界面污染对沥青小梁疲劳性能的影响研究

2022-05-08张逸琳

城市道桥与防洪 2022年3期

张逸琳

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]

0 引言

随着沥青作为主流路面材料使用愈加广泛，其疲劳破坏现象作为沥青路面的主要破坏方式之一，得到广泛关注[1-2]。针对目前沥青路面疲劳破坏的各种类型，当前研究重点偏重其材料本身和材料间的结构组合，以及以此为依据，根据路面的使用状况和当地的温度变化，对其进行相应的优化和改进[3]。然而，研究和实践均表明，如果忽略层间黏结、防水、应力吸收和耐久性等问题，即使大程度地提高面层和基层的强度，由于无法解决沥青路面层间黏结不足而导致的层间滑移状况，仍然无法从根本上解决沥青路面的疲劳破坏问题。一般认为，导致层间滑移病害的原因为水平力的强度大于层间的黏结强度。细化到实际状况中，原因主要表现为水平荷载作用过大或者路面层间黏结不足[4]。研究表明，水平荷载的存在会进一步削弱层间的结构，从而导致层间滑移。并且，水平荷载的作用会在很大程度上影响路面应力场的分布，尤其对于上面层，将在层内产生较大的拉应力[5-6]。当然，这是在前置条件为层间接触状态完全连续或完全光滑两种极端情况下而得到的结论，实际工况下的层间接触条件显然将介于两者之间[7]。研究表明，不同的层间接触条件将对路面结构的力学响应状况和分布产生很大的影响[8-11]。针对此类问题，很多学者基于有限元理论，在不同的层间接触状态下，对水平荷载与竖向荷载联合作用、荷载与温度耦合作用等不同力学工况下，路面层内的力学响应指标的大小和分布特性展开了研究[12-14]。同时，试验表明，在层间喷洒黏层油，能够有效地提高层间的黏结力和抗剪力[15]，但忽略了界面污染因素的影响。由于路面的日常工作状态完全暴露于自然环境中，外界的污染会引起沥青路面层间接触条件发生改变。文献[16]针对界面污染下，半刚性基层与沥青面层层间黏结性能进行了研究，却忽略了沥青路面面层层间接触状态受到污染的情况。

基于此，本文针对不同界面污染情况，在抗剪强度试验的基础上，进一步进行小梁弯曲疲劳试验，对复合沥青混合料小梁的疲劳寿命展开测试，并分析其弯曲劲度模量的变化规律，以分析其界面污染机理。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

考虑模拟钢桥面的沥青铺装结构工况，本试验采用新型骨架密实型防水混合料SMAP-5 和骨架悬浮密实型沥青混合料SMA-13，用以制备小梁结构件。用料选择上，黏层油类型选取SBS 改性乳化沥青，集料类型选择玄武岩碎石，矿粉类型选择石灰石矿粉，纤维类型选择木质素纤维，沥青类型选择自主研发的高黏弹改性沥青。两种混合料级配组成详见表1，混合料体积参数详见表2。复合小梁纵截面如图1 所示。

图1 S MA-13+S MAP-5 沥青混合料复合小梁试件

表1 各混合料合成级配

表2 复合小梁组合方式及其体积参数

1.2 试验方案

以四点弯曲疲劳试验为主要试验方法。鉴于实际工况中，沥青混合料的疲劳破坏主要发生在13～15℃之间，基本对应于北方春融期温度和南方地区的雨季温度。因此，该试验选取试验温度为15℃。此外，出于提高试验效率、节约试验时间的考虑，试验采取应变水平为1 250 με，且在加载时间上对制备的试件采取无间歇的荷载加载模式。

由于层间污染将对铺面层与层之间的黏结产生不利影响。在实际的道路施工工程中，自然环境中的风沙和施工时机械泄露的油污都是常见的路面结构层污染源。因此，本文以风沙和油污两种污染源为试验对象，研究层间污染对沥青混合料路面疲劳性能所产生的影响。

采用粉末状黄土或者集料灰尘模拟环境风沙，以及机油模拟施工时机械的油污，选取0 kg/m2、0.1 kg/m2、0.2 kg/m2、0.3 kg/m2四个水平，用以表征不同程度的污染量。

其他试验条件选取如下：试验温度15℃，试验应变水平1 250 με，试验加载频率10 Hz。以马歇尔试件为例，其层间污染效果如图2 所示。

图2 层间污染效果

2 试验结果分析

2.1 界面污染对层间抗剪强度的影响

根据试验方案，对制备的马歇尔试件进行不同预设工况的预处理之后，分别对其进行进一步的抗剪强度测试，得到表3 中的试验结果。

表3 不同层间污染抗剪强度试验结果

从表3 中的试验结果可以看出，相比层间洁净的马歇尔试件，层间受到污染的试件抗剪强度都有不同程度的减小。以粉末状黄土作为层间污染源的混合料抗剪强度相对于层间洁净的混合料抗剪强度分别下降了12.82%、19.87%、27.56%。以机油作为层间污染源的混合料抗剪强度相对于层间洁净的混合料抗剪强度分别下降了17.95%、25.00%、32.05%。

从上述数据结果分析中可以得出，模拟自然封杀的黄土污染和模拟施工机械油污的机油污染，都会使层间抗剪强度下降。在相同污染量下，油污染的影响比土污染的影响更大。

分析其原因，尽管土颗粒阻碍了上下层混合料之间的黏结，并且在剪切过程中促使上下层混合料之间静摩擦力转换成滑动摩擦力，从而造成混合料层间抗剪强度下降。然而，油污中的油类成分对层间抗剪强度造成的影响更大。根据相似相容原理，油污染中的油类成分一定程度上充当了溶剂作用，部分溶解了原本充当黏结作用的黏层油。同时，较高水平的渗透作用也使黏层油材料中沥青的油分含量增加，从而导致层间黏结减弱。此外，油污不仅对上下层混合料之间的黏结造成了一定的阻碍，甚至还提供了一定的润滑作用。多种因素作用下，共同导致沥青混合料的抗剪强度大幅度下降。

2.2 界面污染对复合小梁疲劳寿命的影响

根据试验方案，层间污染考虑在路面铺装过程中常见的污染，即尘土污染和机油污染。沥青混合料车辙板层间黏结状态如图3 所示，小梁疲劳试验结果如图4 所示。

图3 层间污染方式对比

图4 层间污染疲劳试验结果

由图4 可知，上下层混合料层间接触存在污染时，会导致混合料的疲劳寿命下降。相比于层间洁净，以黄土作为层间污染源时，不同的污染量工况下，混合料的疲劳寿命分别下降了13.37%、18.96%、21.83%。以机油作为层间污染源时，不同的污染量工况下，混合料的疲劳寿命分别下降了15.98%、20.78%、25.05%。试验结果表明，黄土污染源对混合料疲劳寿命的影响要小于机油污染源对混合料疲劳寿命的影响。其原因可能是：黄土颗粒存在与混合料层间黏结界面，虽然阻碍了上下层混合料的黏结，在车辆荷载作用的情况下，使混合料层间摩擦力由静摩擦变成滑动摩擦，但是，对于机油污染而言，其不仅阻碍了上下层混合料的黏结，而且在车辆荷载的作用情况下，在层间起到了润滑作用。