沥青路面的抗疲劳性能

通过大量 的试验数据 系统地 分析 了中粒 式沥 青混合料 车辙变形量与动稳定度与荷载 、 温度 、 行车速度 、 轴载作用次 数之 间的关系 ， 高速 公路 路面 设计 与施 工提供 了参 考数 为
据。
参考文献：
行 车荷载在实际路 面上是变 化的 ， 了模 拟不 同行 车速 为 度对车辙深度 、 定度 的影响 ， 动稳 对沥 青混合 料在标 准温度 ６ ， Ｏ℃ 标准轮压 ０７Ｍ ａ进行不 同行 车速 度 １ ． ｉ、１ ． Ｐ， ０￣／ ｎ２ ｍ ￣／ ｎ４ ｍｉ、２￣／ ｎ ６ ｍｉ、３￣／ ｉ ｍｎ的车辙试验 。考虑到行车速度 １ ０￣／ ｉ ｍ ｎ的荷 载作 用次数较少 ， 因此行车速 度为 １ ０￣／ ｉ ｍｎ
控制指标 。 １ 沥青混合料疲劳 力学模型 沥青路面疲劳特性 的研 究方 法可 以分 为两类 。一 类为
在现象学法中 ， 把材料 出现疲 劳破坏 的重复应力值称 作 疲劳强度 ， 相应 的应力重复作用次数称为疲劳寿命。疲 劳寿 命可以用两种量度来表示 ， 即服务 寿命 和断裂寿命。服务 寿 命为试件能力降低到某种预定状态所必需的加载累积次数 ； 断裂寿命为试件完全破 裂所必 需 的加 载累积次数 。如果 试 件破坏都被定义为在连续重复加载下完全裂开时 ， 则服务寿 命与断裂寿命两者相等 。 应用现象学法进行疲劳试验的方法很多 ， 归纳起来可 以分 为四类 ： 一是实际路面在真实汽车荷载作用下的疲劳破坏试验， 如美 国的 Ａ Ｓ Ｏ试验路 ； ＡＨ 第二类是足尺路面结构在模拟汽车 荷载作用下的疲劳试验研究 ， 包括环道试验 、 加速加载试验； 第 三类是试板试验法； 第四类是试验室小型试件的疲劳试验研究。 由于前三类试验研究方法耗资大、 周期长， 因此￣Ｉ采用的还是 ｔ 周期短 、 费用少的室内小型疲劳试验。 室 内小型疲 劳试验 的方法 很 多 ， 如三 分点小 梁弯 曲试 验、 中点加载小梁弯 曲试 验 、 臂梁试 验、 轴压缩试 验、 悬 单 间 接拉伸试验 、 转悬 臂试 验等 。迄今 为止 ， 国均没 有将疲 旋 各 劳试验作为标准试验方法 纳入规 范。 应用现象学法进行疲 劳试验 时 ， 可采用控制应力和控制 应变两种加载模式 。应力 控制 方式是指 在反复加 载过程 中 所施加荷载 （ 或应力 ） 的峰谷 值始 终保持 不变 ， 随着 加载次 数 的增加最终导致试 件断 裂破坏 。这 种控制方式 以完全 断 裂作 为疲劳损坏 的标 准。试验 结果 常采用下式来表示
式中 ： 试件在 常量应变 １０× ０ ６ Ⅳ为 ０ １－ 时达到 破坏的加 载次 数 ； 为 沥青 的体 积百分率 ； 彻为用环球法 测定 的沥青软 化点。 （） ２ 壳牌 法 壳牌石油公 司在试验基础 上建 立的关 系式如下
＝
（ ． ５ ＋１０ ） ． ０ ８６ ．８ ｓ．∞Ｎ － ． ． Ｏ ．
总第 ２ １ １ 期
温度 的升 高而下降 ， 车辙 深度 随着试验 温度 的升高 而增加 ， 动稳定度 随着试验温度 的升高而 降低 。
３３ 车辙 深 度 与轮 压 的 关 系 ．
载作用 次数 为 １８０次时 ， ０ 各种不 同行车速度下 的车辙变形 量见表 ２ 动稳定度见表 ３ ， 。 表 ２ 车辙总变形表
人 民交通 出版社 。０ １ ２０ ． ［ ］ 伍石生 ， ３ 贺海萍． 陕西省高速公路沥青路 面车辙形成原 因及对 策 ［ ］ 公路 交通技 术 ， ０ ． Ｊ． ２ ４ ０ ［ ］ 张登 良． ４ 沥青及沥青混合料［ ． 京： 民交通出版社 ． Ｍ］北 人
式中： Ⅳ为混合料 劲度 下 降为初 始 劲度 ５ ％ 或更低 时 的次 ０ 数； ｓ为对试件每次施加 的常量 应变 最大 幅度 ；Ｃ ｎ为 取决 ， 于沥青混合料成分和特性 的常数 。
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图 １ 路面面层在车轮下的受力状态
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源自文库
图２ Ｂ点应力随时间的变化
路 面表 面上 Ａ点则相反 ， 车轮驶 近时受拉 ， 车轮直接 作 用时受压 ， 车轮驶 过后 又受拉 。车轮驶 过 一次 就使 Ａ， Ｂ点 出现一次拉压应力循环 。路 面在 整个 使用过程 中， 长期处 于 应力 （ 应变 ） 重复循环变化 的状 态。 由于路面 材料的抗压 强 度远大于抗拉强 度 ， 面层底 部 Ｂ点 在 车轮 下所受 的拉 应 而 力较之表面 Ａ点在车轮驶近或驶 离后产 生 的拉应力要 大得 多， 因此在荷载重复作用下路面裂缝通 常从 面层底部 开始 发 生 。路面疲劳设计 大多数 以面层底 部拉应 力或拉 应变作 为
的车辙试验时间为 ３ｈ 荷 载作 用的总次数为 １８ ０次 。荷 ， ０
【 接第 ４ 上 ３页 ）
［ ］ 徐世法． １ 沥青路 面车辙深度 与行车 安全［ ］北京建 筑工程学 Ｊ．
院学报 ，９４，０ １ ４ ５ ． １９ １ （ ）：６— ４
［］ 沙庆林． ２ 高速公路沥青路面早起 破坏现象及 预防 ［ ． 京： Ｍ］ 北
４ 结
图 ５ 动 稳 定 度 与 轮 压 的 关 系
论
可 以看 出沥青混合料 的车辙深 度 随着 试验 荷载 的增加 而增大 ， 而动稳 定度 随着试验荷载 的增加 而减小 。由此 可得 轮压对 沥青混合料 的抗车辙性 能的影响较大 。
３４ 车辙 深度 与行 车速 度 的 关 系 ．
Ⅳ ） ，（ “ ＝
式 中 ：， Ⅳ 为试 件破坏时加载 次数 ；、 ｎ为取决 于沥青混合料 成分 和特性 的常数 ； 为对试件每次施加 的常量应力 最大幅 ６ ｒ 值。 应 变控 制方式是 指在反 复加载 过程 中始终 保持挠度 或 试件底部应变峰谷值 不变。由于在这种 控制方式下 ， 通 试件 常不会 出现明显 的断裂破坏 ， 以混合料劲度下降到初 始 一般 劲度 ５％或更低作 为疲 劳破 坏标准 。试验结果 常采 用如下 ０
量 和 软 化 点 之 间 的 经 验 关 系 式 为 １Ⅳ ｓ＝ｉ０×１ ）＝ ．３ｇ ＋ ．５ｇ Ｂ ｇ（ ０ ０ ４１１ ６９１
公式表 明， 在承受重 复常量 应力 或应 变条 件下 ， 材料 施 加的应力或应变同疲劳寿命之间的关系在双对数坐标上成
线性反 比关系。 ２ 沥 青混合料疲劳寿命 的预 估方法 （） １ 诺丁汉大学法
２ １ 年 第 ９期 ０１ （ 总第 ２ １期） １
黑龙 江交通 科技
ＨＥＬＯ ＮＧＪＡＮＧ Ｉ Ｌ Ｉ ＪＡＯＴＯＮＧ Ｅ Ｋ Ｊ
Ｎｏ ９， ０ １ ． ２ １
（ ｕ ｏ ２ １ Ｓ ｍ Ｎ ．１ ）
沥 青路 面 的抗 疲劳 性 能
张 艳 明
（ 山市丰润 区交通运输局 ） 唐
面疲劳特性进行 了系统研究 ， 对路 面疲劳破 坏机理也有 了更 科学的认 识。理论 和实 践都 已表 明， 移 动车 轮荷 载作 用 在 下， 路面结构 内各点处于不 同的应力应变状 态如图 １ 。 路面面层底部 Ｂ点处 于 三 向应力 状态 ， 轮作 用其 上 车 时， Ｂ点受到全拉应力作用 ， 车轮驶 过后应力方 向改变 ， 量值 变小 ， 并有剪应力 产生。 当车轮驶 过一 定距 离后 ， Ｂ点 则承 受主压应力作用。Ｂ点应 力随时间的变化 曲线如图 ２所示。
诺丁汉大学通过对各种 沥青混合料室 内疲劳试验 ， 建立 了拉 应变 、 疲劳荷载作用次数 、 沥青含量和软化点 的关 系式
，
式 中： ８ 为允许拉应变 ； 为 沥青体积百分率 ； Ｊ ｓ 为特定加 载时间 、 温度下混合料劲度 ；ｒ 载作用次数。 Ｊ为荷 ７ 、
（） ３ 地沥青学会法 地沥青学会得到 的关 系式 为 ：
公式来表示
现象学法 ， 即传统 的疲 劳理论 方法 ， 它采 用疲劳 曲线表 征材 料 的疲劳性质 ； 另一类 为力学 近似 法 ， 即应用 断裂力 学原理
收 稿 日期 ：０ Ｉ ４—１ ２ １ 一０ １
Ⅳｃ ） ＝÷“ （
（ 下转第 ４ ５页 ）
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４３ ・
第 ９期
李旭 娟 ： 沥青混合料高温稳定性影响因素的试验研究
图 ４ 车 辙 深 度 与 轮 压 的 关 系
行车速度 直接关系到车轮与路面 的作用时间 ， 由沥青材 料 的时温等效原则 可知 ， 行车速度亦是影响沥青混合料 高温 变形 的一个重要 的因素。 由上 表可以看 出 ： 在相 同交通 量 的条件下 ， 车辙变形量 随着行车速度 的增 大而减小 ， 速度 越慢越 明显 ； 随着行 车速 度 的增加 ， 动稳定度逐 渐增大。
１ ． ９ ｇ ＋２ ． ｇ 黜 －４ ． ４ ３ １ ４２ ０ ７一ｌ Ｎ ｇ
—
Ⅳ＝ ８４ ４３５× ０ （ ） ・ Ｊ ）。 ］ １．Ｃ［．２ １ 捌（ 。 ｓ
式 中 ：。 Ｆ 为允许 拉应 变 ； 为荷 载作用 次数 ； 为 沥青 体积 Ｎ 百分率 ； 鲫为沥青软化点 。 当拉应变为 １０ １ ＿ 混合料的疲劳寿命同沥青用 ０ ×０６ 时，
实际路面所承受 的轴载大小是变化 的 ， 了模拟不 同轮 为
压对路面车辙的影响， 对沥青混合料在标准温度６ 标准 Ｏｑ Ｃ，
行车速度 ４ ２次／ ｍｍ， 行 不 同轮 压 ０ ７ＭＰ 、 ． Ｐ 、 ． 进 ． ａ ０ ８Ｍ ａ ０ ９ ＭＰ 、． ａ的车 辙试验 ，１０ ｒｎ时 的车辙深度 、 ａ１０ ＭＰ ２ ｉ ａ 动稳定 度与轮压 的关 系如 图 ４ 图 ５所示 。 、
关键词 ： 沥青混合料 ； 疲劳力学模型 ； 预估方 法
中图分类号 ： ４ ６２ ７ Ｕ １． １
早在 １４ ９２年 Ｏ．Ｊ ｏｔ 就 注意 到道路 路面 在车 轮荷 ．Ｐ ｒ ｒ ｅ 载重复作 用几百万次后会遭 到破 坏。Ｌ Ｗ． ｉ ｖｒ 出沥青 ． Ｎｊ ｅ 指 ｂ
路面寿命 后期 出现 的裂缝与 行驶 车辆产 生的弯 曲应力超 过 了材料的抗弯强度有 关 ， 强调裂 缝是疲 劳 的结果 ， 它取决 于 弯沉大小和重 复次数 。２ ０世 纪 ６ Ｏ年 代开 始世 界各 国对 路
４４ ・（ 一６ 彘 ０９ ・）
式中： Ⅳ为荷载作用次数 ； 为允许拉应变 ； 为空隙率 ； 为沥青体 积百分 率 ； ５ 为特定 时间 、 温度下混合料的劲度 。
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４５ ・
摘
要： 介绍 了沥青混合料疲 劳力 学模 型 ， 明了沥青混合料疲劳寿命 的预估方法 。 说
文献标识码 ： Ｃ 文章编号 ：０ ８— ３ ３ ２ １ ）９—０４ ０ １０ ３ ８ （０ １ ０ ０ ３— １ 分析疲劳 裂缝扩展 规律 以确定材 料疲劳 寿命 。现象学法 与 力学 近似 法都是研究 材料的裂缝以及裂缝的扩展 ， 主要 区 其 别就在于前者 的材料疲 劳寿命包括裂缝的形成 和扩展 阶段 ， 研究 裂缝形 成 的机理 以及 应力 、 变与 疲劳 寿命之 间 的关 应 系， 各种 因素对疲劳寿命 及疲 劳强度 的影 响 ； 者只考虑 裂 后 缝扩展阶段的寿命 ， 为材料 一开始就有 初始裂缝 存在 ， 认 它 主要是研 究材 料的断裂机理及裂缝扩展规律。 沥青 混合 料的疲劳是材料 在荷 载重复作用 下产生不 可 恢复的强度衰减积累所 引起 的一种现象 。显 然荷载 的重 复 作用次数愈多 ， 强度 的损 伤就 愈加剧 烈 ， 它所 能承受 的应 力 或 应 变值 就 愈 小 。