瀝青混合料的疲勞性能及評價標準研究綜述

袁 強

(大連理工大學，遼寧大連 116023)

1 研究意義

近年來，我國高等級公路的建設日新月異。由于自身具有行車平穩、舒適以及易于養護等優點，瀝青路面在高等級公路中得到了廣泛的應用。在使用過程中，瀝青路面由于受到汽車軸載和溫度等環境因素的反復作用，使其受力始終處于變化狀態，導致路面結構強度降低。所以充分了解瀝青路面疲勞性能并建立相應的評價標準對于瀝青路面的使用具有重要意義。

2 瀝青路面破壞機理

實踐表明，移動中的車輪荷載對路面結構各點的作用不盡相同。對于面層頂面上的點來說，車輪靠近時受拉，車輪直接作用時，該點受壓，當車輪駛離后，該點受拉。對于面層底面上的點而言，其應力—應變狀態與頂面點恰好相反。根據上述分析可知，汽車駛過一次就使面層上的點經歷一次拉壓應力循環，這樣反復作用之后，路面結構強度會下降，直至路面破壞。由于路面材料的抗壓強度遠大于其抗拉強度，因此車輪作用下的路面裂縫通常是由路面底部產生并向上擴展的［1］。所以，在實際路面設計當中需要把底部拉應力作為控制變量。

3 影響瀝青路面疲勞壽命的因素

根據生產經驗，我們把影響瀝青混合料疲勞性能的因素分為兩類［2］:一類是自身材料因素，如瀝青的粘度等;另一類是荷載條件及環境因素，如荷載類型以及溫度等。

3.1 疲勞試驗模式

室內是按照常應力試驗和常應變試驗兩種模式模擬瀝青路面在車輛荷載作用下的疲勞狀態來進行分析的。常應力試驗是對瀝青混合料施加大小不變的荷載。常應變試驗是在實驗過程中保持應變大小不變。由于瀝青混合料是一種典型的粘、彈、塑性綜合體，因此使用粘彈性理論研究瀝青混合料的模量時需考慮以下原則:瀝青混合料同時具有彈性和粘性的兩種性質，其力學性能可以用溫度和時間的函數表示，描述具體性質時，需注明條件。對比兩種試驗模式，在工程當中控制應力疲勞模式是比較保守的估計。

3.2 材料性質的影響

影響瀝青材料疲勞壽命的材料因素主要有:瀝青的針入度、粘度及用量、礦質集料的性質與級配。

3.2.1 瀝青的針入度、粘度和用量

Myre［3］采用不同針入度瀝青的瀝青混合料分別進行了常應力和常應變疲勞試驗。結果表明:在相同的瀝青用量下，對于常應變模式，瀝青越軟，疲勞壽命越長;對于常應力模式則反之。瀝青的軟化點對瀝青混合料的疲勞性能也有一定影響。Pell等人［4］的研究表明，在含量一定的情況下，瀝青的粘度越大，瀝青混合料的疲勞壽命越長。集料級配一定的情況下，瀝青用量越大，混合料的柔韌性越好。

3.2.2 集料性質與級配

國外學者的研究表明，集料的表面性狀對瀝青混合料的疲勞壽命也有影響。Maupin［5］通過常應力試驗表面紋理和形狀不同的集料進行對比分析得出，顆粒形狀對常應變模式下的疲勞壽命影響較大，片狀顆粒多的混合料的勁度模量比礫石的大，疲勞壽命卻要更短。表面粗糙且棱角尖銳的集料如果壓實不充分，會產生較大的空隙率，導致疲勞壽命縮短。來自美國的實驗數據［6］表明，空隙率每增加1%，疲勞壽命將降低40%。因此在施工時應充分碾壓達到規定的密實度，以保證瀝青路面的壽命。

3.2.3 試件成型和試驗方法的影響

1)試件成型方法。目前瀝青混合料試件成型主要有靜壓法、搓揉壓實法和輪碾壓實法等。上述幾種方法成型的試件性能與現場壓實得到的芯樣相似，但考慮到設備成本、可行性等因素，搓揉壓實法已被廣泛應用。這種方法也被美國實驗與材料協會列為疲勞試驗試件成型方法(ASTM D 32)。對于其他方法，可根據實際情況適當選用。

2)試驗方法。瀝青混合料疲勞試驗有很多，大體可分為四類:試件法、試槽法、試件疲勞試驗和現場試驗路法。試驗路法和試槽法雖能夠更好地模擬實際工況，但耗資大、周期長的缺點限制了其應用。試件疲勞法模擬的狀態與路面實際工作狀態有一定的差異，但試驗周期短，耗資少，因而被廣泛應用。試件疲勞試驗常采用簡單彎曲試驗，包括直接拉伸試驗、間接拉伸試驗等。目前我國所使用的瀝青層疲勞標準是通過間接拉伸試驗得到的。

3)應力水平及加載模式。根據Miner疲勞損傷準則，損傷可以認為與荷載重復作用次數成線性關系，當積累的損傷到臨界值時，就發生破壞。因此，在疲勞試驗中，應力或應變水平越高，每次荷載作用造成的損傷越大，瀝青混合料的疲勞性能還與試驗加載波形有關，研究人員經過反復的試驗后認為正弦波與路面實際荷載情況更為接近。C.L莫尼斯密士認為，對密級配瀝青混合料在24℃下按照常應力模式進行試驗，加載頻率在3 r/min～30 r/min時，對疲勞壽命影響不大。J.A桑德斯指出，當加載頻率在30 r/min～100 r/min時，混合料的疲勞壽命降低20%，這是由于沒有間歇時間使得混合料的性能得不到充分恢復。I.F.泰勒指出當加載頻率高于100 r/min時，其疲勞壽命反而會增加，這是由于加載時間較短，材料表現出了較高的勁度模量，再按常應力加載時疲勞壽命又會增長。霍鑫等人［7］的試驗證明，有間歇的瀝青混合料的疲勞壽命要比沒有疲勞間歇的長數倍。原因在于瀝青混合料是一種粘彈性材料，瀝青路面在荷載間歇時間內會產生愈合效應，使其勁度得到一定恢復，疲勞壽命延長。間歇時間達到一定值后，其對疲勞壽命的影響趨于穩定。

4)環境因素。環境因素當中，溫度和水對瀝青混合料的疲勞壽命有較大的影響，其他因素幾乎無影響。SHRP的實驗結果證明［8］，溫度在20℃以上時，只存在變形積累，不存在疲勞，不建議試驗溫度高于20℃。水對疲勞壽命的影響在于水進入材料內部之后阻斷了瀝青與集料的結合，使得瀝青與集料剝落，從而降低了瀝青混合料的勁度模量，在常應力模式下疲勞壽命降低。

4 瀝青混合料疲勞壽命的預估

瀝青混合料的疲勞性能對于瀝青路面功能有著至關重要的影響。但是由于資金等各種因素的限制，很難系統的進行大量的疲勞試驗研究。這就需要我們在深入研究現有成果的基礎上，通過建立數學模型來對瀝青路面的疲勞性能進行預估和評價，以節省人力物力。目前現有的疲勞預測模型主要是由測試統計方法和近似法得到的。歸納起來有以下幾種［9］。

4.1 Cooper-Pell法

Cooper-Pell法是根據47條常應力彎曲疲勞曲線建立起來的。他們假定，在重復加載次數N與應變ε的雙對數坐標下所有的疲勞曲線都聚焦于點(40，6.3×10－4)，焦點與所有疲勞關系線方程N=c×ε－m的系數m與c之間的相關性有關。疲勞線的第二點由下式確定:

其中，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，℃。由于該關系是建立在10℃下，因而未考慮溫度對疲勞壽命的影響。另外，盡管m與c之間有良好的相關性，但并非所有曲線都交于一點。

4.2 能量法

殼牌公司提出的能量法建立了瀝青混合料疲勞性能與試驗時所消耗的能量之間的關系，無論加載速度和環境溫度如何，都可以通過所耗能量W與重復加載次數N的雙對數坐標下的一條直線來表示其疲勞特性。可用下式表示:

對于常應變試驗，其諾模圖方程式為:

其中，Sm為瀝青混合料的勁度模量，N/m2;φ為應力與應變之間的初始相位角;C，m為基本曲線W=C·Nm的系數。

4.3 美國瀝青學會法

1981 年美國瀝青學會提出的關系式為:

其中，εt為許用拉應變;Nf為荷載作用次數;VV為空隙率，%;VB為瀝青體積百分率，%;|E*|為特定時間、溫度下混合料的勁度。

4.4 CRR 法

比利時的L.Francken使用兩點彎曲儀，在15℃，54 Hz的加載頻率下，對40多種瀝青混合料進行常應力疲勞試驗，根據實驗結果得到以下方程式:

其中，VV為瀝青混合料的空隙率，%;VB為瀝青混合料中瀝青的比例，%;Λ為瀝青混合料中瀝青烯含量α%的函數;G為與集料級配有關的參數，一般取1.0;N為重復加載次數。Francken的實驗都是在一個溫度下進行的并未考慮溫度對疲勞性能的影響。但是通過引入了瀝青烯含量和瀝青體積比進而考慮了瀝青針入度指數和瀝青混合料的體積構成對疲勞性能的影響。

除上述方法之外我國的研究人員在瀝青混合料疲勞壽命預測方面也做了大量的工作。東南大學的黃衛等人［10］提出了重復荷載作用下的能耗與作用次數之間的函數關系:W1=A0－A1×N，其中，A0，A1均為回歸系數，A0受到空隙率和材料類型的影響較大，受加載頻率影響較小。在荷載作用頻率較低(2 Hz～10 Hz)時，實質上代表了初始能耗W0。東南大學的朱洪洲等人［11］通過大量的小梁彎曲試驗根據損傷力學理論得到:ΔDPV=A×NBD。其中，ΔDPV為單位次數荷載作用對時間損傷的增量;ND為重復荷載作用下的疲勞壽命;A，B均為實驗得到的常數。

5 結語

瀝青混合料疲勞破壞會對瀝青路面的使用產生較大影響，路面破壞之后的修補和重建需要耗費大量的人力物力。因此深入的研究其破壞機理以及影響瀝青路面破壞的因素是十分必要的。可以根據現有的試驗結果建立相應的數學模型對瀝青路面的疲勞壽命進行預估，以此來節省大量的人力物力。

［1］肖慶一.瀝青混合料油石界面研究［D］.南京:東南大學，2004.

［2］高 爽，朱洪洲，唐伯明，等.瀝青混合料疲勞性能影響因素研究綜述［J］.石油瀝青，2008，22(2):1-6.

［3］Myre，Jostein.Fatigue of asphalt pavements.Third International Conference on Bearing Capacity of Roads and Airfields.The Nowegian of Technology Trondheim，Norway，July，1990:703-714.

［4］Pell P S，TayIor I F.Asphalt road materials in fatigue［A］.In:Proc Association of the Asphalt Pauement Technologists［C］.Los Angeles，California，1969:577-593.

［5］Maupin.Effect of particle shape and surface texture on the fatigue behavior of asphaltic concrete.Highway Research Record，No.313 Washington DC，1970.

［6］沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能［M］.北京:人民交通出版社，1989.

［7］霍 鑫，田小革，欒利強，等.瀝青混合料疲勞壽命及其影響因素研究［J］.中外公路，2010，30(5):266-269.

［8］SHRP-A-312.Fatigue response of asphalt mixtures.NCR USA，1990.

［9］［法］F.Bunnaure.預估瀝青混合料疲勞性能的新方法［Z］.呂偉民，譯.

［10］黃 衛，鄧學鈞，C.Monismith.能量方法分析瀝青混合料的疲勞性能［J］.中國公路學報，1994，7(3):67-68.

［11］朱洪洲，黃曉明.一種新的瀝青混合料疲勞性能評價方法［J］.公路交通科技，2005，22(2):4-6.