不同加載應力下瀝青混合料疲勞壽命分析

張晗

（江蘇東部高速公路管理有限公司，江蘇 鹽城 224007）

0 引言

現階段，在瀝青路面建設過程中，往往在受到外界環境因素的影響而出現疲勞開裂的問題，這也是道路使用耐久性降低的最直接因素之一。而在道路實際使用的過程中，道路會受到交通荷載以及水溫環境的雙重影響，進而導致瀝青路面的內部結構出現損傷[1，2]。荷載的增加會使瀝青路面出現的損傷不斷累積，進而導致其結構強度難以承受車輛等物體的壓力，在長時間的使用下勢必會存在裂紋等損傷，并在最終出現相應的疲勞破壞[3]。在這樣的環境下，為進一步提升瀝青路面結構的穩定性、耐久性以及使用性能，當前在修建瀝青路面的時候，施工單位會更加注重以路面結構的疲勞破壞的基本控制破壞模式[4]。因此，本文通過半圓彎曲試驗開展瀝青混凝土室內疲勞試驗，最大限度地貼近路面結構的實際受力狀態，研究瀝青混凝土的疲勞特性。研究成果為制定科學的路面養護方案提供了數據依據。

1 原材料

1.1 改性瀝青

試件采用SBS 改性瀝青，整體試驗應滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）的技術要求（見表1）。

表1 SBS 改性瀝青(PG76-22)技術指標

結果表明，SBS 改性瀝青(PG76-22)各項指標均滿足規范規定的技術要求。

1.2 集料與礦粉

在試驗的過程中，應分別對粗、細集料以及石灰巖礦粉進行相應的性能測試，并保證整體的試驗過程都滿足《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）中的相關規定。

1.3 纖維

試驗的順利開展離不開纖維穩定劑，當前比較常見的做法是將木質素纖維作為SMA-13 穩定劑，確保可以相關規范規定。

2 試件成型

考慮到目前SMA-13 在工程實際應用中較為廣泛，具有一定的代表性。因此本文以SMA-13 為的瀝青混合設計級配進行試件成型。級配設計如表2 和圖1 所示。

圖1 SMA-13 混合料礦料級配曲線

表2 SMA-13 瀝青瑪蹄脂碎石混合料礦料級配

成型方式采用SUPERPAVE 技術中旋轉壓實儀（SGC）用來成型瀝青混合料的方式，進行75 次旋轉壓實的過程。就此次試驗來說，使用的大直徑圓柱體試件需要對兩端空隙率較大的部分進行切割，進而保留中間空隙率較小的位置，而完成切割之后的形狀，如圖2 所示。

圖2 切割完成的SCB 試件

3 試驗結果分析

3.1 疲勞試驗結果

在實際開展相關疲勞試驗的過程中，應保證每個應力水平下的平行試件最少應在4 個以上，促進試驗數據精準程度的提升。在得出平行試驗結果之后還需要進一步通過數據離散程度進行棄差處理。半圓彎曲強度試驗的環境控制在15℃、50mm/min，其最終的數據如下表3 所示。SCB 半圓強度的試驗斷裂強度的計算公式如下：

表3 半圓彎曲強度試驗結果

式（1）～（2）中：

σt——試件底部拉應力值(MPa)；

F——豎直方向荷載(N)；

D——試件直徑(mm)；

B——試件厚度(mm)；

V——試件底部的豎向位移(mm)；

M——模量(MPa)。

根據上表的結果可知，在15℃以及50mm/min 的加載速率下，SBS 改性瀝青混合料的斷裂強度為11.7MPa。在此基礎上，針對不同應力比水平下的疲勞應力展開測算，進而可以得出瀝青混合料疲勞壽命試驗的具體結果，相關數據如表4 所示。

表4 不同應力水平下半圓彎曲疲勞試驗結果

根據疲勞壽命的試驗結果，應力比從0.11 增大到0.34 的過程中，瀝青混合料的疲勞壽命從85778 次降低到1269 次。根據標準差與變異系數的計算結果顯示，隨著應力比水平的增大，數據之間的離散性變小，準確度提高。

3.2 半圓彎曲疲勞特性分析

在開展半圓試件疲勞試驗的過程中，需要對試件在整個疲勞過程中的具體位移情況進行分析，因此技術人員可以在其頂部進行正弦荷載的施加，并把其中具體的位移情況表現出來。圖3 表明在荷載循環次數不斷提升的條件下，位移逐步體現出橫向的反S 形規律，進而也更加直觀地展現出其在不同荷載水平下的變化過程，也更好地體現出其中蘊含的變化規律。

圖3 施力點位移隨荷載循環次數變化曲線

由上圖3 可知，試件的位移在不同荷載水平下所表現出來的規律也是不同的。總體來說，其中的演變規律主要可以分為三個階段以及存在兩個反彎點。首先，初期階段，在荷載持續增加的環境下，試件逐步體現出一定的黏塑性變形，并開始生成不明顯的裂紋；其次，穩定增長階段，在這一階段中位移會呈現出線性增長，而裂紋也開始進行比較穩定的擴張；最后，擴展階段，在這一階段中，試件呈現出破壞趨勢，位移的速度也開始明顯加快，并在第二個反彎點發生疲勞破壞，同時還可以看出在荷載水平不同的環境下，位移線性增長的斜率也不同。值得注意的是，較高荷載水平出現的荷載反而要更小一些。

4 結論

本文開展了SBS 改性瀝青混合料半圓彎曲強度試驗，主要說明了瀝青混合料半圓彎拉強度會受到溫度以及加載速率等變化的影響，同時也通過具體的半圓彎曲疲勞試驗來展現不同情況下的變化情況。與此同時，完成了傳統疲勞方程與基于名義應力比疲勞方程的對比，并站在位移變化的角度上明確瀝青混合料疲勞破壞內部的聯系，進一步突出了性質和破壞性質之間的內在聯系。主要得到以下結論：

一是斷裂強度試驗結果表明SBS 改性瀝青混合料的斷裂強度均值為11.7MPa，瀝青混合料的力學性能優異。

二是疲勞次數試驗結果表明隨著應力比水平的增大，疲勞作用次數逐漸降低，即疲勞作用應力越大，疲勞壽命越小；隨著應力比增加，疲勞壽命次數的標準差以及變異系數越來越小。

三是在荷載循環次數變化的過程中，軸載位移呈現出橫向反S 形規律，同時整個過程劃分為三個階段，并有著兩個反彎點。荷載水平越高位移的速率也就越大，但在疲勞破壞的情況下呈現出相反情況。