关于沥青路面面层疲劳特性的综述

孙书平 曹芯芯 张家祥

摘要：由于车辆荷载的反复作用，容易使路面达到疲劳，造成疲劳损坏，疲劳损坏严重影响了道路的使用性能，所以为了减少道路的疲劳破坏，必须进行一个全面的了解。

关键字：沥青路面 疲劳

中图分类号：U416.217文献标识码：A 文章编号：

1.引言

对于弹性状态的路面材料承受重复应力作用时，可能在低于静载一次作用下的极限应力值时出现破坏，这种材料强度的降低现象称为疲劳。疲劳的出现，是由于材料微结构的局部不均匀，诱发应力集中而出现微损伤，在应力重复作用下微量损伤逐步累计扩大，终于导致结构破坏，称为疲劳破坏。

2. 沥青路面的疲劳破坏表现

沥青开裂的早期现象是路面在纵向出现不间断的裂缝，最终导致路面出现网裂、龟裂，甚至坑槽。图1为公路路面出现网裂

图1

3. 沥青破坏的主要机理以及影响因素

（1）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，其应力或应变长期处于交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用达到一定次数后，路面内产生的应力就会超过路面结构强度下降后产生的抗力，使路面产生疲劳裂缝。

（2）影响因素：应力条件、加载频率、沥青种类、沥青用量、沥青层厚度、混合料级配、外界环境温度、层间接触条件、热老化条件、纤维含量等

4. 沥青混合料疲劳损伤特性试验研究

⑴ 沥青混合料疲劳力学模型

沥青路面疲劳特性的研究方法可以分为三类。一类是现象学法，即传统的疲劳理论方法，它采用疲劳曲线表征材料的疲劳寿命。另一类为力学近似法，即应用断裂力学原理分析疲劳裂缝扩展规律以确定疲劳寿命。还有一类是耗散能法。

ⅰ应用现象法进行疲劳试验的方法很多，归纳起来有四类：一是实际路面在真实汽车荷载作用下的疲劳破坏试验；二是足尺路面结构在模拟汽车荷载作用下的疲劳试验研究，包括环刀试验、加速加载试验；三是试板实验法；四是实验室小型试件的疲劳试验方法。考虑前三类投资大、周期长，大量使用第四类。

室内小型疲劳试验的方法很多，如三分点小梁弯曲试验、中点加载小梁试验、悬臂梁试验、单轴压缩试验、间接拉伸试验、旋转悬臂试验等。应用现象学法进行试验时，可采用控制应力和控制应变两种方法。

应力控制实验结果常用下式表示：

=（1）

应变控制实验结果常用下式表示：

= （2）

1，2式子中的A,C,b,d—由实验得到的回归常数，与混合料性质、温度和其它实验条件有关

图2位沥青混合料在采用应力和应变控制模式时所得到的疲劳试验曲线.

图2

ⅱ耗能法

对沥青混合料施加持续的周期荷载时,由于沥青混合料的黏弹性性质,一个完整循环内,加荷、卸荷时的应力、应变曲线将首尾相接形成滞后环。见图3,这个滞后环的面积就被称为耗散能。

图3 滞后环线

⑵ 沥青混合料疲劳试验寿命的预估方法

①诺丁汉大学法

②Shell法

③AI法

⑶国内外沥青路面的比较

我国以路标弯沉和基层层底拉应力为设计指标。中国沥青路面多采用半刚性基层沥青路面,强调强基薄面,致使裂缝成了中国沥青路面损坏类型中最常见的病害。在德国沥青层最厚可达到34 cm,而且对防冻层有着非常严格的要求

5. 沥青路面抗疲劳破坏措施及方法研究

⑴良好的层间处治能够大幅提高沥青路面疲劳寿命,防止夏季高温时行车荷载作用下路面层间出现滑移而导致的结构性破坏。提高下封层粘结性能、改善层间接触状态,可大幅提高沥青路面疲劳寿命。

⑵ 疲劳寿命随空隙率的升高而降低，所以要根据情况适当减小空隙率。

⑶ 在混合料中加入纤维

相同的纤维用量下,随着沥青用量的增大,混合料的疲劳性能也得到提高,同时其疲劳敏感性也下降。存在一个最佳纤维用量。

⑷ 应用倒装结构在很大程度上能够防止和减少半刚性基层反射裂缝。

⑸ 选用合适的级配。AC类级配及间断级配兼顾耐疲劳、常温抗拉和低温变形强等优良力学性能,且对应的混合料沥青结合料含量(质量分数)适中。

⑹ 提高面层抗压模量,可以有效提高路面的疲劳寿命;增加面层厚度,将较大幅度地提高沥青路面的疲劳寿命。同时在满足基层抗剪强度要求的基础上,尽可能降低半刚性基层的刚度。最好选用模量匹配的基层和面层结构组合的路面结构。

⑺ 在高速、重载交通条件下,选用粘度较大的沥青、选择合适的矿料级配、适当增加沥青用量。

⑻ 在桥面铺装中，应用高弹改性沥青混合料。高弹改性沥青混合料在保证高温稳定性的基础上,低温变形能力和抗疲劳开裂能力与普通改性沥青混合料比有了很大的提高

⑼ 修建长寿命沥青路面。 设计面层较厚的路面结构控制住面层底部拉应变水平,从而使路面使用年限大为提高

⑽ 严格控制路面车辆的载重和车速

⑾ 对特殊路面或是特殊要求可以加适应的外加剂

⑿ 在层间加土工织物

⒀ 保证沥青和集料的质量

参考文献

【1】 邓学钧，路基路面工程，北京：人民交通出版社，2005.4

【2】 周志刚，沥青路面疲劳损伤特性及抗疲劳破坏的措施与方法研究，长沙理工大学学报，2002.5

【3】 中华人民共和国行业标准《公路路基路面现场实验规程》（JTJ-059-95），北京：人民交通出版社。1995.10

【4】 朱洪洲，黄晓明，沥青混合料疲劳性能关键影响因素分析【J】东南大学学报（自然科学版）2004.2

【5】 叶国铮，柔性路面疲劳与优化设计，北京：人民交通出版社，1989

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。