沥青混合料二点梯形梁与四点小梁疲劳试验方法对比

李本亮，黄卫东，孟会林，马华宝

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2.河北省交通规划设计院，河北 石家庄 050091)

沥青混合料二点梯形梁与四点小梁疲劳试验方法对比

李本亮1，黄卫东1，孟会林2，马华宝2

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2.河北省交通规划设计院，河北 石家庄 050091)

小梁疲劳试验是广泛应用的沥青混合料疲劳试验方法，两点梯形梁疲劳试验(two-point trapezoidal beam fatigue test, 2PB)主要在欧洲应用而四点弯曲小梁疲劳试验(four-point bending beam fatigue test, 4PB)在美国应用广泛。从试验标准、试件要求、老化条件、试验操作和结果应用等方面进行2PB与4PB的对比，指出2PB试验中试件成型复杂，试件尺寸精度要求高，对设备要求复杂，但试件具有较好均匀性和代表性；4PB试件成型较简单，试件尺寸易满足。2PB试件黏附、固定、更换费时，操作上繁琐一般最大加载应变500 με；4PB试验中试件固定、更换、调整应变等直接通过软件实现，操作容易，最大加载应变可达到2 000 με。2PB疲劳试验试件数要求多，获取疲劳曲线试验周期为4PB试验的两倍以上。2PB试验后试件表面可见裂纹，测量结果对应混合料的实际疲劳寿命而4PB测量疲劳寿命结果较保守。2PB疲劳结果离散性小于4PB结果，2PB结果可用于混合料疲劳性能评价以及作为路面设计输入参数，4PB结果仅用于混合料疲劳性能的评价。

道路工程；沥青混合料;小梁疲劳试验;2PB;4PB

室内疲劳试验采用试验室成形试件或现场钻芯试件，通过简单、快速的试验评价混合料的疲劳性能，具有可重复、简便快速等特点，弯曲梁疲劳试验因操作简便、具有更好的现场应力响应模拟性而广泛应用。在弯曲梁疲劳试验方法中，有梯形梁疲劳试验(2PB)和四点弯曲小梁疲劳试验(4PB)，其中2PB为欧洲广泛使用的疲劳试验方法，4PB在美国、澳大利亚等地区广泛应用。

随着国内高模量沥青混合料的引进与推广，对应的法国2PB疲劳试验方法与国内常用的4PB试验方法的对比分析成为迫切需要解决的问题，为进一步理解高模量沥青混合料以及法国的路面设计体系，对两种试验方法进行对比，从试验标准、试件、试验操作、结果精度要求、疲劳结果的应用等方面进行了比较，为后续的对比以及试验方法的选择提供指导。

1 试验方法

4PB的标准有两种，一种普遍使用的标准是AASHTO T321-03《用重复弯曲加载确定压实热拌沥青混合料(HMA)疲劳寿命标准试验方法》[1]，采用正弦波，位移控制或者力控制加载，至少3个应变水平确定疲劳曲线，准备3个平行试件；一种是ASTM D7469-10《确定沥青混合料承受重复弯曲疲劳失效方法》[2]，采用半正弦，位移或者力控制加载，规定选取至少6个应变水平，每个水平1个试件。

2PB来自法国，其标准已经纳入欧洲标准，对应的试验方法为EN 12679-24：2012《抗疲劳试验方法》[3]。规范采用正弦波，位移控制加载，至少3个应变水平、18根小梁的疲劳结果数据以获取疲劳曲线及ε6。

两种疲劳试验方法标准的详细内容比较见表1。

表1 4PB与2PB疲劳标准对比

两种疲劳方法的试件受力图见图1。

图1 2PB(左)与4PB(右)试件受力示意Fig.1 Stress on specimens of 2PB(left) and 4PB(right)

从标准的内容看，2PB与4PB的区别主要在试件受力部位、加载频率、温度、初始劲度模量选取以及结束试验后试件是否开裂等方面，这些差异一方面反映了两种方法的实现模式不同，另一方面也反映了对混合料疲劳性能评价侧重的不同。

2 试件准备

2.1 4PB试件要求

4PB采用棱柱体试件，尺寸为长380±6 mm，高50±6 mm，宽63±6 mm，试件每侧至少切除6 mm以获得平顺、平行的表面。现场试件依照ASTM D5361 M-14，规范规定现场取样获取试件应满足相应的测试规范要求[4]。对试件空隙率没有具体规定，但实践中要保持相同的空隙率，一般要求±0.5%以内，常用的设计空隙率为4%和7%以模拟设计阶段和路面铺筑阶段的典型空隙率条件。

2.2 2PB试件要求

2PB使用梯形梁，针对不同的混合料公称最大粒径试件尺寸有所变化，详见表2。

表2 2PB梯形梁试件尺寸要求

Table 2 Requirement of 2PB specimen geometry /mm

B为梯形试件的下底宽度；b为梯形试件的上底宽度；e为梯形试件的厚度；h为梯形试件上下底之间的高度。

试件来源为室内成型混合料板或现场取样。室内成型采用法国专用轮碾压实仪成型，在600 mm×400 mm×hmm的试模中(h为厚度，可调整)，当采用h=13 cm时一次约需要混合料75 kg。压实采用充气轮胎碾压，分初压、复压和整平过程，初压采用0.1 MPa的胎压，而复压和整平采用0.6 MPa的胎压，压实过程遵循欧洲规范EN 12697-33：2003[5]。

图2 2PB试件成型轮碾仪与完成碾压试件Fig.2 Wheel tracking compaction of 2PB

为保证切割均匀性，一般选取板的正中部分，以600 mm×400 mm×130 mm的混合料板为例，可切割出20根标准试件(厚度25 mm)(切割过程见图3)，切割机精度要求极高，且要求固定平台能够旋转试件以切割出梯形试件。现场取样最小直径长200 mm，厚度不小于40 mm，以便切出上表要求的试件尺寸。试件尺寸测量精确至0.1 mm，空隙率的标准差应该小于0.7%。

图3 2PB和4PB试件试验室制备过程(单位：cm)Fig.3 Laboratory preparation of 2PB and 4PB test specimen

2.3 试件老化水平

试件的老化上，4PB与2PB要求也不同。4PB(ASTM、AASHTO)要求混合料经过短期老化而后成型试件[6]。4PB在试件成型与切割以及试件存放上没有明确规定，一般按照实际操作，同时一批次试件尽量同一时间段测试完。2PB(EN)对老化没有要求，因混合料拌和时间较长(2 min左右)，同时试样质量大(约80 kg)，一般混合料拌和后直接成型，但对切割后的试件有放置时间要求，即要求试验前试件应在不高于20 ℃的条件下放置最少2周,最多6周的时间。

2.4 试件数量

4PB一次只能测试1根小梁，采用AASHTO标准时获得疲劳曲线一般至少要求3个应变水平，每个应变水平3根平行试件；采用ASTM标准时要获得完整的疲劳曲线，需要准备9根小梁试件，其他情况则尽可能多的准备试件来进行疲劳试验。为回归得到1条疲劳曲线，应至少测试6个试件(对应至少6个应变)。如果疲劳曲线中有离散点或者试件直接断裂，则需要进行额外的试验。

2PB一次可同时测试1组2根小梁。要求获得1根疲劳曲线至少需要测试18根试件，同时至少需要测试3个应变水平，应变水平选取要满足在对数轴上均匀分布同时对应的疲劳寿命结果≥106次和<106次对应的试件数至少各占总试件数目的1/3。

3 试验操作

3.1 试件紧固方式

4PB采用电动夹具上下紧固试件，试件更换方便，不需额外程序与时间。2PB试件顶面和底面均通过环氧树脂黏贴于上、下金属基座上，而后采用螺丝将基座与设备连接并固定，其上基座与位移控制部件连接，下基座与设备平台连接，从而形成悬臂梁加载的模式。两种疲劳方法的对比见图4。

图4 4PB与2PB试件紧固方式对比Fig.4 Comparison of fixing methods of 4PB and 2PB specimens

3.2 保温时间

4PB美国要求保温不少于2 h，且给出了不同的室温条件与设定条件差值下的最少保温时间案例。经实际测试，室温25 ℃左右时，试件保温1 h即可达到15 ℃。2PB法国要求试件保温时间不少于4 h。

二者均使用外部环境箱来设定试验温度，同时采用自带非接触测试试件的温度传感器来测量记录测试温度(图5)。

图5 2PB与4PB环境箱与温度传感器Fig.5 Environment box temperature senor of 2PB and 4PB

2PB采用1根温度探针测量试件所处环境箱中温度，温度探针顶部位于试件竖向高度中间部分，温度探针不接触测试试件而处于空气中，但与试件之间的间距不超过5 mm；4PB采用一种模拟等效方法测量试件内部与环境温度，通过一个埋置于试件中心与表面的温度传感器，来模拟测试处于环境箱中的试件内部和表面温度。4PB采用一种等效方式测量试件内部和表面温度，能够较好指示保温效果；2PB采用温度探针测试环境箱温度，不能够直接反映试件实际温度，但对于厚度仅25 mm的梯形试件来说，至少4 h的保温时间能够保证其内部温度保持一致。2PB与4PB测试的温度，仅仅在于记录测试过程中的环境温度，非接触式方式不能够反映试件因加载生热及与环境交换时的试件内部或表面实际温度。

3.3 加载方式

2PB采用驱动电机实现加载，调整转子的相对位置可以获得不同的偏心距，对应输出不同的加载应变。依仪器的不同，最大加载应变也不同，一般在500 με以内，加载精度较高，要求位移在试验中不超过0.12 με/N，频率精度(25±1)Hz或者要求频率±4%。4PB采用液压或气动驱动，其中气动控制精度很高但最大应变一般不超过1 600 με，液压控制精度较弱，但最大应变能超过2 000 με。4PB要求加载力的测量和控制0～5 kN，精度5 N；位移要求0～5 mm，精度5 μm；频率5～10 Hz，精度0.01 Hz。两种疲劳试验的加载方式见图6。

图6 4PB与2PB加载示意Fig.6 Loading schematic illustration of 4PB and 2PB

3.4 位移测量方式

4PB采用接触式测量方式，通过试件中间部位顶部的一个LVDT来测量加载过程中的位移，从而计算试件的应变。在开始实验前，需要将位移传感器归零。4PB位移测量要求精度达到5 μm，分辨率要求达到2.5 μm。2PB采用非接触式测量方式，通过试件顶部横向位移与测量端的距离变化来测量变形，试验前不需传感器归零，当采用较大应变时需注意调整传感器距离以便预留足够位移空间。2PB位移测量要求静态测量精度达到1.5 μm，动态测量等同静态或小于目标2%。二者位移传感器见图7。

图7 2PB与4PB位移传感器Fig.7 Deflection sensor of 2PB and 4PB

3.5 数据采集方式

4PB可采集每个加载循环的荷载、位移等信息，同时软件界面可以实时显示加载中各参数的变化，包括应力、应变、模量、相位角、耗散能、累计耗散能等各种参数，试验结束后各种参数处理较为方便。

2PB不完全记录每个加载的各项指标(仅记录每次加载的力值)，软件界面显示一定间隔(1 000次左右)的加载力和位移，但对于相位角、耗散能的记录仅为一定间隔(1 000)的记录，给出初始劲度模量数据，连续或更小间隔的相位角、劲度模量、耗散能等数据需要另行计算。软件可直接显示测量结果，同时绘制出疲劳曲线以及回归参数如回归系数、偏差等，对于结果处理方面优于4PB软件。

3.6 试验后试件状态

4PB应变控制疲劳试验时，试验结束试件完好，一般观察不到试件表面裂缝，当采用较大应变或者采用加载结束条件模量比非常低时可能看到表面裂缝；应力控制时可加载至试件开裂。2PB实验结束后，一般观察不到裂缝但可以在加载条件下感觉出，选定程序中的测量试件裂缝位置选项，感触加载试件表面震动频重处来确定裂缝位置并标记测量，输入过程中，在较低应变条件下也可能无裂缝。裂缝的出现与否，可以判断混合料试件的破坏阶段，一般4PB观察不到裂缝，表明试件处于内部微裂缝产生至扩展阶段，尚未出现宏观裂缝；2PB可以测量出裂缝位置，表明试件已经破坏，即处于开裂破坏阶段(图8)。裂缝的出现与否也说明4PB测试结果的疲劳寿命仅为实际混合料疲劳寿命(疲劳开裂)的一部分，而2PB测量结果可认为对应了混合料的实际疲劳寿命。

图8 应变控制试验结束后2PB与4PB试件Fig.8 Specimens after strain-control fatigue test of 2PB and 4PB

3.7 试验时间

两种方法下试件制备、切割耗费的时间相差不多，均在3 d左右。按照理想状况和标准试验条件考虑，采用4PB方法完成一种混合料3个位移水平的疲劳试验需要耗费1周左右的时间，整个试验过程耗时不超过2周；而采用2PB方法至少需要3周的时间(含试件放置2周)完成试验，试件准备到完成试验耗时约4周，总体效率明显不及4PB方法。

2PB标准加载频率25 Hz，24 h可加载216×104次，同时一次可以加载2根试件；而4PB标准加载频率10 Hz 24 h仅可加载86.4×104次，一次仅能加载1根试件，故对单应变的对比试验或者混合料疲劳极限的验证，采用2PB试验加载速度更快费时更少。

4 试验结果

4.1 结果精度

2PB规定了结果的精度，其结果来源于2001年11个试验室(欧洲3国)10 ℃，25 Hz的AC 14疲劳试验。

表3 欧洲2PB疲劳试验结果精度要求

实际测试情况看，每个应变水平多个试验结果中也存在偏差较大的数据，从已有几种改性沥青与高模量混合料数据结果看，同应变条件下6个试件变异系数在10%～50%[7]，同时离散程度对于基质沥青较小，而对于改性沥青较大。

4PB(AASHTO)没有规定实验结果的精度以及重复性试件的精度要求；4PB(ASTM)规定了精度要求，实验室3个重复性试验结果的对数偏差为0.278，其结果基于单一试验室的11种混合料多应变(200～2 000 με)的3个平行试件试验结果，对2个平行试验结果对数偏差不大于0.787。根据ASTM提供的一个试验室试验精度数据[2]，分析发现3个平行试件同应变的疲劳寿命变异系数从28.2%到103%，均值为57%，采用疲劳结果的对数其变异系数从2.4%到9.6%，均值为5.5%。

结果的离散程度方面，2PB使用了较多试件但结果离散程度较小，一般变异系数在50%以内，说明采用2PB轮碾成型选用中间试件具有较好均匀性与代表性；4PB结果变异系数较大，均值为57%。

4.2 结果应用

2PB测试获得试件给定空隙率条件下的百万寿命应变ε6及混合料的疲劳曲线，可用于混合料的疲劳性能评价并可直接作为路面设计输入参数，采用ε6指标作为试验室结果与现场路面结构的联系，要求室内混合料的ε6大于设计结构层位中沥青层的弯拉应变要求[8-10]，将材料性能评价与路面结构层联系起来，是一种较好的方法。可采用疲劳试验机的模量测试程序在梯形梁上进行混合料模量测量，结果可作为路面设计参数进行输入，具有较好的应用性。

4PB测试结果能够获得混合料给定空隙率条件下的疲劳曲线，可用于评价不同混合料的疲劳特性，其结果用于路面设计时作为参考，同时需要考虑试验室与现场的转换系数。模量测量方面，4PB的劲度模量测量结果不能直接作为材料参数进入路面设计。

在结果的应用方面2PB结果较4PB结果更为直接。但这种应用基于长期的试验室与路面性能验证，对于4PB也可借鉴2PB的结果采用某个设计疲劳寿命对应的应变作为指标，从而能够将试验室评价结果与路面结构联系起来，摆脱仅仅评价混合料疲劳性能而难以应用的现状。

5 结 论

对欧洲2PB与美国4PB的小梁疲劳试验方法进行了综合对比，主要结论如下：

1)欧洲2PB疲劳试验方法需要试件较多，采用大型试件切割中心部位能较好保证同一批次试件的均匀性。试件尺寸较小精度要求高，需要高精度切割仪。美国4PB疲劳试验方法需要试件相对较少，试件尺寸统一，不因混合料最大公称粒径变化而变化，试件切割精度容易满足。

2)操作上，欧洲2PB试件需要黏贴加载件并固定到试验平台上，更换试件费时，一般最大加载应变500 με，操作较为繁琐。美国4PB试件可直接装入仪器夹紧，应变调整等直接通过软件，更换试件和调整应变容易。

3)2PB疲劳试验整个过程持续周期为4PB试验的两倍以上，耗时较长，但加载频率大对单一应变试验或疲劳极限等情况加载时间较少。

4)欧洲2PB仪器可以直接使用梯形梁试件在小变形范围内测量试件复数模量并用于路面设计，美国4PB中暂时没有直接测量混合料可用于路面设计的模量规范。

5)疲劳结果的离散程度方面2PB优于4PB，2PB结果因试件开裂使得疲劳寿命结果与路面更为接近而4PB疲劳寿命趋于保守。欧洲2PB结果可用于混合料疲劳性能评价以及经修正后作为路面设计输入参数，而美国4PB结果现阶段仅用于混合料疲劳性能的评价。

[1] American Association of State Highway and Transportation Officials.DeterminingtheFatigueLifeofCompactedHot-MixAsphalt(HMA)SubjectedtoRepeatedFlexuralBending: AASHTO T321-03[S]. Washington, D.C.：AASHTO,2003.

[2] ASTM International.StandardTestMethodforDeterminingFatigueFailureofCompactedAsphaltConcreteSubjectedtoRepeatedFlexuralBending: ASTM D7460-10[S]. West Conshohocken, PA：ASTM International， 2010.

[3] European Committee for Standardization.BituminousMixtures—TestMethodsforHotMixAsphalt—Part24:ResistancetoFatigue：EN 12697-24：2012[S]. Brussels:CEN， 2012.

[4] ASTM International.StandardPracticeforSamplingCompactedBituminousMixturesforLaboratoryTesting: ASTM D5361M-14[S]. West Conshohocken, PA：ASTM International，2014.

[5] European Committee for Standardization.BituminousMixtures—TestMethodsforHotMixAsphalt—Part33:SpecimenPreparedbyRollerCompactor:EN 12697-33：2003[S]. Brussels:CEN，2003.

[6] American Association of State Highway and Transportation Officials.StandardPracticeforPreparingHot-MixAsphalt(HMA)SpecimensbyMeansoftheRollingWheelCompactor: AASHTO PP3-94[S]. Washington, D.C.:AASHTO，1994.

[7] 李刚，王崇涛，丁小军，等.基于法国规范的土方、垫层和路面综合设计方法[J].中外公路，2009，29(4)：285-288. LI Gang, WANG Chongtao, DING Xiaojun, et al. Intigrated design method of road soil base, cushion layer and surface layer based on French specifications[J].JournalofChina&ForeignHighway, 2009，29(4)：285-288.

[8] 李刚，赵永国，张留俊.法国沥青路面设计体系的特点[J].中外公路，2009，29(3)：316-320. LI Gang, ZHAO Yongguo, ZHANG Liujun. Characteristic of French pavement design[J].JournalofChina&ForeignHighway, 2009，29(3)：316-320.

[9] 法国RST “沥青混合料的设计”工作组.法国沥青混合料设计指南[M].“中美法沥青路面技术比较研究”项目组译.巴黎，南京，2010. Workgroup of French RST “Asphalt Mixture Design”.GuideofFrenchAsphaltMixtureDesign[M]. Translated by “Sino-US-French pavement technology comparison” Team. Paris, Nanjing，2010.

[10] 李本亮.不同改性沥青材料疲劳性能研究[D].上海：同济大学，2015. LI Benliang.FatigueCharacteristicofVariableModifiedAsphaltMixture[D]. Shanghai: Tongji University, 2015.

(责任编辑 朱汉容)

Comparison of 2PB and 4PB Beam Fatigue Test Methods of HMA

LI Benliang1，HUANG Weidong1，MENG Huilin2，MA Huabao2

(1.The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering, Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804，P.R. China；2.Hebei Provincial Communications Planning and Design Institute, Shijiazhuang 050091，Hebei, P.R.China)

Beam fatigue tests are commonly used to evaluate the fatigue characteristic of asphalt mixture around the world. 2PB is widely used in Europe while more application of 4PB is found in USA. The two test methods are compared in test standards, specimen requirement, specimen aging condition, test conduction and application of test results. The conclusions are drawn that: 2PB is more complex in specimen preparation, demands more accurate geometry and more sophisticated test equipment, but the specimen is more homogeneity and representativeness than 4PB. Specimen cluing, fixing and replacing during the test is more time-consuming in 2PB test, making the test operation more complicated, also the maximum loading strain is no more than 500με in 2PB test. In contrast the specimen fixing and replacing, loading strain adjustment can be achieved by software controlling in 4PB test, making 4PB test an easy operation, also the maximum loading strain can be about 2 000με. More specimens are required to obtain a fatigue curve of in 2PB than that in 4PB, time-consuming in 2PB is more than double of that in 4PB. Fatigue life of 2PB test can be regarded as real fatigue of pavement in situ because of the observed cracks cross specimen after test but the fatigue life of 4PB test is conservative. Fatigue life variation of 2PB is smaller than 4PB. Test results of 2PB can be used for comparison as well as an input parameter in pavement design, results of 4PB can be only used for HMA comparison.Key words: highway engineering; hot-mix asphalt；beam bending fatigue test； 2PB；4PB

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.01.09

2016-01-07；

2016-02-28

国家自然科学基金面上项目(51478351)；河北省交通运输厅科技计划项目(Y-2013096)

李本亮(1984—)，男，湖北随州人，博士研究生，主要从事沥青混合料疲劳评价方面的研究。E-mail：jeminben@126.com。

黄卫东(1970—)，男，四川人，研究员，博士生导师，主要从事沥青混合料疲劳评价方面的研究。E-mail：hwd@tongji.edu.cn。

U 414.3

A

1674-0696(2017)01-046-06