沥青及沥青混合料抗疲劳性能分析研究

闫猛

摘要：在论述沥青路面破坏机理的基础上，详细分析了影响沥青疲劳寿命的因素，指出荷载间歇时间、温度、沥青品种、级配类型是影响沥青混合科疲劳性能的关键因素，并总结出了常用沥青混合科疲劳性能试验方法，并冲各种试验方法进行了分析、比较与评价。

关键词：沥青；沥青混合料；疲劳；评价指标

前言：近年来，交通事业发生日新月异的变化，高等级公路的建设在我国也是与日俱增。由于它的优点，如光滑舒适的驾驶、维修方便等特点，沥青及沥青混合料路面已被广泛应用于高等级公路。如果沥青混合料在荷载作用下负荷一定的次数，荷载作用下的路面产生的应力将超过结构抗力进而使强度降低，使得路面产生裂纹，导致路面出现疲劳断裂。这种重复路面承受负荷的状态，会在长期应力叠加下改变状态，使路面强度逐漸下降，后期会出现严重的破坏，如裂缝、车辙、松散破坏和表面磨损等。所以这是非常重要的去了解沥青路面的破坏机理，并充分理解影响沥青路面疲劳性能的因素以及建立相应的评价标准。

1沥青路面破坏机理

沥青路面剪切破坏机制的研究虽然在国内外学者存在争议，但目前，普遍被接受的观点是：在不同强度荷载作用下路面会承担很大的剪应力，沥青混合料的抗剪切强度不足使路面表面开裂出现车辙、变形等常见病害。路面破坏是一个逐渐破坏的过程，首先路面沥青面层发生破坏，使表面产生大量的疲劳裂缝，在荷载的作用下，路表水会积聚于基层和底基层中，使路面急剧破坏强度下降，进而形成全面的破坏。通过大量的实践和现场调查，沥青路面发生表面开裂、面层失稳等剪切破坏多是在垂直荷载和竖直荷载共同作用下形成的。水破坏是最常见的破坏形式。在行车冲击荷载的频繁作用下，自然状态下的水会变为高压、高速的水，直接冲击面层形成翻浆现象。路面下的材料被冲击掏空，随着时间的延长，路面就会出现裂缝。一部分渗入路面下层的水会在路基填土逐层碾压后进入更深的地下，形成含水率很高的土层，进而使土层塑性增强，路基土体刚度和强度降低，会发生路基边坡滑动、崩塌等自然灾害。路基和路面是一个有机的整体，不论是路面还是路基发生破坏，都会使另一部分发生破坏。

2影响沥青疲劳寿命的因素

2.1荷载间歇时间。路面承受车辆荷载，对于前后车轮的车辆之间会有一定的间歇通过时间。这种间歇时间有助于恢复疲劳损伤的状态，有助于延长沥青混合料的寿命。由于沥青混合料的粘弹性效应，卸料后的应力松弛和微裂纹在一定程度上发生愈合。持续的荷载会使沥青混合料的抗拉强度降低，间歇后会更不容易恢复到原来的强度状态。所以适当的荷载间歇时间对于沥青疲劳寿命是有一定的影响。

2.2温度。相对而言，温度对于沥青混合料的疲劳寿命的影响比间歇时间更为显著。这是因为在应力下的荷载模式的控制下，疲劳寿命会随着温度的降低迅速增加。然而，当测试温度降低，疲劳寿命是较少依赖于温度，当试验温度升高，疲劳寿命适当增加。

2.3沥青品种。研究各种影响沥青混合料疲劳性能的因素比较有意义。它对混合料疲劳寿命的作用，可以用混合劲度测量。这是类似于温度的疲劳性能。不同的沥青品种对应力应变的反应结果不同。沥青的硬度可以用软化点会有来表示。研究表明，在一定量的沥青作用下，沥青软化点较高，会有较长的疲劳寿命。

2.4级配类型。混合料级配对疲劳寿命的影响是一个内在的因素，由于级配类型，组合的内部结构有很大的不同，导致不同层次的疲劳寿命较为不同。混合料的疲劳性能分级是由混合料的孔隙率表现出的。

3室内小型疲劳试验方法介绍

目前疲劳试验的方法有很多，归纳起来可以大致分为四类：第一类是真实汽车在实际路面实行真实荷载进行下的疲劳试验；第二类是足尺试验，通过足尺路面结构模拟汽车荷载作用下的疲劳性能；第三类是样板实验法；第四类是在室内进行小型材料试件的疲劳试验，这种是经常采用的试验方法。通常情况下前三类试验研究方法消耗大、周期长，操作不方便且试验结果受其他影响较大，开展得并不普遍，因此大量采用的还是周期短、费用少的室内外小型疲劳试验。

3.1简单弯曲疲劳试验。这种方法主要采用梁式截面，对试件施加重复荷载。简单弯曲试验主要有三种形式：中点加载、三分点加载的重复弯曲试验旋转悬臂梁梯形悬臂梁。

我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）T0715-1993中也是采用了中点加载的形式研究沥青混合料弯曲破坏的力学性能，试件尺寸为250mm×30mm×35mm，这种方法在我国应用较为广泛。

不同的试验视需求而定不同的试件尺寸。

3.2间接拉伸疲劳试验。间接拉伸疲劳试验在我国应用研究比较多，是使均匀拉伸应力在沿试件荷载作用的垂直方向，进而通过压得方法来达到一种压得效果。我国的研究人员大多采用这种方法，因为制作简单，试验易于操作。试件直径为100mm，高为63.5mm，荷载通过以宽为12.5mm的加载压条作用在试件上。

3.3支承弯曲试验。这种方法通常采用在试件中部施加反复荷载，从而使试件的内部的应力状态模拟实际的路面使用状态。

3.4轮辙试验。这种方法可以测量试件底部应变应力并能检测在荷载作用下裂缝产生和延伸的情况。该方法采用充气压力来改变接触面积。

结论：建立可准确评价沥青疲劳性能指标的评测方法是一项十分困难但有意义的工作。对于沥青疲劳性能的理论研究应该基于尽量模拟复杂现实沥青路面试验的基础上进行，这样沥青混合料的疲劳特性具有良好的相关性，使试验可用于预测沥青路面疲劳性能。因此，当前沥青疲劳性能的评价分析研究方法仍有很大的研究空间，需要持续专注的进行研究。endprint