沥青路面疲劳开裂的分析与防治

1、沥青路面疲劳开裂的分析与防治Jenny was compiled in January 2021沥青路面疲劳开裂的分析与防治一、前言随着公路交通量日益增长，公路建设事业得到了迅猛发展，截至2006年底，我国公路通 车总里程达到348万km,高速公路达4. 54万km。2007年，我国计划建成高速公路5000km 以上，并确保完成“五纵七横”国道主干线系统最后2385km的建设任务。而沥青路面在整 个公路网中的比例占到70%以上，已经成为高等级公路的主要结构形式。但是，经过多年的 使用和观测表明，许多高速公路通车一年后路面就出现严重的桥头跳车和早期损坏,有的通 车儿年后由于损坏严重、疲劳裂缝过多

2、就不得不进行翻修，使其使用性能大大降低。因此 对疲劳裂缝产生的原因进行系统的分析，提出经济、合理、适用的沥青路面结构，并从设 计、施工和养护等多方面对防止疲劳开裂和路面破坏提出有效的预防措施，使其在高等级 公路和地方公路建设中得到进一步推广应用，发挥更大的社会经济效益。二、开裂原因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抗拉强度而发生的。美、英、苏、徳等国，根 据十多年的大量试验，相继进行了基于疲劳强度理论在设计上的重大改革。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。道路上的行车，主要是汽车。汽车是

3、路面服务的对象,也是使路面结构破损、路基失稳 的主要因素。但是随着交通量的增加、轴载的增大和公路上行车速度的提高、交通荷载的 振动特性以及交通参数确定的合理性等交通荷载因素对沥青混凝土路面早期破损的影响是 不容忽视的问题。一方面，随着经济发展，交通量增加，超限运输已越来越严重和普遍，超限运输特别是超 重车辆已经成为沥青路面和水泥混凝土路面破坏的重要因素。就其影响国内学者在超重车 辆的轴载换算已经作了大量的研究，重新探讨了超重车辆的轴载换算关系。认为规范规定 的公式低估了超限荷载的疲劳破损作用，重载车的轴载换算因次应较现行沥青路面设计规 范有所提高。另一方面，我国传统的路面结构力学分析都采用圆形

4、均布的轮胎荷载模式。 实际上，轮胎与路面间的接触压力远非圆形的形式，接触压力的非均布效应已变得十分显 着。如果接触面上的压力分布形式都不准确，那么计算出的路面内部的荷载应力也很难准 确，从而不能正确解释路面的某些破损现象，轮胎-路面接触压力的非均布效应已成为路面 结构局部破损的重要原因。另外，国内现行路面设计方法一般基于静态弹性体系模型，而实 际车轮荷载均为动态，对路面施以随时间变化的垂直振动和冲击作用以及水平推挤作用。 由于路面结构本身对荷载的时变因素具有相当的敏感性，因而在实际动态荷载作用下所表 现出的力学性能通常与静态模型的情况存在较大差异,对路面的早期破损有着不可忽视的 作用。2. 2

5、沥青路面疲劳开裂研究研究沥青路面疲劳开裂的方法主要有试验法、能量分析法和力学分析法,其中力学分析 法可将路面的力学行为与路面使用性能指标明确联系起来，因而受到广泛重视。1. 1 试验法试验法具体又可以分为三类：一是实际路面在真实汽车荷载作用下的疲劳破坏试验， 如美国的AASHTO试验路，历时三年才完成；二是足尺路面结构在模拟行车荷载作用下的 试验研究，包括环道试验和加速加载试验，典型的如南非的重型车辆模拟车（HVS）,澳 大利亚的加速加载设备（ALF）,美国华盛顿州立大学的室外大型环道和重庆公路研究所 的室内大型环道疲劳试验；三是室内小型试件的疲劳试验，如小梁重复弯曲疲劳试验、间 接拉伸试验、

6、旋转悬臂试验等。前两类方法都能较好地反映路面的实际疲劳性能，但耗资 大、周期长，而且试验结果受当地环境和路面结构的影响较大，因此开展得并不普遍。目 前多采用周期短、费用低的室内小型疲劳试验。室内小型疲劳试验的方法主要有：重复弯曲试验（包括中点加载和三分点加载、旋转 悬臂梁和梯形悬臂梁）、支承弯曲试验、单轴试验、间接拉伸试验、三轴试验和轮辙试验 等。这些方法中又以小梁重复弯曲（特别是三分点加载试验）以及间接拉伸试验（即劈裂 试验）应用较广。1. 2能量分析法该方法中将沥青混合料视为一种典型的粘弹性材料，其力学特性依赖于荷载作用的时 间和温度，其综合模量是由恒定模量（弹性部分）和损耗模量（粘性部分

7、）组成。沥青混 合料的疲劳强度主要取决于损耗模量和应力应变循环过程中的能耗。这一方法的主要特点 是疲劳试验中的总能耗与循环荷载的重复作用次数之间存在着一定关系。美国的SHRP研 究计划中也采用能量法研究沥青混合料的疲劳响应问题。SHRP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（SHRP-M-009）中还给出了累积消散能及消散能累积到破坏 时的计算方法。在疲劳试验过程中，能量损失是由塑性变形所消耗的，这些消耗的能量并 没被转换成应变能，而是被转换为热能。每个应变周期的能耗可以通过应力应变的滞后回 路的面积来决定。在整个疲劳寿命过程中，总能量是所有滞后回路面积的总和。1. 3力学分析法

8、力学分析法是用断裂力学原理来分析路面材料的开裂，并用以预测其疲劳寿命的一种 方法。美国俄亥俄州大学在沥青混合料疲劳性能研究中，就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。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（或 荷载作用次数）。路面结构的疲劳破坏正是由于其内部存在的缺陷在荷载作用下引起应力 集中与内部损伤，当这种应力集中与损伤累积超过材料与结构抵抗破坏的容限值时，就造 成了内部缺陷的发展，并导致结构的破坏。由于力学分析法对于疲劳开裂的产生、发展和 最终破坏有较为清楚的描述，并且易于在计算过程

9、中分析各结构层的受力状态，有利于对 半刚性基层沥青路面的疲劳破坏机理进行分析，因而本文采用有限元方法计算疲劳裂缝的 应力强度因子，应用断裂力学来进行疲劳破坏的研究。由于我国对于计算所需要的参数研 究很少，缺乏此类数据，所以在对路面结构进行计算分析之前，先进行室内小梁疲劳试 验，同时参考国外的有关资料，根据材料的性质选取相应的计算参数，然后对小梁的疲劳 破坏进行有限元计算分析，在得出与试验结果较为符合的计算结果后，则认为所选参数符 合要求，最后用于路面结构的疲劳寿命计算。3裂缝防治在温度型疲劳开裂方面，有研究表明，温度疲劳是引起路面温度裂缝的主要原因。关于路面 温度疲劳开裂的研究始于20世纪70

10、年代。当时，在西徳克萨斯的沥青路面中发现大量的 裂缝，而这地区的气温并不太低，于是，美国道路工作者对这一地区的环境、气候、路面对 温度的敏感性及路面开裂机理等方面的问题进行了一系列的研究。研究成果使人们认识到, 开展沥青路面温度疲劳开裂的研究具有非常重要的工程意义及学术价值。Sugawara和Horigoshi 6的工作可以作为温度疲劳试验研究方面的代表性成果。试验发 现，当所设定的最低温度接近断裂温度时，试件将发生温度疲劳断裂，而且，沥青的稠度越高, 试件发生断裂前所经受的温度疲劳次数越低。Shahin和Mcculough7研究表明温度疲劳 的作用次数与荷载疲劳比较要小很多，而且温度疲劳产生

11、常应变疲劳损伤，因此提出温度疲 劳方程以应变表示较为适宜。Majidzadeh8提出可以通过线弹性断裂力学对沥青路面的 疲劳损伤过程加以描述。Lytton, Shanmughan和Garrent 9以断裂力学为基础对路面的温 度疲劳开裂进行了预估，提出了一种进行25° C以下温度循环引起的路面温度疲劳开裂的 预估模型。Abdulshafi和KaloshElOZ应用另一种能量释放率参数即C积分对荷载引起的 疲劳问题进行了研究，并建议将其用于温度疲劳开裂的研究。各国铺筑了许多试验路，研究沥青路面的温度开裂问题,并得出一致结论:沥青本身的特性 是影响低温开裂的主要团素，沥青针入度、劲度、针

12、入度指数PI、针入度粘度指数PVN、 低温延度、弗拉斯脆点等是表征其低温品质的指标。于1989年根据弹性地基梁模型的断 裂分析，提出了沥青加铺层在交通荷载下I型和II型裂缝应力强度因子计算公式以及温度 荷载下I型应力强度因子计算公式，建立加筋材料受力模型，引入加筋对沥青加铺层开裂的 影响。在此基础上，结合Paris疲劳断裂公式，提出沥青加铺层（含加筋）的厚度设计方法。 长安大学公路学院郝培文12提出利用低温抗裂系数P = e max e c来评价沥青混合料的抗 裂性能，其中e max为沥青混合料的极限拉应变，£ c为温度收缩应变。当P二1时,混合料处 于临界开裂状态，此时的温度也被称

13、作开裂温度，并经试验验证，P值越大，低温抗裂性能越 好。目前国内外用于研究沥青混合料低温抗裂性能的试验方法有多种，主要包括:等应变加 载的破坏试验（间接拉伸试验、弯曲、压缩试验）、直接拉伸试验、弯曲拉伸蠕变试验、受 限试件温度应力试验、三点弯曲J积分试验、C'积分试验、温度收缩系数试验、应力松弛 试验等。现行规范13对重交通道路沥青技术要求规定用15° C延度评价沥青的低温抗裂 性能。防治裂缝的方法也很多，如加强面层材料的抗裂性，面层与基层间用土工织物材料、 橡胶沥青封层和应力吸收膜等14。另外,从基层材料本身入手，可以通过进行材料的合理 组成设计，调整结合料用量与配比，增加

14、粗骨料含量并严格设计级配，我至采用间断级配，以 尽可能减小其收缩系数，提高其强度，增加半刚性基层材料的抗裂性能。澳大利亚对开裂路面的处理随裂缝宽度改变的处理方法，见表lo美国明尼苏达州1979年采用橡胶沥青封层、橡胶沥青中间层、土工物中间层以及炭黑等 方法铺筑了 106km的试验路，从实际使用状况看，没有一种方法完全有效，试验路段均出现 了反射裂缝。而实验路中釆用橡胶沥青中间层可以减少反射裂缝出现。为了有效防止反射 裂缝，沥青面层厚度应为1525cmo英国通过维持良好的集料嵌锁，不增大沥青面层厚度， 将裂缝宽度控制在一定范围内，使荷载传递能力达到最大的所谓开裂控制方法16。美国 Maine州交通运输部门利用一种称为GlasGrid8501的玻璃纤维网来抑制反射裂缝,取得了 很好的效果。国外用于具有大量裂缝的旧路上加铺新沥青罩面时,其防裂效果有好有坏 18。从施工工艺入手,在半刚性基层预切缝。徳国1986