淺談?dòng)绊憺r青路面疲勞的因素

陳杰

(貴州省通力達(dá)公路工程監(jiān)理咨詢有限公司)

1 荷載條件

材料的疲勞壽命可按不同的荷載條件來測(cè)定。如果在全過程中荷載條件保持不變，則稱為簡(jiǎn)單荷載;如果按某種預(yù)定形式重復(fù)改變荷載條件，稱為復(fù)合荷載。復(fù)合荷載包括應(yīng)力的改變和環(huán)境溫度的改變。顯然，對(duì)于相同的瀝青混合料，試件承受簡(jiǎn)單荷載或是復(fù)合荷載所表現(xiàn)的疲勞反應(yīng)是不同的。

試件在承受簡(jiǎn)單荷載的情況下，即使初始應(yīng)力和應(yīng)變相同，采用兩種不同加載模式所得出的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果也是不同的。這是因?yàn)樵诳刂茟?yīng)力加載模式中，材料勁度隨著加載次數(shù)的增加而減小，為了保持各次加載時(shí)的常量應(yīng)力不變，實(shí)際作用于試件的變形就要增加;而在控制應(yīng)變加載模式中，為了要保持每次加載的常量應(yīng)變不變，作用于試件的實(shí)際應(yīng)力則減小。圖1為密級(jí)配瀝青混合料分別采用控制應(yīng)力與控制應(yīng)變加載模式進(jìn)行試驗(yàn)所得出的疲勞曲線。

圖1 瀝青混合料在不同加載模式下的疲勞反應(yīng)圖解

根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，控制應(yīng)變加載模式適合于瀝青混合料層厚度較薄(＜5cm)和模量較低的路面;而控制應(yīng)力加載模式則適合于層厚較大(＞15cm)和模量較高的情況下。對(duì)于介于兩種情況之間的路面，可用如下模式因素參數(shù)來判斷在保持常量應(yīng)變和常量應(yīng)力之間的中間狀態(tài)時(shí)的重復(fù)荷載作用性質(zhì)。

式中:MF為模式因素參數(shù);A為在重復(fù)荷載作用下，材料勁度下降c%(c為任意確定的勁度降低值)時(shí)，應(yīng)力變化的百分?jǐn)?shù);B為在重復(fù)荷載作用下，材料勁度下降c%時(shí)，應(yīng)變變化的百分?jǐn)?shù)。

顯然，對(duì)于控制應(yīng)變加載模式，B=0，模式因素參數(shù)MF =+1;對(duì)于控制應(yīng)力加載模式，A=0，模式因素參數(shù)MF=－1;對(duì)于應(yīng)力和應(yīng)變都不保持常值的中間模式，其模式因素參數(shù)MF=－1－+1，疲勞曲線則介于兩種模式的疲勞曲線之間。

圖1及圖2分別為瀝青混合料在不同加載模式下的疲勞反應(yīng)與其相應(yīng)的疲勞曲線圖解。

圖2 瀝青混合料在不同加載模式下的疲勞曲線

此外，加載速率、加載波形、荷載間隔時(shí)間等因素對(duì)疲勞試驗(yàn)結(jié)果也有明顯的影響。一般情況，加載速率過快，荷載間隔時(shí)間過短，試件的疲勞恢復(fù)時(shí)間過短，容易加速破壞，疲勞壽命較短。

(2)材料性質(zhì)

瀝青混合料的勁度是影響疲勞壽命的重要參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)，在控制應(yīng)力加載模式中，疲勞壽命隨混合料勁度的增加而增加，這是因?yàn)槊看渭虞d產(chǎn)生的應(yīng)變較小，因此重復(fù)作用的次數(shù)就多。而在控制應(yīng)變的加載模式中，疲勞壽命隨混合料勁度的增加而降低。這是因?yàn)閯哦雀撸看沃貜?fù)加載的應(yīng)力就大，疲勞壽命就減少。

一切與勁度模量相關(guān)的因素都將直接影響到瀝青混合料的疲勞壽命，如瀝青用量、瀝青的種類和稠度等。

瀝青混合料的空隙率對(duì)疲勞壽命的影響十分明顯，不論是何種加載模式，降低空隙率都能延長(zhǎng)混合料的疲勞壽命，所以，一般密級(jí)配混合料比開級(jí)配混合料有較長(zhǎng)的疲勞壽命。此外集料的表面紋理、形狀和級(jí)配都對(duì)混合料的疲勞壽命有一定影響。

3 環(huán)境條件

溫度對(duì)疲勞性能的影響可以用混合料勁度來解釋。溫度在一定限度內(nèi)下降時(shí)，瀝青混合料的勁度增大，試件在承受一定壓力的條件下所產(chǎn)生的應(yīng)變就小，因而在控制應(yīng)力加載模式的試驗(yàn)中導(dǎo)致有較長(zhǎng)的疲勞壽命;而在控制應(yīng)變加載模式的試驗(yàn)中，溫度增加引起混合料勁度降低，使裂縫擴(kuò)展速度變慢而導(dǎo)致疲勞壽命得以增長(zhǎng)。

蓋里凱和韋納脫(R.Guericke＆F.Weinert)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，在低溫時(shí)控制應(yīng)力加載模式所得的破壞疲勞壽命與控制應(yīng)變加載模式的試驗(yàn)結(jié)果基本接近。但在較高溫度下兩種加載模式所得的破壞疲勞壽命之間的差值頗為顯著。