沥青抗疲劳性指标与评价方法

图1 沥青路面疲劳开裂

上个世纪6O年代，Pell采用动态力学分析仪 (DMA)开展 了沥青疲劳性能研究。但直到 90 年代末，美国 SHRP 引进 DSR并用于测定沥青结合料的疲劳性能，并将疲劳因子列 入SUPPERPAVE沥青技术规范，沥青疲劳性能才引起广泛重 视。随后，NCHRP Project9—10研究项目提出了基于动态 剪切仪的沥青Tim eSweep，通过测试复数模量G*、相位角 δ 等指标随剪切次数的变化，采用表象法或能量耗散法分 析沥青疲劳性能。 目前，国内外学者应用 DSR和Time Sweep，提出了疲劳 因子G*sinδ (剪切损失模量)、Nf50(G*衰减至50％对应的加 载次数)以及基于耗散能理论的各种疲劳寿命等多种沥青 疲劳性能评价指标。
沥青抗疲劳性指标与评价方法
目录
前言 概述
**
G Gsinδ疲劳因子 sinδ疲劳因子 Nf50指标
基于耗散能理论的疲劳性能分析方法 基于耗散能理论的疲劳性能分析方法
问题与展望
1 概述

疲劳开裂是在反复交通荷载作用下沥青混合料疲劳损伤 不断累积而造成的裂缝产生、发展、汇集直至形成宏观裂 缝的过程。沥青混合料疲劳裂缝最初产生于沥青胶浆内部 或沥青与集料界面，因此沥青疲劳性能对沥青混合料抗疲 劳开裂能力影响显著。研究表明沥青对混合疲劳性能的贡 献率达52％(相关性0.52)，这也表明了开展沥青疲劳性能 研究的重要性。

谢 谢

3）在宏观裂缝生成阶段，裂缝迅速扩展汇集，表现为 每次加载的耗散能显著增长。
缺陷：累积耗散能对基质沥青和改性沥青规律不一致，且 无法明确确定沥青的疲劳寿命，同时基于耗散能理论的各 种疲劳判定指标仍有待完善。

5 问题与展望

由于试验模式难以全面反映沥青的疲劳破坏过程，且 试验指标与疲劳寿命间缺少足够的理论联系，因此用沥青 动态剪切流变试验的疲劳因子评价沥青疲劳性能存在精度 不足等情况，尤其对于改性沥青，其评价效果更差。沥青 动态剪切“时间－扫描”试验能够反映沥青疲劳破坏的全 过程，更适于评价沥青疲劳性能，但不适于橡胶沥青等改 性剂粒径较大的改性沥青。 因此，寻求一种能够合理描述沥青疲劳过程的测试方法 并建立可准确评价沥青疲劳性能的指标是一项有意义但非 常困难的工作。当前沥青疲劳性能分析方法和评价指标仍 需要进一步深入研究。
*

研究表明，在应变控制模式下，相同应变水平和温度下 的沥青疲劳寿命Nf50与沥青混合料疲劳寿命(劲度模量降低 至50％)的相关系数从0.66—0.90不等，平均为0.84。另 外，N f50 与耗散能法定义的疲劳寿命存在较好相关性。因 此，N f50 可作为评价沥青疲劳性能简单但较为合理的指标。 尽管如此， Nf50 一直因其定义的随意性和缺乏理论支撑 而饱受争议。在采用DSR测试Nf50的试验中，温度、加载模 式、应力应变水平等也都没有形成一个统一的标准，因而 也无法形成规范进行推广。Nf50 只能作为评价沥青疲劳的 经验性指标，其准确性受到多种因素影响。
特点：简单直观，易于获得，并且与混合料疲劳指标劲 度下降到初始劲度50％相一致，成为广泛采用的评价沥青 结合料疲劳的经验性指标。 在采用DSR 进行沥青疲劳性能试验中，应力控制模式和 * 应变控制模式所获得的G 和加载次数的关系存在明显区别。 * 在应变控制模式下，G 在经历一段平稳的小幅下降后，斜 率逐渐增加，但不会突然急速下降，即不会出现瞬间断裂。 如图2所示：

4 基于耗散能理论的疲劳性能分析方法

由于G sinδ和Nf50等疲劳指标存在一定的缺陷，研究者们迫切希望
*
寻求能够准确评价沥青疲劳性能、具有明确物理意义的方法和指标。
近年来，基于耗散能理论的沥青疲劳性能分析方法成为研究热点。
Байду номын сангаас
耗散能理论主要包含能量比、累积耗散能比、耗散能变化率三种评
价指标。


2 G sinδ疲劳因子

*
G sinδ ：是指沥青损失剪切模量，其值越大则加载过 程中试件的能量损失越快，损失的能量与试件在加载过程 中的疲劳损伤有直接联系，其值越小则疲劳损伤发展越慢， * 疲劳性能越好。G sinδ 作为疲劳因子被引人 SUPPERPAVE * 沥青路用性能技术规范。但 G sinδ 被纳入规范后在不长 时间内引起大量的争议： 1）G sinδ 是在线性、粘弹性范围内，在较小应变、少 量剪切作用次数下的测试结果，并不能反映实际路面疲劳 开裂力学状态和过程；
对于材料疲劳破坏过程中普遍存在的三个阶段，即未产生疲劳损伤 阶段、微观裂缝产生与扩展阶段、宏观裂缝生成阶段。而耗散能理论
可以很好地描述沥青疲劳的过程，在沥青疲劳性能研究中具有重要作
用：

1）在未产生疲劳损伤阶段，每次加载的耗散能保持基本不变，耗
散能由粘弹性阻尼产生，几乎不对材料产生破坏；

2）微观裂缝产生与扩展阶段，每次加载的耗散能逐渐 增加，裂缝的产生消耗了除粘弹衰减之外更多的能量；


图2 应变控制模式下G*与加载关系曲线
图3 应力控制模式下G*与加载关系曲线

在应力控制模式下，G 首先经历一段平稳小幅上升，之 后急速下降并瞬间破坏。可见，在应力控制模式下沥青结 合料最终会完全破坏，并且迅速发生，因此它的疲劳破坏 * 不容易判断。在应力控制模式下，同样处于G 急速下降阶 段，这与应变控制模式具有相似性。如图3所示：
*
*


2）G sinδ 作为疲劳性能评价指标是采用普通沥青为研 * 究对象得出的结论，而研究表明，改性沥青 G sin δ 与沥 * 青混合料疲劳寿命相关性极低(最大0.232)，表明G sinδ 并不能准确表征改性沥青的疲劳性能。
*
3 Nf50指标

Nf50指标：是指采用以初始模量降低至50％时对应的加 载次数为疲劳寿命，作为疲劳破坏判定标准。