沥青路面疲劳开裂的分
析与防治
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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, 高速公路达万km。2007 年, 我国计划建成高速公路5 000 km 以上, 并确保完成“五纵七横”国道主干线系统最后2 385 km 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, 有的通车几年后由于损坏严重、疲劳裂缝过多就不得不进行翻修, 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、德等国, 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。
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、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。
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）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。
力学分析法
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 年代。当时, 在西德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Mcculough[7]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。Majidzadeh[8]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Kalosh[10]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ρ=ε maxεc来评价沥青混合料的抗裂性能, 其中εmax 为沥青混合料的极限拉应变, εc 为温度收缩应变。当ρ= 1 时,混合料处于临界开裂状态, 此时的温度也被称作开裂温度, 并经试验验证, ρ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, 增加粗骨料含量并严格设计级配, 甚至采用间断级配, 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1。
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106 km 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。而实验路中采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15 ～25 cm。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GlasGrid 8501 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。德国1986 年新规范规定, 当沥青罩面的厚度小于或等于140 mm, 不管基层厚度多大, 只要基层抗压强度超过12 MPa, 基层必须预先切纵缝和横缝, 该工艺在我国也已得到广泛应用。在日本,用水泥和特殊沥青乳剂综合稳定使水泥与沥青混合以防水分的蒸发。而沥青乳剂中的水分
则供给水泥硬化, 使收缩系数随沥青剂量的增加而减少。另外,也可以在沥青面层上采用预切缝。级配碎石缓冲层,即所谓倒装结构, 在美国、澳大利亚及南非沥青路面结构中应用较多, 厚度为10 ～15 cm, 具有一定效果。