用控制应力弯曲疲劳试验方法评价沥青混合料抗疲劳性能

申展华，冯 卡

1.郑州市市政工程总公司，河南 郑州 450007

2.许昌华杰公路勘察设计有限公司，河南 许昌 461000

0 引言

沥青混合料疲劳性能是指其在特定荷载环境与气候环境条件下抵抗重复加载作用而不产生破裂的能力。疲劳损坏是沥青混凝土路面最主要的破坏形式之一。为了保证沥青路面具有良好的使用性和耐久性，世界各国沥青路面设计方法均以路面疲劳特性作为基本设计原则，国内外研究和评价沥青混合料抗疲劳性能的方法有很多，其中控制应力弯曲疲劳试验是研究沥青混合料抗疲劳性能的最有效方法。

本文介绍控制应力弯曲疲劳试验，并采用该试验方法对AC-13沥青混合料的抗疲劳性能进行评价，提出沥青混合料抗疲劳性能的评价指标，分析AC-13沥青混合料其抗疲劳性能变化规律。

1 沥青混合料抗疲劳评价方法概述

国内外研究沥青混合料抗疲劳性能的方法有很多种，综合目前已有的研究成果，沥青路面疲劳特性试验方法主要包括：1）现场试验法；2）试槽法；3）试板试验法(也称为试块法)；4） 试件法；5）槽口弯曲疲劳试验等。

如此繁多的试验方法，如何选择。本论文从试验的可操作性、试验结果的可直接应用性及国内对抗疲劳性能的相关规定要求考虑，采用控制应力简支梁弯曲疲劳试验法进行应力控制的疲劳试验，研究沥青混合料的疲劳性能，为沥青混合料的设计与施工提供指导。

2 简支梁弯曲疲劳试验原理

本文采用中点加载简支梁弯曲试验法，加载模式为控制应力方式。控制应力的疲劳试验是在重复加载的疲劳试验过程中，保持应力不变，疲劳破坏是以试件的疲劳断裂作为准则，达到疲劳破坏的荷载作用次数为疲劳寿命。

这种加载方式下疲劳寿命公式一般为：

式中：

Nf为疲劳寿命，采用试件破坏时的加载次数；

k，n为试验常数，其值取决于试验条件，加载方式和材料特性等，n 也称为坡度系数；

σ为每次施加于试件的常量应力的最大幅度，MPa；

σf为沥青混合料的弯拉强度。

3 沥青混合料抗疲劳性能评价

采用控制应力弯曲疲劳试验对AC-13沥青混合料进行抗疲劳性能评价，AC-13确定沥青混合料抗疲劳性能。

3.1 试验材料

3.1.1 集料

粗集料采用石灰岩碎石，细集料采用石灰岩机制砂，经过试验测试，所采用的集料均满足相关技术要求。

3.1.2 沥青

采用Shell Pen60/80沥青，对沥青按JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求的性能指标检测，经检测沥青性能指标满足相关技术要求。

3.2 沥青混合料配合比设计

分别对AC-13沥青混合料进行配合比设计，确定沥青混合料的集料用量比例和最佳油石比。

3.2.1 矿料级配设计

矿料级配设计采用马歇尔设计方法，设计时充分考虑到JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求，确定的AC-13沥青混合料的集料用量比例为：

10～15mm碎石：5～10mm碎石：机制砂= 35%：23%：42%

3.2.2 最佳油石比确定

按照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》规定的沥青混合料最佳油石比确定方法，确定AC-13沥青混合料的最佳油石比为为5.0%。

3.3 抗疲劳试验结果及分析

3.3.1 Pen60/80的AC-13沥青混合料疲劳试验结果

采用PLS疲劳试验机以控制应力简支梁弯曲疲劳试验对Pen60/80的AC-13型沥青混合料抗疲劳性能进行评价。

试件尺寸：采用车辙成型仪成型300mm×300mm×50mm的板状试件，然后沿碾压成型方向切割出240mm×50mm×50mm的小梁试件。

试验条件：试验温度15℃，加载频率10Hz，跨径20cm，采用应力控制三点弯曲试验，根据不同应力比下的疲劳破坏数据，绘制加载次数和变形曲线。

AC-13沥青混合料小梁弯曲强度试验结果平均破坏荷载为2.63kN，抗弯拉强度为6.312 MPa；

AC-13沥青混合料的小梁疲劳试验结果如下：

疲劳作用次数：212、347、2188、3447、19935；

相应应力比：0.6、0.5、0.3、0.2；

相应对数 ：2.326、2.540、3.340、3.537、4.300。

AC-13沥青混合料的小梁疲劳弯曲疲劳方程如下：

疲劳方程：y = -0.1945x + 1.0241R2= 0.9633

疲劳方程参数及相关系数 ：k=10.57n=0.1945R2= 0.9633

以疲劳次数的对数为横坐标，应力比为纵坐标，绘制AC-13沥青混合料的疲劳曲线图如下图1。

图1 AC-13沥青混合料对数坐标回归疲劳方程曲线

3.3.2 试验数据分析及结论

1） AC-13沥青混合料的疲劳次数服从标准疲劳方程模式，满足疲劳性能要求。疲劳次数都随着应力水平的增加而呈现明显下降趋势，说明车辆轮载的增加，对路面耐久性的破坏很明显，因此进行路面结构设计时，应充分考虑拟建道路的交通组成特点，尤其是对于重载车辆的破坏作用要有较准确的判断，防止路面由于超载而使疲劳寿命大大降低。

2）疲劳方程的参数k值可以称为疲劳扩大系数，k值越大，说明疲劳寿命越长，n可以称为速度系数，该值越大，说明疲劳次数随着应力水平的增加衰减的速度越快，耐久性能良好的混合料的疲劳方程一般具有k值较大，n值较小的特点。

4 结论

通过研究现有的沥青混合料疲劳试验方法，本论文采用现象学法中的控制应力简支梁弯曲疲劳试验法，对AC-13沥青混合料进行抗疲劳性能进行评价，AC-13沥青混合料的疲劳次数服从标准疲劳方程模式，满足疲劳性能要求，提出应将疲劳破坏试验、指标作为路面结构设计的依据。

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