沥青混合料的疲劳性能及评价标准研究综述

袁 强

(大连理工大学，辽宁大连 116023)

1 研究意义

近年来，我国高等级公路的建设日新月异。由于自身具有行车平稳、舒适以及易于养护等优点，沥青路面在高等级公路中得到了广泛的应用。在使用过程中，沥青路面由于受到汽车轴载和温度等环境因素的反复作用，使其受力始终处于变化状态，导致路面结构强度降低。所以充分了解沥青路面疲劳性能并建立相应的评价标准对于沥青路面的使用具有重要意义。

2 沥青路面破坏机理

实践表明，移动中的车轮荷载对路面结构各点的作用不尽相同。对于面层顶面上的点来说，车轮靠近时受拉，车轮直接作用时，该点受压，当车轮驶离后，该点受拉。对于面层底面上的点而言，其应力—应变状态与顶面点恰好相反。根据上述分析可知，汽车驶过一次就使面层上的点经历一次拉压应力循环，这样反复作用之后，路面结构强度会下降，直至路面破坏。由于路面材料的抗压强度远大于其抗拉强度，因此车轮作用下的路面裂缝通常是由路面底部产生并向上扩展的［1］。所以，在实际路面设计当中需要把底部拉应力作为控制变量。

3 影响沥青路面疲劳寿命的因素

根据生产经验，我们把影响沥青混合料疲劳性能的因素分为两类［2］:一类是自身材料因素，如沥青的粘度等;另一类是荷载条件及环境因素，如荷载类型以及温度等。

3.1 疲劳试验模式

室内是按照常应力试验和常应变试验两种模式模拟沥青路面在车辆荷载作用下的疲劳状态来进行分析的。常应力试验是对沥青混合料施加大小不变的荷载。常应变试验是在实验过程中保持应变大小不变。由于沥青混合料是一种典型的粘、弹、塑性综合体，因此使用粘弹性理论研究沥青混合料的模量时需考虑以下原则:沥青混合料同时具有弹性和粘性的两种性质，其力学性能可以用温度和时间的函数表示，描述具体性质时，需注明条件。对比两种试验模式，在工程当中控制应力疲劳模式是比较保守的估计。

3.2 材料性质的影响

影响沥青材料疲劳寿命的材料因素主要有:沥青的针入度、粘度及用量、矿质集料的性质与级配。

3.2.1 沥青的针入度、粘度和用量

Myre［3］采用不同针入度沥青的沥青混合料分别进行了常应力和常应变疲劳试验。结果表明:在相同的沥青用量下，对于常应变模式，沥青越软，疲劳寿命越长;对于常应力模式则反之。沥青的软化点对沥青混合料的疲劳性能也有一定影响。Pell等人［4］的研究表明，在含量一定的情况下，沥青的粘度越大，沥青混合料的疲劳寿命越长。集料级配一定的情况下，沥青用量越大，混合料的柔韧性越好。

3.2.2 集料性质与级配

国外学者的研究表明，集料的表面性状对沥青混合料的疲劳寿命也有影响。Maupin［5］通过常应力试验表面纹理和形状不同的集料进行对比分析得出，颗粒形状对常应变模式下的疲劳寿命影响较大，片状颗粒多的混合料的劲度模量比砾石的大，疲劳寿命却要更短。表面粗糙且棱角尖锐的集料如果压实不充分，会产生较大的空隙率，导致疲劳寿命缩短。来自美国的实验数据［6］表明，空隙率每增加1%，疲劳寿命将降低40%。因此在施工时应充分碾压达到规定的密实度，以保证沥青路面的寿命。

3.2.3 试件成型和试验方法的影响

1)试件成型方法。目前沥青混合料试件成型主要有静压法、搓揉压实法和轮碾压实法等。上述几种方法成型的试件性能与现场压实得到的芯样相似，但考虑到设备成本、可行性等因素，搓揉压实法已被广泛应用。这种方法也被美国实验与材料协会列为疲劳试验试件成型方法(ASTM D 32)。对于其他方法，可根据实际情况适当选用。

2)试验方法。沥青混合料疲劳试验有很多，大体可分为四类:试件法、试槽法、试件疲劳试验和现场试验路法。试验路法和试槽法虽能够更好地模拟实际工况，但耗资大、周期长的缺点限制了其应用。试件疲劳法模拟的状态与路面实际工作状态有一定的差异，但试验周期短，耗资少，因而被广泛应用。试件疲劳试验常采用简单弯曲试验，包括直接拉伸试验、间接拉伸试验等。目前我国所使用的沥青层疲劳标准是通过间接拉伸试验得到的。

3)应力水平及加载模式。根据Miner疲劳损伤准则，损伤可以认为与荷载重复作用次数成线性关系，当积累的损伤到临界值时，就发生破坏。因此，在疲劳试验中，应力或应变水平越高，每次荷载作用造成的损伤越大，沥青混合料的疲劳性能还与试验加载波形有关，研究人员经过反复的试验后认为正弦波与路面实际荷载情况更为接近。C.L莫尼斯密士认为，对密级配沥青混合料在24℃下按照常应力模式进行试验，加载频率在3 r/min～30 r/min时，对疲劳寿命影响不大。J.A桑德斯指出，当加载频率在30 r/min～100 r/min时，混合料的疲劳寿命降低20%，这是由于没有间歇时间使得混合料的性能得不到充分恢复。I.F.泰勒指出当加载频率高于100 r/min时，其疲劳寿命反而会增加，这是由于加载时间较短，材料表现出了较高的劲度模量，再按常应力加载时疲劳寿命又会增长。霍鑫等人［7］的试验证明，有间歇的沥青混合料的疲劳寿命要比没有疲劳间歇的长数倍。原因在于沥青混合料是一种粘弹性材料，沥青路面在荷载间歇时间内会产生愈合效应，使其劲度得到一定恢复，疲劳寿命延长。间歇时间达到一定值后，其对疲劳寿命的影响趋于稳定。

4)环境因素。环境因素当中，温度和水对沥青混合料的疲劳寿命有较大的影响，其他因素几乎无影响。SHRP的实验结果证明［8］，温度在20℃以上时，只存在变形积累，不存在疲劳，不建议试验温度高于20℃。水对疲劳寿命的影响在于水进入材料内部之后阻断了沥青与集料的结合，使得沥青与集料剥落，从而降低了沥青混合料的劲度模量，在常应力模式下疲劳寿命降低。

4 沥青混合料疲劳寿命的预估

沥青混合料的疲劳性能对于沥青路面功能有着至关重要的影响。但是由于资金等各种因素的限制，很难系统的进行大量的疲劳试验研究。这就需要我们在深入研究现有成果的基础上，通过建立数学模型来对沥青路面的疲劳性能进行预估和评价，以节省人力物力。目前现有的疲劳预测模型主要是由测试统计方法和近似法得到的。归纳起来有以下几种［9］。

4.1 Cooper-Pell法

Cooper-Pell法是根据47条常应力弯曲疲劳曲线建立起来的。他们假定，在重复加载次数N与应变ε的双对数坐标下所有的疲劳曲线都聚焦于点(40，6.3×10－4)，焦点与所有疲劳关系线方程N=c×ε－m的系数m与c之间的相关性有关。疲劳线的第二点由下式确定:

其中，VB为沥青的体积百分率，%;TR＆B为用环球法测定的沥青软化点，℃。由于该关系是建立在10℃下，因而未考虑温度对疲劳寿命的影响。另外，尽管m与c之间有良好的相关性，但并非所有曲线都交于一点。

4.2 能量法

壳牌公司提出的能量法建立了沥青混合料疲劳性能与试验时所消耗的能量之间的关系，无论加载速度和环境温度如何，都可以通过所耗能量W与重复加载次数N的双对数坐标下的一条直线来表示其疲劳特性。可用下式表示:

对于常应变试验，其诺模图方程式为:

其中，Sm为沥青混合料的劲度模量，N/m2;φ为应力与应变之间的初始相位角;C，m为基本曲线W=C·Nm的系数。

4.3 美国沥青学会法

1981 年美国沥青学会提出的关系式为:

其中，εt为许用拉应变;Nf为荷载作用次数;VV为空隙率，%;VB为沥青体积百分率，%;|E*|为特定时间、温度下混合料的劲度。

4.4 CRR 法

比利时的L.Francken使用两点弯曲仪，在15℃，54 Hz的加载频率下，对40多种沥青混合料进行常应力疲劳试验，根据实验结果得到以下方程式:

其中，VV为沥青混合料的空隙率，%;VB为沥青混合料中沥青的比例，%;Λ为沥青混合料中沥青烯含量α%的函数;G为与集料级配有关的参数，一般取1.0;N为重复加载次数。Francken的实验都是在一个温度下进行的并未考虑温度对疲劳性能的影响。但是通过引入了沥青烯含量和沥青体积比进而考虑了沥青针入度指数和沥青混合料的体积构成对疲劳性能的影响。

除上述方法之外我国的研究人员在沥青混合料疲劳寿命预测方面也做了大量的工作。东南大学的黄卫等人［10］提出了重复荷载作用下的能耗与作用次数之间的函数关系:W1=A0－A1×N，其中，A0，A1均为回归系数，A0受到空隙率和材料类型的影响较大，受加载频率影响较小。在荷载作用频率较低(2 Hz～10 Hz)时，实质上代表了初始能耗W0。东南大学的朱洪洲等人［11］通过大量的小梁弯曲试验根据损伤力学理论得到:ΔDPV=A×NBD。其中，ΔDPV为单位次数荷载作用对时间损伤的增量;ND为重复荷载作用下的疲劳寿命;A，B均为实验得到的常数。

5 结语

沥青混合料疲劳破坏会对沥青路面的使用产生较大影响，路面破坏之后的修补和重建需要耗费大量的人力物力。因此深入的研究其破坏机理以及影响沥青路面破坏的因素是十分必要的。可以根据现有的试验结果建立相应的数学模型对沥青路面的疲劳寿命进行预估，以此来节省大量的人力物力。

［1］肖庆一.沥青混合料油石界面研究［D］.南京:东南大学，2004.

［2］高 爽，朱洪洲，唐伯明，等.沥青混合料疲劳性能影响因素研究综述［J］.石油沥青，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.沥青及沥青混合料路用性能［M］.北京:人民交通出版社，1989.

［7］霍 鑫，田小革，栾利强，等.沥青混合料疲劳寿命及其影响因素研究［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.预估沥青混合料疲劳性能的新方法［Z］.吕伟民，译.

［10］黄 卫，邓学钧，C.Monismith.能量方法分析沥青混合料的疲劳性能［J］.中国公路学报，1994，7(3):67-68.

［11］朱洪洲，黄晓明.一种新的沥青混合料疲劳性能评价方法［J］.公路交通科技，2005，22(2):4-6.