1、沥青混合料疲劳性能研究【摘要】本文对沥青混合料疲劳性进行了研究，简述了沥青路面疲劳破坏机理，对几个简单的室内沥青混合料试验做出了简要介绍。 【关键字】沥青混合料、疲劳性 【 abstract 】 fatigue in this paper, the asphalt mixture are studied, this paper briefly describes the fatigue failure mechanism of asphalt pavement, to a few simple indoor experiment has made the brief introduction
2、of the asphalt mixture. 【 key words 】 the asphalt mixture, fatigue resistan 中图分类号：U416.2 文献标识码：A 前言 在我国，高速公路多数是沥青路面，疲劳损害是对混凝土路面造成损害的主要原因，因此对疲劳机理进行分析，研究沥青混合料不同条件下的疲劳性能十分必要。 沥青混合料疲劳性概述 疲劳是沥青路面损坏类型中最受关注、研究投入最多的一种损坏模式，但这些研究主要是为了提出用于路面设计的预估模型，一般会同时采用多个变量、大范围变化，而对于特定的混合料，如何评价其疲劳性能，则较少涉及，即疲劳研究主要在路面结构设计层面上进
3、行而较少在混合料层面上进行，由于各国采用的仪器、方法不统一，室内与现场的修正系数难以确定，同时路面弯拉应力计算所用到的材料参数(主要是模量)难以界定，因此疲劳在路面设计层面上的研究迄今未能得到满意的结果。而混合料层面上的研究则没有涉及到以上问题，如何评价混合料的抗疲劳性能，也是提高路面抗疲劳开裂的第一步，因此疲劳性能研究的重点可以转向混合料层面上。 对疲劳性能的评价主要采用两种模式：应力控制模式与应变控制模式对应变控制，国外已经进行了较深入的研究，根据应变控制的研究结果：沥青用量的减少会降低混合料的疲劳寿命。但应变控制的结果只适用于薄沥青面层，对于较厚的沥青面层，应变控制并不适用。美国公路战略
4、研究计划(SHRP)的研究者曾试图用应变控制来预估并修正15.025.4cm 沥青面层厚度时的疲劳寿命，结果发现应变控制下疲劳寿命最好的混合料在试验路上疲劳寿命最差。法国道桥研究中心(LCPC)在Nantes 的加速加载试验路上发现对 810cm 的路面，应变控制也同样得出错误的结论。 我国目前高速公路沥青面层厚度普遍超过了 15cm，并且有加厚整体沥青层的趋势，因此，有必要采用应力控制来评价厚沥青面层沥青混合料的疲劳性能。 沥青路面疲劳破坏机理 沥青路面疲劳的主要原因是：路面使用期间，在环境温度影响下经受车轮荷载的反复作用，路面面层底部 B 点处于三向应力状态，见图 1。车轮作用其上时 B
5、点受到主拉应力作用；车轮驶过后，应力方向旋转，量值变小，并有剪应力产生；当车轮驶过一定距离后，B 点则承受主压应力的作用。B 点应力随时间的变化曲线如图 2。路面表面上的 A 点则相反，车轮驶近时受拉，车轮直接作用时受压，车轮驶过后又受拉。车轮驶过一次就使 A 和 B 点出现一次应力循环。致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定的次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过路面结构强度下降后的结构抗力，使路面产生疲劳裂缝口。疲劳开裂的早期现象是路面在纵向出现不问断的裂缝，之后，路面出现更多的变形，疲劳开裂的最终结果是路面出现网裂、龟裂，甚至坑槽。 图 1 路面面层在车轮下受力状态 图
6、 2 B 点的应力随时间的变化 沥青混合料疲劳分析 1.沥青混合料疲劳分析方法 沥青混合料疲劳性能是指其在特定荷载环境与气候环境条件下抵抗重复荷载作用而不产生破裂的能力。研究沥青混合料疲劳性能的目的是通过室内试验找出沥青混合料疲劳规律，对其影响因素进行分析，并把室内试验结果与实际路面的使用性能相结合，预估沥青路面的疲劳寿命，以指导沥青路面的结构设计和材料组成设计。对沥青混合料的疲劳性能的分析评价主要有现象学方法、断裂力学方法和能耗方法。现象学法采用疲劳曲线表征材料的疲劳性质，认为沥青混合料的疲劳是在荷载重复作用下强度衰减累积引起的破坏现象。力学近似法是应用断裂力学原理分析疲劳裂缝扩展规律以确定
7、材料疲劳寿命的方法。 2.沥青混合路疲劳能耗分析 粘弹性材料的疲劳破坏过程是一个能量耗散的过程。外力对材料所作的功可转化成如下形式的能量: (1) 作为弹性应变能被贮存; (2) 作为流动被消耗; (3) 裂纹发生、发展产生新表面时转化为表面能。根据Van Dijk 等人的研究, 沥青混合料的疲劳强度主要取决于损耗模量和应力应变循环过程中的能耗。这一方法的主要特点是疲劳试验中的总能耗和循环荷载的重复作用次数之间存在着某一特定关系。1987 年 Shell 路面设计手册引入这一概念,作为预测沥青混合料疲劳寿命的方法。 沥青混合料是一种粘弹性材, 材料受到周期荷载作用时, 应变总滞后于应力。当沥青
8、混合料受一个重复的正弦应力 作用时, 应变会以同样的频率产生一个 的应变响应, 即为应变滞后于应力的相位角, 也叫耗散角。设定, , 则经过一定的数学的变换, 可求得应变滞后与应力滞后的回路方程如下： （1） 该方程即为一个应力周期内应力、应变的滞后回路方程。 本次疲劳试验在 MTS810 型材料测试系统上进行。在 MTS810 计算机中每个应力周期的应力、应变值都有记录, 数据采集的时间间隔可根据具体的试验要求进行设定。应力应变曲线的示意图见图 1. 每一个应力周期滞后回线的面积代表了该周期所消耗的能量。每个应力周期滞后回线的面积可采用下式求得 （2） 在整个疲劳过程中, 累计耗散能是所有滞
9、后回路面积的总和, 即达到破坏时的总能耗为 （3） 式中, 为达到破坏时的荷载重复作用次数, 即通常所说的疲劳寿命; 为达到破坏时的总耗散能,即累计耗散能; 为应力应变曲线中应力、应变曲线所围成的曲线面积, 的计算可由 Matlab 软件来求得。 沥青小型疲劳试验 1.简单弯曲试验 简单弯曲试验的加载模式有：中点加载、三分点加载和悬臂粱加载三种。中点加载弯曲试验试件和成型方法，按公路工程沥青及沥青混合料试验规程 （JTJ 052-2000）T0703-43 规定的轮碾压实，再切割成小梁的方法成型试件。试验温度由环境箱控制，加载频率一般为l10Hz，加载波形多为正弦波、半正矢波、矩形波等。三分点
10、加载试验设备主要有美国沥青协会和加州理工大学伯克利分校所采用的两种。前者采用的小梁试件尺寸按照 SHRP（美国公路战略研究计划）提出的压实沥青混合料重复弯曲疲劳寿命测定的标准试验方法（SHRP M-004）制定，试件尺寸为 0.8mm63.5mm81mm，加荷频率一般为 510Hz，试验温度为 20，采用应变控制模式，测定试件劲度降低到初始劲度 50的荷载循环次数。后者采用的小粱试件尺寸为 38.1mm38.1mm381mm。 英国诺丁汉大学采用的疲劳试验设备是旋转悬臂梁。试验进行时，试件竖向安装在旋转悬臂轴上，荷载作用于试件顶部，使整个试件都受到恒定的弯曲应力作用。试验温度一般采用 10，旋
11、转速率为1000r/min。 2.支撑弯曲试验 为了减少试验与路面实际工作状况的差异性，一些研究人员开始采用在圆形 板状试件下面设置橡胶垫或气垫的方法以更加真实地模拟路面实际受力状态，在 圆板中心位置施加重复荷载。支撑弯曲试验与路面实际受力状况更加吻合。高温条件下，试件由于自身重力下垂的问题被克服，但由于支撑设备的支撑，试件自身的缺陷降低了试验结果的影响，因此试验结果的离散性相对减少了。 3.直接轴向拉压疲劳试验 这种试验由英国道路交通研究实验室开发，试件尺寸为 75mm75mm225mm，采用液压伺服系统对试件施加荷载，可以用于荷载恢复期的影响研究。试验研究表明：连续加载间隙的短暂荷载恢复期
12、对材料的疲劳性能有很大影响：加载的波形对于疲劳性能影响不大，通常采用正弦波或者半正弦波。 结束语 疲劳性能的研究要多采用应变控制或者应力控制的方法。在今后还应该通过大量试验进行研究，得出更为准确的结论，把结论应用到施工中，提高公路建设质量。 参考文献： 1 李闯.不同影响因素下沥青混合料疲劳性能试验研究D. 大连理工大学 2009 2 王维萍.橡胶沥青在城市道路水泥混凝土路面改造工程中的应用研究D. 华南理工大学 2009 3 赵磊.沥青混合料疲劳性能研究D. 重庆交通大学 2009 4 陈翔.橡胶沥青及其混合料性能研究D. 长安大学 2011 5 杜群乐,孙立军,黄卫东,王国清.不同设计方法下沥青混合料疲劳性能研究J. 同济大学学报(自然科学版). 2009(09)
