沥青混凝土路面疲劳破坏与愈合的探讨

于晓鹏

摘 要：反复载重作用造成的疲劳破坏，是目前国内外沥青混凝土铺面的主要破坏模式之一，单就目前国内柔性铺面而言，重车超载情形相当严重，相形之下，增加铺面再维修的机率与国家工程建设成本。以铺面所受车辆载重而言是具间歇性，以温度效应而言，沥青混凝土材料特性极具感温性，可说是沥青混凝土自我愈合的能力。不同温度下，疲劳破坏所产生的劲度损失皆有明显的回复，愈合效应在低温时较为显着，破坏率在低温时，劲度损失较为快速。

关键词：沥青 混凝土 疲劳 破坏 愈合

中图分类号：U4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（c）-0053-02

1 沥青混凝土的愈合效应

沥青材料为一种同时具有黏性与弹性性质的黏弹性体，在受高速剪应力时，产生弹性变形，当外力消失后，仍将回复原状；在受低速剪应力时，产生黏性变形，当外力消失后，不易回复原状。在低温时，沥青材料呈现固体性状，当温度逐渐上升时，性状也由黏状而成液状。在低温固体状下，受长时间荷重，此固体状会发生变形，此为沥青的另一特殊流性。由此可知，当高温且荷重停止作用时，沥青胶泥的软化流动会使沥青混凝土产生愈合作用。愈合作用是来自于沥青混凝土本身自愈的能力，因沥青混凝土铺面易受温度，或载重作用的影响，故当温度上升及卸除时的静置期间，沥青混凝土的可流动性会因此而增强，将使已存在的裂缝渐渐闭合裂缝范围减少，此种愈合作用与荷重、温度及静置期间等因素有关。因此，愈合作用可减缓沥青混凝土铺面中，裂缝的开始、延伸及成长行为。

2 载重对愈合与疲劳破坏的相关性

对于非线性粘弹性材料，Schapery 假设一基本方程式同非线性弹性体，认为粘弹体中的应力与位移物理量为非必要的，而是以虚拟应力及虚拟位移来作回旋积分，如下所示

及=物理量E（t）及D（t）=松弛模数及潜变柔度ER=参考模数当粘弹性材料受到反复荷重时，可在应力-应变图中观察迟滞回圈，根据非均质应力体的对应原则理论，以含有裂缝的梁试体而言，在荷重历时期间若破坏成长是微量的，在其应力-虚拟应变图中的迟滞循环将不存在，因此，应力与虚拟应变的关系为单值函数，若当愈合发生时，静置期间前后的荷重路径可维持似弹性行为。非线性弹性-粘弹性对应原则为依据的虚拟应变观念，可表现在损坏过程中微损坏及愈合的特性，虚拟劲度的改变可被使用来定量疲劳试验中的微损坏及愈合，虚拟劲度随荷重次数的增加而减少，由此可知，疲劳试验中有微损坏发生，若在静置期间后虚拟劲度有明显回复，则可证明愈合效应的影响。损坏及愈合可由消散虚拟应变能量来定量，高程度的累积消散虚拟应变能量表示有高程度的疲劳破坏发生，低程度的累积消散虚拟应变能量表示具疲劳破坏的抵抗性。

在考虑沥青混凝土非线性黏弹性行为，且以虚拟应变代替物理应变忽略依时性的黏弹性行为，Lytton 表示，在重复荷重作用下只要循环未改变，材料仍假设为未破坏，此可证明Schapery所提出的弹性-粘弹性CP是成立的。然而，在未损害条件下材料的非线性行为，应采用非线性修正因子即参考模数来忽略非线性行为，此修正因子为未损害非线性粘弹性沥青混凝土的参考模数，此参考模数为荷重时间的函数，与沥青混凝土非线性性质有关；已损害非线性粘弹性材料的虚拟应变是以线性粘弹性应力除以非线性参考模数计算得到的，若量测得到的应力与利用非线性参考模数的修正虚拟应变图形为直线关系，则假设此材料维持未损害。因此，消散虚拟-应变能量在此循环中可描述材料的任何损害情形，包含塑性变形、热能消散、破裂及愈合。以愈合效应观点来看，较硬混合物的愈合效应较佳。

3 静置时间对愈合与疲劳破坏的相关性

在静置期间会有两种不同机制发生于沥青混凝土裂缝，一为沥青混凝土粘弹性质的应力松弛，另一为沥青混凝土材料性质的化学愈合，此两者机制皆可提高沥青混凝土铺面的疲劳年限。

评估沥青混凝土铺面裂缝的化学愈合是非常困难的，因为应力松弛及化学愈合几乎会同时发生，此两者的机制是依时性的。假设化学愈合及松弛在静置期间有明显的机制发生，为评估化学愈合的效应，可以非线性粘弹性的CP来说明松弛过程的依时性，再由化学愈合机制中区分出松弛机制。在 Breysse[Breysse et al.，2003]研究结果显示，当沥青混凝土试体在受到不同程度之疲劳破坏期间，将卸除时间作为试体愈合因子，由试体劲度回复的的结果，表现静置期间对沥青混凝土疲劳破坏的影响是有愈合作用的。

不同的静置期间会引起不同的裂缝长度及损坏程度，须有方法将不同的损坏程度正规化，以评估不同损坏程度及静置期间的愈合作用。以虚拟能量密度（pseudo energy density，）及愈合指标（healing index，HI）来表现以静置时间为函数的愈合能力，其可由式2表示。愈合指标HI则用来表示不同粘结料在不同静置时间的愈合能力。

4 结语

采用的愈合方式，是将经过反复载重作用的试体至于30℃烘箱中，藉由温度及卸除时间的增加，观察Superpave 混合物愈合前后的回弹变形所示，即可看出微损坏即600次的载重周期之内，不会引起微裂缝的开始及延伸，因愈合前后的回弹变形曲线几乎是完全重合且可愈合的。一般密级配沥青混凝土在静置温度77℉的条件下，只需三天，其初始的裂缝抵抗性便可回复90%，且在此温度下，若要完全愈合则需要一个月的愈合时间。

在Kim的报告中[Daniel and Kim，2001]，是以冲击共振法来评估两种不同的沥青混凝土混合物，在温度与疲劳破坏成长作用下，所造成劲度的改变。冲击共振法是以非破坏性方式，来决定沥青混凝土试体的动弹模数。当试体因疲劳而发生微裂缝破坏成长时，动弹模数会随温度的上升而减少；同时，亦发现试体在经过静置周期后，动弹模数有上升的趋势。且藉由三点载重弯曲梁试验，量测微裂缝的停止发展，或愈合时间，可从中观察获取弯曲劲度。

参考文献

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