沥青混合料疲劳试验控制模式的选择研究_卢少利
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［2 ］ 应力 模 式 得 到 的 疲 劳 寿 命 的 2 ～ 3 倍 。按 照
收稿日期： 2015 —12 —03 作者简介： 卢少利（ 1977 —） ， 工程师。 男， 山东滨州人，
Tayebali 等人的试验分析， 控制应变法的疲劳寿命一 般为控制应力法疲劳寿命的 2. 4 倍。 表 1 比较了两
73． 37
19． 5
39． 2
59． 1
79． 0
98． 6
用 Shell 设计法的 BISAＲ3. 0 程序对国内典型的半刚 性基层路面结构进行响应计算， 计算过程见图 2 。 假 设沥青层与半刚性基层之间为光滑接触的最不利滑 动状态
［3 ］
4． 6
10． 7
19． 1
32． 0
53． 9
441． 8
弯拉应变的变化 式中： Δσ 和 Δε—弯 拉 应 力、 % ； σ8000 和 ε8000 —面层初始劲度模量 8 000 MPa 时 率， 对应的弯拉应力和弯拉应变； σ i 和 ε i —模量衰减过程 中对应的弯拉应力和弯拉应变。 通过计算结果可以看出， 随着沥青面层模量的逐 渐衰减， 沥 青 层 底 弯 拉 应 力 和 应 变 也 随 之 变 化， 见 表 2。
性进行了深入而广泛的研究， 也发表了大量关于试验 方法、 实验条件、 混合料类型、 加载方式以及环境因素 等对沥青混合料疲劳特性的影响的研究报告和著作， 并把这些研究成果应用到沥青路面结构设计理论和 相应设计规范中。同时这些研究成果表明， 由于沥青 混合料疲劳破坏行为影响因素极为复杂且存在相互 作用， 因此， 沥青混合料的疲劳性能的研究尚有许多 困难需要克服。 尽管几十年来材料疲劳特性的理论 研究和应用技术研究迅猛发展， 各国研究人员提出了 许多新的理论和试验方法， 但至今为止， 还没有任何 一种试验方法或评价指标可以作为沥青混合料疲劳 性能研究的通用标准的到广泛认可。 SHＲP 研究计划在综合分析与评价之后， 最终选 用四点弯曲疲劳试验作为其沥青混合料疲劳性能研 究的标准试验， 同时制定了标准试验方法 （ SHＲP M － 009 ， AASHTO TP － 8 ） ， 这一方法已被指定为 AASHTO 的标准方法
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36． 9
48． 5
图2
BISAＲ3. 0 路面结构参数输入界面
－
8． 2
18． 8
33． 1
53． 8
87． 1
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卢少利： 沥青混合料疲劳试验控制模式的选择研究
续表 路面结构力 学响应 应力 σ （ kPa） 20 应变 ε （ με） cm 沥 青 应力变化 层 率△σ（ % ） 应变变化 率△ε（ % ） 应力 σ （ kPa） 沥青层模量衰减过程 （ MPa） 8 000 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000
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66． 75
74． 4
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103． 3
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17． 7
31． 2
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69． 9
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பைடு நூலகம்
－
8． 26
17． 04
表2 沥青层模量衰减过程中层底应力变化率和应变变化率 沥青层模量衰减过程（ MPa） 8 000 256． 5 7 000 206． 6 6 000 155． 9 5 000 104． 9 4 000 53． 87 3 000 3． 59
表1 加载控制模式
试验过程的演变 常用破坏标准 损伤增长 裂缝扩展延续时间 寿命 试验结果的离散性 间歇时间影响 加载频率增加 试验温度增加（ ＞ 0℃ ） 劲度模量增加
力不变， 而控制应变加载模式是在重复加载过程中保 持试件的应变不变。由于两种加载模式不同， 所得疲 劳试验的结果也有很大差别， 常应力和常应变疲劳试 验现象见图 1 。 采用控制应变模式得到的疲劳寿命要高于控制 应力模式的寿命。 Bazin 研究表明， 在初始应变相同 的情况下， 采用控制应变模式得到的疲劳寿命为控制
图1 常应力和常应变控制模式下的疲劳现象
两种加载控制模式试验结果的比较 控制应力 变形增加 应变增加到两倍或断裂 快 短 较短 较低 大 寿命增加 寿命减小 寿命增加 控制应变 作用力减小 初始作用力降 低一半 平缓 长 较长 较高 小 寿命减小 寿命增加 寿命减小
σ i － σ8000 × 100% σ8000 ε i － ε8000 × 100% ……………………… （ 1 ） ε8000
。
然而， 小梁弯曲疲劳试验控制模式主要有两种： 控制应力（ 常应力） 加载模式和控制应变 （ 常应变 ） 加 载模式。控制应力加载模式是在重复加载过程中保 持应力不变， 而控制应变加载模式是在重复加载过程 中保持试件的应变不变。 选用不同加载控制模式对 疲劳实验结果影响很大， 选用合适的加载控制模式对 沥青路面疲劳方程的建立至关重要。
沥青混合料疲劳试验控制模式的选择研究
卢少利 （ 滨州公路工程总公司， 山东 滨州 256600 ）
摘要： 通过系统研究沥青混合料疲劳试验的不同的 控制模式， 发现当面层厚度较薄时， 疲劳试验优先 选用应变控制模式； 当沥青面层厚度较厚 （ HAC ＞ 15 cm或 20 cm） 时， 应变变化率明显大于应力变化 率， 疲劳试验优先选用应力控制模式更为合理； 当 面层为中等厚度时， 应选用中间的加载模式。 关键词： 疲劳试验； 控制模式； 应力； 应变 中图分类号： U416． 217 文献标识码： A
图 7 沥青面层厚度为 25 cm 时层底应力变化率和应变变化率 图 6 沥青面层厚度为 20 cm 时层底应力变化率和应变变化率
5
结语
（ 1 ） 当沥青面层厚度较薄时（ HAC ＜ 5 cm 或10 cm） ，
疲劳试验优先选用应变控制模式； （ 2 ） 当沥青面层厚度 较厚时（ HAC ＞ 15 cm 或 20 cm） ， 疲劳试验优先选用应力 控制模式更为 合 理； （ 3 ） 当 沥 青 面 层 厚 度 为 中 等 时，
— 60 —
山东交通科技 种加载控制模式所得试验结果的差异。
2016 年第 1 期
3
计算
为了便于计算， 假定沥青层为同一整体结构层，
10 cm， 15 cm， 20 cm， 25 cm， 厚度分别取 5 cm， 其中沥 青层采用动态模量。 荷载采用标准轴载 BZZ － 100 ， 当量圆半径 Ｒ = 10. 65 cm， 胎压为 0. 7 MPa。 按沥青 层模量 10% 衰减进行沥青层层底弯拉应力和应变计 算。应力应变变化率： Δσ = Δε =
路面结构力 学响应 应力 σ （ kPa）
2
不同控制模式的适用条件
为了验证两种加载控制模式各自的适用条件， 采
5 应变 ε 47． 68 cm （ με） 沥 青 应力变化 － 层 率△σ（ % ） 应变变化 率△ε（ % ） 应力 σ （ kPa） －
49． 87
52． 77
56． 81
62． 94
400． 6
356． 8
309． 8
258． 7
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， 分别计算沥青层不同厚度的层底的拉应力
和拉应变随材料模量衰变的变化率， 并最终确定不同 厚度沥青面层最合理的疲劳试验加载控制模式。
10 应变 ε 56． 71 cm （ με） 沥 青 应力变化 － 层 率△σ（ % ） 应变变化 率△ε（ % ） 应力 σ （ kPa） 15 应变 ε cm （ με） 沥 青 应力变化 层 率△σ（ % ） 应变变化 率△ε（ % ） －
图 3 沥青面层厚度为 5 cm 时层底应力变化率和应变变化率
（ 10 cm ＜ HAC ＜ 15 cm） ， 选用中间的加载模式。
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山东交通科技
参考文献： ［ 1］ AASHTO Standard Specifications for Transportation Materials and Method of Sampling and Testing （ 23 rd edition， S］ . America： AASHTO Publishing， 2003 ： 154 － 163． Part 2B） ［ ［2 ］ Myre． Fatigue of asphalt materials for Norwegian conditions Proceedings ［A］ ． 7 th International Conference on
1
两种控制模式的比较
控制应力加载模式是在重复加载过程中保持应
引言
沥青混合料和沥青层疲劳特性的研究始于上世 纪 50 年代， 迄今已有半个多世纪， 是沥青路面各损坏 模式中最受关注、 投入研究最多的一种损坏模式。60 多年来， 作为沥青路面结构设计理论和方法的应用基 础研究， 有关部门和研究人员对沥青混合料的疲劳特
Abstract： This paper hasresearchedon the system of asphalt mixture fatigue test of different control modes． It is found that the face layer thickness is thin ，the fatigue test preferred strain control mode． When the asphalt surface layer thickness is thicker （ H AC ＞ 15 cm and 20 cm） and strain rate was significantly greater than the stress rate，fatigue test preferred stress control model is more reasonable． Face layer medium thickness should be choose intermediate loading mode． Key words： fatigue test ； control mode； strain ； stress
298． 7
274． 7
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图 4 沥青面层厚度为 10 cm 时层底应力变化率和应变变化率
－ 8． 0 16． 6 25． 9 36． 1 47． 4
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223． 7
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156． 1
128． 6
25 应变 ε 28． 06 （ με） cm 沥 青 应力变化 － 层 率△σ（ % ） 应变变化 率△ε（ % ）
30． 33
33． 25
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图 5 沥青面层厚度为 15 cm 时层底应力变化率和应变变化率
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不同面层厚度层底应力和应变变化率
图 3 ～ 图 7 是不同厚度沥青面层力学响应变化
率。可以看出， 当沥青面层厚度较薄 （ H AC ＜ 5 cm 或 10 cm） 时， 在沥青层模量衰减过程中应力变化率要明 显大于应变变化率。 此时沥青层不是路面结构主要 承重层， 沥青层层底应变受主要取决于基层承重层， 受本身模量衰减影响较小， 因此在疲劳过程中应变变 化较小， 故面层厚度较薄时， 疲劳试验优先选用应变 控制 模 式； 当 沥 青 面 层 厚 度 较 厚 （ H AC ＞ 15 cm 或 20 cm） 时， 应变变化率明显大于应力变化率。 此时沥 青层为路面结构中主要承重层， 随材料的逐渐衰变， 应变越来越大， 但由于面层较厚， 应力变化不大， 故面 层厚度较厚时， 疲劳试验优先选用应力控制模式更为 合理； 当面层为中等厚度时， 选用中间的加载模式。
［1 ］
Ｒesearch on the selection of the fatigue test control mode of asphalt mixture
LU Shao － li
（ Binzhou Highway Engineering Corporation ，Shandong Binzhou 256600 China）
收稿日期： 2015 —12 —03 作者简介： 卢少利（ 1977 —） ， 工程师。 男， 山东滨州人，
Tayebali 等人的试验分析， 控制应变法的疲劳寿命一 般为控制应力法疲劳寿命的 2. 4 倍。 表 1 比较了两
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用 Shell 设计法的 BISAＲ3. 0 程序对国内典型的半刚 性基层路面结构进行响应计算， 计算过程见图 2 。 假 设沥青层与半刚性基层之间为光滑接触的最不利滑 动状态
［3 ］
4． 6
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弯拉应变的变化 式中： Δσ 和 Δε—弯 拉 应 力、 % ； σ8000 和 ε8000 —面层初始劲度模量 8 000 MPa 时 率， 对应的弯拉应力和弯拉应变； σ i 和 ε i —模量衰减过程 中对应的弯拉应力和弯拉应变。 通过计算结果可以看出， 随着沥青面层模量的逐 渐衰减， 沥 青 层 底 弯 拉 应 力 和 应 变 也 随 之 变 化， 见 表 2。
性进行了深入而广泛的研究， 也发表了大量关于试验 方法、 实验条件、 混合料类型、 加载方式以及环境因素 等对沥青混合料疲劳特性的影响的研究报告和著作， 并把这些研究成果应用到沥青路面结构设计理论和 相应设计规范中。同时这些研究成果表明， 由于沥青 混合料疲劳破坏行为影响因素极为复杂且存在相互 作用， 因此， 沥青混合料的疲劳性能的研究尚有许多 困难需要克服。 尽管几十年来材料疲劳特性的理论 研究和应用技术研究迅猛发展， 各国研究人员提出了 许多新的理论和试验方法， 但至今为止， 还没有任何 一种试验方法或评价指标可以作为沥青混合料疲劳 性能研究的通用标准的到广泛认可。 SHＲP 研究计划在综合分析与评价之后， 最终选 用四点弯曲疲劳试验作为其沥青混合料疲劳性能研 究的标准试验， 同时制定了标准试验方法 （ SHＲP M － 009 ， AASHTO TP － 8 ） ， 这一方法已被指定为 AASHTO 的标准方法
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图2
BISAＲ3. 0 路面结构参数输入界面
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卢少利： 沥青混合料疲劳试验控制模式的选择研究
续表 路面结构力 学响应 应力 σ （ kPa） 20 应变 ε （ με） cm 沥 青 应力变化 层 率△σ（ % ） 应变变化 率△ε（ % ） 应力 σ （ kPa） 沥青层模量衰减过程 （ MPa） 8 000 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000
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表2 沥青层模量衰减过程中层底应力变化率和应变变化率 沥青层模量衰减过程（ MPa） 8 000 256． 5 7 000 206． 6 6 000 155． 9 5 000 104． 9 4 000 53． 87 3 000 3． 59
表1 加载控制模式
试验过程的演变 常用破坏标准 损伤增长 裂缝扩展延续时间 寿命 试验结果的离散性 间歇时间影响 加载频率增加 试验温度增加（ ＞ 0℃ ） 劲度模量增加
力不变， 而控制应变加载模式是在重复加载过程中保 持试件的应变不变。由于两种加载模式不同， 所得疲 劳试验的结果也有很大差别， 常应力和常应变疲劳试 验现象见图 1 。 采用控制应变模式得到的疲劳寿命要高于控制 应力模式的寿命。 Bazin 研究表明， 在初始应变相同 的情况下， 采用控制应变模式得到的疲劳寿命为控制
图1 常应力和常应变控制模式下的疲劳现象
两种加载控制模式试验结果的比较 控制应力 变形增加 应变增加到两倍或断裂 快 短 较短 较低 大 寿命增加 寿命减小 寿命增加 控制应变 作用力减小 初始作用力降 低一半 平缓 长 较长 较高 小 寿命减小 寿命增加 寿命减小
σ i － σ8000 × 100% σ8000 ε i － ε8000 × 100% ……………………… （ 1 ） ε8000
。
然而， 小梁弯曲疲劳试验控制模式主要有两种： 控制应力（ 常应力） 加载模式和控制应变 （ 常应变 ） 加 载模式。控制应力加载模式是在重复加载过程中保 持应力不变， 而控制应变加载模式是在重复加载过程 中保持试件的应变不变。 选用不同加载控制模式对 疲劳实验结果影响很大， 选用合适的加载控制模式对 沥青路面疲劳方程的建立至关重要。
沥青混合料疲劳试验控制模式的选择研究
卢少利 （ 滨州公路工程总公司， 山东 滨州 256600 ）
摘要： 通过系统研究沥青混合料疲劳试验的不同的 控制模式， 发现当面层厚度较薄时， 疲劳试验优先 选用应变控制模式； 当沥青面层厚度较厚 （ HAC ＞ 15 cm或 20 cm） 时， 应变变化率明显大于应力变化 率， 疲劳试验优先选用应力控制模式更为合理； 当 面层为中等厚度时， 应选用中间的加载模式。 关键词： 疲劳试验； 控制模式； 应力； 应变 中图分类号： U416． 217 文献标识码： A
图 7 沥青面层厚度为 25 cm 时层底应力变化率和应变变化率 图 6 沥青面层厚度为 20 cm 时层底应力变化率和应变变化率
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结语
（ 1 ） 当沥青面层厚度较薄时（ HAC ＜ 5 cm 或10 cm） ，
疲劳试验优先选用应变控制模式； （ 2 ） 当沥青面层厚度 较厚时（ HAC ＞ 15 cm 或 20 cm） ， 疲劳试验优先选用应力 控制模式更为 合 理； （ 3 ） 当 沥 青 面 层 厚 度 为 中 等 时，
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计算
为了便于计算， 假定沥青层为同一整体结构层，
10 cm， 15 cm， 20 cm， 25 cm， 厚度分别取 5 cm， 其中沥 青层采用动态模量。 荷载采用标准轴载 BZZ － 100 ， 当量圆半径 Ｒ = 10. 65 cm， 胎压为 0. 7 MPa。 按沥青 层模量 10% 衰减进行沥青层层底弯拉应力和应变计 算。应力应变变化率： Δσ = Δε =
路面结构力 学响应 应力 σ （ kPa）
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不同控制模式的适用条件
为了验证两种加载控制模式各自的适用条件， 采
5 应变 ε 47． 68 cm （ με） 沥 青 应力变化 － 层 率△σ（ % ） 应变变化 率△ε（ % ） 应力 σ （ kPa） －
49． 87
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56． 81
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356． 8
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， 分别计算沥青层不同厚度的层底的拉应力
和拉应变随材料模量衰变的变化率， 并最终确定不同 厚度沥青面层最合理的疲劳试验加载控制模式。
10 应变 ε 56． 71 cm （ με） 沥 青 应力变化 － 层 率△σ（ % ） 应变变化 率△ε（ % ） 应力 σ （ kPa） 15 应变 ε cm （ με） 沥 青 应力变化 层 率△σ（ % ） 应变变化 率△ε（ % ） －
图 3 沥青面层厚度为 5 cm 时层底应力变化率和应变变化率
（ 10 cm ＜ HAC ＜ 15 cm） ， 选用中间的加载模式。
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山东交通科技
参考文献： ［ 1］ AASHTO Standard Specifications for Transportation Materials and Method of Sampling and Testing （ 23 rd edition， S］ . America： AASHTO Publishing， 2003 ： 154 － 163． Part 2B） ［ ［2 ］ Myre． Fatigue of asphalt materials for Norwegian conditions Proceedings ［A］ ． 7 th International Conference on
1
两种控制模式的比较
控制应力加载模式是在重复加载过程中保持应
引言
沥青混合料和沥青层疲劳特性的研究始于上世 纪 50 年代， 迄今已有半个多世纪， 是沥青路面各损坏 模式中最受关注、 投入研究最多的一种损坏模式。60 多年来， 作为沥青路面结构设计理论和方法的应用基 础研究， 有关部门和研究人员对沥青混合料的疲劳特
Abstract： This paper hasresearchedon the system of asphalt mixture fatigue test of different control modes． It is found that the face layer thickness is thin ，the fatigue test preferred strain control mode． When the asphalt surface layer thickness is thicker （ H AC ＞ 15 cm and 20 cm） and strain rate was significantly greater than the stress rate，fatigue test preferred stress control model is more reasonable． Face layer medium thickness should be choose intermediate loading mode． Key words： fatigue test ； control mode； strain ； stress
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274． 7
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图 4 沥青面层厚度为 10 cm 时层底应力变化率和应变变化率
－ 8． 0 16． 6 25． 9 36． 1 47． 4
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180． 6
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25 应变 ε 28． 06 （ με） cm 沥 青 应力变化 － 层 率△σ（ % ） 应变变化 率△ε（ % ）
30． 33
33． 25
37． 16
42． 81
51． 84
4． 0
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图 5 沥青面层厚度为 15 cm 时层底应力变化率和应变变化率
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不同面层厚度层底应力和应变变化率
图 3 ～ 图 7 是不同厚度沥青面层力学响应变化
率。可以看出， 当沥青面层厚度较薄 （ H AC ＜ 5 cm 或 10 cm） 时， 在沥青层模量衰减过程中应力变化率要明 显大于应变变化率。 此时沥青层不是路面结构主要 承重层， 沥青层层底应变受主要取决于基层承重层， 受本身模量衰减影响较小， 因此在疲劳过程中应变变 化较小， 故面层厚度较薄时， 疲劳试验优先选用应变 控制 模 式； 当 沥 青 面 层 厚 度 较 厚 （ H AC ＞ 15 cm 或 20 cm） 时， 应变变化率明显大于应力变化率。 此时沥 青层为路面结构中主要承重层， 随材料的逐渐衰变， 应变越来越大， 但由于面层较厚， 应力变化不大， 故面 层厚度较厚时， 疲劳试验优先选用应力控制模式更为 合理； 当面层为中等厚度时， 选用中间的加载模式。
［1 ］
Ｒesearch on the selection of the fatigue test control mode of asphalt mixture
LU Shao － li
（ Binzhou Highway Engineering Corporation ，Shandong Binzhou 256600 China）