沥青路面在交通荷载下的疲劳损伤特性分析

朱良聪

【摘要】沥青路面是我国道路施工中的常见工艺。随着经济与社会的不断发展，人们对于出行的要求越来越高。因此，虽然沥青路面有着其一定的优越性，但是在高荷载情况下容易出现疲劳损伤的现状广受诟病。本文以此为研究对象，对其疲劳损伤产生的危害、原因及其特性进行分析，旨在为后续的工艺优化提供必要的理论基础与实践指导。

【关键词】交通荷载；沥青路面；疲劳损伤；特征

一、引言

沥青作为道路施工的主要材料，而沥青路面施工也是现阶段应用较为广泛的施工工艺之一。在这样的背景下，针对沥青路面施工特征及其质量与维护的研究显得十分重要。沥青路面之所以受到人们的重视与广泛应用，与其特征是不可分割的。在实际施工过程中，其属于加热软施工范畴，对于施工过程要求、施工后的路面压实及其后续的紧实程度具有一定的优势，这也是其在我国路面施工体系中占据重要位置的根本原因。然而，正是这个原因使得其在使用过程中非硬质指标相对明显，其病害的出现容易与外部应力荷载及地质沉降相关。

针对这个问题，国内外学者展开了积极的探索与研究。一方面，针对施工质量控制的研究；在该领域内探索的学者往往从施工监理、绩效体系、质量（原料）控制、工艺改革等方面来进行，取得了一定的成绩，形成了相关的可执行方案。一方面，针对施工工艺的优化；在该领域内，探索沥青材料的改良，以及除沥青、混凝土之外的其他路面施工材料的特征研究，为后续材料优化与改进提供必要的基础；另一方面，针对施工管理模式的探究；该领域内的研究期望通过完善的管理形成自发的遵从路面施工模式，进而为路面施工及其后续的维护提供实践指导。

从上述的研究现状与结果来看，更多的研究集中在具体的施工环节，而新材料的应用在短时期内无法得到有效的推广与应用。且我国现阶段沥青道路路面保有量较高，因此针对其特性尤其是疲劳损伤此种无法根本性杜绝的后续维护病态的研究十分紧迫。

二、疲劳损伤的危害及其监控必要性

疲劳损伤是沥青路面最为常见的结构性病害之一，在微观上表现为由于受到不均衡的表面压强而形成的应力差异导致路面开裂或者不遵从沉降；在宏观上则表现为路面不平、开裂甚至是塌陷等病害。此种现象在道路病害中较为常见，对于道路的使用安全与使用寿命形成严重影响；其具体的危害主要表现为如下三个方面：

首先，沥青路面的疲劳损伤会降低道路的使用寿命。在道路实际的使用过程中，由于疲劳损伤会形成裂缝，而裂缝的形成是一种加速过程，由于有裂缝的存在，而使得路面地基的渗水率发生的改变，在地表径流的浸泡与冲刷下，不仅会对原本沥青路面的应力产生一定的削减，进而使得裂缝的扩大，而且能够破坏道路地基，使得整体荷载应力水平下降，进而造成更大的隐患。

其次，沥青路面的疲劳损伤会影响道路使用体验。沥青路面的疲劳损伤造成的直接后果进行裂缝、坑洼甚至是塌陷的出现。当此种现象出现时，道路很难保持原有的平整。而当车辆在其上行驶的过程中，由于路面坑洼带来的车辆行驶波动会严重的影响行车体验，进而形成了不必要的负面评价。

最后，沥青路面的疲劳损伤会降低道路的使用安全。当严重的沥青路面疲劳损伤出现后，道路裂缝、塌陷现象会十分显著。在正常的行车过程中，车辆由于避让坑洼，或者在通过坑洼过程中产生的跳轮均会在车辆的形式造成严重的安全隐患。

三、疲劳损伤成因及其特性分析

3.1 疲劳损伤成因分析

疲劳损伤是一个复杂的系统化工程，在实际的施工与使用过程中，其影响要素并不是單一的指标因素，因此就需要从更为宏观的角度来进行评价。在具体的成因评价过程中可以分为材料损伤以及结构损伤两种。

所谓的材料损伤是指在无明显结构缺陷的前提下，材料之间自我沉降与相互作用而形成的外力条件下疲劳损伤。考虑连续介质里的一个单元，设其出现了一定的损伤，如果以S、S*分别表示单元体内外法线为N的某截面在损伤前后的面积。假定损伤并不会改变截面的方向，则损伤可以利用公式（S- S*）/S来进行表征。而损伤度则可以表示为D=1-（S- S*）/S。其中，标准化质量合规的道路施工体系损伤度为0，而最大损伤度则取值为1。即上述的公式可以客观上利用路面损伤的表面积来代替材料的损伤程度，并且利用赋值为0-1之间的具体数值来进行客观的评价。如果认为材料损伤状态下的应变仅与有效应力有关，则假设在外荷载作用下，损伤材料的本构关系可采用无损伤时的形式而只需将原公式中的S转换为E，其中E代表了长效模式下的外部荷载力，而E与S之间的转换则可以通过公式S=E/φ来进行计算，其中φ代表了表面材料的抗性系数。即说明了，材料的损伤仅与外部荷载及其材料的表面耐磨系数相关。

所谓的结构性损伤是指忽略路面表面材料，在外力的反复作用下产生的结构性破坏，出现了包括裂痕等严重病害的疲劳损伤。是指非材料因素而带来的路面整体结构缺失。在实际的道路施工过程中往往与地质条件、软土地基施工等相关外部环境与工段相关，并不在本文的讨论范围之内。

3.2 疲劳损伤特性分析

道路沥青路面的疲劳损伤是不可避免的，只能够通过完善的施工质量保障体系与后续的维护规范来进行有效地缓解。在这样的背景下，针对疲劳损伤的特性分析显得尤为重要。结合前文的疲劳损伤产生模式与因素，以及具体的施工实践与实验研究，我们发现沥青疲劳损伤特征主要与如下几个方面相关：

首先，荷载程度与路面沥青疲劳损伤相关。通过实验研究，当荷载程度越高，荷载频次越密集，则沥青疲劳损伤出现的可能性与时间越提前。这与其产生疲劳损伤的内在机理与原因是有着一定关联的。沥青属于一种软性材料。当外部荷载超过一定范围后，会对其中一种压缩，而压缩反作用于路基体系则形成了一种类液体外排。通过此种外排的反复作用，在沥青表面形成了一种永久性的应力疲劳，长此以往则会造成损伤。此外，在交通荷载通行的过程中，内部摩擦会提高沥青路面的内能，进而使得外部荷载应力效果更为显著。

其次，沥青自身的配比与其疲劳损伤相关。沥青路面属于一种柔性材料，在其受到高温、高压时会产生类似流体的物理学特性。此种特性在一定程度上为其施工提供了便利条件，而在另一方面上也是其疲劳损伤产生的根本原因。通过不同的沥青配比能够有效改变其物理特性。在具体的施工过程中主要表现为两个方面：一方面是严格控制沥青与骨料的配比，骨料越多则沥青路面硬度越大。此外，在骨料粒径安排方面也更应该突出其层级设计。50、20、10mm间的配比确定为5：3：2为一个较为合理的区间。

最后，沥青压实施工与其疲劳损伤相关。在施工过程中的压实环节对于其疲劳损伤出现的时间与程度具有积极影响。该环节的施工遵从能够有效降低疲劳损伤的出现。因此，我们应该从施工管理以及施工绩效等层面加以改善，利用多层级、多频次的压实体系来切实提高沥青路面的施工效果。此外，施工后的养护为沥青的定性、紧实等方面也有着积极的意义，应该加以注意。

四、总结

交通载荷对于沥青路面疲劳损伤的出现具有直接贡献，本文系统的对疲劳损伤出现的危害、可能的原因以及内在特性进行总结与分析。并从特性入手对可能的改进方式与注意要点进行探究；希望通过本文的研究能够为今后的相关施工安排与工艺优化提供必要的理论基础与实践指导。

参考文献

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