沥青路面的使用性能

第十章沥青路面的使用性能沥青路面通长用于铺筑路面的面层，它直接受荷载作用和大气因素的影响，同时沥青混合料的物理，力学性质受气候因素与时间因素影响较大，因此为了能使路面给车辆提供耐久的服务，必须要求沥青路面具有以下的耐久性。1抗老化性能即抵抗沥青路面受气候影响逐渐丧失粘韧性等各种良好性能的能力。这是由于沥青路面在施工过程中，不可避免地要对沥青进行反复加热，以及路面长期处与大自然环境中，也要经受阳光，紫外线等自然因素作用，均会使沥青性质发生变化，从而产生老化，导致沥青路面性能衰减。（2）耐疲劳性能即沥青路面在反复荷载作用下，抵抗破坏的能力。它是由于沥青路面在使用期间经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面产生裂纹，产生断裂破坏。（3）水稳定性即路面抵抗受水的侵蚀逐渐产生沥青膜剥离，掉粒，松散，坑槽而破坏的能力。这是由于水分的存在不仅降低了沥青苯身的粘结力，同时也破坏了沥青与矿料间的粘聚力，从而加速了剥落现象的发生，造成了道路的水损坏。（4）抗滑特性车辆在路面上高速行驶时，如果轮胎与路面间的抗滑力很小，特别是路面在潮湿状况下，轮胎与路面间的水膜阻隔轮胎与路面接触，引起水动力效应，使粘着力完全破坏，导致轮胎沿路面滑动，最容易产生滑溜事故。车辆高速行驶时，制动距离加长，若同时紧急转向或制动，更容易引起滑溜危险。抗老化性能，耐疲劳性能，水稳定性及抗滑特性，称为沥青路面使用性能。第一节沥青路面耐久性沥青材料在沥青混合料的拌和，摊铺，碾压过程中以及以后沥青路面使用过程中，都存在老化问题。老化过程一般也分为两个阶段，即施工过程中热老化和路面使用过程中的长期老化（氧化）。对于沥青材料来说，评价其抗热老化能力，一般用蒸发损失，薄膜烘箱及旋转薄膜烘箱试验来进行，而评价长期老化性能则用压力老化试验等。沥青混合料在拌和过程中的老化程度主要有关，同时与沥青升温，贮存的时间，脱水搅拌的程度及光，氧等因素也有密切的关系。当沥青混合料路面碾压成型后，沥青混合料的抗老化能力就不只与沥青材料有关，除了与光，氧等自然气候条件有关外，也与沥青在混合料中所处的形态有关，如混合料空隙率太小，沥青用量等。当沥青混合料产生老化后，会导致沥青路面路用性能的降低。1沥青的老化及老化原因沥青的耐久性是影响沥青路面使用质量和寿命的最主要因素。路面铺筑时受加热作用，路面建成后受自然因素和交通荷载作用，沥青的技术性能向着不理想的方向发生不可逆的变化即沥青的老化。受沥青老化的制约，沥青混合料的物理力学性能随着时间的推移逐年降低直至满足不了交通荷载的要求。图案101示出沥青的老化过程。在路面施工中沥青始终处于高温状态，受热会产生短期老化或施工期老化和热老化；路面使用期内沥青长期裸露在自然环境中，同时还要受到汽车交通等应力的作用而产生长期老化或使用期老化。图101沥青的老化沥青的短期老化可分为三个阶段。1运输和贮存过程的老化沥青从炼油厂到拌和厂的热态运输一般在70摄氏度左右，进入贮油罐或池中温度有所降低，调查资料表明，这一阶段里沥青的技术性能几乎没有变化，这可能与油罐密封和接触空气面积小有关。因此，在运输过程中沥青的老化非常小。（2）拌和过程中的热老化沥青与骨料加热拌和过程中，沥青是在薄膜状态下受到加热，比运输过程中的老化条件严酷的多。沥青混合料拌和后，40/60级沥青针入度降低到拌和前沥青针入度的85，60/80级沥青针入度降低到80，这说明拌和过程引起的老化是严重的，是沥青短期老化最主要的一个阶段。（3）拌和后施工期的老化沥青混合料拌和后，运到施工现场摊铺、碾压完毕降温至自然温度，这一过程中裹覆石料的沥青薄膜仍处于高温状态。从图102沥青针入度的变化可以看出，沥青混合料摊铺、碾压和降温期间，沥青的热老化会进一步发展。图102沥青针入度随时间变化混合料中沥青的长期老化是一个漫长而复杂的过程，从图103，104，105可以看出（1）沥青路面使用性能早期针入度急剧变小，其后继续变小，但变化缓慢。虽然急剧变化的时间因路面所在的地区的气候、交通量和沥青品种的不同而不同，但大体在使用1年至4年之间。（2）沥青老化主要发生在路表与大气接触部分，因此路面表层沥青老化的发展比面层内部的沥青要迅速，在深度05CM左右处的沥青针入度降低幅度是相当大的。（3）沥青混合料的空隙率是影响沥青老化的主要因素。路面边缘沥青的老化要比路中行车带沥青的老化严重，这可能是在车辆行驶部分，由于交通荷载作用，使路面更加密实，空隙率变小的缘故。（4）当路面中沥青针入度减小至3550之间时，路面容易产生开裂，针入度小于25时路面容易产生龟裂。图103图104图105导致沥青老化的原因最早由AWDOW提出的。1903年他发表文章认为，沥青混合料中的沥青由于加热使得质量恶化和针入度减小。1961年TYAXLER通过试验得出沥青老化的原因是（1）氧化；（2）挥发；（3）接触时间（处于结构层时）；（4）光照导致的聚合；（5）由于加热引起的缩聚反应。1963年TRAXLER列出了引起沥青老化的15条原因，见表101所示。他将光化学作用引起沥青的老化分为直射光和反射光两种作用，把微生物引起沥青变质硬化也作为影响沥青老化的因素之一。1984年PETERSON将沥青老化的15条原因归纳为三条，它们是（1）通过挥发和吸收使沥青油份减少；（2）与空气中氧反应，使沥青组成发生变化；（3）沥青分子结构产生触变位组导致硬化。目前大多数研究人员在研究分析沥青及沥青混合料老化问题时，将沥青老化的原因都集中在PETERSON所述的三种因素上。引起沥青短期老化的原因表101影响因素发生部位序号原因时间加热氧气阳光射线路表路面整层1氧化作用（暗处）/2光照作用（直射）/3挥发作用/4光照氧化（反射）/5光化学作用（直射）/6光化学作用（反射）/7聚合作用/8分子间结构变化（位阻）/9油份的渗出（收缩）/10核能的改变/11水的作用/12固体吸收/13固体表面成分吸收/14界面的化学反应和催化作用/15微生物的变质作用/注相关因素为“”，不相关因素为“/”。2沥青混合料老化试验方法及评价沥青路面施工时，沥青及沥青混合料需要在空气介质中进行加热，路面建成后，长期暴露在大气环境中，经受光照、降水、气温变化等自然因素的作用，同时还要受到汽车等应力作用，因此沥青混合料的老化性能更接近沥青路面的使用性能，这种评价和预测沥青路面的耐久性更有实际意义。1）室内模拟沥青混合料老化试验方法SHRP将沥青混合料的老化分为两个阶段，短期老化和长期老化。短期老化表征沥青路面建设期沥青混合料因受热引起的老化，开始于拌和厂，终止于沥青路面压实后温度降至自然温度；长期老化表征沥青路面使用期内，沥青混合料因光照、温度、降水和交通荷载的综合作用导致的老化，开始于路面建成之后，终止于路面服务性能下降至不满足行车的要求。（1）短期老化的试验方法短期老化的试验方法应体现松散混合料在拌和、贮存和运输中受热而挥发和氧化的效应，以模拟沥青混合料施工阶段的老化效果，SHRP根据以往沥青混合料短期老化的方法提出了三种方法，它们是烘箱老化法、延时拌和法、微波加热法。按模拟施工条件，使用复杂程度，设备投资费用等七个标准对三种试验方法有效性的评价结果见表102。表102老化方法标准烘箱加热法延时拌和法微波加热法模拟施工条件好模拟拌和不相同使用复杂程度易于使用，无特殊设备易于使用，试验室搅拌器或改变的RTOFT易于使用设备投资费用中等中等中等现有经验甚少无非常少可靠性或标准性不确定不确定不确定对混合料变化的敏感性不确定不确定不确定其它与TFOT类似与RTFOT类似从模拟施工条件好，易于使用，设备投资费用等方面来看，烘箱加热法被认为是室内模拟沥青混合料短期老化的最有效的方法。温度和时间效应是烘箱加热法控制沥青混合料老化程度的重要条件。SHRP将烘箱加热法拟定为沥青混合料短期老化的试验方法。该试验条件是将混合料置于1351的强制通风箱中老化4H5MIN,而后测定其力学性质。通过不同工程沥青路面钻芯取样与按STOA方法制成试件的回弹模量试验给予了比较（表103），结果四个工地的钻芯取样分别与4HSTOA和8HSTOA混合料试件的回弹模量相近，这说明沥青混合料4HSTOA、135的试验过程代表了沥青混合料在施工阶段的一个水平。沥青混合料回弹模量试验436回弹模量（MPA）工地编号试件条件9138168528740HSTOA17291350/4HSTOA34282324392723498HSTOA708335075050560112HSTOA/6173/野外芯样4120277755125485（2）长期老化试验方法沥青混合料试验室长期老化试验方法应本着着重体现沥青混合料压实成型试件持续氧化效应，以模拟使用期内沥青路面的老化效果。SHRP总结了以往研究成果提出了三种方法加压氧化处理，延时烘箱加热，红外线/紫外线处理。上述三种试验方法的有效性评估见表104。从体现野外条件、易于实施、设备投入不高，可敏感地反映沥青混合料性能变化，延时烘箱加热和加压氧化处理是混合料试验室长期老化方法中最有效的方法。沥青混合料长期老化方法有效性的评估表104老化方法标准加压氧化处理延时烘箱加热红外（紫外）线处理模拟野外的条件达到类似的老化程度能达到类似的老化程度，温度要高于自然温度难于评估使用复杂程度复杂处理氧气时注意安全容易无须特殊设备复杂设备投资费用中等至高（三轴仪）中等中等至高现有经验非常少非常少甚少可靠性或准确性有问题有问题不确定对混合料变化的敏感性有效进行有效进行不确定其它/类似如延时的TFOT或RTFOT/2）评价沥青混合料老化效果的指标SHRP将评价沥青混合料老化效果方法分为两类老化后沥青混合料的力学性能试验；老化后沥青混合料回收沥青的性能试验；由于老化影响与沥青混合料永久变形，低温开裂，疲劳开裂等性能的影响，因此老化后沥青混合料的力学性能试验方法有回弹模量试验，间接拉伸试验，蠕变试验和动态模量试验，四种试验方法的有效性评价结果见表105。表105试验项目标准回弹模量间接抗拉试验动态模量试验蠕变试验与野外资料的比较不确定不确定不确定不确定使用复杂程度标准化试验中等难度（ASTMD4123）已确定的试验容易实现无太大困难（ASTMD3497）容易实现试验时间长设备费用高中等高中等可靠性或准确性随设备的不同而不同未知随设备的不同而不同未知对混合料变化的敏感性极好好不确定好试验尺寸随试验方式的不同而不同有标准尺寸有标准尺寸随试验方式的不同而不同破坏性与非破坏性非破坏性破坏性非破坏性非破坏性虽然衡量以上标准未与野外资料建立关系，现很难确定哪种方法更好，但回弹模量和动态模量试验作为非协作性试验，能够在整个老化过程中不同阶段获得模量数据而被SHRP采用。间接抗拉试验老化前后试验值增量明显也受到重视。从试验室和野外老化沥青混合料中回收沥青，评价其性能的方法，SHRP提出采用针入度、延度、粘度、组份等指标作为评价沥青混合料性能的方法，其有效性的评估结果见表106。SHRP建议微粘度仪和微延度仪。回收沥青性能试验的有效性评估结果表106试验项目标准粘度针入度延度组份测微粘度与野外资料关系好好好好好使用复杂性易做标准试验易做标准试验易做标准试验需要有经验的操作人员需要有经验的操作人员设备费用中等低中等中等高现有经验多多有有有可靠性或准确性高高高不确定不确定对混合料变化的敏感性中等到高中等到高中等到高中等中等到高试验尺寸大难获得大不难获得小难使用微粘度仪小小破坏性与非破坏性破坏性破坏性破坏性破坏性破坏性第二节沥青路面的疲劳特性随着公路交通量日益增长，汽车轴重不断增大，汽车对路面的破坏作用变得越来越明显。路面使用期间，在气温环境影响下，经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面出现裂纹，产生疲劳破坏。早在1942年OJPORTER就注意到在小至05MM075MM的弯沉下，道路路面在车轮荷载重复作用几百万次后会遭到破坏。50年代LWNIJBVER指出，沥青路面后期出现的裂缝与行驶车辆产生的弯曲应力超过了材料的抗弯强度有关，强调裂缝是疲劳的结果，取决于弯沉大小和重复次数。60年代开始了对路面疲劳特性的系统研究，对路面疲劳破坏机理也有了更多科学的认识。理论和实践都表明，在移动车轮荷载作用下，路面结构内各点处于不同的应力应变状态。1沥青混合料疲劳力学模型综合目前已有的研究成果，沥青路面疲劳特性的研究方法基本上可以分为两类。一为现象学法，即传统的疲劳理论方法，它采用疲劳曲线表征材料的疲劳性质；另一类为力学近似法，即应用断裂力学原理分析疲劳裂痕以及裂缝和扩展，其主要区别就在于前者的材料疲劳寿命包括裂缝的形成和扩展阶段，研究裂缝形成的机理以及应力、应变与疲劳寿命之间的关系和各种因素对疲劳寿命及疲劳强度的影响；后者只考虑裂缝扩展阶段的寿命，认为材料一开始就有初始裂缝存在，因此不考虑裂缝的形成阶段，它主要是研究材料的断裂机理及裂缝扩展规律。1）现象学法沥青混合料的疲劳是材料在荷载重复作用下产生不可恢复的强度衰减积累所引起的一种现象。显然荷载的重复作用次数越多，强度的损伤也就越剧烈，它所能承受的应力或应变值就愈小，反之亦然。在现象学法中，通常把材料出现疲劳破坏的重复应力值称作疲劳强度，相应的应力重复作用次数称为疲劳寿命。由于在试验室中试验方式不同，疲劳破坏方式明显不同，因此疲劳寿命可以采用两种量度来表示，即服务寿命和破裂寿命。疲劳寿命为试件能力降低到某种预定状态所必须的加载累积次数；破裂寿命为试件完全破裂所必须的加载累积次数如果试件破坏都被定义为在连续重复加载下完全裂开时，则服务寿命与疲劳寿命两者相等。应用现象学法进行疲劳试验的方法很多，归纳起来可以分为四类。一是实际路面在真实汽车荷载作用下的疲劳破坏试验，以美国著名的AASHO试验路为代表。第二类型是足尺路面结构在模拟汽车荷载作用下的疲劳试验研究，包括环道试验和加速加载试验，主要有澳大利亚和新西兰的加速加载设备（ALF），南非国立道路研究所的重型车辆模拟车（NVS），美国华盛顿国立大学的室外大型环道和重庆公路科学研究所的室内大型环道疲劳试验。第三类是试板试验法。第四类试验室小型试件的疲劳试验研究。由于前三类试验研究方法耗资大、周期长，开展地并不普遍，因此大量采用的还是周期短、费用少的室内小型疲劳试验，包括脉冲压头式、轮胎加压式、动轮轮迹式和动板轮迹式等。其中动轮轮迹式是采用车辙试验机来了解沥青混合料块体的疲劳特性。试验采用轮胎在沥青混凝土块体上滚动，沥青试块用橡胶垫支承，设备能够测量块体底部应变并检验裂缝的产生和发展。迄今为止，各国均没有将疲劳试验作为标准试验方法纳入规范。北美大多数采用梁式试件进行反复弯曲疲劳试验；欧洲大多采用悬臂梯形梁试件，在其端部施加正旋型的反复贺载；也有采用圆柱体试件，进行间接拉伸疲劳试验的。简单弯曲试验主要有以下三种形式中点加载或三分点加载；旋转悬臂梁；梯形悬臂梁。三分点加载试验设备包括加洲伯克莱分校和沥青协会使用的两种，前者采用的试件尺寸为381MM381MM381MM,后者采用的尺寸为美国公路战略研究计划提出的压实沥青混合料重复弯曲疲劳寿命测定的标准试验方法（SHARM009），也是通过三分点加载，试件尺寸508MM635MM381MM，试验温度20加荷频率5HZ10HZ,采用应变控制模式，测定试件劲度降低到初始劲度的50的荷载循环次数。阿姆斯特丹的壳牌试验室采用中点加载方式，试件尺寸为30MM40MM230MM,试验在应变控制下进行。英国诺丁汉大学采用一种旋转的悬臂梁设备，试件竖向安装在旋转悬臂轴上。荷载作用于试件顶部，从而使整个试件都受到恒定的弯曲应力作用。大部分试件在10和1000R/MIN速度下进行。壳牌比利时的研究者和法国LCPC采用梯形梁疲劳试验，梁的较粗一端固定，另一端受到正弦变化的应力或应变作用。如梁的尺寸合理，破坏将产生在试件高度和中部区域而不是基部。WVANDIJK采用的试件粗端尺寸为55MM20MM，顶端尺寸为20MM20MM，高度为250MM。英国道路与运输研究所（TRRL）采用无反向应力的单轴拉伸试验，加载频率25HZ，持续时间40MS,间歇时间从01S不等。间接拉伸试验是延圆柱形试件的垂直径向面，作用平行的反复压缩荷载，这种加载方式在延垂直径向面，垂直于荷载作用方向，产生均匀拉伸应力，试验易于操作，为广大研究人员所采用。试件直径100MM，高635MM,荷载通过一宽125MM的加载压条作用在试件上。应用现象学法进行疲劳试验时，可采用控制应力和控制应变两种不同的加载模式。应力控制方式是指在反复加载过程中所施加荷载（或应力）的峰谷值始终保持不变，随着加载次数的增加最终导致试件断裂破坏。这种控制方式以完全断裂作为疲劳损坏的标准。试验结果常采用下式来表示NFKNM1式中NF试件破坏时加载次数；K、N取决于沥青混合料成分和特性的常数；M对试件每次施加的常量应力最大幅值。应变控制方式是指在反复加载过程中始终保持挠度或试件底部应变峰谷值不变。由于在这种控制方式下，试件通常不会出现明显的断裂破坏，一般以混合料劲度下降到初始劲度50或更低，为疲劳破坏标准。试验结果常采用如下公式来表示NC1/M式中N混合料劲度下降为初始劲度50或更低时的次数；对试件每次施加的常量应变最大幅度；C、M取决于沥青混合料成分和特性的常数。公式表明，材料在承受重复常量应力或应变条件下，施加的应力或应变同疲劳寿命之间的关系在双对数坐标上成线性反比关系。图106为沥青混合料在在采用应力和应变模式时所得到的疲劳试验曲线。图1062）力学近似法力学近似法是用断裂力学原理来分析路面材料的开裂，并用以预测材料疲劳寿命的一种方法。由于这种方法是将应力状态的改变作为开裂，几何尺寸及边界条件，材料特性及其统计变异性的结果来考虑，并对裂缝的扩展和材料中疲劳的重分布所起的作用可以进行分析，因此它有助于人们认识破坏的形成和发展机理。试验常采用切口试件，将梁式试件做成单边的“V”型或“U”型槽口，进行弯曲或拉伸试验。应用这一方法的疲劳寿命被定义为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。根据目前已有的疲劳裂缝扩展规律公式进行比较的结果，较为普遍的倾向是认为帕勒斯（PCPARIS）的裂缝扩展公式最适合于沥青混合料的情况。根据帕勒斯理论，裂缝扩展规律公式为DC/DNAKN式中C裂缝长度；N荷载作用次数；A、N材料常数；K应力强度因子，与荷载、试件几何尺寸和边界条件有关部门的常数。图107给出了弹性基础上沥青砂梁的DC/DN与K之间的试验曲线。图1072影响沥青路面疲劳的因素沥青路面的疲劳寿命除了受荷载条件的影响外，还受到材料性质和环境变量的影响。荷载条件荷载历史材料的疲劳寿命可以按不同的荷载条件来测定。如果在试验的全过程中荷载条件保持不变，则称为试件承受简单荷载；如果试件按某种预定形式重复施加应力的过程中荷载条件改变，即称为复合荷载。复合荷载不仅包括应力的改变，而且包括环境如温度的改变。因为温度的改变会引起沥青混合料劲度的变化，因而在相同的荷载下的应力将会发生改变。显然，对于相同的沥青混合料，试件承受简单荷载或是复合荷载所表现的疲劳反应是不同的。试件在承受简单荷载的情况下，在初始应力和应变相同的条件下，采用两种不同加载模式所得出的疲劳寿命试验结果也是不同的（表107）。这是因为在控制应力加载模式中，由于材料劲度随着加载次数的增加而逐渐减小，因而为了要保持各次加载时的常量应力不变，每次加载实际作用于试件的变形就要增加；而在控制应变的加载模式中，为了要保持每次加载的常量应变，每次加载作用于试件的实际应力则减小。因此，采用不同的加载模式，作用于试件的实际受荷状况是不同的。显然，对于相同的材料，在初始应力、应变条件相同的情况下，采用控制应变加载模式，试件达到破坏时的荷载作用次数要大于控制应力模式的作用次数。两者之间疲劳寿命的差值，随试件所处的温度条件而有所不同，低温时差值甚小，高温时差值较大。图108为密级配沥青混合料分别采用控制应力与控制应变加载模式所进行试验得出的疲劳曲线。应力控制和应变控制方式比较表1011变量应力（荷载）控制应变（变形）控制沥青混凝土层较厚沥青粘结料层薄沥青粘结料层，762CM破坏定义，周期次数试件破坏较易设定当荷载水平减小到初始值的某个百分比时，由人感觉随意决定疲劳数据点分散程度较小较大所需试件数量较少较多模拟老化期性能影响程度长期老化使劲度增加，从而可能增加疲劳寿命长期老化使劲度增加，但使疲劳寿命减少疲劳寿命次数N一般较短一般较长混合料变量影响较敏感不敏感能量消散速率较快较慢裂缝扩展速率比实际情况快更符合实际情况间隙期的影响有益影响较大有益影响较小根据弹性层状体系理论，对一系列路面结构的分析发现，控制应变加载模式适合于沥青混合料层厚度较薄（5CM和模量较低的路面情况；而控制应力加载模式则适合于厚度较大（15CM）和模量较高的情况。对于介于上述两种情况之间的路面，莫尼史密斯和迪科（JADEACON）建议采用如下模式因素参数来判断在保持常量应变和常量应力之间的中间状态时的重复荷载作用性质。MF|BA式中MF模式因素参数；A在重复荷载作用下，材料劲度下降C时，应力变化的百分数；B在重复荷载作用下，材料劲度下降C时，应变变化的百分数；C任意确定的劲度降低值。显然，对于控制应变加载模式，B0，模式因素参数MF1；对于控制应力加载模式，A0，模式因素参数MF1；对于应力和应变都保持常值的中间模式，其模式因素参数MF11，疲劳曲线则介于控制应力与控制应变的加载模式的疲劳曲线之间。图108及图109分别为沥青混合料在不同加载模式下的疲劳反应与其相应的疲劳曲线图解。图108图109根据分析，控制应力的加载模式在实践中实现比较困难。但是，控制应变试验的破坏概念不如控制应力试验清楚、明确。在控制应变试验中要考虑裂缝的扩展时间，因此，对破坏的规定通常是任意的，一般认为破坏是出现于产生给定应变的力达到其初始值的50。这样，就难于对不同混合料的试验结果进行比较。在控制应力试验中，由于裂缝使实际应力增大，裂缝有集中应力的作用，使得试件裂缝迅速扩展而产生突然破裂，其试验的终点是很明确的。因此，莫尼史密斯和佩尔等人认为，如果试验的目的基本上是为了研究变量的话，控制应力加载模式的试验方法为好。加载速率试验结果指出，疲劳寿命在一定程度上取决于加载速度。当采用旋转式垂直悬臂机试验时，其最大变化出现在200R/MIN以下的频率范围内。在用控制应力加载模式对24的密级配沥青混合料进行重复弯挠试验时发现，每分钟重复30至100次的加载频率可使疲劳寿命降低约20。施加应力或应变波谱的形式通常，在进行疲劳试验时采用较多的应力或应变波谱是单向作用的矩形波、三角形波和半正矢波形，或是交变的正弦波形。试验表明，波谱的形状对疲劳性能的影响并不显著，但是，应力或应变波谱是单向作用或是交变作用则可对疲劳试验的结果产生比较显著的影响。通过室内试验发现，当试件在承受单向的受拉脉冲时，其疲劳寿命可比承受相等的拉压交变脉冲时提高约30。考虑到车轮荷载通过路面时实际是产生三个连续的交变脉冲而不是通常在试验室应用的单一脉冲，当车轮接近路面某点时材料底部首先受压，在车轮驶过该点时则受拉，然后车轮离开时又受压。拉西和斯特林（KDRAITHYABSTERLING）曾测量了在沥青混凝土结构层底部的最初压缩变形的脉冲约为随后拉应变脉冲的1/7。这样，根据上述室内试验结果的资料分析，则可估计路面在实际车轮荷载作用下，由于引起应力符号的变更使疲劳寿命比室内单向受拉脉冲条件下将会降低1015。为了简便试验以及可以获得相对大量的数据作比较之用，埃普斯（JAEPPS）和莫尼史密斯曾建议采用重复方块波或半正矢波作为施加应力的图式，并建议应用悬臂梁或三分点荷载的简支梁进行简单荷载试验。荷载间歇时间路面在承受车辆荷载时，在车辆前后轮之间或前后车辆轮载之间都有间隔时间。由于图1010沥青材料具有粘弹性性质，故在荷载之间的间歇时间内沥青路面将产生有利于疲劳细微裂缝愈合的内部应力，因而可以延长其疲劳寿命。野外的现场观测和室内试验都证明了这一点。通过研究表明，改变荷载波谱形式对疲劳性能的影响不是太大，但是荷载之间的间歇时间对疲劳性能则有较大的影响。图1010为室内对间断级配沥青混合料在三种温度下进行间歇时间对疲劳性能影响的试验结果。试验采用控制应力的加载模式，所选择的荷载脉冲历时和间歇时间大致与中等交通量下的应力脉冲相当。由图可知，荷载间歇时间对疲劳寿命的影响取决于间歇时间的长短和试验温度。虽然疲劳寿命的增长速率随间歇时间的增长而逐渐减小，但当超过某一间歇时间后，间歇时间的有利作用就会稳定下来，其时疲劳寿命比值（有间歇时间的寿命/无间歇时间的寿命）达极限值。当试件在40时，稳定间歇时间约在03S,极限寿命比值约为5；试件在10和25时，稳定间歇时间约在05S，极限寿命比值可高达25。这意味着在连续循环荷载下所取得的试验结果，将严重的低估交通荷载脉冲之间确实存在有间歇情况的路面疲劳性能。试验的方法和试验成型通过试验比较发现，当采用试件法试验时，采用弯拉试验的疲劳寿命可比单向受拉的疲劳寿命至少大50；而当采用板式试件试验时，其疲劳寿命甚至比梁式试件在弯拉试验时的疲劳寿命还要高。这些结果说明了路面中的实际应力状态可对材料的疲劳反应产生重要的影响。材料性质混合料劲度从疲劳观点来看，沥青混合料的劲度模量是一个重要的材料特性。任何影响混合料劲的变量，诸如集料与沥青的性质，沥青用量，混合料的压实度与空隙率，以及反映车辆行驶速度的加载时间和所处的环境温度条件等都将会影响到它的疲劳寿命。根据试验，混合料的劲度对疲劳性能的影响，随着不同的加载模式而表现出不同的情况。在控制应力加载模式中，疲劳寿命随混合料劲度的增加而增加，如图1011所示。这是因为混合料的劲度模量越高，则在相同的常量应力条件下，每次重复荷载产生的应变就越小，因此混合料所能承受的疲劳破坏的荷载重复作用次数就愈多。但是，在控制应变加载模式中，疲劳寿命则随混合料劲度的增加而降低，。这是因为在相同的常量应变条件下，混合料的劲度模量愈高，每次重复荷载作用于试件的应力就愈大，因而疲劳寿命就减少。图1011混合料的沥青用量图1012所示为沥青用量对间断级配沥青基层混合料疲劳寿命的影响。试验是采用控制应力的加载模式在旋转式悬臂梁试验机上进行的。根据试验可知，相应于混合料最佳疲劳寿命有一个最佳的沥青含量。这个沥青含量不仅与集料种类有关，通常与最大混合料劲度所需的最佳沥青含量相符，而要比马歇尔稳定度所确定的最佳沥青含量稍大。巴克斯代尔（RDBARKSDALE）通过室内沥青混合料的疲劳试验后指出，沥青含量从425增加到45，可使混合料的疲劳寿命增加350；沥青含量从45增加到475，疲劳寿命可增加95。因此，如果认为疲劳是路面存在的一个主要病害，则稍许增加沥青含量就有可能显著地减少疲劳裂缝的产生。试验结果还指出，混合料的沥青含量愈低，增加沥青含量对延长疲劳寿命的效果就愈为明显。图1012沥青种类和硬度对沥青混合料疲劳的影响基本上可以用它对混合料劲度的作用来衡量。通常，在控制应力加载模式中疲劳寿命随沥青硬度的增大而增长（如图1013）；在控制应变加载模式中则出现相反情况，即沥青愈软，疲劳寿命愈长，如图1014所示。图1014中包括有各种针入度沥青制备的混合料及人工老化试件的试验结果。佩尔采用几种集料级配和沥青含量都相同而仅沥青种类不同的混合料进行试验后所得结果指出，对于混合料劲度与应力水平无关的，具有直线性能的混合料，通常可用斜率50至60的回归线来确定应变疲劳寿命之间的关系直线；对于显示出非直线性能的混合料，沥青硬度对于应变疲劳寿命关系直线的斜率影响有如表1012所示。沥青硬度对混合料疲劳曲线斜率的影响数据表1012沥青针入度405090110190210应变疲劳寿命关系线的斜率353416由于沥青硬度对温度的敏感性很大，因而采用沥青的软化化点作为试验参数更为合理。根据佩尔的报告，沥青软化点对混合料的疲劳反应有着重要影响。在一定的沥青用量下，沥青软化点越高，混合料疲劳寿命就越长，如图1015所示。混合料的空隙率混合料的空隙率对疲劳性能的影响如图1016所示。试验结果表明，混合料的疲劳寿命随空隙率的降低而显著增长。这个规律，既适用于控制应力加载模式的试验，也适用于控制应变加载模式的试验。图1013及1014图1015图1016通常，密级配混合料要比开级配混合料有较长的疲劳寿命。图1017所示为混合料中不同填料含量对疲劳寿命的影响。一般情况下，混合料的空隙率是随填料用量的增多而减小的。增多填料会使整个集料级配发生变化。由图可知，疲劳寿命的高峰值出现在填料约为混合料总重的9处，其时空隙率约为05，再次证明了高的疲劳寿命是同低的空隙率密切联系的。混合料用量在9以下，在混合料内加入少量填料就能使疲劳寿命大大地延长；但当填料用量继续增加时，将会影响混合料密实度以及由于沥青用量不足而使沥青从较大面积矿料上剥落引起试件破坏，从而影响疲劳寿命。由于行车荷载压实可使路面混合料的密实度增加，从而使疲劳寿命得以延长。拉西和斯特林通过室内试验认为，行车的补充压实作用能使试件在25时的疲劳寿命大致增长三倍。试验是在疲劳试验以前，将试件放在滚轮试验机内，承受行车作用的方式进行的。埃普斯和加莱韦（BMGALLAWAY）所作的野外测量表明，行车压实的主要作用一般产生在两年左右的时间以内。厄科脱进一步发现路面在长期行车压实下，所达到的密实度与击实75次马歇尔试验所成型的试件相当接近。作为合理估计路面压实和老化的综合相对作用，这个过度时间可以考虑为四年。图1018为沥青混合料由马歇尔设计方法击实50次变为75次对疲劳寿命影响的试验资料。由图可知，提高混合料压实度对疲劳寿命的有利影响与沥青含量有关。当沥青含量由4变为5时，相对疲劳寿命以急剧的速率下降，对于5至55之间的沥青含量，疲劳寿命的比率几乎接近于一个常数，即击实75次混合料的室内疲劳寿命约为击实50次混合料的四倍。图1017图1018集料的表面性状由于集料的表面纹理、形状和级配可以影响混合料中的空隙结构，即空隙的大小、形状与连贯状况以及沥青的适宜用量和沥青同集料的相互作用情况，因而可以对疲劳寿命表现出不同的影响。棱角尖锐，表面粗糙的开式级配集料通常由于难以压实而造成高的空隙率，这可能是引起裂缝的原因并进而导致沥青混合料疲劳寿命的缩短。另一方面，粗糙有棱角但级配良好的集料可以产生劲度值相对高的混合料，而纹理光滑的圆集料形成劲度较低的混合料，因而对疲劳可以产生不同的影响。根据吉梅内兹（RAJIMENEZ）和加莱韦的试验资料，含粗纹理集料的混合料和含光滑集料的混合料相比，由于前者能适应较多的沥青含量，因而可显示出较长的疲劳寿命，如图1019所示。休格和格里沙姆（EYHUANGDAGRISHAM）通过试验得出结论，混合料的平均疲劳寿命与其细集料的颗粒指数之间存在着一定的关系，即混合料的疲劳寿命随细集料颗粒指数的增大而增加，如图1020所示。颗粒指数是用以衡量集料几何特征的一个指标。集料颗粒形状愈不规则，愈有棱角和表面愈粗糙，则颗粒指数愈大；反之则愈小。例如，光滑的铝圆球，颗粒指数等于零，圆角光滑的砾石等于4，粗糙有棱角的轧制碎石等于20。图1019图1020试验的混合料在总空隙率几乎相同的条件下，颗粒指数较大的细集料对疲劳寿命所以能产生叫好的影响，可能是由于这种集料中孔隙的特殊形状、方位及其分布使疲劳裂缝的形成和贯通更加困难；也可能由于这种集料的表面积大，表面纹理粗糙，可以与沥青形成较强的粘结，因而减少交接面裂缝并限制了疲劳裂缝的扩展。同时，这种集料混合料的沥青含量更接近于最佳疲劳性能所需的数量。环境条件温度、湿度以及路面在使用过程中使混合料性质发生本质改变的大气因素对疲劳性能都可产生极为重要的影响。温度在控制应力加载模式试验中，表现为疲劳寿命随温度的降低而增长，如图1021。但是，采用控制应变加载模式时，当试验在低温时进行时，疲劳寿命较少地依赖于温度；而当温度增加时，则疲劳寿命随之增长，如图1022。图1021图1022温度对于疲劳性能的影响可以用混合料劲度来解释。温度在一定限度内下降时，沥青混合料的劲度就增加，试件在承受一定应力的条件下所产生的应变就小，因而在控制应力加载模式的试验中，导致有较长的疲劳寿命；而在控制应变的试验中，温度增加引起混合料劲度降低，使裂缝扩展速度变慢而导致疲劳寿命得以增长。盖里凯和韦纳脱（RGUERICKEFWEINERT）根据室内试验结果认为，在低温时控制应力加载模式所得的破坏疲劳寿命与控制应变的加载模式的试验结果基本相近。但在较高温度下两种加载模式所得的破坏疲劳寿命之间的差值N则颇为显著，如图1023所示。图1023湿度有关湿度和大气因素这方面的工作进行地很少。预计湿度的作用可使混合料的劲度减小，沥青混合料在大气因素作用下的老化过程可使其劲度增高。沥青混合料在这些因素作用下的疲劳反应可以通过劲度的变化继而得到体现。通常老化沥青混合料的抗疲劳性能要比未老化沥青混合料的差。表1013系根据诸多试验结果总结列出的影响沥青混合料劲度和疲劳性能的有关因素资料，可作为考虑疲劳的混合料设计的指南。例如，若采用的是一种厚的沥青混凝土面层结构（15CM），则在野外可用接近于控制应力的加载模式，因此由表1013可以看出，采用一种硬的道路石油沥青和一种粗糙而有棱角的密级配集料混合料对路面的疲劳是有利的，这种结构5CM），则采用控制应变的加载模式是适宜的。在这种情况下，采用软的道路石油沥青和一种圆形光滑纹理和含细集料将对路面的抗疲劳性有利。同样，这种混合料的空隙率应当低而沥青含量相对地高。影响沥青混合料劲度和疲劳性能的因素表1013疲劳强度因素因素的改变劲度控制应力加载模式控制应变加载模式荷载加载速率加载时间增增增减增减减增材料性质及组成沥青含量沥青针入度集料表面性状集料级配空隙率增增增加粗糙度和棱角由开式到闭式增有最佳值减增增减有最佳值减增增减增增减影响可忽略减环境温度增减减增但是，对于介于上述两种厚度之间的沥青面层结构，应该采用中等硬度（例如针入度80100）的道路石油沥青，沥青含量应相对地高，而且，混合料应当压实地很好。表面纹理粗糙的密级配集料将显得适宜，因为它能达到沥青含量高而不致产生稳定度低的混合料。预测沥青路面疲劳寿命的方法目前研究疲劳特性的试验仍集中在室内试件或室外工程的疲劳试验。疲劳试验耗资巨大几乎是疲劳研究的所有领域面临的问题。由于受金费、实验设备以及技术手段等条件的限制，在较广范围内进行沥青混合料的疲劳试验是不可能的，因此，近年来世界各国均展开了预测沥青混合料疲劳性能的研究，以节省疲劳试验大量消耗的时间和资金。确定沥青混合料疲劳曲线的简化方法为了达到预测疲劳性能的目的，英国诺丁汉大学，壳牌公司和美国沥青协会等提出了一些简化疲劳试验方法。诺丁汉大学通过对各种沥青混合料室内疲劳试验的研究，建立了拉应变，疲劳荷载作用次数，沥青含量和软化点的关系式1439LGVB242LGTRB407LGNLGT513LGVB863LGTRB158式中T允许拉应变；N荷载作用次数；VB沥青体积百分比；TRB沥青软化点。当拉应变100106时，混合料的疲劳寿命同沥青用量和软化点之间的经验关系式为LGN413LGVB695LGTRB式中N试件在常量应变100106时达到破坏的加载次数；VB沥青的体积百分率；TRB用环球法测定的沥青软化点。根据疲劳曲线在双对数坐标图上成直线的特性，由上述两式即可求得沥青混合料的疲劳曲线。用消耗能原理预测沥青路面疲劳沥青混合了是一种粘弹性材料，它的力学特性依赖于荷载作用时间和温度。它的综合模量是由恒定模量（弹性部分）和损耗模量（粘性部分）组成的。这两部分分别对应于综合模量的实部和虚部。根据VANDIJK等人的研究，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和循环荷载的重复作用次数之间存在着某一特定关系。1987年SHELL路面设计手册引入这一概念，作为预测沥青混合料疲劳寿命的方法。近年展开的SHRP研究计划也采用能量方法研究沥青混合料的疲劳响应问题。沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，图1024是采用三分点加载，控制应变的梁弯曲疲劳试验的实测滞后回路曲线。下面详细介绍承受周期正弦函数，控制应变的梁弯曲疲劳试验的滞后回路方程及每个循环荷载的能量损失。图1024当沥青混合料梁承受一个周期的正弦应变ASINT作用时，梁会以同样频率产生一个BSINT的应力响应，这个过程可用图1028表示。对于图1028所示的应力应变响应，消去时间参数后，就可以得到滞后回路方程X2/A2Y2/B22XYCOS/ABSIN2本方程是一个椭圆方程，这与图1025所实测得到的滞后回路是基本一致的。图1025在疲劳试验过程中，能量损失是由于塑性变形所消耗。这些消耗的能量并没有被转换成应变能，而是被转换成热能。每个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，令A,B,则能耗W为W02/ABSINTCOSTDTABSINSIN对于周期疲劳正弦荷载下的疲劳试验，能耗按如下公式计算WIIISINI式中WI第I次荷载时能耗；I第I次荷载产生的应力幅值；I第I次荷载产生的应变幅值；I第I次荷载下，应力应变相位差。因此达到破坏时总能耗W可定义为WFIISININI1式中NF达到疲劳破坏时的荷载重复作用次数；WF达到破坏时总能耗。大量力学试验表明，不同应力水平下，沥青混合料的疲劳寿命NF和达到疲劳破坏时的总积累能耗WF可以用下式来表示WFANFZ式中NF疲劳寿命；WF总积累能耗；A、Z由试验确定的系数。利用本式就可以来预测沥青路面的疲劳寿命。诺谟图法预测疲劳性能FF纳波尔研究了其他工作者在疲劳试验中得到的几十根应力应变疲劳曲线，提出了用混合料劲度模量等复合参数预测沥青混合料疲劳寿命的诺谟图如图1026。图1026试验结果与路用性能之间的关系由于室内沥青混合料疲劳特性试验条件与实际道路上的情况有较大差别，因此由室内疲劳试验所获得的疲劳方程并不能直接用于实际道路的疲劳寿命预估，必须进行必要的修正和调整，这是一个十分复杂而又不易确切解决的问题。PSPELL根据他的研究指出，由室内的试验结果转换为实际路面上的应用，可能要乘以一个5700的系数，主要考虑的影响因素有加载间歇时间、裂缝发展和横向分布等影响。荷载间歇时间影响国外对荷载间歇时间有许多研究工作，KDRAITHBY和ABSTERLING根据试验结果发现，间歇时间大于05S时，有间歇时间和无间歇时间的疲劳寿命的比值趋于稳定，40时比值为5，10和25时比值为1525。VANDIJK等的试验表明，在10时应变为200和沥青针入度为40/50条件下，当间歇时间与荷载作用时间的比值超过1时，有间歇时间和无间歇时间的疲劳寿命的比值稳定为5。对于较稀的90/100沥青，这个比值更大些。VERSTRAETEN的试验结果表明，在室内试验中引入间歇时间，可使容许加载次数扩大20倍。裂缝扩展的影响裂缝扩展的影响是一个极为复杂的问题，由于沥青混合料是一种非均匀的复合材料，室内的疲劳试验结果也会受到裂缝扩展的影响，而造成同一种混合料的疲劳试验结果相差数倍，甚至更大。室内的试件是简支状态，而路面沥青混合料是受到基层支承，受力状态由室内的单向弯拉变为野外的双向弯拉，考虑裂缝从底面扩展到顶面，沥青路面实际疲劳寿命可按沥青混合料室内疲劳试验确定的破坏疲劳寿命乘以20倍来计算。行车荷载横向分布系数影响壳牌沥青路面设计法采用横向分布系数04,英国诺丁汉路面设计用09。考虑上述因素后，可使沥青面层的预估寿命增加许多倍。但不同研究工作者所考虑的倍数有很大差别。例如，1975年PELL和COOPER采用修正系数100（间歇时间影响为5，裂缝扩展影响为20）；1982年BROWN修正系数采用440（间歇时间和裂缝扩展影响都用20，荷载横向分布影响用11）。英国诺丁汉设计法对沥青路面达到破坏时用440，对沥青路面达到临界状态时用77。美国沥青协会的疲劳方程只考虑了一个184的倍数。由此可以看出，所用的倍数有很大差别。这是一个尚待进一步深入研究的课题。第三节沥青路面的水稳定性由于沥青路面的耐久性主要依靠沥青与集料之间的粘附程度，虽然施工方法，交通条件，环境因素以及混合料的性质也对沥青路面性质有影响，但水和矿料的作用是影响沥青路面耐久性的主要因素之一。在我国，水损害问题仍然是一个尚未被充分认识的潜在危险。无论在冰冻地区，还是在南方多雨地区，水损害都有可能发生。水害发生后使沥青与集料脱离，从而使路面出现松散、剥离、坑洞等病害，严重危害道路的使用性能。沥青路面水稳性作用机理及粘附理论作用机理沥青路面的水损害与两种过程有关，首先水能浸入沥青中使沥青粘附性减小，从而导致混合料的强度和劲度减小；其次水能进入沥青薄膜和集料之间，阻断沥青与集料表面的相互粘结，由于集料表面对水比沥青有较强的吸附，从而使沥青与集料表面的接触角减小，结果沥青从集料表面剥落。剥落破坏包括两种状态，其一是自身的剥落破坏，其二是在交通荷载作用下路面的破坏。许多沥青路面在混合料内部发生剥落破坏时，而路面结构并没有发生破坏。如果在路面内部的剥落增加，路面的变形和破坏可能是在荷载重复作用下发生。剥落破坏可导致坑洞、剥蚀。沥青与集料的粘附性同沥青和集料的物理化学性质有关，一般认为亲水集料比憎水集料更容易引起剥落。粘附理论水稳性破坏的作用机理，主要依据是粘附理论。粘附是指一种物体与另一种物体粘结时物理作用或分子力。影响沥青与集料之间粘结力因素包括沥青与集料表面的截面张力，沥青与集料的化学组成，沥青粘性，集料的表面构造，集料的孔隙率，集料的清洁度及集料的含水量和集料与沥青拌和温度。四种简要的理论可用来解释沥青集料间的粘附性，这些理论包括力学理论，化学反应理论，表面能理论及分子定向理论。力学理论矿料的表面通常是粗糙与多孔的，从微观角度来看是粗糙而高低不平的。这种粗糙增加了骨料的表面积，使沥青与矿料的粘合面积大，提高了两者之间总的粘结力。此外，矿质骨料的表面存在各种形状，各种取向与各种大小的孔隙、微裂缝。由于吸附与毛细作用，沥青渗入上述孔隙与裂缝，增加了两者结合的总的内表面积，从而提高了总的粘结力。再者，沥青在高温以液相渗入骨料孔隙与微缝隙中，当温度下降时，沥青则在孔隙中发生胶凝硬化，这种契入与锚固作用，形成了沥青与骨料之间的机械粘合力。这就是说，在沥青与矿料的粘附过程中，机械力是一种普遍存在的粘合力。但是沥青与宽料的粘合过程是一个十分复杂的过程，仅仅认为其间只有机械粘合力，就把问题看地过于简单了。化学反应理论该理论认为，碱性矿料与沥青有较好