关于沥青混合料疲劳性能的研究, 国外已有40余年的历史, 国内在这方面的研究工作起步较晚, 但也做了大量的研究工作。通过比较国内外沥青混合料疲劳性能的试验方法, 可见国外疲劳试验大部分都采用应变控制方法, 而国内则常采用应力控制方法。研究表明, 在应变控制的疲劳试验过程中, 混合料的应力应变状态更符合沥青路面的实际情况^[1]。另外, 由于沥青混合料是粘弹性材料, 其模量与温度相关, 并非定值, 受其影响实际工程中所测得的应变转化成的应力的精确度就差。因此, 应力控制式疲劳试验得出的弯拉应力与疲劳之间的关系不便于应用, 而应变控制模式得出的结果可直接应用。本文运用MTS810材料试验系统, 进行5种级配的沥青混合料的应变控制模式的疲劳试验。得出它们的应变疲劳方程, 并对疲劳方程进行比较和分析。

1.   试验用材料

1.1   沥青

本研究所用的沥青为Shell70^#沥青。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTJ 052-2000) ^[2]规定的方法测定了这2种沥青的针入度、软化点、延度、闪点和密度等指标。

表  1  试验用沥青的技术性能

Table  1.  The technology properties of using asphalt

指标	25℃针入度/0.1 mm	软化点/℃	15℃延度/cm	闪点/℃	密度/g·cm-3
Shell70#	67.2	47	大于200	大于280	1.031
规范值	60~80	44~54	不小于100	不小于230	实测

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.2   沥青混合料

本文所涉及的沥青混合料的矿料级配共有5种, 其中包括3种沥青面层常用级配AC16Ⅰ型、AC20Ⅰ型和AC25Ⅰ型, 2种沥青稳定基层混合料沥青稳定碎石1^# (公称粒径26.5 mm) 和沥青稳定碎石2^# (公称粒径31.5 mm)。后2种级配是通过与国外常用沥青稳定基层混合料矿料级配及国内相关级配的比较, 并进行了大量的马歇尔试验和强度试验而确定的^[1]。表 2中给出了试验用沥青混合料的矿料级配。

表  2  试验用沥青混合料的矿料级配

Table  2.  The aggregate gradation of asphalt mixtures

级配类型	通过下列筛孔(方孔筛/mm) 的质量百分率/%
	37.5	31.5	26.5	19	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
AC-16Ⅰ	100	100	100	100	97.5	82.5	60	52.5	41	29.5	22	16	11	6
AC-20Ⅰ	100	100	100	97.5	82.5	71	62	48	37	27	21	15	10	6
AC-25Ⅰ	100	100	97.5	82.5	71	63	53	42	33.5	25	19	13	9	5
沥青稳定1#	100	100	90	75	67	58	50	35	25	17	12	9	7.5	6
沥青稳定2#	100	90	78	68.7	60	52	44	37	30	23	17	12	8	6

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.   试验方法与疲劳破坏的判断

2.1   沥青混合料弯曲试验方法

试件尺寸和成型方法: 按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTJ 052-2000) T0703-93规定的轮碾压实并切割成小梁的方法成型试件, 小梁尺寸为50 mm×50 mm×240 mm; 平行试验试件个数: 4个; 加载形式和试验温度等: 按规范T 0715-93进行。

2.2   沥青混合料弯曲疲劳试验方法

疲劳试验时, 通过控制小梁试件跨中挠度值来控制试件底部的弯拉应变, 由小梁跨中挠度值通过式(1) 可换算得小梁底部弯拉应变值。

$\epsilon =\frac{6hd}{l{}^2}(1)$

式中: ε为试件底部总弯拉应变; h为跨中断面试件的高度(mm); d为试件的跨中挠度(mm); l为试件的跨径(mm)。

近年来大量的试验实践证明, 用挠度换算成应变的方法试验误差较小^[2]。

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) T 0703-93规定的轮碾压实并切割成小梁的方法成型试件, 小梁尺寸为50 mm×50 mm×240 mm。

平行试验试件个数: 4根/应变水平。

加载方式: 应变控制, 中点加载, 支座间距(小梁的跨径) 为200 mm。

加载波形和频率: 10 Hz连续式半正矢波荷载。

应变比: 0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5等。

试验温度: 15℃。

主要试验设备: MTS 810材料试验机。

2.3   试件疲劳破坏的判断

应变控制模式的疲劳试验过程中, 试件不会出现明显的断裂破坏。通常人为定义当混合料的劲度达到初始劲度的一半时作为破坏准则, 此时的重复荷载的作用次数为疲劳寿命。由于所加荷载大小与混合料劲度成正比关系, 因此试验中以所加荷载大小达到初始荷载(荷载作用约3000次左右时) 的一半时作为破坏标淮。

3.   试验结果与分析

3.1   沥青混合料小梁试件的弯曲试验结果

在疲劳试验前, 用MTS810材料试验系统对沥青混合料进行了15℃弯拉强度试验。表 3列出了小梁弯曲试验的结果。

表  3  沥青混合料弯曲试验结果(平均值)

Table  3.  The testing result of asphalt mixtures curving (average)

混合料类型	弯拉强度/MPa	最大弯拉应变×10-2	弯拉模量/MPa	平行试件个数
AC-16Ⅰ	1.1852	1.0125	117.0568	4
AC-20Ⅰ	2.1694	0.5100	425.3725	4
沥青稳定基层2#	3.3600	0.3975	845.2830	4
AC-25Ⅰ	3.2267	0.3450	935.2754	4
沥青稳定基层1#	3.0491	0.2700	1129.2963	4

下载: 导出CSV 

| 显示表格

由表 3可见, 随着混合料的公称粒径的增大, 其弯拉强度呈现逐渐增大的趋势, 梁底部跨中弯拉应变呈现逐渐减小趋势。弯拉模量的排列顺序由小到大为: AC-16Ⅰ型→AC-20Ⅰ型→沥青稳定基层2^#→AC-25Ⅰ型→沥青稳定基层1^#。

3.2   沥青混合料小梁应变疲劳试验结果与分析

图 1和图 2中给出了AC-16Ⅰ型沥青混合料的小梁应变疲劳试验结果。图中的对数坐标全部为以10为底的常用对数。各应变水平各做了4组平行试验, 表中所列结果为这4组平行试验的均值, 保证率为50%。

图  1  双对数坐标下的以应变表示的AC-16Ⅰ型沥青混合料弯拉疲劳曲线

Figure  1.  The curving-fatigue properties of asphalt mixtures (AC-16Ⅰ) expressing as strain

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  2  单对数坐标下的以应变表示的AC-16Ⅰ型沥青混合料弯拉疲劳曲线

Figure  2.  The curving-fatigue properties of asphalt mixtures (AC-16Ⅰ) expressing as strain ratio

下载: 全尺寸图片 幻灯片

大量的研究表明, 同一应变比下若干试件的对数疲劳寿命表现为正态分布, 而且应变、应变比与疲劳寿命在双、单对数坐标上分别表现为直线关系, 通常可用方程(2)、(3) 来表示

$\begin{array}{l}\lg {\rm N}{}_f=k-n\text{l}\text{g}\epsilon (2)\\ \lg {\rm N}{}_f=k-n(\epsilon /\epsilon {}_{\max })(3)\end{array}$

式中: N_f为荷载的作用次数; ε为试验时所控制的小梁底面跨中弯拉应变, 通过控制小梁跨中挠度值用式(1) 可换算得小梁底部弯拉应变值; $\frac{\epsilon }{\epsilon {}_{\max }}$为试验所控制的小梁底面跨中弯拉应变与最大弯拉应变的比值; k、n为回归常数。

由图 1、图 2可见, 经过回归分析AC-16Ⅰ型沥青混合料的应变疲劳方程: lgN_f=-4.8201-3.7412lgε或lgN_f=5.8108-4.1344 (ε/ε_max)。表 5、图 3和图 4中给出了5种沥青混合料的小梁应变疲劳方程。

表  4  试验沥青混合料应变疲劳方程汇总

Table  4.  The fatigue-equation of asphalt mixtures expressing as strain or strain ratio

混合料类型	应变表示的疲劳方程	应变比表示的疲劳方程
AC-16Ⅰ	lgNf=-4.8201-3.7412lgε	lgNf=5.8108-4.1344 (ε/εmax)
AC-20Ⅰ	lgNf=-3.7414-2.9170lgε	lgNf=5.8348-4.4236 (ε/εmax)
AC-25Ⅰ	lgNf=-4.8073-3.0756lgε	lgNf=5.6509-4.3181 (ε/εmax)
沥青稳定基层1#	lgNf=-5.59205-3.1240lgε	lgNf=5.5265-4.7380 (ε/εmax)
沥青稳定基层2#	lgNf=-4.0195-2.8523lgε	lgNf=5.8164-4.6797 (ε/εmax)

下载: 导出CSV 

| 显示表格

图  3  双对数坐标下的5种沥青混合料弯拉疲劳曲线的比较

Figure  3.  The curving-fatigue properties of asphalt mixtures expressing as strain

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  4  单对数坐标下的5种沥青混合料弯拉疲劳曲线的比较

Figure  4.  The curving-fatigue properties of asphalt mixtures expressing as strain ratio

下载: 全尺寸图片 幻灯片

比较这5种沥青混合料的疲劳方程, 可得如下结论:

(1) 同一应变(或应变比) 下, 若干试件的对数疲劳寿命表现为正态分布, 而且应变、应变比与疲劳寿命分别在双、单对数坐标上表现为直线关系, 通常可用方程lgN_f=k-nlgε和lgN_f=k-n (ε/ε_max) 来表示。

(2) 对于双对数坐标下的以应变表示的疲劳方程lgN_f=k-nlgε而言, 5种混合料疲劳方程中n值变化范围为2.85~3.75, 方程中k的范围为-5.59~3.74, 变化范围相对较大。

(3) 对于单对数坐标下的以应变比表示的疲劳方程lgN_f=k-n (ε/ε_max) 而言, 沥青混合料的弯拉疲劳曲线基本平行, 曲线的斜率n范围为4.13~4.73, n值变化范围较小, 表明混合料的疲劳性能比较稳定。曲线的截距k的范围为5.52~5.83, 变化范围很小。

(4) 由图 3和图 4的比较可见, 双对数坐标下的疲劳方程lgN_f=k-nlgε相对于单对数坐标下的疲劳方程lgN_f=k-n (ε/ε_max) 而言, 前者的n和k变化范围比后者的都大(前者各疲劳曲线的间距比后者大)。这说明双对数坐标下的疲劳方程更易区分出沥青混合料疲劳性能的优劣。

(5) 由疲劳方程可见, 5种沥青混合料疲劳性能由优至劣依次为: AC-16Ⅰ型→AC-20Ⅰ型→沥青稳定基层2^#→AC-25Ⅰ型→沥青稳定基层1^#。将此结果与表 3弯曲试验的结果相比较, 可见应变控制模式下的疲劳试验, 其它条件相同时, 沥青混合料的模量越小, 试件在承受一定应变条件下产生的应力减小, 疲劳寿命越长。

4.   结语

沥青混合料疲劳试验的荷载控制模式有应力控制模式和应变控制模式。而在应变控制的疲劳试验过程中, 沥青混合料的应力应变状态更符合沥青路面的实际情况。试验得出的弯拉应变与疲劳寿命之间的关系更便于应用。本文运用MTS810材料试验系统, 进行了5种级配的沥青混合料的应变控制模式的疲劳试验。得出了这5种沥青混合料的应变疲劳方程, 并对疲劳方程进行了比较和分析。主要结论如下:

(1) 试验结果表明, 同一应变(或应变比) 下, 若干试件的对数疲劳寿命表现为正态分布, 而且应变、应变比与疲劳寿命分别在双、单对数坐标上表现为直线关系。

(2) 单对数坐标下以应变比表示的疲劳方程较双对数坐标下的以应变表示的疲劳方程稳定, 但双对数坐标下的疲劳方程更易区分出沥青混合料疲劳性能的优劣。

(3) 应变控制模式下的疲劳试验, 其它条件相同时, 沥青混合料的模量越小, 疲劳寿命越长。

疲劳试验的主要难题是建立室内试验结果与路用性能之间的关系。一般来说, 室内疲劳试验大都低估了实际路用性能。为了描述室内试验与路面疲劳响应之间的差异, 需要采用修正系数来将室内试验结果转化成实际路面疲劳状况。然而, 由于各种研究的试验类型、试验条件和对现场模拟情况不同, 以及沥青性质、加载方式和试验温度的差异, 使两者难以存在唯一的转换关系, 因此各研究者提供的建议修正系数也不尽相同。这一问题尚持进一步深入研究。