不同加载应力下沥青混合料疲劳寿命分析

张晗

（江苏东部高速公路管理有限公司，江苏 盐城 224007）

0 引言

现阶段，在沥青路面建设过程中，往往在受到外界环境因素的影响而出现疲劳开裂的问题，这也是道路使用耐久性降低的最直接因素之一。而在道路实际使用的过程中，道路会受到交通荷载以及水温环境的双重影响，进而导致沥青路面的内部结构出现损伤[1，2]。荷载的增加会使沥青路面出现的损伤不断累积，进而导致其结构强度难以承受车辆等物体的压力，在长时间的使用下势必会存在裂纹等损伤，并在最终出现相应的疲劳破坏[3]。在这样的环境下，为进一步提升沥青路面结构的稳定性、耐久性以及使用性能，当前在修建沥青路面的时候，施工单位会更加注重以路面结构的疲劳破坏的基本控制破坏模式[4]。因此，本文通过半圆弯曲试验开展沥青混凝土室内疲劳试验，最大限度地贴近路面结构的实际受力状态，研究沥青混凝土的疲劳特性。研究成果为制定科学的路面养护方案提供了数据依据。

1 原材料

1.1 改性沥青

试件采用SBS 改性沥青，整体试验应满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的技术要求（见表1）。

表1 SBS 改性沥青(PG76-22)技术指标

结果表明，SBS 改性沥青(PG76-22)各项指标均满足规范规定的技术要求。

1.2 集料与矿粉

在试验的过程中，应分别对粗、细集料以及石灰岩矿粉进行相应的性能测试，并保证整体的试验过程都满足《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）中的相关规定。

1.3 纤维

试验的顺利开展离不开纤维稳定剂，当前比较常见的做法是将木质素纤维作为SMA-13 稳定剂，确保可以相关规范规定。

2 试件成型

考虑到目前SMA-13 在工程实际应用中较为广泛，具有一定的代表性。因此本文以SMA-13 为的沥青混合设计级配进行试件成型。级配设计如表2 和图1 所示。

图1 SMA-13 混合料矿料级配曲线

表2 SMA-13 沥青玛蹄脂碎石混合料矿料级配

成型方式采用SUPERPAVE 技术中旋转压实仪（SGC）用来成型沥青混合料的方式，进行75 次旋转压实的过程。就此次试验来说，使用的大直径圆柱体试件需要对两端空隙率较大的部分进行切割，进而保留中间空隙率较小的位置，而完成切割之后的形状，如图2 所示。

图2 切割完成的SCB 试件

3 试验结果分析

3.1 疲劳试验结果

在实际开展相关疲劳试验的过程中，应保证每个应力水平下的平行试件最少应在4 个以上，促进试验数据精准程度的提升。在得出平行试验结果之后还需要进一步通过数据离散程度进行弃差处理。半圆弯曲强度试验的环境控制在15℃、50mm/min，其最终的数据如下表3 所示。SCB 半圆强度的试验断裂强度的计算公式如下：

表3 半圆弯曲强度试验结果

式（1）～（2）中：

σt——试件底部拉应力值(MPa)；

F——竖直方向荷载(N)；

D——试件直径(mm)；

B——试件厚度(mm)；

V——试件底部的竖向位移(mm)；

M——模量(MPa)。

根据上表的结果可知，在15℃以及50mm/min 的加载速率下，SBS 改性沥青混合料的断裂强度为11.7MPa。在此基础上，针对不同应力比水平下的疲劳应力展开测算，进而可以得出沥青混合料疲劳寿命试验的具体结果，相关数据如表4 所示。

表4 不同应力水平下半圆弯曲疲劳试验结果

根据疲劳寿命的试验结果，应力比从0.11 增大到0.34 的过程中，沥青混合料的疲劳寿命从85778 次降低到1269 次。根据标准差与变异系数的计算结果显示，随着应力比水平的增大，数据之间的离散性变小，准确度提高。

3.2 半圆弯曲疲劳特性分析

在开展半圆试件疲劳试验的过程中，需要对试件在整个疲劳过程中的具体位移情况进行分析，因此技术人员可以在其顶部进行正弦荷载的施加，并把其中具体的位移情况表现出来。图3 表明在荷载循环次数不断提升的条件下，位移逐步体现出横向的反S 形规律，进而也更加直观地展现出其在不同荷载水平下的变化过程，也更好地体现出其中蕴含的变化规律。

图3 施力点位移随荷载循环次数变化曲线

由上图3 可知，试件的位移在不同荷载水平下所表现出来的规律也是不同的。总体来说，其中的演变规律主要可以分为三个阶段以及存在两个反弯点。首先，初期阶段，在荷载持续增加的环境下，试件逐步体现出一定的黏塑性变形，并开始生成不明显的裂纹；其次，稳定增长阶段，在这一阶段中位移会呈现出线性增长，而裂纹也开始进行比较稳定的扩张；最后，扩展阶段，在这一阶段中，试件呈现出破坏趋势，位移的速度也开始明显加快，并在第二个反弯点发生疲劳破坏，同时还可以看出在荷载水平不同的环境下，位移线性增长的斜率也不同。值得注意的是，较高荷载水平出现的荷载反而要更小一些。

4 结论

本文开展了SBS 改性沥青混合料半圆弯曲强度试验，主要说明了沥青混合料半圆弯拉强度会受到温度以及加载速率等变化的影响，同时也通过具体的半圆弯曲疲劳试验来展现不同情况下的变化情况。与此同时，完成了传统疲劳方程与基于名义应力比疲劳方程的对比，并站在位移变化的角度上明确沥青混合料疲劳破坏内部的联系，进一步突出了性质和破坏性质之间的内在联系。主要得到以下结论：

一是断裂强度试验结果表明SBS 改性沥青混合料的断裂强度均值为11.7MPa，沥青混合料的力学性能优异。

二是疲劳次数试验结果表明随着应力比水平的增大，疲劳作用次数逐渐降低，即疲劳作用应力越大，疲劳寿命越小；随着应力比增加，疲劳寿命次数的标准差以及变异系数越来越小。

三是在荷载循环次数变化的过程中，轴载位移呈现出横向反S 形规律，同时整个过程划分为三个阶段，并有着两个反弯点。荷载水平越高位移的速率也就越大，但在疲劳破坏的情况下呈现出相反情况。