瀝青膠結(jié)料疲勞性能評(píng)價(jià)的研究進(jìn)展

王承獻(xiàn)，王立志，王鵬

（山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

瀝青膠結(jié)料疲勞性能評(píng)價(jià)的研究進(jìn)展

王承獻(xiàn)，王立志*，王鵬

（山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

瀝青膠結(jié)料的疲勞特性對(duì)瀝青混合料的疲勞壽命起著重要作用，瀝青混合料的疲勞特性直接影響路面耐久性和長(zhǎng)期使用性能，評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料的疲勞壽命是研究路面疲勞破壞的基礎(chǔ)問題。文章概述了瀝青疲勞評(píng)價(jià)方法的進(jìn)展，對(duì)比了疲勞壽命Nf50、能量比ER、累計(jì)耗散能變化率DER、疲勞因子G*·sinδ、耗散能變化率DR、簡(jiǎn)化能量耗散變化率RDR等指標(biāo)對(duì)瀝青膠結(jié)料疲勞性能評(píng)價(jià)的可靠性，闡述了其優(yōu)缺點(diǎn)；結(jié)合實(shí)際路面荷載作用與破壞模式對(duì)瀝青膠結(jié)料的疲勞問題進(jìn)行綜合分析，闡明了基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）的時(shí)間掃描試驗(yàn)方法、加載方式以及瀝青觸變性、自愈性等因素對(duì)瀝青膠結(jié)料疲勞性能的影響，闡述了6種瀝青膠結(jié)料疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)在實(shí)際中的應(yīng)用情況，展望了瀝青膠結(jié)料疲勞研究的方向。

瀝青膠結(jié)料；疲勞性能；應(yīng)力控制模式；應(yīng)變控制模式

0 引言

疲勞開裂損傷路面的平整性和耐久性，直接影響路面的使用壽命，甚至可認(rèn)為瀝青混合料的疲勞性能決定了瀝青路面的整體使用質(zhì)量和長(zhǎng)期使用效益。LCPC（法國(guó)道橋中心實(shí)驗(yàn)室）研究發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的疲勞破壞主要是由于瀝青膠結(jié)料的開裂或損傷引起的，研究表明瀝青對(duì)瀝青混合料疲勞性能的貢獻(xiàn)率達(dá)52%［1］。因此，研究瀝青膠結(jié)料的疲勞性能對(duì)了解瀝青路面的疲勞破壞具有重要意義。

瀝青是一種典型的粘彈性材料，與彈性材料不同，其力學(xué)行為隨時(shí)間和溫度的變化而變化，且不同品種瀝青的力學(xué)性能也存在差異，因此其疲勞特性遠(yuǎn)復(fù)雜于單純的彈性材料，也難以建立一種描述不同瀝青在不同荷載條件下力學(xué)行為的疲勞模型。瀝青及瀝青混合料的疲勞問題多年來一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題，但迄今為止仍然沒有較為理想的成果，甚至我國(guó)公路規(guī)范中也沒有涉及疲勞相關(guān)的試驗(yàn)方法，目前公路設(shè)計(jì)也僅僅是通過調(diào)整瀝青層的厚度來控制瀝青混合料疲勞的問題。部分研究者致力于優(yōu)化瀝青混合料設(shè)計(jì)指標(biāo)的研究［2］，卻并未觸及疲勞問題的本質(zhì)。而研究者希望通過瀝青及瀝青混合料的疲勞機(jī)理研究，建立疲勞預(yù)估方程，實(shí)現(xiàn)從材料角度控制瀝青路面疲勞破壞。

瀝青疲勞壽命的有效表征是目前研究的熱點(diǎn)，文章主要介紹了目前認(rèn)可度較多的6種瀝青膠結(jié)料疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括疲勞壽命Nf50、能量比E R、累計(jì)耗散能變化率DER、疲勞因子G*·sinδ、耗散能變化率D R和簡(jiǎn)化能量耗散變化率RDR。通過全面分析和客觀評(píng)價(jià)6種指標(biāo)對(duì)瀝青疲勞壽命評(píng)價(jià)的效果，確定其可靠性和適用性。根據(jù)實(shí)際路面的承載及破壞模式對(duì)瀝青膠結(jié)料疲勞問題進(jìn)行綜合分析，為后續(xù)的研究工作提供理論支持。

1 瀝青膠結(jié)料疲勞指標(biāo)分析

1.1 疲勞壽命Nf50

早在20世紀(jì)60年代，瀝青膠結(jié)料疲勞性能就已經(jīng)受到關(guān)注，但由于理論基礎(chǔ)和檢測(cè)設(shè)備的局限，發(fā)展較為緩慢。1972年，Raithby等首次提出以瀝青膠結(jié)料的復(fù)數(shù)模量降低至初始模量50%時(shí)的加載次數(shù)作為瀝青的疲勞壽命，記作N［3］。

f50

相關(guān)研究結(jié)果顯示瀝青膠結(jié)料復(fù)數(shù)模量的變化趨勢(shì)依賴于加載模式：采用應(yīng)變控制模式時(shí)，如圖1（a）所示，瀝青復(fù)數(shù)模量隨著加載次數(shù)的增加逐漸衰減，而且隨著加載次數(shù)的增加模量衰減速率逐漸加快［4］；采用應(yīng)力控制模式時(shí)，如圖1（b）所示，加載初期瀝青的復(fù)數(shù)模量由于空間硬化的緣故略有增加，而當(dāng)加載循環(huán)次數(shù)超過某一數(shù)值之后，瀝青材料的模量急劇下降直至破壞。無論應(yīng)力控制模式還是應(yīng)變控制模式，Nf50都出現(xiàn)在復(fù)數(shù)模量G*i加速下降階段。研究表明，應(yīng)變控制加載模式下瀝青疲勞壽命Nf50與瀝青混合料疲勞壽命的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.84［4］。因此，Nf50作為評(píng)價(jià)瀝青疲勞性能的指標(biāo)具有較好的合理性，且簡(jiǎn)單易于操作。

圖1 不同控制模式下復(fù)數(shù)模量G*與加載次數(shù)的關(guān)系曲線圖［5］

然而有研究表明，Nf50物理意義不明確，缺乏理論依據(jù)，瀝青材料對(duì)不同加載過程中輸入能量的響應(yīng)不同，故而不能以此衡量材料的響應(yīng)機(jī)制，也就無法驗(yàn)證這種定義方式是否獨(dú)立于加載模式。單麗巖等采用應(yīng)力控制連續(xù)加載模式對(duì)A、B兩種70號(hào)瀝青進(jìn)行疲勞性能研究時(shí)發(fā)現(xiàn)：采用Nf50作為瀝青的疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng)控制應(yīng)力為100 KPa時(shí)B 70＃瀝青的疲勞壽命優(yōu)于A 70＃瀝青；而控制應(yīng)力在200 KPa時(shí)A 70＃瀝青的疲勞壽命優(yōu)于B 70＃瀝青［6］。說明應(yīng)力水平的大小可能會(huì)影響Nf50對(duì)瀝青疲勞性能的評(píng)價(jià)結(jié)果，這使得Nf50的適用性受到了質(zhì)疑。因此若要繼續(xù)使用Nf50作為普適性的瀝青疲勞評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)在明確模量衰減至50%物理含義的基礎(chǔ)上，依據(jù)實(shí)際情況確定試驗(yàn)加載模式和荷載參數(shù)。

1.2 能量比E R（EnergyRatio）

1977年，Van Dijk等提出使用能量比的方法評(píng)價(jià)瀝青的疲勞性能［7］，其定義計(jì)算式（1）為

式中：E R為能量比；n為循環(huán)加載次數(shù)；ω0為加載初期的耗散能，N·m；ωi為第i次加載循環(huán)中的耗散能，N·m。

加載過程中耗散能計(jì)算式（2）［4］為

式中：ωi為第i次加載循環(huán)中的耗散能，N·m；σi為第i次加載循環(huán)中的應(yīng)力，KPa；εi為第i次加載循環(huán)中的應(yīng)變；δi為第i次加載循環(huán)中的相位角，;為第i次加載循環(huán)中的復(fù)數(shù)勁度模量，KPa。

Shen等采用能量比E R作為評(píng)價(jià)指標(biāo)研究了應(yīng)力控制模式和應(yīng)變控制模式下瀝青膠結(jié)料的疲勞性能［8］，得到循環(huán)加載過程中耗散能ω和能量比E R與加載次數(shù)的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 不同控制模式下能量比E R和耗散能ω與加載次數(shù)的關(guān)系曲線圖［8］

圖2中無損傷線是斜率為1的直線，表示E R是n的線性函數(shù)，即ω0／ωi為常數(shù)1，其物理意義是第i次加載循環(huán)中的耗散能與加載初期的耗散能相同。無論應(yīng)變控制模式還是應(yīng)力控制模式，加載初期能量比與加載次數(shù)都遵循斜率為1的線性關(guān)系，隨著加載次數(shù)的增加，能量比E R逐漸偏離無損傷線。應(yīng)變控制模式下，如圖2（a）所示，隨著加載次數(shù)的增加，材料內(nèi)部出現(xiàn)微觀裂紋，致使瀝青的宏觀模量降低，保持相同的應(yīng)變水平所需要施加的應(yīng)力逐漸減小，根據(jù)公式（1）和（2）可得出每個(gè)循環(huán)中所消耗的能量逐漸減小，E R逐漸增大。應(yīng)力控制模式下，如圖2（b）所示，隨著加載次數(shù)的增加，瀝青的模量逐漸減小，相同的應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變逐漸增大，根據(jù)式（1）和（2）可得出每個(gè)循環(huán)過程中所消耗的能量逐漸增加，E R逐漸減小。

加載初期能量比與加載次數(shù)遵循線性關(guān)系，可認(rèn)為此階段為無損傷階段，此階段內(nèi)每個(gè)循環(huán)過程中所消耗的能量均相同。當(dāng)E R曲線開始偏離無損傷線，表示加載過程中所消耗的能量發(fā)生了變化，而其宏觀力學(xué)性質(zhì)的變化就是由于材料內(nèi)部微裂縫的發(fā)展而引發(fā)的。將線性關(guān)系結(jié)束、E R開始偏離無損傷線的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的加載次數(shù)定義為N1［7］，表示瀝青內(nèi)部材料細(xì)觀損傷的累計(jì)開始影響材料的使用性能，材料進(jìn)入疲勞損傷階段。雖然N1的物理意義很明確，但是裂縫的形成是一個(gè)逐漸變化的過程，無論應(yīng)力控制模式還是應(yīng)變控制模式下，都難以準(zhǔn)確地確定N1的位置。此外，研究結(jié)果顯示，即便E R曲線開始偏離無損傷線，材料仍然可以承擔(dān)相當(dāng)比例的荷載循環(huán)次數(shù)［8］，因此如果僅僅以開始偏離時(shí)的荷載次數(shù)N1作為疲勞指標(biāo)，則難以充分發(fā)揮材料的性能。

1.3 累計(jì)耗散能變化率DER(Cumul a tive Dissi pated Energ yRatio）

1990年，Pronk等首次提出采用累積耗散能變化率描述瀝青材料的疲勞破壞［9］，其定義計(jì)算式（3）為

式中：DER為累積耗散能變化率；n為循環(huán)加載次數(shù)；ωi為第i次加載循環(huán)中的耗散能，N·m；ωn為第n次加載循環(huán)中的耗散能，N·m。

相關(guān)研究得出累計(jì)耗散能變化率與加載次數(shù)的關(guān)系［10］如圖3所示。

圖3 不同控制模式下累計(jì)耗散能變化率D R與加載次數(shù)的關(guān)系曲線圖［10］

根據(jù)定義式（1）和（3），可知累計(jì)耗散能變化率DER和能量比E R具有相似性。相比于能量比，累計(jì)耗散能變化率考慮了加載歷史對(duì)材料性能的影響，采用前n次循環(huán)的耗散能之和代替初始耗散能的n倍來考察加載過程中瀝青的疲勞特性。對(duì)于瀝青這種典型的粘彈性材料來說，加載歷史對(duì)其力學(xué)性能有至關(guān)重要的影響，因此這是非常可取的。

根據(jù)圖3，兩種加載模式下，加載初期DER與加載次數(shù)均遵循斜率為1的直線（即無損傷線）關(guān)系。隨著加載次數(shù)的增加，應(yīng)力控制模式下的DER逐漸向下偏離無損傷線，應(yīng)變控制模式下的DER逐漸向上偏離無損傷線。Pronk將DER開始偏離無損傷線的點(diǎn)定義為疲勞發(fā)生的點(diǎn)［9］，記作Np。孟勇軍等經(jīng)過研究認(rèn)為采用DER可有效地評(píng)價(jià)改性瀝青膠結(jié)料的疲勞性能，并可用于預(yù)估改性瀝青混合料的疲勞性能［11］。實(shí)際上Np和N1的物理意義是相同的，都表示瀝青材料內(nèi)部隨著損傷的累計(jì)而導(dǎo)致不可忽略的材料物理力學(xué)性質(zhì)開始發(fā)生變化的點(diǎn)，宏觀表現(xiàn)為單次加載過程中消耗能量的差異。與能量比類似，DER曲線的偏離是逐漸發(fā)展的過程，很難找到一個(gè)準(zhǔn)確的點(diǎn)來表征曲線偏移的開端。

鑒于難以準(zhǔn)確地確定Np的位置，Bonnetti等將DER曲線偏移無損傷線20%的點(diǎn)定義為疲勞發(fā)生點(diǎn)［12］，記作Np20（如圖3所示），偏移量d計(jì)算式（4）為

式中：d為偏移量；R為累積耗散能變化率；N為加載次數(shù)。

圖3中，左側(cè)標(biāo)示的Np20為應(yīng)變控制模式下計(jì)算結(jié)果，右側(cè)標(biāo)示的Np20為應(yīng)力控制模式下得出的結(jié)果，二者所得的疲勞壽命相差三倍之多，究竟何種模式下的疲勞壽命更符合實(shí)際仍需要進(jìn)一步的論證。研究表明Np20受試驗(yàn)誤差影響小，而且Np20與Nf50的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.95以上［8］，但是與Nf50類似，Np20的定義同樣缺乏理論的支撐，因此其可信度也容易遭受質(zhì)疑，而且Np20與混合料疲勞特性的相關(guān)關(guān)系也有待驗(yàn)證。

比較E R和DER可以發(fā)現(xiàn)，采用應(yīng)力控制模式時(shí)，E R曲線與DER曲線均具有明顯的峰值，而采用應(yīng)變控制模式時(shí)，E R與DER均向上偏離無損傷線，是一條發(fā)散的曲線；而且應(yīng)力控制模式下得出的N1和Np都要遠(yuǎn)大于應(yīng)變控制模式下得出的N1和Np，這就要求深入考慮究竟何種加載模式更適于研究瀝青材料的疲勞性能。

1.4 疲勞因子G*·sin δ

1993年，An DER son等首先提出使用疲勞因子G*·sin δ評(píng)價(jià)瀝青疲勞性能［13］。其中G*為瀝青材料的復(fù)數(shù)勁度模量，δ為相位角，G*·sin δ反應(yīng)材料變形過程中由于內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的以熱的形式散失的能量。其值越大，說明在重復(fù)荷載作用下能量損失速度越快，即材料的疲勞性能越差；反之，說明材料疲勞性能越好［14］。

用于測(cè)定疲勞因子G*·sin δ的瀝青樣品需經(jīng)過短期老化和長(zhǎng)期老化過程，在路面最高和最低設(shè)計(jì)溫度平均值以上4℃以10rad／s的剪切速率進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，G*·sin δ應(yīng)不超過5000KPa，否則認(rèn)為材料會(huì)發(fā)生疲勞破壞［15］。

Super pave規(guī)范確立G*·sin δ時(shí)假定瀝青膠結(jié)料的疲勞是在薄弱路面結(jié)構(gòu)條件下的應(yīng)變控制現(xiàn)象［15］，因此規(guī)范中G*·sin δ是在線彈性范圍內(nèi)采用較小應(yīng)變?cè)?0次剪切循環(huán)過程中測(cè)定的結(jié)果。然而在實(shí)際工程中，瀝青路面的疲勞破壞一般都發(fā)生在路面服役后期，是長(zhǎng)期累積的非線性變形，因此根據(jù)Super pave規(guī)范測(cè)定的G*·sin δ并不能反映真實(shí)路面疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力歷史和力學(xué)狀態(tài)［15］。此外，Super pave確定G*·sinδ時(shí)的研究對(duì)象是基質(zhì)瀝青，而隨著路面要求的不斷提高，應(yīng)用于實(shí)際工程的瀝青大部分是改性瀝青，而改性瀝青與基質(zhì)瀝青的性質(zhì)和性能都有著很大的區(qū)別，因此基于基質(zhì)瀝青的G*·sinδ并不一定能夠很好地表征改性瀝青的疲勞性能。NCHR P 9-10項(xiàng)目研究表明，改性瀝青的G*·sinδ與瀝青混合料疲勞壽命相關(guān)系數(shù)最高僅為0.2323［4］。G*·sinδ為我們提供了一種研究瀝青疲勞性能的思路，但是多種研究結(jié)果表明G*·sinδ并不能很好地描述瀝青尤其是改性瀝青的疲勞性能。

1.5 耗散能變化率D R（DissipatedEnergyRatio）

1997年，Carpenter等采用耗散能變化率D R的方法來評(píng)價(jià)瀝青的疲勞性能［16］，耗散能變化率也稱為損傷率，其計(jì)算式（5）為

式中：D R為耗散能變化率；ωi為第i次加載循環(huán)中的耗散能，N·m；ωi＋1為第i＋1次加載循環(huán)中的耗散能，N·m。

D R表示加載循環(huán)過程中消耗能量變化的速率，以此判斷材料疲勞進(jìn)程中所處的階段。一般認(rèn)為疲勞過程分為三個(gè)階段：第一階段為無損傷階段，認(rèn)為此階段中每個(gè)循環(huán)過程中所消耗的能量不變，即|ωi－ωi＋1|＝0，相應(yīng)的D R也為0；第二階段為裂縫形成階段，此階段材料開始出現(xiàn)微觀裂縫，表現(xiàn)為|ωi－ωi＋1|值緩慢增加，D R值緩慢減小；第三階段為裂縫擴(kuò)展階段，此階段裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，相鄰循環(huán)過程中所消耗的能量差|ωi－ωi＋1|更大，直至破壞。

上述分析僅適用于應(yīng)力控制模式下的情況，因?yàn)樵趹?yīng)變控制模式時(shí)，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青膠結(jié)料的復(fù)數(shù)模量勢(shì)必逐漸降低，為了控制相同的應(yīng)變，就必須不斷減小施加的應(yīng)力值，從而導(dǎo)致E R值非常分散，很難找到一個(gè)可以定義疲勞壽命的反彎點(diǎn)。白琦峰等用90＃瀝青做應(yīng)變控制模式下的疲勞試驗(yàn)證明了這一點(diǎn)，說明耗散能變化率并不適合用作應(yīng)變控制模式下的疲勞指標(biāo)［17］。

1.6 簡(jiǎn)化能量耗散變化率RDR（ReducedDissipated EnergyRatio）

2000年，Rowe等在研究瀝青混合料的疲勞性能時(shí)，提出簡(jiǎn)化能量耗散率的概念［18］，其計(jì)算式（6）為

式中：RDR為簡(jiǎn)化能量耗散變化率，GPa；i為循環(huán)加載次數(shù)；G*i為第i次作用時(shí)瀝青的復(fù)數(shù)勁度模量，KPa。

Rowe利用簡(jiǎn)化能量耗散率研究混合料的疲勞性能得出具有峰值的簡(jiǎn)化能量耗散率與加載次數(shù)的關(guān)系曲線，并嘗試將這一原理應(yīng)用于瀝青膠結(jié)料的疲勞研究中［18］。白琦峰等采用70＃瀝青做時(shí)間掃描試驗(yàn)，得出簡(jiǎn)化能量耗散率與加載次數(shù)的關(guān)系曲線［18］，如圖4所示，將峰值所對(duì)應(yīng)的加載次數(shù)定義為瀝青的疲勞壽命NR。

圖4 簡(jiǎn)化能量耗散變化率RDR與加載次數(shù)的關(guān)系曲線圖［17］

相比于能量比E R和累計(jì)耗散能變化率DER的計(jì)算式（1）和（3），簡(jiǎn)化能量耗散變化率RDR的計(jì)算式（6）較為簡(jiǎn)單，卻缺乏理論依據(jù)，因此盡管簡(jiǎn)化能量耗散率與荷載作用次數(shù)曲線較為理想，但是仍然缺乏說服力。相關(guān)研究證明NR與Nf50的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.90，但仍需要更多的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證NR的準(zhǔn)確性［17］。

1.76種瀝青膠結(jié)料疲勞評(píng)價(jià)指標(biāo)存在的問題

根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果來看，關(guān)于瀝青膠結(jié)料的疲勞性能仍然沒有形成為統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此出現(xiàn)了當(dāng)前瀝青膠結(jié)料疲勞指標(biāo)多樣化的局面。不同的瀝青膠結(jié)料疲勞評(píng)價(jià)指標(biāo)具有各自的優(yōu)勢(shì)和不足，眾多的評(píng)價(jià)指標(biāo)中只有疲勞因子G*·sinδ作為SHRP計(jì)劃的成果之一被納入AASHTO規(guī)范，然而大量研究表明G*·sinδ的測(cè)試原理和線彈性假設(shè)使得該指標(biāo)并不能很好地表述瀝青膠結(jié)料的疲勞性能，并且該指標(biāo)與瀝青混合料疲勞壽命相關(guān)性也較差，因此實(shí)際當(dāng)中G*·sinδ只能作為一個(gè)參考性指標(biāo)。疲勞壽命Nf50以其與混合料疲勞壽命良好的相關(guān)性和操作簡(jiǎn)便性受到工程人員的青睞，不過由于其缺乏理論支撐因而在其準(zhǔn)確性受到質(zhì)疑時(shí)難以進(jìn)行反駁，因此其實(shí)用性受到很大限制，而同樣缺乏實(shí)際物理含義的簡(jiǎn)化能量耗散變化率RDR也面臨著相同的問題。能量比E R、耗散能變化率D R和累計(jì)耗散能變化率DER一直處于研究階段而很少應(yīng)用于實(shí)踐，E R、D R和DER指標(biāo)從能量的角度來研究瀝青膠結(jié)料的疲勞，雖然這些指標(biāo)有具體的物理含義作為理論支撐，但由于瀝青的疲勞破壞是一個(gè)逐漸發(fā)生的過程，其過程中的能量也是逐漸變化的，因此三個(gè)指標(biāo)都難以準(zhǔn)確地對(duì)瀝青材料的疲勞進(jìn)行定義，這就限制了E R、D R和DER在實(shí)際中的推廣應(yīng)用。

2 瀝青膠結(jié)料疲勞性能主要影響因素

2.1 試驗(yàn)方法

當(dāng)前對(duì)于瀝青膠結(jié)料疲勞性能的研究，無論是試驗(yàn)方法的選擇還是試驗(yàn)參數(shù)的控制都存在著一定局限性。Zhou等采用彈性恢復(fù)試驗(yàn)（Elastic Recovery Test）和雙邊刻痕拉伸試驗(yàn)DENT（Double Edge Notch Ten sion Test）研究瀝青膠結(jié)料的疲勞性能，并用混合料拉壓疲勞試驗(yàn)（Push-pull As phalt Mix Fatigue Test）進(jìn)行驗(yàn)證，認(rèn)為DENT試驗(yàn)可以用于測(cè)定瀝青膠結(jié)料的疲勞性能［19］，但這兩種試驗(yàn)的應(yīng)用仍不廣泛。SHRP計(jì)劃將動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR（Dyn a mic Shear Rheo meter）引入道路界，提供了一種在特定溫度與荷載下實(shí)時(shí)測(cè)定瀝青參數(shù)的簡(jiǎn)單方法，因此，DSR成為當(dāng)前瀝青膠結(jié)料疲勞研究的主要手段。借助DSR進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)或重復(fù)剪切流變?cè)囼?yàn)（也稱為時(shí)間掃描試驗(yàn)），得到每次加載過程中瀝青膠結(jié)料的復(fù)數(shù)勁度模量G*、相位角δ、應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)诺葏?shù)，然后對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而確定瀝青材料的疲勞性能。

然而一些研究發(fā)現(xiàn)，DSR時(shí)間掃描試驗(yàn)中，DSR轉(zhuǎn)子與瀝青粘結(jié)不牢會(huì)造成瀝青的“假性疲勞”，以至于不能準(zhǔn)確反映瀝青的疲勞響應(yīng)。Planche等研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行瀝青疲勞試驗(yàn)時(shí)，初始復(fù)數(shù)模量不同的瀝青膠結(jié)料破壞機(jī)制不同［5］：當(dāng)瀝青膠結(jié)料的初始復(fù)數(shù)模量低于15 MPa時(shí)，試驗(yàn)過程中瀝青膠結(jié)料發(fā)生邊緣裂縫而導(dǎo)致塑性流動(dòng)，此時(shí)瀝青樣品并沒有出現(xiàn)疲勞破壞；而當(dāng)初始復(fù)數(shù)模量高于15 MPa時(shí)才可以觀察到真正的疲勞。不同的瀝青發(fā)生真正疲勞所要求的初始復(fù)數(shù)模量也不盡相同，大致在10～20 MPa之間。此外，采用平行板做DSR試驗(yàn)時(shí)存在邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象，瀝青試樣處于不均一的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，故而難以準(zhǔn)確地確定瀝青的疲勞壽命。針對(duì)瀝青的“假性疲勞”現(xiàn)象，一些研究人員采用新的方法制作瀝青試樣，獲得了一些結(jié)果［20］，不過需要更多的研究來解決相關(guān)的問題。

2.2 加載模式

參照損傷力學(xué)的概念：當(dāng)工作應(yīng)力較高而失效循環(huán)次數(shù)較低（103～105次）類型的疲勞稱為低周疲勞［21］。低周疲勞的工作應(yīng)力較高，一般接近或超過材料的屈服極限，應(yīng)力與應(yīng)變之間不再保持線性關(guān)系，采用應(yīng)力控制時(shí)應(yīng)力與疲勞壽命之間數(shù)據(jù)較為分散，而采用應(yīng)變控制時(shí)應(yīng)變與疲勞壽命有很好的關(guān)系，因此低周疲勞也稱為應(yīng)變疲勞。而高等級(jí)公路設(shè)計(jì)的累計(jì)當(dāng)量軸次一般在107以上且路面的疲勞破壞一般發(fā)生在服役后期，單個(gè)車輛產(chǎn)生的應(yīng)力也遠(yuǎn)小于路面承載力，借鑒低周疲勞的定義，路面的破壞應(yīng)當(dāng)屬于“高周疲勞”，因此對(duì)瀝青材料破壞的研究應(yīng)當(dāng)側(cè)重于應(yīng)力控制模式。圖2、3也表明應(yīng)力控制模式下相關(guān)曲線具有良好的疲勞特性，而應(yīng)變控制模式時(shí)難以找到一個(gè)合適的反彎點(diǎn)來定義疲勞壽命。

加載方式的不同勢(shì)必影響材料的力學(xué)特性，對(duì)于應(yīng)力控制和應(yīng)變控制的試驗(yàn)，簡(jiǎn)單來說，應(yīng)力控制時(shí)隨著加載次數(shù)的增加應(yīng)變?cè)絹碓酱螅鴳?yīng)變控制時(shí)隨著加載次數(shù)的增加應(yīng)力必然越來越小，因此應(yīng)力控制模式下裂縫發(fā)展速度要快得多。與瀝青路面的反射裂縫產(chǎn)生機(jī)理不同，疲勞裂縫的形成更加依賴于路面實(shí)際的受力方式［22］。究其原因，可能是由于瀝青屬于粘彈性材料，其力學(xué)響應(yīng)與應(yīng)力歷史有關(guān)，加載過程中應(yīng)力與應(yīng)變不具有一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系。

2.3 荷載波形

目前對(duì)于瀝青材料疲勞性能的研究，絕大部分都是采用連續(xù)的交變荷載，然而路面實(shí)際使用過程中，無論是不同的車輛之間，還是同一車輛的前后軸之間，通過同一位置時(shí)都存在一個(gè)時(shí)間間隔，也就是說，路面實(shí)際受到的荷載并不是連續(xù)荷載。對(duì)于具有觸變性和自愈性的粘彈性材料瀝青來說，其對(duì)于連續(xù)荷載與間歇荷載的力學(xué)響應(yīng)并不相同。Bahia等利用DSR對(duì)瀝青膠結(jié)料進(jìn)行間歇加載疲勞試驗(yàn)，結(jié)果顯示間歇時(shí)間對(duì)瀝青的疲勞性能有較大影響［23］。因此研究過程中應(yīng)當(dāng)考慮到瀝青材料的自愈性和觸變性對(duì)外界輸入荷載響應(yīng)的影響，而不能只采用連續(xù)交變荷載研究瀝青膠結(jié)料的疲勞性能。然而有關(guān)自愈性和觸變性對(duì)瀝青疲勞性能影響的研究仍然較少，Shen等對(duì)瀝青和瀝青混合料疲勞試驗(yàn)中的愈合機(jī)理進(jìn)行研究，提出愈合率的概念，以此來評(píng)估瀝青的自愈能力［24－25］。單麗巖等通過剪切試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和愈合試驗(yàn)對(duì)瀝青的觸變性進(jìn)行研究，建立了瀝青的觸變模型，嘗試將瀝青的觸變性分離出來，試圖更深入的了解瀝青膠結(jié)料的疲勞損傷機(jī)制［26－28］。

此外，在應(yīng)力控制模式的研究中，對(duì)應(yīng)力水平的取值存在一定的隨意性，可以考慮參照實(shí)際路面上車輛和溫度荷載產(chǎn)生的應(yīng)力水平取值，例如BZZ－100時(shí)輪胎接地壓強(qiáng)0.70 MPa，根據(jù)路面層次的厚度，按照應(yīng)力擴(kuò)散的方法計(jì)算疲勞層處的應(yīng)力值。

3 展望

根據(jù)當(dāng)前的研究進(jìn)展來看，諸如疲勞壽命Nf50、疲勞因子G*·sinδ等瀝青膠結(jié)料疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)在某種程度上揭示了瀝青材料在循環(huán)荷載作用下的性能，但是無論評(píng)價(jià)指標(biāo)還是試驗(yàn)方法都存在著許多問題和不足，需要進(jìn)一步更深入的研究。為獲得準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料疲勞性能的指標(biāo)，要求所采取的試驗(yàn)方法應(yīng)當(dāng)能夠較為全面地反映各種因素（如瀝青觸變性、自愈性、荷載間歇時(shí)間等）對(duì)瀝青疲勞性能的影響，這也就意味著需要對(duì)瀝青膠結(jié)料疲勞試驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)或者創(chuàng)新，克服當(dāng)前研究的局限，尋找出能夠模擬瀝青膠結(jié)料疲勞損傷演化過程的試驗(yàn)方法。在充分了解瀝青膠結(jié)料疲勞破壞機(jī)制的基礎(chǔ)上，給出瀝青膠結(jié)料疲勞的定義，兼顧與瀝青混合料疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性，提出能夠真實(shí)表征瀝青膠結(jié)料疲勞性能的指標(biāo)。

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（學(xué)科責(zé)編：吳芹）

Research progress of evaluation indexes for fatigue performance of asphalt binder

Wang Chengxian，Wang Lizhi*，Wang Peng
（School of Transportation Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Fatigue property of asphalt binder plays an important role in the fatigue life of asphalt mixture，and the fatigue property of asphaltmixture affects the durability and long-term performance of pavement directly，thus，it is the basis of the study of pavement fatigue damage problem thatevaluates the fatigue life of asphalt effectively.The article expounds the progress of asphalt binder fatigue evaluation method，compares the reliability of Fatigue Life（Nf50），Energy Ratio（ER），Cumulative Dissipated Energy Ratio（DER），G*·sinδ，Dissipated Energy Ratio（DR），Reduced Dissipated Energy Ratio（RDR）for evaluating asphalt binder fatigue characteristics，analyzes their advantages and disadvantages.It analyzes the fatigue problem of asphalt binder comprehensively，considering the actual load and failure form of the pavement，mainly discusses the effect of DSR time-sweeping test method，load mode，thixotropy and self-healing of asphalt binder on fatigue performance，states the practical application situation of 6 kinds evaluation indexes，and also discusses the fatigue research direction of asphalt binder.

asphalt binder；fatigue performance；stress controlled mode；strain controlled mode

U416.217

A

2014－10－26

王承獻(xiàn)（1987－），男，在讀碩士，主要從事瀝青混合料性能等方面的研究.E-mail：shamozhihu237＠163.com

*：王立志（1965－），男，副教授，博士，主要從事道路瀝青及道路新材料的研發(fā)等方面的研究.E-mail：wlz85503＠126.com

1673－7644（2015）05－0456－08