瀝青混合料疲勞性測試研究綜述

閔西成

摘要：隨著我國汽車數(shù)量日益增長，道路交通量也不斷增長，部分路段長期經(jīng)受著車輪的反復(fù)碾壓，使得路面結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，大大減少了道路的使用壽命。因此，瀝青混合料疲勞性的研究將會為提高瀝青混合料路面的使用壽命具有積極意義。本文主要介紹了國內(nèi)外瀝青混合料疲勞性試驗(yàn)的研究方法。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料;疲勞性;疲勞模型;試驗(yàn)方法

隨著我國高速公路不斷的修建，公路質(zhì)量也出現(xiàn)了一些出現(xiàn)參差不齊的情況。路面使用期間經(jīng)受車輪荷載反復(fù)作用，長期處于應(yīng)力應(yīng)變交迭變化狀態(tài)，致使路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸下降。在荷載作用達(dá)到一定的次數(shù)以后，路面結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)疲勞破壞。到目前為止，針對瀝青混合料的疲勞性能主要有三種研究方法：現(xiàn)象學(xué)法、斷裂力學(xué)法和耗散能法。

1???? 瀝青混合料疲勞模型研究

疲勞模型是瀝青混合料疲勞性能研究的核心。通過建立力學(xué)響應(yīng)與荷載作用次數(shù)的關(guān)系，預(yù)測瀝青混合料疲勞壽命，進(jìn)而預(yù)估瀝青路面的疲勞破壞。國內(nèi)外研究者通過不同途徑研究瀝青混合料的疲勞性能，提出了不同的瀝青混合料疲勞模型。這些模型基本上可以分為三類[1][2]。

1.1? 現(xiàn)象學(xué)法

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)，認(rèn)為瀝青混合料的疲勞是在荷載重復(fù)作用下強(qiáng)度衰減累積引起的破壞現(xiàn)象，現(xiàn)象學(xué)模型共同之處在于都建立了瀝青路面瀝青層層底拉應(yīng)變或拉應(yīng)力與路面開裂時(shí)承受的累積荷載作用次數(shù)之間的關(guān)系。

1.2? 斷裂力學(xué)法

研究裂縫形成的機(jī)理以及應(yīng)力、應(yīng)變與疲勞壽命之間斷裂力學(xué)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的一種方法。

1.3? 耗散能法

瀝青混合料是一種粘彈性材料，其疲勞破壞可以以能量的形式表示。累積耗散能對于疲勞壽命來說是一個(gè)獨(dú)立的因素，僅與混合料本身的成分、瀝青用量、碾壓成型條件、集料分布均勻性等有關(guān)，而與試驗(yàn)方法、溫度、加載模式、頻率無關(guān)。當(dāng)瀝青混合料受到外部作用時(shí)，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化以抵抗外部作用的影響，從而將不斷地消耗能量，即以足夠的耗散能來適應(yīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重新有序變化。

2???? 瀝青混合料疲勞試驗(yàn)方法

瀝青混合料疲勞性能主要通過疲勞試驗(yàn)對其進(jìn)行評價(jià)，選取合理的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)參數(shù)是關(guān)鍵，目前對此尚未有統(tǒng)一認(rèn)識。目前疲勞試驗(yàn)的方法大多是基于現(xiàn)象學(xué)法，歸納起來可以分為四類[3]。

2.1? 基于現(xiàn)象學(xué)法的試驗(yàn)方法

第一類是實(shí)際路面在真實(shí)汽車荷載下的疲勞破壞試驗(yàn)，如美國試驗(yàn)路等，但試驗(yàn)耗費(fèi)時(shí)間較長，且受現(xiàn)場氣候條件影響

第二類是足尺路面結(jié)構(gòu)模擬汽車荷載作用下的疲勞性能，包括環(huán)道試驗(yàn)和加載速率試驗(yàn)，主要有澳大利亞和新西蘭的加速加載設(shè)備、南非國立道路研究所的重型車輛模擬車、美國華盛頓日立大學(xué)的室外大型環(huán)道和重慶公路科學(xué)研究所的室內(nèi)大型環(huán)道疲勞試驗(yàn)。

第三類是樣板實(shí)驗(yàn)法，包括脈沖壓頭式、輪胎加壓式、動輪輪跡式和動板輪跡式等。

第四類是室內(nèi)小型材料試件的疲勞試驗(yàn)。

由于前三類試驗(yàn)研究方法消耗大、周期長，且試驗(yàn)結(jié)果受當(dāng)?shù)丨h(huán)境及路面結(jié)構(gòu)影響較大，開展得并不普遍，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)。

2.2? 室內(nèi)小型疲勞試驗(yàn)

小型試件疲勞試驗(yàn)是將瀝青混合料制作成一定尺寸的小型試件，選用可以對實(shí)際路面疲勞情況進(jìn)行模擬的加載方式進(jìn)行試驗(yàn)。目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)瀝青混合料的小型疲勞試驗(yàn)方法眾多[4]，主要有簡單彎曲疲勞試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)、間接拉伸疲勞試驗(yàn)、支承彎曲疲勞試驗(yàn)、單軸試驗(yàn)、室內(nèi)輪碾疲勞試驗(yàn)和斷裂力學(xué)試驗(yàn)。

2.3? 簡單彎曲疲勞試驗(yàn)

簡單彎曲疲勞試驗(yàn)主要采用梁式截面，對試件施加重復(fù)荷載。簡單彎曲試驗(yàn)主要有三種形式：中點(diǎn)加載或三分點(diǎn)加載的重復(fù)彎曲試驗(yàn);旋轉(zhuǎn)懸臂梁;梯形懸臂梁。

加州伯克利分校、美國地瀝青協(xié)會、SHRP等采用三分點(diǎn)加載小梁彎曲疲勞試驗(yàn)，前者采用的試件尺寸為381mm×38.1mm×38.1mm，美國地瀝青協(xié)會采用的試件尺寸為380mm×76mm×76mm，后者采用的試件尺寸為美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃提出的壓實(shí)瀝青混合料重復(fù)彎曲疲勞壽命測定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（SHRP M-009），試件尺寸為381mm×50mm×63.5mm，試驗(yàn)溫度20℃，加載頻率5～10Hz，采用應(yīng)變控制模式測定試件勁度降低到初始勁度的荷載循環(huán)次數(shù)。我國《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中也是采用了中點(diǎn)加載的形式研究瀝青混合料彎曲破壞的力學(xué)性能，試件尺寸為 250mm×30mm×35mm。殼牌石油公司采用中點(diǎn)加載的方式，在應(yīng)變控制模式下進(jìn)行瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)，試件尺寸為230mm×30mm×40mm。

英國諾丁漢大學(xué)采用一種旋轉(zhuǎn)的懸臂梁設(shè)備，試件豎向安裝在旋轉(zhuǎn)懸管軸上，荷載作用于試件頂部，從而使整個(gè)試件都受到恒定的彎曲應(yīng)力作用。大部分試驗(yàn)在10℃和1000r/min速度下進(jìn)行。殼牌比利時(shí)的研究者和法國LCPC采用〝T〞型梁疲勞試驗(yàn)，梁的較粗一端固定，另一端受到正弦變化的應(yīng)力或應(yīng)變作用。如梁的尺寸合理，破壞將產(chǎn)生在試件高部和中部區(qū)域而不是基部。采用的試件粗端尺寸為55mm×20mm，頂端尺寸為20mm×20mm，高度為250mm。

2.4? 間接拉伸疲勞試驗(yàn)

間接拉伸疲勞試驗(yàn)是沿圓柱體試件的垂直徑向面作用平行的重復(fù)壓縮荷載，使垂直于荷載的方向產(chǎn)生均勻的拉伸壓力。這種加載方式在沿垂直徑向面、垂直于荷載作用方向產(chǎn)生均勻拉伸應(yīng)力，這種方法并不是將拉應(yīng)力直接作用于試件，而是通過壓的方式來達(dá)到拉的效果。間接拉伸這種試驗(yàn)試件制作簡單，試驗(yàn)易于操作，被廣大研究人員采用。試件直徑為100mm，高為63.5mm，荷載通過以寬為12.5mm的加載壓條作用在試件上。我國哈爾濱建筑大學(xué)利用圓柱體試件進(jìn)行了間接拉伸試驗(yàn)（溫度15℃，頻率為1Hz），按照能量理論研究了瀝青混合料的疲勞性能，用劈裂蠕變試驗(yàn)建立了疲勞特性的預(yù)估模型。同樣采用圓柱體試件的還有英國諾丁漢大學(xué)開發(fā)的三軸疲勞試驗(yàn)方法，此方法采用的試件尺寸與間接拉伸試驗(yàn)不同，但采用的荷載模式相同，都是對試件施加正弦波形式的荷載。

2.5? 支承彎曲試驗(yàn)

這種試驗(yàn)方法是為了更好的模擬實(shí)際路面的使用情況而建立起來的。采用橡膠墊或空氣墊來支承圓板型試件，在試件中部施加重復(fù)性荷載，使試件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)與路面的狀態(tài)較為接近。

2.6? 輪轍試驗(yàn)

為了模擬車輪對路面的作用，了解裂縫產(chǎn)生及擴(kuò)展的規(guī)律，研究人員發(fā)展出了輪轍試驗(yàn)。該方法采用充氣壓力來改變接觸面積，這種方法能夠測量塊體底部應(yīng)變并能檢測裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展的情況。另外加州大學(xué)伯克利分校和俄亥俄州大學(xué)開發(fā)了斷裂力學(xué)試驗(yàn)方法，并根據(jù)斷裂力學(xué)原理建立了數(shù)學(xué)模型。

3???? 結(jié)語

國內(nèi)外對瀝青混合料疲勞性能進(jìn)行廣泛的試驗(yàn)研究，為提高瀝青混合料的疲勞性能延長瀝青路面使用壽命打下基礎(chǔ)，然而仍然有許多問題尚未得到完全解決，需要進(jìn)一步深入研究。

室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場狀態(tài)有較大差異，室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)處理還需要統(tǒng)一完善。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]?? 彭波，李文瑛，危擁軍.瀝青混合料材料組成與特性北京：人民交通出版社，2007

[2]?? 謝軍，楊群瀝青混合料疲勞模型研究分析.交通科技.2006年第5期.

[3]?? 謝軍，郭忠印.瀝青混合料疲勞響應(yīng)模型試驗(yàn)研究.公路交通科技.2007年 5月第24卷第5 期.

[4]?? Rowe G.M，Bouldin M.G.Improved techniques to evaluate the fatigue resistance of asphalt mixtures[A].2ndEuro asphalt and Euro bitumen Congress[C]，2000.