沥青胶结料疲劳特性研究

沥青胶结料疲劳特性研究

常志慧

山东建筑大学交通工程学院山东济南250100

摘要：疲劳破坏是沥青路面结构基础理论与设计的本源性问题，因此沥青及沥青混合料的疲劳损伤特性多年来一直倍受研究者们的关注和重视。沥青的疲劳一般按照应力控制和应变控制两种模式进行室内试验和分析，本文系统阐述了沥青胶结料的疲劳特性，其主要包括沥青胶结料的疲劳损伤机理以及疲劳过程中的自愈与触变现象，对自愈合机理、自愈合评价方法以及自愈合影响因素进行了总结，疲劳的评价指标：初始模量的50%-50%G*、疲劳因子G*sinδ、耗散能变化率DR、累积耗散能比DER。

关键词：沥青胶结料；疲劳评价方法；疲劳评价指标

引言

近年来，随着交通运输事业的快速发展，交通量迅速增加，车辆轴载不断增大，重载交通日益严重，沥青路面的设计、养护和维修面临越来越严峻的考验。路面在使用过程中，不仅受到车辆荷载的重复作用，还受到环境温度变化所产生的温度应力影响。在应力应变反复作用下，路面材料的强度逐渐衰减。当荷载作用次数达到一定数值后，路面发生疲劳开裂，其特点为路面无明显的永久变形，在裂缝形成初期大都是形成细而短的横向开裂，然后逐渐发展为网状裂缝，裂缝的宽度和范围持续扩大。因此有必要加深对沥青材料疲劳性能的认识。

1疲劳评价方法

沥青材料疲劳性能的研究主要采取应力和应变两种控制模式，当路面较薄时，在荷载作用下，其变形变化较小，因此在进行疲劳试验时采用应变控制模式；当路面较厚时，荷载作用下的应力变化较小，因此采用应力控制模式进行疲劳性能试验，路面薄厚的界限通常为12.7cm。此厚度的界定是依据经验的，是一个粗略的界定。谢军[1]等人认为我国近年来已建成和正在建设的高速公路路面厚度均大于界限厚度，因此应采用应力控制模式研究沥青混合料的疲劳特性。此外，他们还认为应力控制模式的疲劳试验操作方便，试件数量少，精度可靠而采用应变控制模式时，试件一般不会出现明显断裂破坏，一般多以劲度下降至初始劲度的50%为标准，具有随意性，其技术应用上存在困难。刘峰[2]等人通过分析应力、应变两种控制模式下的弯曲疲劳试验和APA疲劳试验得出沥青混合料疲劳试验中采用应力控制模式更合理。葛折圣[3]等人则认为应变控制模式的疲劳试验过程中，沥青混合料的应力应变状态更符合沥青路面的实际情况。由以上这些研究可见，对于沥青，应力、应变两种控制模式下疲劳性能都应该进行研究[4]。

2疲劳评价指标

2.1初始模量的50%-50%G*

沥青破坏准则中，目前使用最广泛的是复数模量衰减为初始模量的50%时的荷载作用次数，这种定义方法使沥青和沥青混合料的抗疲劳性能具有了一致性。有研究表明，在相同的应变水平和温度下，沥青疲劳试验结果与沥青混合料的相关系数从0.7到0.9不等[5]。但是一方面，劲度模量衰减至50%的疲劳破坏定义没有在仔细研究疲劳性能的基础上，因而其不能反映沥青疲劳过程中的损伤累积过程。另一方面，验证是否独立于加载模式也是这种定义方式面临的一个难题[6]。

2.2疲劳因子G*sinδ

疲劳因子G*sinδ即为损失剪切模量，能够反映能量的损失。由于沥青疲劳过程中会发生模量和相位角的同时变化，因而疲劳因子也会随着荷载作用次数的增加而发生变化，这种变化代表了疲劳过程中能量的损失，进而反映材料内部的损伤，因此疲劳因子可以用来评价沥青的抗疲劳性能[7]。J.A.Deacon等人的研究结果显示沥青胶浆损失模量与沥青混合料的弯曲劲度模量间具有较好的相关性。然而尽管与沥青混合料性能之间也建立了较好的相关性，但是该研究仅仅以基质沥青为例。

2.3耗散能变化率DR

作为一种典型的粘弹性材料，在循环荷载作用下，沥青的疲劳损伤伴随着能量的耗散，因此，近年来的研究比较关注能量耗散因素描述的疲劳损伤演化及疲劳失效问题。最早使用耗散能变化率DR，即根据耗散能改变的速度来判断疲劳损伤的演化。然而相关研究表明这种评价方法只对应力控制模式有效，而对于应变控制模式，疲劳试验所得到的DR值离散性极大，其随荷载作用次数的变化基本没有规律，无法找到一个清晰特征点来定义疲劳寿命，所以该疲劳评价指标对应变控制模式是无效的[8]。

2.4累积耗散能比DER

累积耗散能比（DER）是另一个基于能量的疲劳评价指标。基于这个评价指标发表的沥青单体疲劳损伤演化规律与其他研究者发表的沥青混合料疲劳损伤演化规律具有相似性。目前已有的研究选用Nf20作为胶浆的疲劳失效界限，即DER-荷载加载次数关系偏离DER=N直线20%时的加载次数作为疲劳寿命[9]。然而，Nf20判据具有一定的随意性，应用DER疲劳损伤演化遇到的问题仍然是如何判断疲劳失效界限。

3结论

疲劳破坏是沥青路面结构基础理论与设计的本源性问题。目前，国内外的沥青路面设计均以沥青混合料疲劳性能为设计指标，因此沥青及沥青混合料的疲劳损伤特性多年来一直倍受研究者们的关注和重视。沥青的疲劳一般按照应力控制和应变控制两种模式进行室内试验和分析。评价指标包括：初始模量的50%-50%G*、疲劳因子G*sinδ、耗散能变化率DR、累积耗散能比DER。

参考文献

[1]谢军，郭忠印.沥青混合料疲劳响应模型试验研究[J].公路交通科技，2007,24(5):21-25.

[2]刘峰,李宇峙,黄云涌.沥青混合料疲劳试验中两种控制模式的选择分析[J].中外公路.2005,25(4):192-195.

[3]葛折圣,黄晓明.沥青混合料应变疲劳性能的试验研究[J].交通运输工程学报.2002,2(1):34-37.

[4]林添坂,孙大权,曹林辉.不同加载模式下对沥青疲劳寿命的研究[J].石油沥青,2015,29(1):13-15.

[5]白琦峰,钱振东,赵延庆.基于流变学的沥青抗疲劳性能评价方法[J].北京工业大学学报,2012,38(10):1536-1542.

[6]季传军.基于松弛行为的沥青材料疲劳性能评价研究[D].西安:长安大学,2018.

[7]单丽岩,谭忆秋,李晓琳.沥青疲劳特性研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程板),2011,35(1):190-193.

[8]张红.应力、应变控制模式下沥青疲劳损伤差异机理分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.

[9]陈浩浩,吴少鹏,刘全涛,等.沥青的疲劳性能评价方法研究[J].武汉理工大学学报,2015,37(12):47-52.