瀝青路面的抗疲勞性能

張艷明

(唐山市豐潤區(qū)交通運(yùn)輸局)

早在1942年O.J.Porter就注意到道路路面在車輪荷載重復(fù)作用幾百萬次后會遭到破壞。L.W.Nijbver指出瀝青路面壽命后期出現(xiàn)的裂縫與行駛車輛產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力超過了材料的抗彎強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)調(diào)裂縫是疲勞的結(jié)果，它取決于彎沉大小和重復(fù)次數(shù)。20世紀(jì)60年代開始世界各國對路面疲勞特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對路面疲勞破壞機(jī)理也有了更科學(xué)的認(rèn)識。理論和實(shí)踐都已表明，在移動車輪荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)各點(diǎn)處于不同的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)如圖1。

路面面層底部B點(diǎn)處于三向應(yīng)力狀態(tài)，車輪作用其上時，B點(diǎn)受到全拉應(yīng)力作用，車輪駛過后應(yīng)力方向改變，量值變小，并有剪應(yīng)力產(chǎn)生。當(dāng)車輪駛過一定距離后，B點(diǎn)則承受主壓應(yīng)力作用。B點(diǎn)應(yīng)力隨時間的變化曲線如圖2所示。

圖1 路面面層在車輪下的受力狀態(tài)

圖2 B點(diǎn)應(yīng)力隨時間的變化

路面表面上A點(diǎn)則相反，車輪駛近時受拉，車輪直接作用時受壓，車輪駛過后又受拉。車輪駛過一次就使A，B點(diǎn)出現(xiàn)一次拉壓應(yīng)力循環(huán)。路面在整個使用過程中，長期處于應(yīng)力(應(yīng)變)重復(fù)循環(huán)變化的狀態(tài)。由于路面材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，而面層底部B點(diǎn)在車輪下所受的拉應(yīng)力較之表面A點(diǎn)在車輪駛近或駛離后產(chǎn)生的拉應(yīng)力要大得多，因此在荷載重復(fù)作用下路面裂縫通常從面層底部開始發(fā)生。路面疲勞設(shè)計大多數(shù)以面層底部拉應(yīng)力或拉應(yīng)變作為控制指標(biāo)。

1 瀝青混合料疲勞力學(xué)模型

瀝青路面疲勞特性的研究方法可以分為兩類。一類為現(xiàn)象學(xué)法，即傳統(tǒng)的疲勞理論方法，它采用疲勞曲線表征材料的疲勞性質(zhì);另一類為力學(xué)近似法，即應(yīng)用斷裂力學(xué)原理分析疲勞裂縫擴(kuò)展規(guī)律以確定材料疲勞壽命?，F(xiàn)象學(xué)法與力學(xué)近似法都是研究材料的裂縫以及裂縫的擴(kuò)展，其主要區(qū)別就在于前者的材料疲勞壽命包括裂縫的形成和擴(kuò)展階段，研究裂縫形成的機(jī)理以及應(yīng)力、應(yīng)變與疲勞壽命之間的關(guān)系，各種因素對疲勞壽命及疲勞強(qiáng)度的影響;后者只考慮裂縫擴(kuò)展階段的壽命，認(rèn)為材料一開始就有初始裂縫存在，它主要是研究材料的斷裂機(jī)理及裂縫擴(kuò)展規(guī)律。

瀝青混合料的疲勞是材料在荷載重復(fù)作用下產(chǎn)生不可恢復(fù)的強(qiáng)度衰減積累所引起的一種現(xiàn)象。顯然荷載的重復(fù)作用次數(shù)愈多，強(qiáng)度的損傷就愈加劇烈，它所能承受的應(yīng)力或應(yīng)變值就愈小。

在現(xiàn)象學(xué)法中，把材料出現(xiàn)疲勞破壞的重復(fù)應(yīng)力值稱作疲勞強(qiáng)度，相應(yīng)的應(yīng)力重復(fù)作用次數(shù)稱為疲勞壽命。疲勞壽命可以用兩種量度來表示，即服務(wù)壽命和斷裂壽命。服務(wù)壽命為試件能力降低到某種預(yù)定狀態(tài)所必需的加載累積次數(shù);斷裂壽命為試件完全破裂所必需的加載累積次數(shù)。如果試件破壞都被定義為在連續(xù)重復(fù)加載下完全裂開時，則服務(wù)壽命與斷裂壽命兩者相等。

應(yīng)用現(xiàn)象學(xué)法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的方法很多，歸納起來可以分為四類:一是實(shí)際路面在真實(shí)汽車荷載作用下的疲勞破壞試驗(yàn)，如美國的AASHO試驗(yàn)路;第二類是足尺路面結(jié)構(gòu)在模擬汽車荷載作用下的疲勞試驗(yàn)研究，包括環(huán)道試驗(yàn)、加速加載試驗(yàn);第三類是試板試驗(yàn)法;第四類是試驗(yàn)室小型試件的疲勞試驗(yàn)研究。由于前三類試驗(yàn)研究方法耗資大、周期長，因此大量采用的還是周期短、費(fèi)用少的室內(nèi)小型疲勞試驗(yàn)。

室內(nèi)小型疲勞試驗(yàn)的方法很多，如三分點(diǎn)小梁彎曲試驗(yàn)、中點(diǎn)加載小梁彎曲試驗(yàn)、懸臂梁試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)懸臂試驗(yàn)等。迄今為止，各國均沒有將疲勞試驗(yàn)作為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法納入規(guī)范。

應(yīng)用現(xiàn)象學(xué)法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時，可采用控制應(yīng)力和控制應(yīng)變兩種加載模式。應(yīng)力控制方式是指在反復(fù)加載過程中所施加荷載(或應(yīng)力)的峰谷值始終保持不變，隨著加載次數(shù)的增加最終導(dǎo)致試件斷裂破壞。這種控制方式以完全斷裂作為疲勞損壞的標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果常采用下式來表示

式中:Nf為試件破壞時加載次數(shù);k、n為取決于瀝青混合料成分和特性的常數(shù);σ為對試件每次施加的常量應(yīng)力最大幅值。

應(yīng)變控制方式是指在反復(fù)加載過程中始終保持撓度或試件底部應(yīng)變峰谷值不變。由于在這種控制方式下，試件通常不會出現(xiàn)明顯的斷裂破壞，一般以混合料勁度下降到初始勁度50%或更低作為疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果常采用如下公式來表示式中:N為混合料勁度下降為初始勁度50%或更低時的次數(shù);ε為對試件每次施加的常量應(yīng)變最大幅度;C，n為取決于瀝青混合料成分和特性的常數(shù)。

公式表明，材料在承受重復(fù)常量應(yīng)力或應(yīng)變條件下，施加的應(yīng)力或應(yīng)變同疲勞壽命之間的關(guān)系在雙對數(shù)坐標(biāo)上成線性反比關(guān)系。

2 瀝青混合料疲勞壽命的預(yù)估方法

(1)諾丁漢大學(xué)法

諾丁漢大學(xué)通過對各種瀝青混合料室內(nèi)疲勞試驗(yàn)，建立了拉應(yīng)變、疲勞荷載作用次數(shù)、瀝青含量和軟化點(diǎn)的關(guān)系式

式中:ε1為允許拉應(yīng)變;N為荷載作用次數(shù);VB為瀝青體積百分率;TR＆B為瀝青軟化點(diǎn)。

當(dāng)拉應(yīng)變?yōu)?00×10-6時，混合料的疲勞壽命同瀝青用量和軟化點(diǎn)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為

式中:N為試件在常量應(yīng)變100×10-6時達(dá)到破壞的加載次數(shù);VB為瀝青的體積百分率;TR＆B為用環(huán)球法測定的瀝青軟化點(diǎn)。

(2)殼牌法

式中:N為荷載作用次數(shù);εt為允許拉應(yīng)變;Vv為空隙率;VB為瀝青體積百分率;Smix為特定時間、溫度下混合料的勁度。