半刚性基层路面材料的疲劳性能研究进展
半刚性基层路面材料的疲劳性能研究进展
摘要：半刚性基层材料的疲劳性能直接影响整个路面的使用寿命。本文综述了半刚性基层材料疲劳性能在国内外的研究进展及存在的问题，为半刚性基层路面疲劳性能的进一步研究提供理论依据。
关键词：半刚性基层，疲劳特性，研究进展
半刚性基层材料因其优越的力学性能且材料来源广而被大量应用于路面结构中，但半刚性基层沥青路面普遍存在路面的早期破坏严重和耐久性差的技术问题，半刚性基层沥青路面的早期破坏一直是困扰着我国工程技术人员的一个主要问题。部分高速公路在开放交通1～2年即出现早期破坏，严重影响了道路使用性能，有的不得不进行修复，给公路建设造成严重的经济损失和社会影响。半刚性基层材料的抗拉强度远小于其抗压强度，若结构层底的弯拉应力超过其疲劳强度，在车辆荷载的重复作用下，基层底部便产生裂缝，并逐渐向上发展，并最终导致面层的开裂。半刚性基层材料的疲劳性能是沥青路面结构性能的重要基础。本文主要在阅读大量文献的基础上，综述半刚性基层路面材料疲劳性能在国内外的研究进展及存在的问题。
1研究背景
疲劳试验最早始于德国，首次论述疲劳问题并提出“疲劳”是在法国，德国的A.沃勒奠基了疲劳研究的基础，他最早得到表征疲劳性能的S-N曲线并提出了疲劳极限的概念。1945 年美国 M.A.迈因纳明确提出了疲劳破坏的线性损伤累积理论。此后，断裂力学的进展丰富了传统疲劳理论的内容，促进了疲劳理论的发展。20世纪20 年代概率统计方法开始应用于疲劳试验数据的处理，概率疲劳分析和设计从电子产品发展到机械产品，在航空、航天工业的先导下，开始了概率统计理论在疲劳设计中的应用。
1942年有研究指出，路面在行车作用下会产生疲劳破坏，之后又指出路面疲劳裂缝的产生是重复行使的车轮引起的弯拉应力超过材料抗拉强度的结果，从而将路面疲劳与应力应变状态联系起来。AASHO公路使用结构的检验也揭示了路面的疲劳破坏是路面的重复弯曲引起的。因此，各国的设计规范均将各层底部的拉应力作为设计指标，其中最著名的当属SHELL 设计法和AI设计法。我国也将层底的拉应力作为验算指标，提出结构强度系数Ｋ，由于Ｋ由荷载重复作用次数决定，实际上也是疲劳寿命设计。可见材料的疲劳问题在道路工程设计中具有的重大意义。
2国内外研究现状
2.1国外研究现状
壳牌的路面设计方法中包括了弯拉应力疲劳标准，壳牌设计方法中的和法国所用的半刚性结合料稳定材料的典型疲劳方程为：
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虽然当前国际上有不少路面设计方法中对于半刚性结合料稳定材料采用限制拉应力，但是仍有不少争论，有一些研究工作者主张采用拉应变。普利多列斯和莫涅史密斯研究了许多弯拉疲劳试验的应变历史，认为在大部分疲劳寿命期间，应变是不变的，此后应变才开始增加，并且增加速率变快，直到试件破坏。
澳大利亚的路面设计方法采用拉应变为标准，并提出大约50％的破坏应变可以进行106次反复作用；美国Dempsey等认为半刚性材料的疲劳曲线接近于波特兰水泥协会（PCA）的疲劳曲线。南非对水泥处治层性状分为三个阶段：疲劳开裂前阶段；疲劳开裂阶段；疲劳开裂后阶段。在疲劳开裂前阶段抗压回弹模量在3000～4000MPa。随后在荷载的作用下，水泥处治层的裂缝较少，且碎块的尺寸是层厚的1～5倍，此时模量值是1500～2000MPa。最后，在开裂后阶段，材料的抗压模量大约为200～300MPa，其性能与粒料层相同。路面结构层中基层的开裂密度的增大使模量减小，是定性描述了模量衰变的过程，并没有定量分析；丹麦FinnThegersen等人对半刚性路面的回弹模量进行了回归和预测。下图1的预测曲线是半对数关系。损伤的程度逐渐减少，模量随作用次数的增加而减少。经过106次作用后，模量值衰变为3％。
图1不同路面强度的10000MPa 半刚性材料的衰变
2.2国内研究现状
我国“七五”期间，“高等级公路半刚性基层沥青路面结构设计和抗滑表层的研究”专题曾对6％水泥砂砾和20︰80石灰粉煤灰砂砾进行了梁式试件弯曲疲劳试验并得出了疲劳方程；“八五”期间，“高等级公路半刚性基层沥青路面典型结构设计研究”专题和沥青路面结构的可靠性研究两个课题又做了四种半刚性材料的疲劳试验，得出了带有存活率的四种半刚性材料的疲劳寿命预估方程。为便于应用，将水泥碎石、水泥土、二灰砂砾的疲劳寿命预估方程用一个方程来表示：
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试验表明，半刚性基层材料的力学特性接近于线弹性材料，在疲劳试验过程中，残余应变随荷载作用次数的增加而增大，但与回弹应变的比值很小，特别是在中、长寿命区，残余应变更小。
山西省交通科学研究所曾进行二灰碎石、二灰砂砾、碎石灰土等几种半刚性材料的抗弯拉疲劳试验；《公路沥青路面设计规范》（JTGD50－2006）曾将各种半刚性材料的疲劳方程按稳定集料类、稳定土类分别进行整理、回归，得到了疲劳方程；沙爱民采用弯曲疲劳试验对半刚性基层材料也做了大量研究（采用的试件尺寸为100mm×100mm×400mm，采用应力加载控制方式，加载频率为8Hz），得到了石灰砂砾、水泥砂砾和二灰砂砾的疲劳方程；叶国铮采用劈裂疲劳试验的方法，试件采用10×10的圆柱体试件对水泥砂砾（7︰93）的疲劳性能做了研究；王昌衡用弯曲疲劳试验对水泥土进行了疲劳性能试验研究得到存活率50％的疲劳方程；王建明等对石灰增钙渣混合料进行疲劳特性试验。试验过程中发现：石灰增钙渣混合料(稳定细粒土)在重复加载过程中，得出材料的应力与应变的相位角趋近于零，几乎检测不到，所以材料呈弹性性质，动弹模量随荷载作用次数增加而线性减小。
3存在的问题
目前对半刚性基层材料疲劳特性的研究主要采用室内疲劳试验的方法，将半刚性基层材料的初始状态同最终的疲劳寿命通过疲劳试验和应用统计分析方法联系起来。这是一种宏观的、表观的研究方法。它并未探讨疲劳损伤产生和发展的机理，也没有建立起统一的疲劳损坏标准。各种材料因素和试验条件因素对疲劳特性和寿命的影响，只能依靠试验数据和统计方法予以分析，使得分析结果缺乏统一性、必然性和唯一性。
由于半刚性基层材料的组成和性质的差异较大，各国所采用的试验仪器和方法不统一，选用不同的半刚性基层材料，因此，难于通过试验数据得到统一的室内疲劳关系式，而半刚性基层材料疲劳寿命随材料、结构、施工、环境和荷载作用等条件的不同，变异更大。更难在室内疲劳试验结果与路面疲劳寿命之间建立稳定、同一和可靠的预估模型。目前建立的疲劳预估模型难免带有经验性的特点。
4小结
半刚性基层路面材料在公路建设中用量巨大，但是关于疲劳问题存在理论与实践的统一，得出的试验结果离散性较大，缺乏横向之间的比较，因此室内的疲劳试验和路面疲劳寿命之间尚未建立稳定联系，有待进一步研究。
参考文献：
[1] 韩毅,邢凯. 水对沥青路面疲劳寿命影响初探[J].黑龙江交通科技,2005,132（2）：28-29.
[2]陈贺新.半刚性沥青路面混合料的疲劳与开裂分析[J].交通标准化，2003，114（115）：65-68.