基于加速加載試驗(yàn)的瀝青混合料疲勞試驗(yàn)方法研究

摘要：論述了常見的幾種瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)方法，分析了它們的優(yōu)劣性，提出了一種基于加速加載理論的疲勞試驗(yàn)方法，對(duì)其實(shí)驗(yàn)程序做了較為系統(tǒng)的闡述；這種實(shí)驗(yàn)方法能夠彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)方法的諸多缺陷。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料；疲勞試驗(yàn)；加速加載；實(shí)驗(yàn)方法

一、前言

瀝青混合料的疲勞性能一直是國(guó)內(nèi)外瀝青路面研究者較為關(guān)注的問題，了解和掌握瀝青路面的力學(xué)特性和疲勞損傷特性對(duì)于改進(jìn)瀝青路面設(shè)計(jì)方案，及時(shí)進(jìn)行路面的養(yǎng)護(hù)維修具有重要意義。已有大量的學(xué)者對(duì)瀝青混合料的疲勞特性進(jìn)行了相關(guān)的研究，主要表現(xiàn)在室內(nèi)間接拉伸疲勞試驗(yàn)、拉壓疲勞試驗(yàn)、彎曲疲勞試驗(yàn)等，這些室內(nèi)疲勞試驗(yàn)都具有一定的局限性，即試件周邊無(wú)約束、試件受力較為單一，與實(shí)際路面的力學(xué)狀態(tài)有較大的差異性，不能科學(xué)合理的揭示實(shí)際路面的疲勞損傷規(guī)律。鑒于室內(nèi)試件疲勞試驗(yàn)的諸多缺陷，有必要尋找一種更接近路面實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的加載方式，來(lái)探究路面實(shí)際工作狀態(tài)的力學(xué)性能和疲勞性能。本文介紹了一種新的疲勞試驗(yàn)方法，即利用小型加速加載設(shè)備模擬行車對(duì)路面的力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)，通過(guò)MTS測(cè)試不同加載次數(shù)下試件抗壓回彈模量，以剛度的衰變來(lái)揭示瀝青混合料的疲勞損傷演化規(guī)律。

二、常見疲勞試驗(yàn)方法

目前，國(guó)內(nèi)外在進(jìn)行瀝青混合料疲勞性能研究時(shí)常用的試驗(yàn)方法大致可分為四種：第一種是模擬實(shí)際路面在汽車荷載作用下的疲勞試驗(yàn)，如美國(guó)的AASHTO試驗(yàn)路；第二種是足尺路面結(jié)構(gòu)在模擬行車荷載作用下的疲勞試驗(yàn)，包括環(huán)道試驗(yàn)和加速加載試驗(yàn)，如南非的重型車輛模擬車（HVS）、澳大利亞的加速加載設(shè)備（ALF）等；三是試板試驗(yàn)法；四是室內(nèi)小型試件的疲勞試驗(yàn)。前三種試驗(yàn)方法雖然可以較好地模擬實(shí)際路面的應(yīng)力狀態(tài)和環(huán)境條件，但試驗(yàn)成本投入高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)，而且試驗(yàn)的影響因素不易控制，并未得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用較多的是周期短、費(fèi)用少的室內(nèi)小型試件的疲勞試驗(yàn)。室內(nèi)小試件疲勞試驗(yàn)方法種類很多，主要有以下幾種：拉壓疲勞試驗(yàn)、彎曲疲勞試驗(yàn)、間接拉伸疲勞試驗(yàn)等。

1.彎曲疲勞試驗(yàn)

彎曲疲勞試驗(yàn)的加載模式有：中點(diǎn)加載（三點(diǎn)彎曲）、三分點(diǎn)（四點(diǎn)彎曲）加載和懸臂粱加載三種。其中中點(diǎn)加載彎曲試驗(yàn)試件和成型方法，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052-2000）T0703-43規(guī)定的輪碾壓實(shí)，再切割成小梁的方法成型試件。四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)加載設(shè)備主要有美國(guó)瀝青協(xié)會(huì)和加州理工大學(xué)伯克利分校所采用的兩種。英國(guó)諾丁漢大學(xué)采用的疲勞試驗(yàn)設(shè)備是旋轉(zhuǎn)懸臂梁。

2.拉壓疲勞試驗(yàn)

這種試驗(yàn)由英國(guó)道路交通研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，試件尺寸為75mm×75mm×225mm，采用液壓伺服系統(tǒng)對(duì)試件施加荷載，可以用于荷載恢復(fù)期的影響研究。

3.間接拉伸疲勞試驗(yàn)

劈裂疲勞試驗(yàn)對(duì)圓柱體試件施加沿著徑向的重復(fù)荷載，這樣使得試件在垂直荷載作用的方向產(chǎn)生一個(gè)均勻拉應(yīng)力。

四種疲勞試驗(yàn)方法匯總?cè)缦卤?所示：

三、現(xiàn)行疲勞試驗(yàn)方法的不足與缺陷

對(duì)于這些傳統(tǒng)的室內(nèi)小型試件疲勞試驗(yàn)，在模擬實(shí)際路面在行車荷載作用下的力學(xué)性能、分析瀝青混合料的疲勞損傷特性方面存在著諸多不足，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.到目前為止，各國(guó)對(duì)疲勞試驗(yàn)還沒有形成統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，不同的試驗(yàn)方法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著較大的差異；即使是相同的試驗(yàn)方法，控制模式不同（如應(yīng)變控制或者應(yīng)力控制）得到的疲勞性能截然相反，如應(yīng)力控制模式下，較高勁度的瀝青混合料具有較大的疲勞壽命，應(yīng)變控制模式下，較高勁度的混合料卻表現(xiàn)出較小的疲勞壽命。

2.對(duì)疲勞失效判據(jù)的定義也未達(dá)成共識(shí)，不同的控制模式下破壞準(zhǔn)則不同，應(yīng)力控制模式下的疲勞試驗(yàn)一般以試件斷裂為破壞標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)變控制模式下的疲勞試驗(yàn)中則以試件勁度模量下降到初始勁度的一定比例作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上不同的研究者采用的破壞標(biāo)準(zhǔn)也并不相同，具有較強(qiáng)的主觀性。

3.在研究瀝青混合料疲勞性能時(shí)以現(xiàn)象學(xué)方法為主，該方法僅從初始力學(xué)響應(yīng)與疲勞壽命之間的關(guān)系出發(fā)，不能描述瀝青混合料的疲勞演化過(guò)程，不能從根本解釋整個(gè)疲勞過(guò)程中瀝青路面產(chǎn)生疲勞的原因以及疲勞破壞前后各性能的變化情況。

4.這些傳統(tǒng)的室內(nèi)小試件疲勞試驗(yàn)在加載形式上均具有共同的缺陷，即試件在加載過(guò)程中沒有圍壓的限制，試件的受力狀態(tài)較為單一，與實(shí)際路面受力狀態(tài)有很大的差異。

前三點(diǎn)造成了不同機(jī)構(gòu)、不同研究者得到的試驗(yàn)結(jié)果可對(duì)比性差，不便于科研工作的相互交流，研究成果也無(wú)法得到大范圍的推廣及應(yīng)用。第四點(diǎn)則造成了這些傳統(tǒng)的室內(nèi)小試件疲勞試驗(yàn)中試件的受力狀態(tài)與實(shí)際交通荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)行為狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)，對(duì)于評(píng)價(jià)瀝青混合料的疲勞性能會(huì)有較大的偏差。

四、基于加速加載試驗(yàn)的疲勞試驗(yàn)方法

鑒于上述實(shí)驗(yàn)缺陷，本文提出一種新的瀝青混合料的疲勞

試驗(yàn)方法，即利用小型加速加載設(shè)備來(lái)模擬實(shí)際路面上行車荷載對(duì)路面的力學(xué)響應(yīng)情況，通過(guò)測(cè)試不同加載次數(shù)下試件的抗壓回彈模量，以剛度的衰減來(lái)表征瀝青混合料的疲勞性能。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：加速加載試驗(yàn)系統(tǒng)MMLS1/3（Model Mobile Load Simulator at 1/3rd scale）和美國(guó)進(jìn)口的材料試驗(yàn)系統(tǒng)MTS（Material Test System）。

實(shí)驗(yàn)步驟：

首先；利用加速加載實(shí)驗(yàn)設(shè)備MMLS1/3對(duì)試件進(jìn)行10萬(wàn)次、30萬(wàn)次、50萬(wàn)次、70萬(wàn)次、100萬(wàn)次、120萬(wàn)次、140萬(wàn)次等不同加載次數(shù)的加速加載試驗(yàn)。

其次；利用MTS（Material Test System-Landmark）材料試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試試件的抗壓回彈模量。回彈模量的測(cè)試按6個(gè)等級(jí)加載，分別取0.25mm、0.50mm、0.75mm、1.00mm、1.25mm、1.50mm六個(gè)位移等級(jí)作為試驗(yàn)荷載，以2mm/min的速率進(jìn)行加載，每加載到一個(gè)等級(jí)后，再以同等速率進(jìn)行卸載，然后靜壓30s，依次進(jìn)行下一等級(jí)的加載、卸載試驗(yàn)。

最后；計(jì)算分析，按下式（1）計(jì)算各級(jí)荷載下試件承受的壓強(qiáng)qi，然后將各級(jí)荷載下的壓強(qiáng)與對(duì)應(yīng)的回彈應(yīng)變?chǔ)i/L繪在同一個(gè)坐標(biāo)軸內(nèi)，將qi～ΔLi/L曲線上接近線性的四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到的斜率n即為試件的抗壓回彈模量

qi=PiS（1）

E=n（2）

式中：qi—相應(yīng)于各級(jí)試驗(yàn)荷載Pi作用下的壓強(qiáng)（MPa）；

Pi—施加于試件的各級(jí)荷載值（N）；

L—試件軸心高度（mm）。

S—試件的橫截面積（mm2）

E—抗壓回彈模量（MPa）；

N—擬合qi～ΔLi/L曲線的斜率；

在此需要說(shuō)明的是，在進(jìn)行回彈模量測(cè)試時(shí)，由于所施加的位移等級(jí)很小，加載至最大位移的等級(jí)時(shí)試件所受的力也相對(duì)較小，在這六個(gè)等級(jí)的位移加載卸載過(guò)程中，試件的應(yīng)力、應(yīng)變近似線性變化，主要發(fā)生彈性變形，對(duì)試件的損傷很小，與加速加載過(guò)程所造成的損傷相比，可以忽略不計(jì)。

五、結(jié)論

本文介紹了幾種常見的瀝青混合料疲勞試驗(yàn)方法，并分析了這些方法的缺點(diǎn)與不足，同時(shí)提出了提出基于加速加載試驗(yàn)的瀝青混合料疲勞試驗(yàn)方法，此方法下試件周圍受到約束，試件承受輪胎的重復(fù)荷載作用，與實(shí)際路面在行車荷載作用下的受力狀態(tài)接近，該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)方法的諸多缺陷。為以后的瀝青路面性能檢測(cè)提供了另一種參考依據(jù)。

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