瀝青路面的抗疲勞性能

張艷明

(唐山市豐潤區交通運輸局)

早在1942年O.J.Porter就注意到道路路面在車輪荷載重復作用幾百萬次后會遭到破壞。L.W.Nijbver指出瀝青路面壽命后期出現的裂縫與行駛車輛產生的彎曲應力超過了材料的抗彎強度有關，強調裂縫是疲勞的結果，它取決于彎沉大小和重復次數。20世紀60年代開始世界各國對路面疲勞特性進行了系統研究，對路面疲勞破壞機理也有了更科學的認識。理論和實踐都已表明，在移動車輪荷載作用下，路面結構內各點處于不同的應力應變狀態如圖1。

路面面層底部B點處于三向應力狀態，車輪作用其上時，B點受到全拉應力作用，車輪駛過后應力方向改變，量值變小，并有剪應力產生。當車輪駛過一定距離后，B點則承受主壓應力作用。B點應力隨時間的變化曲線如圖2所示。

圖1 路面面層在車輪下的受力狀態

圖2 B點應力隨時間的變化

路面表面上A點則相反，車輪駛近時受拉，車輪直接作用時受壓，車輪駛過后又受拉。車輪駛過一次就使A，B點出現一次拉壓應力循環。路面在整個使用過程中，長期處于應力(應變)重復循環變化的狀態。由于路面材料的抗壓強度遠大于抗拉強度，而面層底部B點在車輪下所受的拉應力較之表面A點在車輪駛近或駛離后產生的拉應力要大得多，因此在荷載重復作用下路面裂縫通常從面層底部開始發生。路面疲勞設計大多數以面層底部拉應力或拉應變作為控制指標。

1 瀝青混合料疲勞力學模型

瀝青路面疲勞特性的研究方法可以分為兩類。一類為現象學法，即傳統的疲勞理論方法，它采用疲勞曲線表征材料的疲勞性質;另一類為力學近似法，即應用斷裂力學原理分析疲勞裂縫擴展規律以確定材料疲勞壽命。現象學法與力學近似法都是研究材料的裂縫以及裂縫的擴展，其主要區別就在于前者的材料疲勞壽命包括裂縫的形成和擴展階段，研究裂縫形成的機理以及應力、應變與疲勞壽命之間的關系，各種因素對疲勞壽命及疲勞強度的影響;后者只考慮裂縫擴展階段的壽命，認為材料一開始就有初始裂縫存在，它主要是研究材料的斷裂機理及裂縫擴展規律。

瀝青混合料的疲勞是材料在荷載重復作用下產生不可恢復的強度衰減積累所引起的一種現象。顯然荷載的重復作用次數愈多，強度的損傷就愈加劇烈，它所能承受的應力或應變值就愈小。

在現象學法中，把材料出現疲勞破壞的重復應力值稱作疲勞強度，相應的應力重復作用次數稱為疲勞壽命。疲勞壽命可以用兩種量度來表示，即服務壽命和斷裂壽命。服務壽命為試件能力降低到某種預定狀態所必需的加載累積次數;斷裂壽命為試件完全破裂所必需的加載累積次數。如果試件破壞都被定義為在連續重復加載下完全裂開時，則服務壽命與斷裂壽命兩者相等。

應用現象學法進行疲勞試驗的方法很多，歸納起來可以分為四類:一是實際路面在真實汽車荷載作用下的疲勞破壞試驗，如美國的AASHO試驗路;第二類是足尺路面結構在模擬汽車荷載作用下的疲勞試驗研究，包括環道試驗、加速加載試驗;第三類是試板試驗法;第四類是試驗室小型試件的疲勞試驗研究。由于前三類試驗研究方法耗資大、周期長，因此大量采用的還是周期短、費用少的室內小型疲勞試驗。

室內小型疲勞試驗的方法很多，如三分點小梁彎曲試驗、中點加載小梁彎曲試驗、懸臂梁試驗、單軸壓縮試驗、間接拉伸試驗、旋轉懸臂試驗等。迄今為止，各國均沒有將疲勞試驗作為標準試驗方法納入規范。

應用現象學法進行疲勞試驗時，可采用控制應力和控制應變兩種加載模式。應力控制方式是指在反復加載過程中所施加荷載(或應力)的峰谷值始終保持不變，隨著加載次數的增加最終導致試件斷裂破壞。這種控制方式以完全斷裂作為疲勞損壞的標準。試驗結果常采用下式來表示

式中:Nf為試件破壞時加載次數;k、n為取決于瀝青混合料成分和特性的常數;σ為對試件每次施加的常量應力最大幅值。

應變控制方式是指在反復加載過程中始終保持撓度或試件底部應變峰谷值不變。由于在這種控制方式下，試件通常不會出現明顯的斷裂破壞，一般以混合料勁度下降到初始勁度50%或更低作為疲勞破壞標準。試驗結果常采用如下公式來表示式中:N為混合料勁度下降為初始勁度50%或更低時的次數;ε為對試件每次施加的常量應變最大幅度;C，n為取決于瀝青混合料成分和特性的常數。

公式表明，材料在承受重復常量應力或應變條件下，施加的應力或應變同疲勞壽命之間的關系在雙對數坐標上成線性反比關系。

2 瀝青混合料疲勞壽命的預估方法

(1)諾丁漢大學法

諾丁漢大學通過對各種瀝青混合料室內疲勞試驗，建立了拉應變、疲勞荷載作用次數、瀝青含量和軟化點的關系式

式中:ε1為允許拉應變;N為荷載作用次數;VB為瀝青體積百分率;TR＆B為瀝青軟化點。

當拉應變為100×10-6時，混合料的疲勞壽命同瀝青用量和軟化點之間的經驗關系式為

式中:N為試件在常量應變100×10-6時達到破壞的加載次數;VB為瀝青的體積百分率;TR＆B為用環球法測定的瀝青軟化點。

(2)殼牌法

式中:N為荷載作用次數;εt為允許拉應變;Vv為空隙率;VB為瀝青體積百分率;Smix為特定時間、溫度下混合料的勁度。