孫長軍 吳少鵬 唐 寧 Kim Jenkins 潘 攀 李文濤

（1.唐山曹妃甸發(fā)展投資集團(tuán)有限公司 唐山 063210；

2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070；3.University of Stellenbosch，Moderator，South Africa）

瀝青路面具有油耗低、噪聲小、抗滑性好、車輛磨損小等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于城市道路、橋梁加鋪、機(jī)場跑道及高速公路。然而，由于超重載、施工、材料設(shè)計(jì)以及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等原因，瀝青路面在使用過程中常常出現(xiàn)早期破壞［1－2］。如何確定合適的養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)，提出養(yǎng)護(hù)對(duì)策，從而延長道路的使用壽命，一直是交通部門和道路研究工作者迫切希望解決的問題。

研究表明，通過摻入導(dǎo)電相材料（粉末、纖維以及鋼渣），可以使瀝青混凝土從高絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體［3－5］。導(dǎo)電瀝青混凝土在應(yīng)力、應(yīng)變下具有靈敏的電阻變化的特性，即壓敏特性。結(jié)構(gòu)自診斷技術(shù)是根據(jù)瀝青基復(fù)合材料電阻率的變化來判定其結(jié)構(gòu)所處的工作狀態(tài)，及時(shí)地了解掌握結(jié)構(gòu)的健康狀況數(shù)據(jù)，從而在未達(dá)到永久性破壞前及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施，使瀝青路面恢復(fù)到正常的服務(wù)水平［6－8］。導(dǎo)電瀝青混凝土在實(shí)現(xiàn)其自診斷功能的同時(shí)應(yīng)具有優(yōu)良的路用性能，本文對(duì)結(jié)構(gòu)自診斷導(dǎo)電瀝青混凝土的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并通過四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)對(duì)其疲勞特性進(jìn)行了探討。

1 原材料

本次試驗(yàn)研究所用瀝青為盤錦遼河油田A級(jí)70號(hào)道路石油瀝青，其主要指標(biāo)：針入度（25℃，100 g，5 s）為66（0.1 mm），軟化點(diǎn)（環(huán)球法）為49.5 ℃，延度 （5 c m·min－1，15 ℃）為150 c m。集料采用優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r碎石，最大粒徑為16 mm，礦粉為內(nèi)蒙古白音錫勒石灰?guī)r礦粉，親水系數(shù)為0.9，密度為2.702 g·c m－3。以上試驗(yàn)材料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。導(dǎo)電相材料石墨是青島天盛石墨公司生產(chǎn)的鱗片石墨，其主要性質(zhì)見表1。

表1 石墨的主要性質(zhì)

普通瀝青混凝土屬于不良導(dǎo)體，只有摻入大量的導(dǎo)電相材料才能獲得良好的導(dǎo)電性能。研究表明，傳導(dǎo)瀝青混凝土的級(jí)配設(shè)計(jì)應(yīng)滿足3個(gè)方面的要求［9］：良好的骨架結(jié)構(gòu)、足夠的礦料間隙以及低瀝青用量。因此通常采用Superpave級(jí)配設(shè)計(jì)方法進(jìn)行傳導(dǎo)瀝青混凝土的級(jí)配設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)中瀝青混合料的級(jí)配采用Super pave12.5，見表2。普通瀝青混凝土采用的油石比為5.1%。石墨替代部分礦粉作為填料使用，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，由于瀝青易被石墨吸收，結(jié)構(gòu)自診斷導(dǎo)電瀝青混凝土采用的油石比為6.2%。

表2 結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土Super pave12.5合成級(jí)配

2 試驗(yàn)方法

2.1 基本性能試驗(yàn)

瀝青混合料的基本性能主要包括水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性2個(gè)方面。依據(jù)《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》［10］，馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比是目前常用來評(píng)價(jià)瀝青混合料抗水損害能力的2個(gè)指標(biāo)，高溫穩(wěn)定性指瀝青混凝土抵抗高溫永久變形的能力。為了降低試驗(yàn)誤差，水穩(wěn)定試驗(yàn)中對(duì)比組和試驗(yàn)組均采用8個(gè)試件，高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)中每組采用4個(gè)車轍試件。

2.2 疲勞性能試驗(yàn)

本研究采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的疲勞特性，試驗(yàn)設(shè)備均采用UT M-25伺服試驗(yàn)機(jī)。四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)主要用來測定壓實(shí)瀝青混合料承受彎曲荷載的疲勞壽命，將車轍試樣切割成長度380 mm±5 mm、高度50 mm±6 mm、寬度63 mm±6 mm的棱柱體小梁試件，預(yù)加載50個(gè)循環(huán)后所對(duì)應(yīng)的彎曲勁度模量即為初始勁度S0，當(dāng)試件的彎曲勁度模量降低到初始彎曲模量50%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的加載循環(huán)次數(shù)即為疲勞壽命。試驗(yàn)采用的加載模式為應(yīng)變控制模式，應(yīng)變范圍一般情況下控制在250～750微應(yīng)變之間，特殊情況下可適當(dāng)擴(kuò)大應(yīng)變范圍。實(shí)驗(yàn)加載頻率控制在10 Hz，波形選為正弦波形。為了研究傳導(dǎo)瀝青混凝土在中溫和低溫條件下的疲勞特性，故試驗(yàn)溫度分別設(shè)為（15±0.5）℃和（5±0.5）℃。

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 水穩(wěn)定性

表3對(duì)比分析了結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土和普通瀝青混凝土的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果。從表3可以看出，結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土的馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均低于普通瀝青混凝土，這說明石墨會(huì)降低瀝青混凝土的抗水損害的能力。由于石墨層間易解理滑移，起到潤滑劑的作用，不利于瀝青混凝土抵抗剪切應(yīng)力，這樣也使集料與石墨瀝青膠漿更容易發(fā)生剝離。雖然導(dǎo)電瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能仍滿足規(guī)范的要求，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中還需要采取必要的措施來改善其抗水損害能力，如采用抗剝落劑，防水抗油劑等。

表3 結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

3.2 高溫穩(wěn)定性

瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性是指瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力。本文采用動(dòng)穩(wěn)定度（dynamic stability，DS）和車轍深度（r utting dept h）2個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)瀝青混凝土的抗高溫變形能力。2種瀝青混凝土的車轍試驗(yàn)結(jié)果見圖1。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土比普通瀝青混凝土具有更大的動(dòng)穩(wěn)定度和更低的車轍深度，這說明石墨的加入提高了瀝青混凝土的高溫抗車轍性能。研究表明，瀝青膠漿的流變特性對(duì)瀝青混凝土的抗永久變形能力具有決定性的影響。因此，上述試驗(yàn)結(jié)果可能是由于石墨降低了瀝青膠漿的溫度敏感性，從而提高了瀝青混凝土的抗高溫永久變形的能力。

圖1 2種瀝青混凝土的車轍深度與DS對(duì)比

3.3 疲勞特性

本研究中的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，分別在5℃和15℃時(shí)試驗(yàn)測得普通瀝青混凝土試件和結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土試件的加載次數(shù)和應(yīng)變值數(shù)據(jù)，將疲勞壽命及相應(yīng)的應(yīng)變在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中作圖，可以發(fā)現(xiàn)上述兩者之間存在著良好的線性關(guān)系，見圖2。結(jié)果表明隨著應(yīng)變水平的增加，瀝青混凝土的疲勞壽命逐漸下降；而隨著溫度的升高，其疲勞壽命是逐漸提高的。

圖2 疲勞壽命與應(yīng)變之間的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖

由圖2可見，5℃時(shí)，傳導(dǎo)型瀝青混凝土試件比空白試件有更大的趨勢線斜率，說明在較低溫度下，隨著應(yīng)變水平的增加，傳導(dǎo)型瀝青混凝土的破壞速率更大，疲勞壽命下降更快。相反，在15℃下，傳導(dǎo)型瀝青混凝土試件趨勢線斜率不及空白試件，由此可知在中溫下，隨著應(yīng)變水平的增加，傳導(dǎo)型瀝青混凝土的破壞速率更小，疲勞壽命下降更慢。

總的來看，不管在中溫還是低溫下，傳導(dǎo)型瀝青混凝土比空白試件具有更短的疲勞壽命，這主要是由石墨特殊的物理結(jié)構(gòu)特性決定的，在試驗(yàn)中使用的石墨的粒徑是非常小的，并且它是鱗片狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)給其施加一定的力時(shí)，鱗片容易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)以至于抵抗外力的能力變差；另外，石墨具有很強(qiáng)的潤滑作用，這也會(huì)造成傳導(dǎo)型瀝青混凝土的強(qiáng)度下降。值得注意的一點(diǎn)是，在低溫低應(yīng)變下，傳導(dǎo)型瀝青混凝土的疲勞壽命優(yōu)于空白樣，這可能是由于低溫下石墨的潤滑作用減弱，造成傳導(dǎo)型瀝青混凝土的疲勞壽命更優(yōu)。

4 結(jié)論

（1）石墨會(huì)在一定程度上降低結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土水穩(wěn)定性能，在實(shí)際應(yīng)用過程中還需要采取必要的措施來改善其抗水損害能力。

（2）結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土比普通瀝青混凝土具有更大的動(dòng)穩(wěn)定度和更低的車轍深度，這可能是由于石墨改性瀝青膠漿溫度敏感性的降低導(dǎo)致的。

（3）與普通瀝青混凝土相比，結(jié)構(gòu)自診斷瀝青混凝土的疲勞壽命更短；并且疲勞破壞速率呈現(xiàn)出溫度依賴性，在同一應(yīng)變水平下，溫度下降時(shí)，傳導(dǎo)型瀝青混凝土的破壞速率加快，疲勞壽命縮短。

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