路面瀝青混合料疲勞性能分析

陳博

摘 要：本文擬在參考國內(nèi)外相關(guān)研究和實踐的基礎(chǔ)上，分析瀝青路面疲勞開裂的破壞機(jī)理和影響因素，描述瀝青混合料的多種室內(nèi)疲勞試驗方法，指出室內(nèi)試驗結(jié)果與實際路用性能的差異，并探討上述理論在當(dāng)前我國路面設(shè)計中的應(yīng)用以及現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范的不合理之處，為我國路面設(shè)計人員提供參考和建議。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料;疲勞裂縫;疲勞壽命;室內(nèi)疲勞試驗;力學(xué)-經(jīng)驗設(shè)計方法

中圖分類號：U416.217 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）26-0108-06

Analyses of Fatigue Performance for Asphalt Mixtures in Road Pavements

CHEN Bo

（JSTI Group，Nanjing Jiangsu 210019）

Abstract： Based on the national and international literature review， this paper analysed fatigue cracking mechanism of asphalt concrete （AC） pavements and the factors affecting pavement fatigue life， described various fatigue testing schemes in laboratory conditions， and then compared the test results with those obtained in the field and reveals their differences. At the end of this paper， it analysed the application of the above theory to the current pavement design in China and tells some inconsequences in the current design code， and hence provided references to our pavement designers.

Keywords： asphalt mixtures;fatigue cracks;fatigue life;laboratory fatigue testing;mechanistic-empirical pavement design（MEPD）

道路在一個國家的經(jīng)濟(jì)增長和老百姓的日常生活中起著舉足輕重的作用。在過去二十年間，我國大部分國省干道的里程數(shù)、交通量、交通荷載及車速均出現(xiàn)了明顯增長。這種增長一方面促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)繁榮，另一方面也導(dǎo)致干線路網(wǎng)面臨前所未有的壓力。

當(dāng)前，修建和養(yǎng)護(hù)道路的費(fèi)用極高。在修建道路時，采用最為經(jīng)濟(jì)的路面結(jié)構(gòu)，并在其設(shè)計使用年限內(nèi)不影響路面結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，這是路基路面工程師追求的一個長期目標(biāo)。我國目前的公路網(wǎng)和市政道路的路面結(jié)構(gòu)主要采用瀝青路面，很多老路通過改擴(kuò)建逐漸被瀝青路面取代。瀝青路面結(jié)構(gòu)在路面承受重載交通、保持耐久性方面具有較大優(yōu)勢，并且能抵抗疲勞開裂。國內(nèi)蓬勃發(fā)展的物流快遞業(yè)務(wù)和節(jié)假日大量出游人群無形中使重型車數(shù)量日益增多，而瀝青路面（瀝青結(jié)構(gòu)層）可滿足大量重載交通的需求。

對于瀝青混合料的疲勞性能，國內(nèi)外許多專家學(xué)者已經(jīng)研究了數(shù)十年，但是，對于瀝青混合料的疲勞開裂現(xiàn)象，至今仍未找到良好的處理方法。

由此，本文擬在參考國內(nèi)外相關(guān)科研成果和實踐的基礎(chǔ)上，分析瀝青路面疲勞開裂的破壞機(jī)理與影響因素，描述瀝青混合料的幾種室內(nèi)疲勞試驗方法，指出室內(nèi)試驗結(jié)果與實際路用性能的差異，并詳細(xì)分析相關(guān)理論在當(dāng)前我國路面設(shè)計中的應(yīng)用，為我國路面工程師提供參考和借鑒。

1 瀝青路面疲勞開裂現(xiàn)象及破壞機(jī)理

疲勞開裂被認(rèn)為是瀝青路面最主要的破壞形式。對于柔性基層路面和半剛性基層路面，疲勞損壞通常是由往復(fù)作用的重車軸載引起的如圖1所示，從而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生圖1（b）所示的反復(fù)彎曲變形現(xiàn)象。機(jī)動車行駛在路表產(chǎn)生往復(fù)作用的車輪軸載，這些車輪軸載發(fā)展為水平拉應(yīng)力和拉應(yīng)變的循環(huán)性周期變化，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫。當(dāng)路面的累計荷載作用次數(shù)超過其容許疲勞壽命（Fatigue Life），疲勞破壞（Fatigue Damage）就會發(fā)生。瀝青混合料開始發(fā)生疲勞開裂時的荷載作用次數(shù)即為疲勞壽命。通常情況下，瀝青混合料的疲勞壽命由其強(qiáng)度和剛度（勁度）決定：強(qiáng)度越大，其疲勞壽命越長;剛度越大，其疲勞壽命則越短[1]。

對于由荷載作用產(chǎn)生的疲勞裂縫，首先能觀察到的是大致沿著輪跡方向（即路面中心線方向）的縱向裂縫。久而久之，這些縱向裂縫逐漸擴(kuò)散成網(wǎng)狀，發(fā)展成為相互連接的塊狀裂縫或龜裂。鑒于其形狀，國外許多文獻(xiàn)稱之為鱷魚裂縫（Alligator/Crocodile Cracks）[2]。

瀝青混合料一旦到達(dá)一個規(guī)定的開裂程度，就被認(rèn)為達(dá)到了其疲勞壽命。然而，在國際上依然存在沿輪跡方向究竟需要有多少裂縫率才被認(rèn)為是路面損壞的爭議。在此情況下，通常引入美國公路協(xié)會（AASHTO）使用的路面耐用性指標(biāo)（Level of Serviceability），即一旦路面結(jié)構(gòu)達(dá)到了一定的路面耐用性指標(biāo)，而不被當(dāng)?shù)亟煌ㄅc養(yǎng)護(hù)部門所容許，該舊路就需要進(jìn)行修復(fù)、改造。通常情況下，發(fā)達(dá)國家會比貧窮國家容許更低的路面裂縫率。更低要求的路面耐用性指標(biāo)意味著允許有更高的路面裂縫率，這在一定程度上給機(jī)動車駕駛員增加了行車難度。

常見的路面疲勞開裂是從結(jié)構(gòu)層底部（底基層）開始的，由結(jié)構(gòu)層層底的拉應(yīng)變或拉應(yīng)力產(chǎn)生。對于柔性基層路面，由瀝青層層底的拉應(yīng)變產(chǎn)生;對于半剛性基層路面，則由半剛性基層層底的拉應(yīng)力產(chǎn)生。隨后，裂縫會逐漸向路表擴(kuò)散。這種疲勞裂縫被認(rèn)為是路面自下而上的裂縫（Bottom-up Cracking）。同時，疲勞裂縫也能自上而下地產(chǎn)生，這種裂縫首先在路表開始，被稱為路面自上而下的裂縫（Top-down Cracking）。

從瀝青路面維修與養(yǎng)護(hù)的角度考慮，自上而下的裂縫容易修復(fù)，因為路表的裂縫可采用密封膠灌縫修復(fù)（見圖2）。相反，自下而上的裂縫不易修復(fù)，而且修復(fù)費(fèi)用較高，在很多國家成為交通公路的一大隱患。

2 瀝青混合料疲勞開裂的影響因素

瀝青混合料的疲勞壽命受很多因素影響，包括荷載準(zhǔn)則、環(huán)境要素、施工因素及材料特性等。上述影響因素包括在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用的各種設(shè)計參數(shù)，如路面結(jié)構(gòu)層厚度、車軸構(gòu)造、不同結(jié)構(gòu)層的模量值、路面含水量、路面溫度及交通速度（加載速率）等。

2.1 環(huán)境與溫度條件對疲勞壽命的影響

瀝青路面的疲勞開裂不僅取決于導(dǎo)致路面開裂的重車軸載作用次數(shù)，還受環(huán)境影響，如溫度變化、瀝青老化和裂縫愈合。

從嚴(yán)格意義上講，瀝青材料不是一種彈性材料，而表現(xiàn)出粘彈性材料的特性。這意味著瀝青敏感度根據(jù)加載時間變化而改變[2]。瀝青又是一種熱塑性材料，所以，其受溫度的影響也極大。在低溫和重荷載條件下，瀝青會表現(xiàn)得堅硬;而在高溫和輕荷載的條件下，其又會變得柔軟。由此可見，溫度對疲勞壽命的影響也可以用剛度變化來解釋。

瀝青混合料疲勞壽命受其模量影響，而模量又與溫度有關(guān)。在路面設(shè)計中，使用感溫的模量和疲勞模型的一大有利條件是這樣的模型能應(yīng)用于疲勞易受溫度影響的情況。例如，隧道內(nèi)的路面溫度可能與隧道外的路面溫度不同，由于不同溫度條件下通過荷載的比例會有所不同，因此，路面也將出現(xiàn)不同的疲勞壽命[3]。

此外，由于瀝青是一種易受時間和溫度影響的材料，加之交通荷載作用的不持續(xù)性，瀝青裂縫在荷載間隔時間內(nèi)或在高溫情況下會愈合，這樣就會影響其疲勞壽命。

2.2 瀝青混合料組成對疲勞壽命的影響

除上述分析的路面設(shè)計變量及環(huán)境因素外，瀝青混合料的多種固有性質(zhì)也會影響其疲勞壽命，其中包括瀝青含量、等級、來源、黏度、薄膜厚度;空隙含量;礦質(zhì)集料的級配、顆粒形狀、地質(zhì)特征、棱角性;瀝青的抗拉強(qiáng)度。鄧學(xué)鈞、黃曉明[4]指出，含量多、針入度較小的密實型瀝青混合料，其勁度高，對疲勞開裂的抵抗性能強(qiáng)，疲勞壽命長;空隙含量多、瀝青含量少的瀝青碎石混合料，疲勞壽命較短。

瀝青老化還主要取決于瀝青混合料結(jié)合料的選擇以及混合料相互連接的空隙率。相互連接的空隙率增大意味著可能會導(dǎo)致氧化增加，從而使瀝青老化變硬。老化增加了瀝青混合料的剛度，隨著時間的推移，改變了瀝青混合料的疲勞性能。通常情況下，路面上瀝青針入度小于35～50（0.1mm）時，路面易產(chǎn)生疲勞裂縫;當(dāng)針入度減少至25（0.1mm）時，易出現(xiàn)龜裂[1]。因此，在設(shè)計過程中需要選擇良好的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料（水泥、石灰、礦渣或工業(yè)廢渣等），以避免在路面設(shè)計年限內(nèi)出現(xiàn)老化引起的路面開裂。無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料老化性能對疲勞影響的室內(nèi)試驗還有待深入研究，而壓力抗老化試驗儀能用來模擬7～10年室外路面的抗老化性能。

Stubbs[5]的相關(guān)研究證明，應(yīng)力應(yīng)變幅度、溫度因素和無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料類型對瀝青混合料的疲勞性能有十分顯著的影響。除此之外，應(yīng)變與溫度、應(yīng)變與無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的相互作用對疲勞性能也有明顯影響;而加載速率對路面材料疲勞性能影響不大。

綜合考慮上述對路面疲勞開裂產(chǎn)生影響的各種因素可知，瀝青路面產(chǎn)生裂縫及其發(fā)展過程是極為復(fù)雜的，因此，工作人員要有良好的工程決策能力，并能結(jié)合規(guī)范來設(shè)計既有抗老化和耐疲勞性能又具抗永久變形的瀝青路面。

3 室內(nèi)疲勞試驗方法及其局限性

3.1 室內(nèi)疲勞試驗方法介紹

瀝青的疲勞性能受多種因素影響，使其疲勞壽命很難精確地以量化形式反映。在傳統(tǒng)意義上，室內(nèi)疲勞試驗?zāi)Ｐ屯ǔＴ谝粋€給定的試驗溫度和加載速率下進(jìn)行。這種方法僅測試了在單一溫度和單一加載速率下應(yīng)變對疲勞的影響，并未考慮不同疲勞壽命影響因素間相互作用產(chǎn)生的影響，也未考慮可能存在的路面溫度分布狀況以及加載速率的影響。

室內(nèi)疲勞試驗受多個變量影響，其一般由試驗方法、加載模式和狀態(tài)、破壞準(zhǔn)則決定。需要指出的是，目前有幾種不同的小型室內(nèi)試驗方法可以用來測定瀝青混合料的疲勞壽命，旨在模擬室外路面特性或受力狀態(tài)（見圖3）[6]。這些試驗包括小梁彎曲試驗（中點(diǎn)加載、三分點(diǎn)加載和四分點(diǎn)加載）、間接抗拉試驗和直接抗拉試驗，部分實驗儀器如圖4所示。每一種荷載試驗裝置都會產(chǎn)生不同的受力狀態(tài)。目前，我國尚沒有疲勞試驗的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。

澳大利亞國家道路交通協(xié)會（Austroads）[3]建議采用小梁彎曲疲勞試驗，因為這種方法較其他方法更能精確地模擬在車輪荷載作用下瀝青層的實際行為特性。中點(diǎn)加載方式也有其優(yōu)點(diǎn)，由于試件是梯形的，所以其在荷載作用點(diǎn)并未提供集中應(yīng)力。Huang[2]建議采用四分點(diǎn)加載方式而不是三分點(diǎn)加載方式，因為在試件的四分之三處有一個恒彎矩，并且，任何非均勻材料的軟弱點(diǎn)將會顯示于試驗結(jié)果中。由于瀝青本身就是一種非均勻性材料，這種試驗方法能得到更為連貫而真實的結(jié)果。

3.2 室內(nèi)疲勞試驗結(jié)果與實際路面工作狀況的差異

在實驗室得到的疲勞試驗結(jié)果與在室外（即路面施工現(xiàn)場）獲得的試驗結(jié)果之間存在很大的差異。Baburamani[7]指出，兩者的差異主要體現(xiàn)在四個方面：荷載裝置不同;確定的加載次數(shù)和荷載間歇時間不同;在路面設(shè)計年限內(nèi)溫度分布狀況不同;路面壓實度不同。

此外，在實驗室，相同強(qiáng)度的荷載在每一周期內(nèi)都會加載到相同位置;溫度是恒定的;加載速率是恒定的;瀝青梁試件為簡支梁。而在室外，交通荷載為變量，主要取決于車軸的構(gòu)造。荷載來回擺動，所以通常不會加載到同一數(shù)值;室外大氣溫度處于持續(xù)不斷的變化中;交通荷載加載速率由車速決定，頻繁地改變;而且瀝青層由層底的各結(jié)構(gòu)層與路基支撐。

Austroads[3]認(rèn)為，在室外路面出現(xiàn)裂縫的實際荷載作用次數(shù)可能會是實驗室試驗結(jié)果的很多倍。這是由于在室外，路面從結(jié)構(gòu)層底部出現(xiàn)裂縫到逐漸擴(kuò)散到路表，通常還能承受若干次荷載作用次數(shù)。因此，在預(yù)測室外疲勞壽命時，通常需要在室內(nèi)試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以一個室外修正系數(shù)（Field Shift Factor，F(xiàn)SF）或安全系數(shù)[8]。

4 國內(nèi)瀝青路面設(shè)計方法中設(shè)計指標(biāo)的確定

由于歐美發(fā)達(dá)國家的路面結(jié)構(gòu)以柔性路面為主，所以在這些國家的路面設(shè)計方法中，主要將瀝青層的彎拉疲勞應(yīng)變、路基頂面的壓應(yīng)變作為設(shè)計指標(biāo)。在這些國家的相關(guān)技術(shù)規(guī)范中，主要以彎拉應(yīng)變指標(biāo)來控制瀝青層層底的疲勞破壞?！冻擎?zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》（CJJ 169—2012）[9]中也提出了用瀝青層層底拉應(yīng)變驗算指標(biāo)來控制柔性基層瀝青路面疲勞開裂的要求。

我國采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定類材料結(jié)構(gòu)層多采用拉應(yīng)力指標(biāo)。目前，相關(guān)理論分析結(jié)果表明：對于半剛性基層瀝青路面，基層上部的瀝青層在層間接觸為連續(xù)的情況下，瀝青層層底的應(yīng)力處于壓應(yīng)力狀態(tài);在層間接觸為滑動的情況下，瀝青層層底的應(yīng)力有可能處于拉應(yīng)變狀態(tài)。在重載作用下，拉應(yīng)變會增大，瀝青層可能會出現(xiàn)疲勞開裂狀況。但是，對于半剛性基層瀝青路面，瀝青層層底拉應(yīng)變數(shù)值較小，瀝青層的疲勞壽命仍大于半剛性基層，瀝青層層底拉應(yīng)變指標(biāo)在設(shè)計中不會起控制性作用。對半剛性基層瀝青路面起控制性作用的是半剛性基層層底的拉應(yīng)力指標(biāo)，因此，也應(yīng)以半剛性基層層底的拉應(yīng)力指標(biāo)來控制半剛性基層瀝青路面的疲勞開裂。

目前，國外已經(jīng)對瀝青混合料疲勞開裂性能進(jìn)行了大量研究，主要有美國瀝青協(xié)會AI、殼牌石油公司、美國戰(zhàn)略性公路研究計劃（SHRP）、美國密歇根州立大學(xué)、英國道路運(yùn)輸研究實驗室和比利時道路研究中心等得出的幾種不同的疲勞破壞模型。

《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》（CJJ 169—2012）主要借鑒AASHTO瀝青路面力學(xué)-經(jīng)驗設(shè)計方法（M-E設(shè)計法）中關(guān)于瀝青混合料的疲勞方程來計算瀝青面層層底的容許拉應(yīng)變，以控制瀝青層的疲勞開裂[9]。AASHTO力學(xué)-經(jīng)驗設(shè)計法中預(yù)測疲勞開裂的公式采用了AI的疲勞開裂模型：

[Nf=0.00432k1'1εt3.29110M1E0.854]? ? ? ? ? ?（1）

[M=4.84VbVb+Va-0.69]? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中：[Nf]為到達(dá)疲勞開裂前的容許荷載重復(fù)作用次數(shù);[k1']為瀝青層厚度函數(shù)（其公式有自下而上的開裂、龜裂等）;[M]為瀝青混合料空隙率（VV，%）與有效瀝青含量（Vb，%）的函數(shù);[Em]為20oC時瀝青混合料的動態(tài)回彈模量（MPa）;[Vb]為有效瀝青含量（%）;[Va]為瀝青混合料空隙率（%）。

國外力學(xué)-經(jīng)驗設(shè)計法的主要目的之一就是限制瀝青層層底的最大水平拉應(yīng)變，因為其與疲勞開裂率成正比。一般能夠通過以下兩種方式減少瀝青層的層底拉應(yīng)變：一是增加瀝青層的厚度;二是提高瀝青材料的回彈模量[10]。由于力學(xué)-經(jīng)驗法克服了傳統(tǒng)設(shè)計方法中對路面破壞模式缺乏關(guān)注的難題，所以這種設(shè)計方法已被很多國家和地區(qū)（如美國AASHTO 2002和AI、澳洲Austroads和南非等）所采用。關(guān)于這種設(shè)計方法，往往需要考慮如何來協(xié)調(diào)建造成本與存在風(fēng)險之間的關(guān)系[3]。

必須要指出的是，上述疲勞壽命預(yù)測方程是建立在由控制應(yīng)力或控制應(yīng)變的室內(nèi)疲勞試驗的基礎(chǔ)上的[7]。這種模型一般只對特定的混合料類型（主要為有效瀝青含量為11%、空隙率為5%的標(biāo)準(zhǔn)瀝青混合料）、物理性質(zhì)、荷載條件及實現(xiàn)野外現(xiàn)場工作有效性的范圍才適用。例如，不同國家和地區(qū)由于所選材料性質(zhì)不同，其疲勞性能也存在差異。對于如何對室內(nèi)試驗結(jié)果予以修正，以獲得適合當(dāng)?shù)貤l件的室外疲勞性能，仍有待進(jìn)行深入研究。

5 結(jié)語

本文通過定義瀝青混合料疲勞開裂的破壞機(jī)理，詳細(xì)介紹多種室內(nèi)疲勞試驗方法，并分析室內(nèi)試驗結(jié)果與實際路面狀況的差異，進(jìn)一步證實瀝青混合料的疲勞開裂性能難以簡單地用數(shù)值形式分析表達(dá)，往往使相關(guān)技術(shù)人員在理解上和實踐中遇到困難。

長期以來，國內(nèi)相關(guān)設(shè)計中使用的設(shè)計指標(biāo)與要求并不合理，造成國內(nèi)路面設(shè)計往往不重視路面疲勞開裂。我國的道路路面設(shè)計新規(guī)范應(yīng)采用AI的疲勞模型建立相應(yīng)的計算公式來控制路面材料容許拉應(yīng)變，并對獲得不同混合料疲勞破壞的差異（如不同地區(qū)材料性質(zhì)的不同）、室內(nèi)試驗與室外試驗結(jié)果上的差異（即更好地用設(shè)計指標(biāo)來控制實際的路面疲勞開裂）等加強(qiáng)研究與實踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃曉明，吳少鵬，趙永利.瀝青與瀝青混合料[M].南京：東南大學(xué)出版社，2002.

[2]Huang YH. Pavement Analysis and Design [M]. Upper Saddle River： Pearson Prentice Hall，2003.

[3]Austroads. Guide to Pavement Technology Part 2： Pavement Structural Design[S]. Sydney： Austroads Incorporated， 2008.

[4]鄧學(xué)鈞，黃曉明.路面設(shè)計原理與方法[M].2版.北京：人民交通出版社，2007.

[5]Stubbs， AP. Fatigue Behaviour of Hot Mix Asphalt for New Zealand Pavement Design [D]. Christchurch： University of Canterbury， 2011.

[6]Thom N. Asphalt Cracking： A Nottingham Perspective [J]. Engenaria Civil/Civil Engineering，2006（26）：75-84.

[7]Baburamani P. Asphalt Fatigue Life Prediction Models - A Literature Review [DB/OL].[2012-11-30]（2019-07-10）.http：//www.arrb.com.au/admin/file/content13/c6/ARR%20334%20Asphalt%20fatigue.pdf.

[8]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范：JTG D50—2017[S].北京：人民交通出版社，2017.

[9]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范：CJJ 169—2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[10]鄭曉光，徐健，溫學(xué)鈞.城鎮(zhèn)道路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)體系的完善：《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》制訂新理念[J].城市道橋與防洪，2012（8）：43-46.