瀝青及瀝青混合料抗疲勞性能分析研究

閆猛

摘要：在論述瀝青路面破壞機理的基礎上，詳細分析了影響瀝青疲勞壽命的因素，指出荷載間歇時間、溫度、瀝青品種、級配類型是影響瀝青混合科疲勞性能的關鍵因素，并總結出了常用瀝青混合科疲勞性能試驗方法，并沖各種試驗方法進行了分析、比較與評價。

關鍵詞：瀝青；瀝青混合料；疲勞；評價指標

前言：近年來，交通事業發生日新月異的變化，高等級公路的建設在我國也是與日俱增。由于它的優點，如光滑舒適的駕駛、維修方便等特點，瀝青及瀝青混合料路面已被廣泛應用于高等級公路。如果瀝青混合料在荷載作用下負荷一定的次數，荷載作用下的路面產生的應力將超過結構抗力進而使強度降低，使得路面產生裂紋，導致路面出現疲勞斷裂。這種重復路面承受負荷的狀態，會在長期應力疊加下改變狀態，使路面強度逐漸下降，后期會出現嚴重的破壞，如裂縫、車轍、松散破壞和表面磨損等。所以這是非常重要的去了解瀝青路面的破壞機理，并充分理解影響瀝青路面疲勞性能的因素以及建立相應的評價標準。

1瀝青路面破壞機理

瀝青路面剪切破壞機制的研究雖然在國內外學者存在爭議，但目前，普遍被接受的觀點是：在不同強度荷載作用下路面會承擔很大的剪應力，瀝青混合料的抗剪切強度不足使路面表面開裂出現車轍、變形等常見病害。路面破壞是一個逐漸破壞的過程，首先路面瀝青面層發生破壞，使表面產生大量的疲勞裂縫，在荷載的作用下，路表水會積聚于基層和底基層中，使路面急劇破壞強度下降，進而形成全面的破壞。通過大量的實踐和現場調查，瀝青路面發生表面開裂、面層失穩等剪切破壞多是在垂直荷載和豎直荷載共同作用下形成的。水破壞是最常見的破壞形式。在行車沖擊荷載的頻繁作用下，自然狀態下的水會變為高壓、高速的水，直接沖擊面層形成翻漿現象。路面下的材料被沖擊掏空，隨著時間的延長，路面就會出現裂縫。一部分滲入路面下層的水會在路基填土逐層碾壓后進入更深的地下，形成含水率很高的土層，進而使土層塑性增強，路基土體剛度和強度降低，會發生路基邊坡滑動、崩塌等自然災害。路基和路面是一個有機的整體，不論是路面還是路基發生破壞，都會使另一部分發生破壞。

2影響瀝青疲勞壽命的因素

2.1荷載間歇時間。路面承受車輛荷載，對于前后車輪的車輛之間會有一定的間歇通過時間。這種間歇時間有助于恢復疲勞損傷的狀態，有助于延長瀝青混合料的壽命。由于瀝青混合料的粘彈性效應，卸料后的應力松弛和微裂紋在一定程度上發生愈合。持續的荷載會使瀝青混合料的抗拉強度降低，間歇后會更不容易恢復到原來的強度狀態。所以適當的荷載間歇時間對于瀝青疲勞壽命是有一定的影響。

2.2溫度。相對而言，溫度對于瀝青混合料的疲勞壽命的影響比間歇時間更為顯著。這是因為在應力下的荷載模式的控制下，疲勞壽命會隨著溫度的降低迅速增加。然而，當測試溫度降低，疲勞壽命是較少依賴于溫度，當試驗溫度升高，疲勞壽命適當增加。

2.3瀝青品種。研究各種影響瀝青混合料疲勞性能的因素比較有意義。它對混合料疲勞壽命的作用，可以用混合勁度測量。這是類似于溫度的疲勞性能。不同的瀝青品種對應力應變的反應結果不同。瀝青的硬度可以用軟化點會有來表示。研究表明，在一定量的瀝青作用下，瀝青軟化點較高，會有較長的疲勞壽命。

2.4級配類型。混合料級配對疲勞壽命的影響是一個內在的因素，由于級配類型，組合的內部結構有很大的不同，導致不同層次的疲勞壽命較為不同。混合料的疲勞性能分級是由混合料的孔隙率表現出的。

3室內小型疲勞試驗方法介紹

目前疲勞試驗的方法有很多，歸納起來可以大致分為四類：第一類是真實汽車在實際路面實行真實荷載進行下的疲勞試驗；第二類是足尺試驗，通過足尺路面結構模擬汽車荷載作用下的疲勞性能；第三類是樣板實驗法；第四類是在室內進行小型材料試件的疲勞試驗，這種是經常采用的試驗方法。通常情況下前三類試驗研究方法消耗大、周期長，操作不方便且試驗結果受其他影響較大，開展得并不普遍，因此大量采用的還是周期短、費用少的室內外小型疲勞試驗。

3.1簡單彎曲疲勞試驗。這種方法主要采用梁式截面，對試件施加重復荷載。簡單彎曲試驗主要有三種形式：中點加載、三分點加載的重復彎曲試驗旋轉懸臂梁梯形懸臂梁。

我國《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTJ052-2000）T0715-1993中也是采用了中點加載的形式研究瀝青混合料彎曲破壞的力學性能，試件尺寸為250mm×30mm×35mm，這種方法在我國應用較為廣泛。

不同的試驗視需求而定不同的試件尺寸。

3.2間接拉伸疲勞試驗。間接拉伸疲勞試驗在我國應用研究比較多，是使均勻拉伸應力在沿試件荷載作用的垂直方向，進而通過壓得方法來達到一種壓得效果。我國的研究人員大多采用這種方法，因為制作簡單，試驗易于操作。試件直徑為100mm，高為63.5mm，荷載通過以寬為12.5mm的加載壓條作用在試件上。

3.3支承彎曲試驗。這種方法通常采用在試件中部施加反復荷載，從而使試件的內部的應力狀態模擬實際的路面使用狀態。

3.4輪轍試驗。這種方法可以測量試件底部應變應力并能檢測在荷載作用下裂縫產生和延伸的情況。該方法采用充氣壓力來改變接觸面積。

結論：建立可準確評價瀝青疲勞性能指標的評測方法是一項十分困難但有意義的工作。對于瀝青疲勞性能的理論研究應該基于盡量模擬復雜現實瀝青路面試驗的基礎上進行，這樣瀝青混合料的疲勞特性具有良好的相關性，使試驗可用于預測瀝青路面疲勞性能。因此，當前瀝青疲勞性能的評價分析研究方法仍有很大的研究空間，需要持續專注的進行研究。endprint