瀝青路面半剛性基層材料與結構疲勞損傷研究

張澤南

通過對瀝青路面半剛性基層材料與結構疲勞影響因素的總結分析，討論了其疲勞性能變化對壽命的影響情況，并進一步結合北京地區某實際改建工程案例針對半剛性基層材料的疲勞性能及壽命變化情況進行了研究。通過不同試件的測定與對比可知，采用本文所給出的計算方法能夠進一步減小基層材料試件預測壽命與實測壽命的偏差幅度，為瀝青路面基層材料與結構疲勞性能的研究提供一定的指導。

隨著城市建設的現代化不斷發展和推進，交通網絡的構建成為連通不同城市之間以及城市內部通行的重要紐帶，由于我國地域面積大，高速公路成為日常通行的重要通道，高速公路的發展為我國的交通事業的不斷發展奠定了重要的基礎。得益于半剛性瀝青路面的原材料自身性價比較高的優勢，一直被廣泛地應用于高速公路的建設當中。隨著社會的不斷發展和進步，前期建造的公路所承載的交通量正在不斷地增加，同時部分車輛的載重量也在不斷提升，對半剛性基層瀝青路面的結構產生了重要的影響，部分道路出現了疲勞、收縮開裂等結構方面的早期破壞，進一步加劇了道路維修養護的成本，同時也容易造成車輛通行的安全隱患。如果早期的結構破壞未得到及時的解決，會導致半剛性基層材料良好的力學性能及優質的經濟性難以充分發揮其優勢。針對半剛性基層材料與結構疲勞損傷的研究和分析，可以在解決道路早期結構破壞的同時，為道路路面的基層結構設計和施工提供更多的指導。

在我國正在建造和已經建造的高速公路中，采用半剛性基層的占比比例在85%以上，在此類結構中，主要的承重層是半剛性基層。長期的載荷會使道路出現疲勞斷裂等類型的破壞。在半剛性基層材料的性能分析過程中，疲勞性能是重要的指標，相關研究人員針對其性能進行了大量的研究。本文結合半剛性基層材料與疲勞性能之間的關系進行了研究，將開裂時的循環次數作為疲勞的壽命指標，針對瀝青路面半剛性基層材料與結構疲勞損傷的情況進行了更為系統性的分析和探討。

一、半剛性基層材料疲勞特性分析

目前的路面結構形式主要采用的是半剛性基層瀝青混凝土路面，重載車輛的增多以及交通量的不斷增加導致半剛性基層在載荷的反復作用下出現了脆性大以及抗變性能較差的情況。此類情況的出現不僅會影響路面的美觀，還會導致道路結構的進一步破壞，進而影響到車輛通行的舒適性和安全性。因此，研究半剛性基層材料的疲勞特性成為分析瀝青道路路面性能變化及使用壽命的重要內容，同時也可以為道路的日常維護提供更多的指導。

1.疲勞性能與結構類型的關系

通常情況下，局部性是疲勞破壞的明顯特點，疲勞破壞開始的部位一般集中在材料應力或者應變較高的局部位置，前期的損傷由于得不到及時的修復會逐漸積累，長此以往會導致嚴重的破壞。對于常見的半剛性基層材料而言，通常是由骨料以及無機結合料等基本材料與水混合后組成的復合材料，一般情況下呈現出一種疏松的狀態，由于其特殊的結構，受到力的作用之后會出現彌散裂隙或者空洞。復合材料所出現裂隙及空洞會在載荷的反復作用下持續的加劇和增長，并不斷地進行連通聚合，進而形成更大尺度的宏觀裂紋，導致出現結構性破壞。

分析懸浮密實和骨架密實結構的形成情況的特性可以發現，空洞的出現或者細微裂縫存在的比例相對于懸浮密實的結構相對較少，對于水泥穩定碎石以及二灰穩定碎石而言，二者屬于骨架密實結構，因此其疲勞性能更具有優越性。但是，對比水泥穩定碎石與二灰穩定碎石可以發現，后者的疲勞性能更優，其主要原因是由于水泥穩定碎石的結構類型更為密實。

對于常見的瀝青路面結構破壞，需要綜合分析判斷其破壞情況，為道路的維護提供指導，同時為道路使用壽命的預測和判斷提供更為合理的預測基礎。如圖1所示，給出了道路半剛性基層破壞程度的整體評價流程。在評價流程中的材料壽命分析環節，需要結合材料的具體結構性能決定其使用壽命的情況，如果使用壽命較小，則可做粒料層按照相關設計和施工要求進行處理；如果使用壽命較大，則可按照兩階段設計法進行。

圖1 道路半剛性基層整體評價方法

2.疲勞性能與材料強度的關系

在半剛性基層材料的疲勞預測模型中，自變量的選取通常為應力水平的變化，彎拉強度可以作為不同瀝青路面不同基層材料性能變化的反映，據此判斷基層材料的特性變化。此外，通過對比不同瀝青路面的基層材料結構類型，可以發現影響疲勞壽命的重要因素之一是基層材料的彎拉強度。通常情況下，就材料的抗疲勞性能而言，二灰穩定碎石優于水泥穩定砂礫，同時也優于水泥穩定碎石，即在相同的載荷作用下，二灰穩定碎石相較于另外兩者能夠承受更多的載荷作用次數。因此，通過以上的分析可知，瀝青路面的半剛性基層材料的疲勞性能在很大程度上會受到材料彎拉強度的影響，通過采取相關的措施進而適當提高瀝青路面半剛性基層材料的抗彎拉強度，可以在不同程度上對基層材料壽命衰減相對較快的情況進行一定程度的改善和提升，進而提高材料的抗疲勞性能。

二、結構疲勞損傷研究

1.工程概況

通過瀝青路面半剛性基層材料與結構疲勞損傷的研究，可以為道路的設計和施工提供更多的基礎支撐。為了進一步研究半剛性基層材料抗疲勞性能的變化情況，以北京市某道路為例，針對其半剛性基層材料的疲勞性能展開了相關的實驗研究。該工程屬于改建工程二標段，路線全長12.35km。路線內存在鐵路橋、國道、規劃新區等不同的控制點。老路路面破損嚴重，存在較多的坑洼破損，其中路面寬度5.0m，路基寬度6.5m。該工程改建完成之后可在較大程度上提升道路的通行能力，在一定程度上也能夠緩解旁邊國道的通行壓力，為新區的交通提供更大的便利，為當地的經濟發展提供支撐。

2.試件制備及試驗設備

（1）試驗的試件制備

試驗按照行業測定標準《柔性路面設計參數測定方法標準》（CJJ/T59-94）中規定的大梁試件作為本次測定所用的試驗試件。試驗過程中所采用的試件示意圖如圖2 所示，試件的總數為30 個，具體尺寸為450mm×150mm×150mm，瀝青混凝土作為其面層材料（此部分厚度為50mm）；基層的結構為半剛性水穩層（此部分厚度為100mm），經過靜壓及養護最終成型。混合料的油石比為4.7%，干密度為2.376g/cm3，水穩集料的水泥含量為5%，采用的是普通硅酸鹽水泥。此外，對于集料的最佳含水率，通過擊實試驗進行參數的確定，最終確定5.5%為集料的最佳含水率，此時所對應的最大干密度為2.31g/cm3。

圖2 試驗中試件的尺寸及形狀（單位：mm）

圖3 應力水平為0.8時彈模比（E/E0）的衰減變化情況

（2）試驗設備

本次試驗過程中，所采用的測試系統是型號為MTS810 動靜態材料試驗機，該試驗系統可以針對測試試件進行拉伸、壓縮、彎曲等靜態試驗，以及蠕變和疲勞試驗，動載荷的控制范圍：-150kN～150kN；靜載荷的控制范圍：-100kN～100kN。以正弦波作為其疲勞載荷的波形（其頻率為10Hz），應力水平分別為0.7 和0.8，σmin/σmax=0.1（循環應力比）。試驗過程中，以三分點彎曲加載的方式進行試驗測定，采用應變片測定試件的參數變化情況（應變片粘貼在試件的底部跨中位置）。

3.試驗結果及分析

通過針對各試件的疲勞試驗結果的對比和分析可知，底部跨中位置彈模的變化呈現出三階段衰減規律，如圖 3 所示，給出了不同試件應力水平為0.8 的情況下彈模比的衰減變化趨勢。在進行疲勞試驗時，可以發現試件底部跨中位置發生破壞的臨界點是其彈性模量衰減至某臨界值，基于半剛性基層材料的統計分析可知，該臨界值出現的平均值約為0.5。

在本次試驗測定中，確定應力水平S 以及當前循環次數n 之后，然后通過其損傷量D，結合公式（1）便可以估算出材料的疲勞壽命：

通過不同試件的測定，對相關的數據結果進行統計學分析，可以得到式（1）中參數a=0.92，b=0.75，因此，可按此式對其疲勞壽命進行估算（對于臨界值而言，存在n=Nf）。

基于以上分析，圖4 給出了隨機選取的試件（30個試件中進行隨機選取編號）疲勞壽命的預估計算情況與實際測量情況的對比。由圖可知，通過該公式預測的結果與實測結果較為接近，進一步驗證了該公式的有效性和準確性。例如，對于試件1 而言，在實測損傷為0.21 的情況下，其預測壽命為4356 次，此時通過針對該試件的測定可知，所對應的實測壽命為4189 次，兩者相差為167 次，偏差幅度約為4%左右。即使對于預測壽命相對較少的試件4 而言，其預測壽命和實測壽命分別為865 次和798 次，兩者相差67 次，偏差幅度約為8.4%左右，進一步驗證了公式的可行性。此外，對于實測損傷量而言，在所選取的試件中，當損傷量為臨界值的40%左右時，預測壽命與實測壽命具有更小的偏差幅度。

圖4 不同試件預測與實測壽命的對比分析（單位：次）

三、結語

基于對瀝青路面半剛性基層材料疲勞性能影響因素的分析，針對北京某瀝青道路改建工程的實際案例，研究了半剛性基層材料疲勞損傷的影響情況，并針對其疲勞壽命進行了預測值與實測的對比。通過對比不同試件的損傷量及疲勞壽命的變化情況，進一步分析了半剛性基層材料的基本性能對其疲勞壽命的影響。主要得出以下結論：

（1）瀝青路面半剛性基層材料與結構疲勞損傷性能的變化不僅會受到路面結構的影響，同時也會受到基層材料強度的影響，通過適當提高瀝青路面半剛性基層材料的抗彎拉強度，可以在一定程度上改善和提升材料的抗疲勞性能。

（2）通過對不同試件疲勞性能的測定及分析，可以發現試件底部跨中位置發生破壞的臨界點所對應的彈性模量衰減臨界值約為0.5；針對試件的預測壽命與實際壽命的對比發現，不同試件的預測與實測壽命的偏差值相對較小，整體偏差幅度在3%～9%的范圍內。