沥青路面疲劳性能影响因素分析

程于航 邹蔚然

（重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074）

0 引言

20 世纪末期至今，我国道路建设得到了突飞猛进的发展，沥青路面是绝大部分高等级公路公路采用的路面结构。由于交通量不断增加，导致沥青路面承受的负荷也越来越大，路面疲劳开裂成为世界各国沥青类路面使用中均会遇到的主要结构性病害之一。其在全球分布十分普遍，无论是冰冻严寒地区，还是非冰冻亚热地区均有严重程度不同的裂缝存在。产生的裂缝，会严重影响车安全，缩短道路的使用寿命，甚至还可能会造成巨大的经济损失。

因此，分析沥青混合料的疲劳性能的影响因素，从各个因素中寻找提高疲劳性能的办法，进而达到延长沥青路面的疲劳寿命的目的。

1 沥青路面疲劳性能的内部影响因素

沥青混路面疲劳性能的内部影响因素有很多，用于表征沥青混合料内在组成特性的因素则统称为内部因素，内部因素主要包括沥青种类、沥青用量、空隙率、矿料类型、级配类型、针入度、软化点以及混合料劲度模量等。分析这些因素的变化对混合料疲劳性能的影响，其目的是知道沥青混合料的组成设计，以提供疲劳性能好的沥青混合料。

1.1 沥青种类

沥青混合料是由沥青与矿粉作用形成胶浆将集料结合到一起,因此沥青对于混合料的各项性能起到决定性的影响。前人的试验及理论分析也都表明沥青种类是影响沥青路面疲劳性能的重要因素。

不同种类的沥青作为粘结料的沥青混合料的疲劳性能也是不同的。通过进行疲劳试验，SAMI 改性沥青混合料随着应变水平的降低，其疲劳寿命增大的程度要远远大于50#和70#的沥青混合料。[1]由于沥青种类的不同,混合料的弯拉性能与劲度模量表现存在一定的差异,表现为在弯拉强度方面：SBS 改性沥青＞辽河90#＞橡胶1#。在劲度模量方面SBS 改性沥青＞橡胶1#＞辽河90#。[2]

1.2 沥青用量

在相同的集料配比下，随着沥青用量的增多，沥青饱和度就会逐渐提高，集料表面的沥青膜厚度也会增加，沥青混合料的延性更好，因此会显著提高沥青混合料的疲劳性能。在控制应力的加载模式情况下，对于提高沥青混合料的疲劳寿命存在一个最佳沥青用量。这个特征用量不仅受到矿料的级配的影响，而且与集料的特性有关，一般会与最大混合料劲度下的最佳沥青用量相当。

1.3 空隙率

在交通荷载的累积作用下，沥青路面的密实程度会大大提升，空隙率也随之逐渐减小，相应的沥青混合料的劲度模量不断增加，从而提高了沥青混合料疲劳寿命。另外，沥青的老化和空隙密切相连，因此空隙率对沥青路面的疲劳性能有重大的影响。

1.4 矿料类型

矿料的表面形状和纹理对沥青混合料疲劳性能也有一定的影响作用。石料表面纹理越多粗糙程度越大，对所配制的沥青混合料越有利从而疲劳寿命就越长。表面粗糙且有棱角的集料能够获得劲度较高的沥青混合料，有利于提高混合料疲劳性能。

1.5 级配类型

级配影响着空隙率，因而对疲劳性能产生影响。密级配的沥青混合料比开级配的沥青混合料的空隙率小，劲度模量大，所以疲劳性能更好，寿命更长。但由于配制沥青混合料时，沥青用量和空隙率都不一样，就很难以估计集料性质和级配的影响。

1.6 劲度模量

经过实验研究发现，沥青混合料的劲度和疲劳性能也有一定关系。劲度在常应力荷载条件下和常应变荷载条件下，对疲劳性能的影响大不相同。在常应力荷载条件下，劲度越大，沥青混合料越不容易产生疲劳，寿命也就会越长。在常应变荷载条件下则与之相反，劲度越小，混合料越不会疲劳，使用寿命也会越长。[3]劲度是各种影响因素的集中体现，比如空隙率减小，相应沥青混合料的劲度模量增加，疲劳性能就更好。

1.7 针入度和软化点

据以往学者的研究过程中发现，在10℃时，针入度不同沥青曲线斜率明显不同。高针入度的沥青相对于低针入度的沥青来说，越不容易产生疲劳。经过实验发现，在一定的条件下，具有较高软化点的沥青通常会有较长的疲劳寿命，因此软化点对沥青混合料的疲劳程度也有一定影响。

2 影响沥青路面疲劳性能的外部因素

沥青路面是长期暴霹于外界环境中的外部因素产生的疲劳，本质上是沥青路面结构层在累积行车荷载和环境因素共同作用下内部产生破坏并逐渐劣化变成宏观裂缝的过程。因此，外部因素有交通荷载，环境影响（温度和湿度）以及水分。

2.1 交通荷载

行车负荷越大，路面承受的压力也就越大，自然会降低路面的疲劳强度，从而减少拥青路面的使用寿命。实验表明，行车负荷随着车辆的行驶速度增加，当行车的速度增加时，路面承受的来自车辆的压力就会随之增加。所以说，如果沥青路面长时间都受到高速行驶的车辆荷载的作用，就会很大程度上对路面的疲劳性能影响，降低调青路面的使用寿命。

2.2 温度

温度影响着沥青面层内部的剪应力，拉应力。随着温度升高，沥青面层的最大剪应力也随之增大，因此，沥青路面更容易破坏，疲劳强度很明显的降低。根据相关研究表明，在对温度进行一定控制时，会发现混合料的劲度有所增大，路面的疲劳寿命有所增加，这就是温度对于沥青以及沥青混合料疲劳性能的影响。[4]

2.3 温荷共同作用

热-力耦合效应是指在结构内存在温度差的条件下，外荷载或约束作用致使结构发生变形。 沥青路面温度场和应力场的耦合就属于热-力耦合效应，指在温度场存在于结构内部的条件下，行车荷载作用产生的应力发生变化，从而导致沥青混合料性质发生改变，致使路面产生破坏的现象。沥青混合料是一种感温性材料，受温度的影响表现为粘弹塑性，从常温升至高温时，如20℃升至60℃时，沥青路面的弹性模量将严重降低，此时行车荷载产生的应力增加，而路面结构的容许应力却大量减小，这种工况将会导致车辙的发生。[5]

2.4 水分

水可以说是无孔不入，倘若水进入到集料的空隙间，会减小沥青和集科之间的接触面积，这就改变了沥青混合料的劲度模量。沥青混合料疲劳过程中，水分会通过裂隙进入沥青薄膜和集料之间，降低了相互粘结作用力，致使沥青与集料表面之间的剥离，降低了混合料整体强度。长安大学的张倩[6]认为水使沥青混合料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。各种研究表明水对沥青混合料疲劳性能有显著不利的影响。

3 结语

综上所述，可见有很多明显影响沥青路面疲劳性能的关键性因素，我们作为道路工作这应重视以及控制好这些因素，对我们在公路和城市道路进行设计和施工时有极大的帮助。因此，结合设计和施工的各个环节，采取有效的措施，提升沥青混凝土的抗疲劳性能、进而延长其使用的寿命，只有这样才足以保障我国道路建设的顺利进行，所修道路具有安全性，最终使人们在日常生活和出行时更加便捷、舒适和安全。