瀝青混合料的疲勞性能及評價標(biāo)準(zhǔn)研究綜述

袁 強(qiáng)

(大連理工大學(xué)，遼寧大連 116023)

1 研究意義

近年來，我國高等級公路的建設(shè)日新月異。由于自身具有行車平穩(wěn)、舒適以及易于養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，瀝青路面在高等級公路中得到了廣泛的應(yīng)用。在使用過程中，瀝青路面由于受到汽車軸載和溫度等環(huán)境因素的反復(fù)作用，使其受力始終處于變化狀態(tài)，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。所以充分了解瀝青路面疲勞性能并建立相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)對于瀝青路面的使用具有重要意義。

2 瀝青路面破壞機(jī)理

實踐表明，移動中的車輪荷載對路面結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的作用不盡相同。對于面層頂面上的點(diǎn)來說，車輪靠近時受拉，車輪直接作用時，該點(diǎn)受壓，當(dāng)車輪駛離后，該點(diǎn)受拉。對于面層底面上的點(diǎn)而言，其應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)與頂面點(diǎn)恰好相反。根據(jù)上述分析可知，汽車駛過一次就使面層上的點(diǎn)經(jīng)歷一次拉壓應(yīng)力循環(huán)，這樣反復(fù)作用之后，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會下降，直至路面破壞。由于路面材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，因此車輪作用下的路面裂縫通常是由路面底部產(chǎn)生并向上擴(kuò)展的［1］。所以，在實際路面設(shè)計當(dāng)中需要把底部拉應(yīng)力作為控制變量。

3 影響瀝青路面疲勞壽命的因素

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)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(huán)境因素，如荷載類型以及溫度等。

3.1 疲勞試驗?zāi)Ｊ?/h3>

室內(nèi)是按照常應(yīng)力試驗和常應(yīng)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(tài)來進(jìn)行分析的。常應(yīng)力試驗是對瀝青混合料施加大小不變的荷載。常應(yīng)變試驗是在實驗過程中保持應(yīng)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(zhì)，其力學(xué)性能可以用溫度和時間的函數(shù)表示，描述具體性質(zhì)時，需注明條件。對比兩種試驗?zāi)Ｊ剑诠こ坍?dāng)中控制應(yīng)力疲勞模式是比較保守的估計。

3.2 材料性質(zhì)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(zhì)集料的性質(zhì)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(jìn)行了常應(yīng)力和常應(yīng)變疲勞試驗。結(jié)果表明:在相同的瀝青用量下，對于常應(yīng)變模式，瀝青越軟，疲勞壽命越長;對于常應(yīng)力模式則反之。瀝青的軟化點(diǎn)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(zhì)與級配

國外學(xué)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(yīng)力試驗表面紋理和形狀不同的集料進(jìn)行對比分析得出，顆粒形狀對常應(yīng)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(chǎn)生較大的空隙率，導(dǎo)致疲勞壽命縮短。來自美國的實驗數(shù)據(jù)［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(yīng)充分碾壓達(dá)到規(guī)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(xiàn)場壓實得到的芯樣相似，但考慮到設(shè)備成本、可行性等因素，搓揉壓實法已被廣泛應(yīng)用。這種方法也被美國實驗與材料協(xié)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(jù)實際情況適當(dāng)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(xiàn)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(diǎn)限制了其應(yīng)用。試件疲勞法模擬的狀態(tài)與路面實際工作狀態(tài)有一定的差異，但試驗周期短，耗資少，因而被廣泛應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)是通過間接拉伸試驗得到的。

3)應(yīng)力水平及加載模式。根據(jù)Miner疲勞損傷準(zhǔn)則，損傷可以認(rèn)為與荷載重復(fù)作用次數(shù)成線性關(guān)系，當(dāng)積累的損傷到臨界值時，就發(fā)生破壞。因此，在疲勞試驗中，應(yīng)力或應(yīng)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(guān)，研究人員經(jīng)過反復(fù)的試驗后認(rèn)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(rèn)為，對密級配瀝青混合料在24℃下按照常應(yīng)力模式進(jìn)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(dāng)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(fù)。I.F.泰勒指出當(dāng)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(xiàn)出了較高的勁度模量，再按常應(yīng)力加載時疲勞壽命又會增長?；赧蔚热耍?］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(shù)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(nèi)會產(chǎn)生愈合效應(yīng)，使其勁度得到一定恢復(fù)，疲勞壽命延長。間歇時間達(dá)到一定值后，其對疲勞壽命的影響趨于穩(wěn)定。

4)環(huán)境因素。環(huán)境因素當(dāng)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(jié)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(jìn)入材料內(nèi)部之后阻斷了瀝青與集料的結(jié)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(yīng)力模式下疲勞壽命降低。

4 瀝青混合料疲勞壽命的預(yù)估

瀝青混合料的疲勞性能對于瀝青路面功能有著至關(guān)重要的影響。但是由于資金等各種因素的限制，很難系統(tǒng)的進(jìn)行大量的疲勞試驗研究。這就需要我們在深入研究現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，通過建立數(shù)學(xué)模型來對瀝青路面的疲勞性能進(jìn)行預(yù)估和評價，以節(jié)省人力物力。目前現(xiàn)有的疲勞預(yù)測模型主要是由測試統(tǒng)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(jù)47條常應(yīng)力彎曲疲勞曲線建立起來的。他們假定，在重復(fù)加載次數(shù)N與應(yīng)變ε的雙對數(shù)坐標(biāo)下所有的疲勞曲線都聚焦于點(diǎn)(40，6.3×10－4)，焦點(diǎn)與所有疲勞關(guān)系線方程N(yùn)=c×ε－m的系數(shù)m與c之間的相關(guān)性有關(guān)。疲勞線的第二點(diǎn)由下式確定:

其中，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)，℃。由于該關(guān)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(guān)性，但并非所有曲線都交于一點(diǎn)。

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(guān)系，無論加載速度和環(huán)境溫度如何，都可以通過所耗能量W與重復(fù)加載次數(shù)N的雙對數(shù)坐標(biāo)下的一條直線來表示其疲勞特性?？捎孟率奖硎?

對于常應(yīng)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(yīng)力與應(yīng)變之間的初始相位角;C，m為基本曲線W=C·Nm的系數(shù)。

4.3 美國瀝青學(xué)會法

1981 年美國瀝青學(xué)會提出的關(guān)系式為:

其中，εt為許用拉應(yīng)變;Nf為荷載作用次數(shù);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(diǎn)彎曲儀，在15℃，54 Hz的加載頻率下，對40多種瀝青混合料進(jìn)行常應(yīng)力疲勞試驗，根據(jù)實驗結(jié)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(shù);G為與集料級配有關(guān)的參數(shù)，一般取1.0;N為重復(fù)加載次數(shù)。Francken的實驗都是在一個溫度下進(jìn)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(jìn)而考慮了瀝青針入度指數(shù)和瀝青混合料的體積構(gòu)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(yù)測方面也做了大量的工作。東南大學(xué)的黃衛(wèi)等人［10］提出了重復(fù)荷載作用下的能耗與作用次數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系:W1=A0－A1×N，其中，A0，A1均為回歸系數(shù)，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(zhì)上代表了初始能耗W0。東南大學(xué)的朱洪洲等人［11］通過大量的小梁彎曲試驗根據(jù)損傷力學(xué)理論得到:ΔDPV=A×NBD。其中，ΔDPV為單位次數(shù)荷載作用對時間損傷的增量;ND為重復(fù)荷載作用下的疲勞壽命;A，B均為實驗得到的常數(shù)。

5 結(jié)語

瀝青混合料疲勞破壞會對瀝青路面的使用產(chǎn)生較大影響，路面破壞之后的修補(bǔ)和重建需要耗費(fèi)大量的人力物力。因此深入的研究其破壞機(jī)理以及影響瀝青路面破壞的因素是十分必要的?？梢愿鶕?jù)現(xiàn)有的試驗結(jié)果建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對瀝青路面的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估，以此來節(jié)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(xué)，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(qiáng)，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(yù)估瀝青混合料疲勞性能的新方法［Z］.呂偉民，譯.

［10］黃 衛(wèi)，鄧學(xué)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(xué)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.