第十章瀝青路面的使用性能瀝青路面通長(zhǎng)用于鋪筑路面的面層，它直接受荷載作用和大氣因素的影響，同時(shí)瀝青混合料的物理，力學(xué)性質(zhì)受氣候因素與時(shí)間因素影響較大，因此為了能使路面給車輛提供耐久的服務(wù)，必須要求瀝青路面具有以下的耐久性。1抗老化性能即抵抗瀝青路面受氣候影響逐漸喪失粘韌性等各種良好性能的能力。這是由于瀝青路面在施工過(guò)程中，不可避免地要對(duì)瀝青進(jìn)行反復(fù)加熱，以及路面長(zhǎng)期處與大自然環(huán)境中，也要經(jīng)受陽(yáng)光，紫外線等自然因素作用，均會(huì)使瀝青性質(zhì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生老化，導(dǎo)致瀝青路面性能衰減。（2）耐疲勞性能即瀝青路面在反復(fù)荷載作用下，抵抗破壞的能力。它是由于瀝青路面在使用期間經(jīng)受車輪荷載的反復(fù)作用，長(zhǎng)期處于應(yīng)力應(yīng)變交迭變化狀態(tài)，致使路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)荷載重復(fù)作用超過(guò)一定次數(shù)以后，在荷載作用下路面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)超過(guò)強(qiáng)度下降后的結(jié)構(gòu)抗力，使路面產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)生斷裂破壞。（3）水穩(wěn)定性即路面抵抗受水的侵蝕逐漸產(chǎn)生瀝青膜剝離，掉粒，松散，坑槽而破壞的能力。這是由于水分的存在不僅降低了瀝青苯身的粘結(jié)力，同時(shí)也破壞了瀝青與礦料間的粘聚力，從而加速了剝落現(xiàn)象的發(fā)生，造成了道路的水損壞。（4）抗滑特性車輛在路面上高速行駛時(shí)，如果輪胎與路面間的抗滑力很小，特別是路面在潮濕狀況下，輪胎與路面間的水膜阻隔輪胎與路面接觸，引起水動(dòng)力效應(yīng)，使粘著力完全破壞，導(dǎo)致輪胎沿路面滑動(dòng)，最容易產(chǎn)生滑溜事故。車輛高速行駛時(shí)，制動(dòng)距離加長(zhǎng)，若同時(shí)緊急轉(zhuǎn)向或制動(dòng)，更容易引起滑溜危險(xiǎn)?？估匣阅?，耐疲勞性能，水穩(wěn)定性及抗滑特性，稱為瀝青路面使用性能。第一節(jié)瀝青路面耐久性瀝青材料在瀝青混合料的拌和，攤鋪，碾壓過(guò)程中以及以后瀝青路面使用過(guò)程中，都存在老化問(wèn)題。老化過(guò)程一般也分為兩個(gè)階段，即施工過(guò)程中熱老化和路面使用過(guò)程中的長(zhǎng)期老化（氧化）。對(duì)于瀝青材料來(lái)說(shuō)，評(píng)價(jià)其抗熱老化能力，一般用蒸發(fā)損失，薄膜烘箱及旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，而評(píng)價(jià)長(zhǎng)期老化性能則用壓力老化試驗(yàn)等。瀝青混合料在拌和過(guò)程中的老化程度主要有關(guān)，同時(shí)與瀝青升溫，貯存的時(shí)間，脫水?dāng)嚢璧某潭燃肮?，氧等因素也有密切的關(guān)系。當(dāng)瀝青混合料路面碾壓成型后，瀝青混合料的抗老化能力就不只與瀝青材料有關(guān)，除了與光，氧等自然氣候條件有關(guān)外，也與瀝青在混合料中所處的形態(tài)有關(guān)，如混合料空隙率太小，瀝青用量等。當(dāng)瀝青混合料產(chǎn)生老化后，會(huì)導(dǎo)致瀝青路面路用性能的降低。1瀝青的老化及老化原因?yàn)r青的耐久性是影響瀝青路面使用質(zhì)量和壽命的最主要因素。路面鋪筑時(shí)受加熱作用，路面建成后受自然因素和交通荷載作用，瀝青的技術(shù)性能向著不理想的方向發(fā)生不可逆的變化即瀝青的老化。受瀝青老化的制約，瀝青混合料的物理力學(xué)性能隨著時(shí)間的推移逐年降低直至滿足不了交通荷載的要求。圖案101示出瀝青的老化過(guò)程。在路面施工中瀝青始終處于高溫狀態(tài)，受熱會(huì)產(chǎn)生短期老化或施工期老化和熱老化；路面使用期內(nèi)瀝青長(zhǎng)期裸露在自然環(huán)境中，同時(shí)還要受到汽車交通等應(yīng)力的作用而產(chǎn)生長(zhǎng)期老化或使用期老化。圖101瀝青的老化瀝青的短期老化可分為三個(gè)階段。1運(yùn)輸和貯存過(guò)程的老化瀝青從煉油廠到拌和廠的熱態(tài)運(yùn)輸一般在70攝氏度左右，進(jìn)入貯油罐或池中溫度有所降低，調(diào)查資料表明，這一階段里瀝青的技術(shù)性能幾乎沒(méi)有變化，這可能與油罐密封和接觸空氣面積小有關(guān)。因此，在運(yùn)輸過(guò)程中瀝青的老化非常小。（2）拌和過(guò)程中的熱老化瀝青與骨料加熱拌和過(guò)程中，瀝青是在薄膜狀態(tài)下受到加熱，比運(yùn)輸過(guò)程中的老化條件嚴(yán)酷的多。瀝青混合料拌和后，40/60級(jí)瀝青針入度降低到拌和前瀝青針入度的85，60/80級(jí)瀝青針入度降低到80，這說(shuō)明拌和過(guò)程引起的老化是嚴(yán)重的，是瀝青短期老化最主要的一個(gè)階段。（3）拌和后施工期的老化瀝青混合料拌和后，運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)攤鋪、碾壓完畢降溫至自然溫度，這一過(guò)程中裹覆石料的瀝青薄膜仍處于高溫狀態(tài)。從圖102瀝青針入度的變化可以看出，瀝青混合料攤鋪、碾壓和降溫期間，瀝青的熱老化會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。圖102瀝青針入度隨時(shí)間變化混合料中瀝青的長(zhǎng)期老化是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過(guò)程，從圖103，104，105可以看出（1）瀝青路面使用性能早期針入度急劇變小，其后繼續(xù)變小，但變化緩慢。雖然急劇變化的時(shí)間因路面所在的地區(qū)的氣候、交通量和瀝青品種的不同而不同，但大體在使用1年至4年之間。（2）瀝青老化主要發(fā)生在路表與大氣接觸部分，因此路面表層瀝青老化的發(fā)展比面層內(nèi)部的瀝青要迅速，在深度05CM左右處的瀝青針入度降低幅度是相當(dāng)大的。（3）瀝青混合料的空隙率是影響瀝青老化的主要因素。路面邊緣瀝青的老化要比路中行車帶瀝青的老化嚴(yán)重，這可能是在車輛行駛部分，由于交通荷載作用，使路面更加密實(shí)，空隙率變小的緣故。（4）當(dāng)路面中瀝青針入度減小至3550之間時(shí)，路面容易產(chǎn)生開(kāi)裂，針入度小于25時(shí)路面容易產(chǎn)生龜裂。圖103圖104圖105導(dǎo)致瀝青老化的原因最早由AWDOW提出的。1903年他發(fā)表文章認(rèn)為，瀝青混合料中的瀝青由于加熱使得質(zhì)量惡化和針入度減小。1961年TYAXLER通過(guò)試驗(yàn)得出瀝青老化的原因是（1）氧化；（2）揮發(fā)；（3）接觸時(shí)間（處于結(jié)構(gòu)層時(shí)）；（4）光照導(dǎo)致的聚合；（5）由于加熱引起的縮聚反應(yīng)。1963年TRAXLER列出了引起瀝青老化的15條原因，見(jiàn)表101所示。他將光化學(xué)作用引起瀝青的老化分為直射光和反射光兩種作用，把微生物引起瀝青變質(zhì)硬化也作為影響瀝青老化的因素之一。1984年P(guān)ETERSON將瀝青老化的15條原因歸納為三條，它們是（1）通過(guò)揮發(fā)和吸收使瀝青油份減少；（2）與空氣中氧反應(yīng)，使瀝青組成發(fā)生變化；（3）瀝青分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生觸變位組導(dǎo)致硬化。目前大多數(shù)研究人員在研究分析瀝青及瀝青混合料老化問(wèn)題時(shí)，將瀝青老化的原因都集中在PETERSON所述的三種因素上。引起瀝青短期老化的原因表101影響因素發(fā)生部位序號(hào)原因時(shí)間加熱氧氣陽(yáng)光射線路表路面整層1氧化作用（暗處）/2光照作用（直射）/3揮發(fā)作用/4光照氧化（反射）/5光化學(xué)作用（直射）/6光化學(xué)作用（反射）/7聚合作用/8分子間結(jié)構(gòu)變化（位阻）/9油份的滲出（收縮）/10核能的改變/11水的作用/12固體吸收/13固體表面成分吸收/14界面的化學(xué)反應(yīng)和催化作用/15微生物的變質(zhì)作用/注相關(guān)因素為“”，不相關(guān)因素為“/”。2瀝青混合料老化試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)瀝青路面施工時(shí)，瀝青及瀝青混合料需要在空氣介質(zhì)中進(jìn)行加熱，路面建成后，長(zhǎng)期暴露在大氣環(huán)境中，經(jīng)受光照、降水、氣溫變化等自然因素的作用，同時(shí)還要受到汽車等應(yīng)力作用，因此瀝青混合料的老化性能更接近瀝青路面的使用性能，這種評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)瀝青路面的耐久性更有實(shí)際意義。1）室內(nèi)模擬瀝青混合料老化試驗(yàn)方法SHRP將瀝青混合料的老化分為兩個(gè)階段，短期老化和長(zhǎng)期老化。短期老化表征瀝青路面建設(shè)期瀝青混合料因受熱引起的老化，開(kāi)始于拌和廠，終止于瀝青路面壓實(shí)后溫度降至自然溫度；長(zhǎng)期老化表征瀝青路面使用期內(nèi)，瀝青混合料因光照、溫度、降水和交通荷載的綜合作用導(dǎo)致的老化，開(kāi)始于路面建成之后，終止于路面服務(wù)性能下降至不滿足行車的要求。（1）短期老化的試驗(yàn)方法短期老化的試驗(yàn)方法應(yīng)體現(xiàn)松散混合料在拌和、貯存和運(yùn)輸中受熱而揮發(fā)和氧化的效應(yīng)，以模擬瀝青混合料施工階段的老化效果，SHRP根據(jù)以往瀝青混合料短期老化的方法提出了三種方法，它們是烘箱老化法、延時(shí)拌和法、微波加熱法。按模擬施工條件，使用復(fù)雜程度，設(shè)備投資費(fèi)用等七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三種試驗(yàn)方法有效性的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表102。表102老化方法標(biāo)準(zhǔn)烘箱加熱法延時(shí)拌和法微波加熱法模擬施工條件好模擬拌和不相同使用復(fù)雜程度易于使用，無(wú)特殊設(shè)備易于使用，試驗(yàn)室攪拌器或改變的RTOFT易于使用設(shè)備投資費(fèi)用中等中等中等現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)甚少無(wú)非常少可靠性或標(biāo)準(zhǔn)性不確定不確定不確定對(duì)混合料變化的敏感性不確定不確定不確定其它與TFOT類似與RTFOT類似從模擬施工條件好，易于使用，設(shè)備投資費(fèi)用等方面來(lái)看，烘箱加熱法被認(rèn)為是室內(nèi)模擬瀝青混合料短期老化的最有效的方法。溫度和時(shí)間效應(yīng)是烘箱加熱法控制瀝青混合料老化程度的重要條件。SHRP將烘箱加熱法擬定為瀝青混合料短期老化的試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)條件是將混合料置于1351的強(qiáng)制通風(fēng)箱中老化4H5MIN,而后測(cè)定其力學(xué)性質(zhì)。通過(guò)不同工程瀝青路面鉆芯取樣與按STOA方法制成試件的回彈模量試驗(yàn)給予了比較（表103），結(jié)果四個(gè)工地的鉆芯取樣分別與4HSTOA和8HSTOA混合料試件的回彈模量相近，這說(shuō)明瀝青混合料4HSTOA、135的試驗(yàn)過(guò)程代表了瀝青混合料在施工階段的一個(gè)水平。瀝青混合料回彈模量試驗(yàn)436回彈模量（MPA）工地編號(hào)試件條件9138168528740HSTOA17291350/4HSTOA34282324392723498HSTOA708335075050560112HSTOA/6173/野外芯樣4120277755125485（2）長(zhǎng)期老化試驗(yàn)方法瀝青混合料試驗(yàn)室長(zhǎng)期老化試驗(yàn)方法應(yīng)本著著重體現(xiàn)瀝青混合料壓實(shí)成型試件持續(xù)氧化效應(yīng)，以模擬使用期內(nèi)瀝青路面的老化效果。SHRP總結(jié)了以往研究成果提出了三種方法加壓氧化處理，延時(shí)烘箱加熱，紅外線/紫外線處理。上述三種試驗(yàn)方法的有效性評(píng)估見(jiàn)表104。從體現(xiàn)野外條件、易于實(shí)施、設(shè)備投入不高，可敏感地反映瀝青混合料性能變化，延時(shí)烘箱加熱和加壓氧化處理是混合料試驗(yàn)室長(zhǎng)期老化方法中最有效的方法。瀝青混合料長(zhǎng)期老化方法有效性的評(píng)估表104老化方法標(biāo)準(zhǔn)加壓氧化處理延時(shí)烘箱加熱紅外（紫外）線處理模擬野外的條件達(dá)到類似的老化程度能達(dá)到類似的老化程度，溫度要高于自然溫度難于評(píng)估使用復(fù)雜程度復(fù)雜處理氧氣時(shí)注意安全容易無(wú)須特殊設(shè)備復(fù)雜設(shè)備投資費(fèi)用中等至高（三軸儀）中等中等至高現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)非常少非常少甚少可靠性或準(zhǔn)確性有問(wèn)題有問(wèn)題不確定對(duì)混合料變化的敏感性有效進(jìn)行有效進(jìn)行不確定其它/類似如延時(shí)的TFOT或RTFOT/2）評(píng)價(jià)瀝青混合料老化效果的指標(biāo)SHRP將評(píng)價(jià)瀝青混合料老化效果方法分為兩類老化后瀝青混合料的力學(xué)性能試驗(yàn)；老化后瀝青混合料回收瀝青的性能試驗(yàn)；由于老化影響與瀝青混合料永久變形，低溫開(kāi)裂，疲勞開(kāi)裂等性能的影響，因此老化后瀝青混合料的力學(xué)性能試驗(yàn)方法有回彈模量試驗(yàn)，間接拉伸試驗(yàn)，蠕變?cè)囼?yàn)和動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，四種試驗(yàn)方法的有效性評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表105。表105試驗(yàn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)回彈模量間接抗拉試驗(yàn)動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)蠕變?cè)囼?yàn)與野外資料的比較不確定不確定不確定不確定使用復(fù)雜程度標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)中等難度（ASTMD4123）已確定的試驗(yàn)容易實(shí)現(xiàn)無(wú)太大困難（ASTMD3497）容易實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)設(shè)備費(fèi)用高中等高中等可靠性或準(zhǔn)確性隨設(shè)備的不同而不同未知隨設(shè)備的不同而不同未知對(duì)混合料變化的敏感性極好好不確定好試驗(yàn)尺寸隨試驗(yàn)方式的不同而不同有標(biāo)準(zhǔn)尺寸有標(biāo)準(zhǔn)尺寸隨試驗(yàn)方式的不同而不同破壞性與非破壞性非破壞性破壞性非破壞性非破壞性雖然衡量以上標(biāo)準(zhǔn)未與野外資料建立關(guān)系，現(xiàn)很難確定哪種方法更好，但回彈模量和動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)作為非協(xié)作性試驗(yàn)，能夠在整個(gè)老化過(guò)程中不同階段獲得模量數(shù)據(jù)而被SHRP采用。間接抗拉試驗(yàn)老化前后試驗(yàn)值增量明顯也受到重視。從試驗(yàn)室和野外老化瀝青混合料中回收瀝青，評(píng)價(jià)其性能的方法，SHRP提出采用針入度、延度、粘度、組份等指標(biāo)作為評(píng)價(jià)瀝青混合料性能的方法，其有效性的評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表106。SHRP建議微粘度儀和微延度儀。回收瀝青性能試驗(yàn)的有效性評(píng)估結(jié)果表106試驗(yàn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)粘度針入度延度組份測(cè)微粘度與野外資料關(guān)系好好好好好使用復(fù)雜性易做標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)易做標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)易做標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)需要有經(jīng)驗(yàn)的操作人員需要有經(jīng)驗(yàn)的操作人員設(shè)備費(fèi)用中等低中等中等高現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)多多有有有可靠性或準(zhǔn)確性高高高不確定不確定對(duì)混合料變化的敏感性中等到高中等到高中等到高中等中等到高試驗(yàn)尺寸大難獲得大不難獲得小難使用微粘度儀小小破壞性與非破壞性破壞性破壞性破壞性破壞性破壞性第二節(jié)瀝青路面的疲勞特性隨著公路交通量日益增長(zhǎng)，汽車軸重不斷增大，汽車對(duì)路面的破壞作用變得越來(lái)越明顯。路面使用期間，在氣溫環(huán)境影響下，經(jīng)受車輪荷載的反復(fù)作用，長(zhǎng)期處于應(yīng)力應(yīng)變交迭變化狀態(tài)，致使路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)荷載重復(fù)作用超過(guò)一定次數(shù)以后，在荷載作用下路面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)超過(guò)強(qiáng)度下降后的結(jié)構(gòu)抗力，使路面出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生疲勞破壞。早在1942年OJPORTER就注意到在小至05MM075MM的彎沉下，道路路面在車輪荷載重復(fù)作用幾百萬(wàn)次后會(huì)遭到破壞。50年代LWNIJBVER指出，瀝青路面后期出現(xiàn)的裂縫與行駛車輛產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力超過(guò)了材料的抗彎強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)調(diào)裂縫是疲勞的結(jié)果，取決于彎沉大小和重復(fù)次數(shù)。60年代開(kāi)始了對(duì)路面疲勞特性的系統(tǒng)研究，對(duì)路面疲勞破壞機(jī)理也有了更多科學(xué)的認(rèn)識(shí)。理論和實(shí)踐都表明，在移動(dòng)車輪荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)各點(diǎn)處于不同的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。1瀝青混合料疲勞力學(xué)模型綜合目前已有的研究成果，瀝青路面疲勞特性的研究方法基本上可以分為兩類。一為現(xiàn)象學(xué)法，即傳統(tǒng)的疲勞理論方法，它采用疲勞曲線表征材料的疲勞性質(zhì)；另一類為力學(xué)近似法，即應(yīng)用斷裂力學(xué)原理分析疲勞裂痕以及裂縫和擴(kuò)展，其主要區(qū)別就在于前者的材料疲勞壽命包括裂縫的形成和擴(kuò)展階段，研究裂縫形成的機(jī)理以及應(yīng)力、應(yīng)變與疲勞壽命之間的關(guān)系和各種因素對(duì)疲勞壽命及疲勞強(qiáng)度的影響；后者只考慮裂縫擴(kuò)展階段的壽命，認(rèn)為材料一開(kāi)始就有初始裂縫存在，因此不考慮裂縫的形成階段，它主要是研究材料的斷裂機(jī)理及裂縫擴(kuò)展規(guī)律。1）現(xiàn)象學(xué)法瀝青混合料的疲勞是材料在荷載重復(fù)作用下產(chǎn)生不可恢復(fù)的強(qiáng)度衰減積累所引起的一種現(xiàn)象。顯然荷載的重復(fù)作用次數(shù)越多，強(qiáng)度的損傷也就越劇烈，它所能承受的應(yīng)力或應(yīng)變值就愈小，反之亦然。在現(xiàn)象學(xué)法中，通常把材料出現(xiàn)疲勞破壞的重復(fù)應(yīng)力值稱作疲勞強(qiáng)度，相應(yīng)的應(yīng)力重復(fù)作用次數(shù)稱為疲勞壽命。由于在試驗(yàn)室中試驗(yàn)方式不同，疲勞破壞方式明顯不同，因此疲勞壽命可以采用兩種量度來(lái)表示，即服務(wù)壽命和破裂壽命。疲勞壽命為試件能力降低到某種預(yù)定狀態(tài)所必須的加載累積次數(shù)；破裂壽命為試件完全破裂所必須的加載累積次數(shù)如果試件破壞都被定義為在連續(xù)重復(fù)加載下完全裂開(kāi)時(shí)，則服務(wù)壽命與疲勞壽命兩者相等。應(yīng)用現(xiàn)象學(xué)法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的方法很多，歸納起來(lái)可以分為四類。一是實(shí)際路面在真實(shí)汽車荷載作用下的疲勞破壞試驗(yàn)，以美國(guó)著名的AASHO試驗(yàn)路為代表。第二類型是足尺路面結(jié)構(gòu)在模擬汽車荷載作用下的疲勞試驗(yàn)研究，包括環(huán)道試驗(yàn)和加速加載試驗(yàn)，主要有澳大利亞和新西蘭的加速加載設(shè)備（ALF），南非國(guó)立道路研究所的重型車輛模擬車（NVS），美國(guó)華盛頓國(guó)立大學(xué)的室外大型環(huán)道和重慶公路科學(xué)研究所的室內(nèi)大型環(huán)道疲勞試驗(yàn)。第三類是試板試驗(yàn)法。第四類試驗(yàn)室小型試件的疲勞試驗(yàn)研究。由于前三類試驗(yàn)研究方法耗資大、周期長(zhǎng)，開(kāi)展地并不普遍，因此大量采用的還是周期短、費(fèi)用少的室內(nèi)小型疲勞試驗(yàn)，包括脈沖壓頭式、輪胎加壓式、動(dòng)輪輪跡式和動(dòng)板輪跡式等。其中動(dòng)輪輪跡式是采用車轍試驗(yàn)機(jī)來(lái)了解瀝青混合料塊體的疲勞特性。試驗(yàn)采用輪胎在瀝青混凝土塊體上滾動(dòng)，瀝青試塊用橡膠墊支承，設(shè)備能夠測(cè)量塊體底部應(yīng)變并檢驗(yàn)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。迄今為止，各國(guó)均沒(méi)有將疲勞試驗(yàn)作為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法納入規(guī)范。北美大多數(shù)采用梁式試件進(jìn)行反復(fù)彎曲疲勞試驗(yàn)；歐洲大多采用懸臂梯形梁試件，在其端部施加正旋型的反復(fù)賀載；也有采用圓柱體試件，進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)的。簡(jiǎn)單彎曲試驗(yàn)主要有以下三種形式中點(diǎn)加載或三分點(diǎn)加載；旋轉(zhuǎn)懸臂梁；梯形懸臂梁。三分點(diǎn)加載試驗(yàn)設(shè)備包括加洲伯克萊分校和瀝青協(xié)會(huì)使用的兩種，前者采用的試件尺寸為381MM381MM381MM,后者采用的尺寸為美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃提出的壓實(shí)瀝青混合料重復(fù)彎曲疲勞壽命測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（SHARM009），也是通過(guò)三分點(diǎn)加載，試件尺寸508MM635MM381MM，試驗(yàn)溫度20加荷頻率5HZ10HZ,采用應(yīng)變控制模式，測(cè)定試件勁度降低到初始勁度的50的荷載循環(huán)次數(shù)。阿姆斯特丹的殼牌試驗(yàn)室采用中點(diǎn)加載方式，試件尺寸為30MM40MM230MM,試驗(yàn)在應(yīng)變控制下進(jìn)行。英國(guó)諾丁漢大學(xué)采用一種旋轉(zhuǎn)的懸臂梁設(shè)備，試件豎向安裝在旋轉(zhuǎn)懸臂軸上。荷載作用于試件頂部，從而使整個(gè)試件都受到恒定的彎曲應(yīng)力作用。大部分試件在10和1000R/MIN速度下進(jìn)行。殼牌比利時(shí)的研究者和法國(guó)LCPC采用梯形梁疲勞試驗(yàn)，梁的較粗一端固定，另一端受到正弦變化的應(yīng)力或應(yīng)變作用。如梁的尺寸合理，破壞將產(chǎn)生在試件高度和中部區(qū)域而不是基部。WVANDIJK采用的試件粗端尺寸為55MM20MM，頂端尺寸為20MM20MM，高度為250MM。英國(guó)道路與運(yùn)輸研究所（TRRL）采用無(wú)反向應(yīng)力的單軸拉伸試驗(yàn)，加載頻率25HZ，持續(xù)時(shí)間40MS,間歇時(shí)間從01S不等。間接拉伸試驗(yàn)是延圓柱形試件的垂直徑向面，作用平行的反復(fù)壓縮荷載，這種加載方式在延垂直徑向面，垂直于荷載作用方向，產(chǎn)生均勻拉伸應(yīng)力，試驗(yàn)易于操作，為廣大研究人員所采用。試件直徑100MM，高635MM,荷載通過(guò)一寬125MM的加載壓條作用在試件上。應(yīng)用現(xiàn)象學(xué)法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，可采用控制應(yīng)力和控制應(yīng)變兩種不同的加載模式。應(yīng)力控制方式是指在反復(fù)加載過(guò)程中所施加荷載（或應(yīng)力）的峰谷值始終保持不變，隨著加載次數(shù)的增加最終導(dǎo)致試件斷裂破壞。這種控制方式以完全斷裂作為疲勞損壞的標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果常采用下式來(lái)表示NFKNM1式中NF試件破壞時(shí)加載次數(shù)；K、N取決于瀝青混合料成分和特性的常數(shù)；M對(duì)試件每次施加的常量應(yīng)力最大幅值。應(yīng)變控制方式是指在反復(fù)加載過(guò)程中始終保持撓度或試件底部應(yīng)變峰谷值不變。由于在這種控制方式下，試件通常不會(huì)出現(xiàn)明顯的斷裂破壞，一般以混合料勁度下降到初始勁度50或更低，為疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果常采用如下公式來(lái)表示NC1/M式中N混合料勁度下降為初始勁度50或更低時(shí)的次數(shù)；對(duì)試件每次施加的常量應(yīng)變最大幅度；C、M取決于瀝青混合料成分和特性的常數(shù)。公式表明，材料在承受重復(fù)常量應(yīng)力或應(yīng)變條件下，施加的應(yīng)力或應(yīng)變同疲勞壽命之間的關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上成線性反比關(guān)系。圖106為瀝青混合料在在采用應(yīng)力和應(yīng)變模式時(shí)所得到的疲勞試驗(yàn)曲線。圖1062）力學(xué)近似法力學(xué)近似法是用斷裂力學(xué)原理來(lái)分析路面材料的開(kāi)裂，并用以預(yù)測(cè)材料疲勞壽命的一種方法。由于這種方法是將應(yīng)力狀態(tài)的改變作為開(kāi)裂，幾何尺寸及邊界條件，材料特性及其統(tǒng)計(jì)變異性的結(jié)果來(lái)考慮，并對(duì)裂縫的擴(kuò)展和材料中疲勞的重分布所起的作用可以進(jìn)行分析，因此它有助于人們認(rèn)識(shí)破壞的形成和發(fā)展機(jī)理。試驗(yàn)常采用切口試件，將梁式試件做成單邊的“V”型或“U”型槽口，進(jìn)行彎曲或拉伸試驗(yàn)。應(yīng)用這一方法的疲勞壽命被定義為在一定的應(yīng)力狀態(tài)下，材料的損壞按照裂縫擴(kuò)展定律，從初始狀態(tài)增長(zhǎng)到危險(xiǎn)和臨界狀態(tài)的時(shí)間。根據(jù)目前已有的疲勞裂縫擴(kuò)展規(guī)律公式進(jìn)行比較的結(jié)果，較為普遍的傾向是認(rèn)為帕勒斯（PCPARIS）的裂縫擴(kuò)展公式最適合于瀝青混合料的情況。根據(jù)帕勒斯理論，裂縫擴(kuò)展規(guī)律公式為DC/DNAKN式中C裂縫長(zhǎng)度；N荷載作用次數(shù)；A、N材料常數(shù)；K應(yīng)力強(qiáng)度因子，與荷載、試件幾何尺寸和邊界條件有關(guān)部門的常數(shù)。圖107給出了彈性基礎(chǔ)上瀝青砂梁的DC/DN與K之間的試驗(yàn)曲線。圖1072影響瀝青路面疲勞的因素瀝青路面的疲勞壽命除了受荷載條件的影響外，還受到材料性質(zhì)和環(huán)境變量的影響。荷載條件荷載歷史材料的疲勞壽命可以按不同的荷載條件來(lái)測(cè)定。如果在試驗(yàn)的全過(guò)程中荷載條件保持不變，則稱為試件承受簡(jiǎn)單荷載；如果試件按某種預(yù)定形式重復(fù)施加應(yīng)力的過(guò)程中荷載條件改變，即稱為復(fù)合荷載。復(fù)合荷載不僅包括應(yīng)力的改變，而且包括環(huán)境如溫度的改變。因?yàn)闇囟鹊母淖儠?huì)引起瀝青混合料勁度的變化，因而在相同的荷載下的應(yīng)力將會(huì)發(fā)生改變。顯然，對(duì)于相同的瀝青混合料，試件承受簡(jiǎn)單荷載或是復(fù)合荷載所表現(xiàn)的疲勞反應(yīng)是不同的。試件在承受簡(jiǎn)單荷載的情況下，在初始應(yīng)力和應(yīng)變相同的條件下，采用兩種不同加載模式所得出的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果也是不同的（表107）。這是因?yàn)樵诳刂茟?yīng)力加載模式中，由于材料勁度隨著加載次數(shù)的增加而逐漸減小，因而為了要保持各次加載時(shí)的常量應(yīng)力不變，每次加載實(shí)際作用于試件的變形就要增加；而在控制應(yīng)變的加載模式中，為了要保持每次加載的常量應(yīng)變，每次加載作用于試件的實(shí)際應(yīng)力則減小。因此，采用不同的加載模式，作用于試件的實(shí)際受荷狀況是不同的。顯然，對(duì)于相同的材料，在初始應(yīng)力、應(yīng)變條件相同的情況下，采用控制應(yīng)變加載模式，試件達(dá)到破壞時(shí)的荷載作用次數(shù)要大于控制應(yīng)力模式的作用次數(shù)。兩者之間疲勞壽命的差值，隨試件所處的溫度條件而有所不同，低溫時(shí)差值甚小，高溫時(shí)差值較大。圖108為密級(jí)配瀝青混合料分別采用控制應(yīng)力與控制應(yīng)變加載模式所進(jìn)行試驗(yàn)得出的疲勞曲線。應(yīng)力控制和應(yīng)變控制方式比較表1011變量應(yīng)力（荷載）控制應(yīng)變（變形）控制瀝青混凝土層較厚瀝青粘結(jié)料層薄瀝青粘結(jié)料層，762CM破壞定義，周期次數(shù)試件破壞較易設(shè)定當(dāng)荷載水平減小到初始值的某個(gè)百分比時(shí)，由人感覺(jué)隨意決定疲勞數(shù)據(jù)點(diǎn)分散程度較小較大所需試件數(shù)量較少較多模擬老化期性能影響程度長(zhǎng)期老化使勁度增加，從而可能增加疲勞壽命長(zhǎng)期老化使勁度增加，但使疲勞壽命減少疲勞壽命次數(shù)N一般較短一般較長(zhǎng)混合料變量影響較敏感不敏感能量消散速率較快較慢裂縫擴(kuò)展速率比實(shí)際情況快更符合實(shí)際情況間隙期的影響有益影響較大有益影響較小根據(jù)彈性層狀體系理論，對(duì)一系列路面結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)，控制應(yīng)變加載模式適合于瀝青混合料層厚度較薄（5CM和模量較低的路面情況；而控制應(yīng)力加載模式則適合于厚度較大（15CM）和模量較高的情況。對(duì)于介于上述兩種情況之間的路面，莫尼史密斯和迪科（JADEACON）建議采用如下模式因素參數(shù)來(lái)判斷在保持常量應(yīng)變和常量應(yīng)力之間的中間狀態(tài)時(shí)的重復(fù)荷載作用性質(zhì)。MF|BA式中MF模式因素參數(shù)；A在重復(fù)荷載作用下，材料勁度下降C時(shí)，應(yīng)力變化的百分?jǐn)?shù)；B在重復(fù)荷載作用下，材料勁度下降C時(shí)，應(yīng)變變化的百分?jǐn)?shù)；C任意確定的勁度降低值。顯然，對(duì)于控制應(yīng)變加載模式，B0，模式因素參數(shù)MF1；對(duì)于控制應(yīng)力加載模式，A0，模式因素參數(shù)MF1；對(duì)于應(yīng)力和應(yīng)變都保持常值的中間模式，其模式因素參數(shù)MF11，疲勞曲線則介于控制應(yīng)力與控制應(yīng)變的加載模式的疲勞曲線之間。圖108及圖109分別為瀝青混合料在不同加載模式下的疲勞反應(yīng)與其相應(yīng)的疲勞曲線圖解。圖108圖109根據(jù)分析，控制應(yīng)力的加載模式在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)比較困難。但是，控制應(yīng)變?cè)囼?yàn)的破壞概念不如控制應(yīng)力試驗(yàn)清楚、明確。在控制應(yīng)變?cè)囼?yàn)中要考慮裂縫的擴(kuò)展時(shí)間，因此，對(duì)破壞的規(guī)定通常是任意的，一般認(rèn)為破壞是出現(xiàn)于產(chǎn)生給定應(yīng)變的力達(dá)到其初始值的50。這樣，就難于對(duì)不同混合料的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。在控制應(yīng)力試驗(yàn)中，由于裂縫使實(shí)際應(yīng)力增大，裂縫有集中應(yīng)力的作用，使得試件裂縫迅速擴(kuò)展而產(chǎn)生突然破裂，其試驗(yàn)的終點(diǎn)是很明確的。因此，莫尼史密斯和佩爾等人認(rèn)為，如果試驗(yàn)的目的基本上是為了研究變量的話，控制應(yīng)力加載模式的試驗(yàn)方法為好。加載速率試驗(yàn)結(jié)果指出，疲勞壽命在一定程度上取決于加載速度。當(dāng)采用旋轉(zhuǎn)式垂直懸臂機(jī)試驗(yàn)時(shí)，其最大變化出現(xiàn)在200R/MIN以下的頻率范圍內(nèi)。在用控制應(yīng)力加載模式對(duì)24的密級(jí)配瀝青混合料進(jìn)行重復(fù)彎撓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，每分鐘重復(fù)30至100次的加載頻率可使疲勞壽命降低約20。施加應(yīng)力或應(yīng)變波譜的形式通常，在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)采用較多的應(yīng)力或應(yīng)變波譜是單向作用的矩形波、三角形波和半正矢波形，或是交變的正弦波形。試驗(yàn)表明，波譜的形狀對(duì)疲勞性能的影響并不顯著，但是，應(yīng)力或應(yīng)變波譜是單向作用或是交變作用則可對(duì)疲勞試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生比較顯著的影響。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試件在承受單向的受拉脈沖時(shí)，其疲勞壽命可比承受相等的拉壓交變脈沖時(shí)提高約30?？紤]到車輪荷載通過(guò)路面時(shí)實(shí)際是產(chǎn)生三個(gè)連續(xù)的交變脈沖而不是通常在試驗(yàn)室應(yīng)用的單一脈沖，當(dāng)車輪接近路面某點(diǎn)時(shí)材料底部首先受壓，在車輪駛過(guò)該點(diǎn)時(shí)則受拉，然后車輪離開(kāi)時(shí)又受壓。拉西和斯特林（KDRAITHYABSTERLING）曾測(cè)量了在瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層底部的最初壓縮變形的脈沖約為隨后拉應(yīng)變脈沖的1/7。這樣，根據(jù)上述室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的資料分析，則可估計(jì)路面在實(shí)際車輪荷載作用下，由于引起應(yīng)力符號(hào)的變更使疲勞壽命比室內(nèi)單向受拉脈沖條件下將會(huì)降低1015。為了簡(jiǎn)便試驗(yàn)以及可以獲得相對(duì)大量的數(shù)據(jù)作比較之用，埃普斯（JAEPPS）和莫尼史密斯曾建議采用重復(fù)方塊波或半正矢波作為施加應(yīng)力的圖式，并建議應(yīng)用懸臂梁或三分點(diǎn)荷載的簡(jiǎn)支梁進(jìn)行簡(jiǎn)單荷載試驗(yàn)。荷載間歇時(shí)間路面在承受車輛荷載時(shí)，在車輛前后輪之間或前后車輛輪載之間都有間隔時(shí)間。由于圖1010瀝青材料具有粘彈性性質(zhì)，故在荷載之間的間歇時(shí)間內(nèi)瀝青路面將產(chǎn)生有利于疲勞細(xì)微裂縫愈合的內(nèi)部應(yīng)力，因而可以延長(zhǎng)其疲勞壽命。野外的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)都證明了這一點(diǎn)。通過(guò)研究表明，改變荷載波譜形式對(duì)疲勞性能的影響不是太大，但是荷載之間的間歇時(shí)間對(duì)疲勞性能則有較大的影響。圖1010為室內(nèi)對(duì)間斷級(jí)配瀝青混合料在三種溫度下進(jìn)行間歇時(shí)間對(duì)疲勞性能影響的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)采用控制應(yīng)力的加載模式，所選擇的荷載脈沖歷時(shí)和間歇時(shí)間大致與中等交通量下的應(yīng)力脈沖相當(dāng)。由圖可知，荷載間歇時(shí)間對(duì)疲勞壽命的影響取決于間歇時(shí)間的長(zhǎng)短和試驗(yàn)溫度。雖然疲勞壽命的增長(zhǎng)速率隨間歇時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減小，但當(dāng)超過(guò)某一間歇時(shí)間后，間歇時(shí)間的有利作用就會(huì)穩(wěn)定下來(lái)，其時(shí)疲勞壽命比值（有間歇時(shí)間的壽命/無(wú)間歇時(shí)間的壽命）達(dá)極限值。當(dāng)試件在40時(shí)，穩(wěn)定間歇時(shí)間約在03S,極限壽命比值約為5；試件在10和25時(shí)，穩(wěn)定間歇時(shí)間約在05S，極限壽命比值可高達(dá)25。這意味著在連續(xù)循環(huán)荷載下所取得的試驗(yàn)結(jié)果，將嚴(yán)重的低估交通荷載脈沖之間確實(shí)存在有間歇情況的路面疲勞性能。試驗(yàn)的方法和試驗(yàn)成型通過(guò)試驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用試件法試驗(yàn)時(shí)，采用彎拉試驗(yàn)的疲勞壽命可比單向受拉的疲勞壽命至少大50；而當(dāng)采用板式試件試驗(yàn)時(shí)，其疲勞壽命甚至比梁式試件在彎拉試驗(yàn)時(shí)的疲勞壽命還要高。這些結(jié)果說(shuō)明了路面中的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)可對(duì)材料的疲勞反應(yīng)產(chǎn)生重要的影響。材料性質(zhì)混合料勁度從疲勞觀點(diǎn)來(lái)看，瀝青混合料的勁度模量是一個(gè)重要的材料特性。任何影響混合料勁的變量，諸如集料與瀝青的性質(zhì)，瀝青用量，混合料的壓實(shí)度與空隙率，以及反映車輛行駛速度的加載時(shí)間和所處的環(huán)境溫度條件等都將會(huì)影響到它的疲勞壽命。根據(jù)試驗(yàn)，混合料的勁度對(duì)疲勞性能的影響，隨著不同的加載模式而表現(xiàn)出不同的情況。在控制應(yīng)力加載模式中，疲勞壽命隨混合料勁度的增加而增加，如圖1011所示。這是因?yàn)榛旌狭系膭哦饶Ａ吭礁?，則在相同的常量應(yīng)力條件下，每次重復(fù)荷載產(chǎn)生的應(yīng)變就越小，因此混合料所能承受的疲勞破壞的荷載重復(fù)作用次數(shù)就愈多。但是，在控制應(yīng)變加載模式中，疲勞壽命則隨混合料勁度的增加而降低，。這是因?yàn)樵谙嗤某Ａ繎?yīng)變條件下，混合料的勁度模量愈高，每次重復(fù)荷載作用于試件的應(yīng)力就愈大，因而疲勞壽命就減少。圖1011混合料的瀝青用量圖1012所示為瀝青用量對(duì)間斷級(jí)配瀝青基層混合料疲勞壽命的影響。試驗(yàn)是采用控制應(yīng)力的加載模式在旋轉(zhuǎn)式懸臂梁試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。根據(jù)試驗(yàn)可知，相應(yīng)于混合料最佳疲勞壽命有一個(gè)最佳的瀝青含量。這個(gè)瀝青含量不僅與集料種類有關(guān)，通常與最大混合料勁度所需的最佳瀝青含量相符，而要比馬歇爾穩(wěn)定度所確定的最佳瀝青含量稍大。巴克斯代爾（RDBARKSDALE）通過(guò)室內(nèi)瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)后指出，瀝青含量從425增加到45，可使混合料的疲勞壽命增加350；瀝青含量從45增加到475，疲勞壽命可增加95。因此，如果認(rèn)為疲勞是路面存在的一個(gè)主要病害，則稍許增加瀝青含量就有可能顯著地減少疲勞裂縫的產(chǎn)生。試驗(yàn)結(jié)果還指出，混合料的瀝青含量愈低，增加瀝青含量對(duì)延長(zhǎng)疲勞壽命的效果就愈為明顯。圖1012瀝青種類和硬度對(duì)瀝青混合料疲勞的影響基本上可以用它對(duì)混合料勁度的作用來(lái)衡量。通常，在控制應(yīng)力加載模式中疲勞壽命隨瀝青硬度的增大而增長(zhǎng)（如圖1013）；在控制應(yīng)變加載模式中則出現(xiàn)相反情況，即瀝青愈軟，疲勞壽命愈長(zhǎng)，如圖1014所示。圖1014中包括有各種針入度瀝青制備的混合料及人工老化試件的試驗(yàn)結(jié)果。佩爾采用幾種集料級(jí)配和瀝青含量都相同而僅瀝青種類不同的混合料進(jìn)行試驗(yàn)后所得結(jié)果指出，對(duì)于混合料勁度與應(yīng)力水平無(wú)關(guān)的，具有直線性能的混合料，通?？捎眯甭?0至60的回歸線來(lái)確定應(yīng)變疲勞壽命之間的關(guān)系直線；對(duì)于顯示出非直線性能的混合料，瀝青硬度對(duì)于應(yīng)變疲勞壽命關(guān)系直線的斜率影響有如表1012所示。瀝青硬度對(duì)混合料疲勞曲線斜率的影響數(shù)據(jù)表1012瀝青針入度405090110190210應(yīng)變疲勞壽命關(guān)系線的斜率353416由于瀝青硬度對(duì)溫度的敏感性很大，因而采用瀝青的軟化化點(diǎn)作為試驗(yàn)參數(shù)更為合理。根據(jù)佩爾的報(bào)告，瀝青軟化點(diǎn)對(duì)混合料的疲勞反應(yīng)有著重要影響。在一定的瀝青用量下，瀝青軟化點(diǎn)越高，混合料疲勞壽命就越長(zhǎng)，如圖1015所示。混合料的空隙率混合料的空隙率對(duì)疲勞性能的影響如圖1016所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，混合料的疲勞壽命隨空隙率的降低而顯著增長(zhǎng)。這個(gè)規(guī)律，既適用于控制應(yīng)力加載模式的試驗(yàn)，也適用于控制應(yīng)變加載模式的試驗(yàn)。圖1013及1014圖1015圖1016通常，密級(jí)配混合料要比開(kāi)級(jí)配混合料有較長(zhǎng)的疲勞壽命。圖1017所示為混合料中不同填料含量對(duì)疲勞壽命的影響。一般情況下，混合料的空隙率是隨填料用量的增多而減小的。增多填料會(huì)使整個(gè)集料級(jí)配發(fā)生變化。由圖可知，疲勞壽命的高峰值出現(xiàn)在填料約為混合料總重的9處，其時(shí)空隙率約為05，再次證明了高的疲勞壽命是同低的空隙率密切聯(lián)系的。混合料用量在9以下，在混合料內(nèi)加入少量填料就能使疲勞壽命大大地延長(zhǎng)；但當(dāng)填料用量繼續(xù)增加時(shí)，將會(huì)影響混合料密實(shí)度以及由于瀝青用量不足而使瀝青從較大面積礦料上剝落引起試件破壞，從而影響疲勞壽命。由于行車荷載壓實(shí)可使路面混合料的密實(shí)度增加，從而使疲勞壽命得以延長(zhǎng)。拉西和斯特林通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)認(rèn)為，行車的補(bǔ)充壓實(shí)作用能使試件在25時(shí)的疲勞壽命大致增長(zhǎng)三倍。試驗(yàn)是在疲勞試驗(yàn)以前，將試件放在滾輪試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，承受行車作用的方式進(jìn)行的。埃普斯和加萊韋（BMGALLAWAY）所作的野外測(cè)量表明，行車壓實(shí)的主要作用一般產(chǎn)生在兩年左右的時(shí)間以內(nèi)。厄科脫進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)路面在長(zhǎng)期行車壓實(shí)下，所達(dá)到的密實(shí)度與擊實(shí)75次馬歇爾試驗(yàn)所成型的試件相當(dāng)接近。作為合理估計(jì)路面壓實(shí)和老化的綜合相對(duì)作用，這個(gè)過(guò)度時(shí)間可以考慮為四年。圖1018為瀝青混合料由馬歇爾設(shè)計(jì)方法擊實(shí)50次變?yōu)?5次對(duì)疲勞壽命影響的試驗(yàn)資料。由圖可知，提高混合料壓實(shí)度對(duì)疲勞壽命的有利影響與瀝青含量有關(guān)。當(dāng)瀝青含量由4變?yōu)?時(shí)，相對(duì)疲勞壽命以急劇的速率下降，對(duì)于5至55之間的瀝青含量，疲勞壽命的比率幾乎接近于一個(gè)常數(shù)，即擊實(shí)75次混合料的室內(nèi)疲勞壽命約為擊實(shí)50次混合料的四倍。圖1017圖1018集料的表面性狀由于集料的表面紋理、形狀和級(jí)配可以影響混合料中的空隙結(jié)構(gòu)，即空隙的大小、形狀與連貫狀況以及瀝青的適宜用量和瀝青同集料的相互作用情況，因而可以對(duì)疲勞壽命表現(xiàn)出不同的影響。棱角尖銳，表面粗糙的開(kāi)式級(jí)配集料通常由于難以壓實(shí)而造成高的空隙率，這可能是引起裂縫的原因并進(jìn)而導(dǎo)致瀝青混合料疲勞壽命的縮短。另一方面，粗糙有棱角但級(jí)配良好的集料可以產(chǎn)生勁度值相對(duì)高的混合料，而紋理光滑的圓集料形成勁度較低的混合料，因而對(duì)疲勞可以產(chǎn)生不同的影響。根據(jù)吉梅內(nèi)茲（RAJIMENEZ）和加萊韋的試驗(yàn)資料，含粗紋理集料的混合料和含光滑集料的混合料相比，由于前者能適應(yīng)較多的瀝青含量，因而可顯示出較長(zhǎng)的疲勞壽命，如圖1019所示。休格和格里沙姆（EYHUANGDAGRISHAM）通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論，混合料的平均疲勞壽命與其細(xì)集料的顆粒指數(shù)之間存在著一定的關(guān)系，即混合料的疲勞壽命隨細(xì)集料顆粒指數(shù)的增大而增加，如圖1020所示。顆粒指數(shù)是用以衡量集料幾何特征的一個(gè)指標(biāo)。集料顆粒形狀愈不規(guī)則，愈有棱角和表面愈粗糙，則顆粒指數(shù)愈大；反之則愈小。例如，光滑的鋁圓球，顆粒指數(shù)等于零，圓角光滑的礫石等于4，粗糙有棱角的軋制碎石等于20。圖1019圖1020試驗(yàn)的混合料在總空隙率幾乎相同的條件下，顆粒指數(shù)較大的細(xì)集料對(duì)疲勞壽命所以能產(chǎn)生叫好的影響，可能是由于這種集料中孔隙的特殊形狀、方位及其分布使疲勞裂縫的形成和貫通更加困難；也可能由于這種集料的表面積大，表面紋理粗糙，可以與瀝青形成較強(qiáng)的粘結(jié)，因而減少交接面裂縫并限制了疲勞裂縫的擴(kuò)展。同時(shí)，這種集料混合料的瀝青含量更接近于最佳疲勞性能所需的數(shù)量。環(huán)境條件溫度、濕度以及路面在使用過(guò)程中使混合料性質(zhì)發(fā)生本質(zhì)改變的大氣因素對(duì)疲勞性能都可產(chǎn)生極為重要的影響。溫度在控制應(yīng)力加載模式試驗(yàn)中，表現(xiàn)為疲勞壽命隨溫度的降低而增長(zhǎng)，如圖1021。但是，采用控制應(yīng)變加載模式時(shí)，當(dāng)試驗(yàn)在低溫時(shí)進(jìn)行時(shí)，疲勞壽命較少地依賴于溫度；而當(dāng)溫度增加時(shí)，則疲勞壽命隨之增長(zhǎng)，如圖1022。圖1021圖1022溫度對(duì)于疲勞性能的影響可以用混合料勁度來(lái)解釋。溫度在一定限度內(nèi)下降時(shí)，瀝青混合料的勁度就增加，試件在承受一定應(yīng)力的條件下所產(chǎn)生的應(yīng)變就小，因而在控制應(yīng)力加載模式的試驗(yàn)中，導(dǎo)致有較長(zhǎng)的疲勞壽命；而在控制應(yīng)變的試驗(yàn)中，溫度增加引起混合料勁度降低，使裂縫擴(kuò)展速度變慢而導(dǎo)致疲勞壽命得以增長(zhǎng)。蓋里凱和韋納脫（RGUERICKEFWEINERT）根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，在低溫時(shí)控制應(yīng)力加載模式所得的破壞疲勞壽命與控制應(yīng)變的加載模式的試驗(yàn)結(jié)果基本相近。但在較高溫度下兩種加載模式所得的破壞疲勞壽命之間的差值N則頗為顯著，如圖1023所示。圖1023濕度有關(guān)濕度和大氣因素這方面的工作進(jìn)行地很少。預(yù)計(jì)濕度的作用可使混合料的勁度減小，瀝青混合料在大氣因素作用下的老化過(guò)程可使其勁度增高。瀝青混合料在這些因素作用下的疲勞反應(yīng)可以通過(guò)勁度的變化繼而得到體現(xiàn)。通常老化瀝青混合料的抗疲勞性能要比未老化瀝青混合料的差。表1013系根據(jù)諸多試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)列出的影響瀝青混合料勁度和疲勞性能的有關(guān)因素資料，可作為考慮疲勞的混合料設(shè)計(jì)的指南。例如，若采用的是一種厚的瀝青混凝土面層結(jié)構(gòu)（15CM），則在野外可用接近于控制應(yīng)力的加載模式，因此由表1013可以看出，采用一種硬的道路石油瀝青和一種粗糙而有棱角的密級(jí)配集料混合料對(duì)路面的疲勞是有利的，這種結(jié)構(gòu)5CM），則采用控制應(yīng)變的加載模式是適宜的。在這種情況下，采用軟的道路石油瀝青和一種圓形光滑紋理和含細(xì)集料將對(duì)路面的抗疲勞性有利。同樣，這種混合料的空隙率應(yīng)當(dāng)?shù)投鵀r青含量相對(duì)地高。影響瀝青混合料勁度和疲勞性能的因素表1013疲勞強(qiáng)度因素因素的改變勁度控制應(yīng)力加載模式控制應(yīng)變加載模式荷載加載速率加載時(shí)間增增增減增減減增材料性質(zhì)及組成瀝青含量瀝青針入度集料表面性狀集料級(jí)配空隙率增增增加粗糙度和棱角由開(kāi)式到閉式增有最佳值減增增減有最佳值減增增減增增減影響可忽略減環(huán)境溫度增減減增但是，對(duì)于介于上述兩種厚度之間的瀝青面層結(jié)構(gòu)，應(yīng)該采用中等硬度（例如針入度80100）的道路石油瀝青，瀝青含量應(yīng)相對(duì)地高，而且，混合料應(yīng)當(dāng)壓實(shí)地很好。表面紋理粗糙的密級(jí)配集料將顯得適宜，因?yàn)樗苓_(dá)到瀝青含量高而不致產(chǎn)生穩(wěn)定度低的混合料。預(yù)測(cè)瀝青路面疲勞壽命的方法目前研究疲勞特性的試驗(yàn)仍集中在室內(nèi)試件或室外工程的疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)耗資巨大幾乎是疲勞研究的所有領(lǐng)域面臨的問(wèn)題。由于受金費(fèi)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及技術(shù)手段等條件的限制，在較廣范圍內(nèi)進(jìn)行瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)是不可能的，因此，近年來(lái)世界各國(guó)均展開(kāi)了預(yù)測(cè)瀝青混合料疲勞性能的研究，以節(jié)省疲勞試驗(yàn)大量消耗的時(shí)間和資金。確定瀝青混合料疲勞曲線的簡(jiǎn)化方法為了達(dá)到預(yù)測(cè)疲勞性能的目的，英國(guó)諾丁漢大學(xué)，殼牌公司和美國(guó)瀝青協(xié)會(huì)等提出了一些簡(jiǎn)化疲勞試驗(yàn)方法。諾丁漢大學(xué)通過(guò)對(duì)各種瀝青混合料室內(nèi)疲勞試驗(yàn)的研究，建立了拉應(yīng)變，疲勞荷載作用次數(shù)，瀝青含量和軟化點(diǎn)的關(guān)系式1439LGVB242LGTRB407LGNLGT513LGVB863LGTRB158式中T允許拉應(yīng)變；N荷載作用次數(shù)；VB瀝青體積百分比；TRB瀝青軟化點(diǎn)。當(dāng)拉應(yīng)變100106時(shí)，混合料的疲勞壽命同瀝青用量和軟化點(diǎn)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為L(zhǎng)GN413LGVB695LGTRB式中N試件在常量應(yīng)變100106時(shí)達(dá)到破壞的加載次數(shù)；VB瀝青的體積百分率；TRB用環(huán)球法測(cè)定的瀝青軟化點(diǎn)。根據(jù)疲勞曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上成直線的特性，由上述兩式即可求得瀝青混合料的疲勞曲線。用消耗能原理預(yù)測(cè)瀝青路面疲勞瀝青混合了是一種粘彈性材料，它的力學(xué)特性依賴于荷載作用時(shí)間和溫度。它的綜合模量是由恒定模量（彈性部分）和損耗模量（粘性部分）組成的。這兩部分分別對(duì)應(yīng)于綜合模量的實(shí)部和虛部。根據(jù)VANDIJK等人的研究，瀝青混合料的疲勞強(qiáng)度主要取決于損耗模量和應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)過(guò)程中的能耗。這一方法的主要特點(diǎn)是疲勞試驗(yàn)中的總能耗和循環(huán)荷載的重復(fù)作用次數(shù)之間存在著某一特定關(guān)系。1987年SHELL路面設(shè)計(jì)手冊(cè)引入這一概念，作為預(yù)測(cè)瀝青混合料疲勞壽命的方法。近年展開(kāi)的SHRP研究計(jì)劃也采用能量方法研究瀝青混合料的疲勞響應(yīng)問(wèn)題。瀝青混合料是一種典型的粘彈性材料，圖1024是采用三分點(diǎn)加載，控制應(yīng)變的梁彎曲疲勞試驗(yàn)的實(shí)測(cè)滯后回路曲線。下面詳細(xì)介紹承受周期正弦函數(shù)，控制應(yīng)變的梁彎曲疲勞試驗(yàn)的滯后回路方程及每個(gè)循環(huán)荷載的能量損失。圖1024當(dāng)瀝青混合料梁承受一個(gè)周期的正弦應(yīng)變ASINT作用時(shí)，梁會(huì)以同樣頻率產(chǎn)生一個(gè)BSINT的應(yīng)力響應(yīng)，這個(gè)過(guò)程可用圖1028表示。對(duì)于圖1028所示的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，消去時(shí)間參數(shù)后，就可以得到滯后回路方程X2/A2Y2/B22XYCOS/ABSIN2本方程是一個(gè)橢圓方程，這與圖1025所實(shí)測(cè)得到的滯后回路是基本一致的。圖1025在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，能量損失是由于塑性變形所消耗。這些消耗的能量并沒(méi)有被轉(zhuǎn)換成應(yīng)變能，而是被轉(zhuǎn)換成熱能。每個(gè)周期的能耗可以通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變的滯后回路的面積來(lái)決定。在整個(gè)疲勞壽命過(guò)程中，總能量是所有滯后回路面積的總和，令A(yù),B,則能耗W為W02/ABSINTCOSTDTABSINSIN對(duì)于周期疲勞正弦荷載下的疲勞試驗(yàn)，能耗按如下公式計(jì)算WIIISINI式中WI第I次荷載時(shí)能耗；I第I次荷載產(chǎn)生的應(yīng)力幅值；I第I次荷載產(chǎn)生的應(yīng)變幅值；I第I次荷載下，應(yīng)力應(yīng)變相位差。因此達(dá)到破壞時(shí)總能耗W可定義為WFIISININI1式中NF達(dá)到疲勞破壞時(shí)的荷載重復(fù)作用次數(shù)；WF達(dá)到破壞時(shí)總能耗。大量力學(xué)試驗(yàn)表明，不同應(yīng)力水平下，瀝青混合料的疲勞壽命NF和達(dá)到疲勞破壞時(shí)的總積累能耗WF可以用下式來(lái)表示W(wǎng)FANFZ式中NF疲勞壽命；WF總積累能耗；A、Z由試驗(yàn)確定的系數(shù)。利用本式就可以來(lái)預(yù)測(cè)瀝青路面的疲勞壽命。諾謨圖法預(yù)測(cè)疲勞性能FF納波爾研究了其他工作者在疲勞試驗(yàn)中得到的幾十根應(yīng)力應(yīng)變疲勞曲線，提出了用混合料勁度模量等復(fù)合參數(shù)預(yù)測(cè)瀝青混合料疲勞壽命的諾謨圖如圖1026。圖1026試驗(yàn)結(jié)果與路用性能之間的關(guān)系由于室內(nèi)瀝青混合料疲勞特性試驗(yàn)條件與實(shí)際道路上的情況有較大差別，因此由室內(nèi)疲勞試驗(yàn)所獲得的疲勞方程并不能直接用于實(shí)際道路的疲勞壽命預(yù)估，必須進(jìn)行必要的修正和調(diào)整，這是一個(gè)十分復(fù)雜而又不易確切解決的問(wèn)題。PSPELL根據(jù)他的研究指出，由室內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換為實(shí)際路面上的應(yīng)用，可能要乘以一個(gè)5700的系數(shù)，主要考慮的影響因素有加載間歇時(shí)間、裂縫發(fā)展和橫向分布等影響。荷載間歇時(shí)間影響國(guó)外對(duì)荷載間歇時(shí)間有許多研究工作，KDRAITHBY和ABSTERLING根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，間歇時(shí)間大于05S時(shí)，有間歇時(shí)間和無(wú)間歇時(shí)間的疲勞壽命的比值趨于穩(wěn)定，40時(shí)比值為5，10和25時(shí)比值為1525。VANDIJK等的試驗(yàn)表明，在10時(shí)應(yīng)變?yōu)?00和瀝青針入度為40/50條件下，當(dāng)間歇時(shí)間與荷載作用時(shí)間的比值超過(guò)1時(shí)，有間歇時(shí)間和無(wú)間歇時(shí)間的疲勞壽命的比值穩(wěn)定為5。對(duì)于較稀的90/100瀝青，這個(gè)比值更大些。VERSTRAETEN的試驗(yàn)結(jié)果表明，在室內(nèi)試驗(yàn)中引入間歇時(shí)間，可使容許加載次數(shù)擴(kuò)大20倍。裂縫擴(kuò)展的影響裂縫擴(kuò)展的影響是一個(gè)極為復(fù)雜的問(wèn)題，由于瀝青混合料是一種非均勻的復(fù)合材料，室內(nèi)的疲勞試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)受到裂縫擴(kuò)展的影響，而造成同一種混合料的疲勞試驗(yàn)結(jié)果相差數(shù)倍，甚至更大。室內(nèi)的試件是簡(jiǎn)支狀態(tài)，而路面瀝青混合料是受到基層支承，受力狀態(tài)由室內(nèi)的單向彎拉變?yōu)橐巴獾碾p向彎拉，考慮裂縫從底面擴(kuò)展到頂面，瀝青路面實(shí)際疲勞壽命可按瀝青混合料室內(nèi)疲勞試驗(yàn)確定的破壞疲勞壽命乘以20倍來(lái)計(jì)算。行車荷載橫向分布系數(shù)影響殼牌瀝青路面設(shè)計(jì)法采用橫向分布系數(shù)04,英國(guó)諾丁漢路面設(shè)計(jì)用09?？紤]上述因素后，可使瀝青面層的預(yù)估壽命增加許多倍。但不同研究工作者所考慮的倍數(shù)有很大差別。例如，1975年P(guān)ELL和COOPER采用修正系數(shù)100（間歇時(shí)間影響為5，裂縫擴(kuò)展影響為20）；1982年BROWN修正系數(shù)采用440（間歇時(shí)間和裂縫擴(kuò)展影響都用20，荷載橫向分布影響用11）。英國(guó)諾丁漢設(shè)計(jì)法對(duì)瀝青路面達(dá)到破壞時(shí)用440，對(duì)瀝青路面達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)用77。美國(guó)瀝青協(xié)會(huì)的疲勞方程只考慮了一個(gè)184的倍數(shù)。由此可以看出，所用的倍數(shù)有很大差別。這是一個(gè)尚待進(jìn)一步深入研究的課題。第三節(jié)瀝青路面的水穩(wěn)定性由于瀝青路面的耐久性主要依靠瀝青與集料之間的粘附程度，雖然施工方法，交通條件，環(huán)境因素以及混合料的性質(zhì)也對(duì)瀝青路面性質(zhì)有影響，但水和礦料的作用是影響瀝青路面耐久性的主要因素之一。在我國(guó)，水損害問(wèn)題仍然是一個(gè)尚未被充分認(rèn)識(shí)的潛在危險(xiǎn)。無(wú)論在冰凍地區(qū)，還是在南方多雨地區(qū)，水損害都有可能發(fā)生。水害發(fā)生后使瀝青與集料脫離，從而使路面出現(xiàn)松散、剝離、坑洞等病害，嚴(yán)重危害道路的使用性能。瀝青路面水穩(wěn)性作用機(jī)理及粘附理論作用機(jī)理瀝青路面的水損害與兩種過(guò)程有關(guān)，首先水能浸入瀝青中使瀝青粘附性減小，從而導(dǎo)致混合料的強(qiáng)度和勁度減小；其次水能進(jìn)入瀝青薄膜和集料之間，阻斷瀝青與集料表面的相互粘結(jié)，由于集料表面對(duì)水比瀝青有較強(qiáng)的吸附，從而使瀝青與集料表面的接觸角減小，結(jié)果瀝青從集料表面剝落。剝落破壞包括兩種狀態(tài)，其一是自身的剝落破壞，其二是在交通荷載作用下路面的破壞。許多瀝青路面在混合料內(nèi)部發(fā)生剝落破壞時(shí)，而路面結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生破壞。如果在路面內(nèi)部的剝落增加，路面的變形和破壞可能是在荷載重復(fù)作用下發(fā)生。剝落破壞可導(dǎo)致坑洞、剝蝕。瀝青與集料的粘附性同瀝青和集料的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，一般認(rèn)為親水集料比憎水集料更容易引起剝落。粘附理論水穩(wěn)性破壞的作用機(jī)理，主要依據(jù)是粘附理論。粘附是指一種物體與另一種物體粘結(jié)時(shí)物理作用或分子力。影響瀝青與集料之間粘結(jié)力因素包括瀝青與集料表面的截面張力，瀝青與集料的化學(xué)組成，瀝青粘性，集料的表面構(gòu)造，集料的孔隙率，集料的清潔度及集料的含水量和集料與瀝青拌和溫度。四種簡(jiǎn)要的理論可用來(lái)解釋瀝青集料間的粘附性，這些理論包括力學(xué)理論，化學(xué)反應(yīng)理論，表面能理論及分子定向理論。力學(xué)理論礦料的表面通常是粗糙與多孔的，從微觀角度來(lái)看是粗糙而高低不平的。這種粗糙增加了骨料的表面積，使瀝青與礦料的粘合面積大，提高了兩者之間總的粘結(jié)力。此外，礦質(zhì)骨料的表面存在各種形狀，各種取向與各種大小的孔隙、微裂縫。由于吸附與毛細(xì)作用，瀝青滲入上述孔隙與裂縫，增加了兩者結(jié)合的總的內(nèi)表面積，從而提高了總的粘結(jié)力。再者，瀝青在高溫以液相滲入骨料孔隙與微縫隙中，當(dāng)溫度下降時(shí)，瀝青則在孔隙中發(fā)生膠凝硬化，這種契入與錨固作用，形成了瀝青與骨料之間的機(jī)械粘合力。這就是說(shuō)，在瀝青與礦料的粘附過(guò)程中，機(jī)械力是一種普遍存在的粘合力。但是瀝青與寬料的粘合過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，僅僅認(rèn)為其間只有機(jī)械粘合力，就把問(wèn)題看地過(guò)于簡(jiǎn)單了?；瘜W(xué)反應(yīng)理論該理論認(rèn)為，堿性礦料與瀝青有較好