（道路与铁道工程专业论文）高温潮湿条件下沥青面层抗疲劳性能.pdf

摘要 沥青路面是当今国内外采用最为广泛的路面结构型式，疲劳破坏是其最为严 重的病害之一。由于高温潮湿的气候特征在我国南方地区较为普遍，故有必要对 高温潮湿条件下沥青路面的疲劳性能进行深入的探讨和研究。本文在广泛了解国 内外研究概况的基础上，从高温潮湿条件下沥青混合料的研究出发，对室内疲劳 试验方法进行了广泛的比选和论证，确定了冻融劈裂疲劳试验作为高温潮湿条件 下沥青混合料试验方法。选取a c 一2 5 粗粒式沥青混凝土三种级配型式，用马歇尔 试验确定其最佳沥青用量。首先对一种级配做了1 5 。c 、2 5 。c 、3 0 c 各自温度下不 同应力比的冻融劈裂疲劳试验，然后选取2 5 。c 下三种级配做冻融和未冻融的劈裂 疲劳试验，分别用n = k ( 1 仃) 刀和kn = k n ( a s ) 拟合出双对数、单对数 疲劳曲线和疲劳方程。分析了高温潮湿条件下沥青混合料的疲劳特性。总结了高 温潮湿条件下沥青混合料的疲劳破坏过程和疲劳性能影响因素。由此出发，以水 麻高速公路为依托，对高温潮湿条件下沥青路面结构抗疲劳性能进行分析。采用 应力控制模式下应变分析和有限元相结合的方法对常规状态和高温潮湿条件下的 路面结构寿命进行了预估。此课题对云南等高温潮湿气候条件地区路面结构设计 路用性能分析有重要的参考价值和积极的指导意义。 关键词：高温潮湿，冻融劈裂疲劳试验，疲劳特性，寿命预估 a b s t r a c t a s p h a l tp a v e m e n tist h em o s tw i d e l yu s e df o rt h ep a v e m e n ts t r u c t u r e a th o m ea n da b r o a d ，b u tf a t i g u ed a m a g ei so n eo ft h em o s ts e r i o u sd i s e a s e s b e c a u s et h eh o ta n dh u m i dc l i m a t ei nt h es o u t hc h i n ai sm o r ec o m m o n ，i t isn e c e s s a r yt om a k eaf u r t h e rd is c u s s i o na n dr e s e a r c ho nt h e f a ti g u e p r o p e r t i e so fa s p h a l tp a v e m e ni nt h ec o n d i t i o no ft h eh o ta n dh u m i dc l i m a t e b a s e do nt h ee x t e n s i v eu n d e r s t a n d i n go ft h a ta th o m ea n da b r o a d ，a n d s t a r t i n gf r o mt h er e s e a r c ho fa s p h a l tm i x t u r ei nt h e h o ta n dh u m i d c o n d i t i o n s ，t h i sp a p e rh a sd e t e r m i n e dt om a k et h ef r e e z e - t h a ws p l i t t i n g f a t i g u et e s ta st h em e t h o d o fi t ，c o n t r a s t i n gt ot h ei n d o o rf a t i g u et e s t m e t h o d i th a sc h o o s e nt h r e et y p e so fg r a d a t i o nf o ra c 一2 5c o a r s e g r a i n a s p h a l tc o n c r e t e ，a n dd e t e r m in e dt h eo p ti m u ma m o u n to fa s p h a lt f i r s t ，m a k e t h ef r e e z e t h a ws p l i t t i n gf a t i g u et e s to fo n eg r a d a t i o no f1 5 ，2 5 ， 3 0 u n d e rt h e i rd i f f e r e n ts t r e s sr a t i o t h e ns e l e c tt h r e et y p e sg r a d a t i o n o f2 5 t om a k et h et e s to ff r e e z e t h a wa n dn o tf r e e z e - t h a ws p l i t t i n g f a t i g u et e s t ，a n db yu s i n gn = k ( 1 仃) ”a n dl gn = k 一刀( 盯s ) t o s i m u l a t ead o u b l el o g a r i t h m i ca n das i n g l el o g a r i t h m i cf a t i g u ec u r v ea n d f a t i g u ee q u a t i o n i ta n a l y s e st h ef a t i g u ep r o p e r t i e so ft h ea s p h a l tm i x t u r e i nt h eh o ta n dh u m i dc o n d i t i o n s ，a n ds u t u r e su pt h ep r o c e s so ff a t i g u ef a il u r e a n dt h ef a c t o r so ft h ef a t i g u ep r o p e r t i e so ft h ea s p h a l tm i x t u r ei nt h e h o ta n dh u m i dc o n d i t i o n s p r o c e e d i n gf r o mt h i s ，b a s e do ns h u i m ah i g h w a y i ta n a l y s e st h ef a t i g u ep r o p e r t i e so fa s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r ei nt h e h o ta n dh u m i dc o n d i t i o n s c o m b i n i n gs t r a i na n a l y s i su s i n gw i t h f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i su n d e rt h es t r e s sc o n t r o lm o d e ，i th a sf o r e c a s t e dt h e1 i f e o ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r eu n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n v e n t i o n a ls t a t ea n d t h eh o ta n dh u m ids t a t e t h iss u b j e c th a sa ni m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ea n d a na c t i r eg u i d a n c eu s et ot h er e g i o ni nh o ta n dh u m i dc l i m a t es u c ha sy u n n a n i np a v e m e n ts t r u c t u r ed e s i g na n dt h ea n a l y s i so fp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：h o ta n dh u m i d ，f r e e z e t h a ws p l i t t i n gf a t i g u et e s t ， f a t i g u ep r o p e r t i e s ，l i f ef o r e c a s t 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刁1 物p j a 日期：州年月f 晶 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：邪铴吼 指导教师签名： 日期：五砷6 年乒月ij 日日期：谚年哆月fh 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 目前，随着经济的快速增长，我国公路建设取得了长足发展。截至2 0 0 6 年年 底，我国公路总里程已达3 4 5 7 万公里，公路密度达到3 6 公里百平方公里。国 家高速公路网已经完成4 1 2 ，高速公路总里程突破4 5 3 万公里，居世界第二。 其中路面结构主要为柔性沥青路面。在已建成的高速公路中有9 0 以上采用的是沥 青混凝土路面，其他约1 0 为水泥混凝土路面。路面基层大都采用水泥稳定粒料、 二灰稳定粒料等半刚性材料，少数采用碾压混凝土或素混凝土。在美国，据美国 公路统计年报( h i g h w a ys t a t i s t i c s ) 显示，全美3 9 0 万铺装路面的公路中，沥青 路面占9 4 。在高级路面中，6 8 2 5 的城市道路和7 9 2 5 的公路选用沥青路面。 沥青路面属柔性路面，是用沥青材料作结合料粘结矿料修筑面层与各类基层 和垫层所组成的路面结构。沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、 震动小、噪音低、施工期短、外形美观、养护维修简便、适宜于分期修建等优点， 可保证汽车高速、舒适、安全地通行，因而获得越来越广泛的应用，现已成为我 国公路路面的主要形式。随着我国交通运输的发展，沥青路面必将有更大的发展。 然而，沥青路面具有病害多且复杂的特点。综合分析沥青路面的破坏形态， 可分为三类：裂缝类、变形类、表面功能性损坏。在最为常见的沉陷、车辙、疲 劳开裂、低温缩裂和反射裂缝、推移、松散和坑槽等病害之中。疲劳破坏已成为 我国公路沥青路面最为严重的病害之一，也是道路工作者研究的热点。尽管绝大 多数沥青路面都是严格按照规范进行设计施工的，但由于路面结构、本身材料及 外界车辆荷载、气候环境因素等原因，有相当比例的公路路面在开放交通未达到 设计年限就出现了损坏，如图1 1 。严重影响道路使用性能，不得不进行修复，造 成严重的经济损失。一般道路的设计使用年限为1 0 1 5 年，但部分道路实际使用 寿命只有8 ，- - 1 2 年，有的甚至3 4 年或交工验收至竣工验收期就出现严重的破坏， 带来了道路行车的不安全隐患。这一问题早已引起国内外道路工作者的关注，对 此运用多种方法进行研究，探讨其产生机理，并取得了一定的成果。 第一章绪论 2 一一 我国南方大部分地区，其气候特征表现为温度相对较高，降雨量较大。比如 我国云南省，地处低纬度地带，一年四季得到的太阳光热较多，特别是位于北回 归线的南部地区，热量资源更为丰富。加上云南所具有的错综复杂的高原地形和 高低悬殊的地势，从而形成了特殊的高原季风气候。绝大部分地区四季如春，长 期阴雨绵绵。瞳3 在云南水麻高速公路，经水文地质资料显示，气候分区为2 - 4 - 1 夏 热冬温潮湿区，年平均气温在1 8 6 c ，最高气温集中在5 , - - , 9 月，月平均气温在 2 2 5 。c - 2 8 6 。c 之间。年平均降雨量为1 1 2 9 姗，雨季为5 - 1 0 月，期间降雨量占 全年降雨量的8 0 以上。而各类地下水补给也主要靠大气降雨和地表河流，降雨 量越大，地下水越丰富。地下水按含水介质、埋藏条件及水动力特征可分为以下 四种类型：1 松散堆积物孔隙水；2 碎屑岩类型裂缝水；3 碳酸盐岩类、岩溶水；4 其它类型裂缝水。丰富的地下水浸入路基到达路面，再加上大气水分和路表降雨， 使整个路面结构处于水分包裹之中。 其疲劳破坏机理、疲劳破坏过程都有所不同。目前国内外对高温潮湿条件下 半刚性基层沥青路面的结构特性和疲劳性能还缺乏深入的研究，还缺少指导设计 和施工的具体成果。 第一章绪论 沥青混凝土路面作为道路结构的面层完全裸露于自然环境中，受外界复杂自 然环境的直接影响。沥青路面在太阳辐射和大气对流热交换的共同作用下产生可 观的路表温度，一天内不断变化的路表温度通过热传导，沿路面厚度方向产生不 稳定的热流，因此形成较大的温度梯度，而沥青混合料对温度的变化极为敏感， 强度受温度的影响很大。 在潮湿多雨地区，沥青路面在受汽车车轮动态荷载的作用，进入路面空隙中 的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用，水分逐渐渗入沥青一集料 的界面上，使沥青的粘附性降低并逐渐丧失粘结力，沥青膜从石料表面脱落( 剥 离) ，沥青混合料掉粒、松散，继而形成沥青路面的坑槽、推挤变形等损坏现象， 产生水损坏。口1 目前解释水损害机理时主要运用粘附理论，即从分子力学、化学反 应、表面能和分子定向理论等角度来分析水损害发生的微观原因，而水对沥青混 合料疲劳、力学性能影响的研究尚不多见。沥青路面的水损害能在路面投入使用 后的不长时间内发生，而且一旦开始病害发展较快，说明材料在水和汽车荷载的 反复作用下强度很快丧失，耐久性和抗疲劳性能下降很快。 高温潮湿的环境对沥青混合料的宏观力学性能会产生何种作用，对路面疲劳 寿命会产生多大的影响，目前这方面的研究工作进行得较少，本文针对这一问题 进行分析和研究。 1 2 国内外研究现状及展望 随着传统的疲劳破坏理论的发展，人们认识到，路面的破坏，是由于荷载在 路面材料中引起的重复加载疲劳应力，超过了路面混合料的疲劳抗拉强度而发生 的。美、英、苏、德等国，根据十多年的大量试验，相继进行了基于疲劳强度理 论的设计上的重大改革。并且，目前各国沥青类路面设计仍主要沿用这种疲劳强 度理论思想，只是由于各国情况不同，在取得结论的方法方面也各有差异。对于 沥青混合料疲劳性能的研究国外已有4 0 余年的历史，主要有英国诺丁汉大学、加 利福弗尼亚大学、英荷壳牌石油公司、美国俄亥俄州大学等。 英国诺丁汉大学从事沥青混合料疲劳方面研究的主要是p s p e l l 和 s f b r o w n 。前者主要从事室内疲劳试验，而后者主要研究路面结构疲劳特征与 p e ll 试验结果的关系。p e ll 从5 0 年代末期就开始进行沥青混合料疲劳特性的研 究，已进行了上千次疲劳试验，涉及的混合料类型达5 0 多种，最后得出了英国设 计规范所用的疲劳方程： 对于密级配沥青碎石： l g ，2 - 9 3 8 4 1 6 1 9 占 式( 1 1 ) 对于密级配沥青混凝土： 1 9 2 - 9 7 8 4 3 2 1 9 6 式( 1 2 ) 第一章绪论 4 式中：，道路的使用寿命( 以标准轴次计) ； s 标准轴载作用下，沥青层底面的水平拉应变。 诺丁汉大学还建立了拉应变、疲劳荷载作用次数、沥青含量和软化点的关系： lg日：1439lgva+242t咫-407-lgn 一 5 3 1 1 9 v a + 8 6 3 1 9 t 砧一1 5 8 式( 1 3 ) v p 4 x f 儿 式( 1 4 ) 式中：q 允许拉应变； 荷载作用次数： y 4 沥青体积百分率( ) ； 只油石比( ) ； ：，混合料毛体积相对密度； 九沥青的相对密度； 咫环球法沥青软化点( ) 。 美国加利弗尼亚大学伯克利分校是在c l m o n i s m i t h 指导下从事的沥青混合 料疲劳研究的。他们所从事的弯曲疲劳试验的加载方式包括控制应力和控制应变 两种，但主要研究工作集中于前者。他们所做的研究工作与诺丁汉大学不同之处 在于前者除了进行大量的室内研究外，还通过室外足尺试验对室内疲劳规律进行 了验证。大量的研究结果总结出的沥青混合料疲劳方程反映在美国沥青协会的路 面设计方法中： ，= o 2 6 5 9 x c x 【4 3 2 5 1 0 - 3 岛- 3 2 9 1 瓯m 8 5 4 ) 式( 1 5 ) c = 1 0 “ m = 4 8 4 v a ( 圪+ v v ) - o 6 8 7 】 式中：5 p 弯拉应变； o m 沥青混合料劲度模量或复数模量( m p a ) ； 7 a 沥青体积百分率( ) ； 7v 空隙率( ) 。 在“s h r p ”计划中，加州大学又深入分析了影响沥青混合料疲劳性能的各种 因素，包括：试件的成型方法、加载方式、混合料变量( 沥青粘度、沥青用量、 集料级配、空隙率、温度) 和疲劳试验方式，在此基础上，扩大试验计划，汇总 了室内疲劳试验资料，得出下列回归方程： ，= 2 7 3 8 1 0 5e x p 0 0 7 7 绷( 知) 矗6 2 4 ( s 。) 之7 2 0 式( 1 6 ) 第一章绪论 v v f a = ! 圪+ 圪 式( 1 7 ) 式中：州，疲劳寿命； s o 初始应变( 时时) ； s o 初始劲度模量( p s i ) ； v f a 沥青饱和度( ) ； 7 n 沥青体积百分率( ) ； yv 空隙率( ) 。 s h e l l 石油公司的研究人员从1 9 6 0 年开始进行了大量的研究，其中一部分工 作与诺丁汉大学和加利弗尼亚大学伯克利分校所进行的相同，结论也基本一致。 他们在1 9 8 1 年版设计方法中，采用下列疲劳方程： n s = ( 0 8 5 6 v o + 1 0 8 ) e ) 1 。8 ( 二) 5 j mq 式( 1 8 ) 式中：o m 沥青混合料的劲度模量( p a ) ； 占，反复弯拉应变的大小( m m m m ) ； 7 n 沥青体积百分率( ) 。 俄亥俄州大学在沥青混合料疲劳性能研究中，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。由于这种方法是将应力状态的改变作为开裂、 几何尺寸及边界条件、材料特性及其统计变异性的结果来考虑，并对裂缝的扩展 和材料中疲劳的重分布所引起的作用进行分析，有助于人们深入理解破坏的形式 和发展机理。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。通过对已 有的疲劳裂缝扩展规律试验结果的对比分析，认为p c p a r i s 的裂缝扩展规律最 适合于沥青混合料的情况。根据p c p a r i s 的理论，裂缝扩展规律公式为： 竺：a k “ d n 式( 1 9 ) 式中：c 裂缝长度( 咖) ； 荷载作用次数； a ，m 材料常数； k 应力强度因子，与荷载、试件几何尺寸和边界条件有关的常数。 近年来，加州大学伯克利分校及其他研究人员，通过试验研究还提出一种新 的疲劳响应模型，即能耗疲劳方程，用能量法来研究沥青混合料的疲劳特性。这 一方法的主要特点是疲劳试验中的总能耗和循环荷载的重复作用次数之间存在着 某一特定关系。s h r p 在压实沥青混合料重复弯曲疲劳寿命测定的标准试验方法 第一章绪论 6 ( s h r p m - 0 0 9 ) 中还给出累积消散能及消散能累积到破坏时的计算方法。但是正 如c l m o n i s m i t h 等人在“沥青混合料疲劳反应综述”s h r p - a 一3 1 2 一文中所指出 的：至今为止，仅在弯曲疲劳试验上考虑使用消散能理论，尚需进一步研究它能 否用于其它类型疲劳试验和沥青路面疲劳设计中。 国内的研究工作起步相对较晚，但也做了大量的研究工作。在“七五 国家 重点科技项目( 攻关) 7 5 2 4o lo l 专题中，交通部重庆公路科学研究所采用国产 单家寺7 0 # 、9 0 # 和用作对比的阿尔巴尼亚7 0 # 沥青，采用先进的m t s 材料试验系 统，进行了l h 一2 0i 型沥青混凝土的室内疲劳试验研究。1 9 9 3 年哈尔滨建筑大学 在交通部科研项目“沥青路面设计指标与参数的研究 中，又利用茂名7 0 # 沥青、 胜利i 0 0 # 沥青、辽河1 4 0 # 沥青等3 种沥青分别进行了中粒式和粗粒式沥青混凝土 ( 共6 种) 系统的室内疲劳试验研究。研究成果已经纳入了公路沥青路面设计规 范中。2 0 0 0 年同济大学在交通部科技项目“沥青混合料动态性能参数标准 的研 究过程中，对高等级公路常用的3 种进口沥青制作粗、中、细粒式7 种沥青混合 料进行了应力控制模式的劈裂及部分弯拉疲劳试验研究，取得了一定的成果。所 有的这些研究成果，对我国的公路建设发挥了重要作用。 在高温潮湿的气候条件下，疲劳特性将会表现出相对特殊的性质，而此类问 题的研究也将会有积极的意义和价值。近年来，已有部分专家和学者着手开始这 方面的研究。 关于温度对于沥青路面的影响，大都集中在温度变化导致沥青混合料的温度 疲劳问题。比如国外始于上世纪2 0 年代的沥青路面结构温度场的研究，认为路表 气温和地温变化引起路面结构温度变化和结构层内部温度梯度，从而引起疲劳破 坏。而对不同温度情况下沥青路面的抗疲劳特性对比研究较少。s h a p 的研究成果 认为在常温以上的疲劳破坏主要是变形累积破坏，没有明显的疲劳意义。 长安大学李静、戴经梁等人对一种常规级配的沥青混合料的疲劳性能进行了 研究，通过较大温度范围、较高应力比的沥青混合料劈裂疲劳试验，得出了对应 温度、应力比下沥青混合料的疲劳寿命及其变化规律，用应力疲劳方程回归出系 数k ，n 值见表i - i ，并探讨了其在沥青混合料有效温度方面的应用。通过i n k 及 n 与温度的回归方程，可以得到不同温度下的劈裂疲劳方程。研究结果表明，沥青 混合料的劈裂疲劳寿命随着温度的降低和荷载的减小而增长。在温度较高时，温 度上升导致沥青面层的模量下降，此时荷载主要由基层承担。弹性层状体系的计 算表明：在选定路面结构的情况下，温度升高到一定程度后沥青面层受到荷载作 用后将不产生拉应力。因此，高温下沥青面层将不出现疲劳损伤，破坏以塑性变 形为主。 第一章绪论 7 表1 - 1 疲劳方程回归系数k ，n 值 t a b l 1 r e g r e s s i v el i n e sk 、f lv a l u ef o rf a t i g u ee q u a t i o n 温度( )3 02 001 0一2 0 n3 8 3 6 24 7 9 87 0 8 7 38 2 1 5 81 1 5 9 2 k7 8 5 0 95 1 8 5 l6 1 6 3 95 o e + 0 66 o e + 0 9 华中科技大学的李之达等人通过对超孔隙水压的分析和疲劳试验研究，探讨 了孔隙水对路面结构的破坏形式和疲劳寿命的影响。研究表明，在车载作用下将 产生较高的孔隙水压力，对沥青面层形成冲刷，最终可能导致各种路面水损害； 超孔隙水压改变沥青混凝上的破坏形式：在无水状态下疲劳破坏的形式为劈裂状， 而在有水状态疲劳破坏的形式则主要表现为剪切破坏，有水状态的抗疲劳强度较 无水状态的抗疲劳强度低；经回归分析，得到了沥青混凝上在有水状态和无水状 态下的抗疲劳寿命估计方程，与实验有很好的吻合，证实了沥青路面在车载下的 超孔隙水压是引起早期水损害的重要因素。 长沙理工大学傅搏峰在周志刚教授的指导下对沥青路面水损坏疲劳过程进行 了数值模拟，根据比奥固结渗流理论和各向同性线弹性损伤理以及疲劳损伤力学 原理建立力学分析模型，将整个沥青路面看成是单圆垂直均布荷载作用下的均质 弹性层状连续体系；路面结构中每层的孔隙认为是均匀分布的，路面结构处于饱 水状态；损伤变量d 采用k a c h a n o v 的经典定义，直接采用各向同性线弹性损伤本 构方程，选用合适的疲劳损伤演化方程。编制基于渗流理论和疲劳损伤力学的非 线性有限元程序，对沥青路面在孔隙水压力和交通荷载作用下的破坏过程进行数 值模拟，计算得出力学模型在损伤前和损伤后的位移、应力、孔隙水压力以及损 伤值。并对路面结构内部孔隙水压力进行分析，得出孔隙水压力的渗流变化规律。 同时探讨了在孔隙水存在的前提下，路面结构在交通荷载作用下其内部各应力场、 损伤场等随疲劳过程的变化规律，对沥青路面的疲劳寿命进行了预估。根据他们 计算结果，对于孔隙水存在前提下，沥青路面开裂问题，其问题起因是孔隙水压 力的存在会造成沥青面层应力集中，荷载的反复作用必然极易造成路面结构疲劳 开裂破坏，形成一条具有一定宽度的损伤破坏带，从而加速路表病害的出现。 长安大学张倩，戴经梁等研究水对沥青混合料疲劳性能的影响，初步分析水 使混合料抗疲劳性能下降的力学机理。研究采用试验模拟的方法，采用4 种级配 沥青混合料，对试件设计了两种水处理条件，与未经水处理试件的疲劳试验结果 进行对比，并运用统计分析方法对试验数据进行处理。与未经水处理试件相比， 经两种水处理条件处理后试件的疲劳寿命均缩短。初步分析水使沥青混合料力学 第一章绪论 性能发生改变而使其疲劳寿命缩短的原因可能与水的作用使沥青混合料劲度模量 指标减小有关。 湖北省京珠高速公路建设指挥部采用实际沥青路面钻芯取样，用p l g 一1 0 0 疲劳试验机单轴无反向应力的轴向压缩疲劳试验分别让试件处于无水和有水状态 进行疲劳试验，测得无水和有水状态下的s - n 曲线。发现：水对沥青路面疲劳寿 命有至关重要的影响，有水条件下沥青路面破坏形式与无水条件下的破坏形式完 全不同。在无水状态下疲劳破坏表现为劈裂形式，而在有水状态下疲劳破坏则表 现为剪切和劈裂联合作用的形式。在有水状态下，沥青路面抗疲劳强度较无水状 态的抗疲劳强度明显降低，无论是在有水状态或是无水状态，沥青混凝土的疲劳 破坏裂纹均从下面层开始，然后向中上面层扩展。通过试验分析得到了沥青混凝 土在有水状态和无水状态下的抗疲劳寿命估计方程，对沥青路面设计具有一定的 参考作用。 还有一些建设、施工单位在现场也做了很多试验，得出了大致类似的结论。 1 3 研究内容和方法 本文采用室内试验、理论分析相结合的研究方法，将对高温潮湿条件下的沥 青路面抗疲劳性能进行较为深入的研究，其主要内容包括： 对高温潮湿条件下沥青混合料的疲劳试验方法进行探索性研究，寻求一种 能够模拟高温潮湿路面状况的室内疲劳试验方法。 对沥青混合料高温潮湿情况和常规情况下的疲劳曲线和疲劳方程进行对 比，找出高温潮湿条件下沥青混合料的抗疲劳特性。并试图分析高温潮湿条件下 沥青混合料的疲劳破坏机理。 分析各因素在高温潮湿条件下对沥青混合料抗疲劳性能的影响状况。 理论分析高温潮湿条件下沥青路面结构的抗疲劳性能，预估其疲劳寿命。 第二章试验方法与试验方案 9 2 1 试验方法 2 1 1 马歇尔试验 第二章试验方法与试验方案 沥青混合料马歇尔试验是在稳定度仪器上测定其稳定度和流值，以这两项指 标来表征其高温时的稳定性和抗变形能力。其最大优点是注意到了沥青混合料的 密度、空隙率、稳定度、流值等特性，通过分析以获得沥青混合料合适的空隙率 和饱和度，并求得最佳沥青用量。本研究采用马歇尔试验来测定沥青混合料各种 级配下的各项物理指标和最佳沥青用量，并为以后的试验分析提供依据。 2 1 2 冻融试验 路面的实际状况是水和荷载交互作用的过程，在疲劳损伤过程中，水的存在 改变了无水情况下车轮荷载对路面的单一破坏机理，使整个疲劳特性更加复杂， 而反复作用的疲劳荷载又加速了沥青路面的水损坏。所以这种水一荷载耦合作用 的试验模拟是一个很重要的问题。有很多研究者在这方面做了大量有益的探索， 他们中大多数都采用把试件浸入水中进行疲劳加载，用来模拟有水作用下的疲劳 受力。但至少存在如下问题：a 实际路面的情况是有水存在，但并不是完全处于水 的包裹之中，把试件完全浸入水中与现实情况不符。b 这种方法不能很好的模拟水 损坏作用，由于室内疲劳试验时间短，在这么短的时间内，单纯的把试件浸入水 中根本无法达到在实际路面上疲劳寿命内沥青路面所受的水损坏程度。 鉴于此，本课题决定采用冻融来模拟潮湿气候条件下路面疲劳寿命内受到的 水损坏状况，包括下述三个过程： 真空饱水。在9 8 3 k p a - - - 9 8 7 k p a ( 7 3 0 m m h g - , 7 4 0 m m h g ) 真空条件保持1 5 m i n ， 然后打开阀门，恢复常压，试件在水中放置0 5 h 。 冰冻。将试件放入装有l o m l 水的塑料袋中，扎紧口袋，放入恒冰箱中，冷 冻温度为一1 8 2 ，保持1 6 h l h 。 高温水浴。将从冰箱中取出的试件立即放入保温为6 0 0 5 c 的恒温水槽 中，撤去塑料袋，保温2 4 h 。 第二章试验方法与试验方案 1 0 这种试验条件是将实际路面上受到的水的影响集中、强化，使在较短的时间 内能够模拟路面较长时间的影响。对于冻融循环次数，参照公路工程沥青及沥 青混合料试验规程j t j 0 5 2 2 0 0 0 中t 0 7 2 9 冻融劈裂试验，决定采用冻融循环次数 一次。对冻融后试件做疲劳试验来探讨高温潮湿条件下沥青路面疲劳特性，不仅 考虑了沥青混凝土所受的水损害情况，而且也较好地反映了路面实际疲劳受力情 况。 2 1 3 劈裂试验 劈裂试验又称为间接拉伸试验，它是通过加载条加载于圆柱形试件轴向，试 件按一定的变形速率加载，施加的压缩荷载，垂直、水平变形通过l v d t 得到。从 而可获得沥青混合料的劈裂强度和变形数据。间接拉伸试验的试件尺寸国内外均 采用马歇尔试件尺寸，即直径1 0 1 6 m m ，高6 3 5 m m 。加载速率国内外略有不同， 根据a n d e r s o n 等人的研究，在低温采用1 5 m m m in 较合适，而u o n q u i n f u s 等 人通过间接拉伸试验确定抗拉强度值，为沥青混合料温度开裂模型中提供输入数 据，混合料强度通过使用环境老化模拟装置在老化试件上测得，加载速率选择为 1 2 7 m m m i n ，该速率可代表路面中的温度荷载。我国现已将该试验方法列入公 路工程沥青及沥青混合料试验规程2 0 0 0 1 0 0 1 实施( j t g 0 5 2 - 2 0 0 4 ) 中作为标准 的试验方法。其加载速率规定如下：对于1 5 、2 5 等采用5 0 m m m i n 加载，对 4 c 或更低温度，建议采用i m m m i n 作为加载速率。间接拉伸试验的评价指标主要 有：劈裂强度、破坏变形及劲度模量等。 劈裂试验的力学模式如图1 - 1 所示。沿半径r 、厚度为h 的圆柱体试件的轴向， 通过具有一定宽度a 的圆弧形压条对试件施加荷载p ，则断面上任何一点的应力都 可以按弹性理论求解。对断面内的任一点单元体，距圆心距离r ，位置比c = r r ， 在平面应力假定下，吒2 u 在垂直轴y 轴方向上： 士= 笔i 尝叫等牡 切向应力铲磊【- 高薪噌飞爵牡川 南= 差l 尝叫等留口) 径向应力矿忑【高如增飞订牡川 剪应力2 0 式( 2 1 ) 式( 2 2 ) 第二章试验方法与试验方案 舂箩 x 确岫施_ ；：童。啦蛳州尊罐 缎 ；。； 缓 ， 。”， ? ? ? ，m r ? _ i ，p ，”i 一”t ”j 一一f 图2 1 劈裂试验力学模式 f i 9 2 1 m e c h a n i c a lm o d ef o rs p l i tt e s t 在水平轴x 轴方向上： 士= 荔i 搓q 丽1 - d 舭) 切向应力 忑【- 疵薪+ 留1l 丽舭川 由= 三l 糍叫丽1 - c 2 ) 径向应力咿磊【- 赢薪以l 丽川 式( 2 3 ) 翦应力2 u 式中：c = r r ，a 为压条宽度，对应于压条的圆心角为2 a 。 由图可见，断面中心为应力最大位置。不过在断面中心的变形是无法测量的， 即使贴很小很小的应变片，应变片范围内的应力也是不同的，因此试验时都是测 量试件的总变形，以计算断面中心的力学指标。 设断面在垂直方向的总变形为y ，水平方向的总变形为x ，变形比为a = y r x ， 则中心点的最大拉应力听、压应力叹、泊松比u 、拉应变白弹性模量e ( 即劲度 模量o r ) 可由下列公式求得： 听：竺f ，s i n 2 a - 、1 听2 磊lz 代j 第二章试验方法与试验方案 1 2 垆2 r () f 乞盯办+ a i ro-*t-it ty,j-itr x 办 胪万万刁万 e = 爿等帅r 盯尸o xd r c 一姊 6 r 一了 加，j u 。f 喜, c r 尸口。d r 办一，j pi 帅心 gc r p x d r 式( 2 6 ) 式( 2 8 ) 式( 2 9 ) 式中：d r 一最大拉应力即劈裂强度： d c 一压应力： l i 一泊松比： 占r 一拉应变： e 一弹性模量( 通常以劲度模量) r 表示) ： ，一评价水平方向最大应变时的基准长度，常用0 0 5 i n 或0 1i n ，即 1 2 7 m m 或2 5 4 m m ；而且采用马歇尔标准击实试件进行劈裂试验，压条宽度通常采 用1 2 7 m m 或2 5 4 m m 。尽管计算公式中有泊松比的计算方法，但在实际试验时， 由于水平变形往往测量不准确，通常采用假定泊松比u 的方法，由实测的垂直变 形及泊松比反算水平变形，再求取劲度模量s ，。 本研究中所用压条宽度为1 2 7 m m ，公式变为： t r r = 0 嘶2 8 7 妄 0 1 3 5 0 a 一1 7 9 4 0 - o 5 a 一0 0 3 1 4 f0 0 3 0 7 + 0 0 9 3 6 1 勺l 西矿j 繇：p x 0 2 7 + 1 0 , u 1 坼 式( 2 1 0 ) 在进行劈裂试验过程中，为了测得较为准确的数据，在放置圆柱形试件时， 尽量保证试件放在上下加载条的中间，压头加载方向与试件圆面的轴线方向相重 第二章试验方法与试验方案 合，本试验在路面材料强度试验机上进行试验，试验测定试件破坏时的竖向变形， 除本身压头上自带的测定仪器外，在压条的两侧又安装了两个位移传感器l v d t 。 以往的试验均是采用中间压头测定的变形量计算应变值，而经过研究发现压头测 定的变形量比实际的要大，这样导致后面的应变值计算不准确。本研究就采用双 侧位移传感器l v d t 测定试件的竖向变形，以两个数值的平均值作为最终的竖向变 形量，这样测得的数据更加可靠和准确。放置两个位移传感器时要尽量保持两者 的平行，将试验操作引起的误差减少到最小。整个试验过程放置试件的动作要迅 速，否则试件的温度改变了，对测得的数据有很大影响。h 3 本试验用于测定沥青混合料在规定温度和加载速率时劈裂破坏或处于弹性阶 段时的力学性质，亦可供沥青路面结构设计选择沥青混合料力学设计参数使用。 同时，本文测定的劈裂强度可为下一步疲劳试验所施加疲劳荷载提供依据。 2 i 4 疲劳试验 沥青混合料疲劳试验方法很多，归纳起来有四类。第一类是实际路面在真实 汽车荷载作用下的疲劳破坏试验。以历时三年才完成的美国a a s h o 试验路为代表； 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，包括环道试验和 加速加载试验。主要有澳大利亚和我国交通部公路科研所的加载设备( a l f ) ，南 非国立道路研究所的重型车辆模拟车( h v s ) ，美国华盛顿州立大学室外大型环道 及中国重庆公路科学研究所的室内大型环道等；第三类是试板试验法。第四类是 实验室小型试件的疲劳试验研究。 路面结构疲劳试验又分为直线式槽式和环道式两类。环道路面试验的结构又 可按室内和室外条件分为单轮胎或双轮胎加荷及单臂、双臂、三臂或六臂等。现 场疲劳试验花费的时间较长，试验结果也受到气候条件( 如温度和水分等) 的影响。 南非公路研究院曾使用了总重力为3 0 0 k n 的重型汽车模拟机在路面上进行疲劳试 验，作用频率为2 2 h z ，相当于8 0 k n 轴载车辆每八小时作用3 0 万次，这便大大加 快了疲劳试验的速度。 试槽试验试采用实际尺寸的路面结构，以与车轮荷载面积相等的圆形承载板 或实际车轮加载，这比试板法更符合路面实际受力状态，试验结果更能表征路面 的疲劳特性。 试板疲劳试验法分为脉冲压头式、轮胎加压式、动轮轮迹式和动板轮迹式等。 试板试验时，试板尺寸比试件大，制作比较麻烦，温度和湿度等影响因素较难控 制，但能用压头或模型车轮加荷，模拟路面的二维受力状态，在这方面它优于试 件法，但因其试验难度大，成本高，无法取得像试件试验法那么多的数据。一般 第二章试验方法与试验方案 1 4 可利用试件法试验所确定的参数( 如荷载、温度和混合料组成性质等) 进行试板疲 劳试验，这是对疲劳试验结果进行定性分析过渡到定量分析的一个较好的形式。 试件疲劳试验又可分为旋转法、扭转法、弯曲法、拉伸法、三轴压力法、拉 一压法和剪切法等。试件试验法的特点是制备试件比较简单，试件尺寸小，试验 周期较短，温度和湿度等影响因素容易控制，易于进行大量的试验，以便总结路 面混合料的疲劳特性。其缺点是不能同时模拟路面单元的综合受力状态，如单轴 拉压或弯曲试验不能产生三向应力，而三轴重复加荷又没有剪应力。因此，试件 疲劳试验的结果与路面实际的疲劳效应仍有一定的差别。但它可以取得大量的混 合料疲劳资料，可以研究各种参数变化的影响，是路面疲劳研究的基本试验方法。 由于前三类试验研究方法耗资巨大，周期长，且试验结果受当地环境及所用 路面结构影响较大。开展的并不普遍，因此大量采用的还是周期短，费用少的室 内小型疲劳试验。 目前应用最多的沥青混合料室内小型疲劳试验的方法主要有：重复弯曲试验 ( 包括中点加载或三分点加载；旋转悬臂梁和梯形悬臂梁) 、直接拉伸试验、间接 拉伸试验、支承弯曲试验、耗散能方法、断裂力学试验、重复拉伸或拉压试验、 重复三轴拉压试验、弹性基础上的重复弯曲试验、室内轮辙试验、现场轮载试验 等。现将各种方法的优缺点汇总于表2 1 中。 在选择疲劳试验方法时，需考虑的准则有 对现场情况的模拟程度 试验方法的简便性 现场修正因素 试验结果的可应用性。 在国外，北美大多采用梁式试件进行反复弯曲疲劳试验；欧洲的研究者多采 用悬臂梯形梁试件，在其端部施加正弦波荷载；而日本则采用圆柱体试件进行间 接拉伸试验。 在国内，重复弯曲试验( 特别是三分点加载试验) 以及间接拉伸试验( 即劈裂试 验) 采用最为广泛。考虑到试验方法对现场情况的模拟程度、试验方法的简便性及 试验结果的可应用性，s h r p 工作者将上述方法进行了优缺点对比及相应排序，认 为重复弯曲 第二章试验方法与试验方案 1 5 表2 1 疲劳试验方法比较 t a b 2 1m e t h o dc o m p a r i s o nf o rf a t i g u et e s t 模拟现场简便性 方法优点 缺点总排序 情况排序排序 广泛应用； 试验结果可直接用 重复弯曲试于设计： 耗时； 验基本技术可用于其 成本高； 44 它方面； 需专用设备。 可选择加载方法。 免去了疲劳试验； 法国l c p c 修正关系建立 直接拉伸试验与已有的疲劳试验结果 在1 0 0 万次重复加载的基础 91 上： 有相关性。 试验温度仅有1 0 。 简单； 间接拉伸 两维应力状态： 设备可用于其它试验；62 疲劳试验低估疲劳寿命。 可预测开裂。 建立在物理现象的 精确预估疲劳寿命需 基础上：要大量的疲劳试验数据； 耗散能方法耗散能与加载作用简化方法仅提供了疲 55 次数之间存在 劳寿命的粗略值。 唯一关系。 高温时应力强度因子 不是材料常数； 需要较多的试验数据； 理论上低温条件适用； 需要( 剪切模式) ，数 断裂力学方法 7 8四 理论上需疲劳试验。 据和一起预测疲劳寿命： 仅使用于裂缝稳定扩 展阶段。 重复拉伸或拉费时，成本高，需要专 不需弯曲疲劳试验83 压疲劳试验 门设备。 第二章试验方法与试验方案 1 6 重复三轴拉 能较好的模拟现场需要大量疲劳试验数据； 2 6 压试验情况需处理剪应变。 能较好的模拟现场 弹性基础上的 情况； 需要大量疲劳试验数据。3 7 重复弯曲试验 试验能在较高温度 非常好的模拟现场 低劲度沥青混合料疲 室内轮辙试验劳受车辙影响：1 9 情况。 需要专门设备。 高费用、耗时； 直接确定实际轮载作用需要专用设备； 现场轮载试验 l1 0 下的疲劳响应。一次只能评估少数几 种材料。 试验最能代表实际路面的受力状况，试验结果可直接用于设计，是疲劳试验的首 选方法，但该试验需专门设备，耗时、成本高：间接拉伸试验简单易做，不需专门 设备，成型方便，并可预测路面开裂，是值得推荐的疲劳测试方法。此外，因梁 式试件制作困难，受不稳定因素影响大，测试方法复杂，结果分散，对于大面积 推广有一定困难。相比之下，圆柱体试件制作方便，试验简单，易于操作，加载 方式与车轮作用于路面相似，对现场的模拟程度较高。结合实际情况及相关研究， 本课题决定采用圆柱体试件劈裂疲劳试验进行沥青混合料疲劳性质的研究。劈裂 疲劳试验的理论基础如前( 劈裂试验力学模式) 所述。劈裂疲劳试验需