂縫的不穩(wěn)定發(fā)展，其中以第二階段裂縫的穩(wěn)定成長為疲勞壽命的主要部分。能量分析法是根據(jù)粘彈性瀝青混合料的綜合模量與力學(xué)性質(zhì)判斷瀝青混合料的疲勞特性，其綜合模量包括恒定模量（彈性）和損耗模量（粘性），力學(xué)性質(zhì)取決于荷載作用的時間和溫度，瀝青混合料的疲勞強(qiáng)度主要由損耗能量和應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)荷載過程中的能耗組成。該方法的主要特點是試驗中總能耗與循環(huán)荷載重復(fù)作用