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摘要：随着我国汽车数量日益增长，道路交通量也不断增长，部分路段长期经受着车轮的反复碾压，使得路面结构发生疲劳破坏，大大减少了道路的使用寿命。因此，沥青混合料疲劳性的研究将会为提高沥青混合料路面的使用寿命具有积极意义。本文主要介绍了国内外沥青混合料疲劳性试验的研究方法。
关键词：沥青混合料;疲劳性;疲劳模型;试验方法
随着我国高速公路不断的修建，公路质量也出现了一些出现参差不齐的情况。路面使用期间经受车轮荷载反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。在荷载作用达到一定的次数以后，路面结构就会出现疲劳破坏。到目前为止，针对沥青混合料的疲劳性能主要有三种研究方法：现象学法、断裂力学法和耗散能法。
1 沥青混合料疲劳模型研究
疲劳模型是沥青混合料疲劳性能研究的核心。通过建立力学响应与荷载作用次数的关系，预测沥青混合料疲劳寿命，进而预估沥青路面的疲劳破坏。国内外研究者通过不同途径研究沥青混合料的疲劳性能，提出了不同的沥青混合料疲劳模型。这些模型基本上可以分为三类[1][2]。
1.1 现象学法
现象学法，即传统的疲劳理论方法，它采用疲劳曲线表征材料的疲劳性质，认为沥青混合料的疲劳是在荷载重复作用下强度衰减累积引起的破坏现象，现象学模型共同之处在于都建立了沥青路面沥青层层底拉应变或拉应力与路面开裂时承受的累积荷载作用次数之间的关系。
1.2 断裂力学法
研究裂缝形成的机理以及应力、应变与疲劳寿命之间断裂力学法，即应用断裂力学原理分析疲劳裂缝扩展规律以确定材料疲劳寿命的一种方法。
1.3 耗散能法
沥青混合料是一种粘弹性材料，其疲劳破坏可以以能量的形式表示。累积耗散能对于疲劳寿命来说是一个独立的因素，仅与混合料本身的成分、沥青用量、碾压成型条件、集料分布均勻性等有关，而与试验方法、温度、加载模式、频率无关。当沥青混合料受到外部作用时，内部组织结构将发生变化以抵抗外部作用的影响，从而将不断地消耗能量，即以足够的耗散能来适应内部结构的重新有序变化。
2 沥青混合料疲劳试验方法
沥青混合料疲劳性能主要通过疲劳试验对其进行评价，选取合理的试验方法和试验参数是关键，目前对此尚未有统一认识。目前疲劳试验的方法大多是基于现象学法，归纳起来可以分为四类[3]。
2.1 基于现象学法的试验方法
第一类是实际路面在真实汽车荷载下的疲劳破坏试验，如美国试验路等，但试验耗费时间较长，且受现场气候条件影响
第二类是足尺路面结构模拟汽车荷载作用下的疲劳性能，包括环道试验和加载速率试验，主要有澳大利亚和新西兰的加速加载设备、南非国立道路研究所的重型车辆模拟车、美国华盛顿日立大学的室外大型环道和重庆公路科学研究所的室内大型环道疲劳试验。
第三类是样板实验法，包括脉冲压头式、轮胎加压式、动轮轮迹式和动板轮迹式等。
第四类是室内小型材料试件的疲劳试验。
由于前三类试验研究方法消耗大、周期长，且试验结果受当地环境及路面结构影响较大，开展得并不普遍，因此大量采用的还是周期短、费用少的室内小型疲劳试验。
2.2 室内小型疲劳试验
小型试件疲劳试验是将沥青混合料制作成一定尺寸的小型试件，选用可以对实际路面疲劳情况进行模拟的加载方式进行试验。目前实验室内沥青混合料的小型疲劳试验方法众多[4]，主要有简单弯曲疲劳试验、直接拉伸试验、间接拉伸疲劳试验、支承弯曲疲劳试验、单轴试验、室内轮碾疲劳试验和断裂力学试验。
2.3 简单弯曲疲劳试验
简单弯曲疲劳试验主要采用梁式截面，对试件施加重复荷载。简单弯曲试验主要有三种形式：中点加载或三分点加载的重复弯曲试验;旋转悬臂梁;梯形悬臂梁。
加州伯克利分校、美国地沥青协会、SHRP等采用三分点加载小梁弯曲疲劳试验，前者采用的试件尺寸为381mm×38.1mm×38.1mm，美国地沥青协会采用的试件尺寸为380mm×76mm×76mm，后者采用的试件尺寸为美国公路战略研究计划提出的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），试件尺寸为381mm×50mm×63.5mm，试验温度20℃，加载频率5～10Hz，采用应变控制模式测定试件劲度降低到初始劲度的荷载循环次数。我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中也是采用了中点加载的形式研究沥青混合料弯曲破坏的力学性能，试件尺寸为 250mm×30mm×35mm。壳牌石油公司采用中点加载的方式，在应变控制模式下进行沥青混合料的疲劳试验，试件尺寸为230mm×30mm×40mm。
英国诺丁汉大学采用一种旋转的悬臂梁设备，试件竖向安装在旋转悬管轴上，荷载作用于试件顶部，从而使整个试件都受到恒定的弯曲应力作用。大部分试验在10℃和1000r/min速度下进行。壳牌比利时的研究者和法国LCPC采用〝T〞型梁疲劳试验，梁的较粗一端固定，另一端受到正弦变化的应力或应变作用。如梁的尺寸合理，破坏将产生在试件高部和中部区域而不是基部。采用的试件粗端尺寸为55mm×20mm，顶端尺寸为20mm×20mm，高度为250mm。
2.4 间接拉伸疲劳试验
间接拉伸疲劳试验是沿圆柱体试件的垂直径向面作用平行的重复压缩荷载，使垂直于荷载的方向产生均匀的拉伸压力。这种加载方式在沿垂直径向面、垂直于荷载作用方向产生均匀拉伸应力，这种方法并不是将拉应力直接作用于试件，而是通过压的方式来达到拉的效果。间接拉伸这种试验试件制作简单，试验易于操作，被广大研究人员采用。试件直径为100mm，高为63.5mm，荷载通过以宽为12.5mm的加载压条作用在试件上。我国哈尔滨建筑大学利用圆柱体试件进行了间接拉伸试验（温度15℃，频率为1Hz），按照能量理论研究了沥青混合料的疲劳性能，用劈裂蠕变试验建立了疲劳特性的预估模型。同样采用圆柱体试件的还有英国诺丁汉大学开发的三轴疲劳试验方法，此方法采用的试件尺寸与间接拉伸试验不同，但采用的荷载模式相同，都是对试件施加正弦波形式的荷载。
2.5 支承弯曲试验
这种试验方法是为了更好的模拟实际路面的使用情况而建立起来的。采用橡胶垫或空气垫来支承圆板型试件，在试件中部施加重复性荷载，使试件内部产生的应力状态与路面的状态较为接近。
2.6 轮辙试验
为了模拟车轮对路面的作用，了解裂缝产生及扩展的规律，研究人员发展出了轮辙试验。该方法采用充气压力来改变接触面积，这种方法能够测量块体底部应变并能检测裂缝产生和扩展的情况。另外加州大学伯克利分校和俄亥俄州大学开发了断裂力学试验方法，并根据断裂力学原理建立了数学模型。
3 结语
国内外对沥青混合料疲劳性能进行广泛的试验研究，为提高沥青混合料的疲劳性能延长沥青路面使用寿命打下基础，然而仍然有许多问题尚未得到完全解决，需要进一步深入研究。
室内试验与现场状态有较大差异，室内试验与现场测试的数据处理还需要统一完善。
参考文献（References）：
[1] 彭波，李文瑛，危拥军.沥青混合料材料组成与特性北京：人民交通出版社，2007
[2] 谢军，杨群沥青混合料疲劳模型研究分析.交通科技.2006年第5期.
[3] 谢军，郭忠印.沥青混合料疲劳响应模型试验研究.公路交通科技.2007年 5月第24卷第5 期.
[4] Rowe G.M，Bouldin M.G.Improved techniques to evaluate the fatigue resistance of asphalt mixtures[A].2ndEuro asphalt and Euro bitumen Congress[C]，2000.
关键词：沥青混合料;疲劳性;疲劳模型;试验方法
随着我国高速公路不断的修建，公路质量也出现了一些出现参差不齐的情况。路面使用期间经受车轮荷载反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。在荷载作用达到一定的次数以后，路面结构就会出现疲劳破坏。到目前为止，针对沥青混合料的疲劳性能主要有三种研究方法：现象学法、断裂力学法和耗散能法。
1 沥青混合料疲劳模型研究
疲劳模型是沥青混合料疲劳性能研究的核心。通过建立力学响应与荷载作用次数的关系，预测沥青混合料疲劳寿命，进而预估沥青路面的疲劳破坏。国内外研究者通过不同途径研究沥青混合料的疲劳性能，提出了不同的沥青混合料疲劳模型。这些模型基本上可以分为三类[1][2]。
1.1 现象学法
现象学法，即传统的疲劳理论方法，它采用疲劳曲线表征材料的疲劳性质，认为沥青混合料的疲劳是在荷载重复作用下强度衰减累积引起的破坏现象，现象学模型共同之处在于都建立了沥青路面沥青层层底拉应变或拉应力与路面开裂时承受的累积荷载作用次数之间的关系。
1.2 断裂力学法
研究裂缝形成的机理以及应力、应变与疲劳寿命之间断裂力学法，即应用断裂力学原理分析疲劳裂缝扩展规律以确定材料疲劳寿命的一种方法。
1.3 耗散能法
沥青混合料是一种粘弹性材料，其疲劳破坏可以以能量的形式表示。累积耗散能对于疲劳寿命来说是一个独立的因素，仅与混合料本身的成分、沥青用量、碾压成型条件、集料分布均勻性等有关，而与试验方法、温度、加载模式、频率无关。当沥青混合料受到外部作用时，内部组织结构将发生变化以抵抗外部作用的影响，从而将不断地消耗能量，即以足够的耗散能来适应内部结构的重新有序变化。
2 沥青混合料疲劳试验方法
沥青混合料疲劳性能主要通过疲劳试验对其进行评价，选取合理的试验方法和试验参数是关键，目前对此尚未有统一认识。目前疲劳试验的方法大多是基于现象学法，归纳起来可以分为四类[3]。
2.1 基于现象学法的试验方法
第一类是实际路面在真实汽车荷载下的疲劳破坏试验，如美国试验路等，但试验耗费时间较长，且受现场气候条件影响
第二类是足尺路面结构模拟汽车荷载作用下的疲劳性能，包括环道试验和加载速率试验，主要有澳大利亚和新西兰的加速加载设备、南非国立道路研究所的重型车辆模拟车、美国华盛顿日立大学的室外大型环道和重庆公路科学研究所的室内大型环道疲劳试验。
第三类是样板实验法，包括脉冲压头式、轮胎加压式、动轮轮迹式和动板轮迹式等。
第四类是室内小型材料试件的疲劳试验。
由于前三类试验研究方法消耗大、周期长，且试验结果受当地环境及路面结构影响较大，开展得并不普遍，因此大量采用的还是周期短、费用少的室内小型疲劳试验。
2.2 室内小型疲劳试验
小型试件疲劳试验是将沥青混合料制作成一定尺寸的小型试件，选用可以对实际路面疲劳情况进行模拟的加载方式进行试验。目前实验室内沥青混合料的小型疲劳试验方法众多[4]，主要有简单弯曲疲劳试验、直接拉伸试验、间接拉伸疲劳试验、支承弯曲疲劳试验、单轴试验、室内轮碾疲劳试验和断裂力学试验。
2.3 简单弯曲疲劳试验
简单弯曲疲劳试验主要采用梁式截面，对试件施加重复荷载。简单弯曲试验主要有三种形式：中点加载或三分点加载的重复弯曲试验;旋转悬臂梁;梯形悬臂梁。
加州伯克利分校、美国地沥青协会、SHRP等采用三分点加载小梁弯曲疲劳试验，前者采用的试件尺寸为381mm×38.1mm×38.1mm，美国地沥青协会采用的试件尺寸为380mm×76mm×76mm，后者采用的试件尺寸为美国公路战略研究计划提出的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），试件尺寸为381mm×50mm×63.5mm，试验温度20℃，加载频率5～10Hz，采用应变控制模式测定试件劲度降低到初始劲度的荷载循环次数。我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中也是采用了中点加载的形式研究沥青混合料弯曲破坏的力学性能，试件尺寸为 250mm×30mm×35mm。壳牌石油公司采用中点加载的方式，在应变控制模式下进行沥青混合料的疲劳试验，试件尺寸为230mm×30mm×40mm。
英国诺丁汉大学采用一种旋转的悬臂梁设备，试件竖向安装在旋转悬管轴上，荷载作用于试件顶部，从而使整个试件都受到恒定的弯曲应力作用。大部分试验在10℃和1000r/min速度下进行。壳牌比利时的研究者和法国LCPC采用〝T〞型梁疲劳试验，梁的较粗一端固定，另一端受到正弦变化的应力或应变作用。如梁的尺寸合理，破坏将产生在试件高部和中部区域而不是基部。采用的试件粗端尺寸为55mm×20mm，顶端尺寸为20mm×20mm，高度为250mm。
2.4 间接拉伸疲劳试验
间接拉伸疲劳试验是沿圆柱体试件的垂直径向面作用平行的重复压缩荷载，使垂直于荷载的方向产生均匀的拉伸压力。这种加载方式在沿垂直径向面、垂直于荷载作用方向产生均匀拉伸应力，这种方法并不是将拉应力直接作用于试件，而是通过压的方式来达到拉的效果。间接拉伸这种试验试件制作简单，试验易于操作，被广大研究人员采用。试件直径为100mm，高为63.5mm，荷载通过以宽为12.5mm的加载压条作用在试件上。我国哈尔滨建筑大学利用圆柱体试件进行了间接拉伸试验（温度15℃，频率为1Hz），按照能量理论研究了沥青混合料的疲劳性能，用劈裂蠕变试验建立了疲劳特性的预估模型。同样采用圆柱体试件的还有英国诺丁汉大学开发的三轴疲劳试验方法，此方法采用的试件尺寸与间接拉伸试验不同，但采用的荷载模式相同，都是对试件施加正弦波形式的荷载。
2.5 支承弯曲试验
这种试验方法是为了更好的模拟实际路面的使用情况而建立起来的。采用橡胶垫或空气垫来支承圆板型试件，在试件中部施加重复性荷载，使试件内部产生的应力状态与路面的状态较为接近。
2.6 轮辙试验
为了模拟车轮对路面的作用，了解裂缝产生及扩展的规律，研究人员发展出了轮辙试验。该方法采用充气压力来改变接触面积，这种方法能够测量块体底部应变并能检测裂缝产生和扩展的情况。另外加州大学伯克利分校和俄亥俄州大学开发了断裂力学试验方法，并根据断裂力学原理建立了数学模型。
3 结语
国内外对沥青混合料疲劳性能进行广泛的试验研究，为提高沥青混合料的疲劳性能延长沥青路面使用寿命打下基础，然而仍然有许多问题尚未得到完全解决，需要进一步深入研究。
室内试验与现场状态有较大差异，室内试验与现场测试的数据处理还需要统一完善。
参考文献（References）：
[1] 彭波，李文瑛，危拥军.沥青混合料材料组成与特性北京：人民交通出版社，2007
[2] 谢军，杨群沥青混合料疲劳模型研究分析.交通科技.2006年第5期.
[3] 谢军，郭忠印.沥青混合料疲劳响应模型试验研究.公路交通科技.2007年 5月第24卷第5 期.
[4] Rowe G.M，Bouldin M.G.Improved techniques to evaluate the fatigue resistance of asphalt mixtures[A].2ndEuro asphalt and Euro bitumen Congress[C]，2000.