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1、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,有的通车几年后由于损坏严重、疲劳裂缝过多就不得不
2、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
3、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
4、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著。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
5、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，
6、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
7、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）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
8、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
