沥青路面半刚性基层材料与结构疲劳损伤研究

张泽南

通过对沥青路面半刚性基层材料与结构疲劳影响因素的总结分析，讨论了其疲劳性能变化对寿命的影响情况，并进一步结合北京地区某实际改建工程案例针对半刚性基层材料的疲劳性能及寿命变化情况进行了研究。通过不同试件的测定与对比可知，采用本文所给出的计算方法能够进一步减小基层材料试件预测寿命与实测寿命的偏差幅度，为沥青路面基层材料与结构疲劳性能的研究提供一定的指导。

随着城市建设的现代化不断发展和推进，交通网络的构建成为连通不同城市之间以及城市内部通行的重要纽带，由于我国地域面积大，高速公路成为日常通行的重要通道，高速公路的发展为我国的交通事业的不断发展奠定了重要的基础。得益于半刚性沥青路面的原材料自身性价比较高的优势，一直被广泛地应用于高速公路的建设当中。随着社会的不断发展和进步，前期建造的公路所承载的交通量正在不断地增加，同时部分车辆的载重量也在不断提升，对半刚性基层沥青路面的结构产生了重要的影响，部分道路出现了疲劳、收缩开裂等结构方面的早期破坏，进一步加剧了道路维修养护的成本，同时也容易造成车辆通行的安全隐患。如果早期的结构破坏未得到及时的解决，会导致半刚性基层材料良好的力学性能及优质的经济性难以充分发挥其优势。针对半刚性基层材料与结构疲劳损伤的研究和分析，可以在解决道路早期结构破坏的同时，为道路路面的基层结构设计和施工提供更多的指导。

在我国正在建造和已经建造的高速公路中，采用半刚性基层的占比比例在85%以上，在此类结构中，主要的承重层是半刚性基层。长期的载荷会使道路出现疲劳断裂等类型的破坏。在半刚性基层材料的性能分析过程中，疲劳性能是重要的指标，相关研究人员针对其性能进行了大量的研究。本文结合半刚性基层材料与疲劳性能之间的关系进行了研究，将开裂时的循环次数作为疲劳的寿命指标，针对沥青路面半刚性基层材料与结构疲劳损伤的情况进行了更为系统性的分析和探讨。

一、半刚性基层材料疲劳特性分析

目前的路面结构形式主要采用的是半刚性基层沥青混凝土路面，重载车辆的增多以及交通量的不断增加导致半刚性基层在载荷的反复作用下出现了脆性大以及抗变性能较差的情况。此类情况的出现不仅会影响路面的美观，还会导致道路结构的进一步破坏，进而影响到车辆通行的舒适性和安全性。因此，研究半刚性基层材料的疲劳特性成为分析沥青道路路面性能变化及使用寿命的重要内容，同时也可以为道路的日常维护提供更多的指导。

1.疲劳性能与结构类型的关系

通常情况下，局部性是疲劳破坏的明显特点，疲劳破坏开始的部位一般集中在材料应力或者应变较高的局部位置，前期的损伤由于得不到及时的修复会逐渐积累，长此以往会导致严重的破坏。对于常见的半刚性基层材料而言，通常是由骨料以及无机结合料等基本材料与水混合后组成的复合材料，一般情况下呈现出一种疏松的状态，由于其特殊的结构，受到力的作用之后会出现弥散裂隙或者空洞。复合材料所出现裂隙及空洞会在载荷的反复作用下持续的加剧和增长，并不断地进行连通聚合，进而形成更大尺度的宏观裂纹，导致出现结构性破坏。

分析悬浮密实和骨架密实结构的形成情况的特性可以发现，空洞的出现或者细微裂缝存在的比例相对于悬浮密实的结构相对较少，对于水泥稳定碎石以及二灰稳定碎石而言，二者属于骨架密实结构，因此其疲劳性能更具有优越性。但是，对比水泥稳定碎石与二灰稳定碎石可以发现，后者的疲劳性能更优，其主要原因是由于水泥稳定碎石的结构类型更为密实。

对于常见的沥青路面结构破坏，需要综合分析判断其破坏情况，为道路的维护提供指导，同时为道路使用寿命的预测和判断提供更为合理的预测基础。如图1所示，给出了道路半刚性基层破坏程度的整体评价流程。在评价流程中的材料寿命分析环节，需要结合材料的具体结构性能决定其使用寿命的情况，如果使用寿命较小，则可做粒料层按照相关设计和施工要求进行处理；如果使用寿命较大，则可按照两阶段设计法进行。

图1 道路半刚性基层整体评价方法

2.疲劳性能与材料强度的关系

在半刚性基层材料的疲劳预测模型中，自变量的选取通常为应力水平的变化，弯拉强度可以作为不同沥青路面不同基层材料性能变化的反映，据此判断基层材料的特性变化。此外，通过对比不同沥青路面的基层材料结构类型，可以发现影响疲劳寿命的重要因素之一是基层材料的弯拉强度。通常情况下，就材料的抗疲劳性能而言，二灰稳定碎石优于水泥稳定砂砾，同时也优于水泥稳定碎石，即在相同的载荷作用下，二灰稳定碎石相较于另外两者能够承受更多的载荷作用次数。因此，通过以上的分析可知，沥青路面的半刚性基层材料的疲劳性能在很大程度上会受到材料弯拉强度的影响，通过采取相关的措施进而适当提高沥青路面半刚性基层材料的抗弯拉强度，可以在不同程度上对基层材料寿命衰减相对较快的情况进行一定程度的改善和提升，进而提高材料的抗疲劳性能。

二、结构疲劳损伤研究

1.工程概况

通过沥青路面半刚性基层材料与结构疲劳损伤的研究，可以为道路的设计和施工提供更多的基础支撑。为了进一步研究半刚性基层材料抗疲劳性能的变化情况，以北京市某道路为例，针对其半刚性基层材料的疲劳性能展开了相关的实验研究。该工程属于改建工程二标段，路线全长12.35km。路线内存在铁路桥、国道、规划新区等不同的控制点。老路路面破损严重，存在较多的坑洼破损，其中路面宽度5.0m，路基宽度6.5m。该工程改建完成之后可在较大程度上提升道路的通行能力，在一定程度上也能够缓解旁边国道的通行压力，为新区的交通提供更大的便利，为当地的经济发展提供支撑。

2.试件制备及试验设备

（1）试验的试件制备

试验按照行业测定标准《柔性路面设计参数测定方法标准》（CJJ/T59-94）中规定的大梁试件作为本次测定所用的试验试件。试验过程中所采用的试件示意图如图2 所示，试件的总数为30 个，具体尺寸为450mm×150mm×150mm，沥青混凝土作为其面层材料（此部分厚度为50mm）；基层的结构为半刚性水稳层（此部分厚度为100mm），经过静压及养护最终成型。混合料的油石比为4.7%，干密度为2.376g/cm3，水稳集料的水泥含量为5%，采用的是普通硅酸盐水泥。此外，对于集料的最佳含水率，通过击实试验进行参数的确定，最终确定5.5%为集料的最佳含水率，此时所对应的最大干密度为2.31g/cm3。

图2 试验中试件的尺寸及形状（单位：mm）

图3 应力水平为0.8时弹模比（E/E0）的衰减变化情况

（2）试验设备

本次试验过程中，所采用的测试系统是型号为MTS810 动静态材料试验机，该试验系统可以针对测试试件进行拉伸、压缩、弯曲等静态试验，以及蠕变和疲劳试验，动载荷的控制范围：-150kN～150kN；静载荷的控制范围：-100kN～100kN。以正弦波作为其疲劳载荷的波形（其频率为10Hz），应力水平分别为0.7 和0.8，σmin/σmax=0.1（循环应力比）。试验过程中，以三分点弯曲加载的方式进行试验测定，采用应变片测定试件的参数变化情况（应变片粘贴在试件的底部跨中位置）。

3.试验结果及分析

通过针对各试件的疲劳试验结果的对比和分析可知，底部跨中位置弹模的变化呈现出三阶段衰减规律，如图 3 所示，给出了不同试件应力水平为0.8 的情况下弹模比的衰减变化趋势。在进行疲劳试验时，可以发现试件底部跨中位置发生破坏的临界点是其弹性模量衰减至某临界值，基于半刚性基层材料的统计分析可知，该临界值出现的平均值约为0.5。

在本次试验测定中，确定应力水平S 以及当前循环次数n 之后，然后通过其损伤量D，结合公式（1）便可以估算出材料的疲劳寿命：

通过不同试件的测定，对相关的数据结果进行统计学分析，可以得到式（1）中参数a=0.92，b=0.75，因此，可按此式对其疲劳寿命进行估算（对于临界值而言，存在n=Nf）。

基于以上分析，图4 给出了随机选取的试件（30个试件中进行随机选取编号）疲劳寿命的预估计算情况与实际测量情况的对比。由图可知，通过该公式预测的结果与实测结果较为接近，进一步验证了该公式的有效性和准确性。例如，对于试件1 而言，在实测损伤为0.21 的情况下，其预测寿命为4356 次，此时通过针对该试件的测定可知，所对应的实测寿命为4189 次，两者相差为167 次，偏差幅度约为4%左右。即使对于预测寿命相对较少的试件4 而言，其预测寿命和实测寿命分别为865 次和798 次，两者相差67 次，偏差幅度约为8.4%左右，进一步验证了公式的可行性。此外，对于实测损伤量而言，在所选取的试件中，当损伤量为临界值的40%左右时，预测寿命与实测寿命具有更小的偏差幅度。

图4 不同试件预测与实测寿命的对比分析（单位：次）

三、结语

基于对沥青路面半刚性基层材料疲劳性能影响因素的分析，针对北京某沥青道路改建工程的实际案例，研究了半刚性基层材料疲劳损伤的影响情况，并针对其疲劳寿命进行了预测值与实测的对比。通过对比不同试件的损伤量及疲劳寿命的变化情况，进一步分析了半刚性基层材料的基本性能对其疲劳寿命的影响。主要得出以下结论：

（1）沥青路面半刚性基层材料与结构疲劳损伤性能的变化不仅会受到路面结构的影响，同时也会受到基层材料强度的影响，通过适当提高沥青路面半刚性基层材料的抗弯拉强度，可以在一定程度上改善和提升材料的抗疲劳性能。

（2）通过对不同试件疲劳性能的测定及分析，可以发现试件底部跨中位置发生破坏的临界点所对应的弹性模量衰减临界值约为0.5；针对试件的预测寿命与实际寿命的对比发现，不同试件的预测与实测寿命的偏差值相对较小，整体偏差幅度在3%～9%的范围内。