瀝青路面疲勞性能影響因素分析

程于航 鄒蔚然

（重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074）

0 引言

20 世紀末期至今，我國道路建設(shè)得到了突飛猛進的發(fā)展，瀝青路面是絕大部分高等級公路公路采用的路面結(jié)構(gòu)。由于交通量不斷增加，導致瀝青路面承受的負荷也越來越大，路面疲勞開裂成為世界各國瀝青類路面使用中均會遇到的主要結(jié)構(gòu)性病害之一。其在全球分布十分普遍，無論是冰凍嚴寒地區(qū)，還是非冰凍亞熱地區(qū)均有嚴重程度不同的裂縫存在。產(chǎn)生的裂縫，會嚴重影響車安全，縮短道路的使用壽命，甚至還可能會造成巨大的經(jīng)濟損失。

因此，分析瀝青混合料的疲勞性能的影響因素，從各個因素中尋找提高疲勞性能的辦法，進而達到延長瀝青路面的疲勞壽命的目的。

1 瀝青路面疲勞性能的內(nèi)部影響因素

瀝青混路面疲勞性能的內(nèi)部影響因素有很多，用于表征瀝青混合料內(nèi)在組成特性的因素則統(tǒng)稱為內(nèi)部因素，內(nèi)部因素主要包括瀝青種類、瀝青用量、空隙率、礦料類型、級配類型、針入度、軟化點以及混合料勁度模量等。分析這些因素的變化對混合料疲勞性能的影響，其目的是知道瀝青混合料的組成設(shè)計，以提供疲勞性能好的瀝青混合料。

1.1 瀝青種類

瀝青混合料是由瀝青與礦粉作用形成膠漿將集料結(jié)合到一起,因此瀝青對于混合料的各項性能起到?jīng)Q定性的影響。前人的試驗及理論分析也都表明瀝青種類是影響瀝青路面疲勞性能的重要因素。

不同種類的瀝青作為粘結(jié)料的瀝青混合料的疲勞性能也是不同的。通過進行疲勞試驗，SAMI 改性瀝青混合料隨著應(yīng)變水平的降低，其疲勞壽命增大的程度要遠遠大于50#和70#的瀝青混合料。[1]由于瀝青種類的不同,混合料的彎拉性能與勁度模量表現(xiàn)存在一定的差異,表現(xiàn)為在彎拉強度方面：SBS 改性瀝青＞遼河90#＞橡膠1#。在勁度模量方面SBS 改性瀝青＞橡膠1#＞遼河90#。[2]

1.2 瀝青用量

在相同的集料配比下，隨著瀝青用量的增多，瀝青飽和度就會逐漸提高，集料表面的瀝青膜厚度也會增加，瀝青混合料的延性更好，因此會顯著提高瀝青混合料的疲勞性能。在控制應(yīng)力的加載模式情況下，對于提高瀝青混合料的疲勞壽命存在一個最佳瀝青用量。這個特征用量不僅受到礦料的級配的影響，而且與集料的特性有關(guān)，一般會與最大混合料勁度下的最佳瀝青用量相當。

1.3 空隙率

在交通荷載的累積作用下，瀝青路面的密實程度會大大提升，空隙率也隨之逐漸減小，相應(yīng)的瀝青混合料的勁度模量不斷增加，從而提高了瀝青混合料疲勞壽命。另外，瀝青的老化和空隙密切相連，因此空隙率對瀝青路面的疲勞性能有重大的影響。

1.4 礦料類型

礦料的表面形狀和紋理對瀝青混合料疲勞性能也有一定的影響作用。石料表面紋理越多粗糙程度越大，對所配制的瀝青混合料越有利從而疲勞壽命就越長。表面粗糙且有棱角的集料能夠獲得勁度較高的瀝青混合料，有利于提高混合料疲勞性能。

1.5 級配類型

級配影響著空隙率，因而對疲勞性能產(chǎn)生影響。密級配的瀝青混合料比開級配的瀝青混合料的空隙率小，勁度模量大，所以疲勞性能更好，壽命更長。但由于配制瀝青混合料時，瀝青用量和空隙率都不一樣，就很難以估計集料性質(zhì)和級配的影響。

1.6 勁度模量

經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料的勁度和疲勞性能也有一定關(guān)系。勁度在常應(yīng)力荷載條件下和常應(yīng)變荷載條件下，對疲勞性能的影響大不相同。在常應(yīng)力荷載條件下，勁度越大，瀝青混合料越不容易產(chǎn)生疲勞，壽命也就會越長。在常應(yīng)變荷載條件下則與之相反，勁度越小，混合料越不會疲勞，使用壽命也會越長。[3]勁度是各種影響因素的集中體現(xiàn)，比如空隙率減小，相應(yīng)瀝青混合料的勁度模量增加，疲勞性能就更好。

1.7 針入度和軟化點

據(jù)以往學者的研究過程中發(fā)現(xiàn)，在10℃時，針入度不同瀝青曲線斜率明顯不同。高針入度的瀝青相對于低針入度的瀝青來說，越不容易產(chǎn)生疲勞。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，在一定的條件下，具有較高軟化點的瀝青通常會有較長的疲勞壽命，因此軟化點對瀝青混合料的疲勞程度也有一定影響。

2 影響瀝青路面疲勞性能的外部因素

瀝青路面是長期暴霹于外界環(huán)境中的外部因素產(chǎn)生的疲勞，本質(zhì)上是瀝青路面結(jié)構(gòu)層在累積行車荷載和環(huán)境因素共同作用下內(nèi)部產(chǎn)生破壞并逐漸劣化變成宏觀裂縫的過程。因此，外部因素有交通荷載，環(huán)境影響（溫度和濕度）以及水分。

2.1 交通荷載

行車負荷越大，路面承受的壓力也就越大，自然會降低路面的疲勞強度，從而減少擁青路面的使用壽命。實驗表明，行車負荷隨著車輛的行駛速度增加，當行車的速度增加時，路面承受的來自車輛的壓力就會隨之增加。所以說，如果瀝青路面長時間都受到高速行駛的車輛荷載的作用，就會很大程度上對路面的疲勞性能影響，降低調(diào)青路面的使用壽命。

2.2 溫度

溫度影響著瀝青面層內(nèi)部的剪應(yīng)力，拉應(yīng)力。隨著溫度升高，瀝青面層的最大剪應(yīng)力也隨之增大，因此，瀝青路面更容易破壞，疲勞強度很明顯的降低。根據(jù)相關(guān)研究表明，在對溫度進行一定控制時，會發(fā)現(xiàn)混合料的勁度有所增大，路面的疲勞壽命有所增加，這就是溫度對于瀝青以及瀝青混合料疲勞性能的影響。[4]

2.3 溫荷共同作用

熱-力耦合效應(yīng)是指在結(jié)構(gòu)內(nèi)存在溫度差的條件下，外荷載或約束作用致使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。 瀝青路面溫度場和應(yīng)力場的耦合就屬于熱-力耦合效應(yīng)，指在溫度場存在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的條件下，行車荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力發(fā)生變化，從而導致瀝青混合料性質(zhì)發(fā)生改變，致使路面產(chǎn)生破壞的現(xiàn)象。瀝青混合料是一種感溫性材料，受溫度的影響表現(xiàn)為粘彈塑性，從常溫升至高溫時，如20℃升至60℃時，瀝青路面的彈性模量將嚴重降低，此時行車荷載產(chǎn)生的應(yīng)力增加，而路面結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)力卻大量減小，這種工況將會導致車轍的發(fā)生。[5]

2.4 水分

水可以說是無孔不入，倘若水進入到集料的空隙間，會減小瀝青和集科之間的接觸面積，這就改變了瀝青混合料的勁度模量。瀝青混合料疲勞過程中，水分會通過裂隙進入瀝青薄膜和集料之間，降低了相互粘結(jié)作用力，致使瀝青與集料表面之間的剝離，降低了混合料整體強度。長安大學的張倩[6]認為水使瀝青混合料疲勞壽命縮短的原因可能與水的作用使瀝青混合料勁度模量指標減小有關(guān)。各種研究表明水對瀝青混合料疲勞性能有顯著不利的影響。

3 結(jié)語

綜上所述，可見有很多明顯影響瀝青路面疲勞性能的關(guān)鍵性因素，我們作為道路工作這應(yīng)重視以及控制好這些因素，對我們在公路和城市道路進行設(shè)計和施工時有極大的幫助。因此，結(jié)合設(shè)計和施工的各個環(huán)節(jié)，采取有效的措施，提升瀝青混凝土的抗疲勞性能、進而延長其使用的壽命，只有這樣才足以保障我國道路建設(shè)的順利進行，所修道路具有安全性，最終使人們在日常生活和出行時更加便捷、舒適和安全。