随着中国道路建设的发展, 高等级道路沥青路面应用越来越广泛。疲劳断裂作为沥青路面的主要破坏形式, 也越来越引起人们的注意。国外对此作了很多研究, 国内在这方面的工作, 尤其是对高等级公路用重交通沥青混合料的疲劳性能研究还比较少。本研究是交通部科技项目“沥青混合料动态性能参数标准”的研究内容之一。文中介绍了采取高等级公路常用的3种进口沥青、7种混合料进行劈裂及部分弯拉疲劳试验结果, 并总结了国内外已有沥青混合料疲劳研究, 提出适用于中国情况的试验方法及沥青混合料疲劳成果。

目前, 国内外进行的疲劳试验研究分为3种类型: 一是检测实际路面在真实汽车荷载作用下的疲劳性能。以美国AASHO试验路为典型代表。二是用足尺路面结构模拟汽车荷载作用下其疲劳性能。如美国华盛顿州立大学室外大型环道及中国重庆公路科学研究所的室内大型环道等。三是室内小型材料试件的疲劳试验。前两类方法都能较好地反映路面实际疲劳性能, 但耗资巨大、周期长, 且试验结果受当地环境及所用路面结构影响较大。因此, 使用最多的还是室内小型材料试件的疲劳试验。本研究即以室内试验方法为主, 提出简便、易行的疲劳试验方法。

1.   试验方法

1.1   疲劳试验方法评述

沥青混合料室内疲劳试验方法各异, 各国都没有统一的规定。目前应用最多的主要有: 简单弯曲试验(包括中点加载或三分点加载; 旋转悬臂梁和梯形悬臂梁)、支承弯曲试验、单轴试验、间接拉伸试验、三轴试验、断裂力学试验和轮辙试验等。这几种主要试验方法中, 又以重复弯曲试验(特别是三分点加载试验) 以及间接拉伸试验(即劈裂试验) 得到了广泛采用。考虑到试验方法对现场情况的模拟程度、试验方法的简便性及试验结果的可应用性, SHRP工作者将上述方法进行了优缺点对比及相应排序, 认为重复弯曲试验最能代表实际路面的受力状况, 试验结果可直接用于设计, 是疲劳试验的首选方法, 但该试验需专门设备, 耗时, 成本高。间接拉伸试验简单易做, 不需专门设备, 并可预测路面开裂, 也是值得推荐的疲劳测试方法。

1.2   疲劳试验方案

从SHRP工作者对疲劳试验方法优缺点对比及相应排序中知道, 重复弯曲试验(特别是三分点加载试验) 以及间接拉伸试验(即劈裂试验) 综合评价较好, 并得到了广泛采用。但梁式试件制作困难, 受不稳定因素影响大, 测试方法复杂, 结果分散, 对于大面积推广有一定困难。相比之下, 圆柱体试件制作方便, 试验简便、易于操作。因而, 为了确定一种适合中国国情的疲劳试验方法, 做到既要参考借鉴国外的先进成果, 又要结合国内的实际情况及相关研究, 制定出合理、可行的试验方法, 本研究同时对三分点加载小梁弯曲疲劳和圆柱体试件劈裂疲劳试验进行了研究探讨, 希望能找出这2种方法间的关联性。

1.2.1   小梁弯拉疲劳试验^[1]试件成型方法: 轮碾压实, 切割成小梁;

试件尺寸: 50 mm×50 mm×240 mm;

试件个数: 2~5根/应力水平;

加载方式: 应力控制, 三分点加载;

加载波形和频率: 19 Hz连续式半正矢荷载;

应力比: 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7;

试验温度: 15±1℃;

主要试验设备: MTS-810材料试验机。

1.2.2   劈裂疲劳试验

试件成型方法: 按规范T0702-93用标准击实法成型的圆柱体试件;

试件尺寸: 马歇尔试件;

试件个数: 5~6个/应力水平;

加载方式: 应力控制;

加载波形和频率: 10 Hz连续式半正矢荷载;

应力比: 0.2 (或0.25)、0.3、0.4、0.5、0.6;

试验温度: 15±1℃;

主要试验设备: MTS-810材料试验机。

2.   影响疲劳试验的因素

2.1   控制方式

混合料的疲劳响应与加载控制方式有关。一般研究通常有两种控制方式: 控制应力和控制应变。应力控制方式的再现能力较好, 实验时间较短, 试验结束试件断裂, 疲劳破坏的定义明确。另外, 控制应力试验所需试件数量较少, 疲劳数据点分散程度小, 应力精度控制可靠, 且易设定试件破坏状态。控制应变方式下, 试件一般不会出现明显断裂破坏, 而一般以混合料劲度下降到初始劲度的50%或更低时为疲劳损坏标准, 因此具有一定的随意性, 且在技术应用上存在一定困难。

对路面弹性层状体系的分析表明, 面层厚度大于12.6 cm时, 由于基层刚度相对比较小, 荷载重复作用使面层应变增长较快, 以致最后迅速增大而出现路面破裂, 这一过程比较符合应力控制模式。中国近年来已建成和正在建设的高等级公路路面厚度大都超过此值, 因此采用应力控制方式研究沥青混合料的疲劳特性比较接近于中国实际路面结构的疲劳特性, 是合适且可行的。

2.2   荷载频率

对于室内小型试验, 车轮荷载的加载时间可以根据Van der Poel的公式来确定

$t=1/(2\text{π}f)$

当加载频率为10 Hz时, 与国外大多数研究所选择的加载频率相同, 加载时间为

$t=1/(2\text{π}f)=0.016\text{s}$

0.016 s的加载时间对沥青混合料路面表面大致相当于60~65 km/h的行车速度。中国现行的《公路工程技术标准》规定的汽车专用公路的计算行车速度范围为40~120km/h, 可见选择10 Hz的荷载频率是合适的。

2.3   荷载波形

材料的疲劳寿命与荷载波形有一定的关系, 通常认为正弦波形比较接近于实际路面所承受的荷载波形。本研究也采用正弦波荷载进行疲劳试验, 由于荷载波形全部处于压力一侧, 也将它称为半正矢波。为了加快试验速度, 在相邻波形之间不插入间歇时间。为避免长时间试验可能出现的试件脱空现象, 从而对试件产生冲击作用, 本试验设置正弦波荷载的最小荷载为最大荷载的2%。而且, 在正式试验开始前, 以最小荷载对试件进行预加载, 以使各部件接触良好。

2.4   疲劳破坏的判断

在常温条件下, 沥青混合料表现为显著的粘弹性质。随着荷载作用次数的增加, 试件挠曲残余变形逐渐增大, 材料的劲度(或模量) 逐渐减小, 微裂缝不断发展, 最终完全断裂。由于这种表述方式比较简单明确, 试验数据稳定, 因此, 在控制应力方式下通常以试件的完全断裂作为疲劳破坏标准。

3.   结果分析

3.1   试验结果

针对3种进口沥青所做的7种混合料马氏试件劈裂疲劳试验结果见表 1。

表  1  7种沥青混合料马氏试件劈裂疲劳试验结果

混合料类型	应力比	对数疲劳寿命平均值	标准差	试件个数
ESSO70#粗粒式	0.2	4.6642	0.0773	6
	0.3	4.1181	0.1496	6
	0.4	3.6709	0.2692	6
	0.5	3.3483	0.1703	6
	0.6	3.1865	0.1518	6
ESSO70#中粒式	0.25	4.2622	0.3225	6
	0.30	3.8799	0.0956	6
	0.40	3.4616	0.1790	6
	0.50	2.9983	0.1181	6
	0.60	2.9406	0.0979	6
ESSO70#细粒式	0.193	5.3309	0.0748	6
	0.290	4.3724	0.0606	6
	0.386	4.0371	0.0741	6
	0.483	3.5910	0.1785	6
	0.580	3.3618	0.0330	6
SHELL70#粗粒式	0.25	5.1048	0.4251	6
	0.30	4.5852	0.1312	6
	0.40	4.1280	0.1065	6
	0.50	3.6349	0.1913	6
	0.60	2.9693	0.0378	6
SHELL70#中粒式	0.25	5.0848	0.2610	6
	0.30	4.5758	0.1630	6
	0.40	4.1303	0.1448	6
	0.50	3.4358	0.1134	6
	0.60	2.8664	0.0258	6
SHELL70#细粒式	0.25	4.4113	0.3323	6
	0.30	4.0707	0.3847	6
	0.40	3.7219	0.3099	6
	0.50	3.2493	0.2752	6
	0.60	2.9789	0.1604	6
韩国70#细粒式	0.20	5.6425	0.1796	4
	0.40	4.3099	0.0438	3
	0.50	3.5456	0.0880	3
	0.60	3.2269	0.0895	4

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与其它试验结果一样, 劈裂疲劳的应力—疲劳寿命关系呈对数线形关系, 表示为以下形式

${\rm N}{}_f={\rm K}\left(\frac{1}{\sigma {}_{{\rm T}}}\right){}^n$

式中: N_f为疲劳寿命; σ_T为施加的拉应力(N/cm²); n为应力—疲劳寿命对数曲线的斜率; K为应力—疲劳寿命对数曲线的截距。

KENNEDY发现, 若应力单位为N/cm²表示, K值变化在1.19×10⁵~2.76×10¹²之间, n值变化在2.66~5.19之间。与其他试验方法的结果相比较, n值相当接近, 但K值偏小, 疲劳寿命偏低。他认为若考虑到间接拉伸试验中存在的双应力状态, 把应力以应力差表示, 那么重复荷载间接拉伸试验所得结果与其他试验方法一致。

本研究做了中国高等级道路上常用的3种沥青(SHELL70^#、ESSO70^#及韩国沥青70^#)、3种级配(AC-25、AC-20及AC-12) 混合料的劈裂及部分弯拉疲劳性能试验。提出沥青混合料应力-疲劳寿命方程, 为以后应用作准备。试验结果见表 2及图 1。随表列出交通部重庆公路研究所及哈尔滨建筑工程学院的部分试验结果。其中应力单位为MPa, 应力以应力差表示。

表  2  中国高等级道路常用沥青混合料疲劳试验结果

试验方法	沥青混合料	研究单位	K	n	温度/℃
间接拉伸	ESSO70#粗粒式	同济大学	5.4×105	3.86	17
间接拉伸	ESSO70#中粒式	同济大学	9.98×105	4.46	15
间接拉伸	ESSO70#细粒式	同济大学	1.18×106	3.41	17
间接拉伸	SHELL70#粗粒式	同济大学	8.68×106	4.42	15
间接拉伸	SHELL70#中粒式	同济大学	1.75×107	4.82	15
间接拉伸	SHELL70#细粒式	同济大学	1.95×106	4.09	15
间接拉伸	韩国70#细粒式	同济大学	6.05×106	4.14	15
间接拉伸	茂名70#中粒式	哈尔滨建筑工程学院	8.54×104	3.86	15
间接拉伸	茂名70#粗粒式	哈尔滨建筑工程学院	2.92×104	3.45	15
间接拉伸	胜利140#中粒式	哈尔滨建筑工程学院	2.76×104	4.25	15
间接拉伸	胜利140#粗粒式	哈尔滨建筑工程学院	2.08×104	4.21	15
间接拉伸	辽河140#中粒式	哈尔滨建筑工程学院	3.36×104	3.74	15
间接拉伸	辽河140#粗粒式	哈尔滨建筑工程学院	7.35×103	3.74	15
弯曲	ESSO70#细粒式	同济大学	3.04×107	4.42	20
弯曲	SHELL70#中粒式	同济大学	1.74×105	3.90	15
弯曲	单家寺70#中粒式	重庆公路研究所	46269	3.48	17
弯曲	单家寺90#中粒式	重庆公路研究所	50615	3.36	17
弯曲	阿尔巴尼亚70#中粒式	重庆公路研究所	24526	3.50	16

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图  1  中国高等级公路常用沥青混合料间接拉伸疲劳试验结果

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从表 2及图 1中可看出各单位所做疲劳结果n值比较接近, 变化在3.41~4.82之间, 说明弯曲与间接拉伸试验结果有可能互换; K值变化较大, 但同一单位材料间K值相差不多, 说明沥青混合料的疲劳性能同原材料性质有较大关系。如本研究所用沥青性能较好, 其疲劳寿命明显高于国产沥青混合料。混合料级配也对疲劳寿命有一定影响。本研究所用ESSO70^#、SHELL70^#沥青混合料及哈尔滨建筑工程学院茂名70^#、胜利140^#和辽河140^#沥青混合料都是中粒式混合料疲劳寿命大于粗粒式混合料的疲劳寿命。

由本研究所用7种沥青混合料间接拉伸疲劳结果知: n值变化较小, 取n=4.17;K值则从1029到21947, 有较大变化, 取K=4025 A_cA_g, 式中: A_c为沥青类型系数, 如若以ESSO沥青类型系数为1, 则SHELL沥青类型系数取4, 韩国沥青类型系数取5;A_g为沥青混合料级配系数, 可参考规范取值。则沥青混合料实验室疲劳寿命为

${\rm N}{}_f=4025A{}_{c}A{}_g\sigma {}^{-4.17}$

3.2   沥青混合料的疲劳寿命预估

由于实验室与路面实际情况间的差异, 室内应力控制疲劳试验大都低估了材料的实际路用性能。为了使室内试验结果符合路面实际疲劳响应状态, 需要采用修正系数来将室内试验结果转换成实际路面疲劳情况。

3.2.1   间歇时间的影响

BROWN S F认为, 由于室内疲劳试验的荷载脉冲间没有设置间歇时间, 将不利于沥青材料的疲劳恢复。与实际道路受荷情况相比, 无间歇时间可导致室内材料试验的疲劳寿命减少到五分之一。VAN DIJK W等的试验也表明, 在10℃、应变为200微应变、沥青针入度为40/50的条件下, 当间歇时间与荷载作用时间的比值超过1时, 疲劳寿命的比值稳定为5。对于25℃较稀的沥青(针入度为90/100), 这个比值要大一些。本研究采用的沥青在质量较好, 试验温度为15℃, 取间歇时间系数为规范参考值5。

3.2.2   裂缝传播速率的影响

不同应力比及温度下, 劈裂疲劳试件断裂时加载次数与试件出现裂缝时加载次数的比值有较大变化。根据已有研究结果, 这里取规范参考值40。

3.2.3   轮载横向分布的影响

对于设分车道单向行驶的50 cm宽的轨迹, 荷载横向分布频率最高为57%, 此处取轮载横向分布系数为0.5。

3.2.4   不利季节天数的影响

环境温度的变化通常会对沥青混合料的特性有极大影响。在不同温度下, 沥青混合料劲度模量、抗拉强度及疲劳特性等均有很大变化。根据Miner法则、各地月平均气温资料及其对应温度下的疲劳关系, 得到不同月份温度下路面结构的疲劳破坏, 进而推出疲劳损坏当量温度, 在设计中考虑这个最不利温度以达到路面结构安全耐久。根据哈尔滨建筑工业大学的研究成果, 推荐的当量温度为15℃, 不利季节天数在中国一般按60天计。

由此, 经上述修正后的沥青混合料疲劳寿命预估方程形式为

$\begin{array}{l}{\rm N}{}_e={\rm N}{}_f\times 5\times 40\times \frac{365}{60}/0.05=(4025A{}_{c}A{}_g\sigma {}^{-4.17})\times \\ 5\times 40\times \frac{365}{60}/0.05=8.05\times 10{}^{6}A{}_{c}A{}_g\sigma {}^{-4.17}\end{array}$

3.3   抗拉结构强度系数

由疲劳方程N_f=4025σ^-4.17 (A_c及A_g皆为1时), 变换一种形式得

$\sigma =\left(\frac{4025}{{\rm N}{}_f}\right){}^{\frac{1}{4.17}}=7.33{\rm N}{}_f^{-0.24}$

式中: σ为作用N_f次造成疲劳损坏的初始应力, 即容许间接拉伸应力σ_R (MPa)。

当N_f=1时, 即一次荷载作用下造成损坏的应力为: σ₁=7.33 MPa

令${{\rm K}}^{\prime }{}_1=\frac{\sigma {}_1}{\sigma {}_R}=\frac{7.33}{7.33{\rm N}{}_f^{-0.24}}={\rm N}{}_f^{0.24}$

即K′₁=N ${}_f^{0.24}$

依照以前考虑的由于试验室与实际道路间的差异而采用修正因素, 室内重复荷载N_f与实际道路累计荷载当量轴次N_e之间有以下关系

${\rm N}{}_f=\frac{1}{5}\frac{1}{40}\frac{60}{365}\times 0.5{\rm N}{}_e=4.175\times 10{}^{-4}{\rm N}{}_e$

则K′₁=N ${}_f^{0.24}$ = (4.175×10^-4N_e)^0.24=0.154N ${}_e^{0.24}$

由于路面结构设计时, 混合料抗拉强度采用试验室常规劈裂强度, 而上式中K′的推导中材料强度采用的是疲劳一次加载破坏下的应力强度值。两者之间有一定的差异。根据试验比较可知, 劈裂强度是一次破坏强度的1/2.516。因而, 抗拉强度结构系数为

${\rm K}=1/2.516\times 0.154{\rm N}{}_e^{0.24}=0.06{\rm N}{}_e^{0.24}$

考虑到沥青类型、混合料级配影响, 本研究推荐抗拉强度结构系数为

${\rm K}=0.06A{}_{c}A{}_g{\rm N}{}_e^{0.24}$

4.   结语

本文综合比较了沥青混合料室内疲劳各种试验方法, 重点是弯曲疲劳与间接拉伸疲劳的对比。在参考了国内外试验资料的基础上, 提出间接拉伸疲劳与弯拉疲劳结果间有一定相关性。由于弯拉疲劳试验制件困难, 试验繁杂, 试验历时较长, 且数据比较分散, 相比之下间接拉伸试验简单易做, 试验历时较短, 且数据集中, 本研究推荐采用间接拉伸试验作为沥青混合料室内疲劳试验方法。但本研究所做弯拉数据较少, 国内对同种沥青混合料相同条件下的弯拉与间接拉伸试验的直接对比也比较少, 弯拉与间接拉伸间的具体换算关系还需进一步研究。本研究所做沥青混合料数量仍偏少, 对于沥青类型系数及混合料级配系数具体确定还可进一步探讨。另外, 根据对中国高等级道路常用沥青混合料疲劳寿命实验的结果, 考虑到沥青类型、混合料级配影响, 本研究推荐沥青混合料抗拉强度结构系数为: K=0.06A_cA_gN_e^0.24。