沥青路面疲劳开裂的分析与防治

精心整理

沥青路面疲劳开裂的分析与防治

一、前言

随着公路交通量日益增长,公路建设事业得到了迅猛发展,截至2006年底,我

国公路通车总里程达到348万km,高速公路达4.54万km。2007年,我国计划建成

的

英、

大改革。并且,目前各国沥青类路面设计仍主要沿用这种疲劳强度理论。

道路上的行车,主要是汽车。汽车是路面服务的对象,也是使路面结构破损、路基失稳的主要因素。但是随着交通量的增加、轴载的增大和公路上行车速度的提高、交通荷载的振动特性以及交通参数确定的合理性等交通荷载因素对沥青混凝土路面早期破损的影响是不容忽视的问题。

一方面,随着经济发展,交通量增加,超限运输已越来越严重和普遍,超限运输特别是超重车辆已经成为沥青路面和水泥混凝土路面破坏的重要因素。就其影响国内学者在超重车辆的轴载换算已经作了大量的研究,重新探讨了超重车辆的轴载换算关系。认为规范规定的公式低估了超限荷载的疲劳破损作用,重载车的轴载换算因次应较现行沥青路面设计规范有所提高。另一方面,我国传统的路面结构力

由

,其中

泛重视。

1.1试验法

试验法具体又可以分为三类：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AASHTO试验路，历时三年才完成；二是足尺路面结构在模拟行车荷载作用下的试验研究，包括环道试验和加速加载试验，典型的如南非的

重型车辆模拟车（HVS），澳大利亚的加速加载设备（ALF），美国华盛顿州立大学的室外大型环道和重庆公路研究所的室内大型环道疲劳试验；三是室内小型试件的疲劳试验，如小梁重复弯曲疲劳试验、间接拉伸试验、旋转悬臂试验等。前两类方法都能较好地反映路面的实际疲劳性能，但耗资大、周期长，而且试验结果受当地环境和路面结构的影响较大，因此开展得并不普遍。目前多采用周期短、

（SHRP-M-009）中还给出了累积消散能及消散能累积到破坏时的计算方法。在疲劳试验过程中，能量损失是由塑性变形所消耗的，这些消耗的能量并没被转换成应变能，而是被转换为热能。每个应变周期的能耗可以通过应力应变的滞后回路的面积来决定。在整个疲劳寿命过程中，总能量是所有滞后回路面积的总和。

1.3力学分析法

力学分析法是用断裂力学原理来分析路面材料的开裂，并用以预测其疲劳寿命的一种方法。美国俄亥俄州大学在沥青混合料疲劳性能研究中，就应用了断裂力学的概念，从裂纹的扩展规律出发来研究疲劳性能。应用断裂力学方法的疲劳寿命的定义是：在一定的应力状态下，材料的损坏按照裂缝扩展定律，从初始状态增长到危险和临界状态的时间（或荷载作用次数）。路面结构的疲劳破坏正是

关于路面温度疲劳开裂的研究始于20世纪70年代。当时,在西德克萨斯的沥青路面中发现大量的裂缝,而这地区的气温并不太低,于是,美国道路工作者对这一地区的环境、气候、路面对温度的敏感性及路面开裂机理等方面的问题进行了一系列的研究。研究成果使人们认识到,开展沥青路面温度疲劳开裂的研究具有非常重要的工程意义及学术价值。

Sugawara和Horigoshi[6]的工作可以作为温度疲劳试验研究方面的代表性成果。试验发现,当所设定的最低温度接近断裂温度时,试件将发生温度疲劳断裂,而且,

沥青的稠度越高,试件发生断裂前所经受的温度疲劳次数越低。Shahin和Mcculough[7]研究表明温度疲劳的作用次数与荷载疲劳比较要小很多,而且温度

疲劳产生常应变疲劳损伤,因此提出温度疲劳方程以应变表示较为适宜。

年

[12]提出利用低温抗裂系数ρ=εmaxεc来评价沥青混合料的抗裂性能,其中εmax为沥青混合料的极限拉应变,εc为温度收缩应变。当ρ=1时,混合料处于临界开裂状态,此时的温度也被称作开裂温度,并经试验验证,ρ值越大,低温抗裂性能越好。目前国内外用于研究沥青混合料低温抗裂性能的试验方法有多种,主要包括:等应变加载的破坏试验(间接拉伸试验、弯曲、压缩试验)、直接拉伸试验、弯曲拉伸蠕

变试验、受限试件温度应力试验、三点弯曲J积分试验、C'积分试验、温度收缩系数试验、应力松弛试验等。现行规范[13]对重交通道路沥青技术要求规定用15°C延度评价沥青的低温抗裂性能。防治裂缝的方法也很多,如加强面层材料的抗裂性,面层与基层间用土工织物材料、橡胶沥青封层和应力吸收膜等[14]。另外,从基层材料本身入手,可以通过进行材料的合理组成设计,调整结合料用量与配比,增加

,

,

140mm,不管基层厚度多大,只要基层抗压强度超过12MPa,基层必须预先切纵缝和横缝,该工艺在我国也已得到广泛应用。在日本,用水泥和特殊沥青乳剂综合稳定使水泥与沥青混合以防水分的蒸发。而沥青乳剂中的水分则供给水泥硬化,使收缩系数随沥青剂量的增加而减少。另外,也可以在沥青面层上采用预切缝。级配碎石

缓冲层,即所谓倒装结构,在美国、澳大利亚及南非沥青路面结构中应用较多,厚度为10～15cm,具有一定效果。