沥青路面的抗疲劳性能

２０１１年第９期　
（总第２１１期）　

黑龙江交通科技　

ＨＥ　ＬＬＯＮＧＪＩＡＮＧ　ＪＩＡＯＴＯＮＧ　ＫＥＪ　
Ｎｏ．９，２０１１　

（Ｓｕｍ　Ｎｏ．２１１）　

沥青路面的抗疲劳性能　
张艳明　
（唐山市丰润区交通运输局）　

摘要：介绍了沥青混合料疲劳力学模型，说明了沥青混合料疲劳寿命的预估方法。　
关键词：沥青混合料；疲劳力学模型；预估方法　
中图分类号：Ｕ４１６．２１７　文献标识码：Ｃ　文章编号：１００８—３３８３（２０１１）０９—００４３—０１　

早在１９４２年Ｏ．Ｊ．Ｐｏｒｔｅｒ就注意到道路路面在车轮荷　载重复作用几百万次后会遭到破坏。Ｌ．Ｗ．Ｎｉｊｂｖｅｒ指出沥青　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。２０世纪６Ｏ年代开始世界各国对路　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，在移动车轮荷载作用　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，车轮作用其上　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。　幽　Ｒ　羁　、　，ｉ＿　，，：　图１路面面层在车轮下的受力状态　Ｌ　＼　／　时　，　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，而面层底部Ｂ点在车轮下所受的拉应　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　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　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：２０１Ｉ一０４—１１　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，其主要区　
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、应变与疲劳寿命之间的关　
系，各种因素对疲劳寿命及疲劳强度的影响；后者只考虑裂　
缝扩展阶段的寿命，认为材料一开始就有初始裂缝存在，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。　
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ＡＡＳＨＯ试验路；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￣Ｉｔ采用的还是　
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、悬臂梁试验、单轴压缩试验、间　
接拉伸试验、旋转悬臂试验等。迄今为止，各国均没有将疲　
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　

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；６ｒ为对试件每次施加的常量应力最大幅　
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，试件通　
常不会出现明显的断裂破坏，一般以混合料劲度下降到初始　
劲度５０％或更低作为疲劳破坏标准。试验结果常采用如下　
公式来表示　
Ⅳ＝ｃ（÷）“　

（下转第４５页）　

・
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　总第２１１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。　
３．３车辙深度与轮压的关系　
实际路面所承受的轴载大小是变化的，为了模拟不同轮　
压对路面车辙的影响，对沥青混合料在标准温度６Ｏ　ｑＣ，标准　
行车速度４２次／ｍｍ，进行不同轮压０．７　ＭＰａ、０．８　ＭＰａ、０．９　
ＭＰａ、１．０　ＭＰａ的车辙试验，１２０　ｒａｉｎ时的车辙深度、动稳定　
度与轮压的关系如图４、图５所示。　

图４车辙深度与轮压的关系　
图５动稳定度与轮压的关系　
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。　
３．４车辙深度与行车速度的关系　
行车荷载在实际路面上是变化的，为了模拟不同行车速　
度对车辙深度、动稳定度的影响，对沥青混合料在标准温度　
６Ｏ℃，标准轮压０．７　ＭＰａ，进行不同行车速度１０￣．／ｍｉｎ、２１　
￣／ｍｉｎ、４２￣／ｍｉｎ、６３￣／ｍｉｎ的车辙试验。考虑到行车速度　
１０￣／ｍｉｎ的荷载作用次数较少，因此行车速度为１０￣／ｍｉｎ　
的车辙试验时间为３　ｈ，荷载作用的总次数为１　８００次。荷　

载作用次数为１　８００次时，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　

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。　
４结论　
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，为高速公路路面设计与施工提供了参考数　
据。　

参考文献：　
［１］　徐世法．沥青路面车辙深度与行车安全［Ｊ］．北京建筑工程学　
院学报，１９９４，１０（１）：４６—５４．　
［２］沙庆林．高速公路沥青路面早起破坏现象及预防［Ｍ］．北京：　
人民交通出版社。２００１．　
［３］　伍石生，贺海萍．陕西省高速公路沥青路面车辙形成原因及对　
策［Ｊ］．公路交通技术，２００４．　
［４］　张登良．沥青及沥青混合料［Ｍ］．北京：人民交通出版社．　

【上接第４３页）　
式中：Ⅳ为混合料劲度下降为初始劲度５０％或更低时的次　
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。　
公式表明，材料在承受重复常量应力或应变条件下，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　
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　

，　
１４．３９１ｇ　＋２４．２ｇ　黜－４０．７一ｌｇＮ　
—　

式中：Ｆ。为允许拉应变；Ｎ为荷载作用次数；　为沥青体积　
百分率；　鲫为沥青软化点。　
当拉应变为１００×１０＿６时，混合料的疲劳寿命同沥青用　

量和软化点之间的经验关系式为　
１ｇⅣ（ｓ＝ｉ００×１０　）＝４．１３１ｇ　＋６．９５１ｇ　Ｂ　
式中：Ⅳ为试件在常量应变１００×１０－６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　

＝
（０．８５６　＋１．０８）ｓ．．．．－Ｏ　．∞　Ｎ　
式中：８　为允许拉应变；　为沥青体积百分率；Ｊｓ　为特定加　
载时间、温度下混合料劲度；Ｊ７、ｒ为荷载作用次数。　
（３）地沥青学会法　
地沥青学会得到的关系式为：　
Ⅳ＝１８．４Ｃ［４．３２５×１０　（　）　・捌（Ｊｓ　）。。　］　

４・　４（彘一０・６９）　
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。　

・
４５・