袁 強(qiáng)

(大連理工大學(xué)，遼寧大連 116023)

1 研究意義

近年來(lái)，我國(guó)高等級(jí)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(jí)公路中得到了廣泛的應(yīng)用。在使用過(guò)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(shí)踐表明，移動(dòng)中的車輪荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的作用不盡相同。對(duì)于面層頂面上的點(diǎn)來(lái)說(shuō)，車輪靠近時(shí)受拉，車輪直接作用時(shí)，該點(diǎn)受壓，當(dāng)車輪駛離后，該點(diǎn)受拉。對(duì)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(guò)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(huì)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(shí)際路面設(shè)計(jì)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(yàn)，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(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

室內(nèi)是按照常應(yīng)力試驗(yàn)和常應(yīng)變?cè)囼?yàn)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(lái)進(jìn)行分析的。常應(yīng)力試驗(yàn)是對(duì)瀝青混合料施加大小不變的荷載。常應(yīng)變?cè)囼?yàn)是在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)需考慮以下原則:瀝青混合料同時(shí)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(shí)間的函數(shù)表示，描述具體性質(zhì)時(shí)，需注明條件。對(duì)比兩種試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，在工程?dāng)中控制應(yīng)力疲勞模式是比較保守的估計(jì)。

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(jí)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(yàn)。結(jié)果表明:在相同的瀝青用量下，對(duì)于常應(yīng)變模式，瀝青越軟，疲勞壽命越長(zhǎng);對(duì)于常應(yīng)力模式則反之。瀝青的軟化點(diǎn)對(duì)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(zhǎng)。集料級(jí)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(jí)配

國(guó)外學(xué)者的研究表明，集料的表面性狀對(duì)瀝青混合料的疲勞壽命也有影響。Maupin［5］通過(guò)常應(yīng)力試驗(yàn)表面紋理和形狀不同的集料進(jìn)行對(duì)比分析得出，顆粒形狀對(duì)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(shí)不充分，會(huì)產(chǎn)生較大的空隙率，導(dǎo)致疲勞壽命縮短。來(lái)自美國(guó)的實(shí)驗(yàn)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(shí)應(yīng)充分碾壓達(dá)到規(guī)定的密實(shí)度，以保證瀝青路面的壽命。

3.2.3 試件成型和試驗(yàn)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(shí)法和輪碾壓實(shí)法等。上述幾種方法成型的試件性能與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)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(shí)法已被廣泛應(yīng)用。這種方法也被美國(guó)實(shí)驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)列為疲勞試驗(yàn)試件成型方法(ASTM D 32)。對(duì)于其他方法，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)選用。

2)試驗(yàn)方法。瀝青混合料疲勞試驗(yàn)有很多，大體可分為四類:試件法、試槽法、試件疲勞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路法。試驗(yàn)路法和試槽法雖能夠更好地模擬實(shí)際工況，但耗資大、周期長(zhǎng)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(shí)際工作狀態(tài)有一定的差異，但試驗(yàn)周期短，耗資少，因而被廣泛應(yīng)用。試件疲勞試驗(yàn)常采用簡(jiǎn)單彎曲試驗(yàn)，包括直接拉伸試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)等。目前我國(guó)所使用的瀝青層疲勞標(biāo)準(zhǔn)是通過(guò)間接拉伸試驗(yàn)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(shí)，就發(fā)生破壞。因此，在疲勞試驗(yàn)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(yàn)加載波形有關(guān)，研究人員經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)后認(rèn)為正弦波與路面實(shí)際荷載情況更為接近。C.L莫尼斯密士認(rèn)為，對(duì)密級(jí)配瀝青混合料在24℃下按照常應(yīng)力模式進(jìn)行試驗(yàn)，加載頻率在3 r/min～30 r/min時(shí)，對(duì)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(shí)，混合料的疲勞壽命降低20%，這是由于沒(méi)有間歇時(shí)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(shí)，其疲勞壽命反而會(huì)增加，這是由于加載時(shí)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(shí)疲勞壽命又會(huì)增長(zhǎng)?；赧蔚热耍?］的試驗(yàn)證明，有間歇的瀝青混合料的疲勞壽命要比沒(méi)有疲勞間歇的長(zhǎng)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(shí)間內(nèi)會(huì)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(zhǎng)。間歇時(shí)間達(dá)到一定值后，其對(duì)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(duì)瀝青混合料的疲勞壽命有較大的影響，其他因素幾乎無(wú)影響。SHRP的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明［8］，溫度在20℃以上時(shí)，只存在變形積累，不存在疲勞，不建議試驗(yàn)溫度高于20℃。水對(duì)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(duì)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(yàn)研究。這就需要我們?cè)谏钊胙芯楷F(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)瀝青路面的疲勞性能進(jìn)行預(yù)估和評(píng)價(jià)，以節(jié)省人力物力。目前現(xiàn)有的疲勞預(yù)測(cè)模型主要是由測(cè)試統(tǒng)計(jì)方法和近似法得到的。歸納起來(lái)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(lái)的。他們假定，在重復(fù)加載次數(shù)N與應(yīng)變?chǔ)诺碾p對(duì)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(cè)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(duì)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(yàn)時(shí)所消耗的能量之間的關(guān)系，無(wú)論加載速度和環(huán)境溫度如何，都可以通過(guò)所耗能量W與重復(fù)加載次數(shù)N的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的一條直線來(lái)表示其疲勞特性?？捎孟率奖硎?

對(duì)于常應(yīng)變?cè)囼?yàn)，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(guó)瀝青學(xué)會(huì)法

1981 年美國(guó)瀝青學(xué)會(huì)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(shí)間、溫度下混合料的勁度。

4.4 CRR 法

比利時(shí)的L.Francken使用兩點(diǎn)彎曲儀，在15℃，54 Hz的加載頻率下，對(duì)40多種瀝青混合料進(jìn)行常應(yīng)力疲勞試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jí)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(shí)驗(yàn)都是在一個(gè)溫度下進(jìn)行的并未考慮溫度對(duì)疲勞性能的影響。但是通過(guò)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(duì)疲勞性能的影響。

除上述方法之外我國(guó)的研究人員在瀝青混合料疲勞壽命預(yù)測(cè)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(shí)，實(shí)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(guò)大量的小梁彎曲試驗(yàn)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(duì)時(shí)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(shí)驗(yàn)得到的常數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

瀝青混合料疲勞破壞會(huì)對(duì)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(yàn)結(jié)果建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)瀝青路面的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估，以此來(lái)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(guó)公路學(xué)報(bào)，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(píng)價(jià)方法［J］.公路交通科技，2005，22(2):4-6.