瀝青混凝土路面疲勞破壞與愈合的探討

于曉鵬

摘 要：反復載重作用造成的疲勞破壞，是目前國內外瀝青混凝土鋪面的主要破壞模式之一，單就目前國內柔性鋪面而言，重車超載情形相當嚴重，相形之下，增加鋪面再維修的機率與國家工程建設成本。以鋪面所受車輛載重而言是具間歇性，以溫度效應而言，瀝青混凝土材料特性極具感溫性，可說是瀝青混凝土自我愈合的能力。不同溫度下，疲勞破壞所產生的勁度損失皆有明顯的回復，愈合效應在低溫時較為顯著，破壞率在低溫時，勁度損失較為快速。

關鍵詞：瀝青 混凝土 疲勞 破壞 愈合

中圖分類號：U4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（c）-0053-02

1 瀝青混凝土的愈合效應

瀝青材料為一種同時具有黏性與彈性性質的黏彈性體，在受高速剪應力時，產生彈性變形，當外力消失后，仍將回復原狀；在受低速剪應力時，產生黏性變形，當外力消失后，不易回復原狀。在低溫時，瀝青材料呈現固體性狀，當溫度逐漸上升時，性狀也由黏狀而成液狀。在低溫固體狀下，受長時間荷重，此固體狀會發(fā)生變形，此為瀝青的另一特殊流性。由此可知，當高溫且荷重停止作用時，瀝青膠泥的軟化流動會使瀝青混凝土產生愈合作用。愈合作用是來自于瀝青混凝土本身自愈的能力，因瀝青混凝土鋪面易受溫度，或載重作用的影響，故當溫度上升及卸除時的靜置期間，瀝青混凝土的可流動性會因此而增強，將使已存在的裂縫漸漸閉合裂縫范圍減少，此種愈合作用與荷重、溫度及靜置期間等因素有關。因此，愈合作用可減緩瀝青混凝土鋪面中，裂縫的開始、延伸及成長行為。

2 載重對愈合與疲勞破壞的相關性

對于非線性粘彈性材料，Schapery 假設一基本方程式同非線性彈性體，認為粘彈體中的應力與位移物理量為非必要的，而是以虛擬應力及虛擬位移來作回旋積分，如下所示

及=物理量E（t）及D（t）=松弛模數及潛變柔度ER=參考模數當粘彈性材料受到反復荷重時，可在應力-應變圖中觀察遲滯回圈，根據非均質應力體的對應原則理論，以含有裂縫的梁試體而言，在荷重歷時期間若破壞成長是微量的，在其應力-虛擬應變圖中的遲滯循環(huán)將不存在，因此，應力與虛擬應變的關系為單值函數，若當愈合發(fā)生時，靜置期間前后的荷重路徑可維持似彈性行為。非線性彈性-粘彈性對應原則為依據的虛擬應變觀念，可表現在損壞過程中微損壞及愈合的特性，虛擬勁度的改變可被使用來定量疲勞試驗中的微損壞及愈合，虛擬勁度隨荷重次數的增加而減少，由此可知，疲勞試驗中有微損壞發(fā)生，若在靜置期間后虛擬勁度有明顯回復，則可證明愈合效應的影響。損壞及愈合可由消散虛擬應變能量來定量，高程度的累積消散虛擬應變能量表示有高程度的疲勞破壞發(fā)生，低程度的累積消散虛擬應變能量表示具疲勞破壞的抵抗性。

在考慮瀝青混凝土非線性黏彈性行為，且以虛擬應變代替物理應變忽略依時性的黏彈性行為，Lytton 表示，在重復荷重作用下只要循環(huán)未改變，材料仍假設為未破壞，此可證明Schapery所提出的彈性-粘彈性CP是成立的。然而，在未損害條件下材料的非線性行為，應采用非線性修正因子即參考模數來忽略非線性行為，此修正因子為未損害非線性粘彈性瀝青混凝土的參考模數，此參考模數為荷重時間的函數，與瀝青混凝土非線性性質有關；已損害非線性粘彈性材料的虛擬應變是以線性粘彈性應力除以非線性參考模數計算得到的，若量測得到的應力與利用非線性參考模數的修正虛擬應變圖形為直線關系，則假設此材料維持未損害。因此，消散虛擬-應變能量在此循環(huán)中可描述材料的任何損害情形，包含塑性變形、熱能消散、破裂及愈合。以愈合效應觀點來看，較硬混合物的愈合效應較佳。

3 靜置時間對愈合與疲勞破壞的相關性

在靜置期間會有兩種不同機制發(fā)生于瀝青混凝土裂縫，一為瀝青混凝土粘彈性質的應力松弛，另一為瀝青混凝土材料性質的化學愈合，此兩者機制皆可提高瀝青混凝土鋪面的疲勞年限。

評估瀝青混凝土鋪面裂縫的化學愈合是非常困難的，因為應力松弛及化學愈合幾乎會同時發(fā)生，此兩者的機制是依時性的。假設化學愈合及松弛在靜置期間有明顯的機制發(fā)生，為評估化學愈合的效應，可以非線性粘彈性的CP來說明松弛過程的依時性，再由化學愈合機制中區(qū)分出松弛機制。在 Breysse[Breysse et al.，2003]研究結果顯示，當瀝青混凝土試體在受到不同程度之疲勞破壞期間，將卸除時間作為試體愈合因子，由試體勁度回復的的結果，表現靜置期間對瀝青混凝土疲勞破壞的影響是有愈合作用的。

不同的靜置期間會引起不同的裂縫長度及損壞程度，須有方法將不同的損壞程度正規(guī)化，以評估不同損壞程度及靜置期間的愈合作用。以虛擬能量密度（pseudo energy density，）及愈合指標（healing index，HI）來表現以靜置時間為函數的愈合能力，其可由式2表示。愈合指標HI則用來表示不同粘結料在不同靜置時間的愈合能力。

4 結語

采用的愈合方式，是將經過反復載重作用的試體至于30℃烘箱中，藉由溫度及卸除時間的增加，觀察Superpave 混合物愈合前后的回彈變形所示，即可看出微損壞即600次的載重周期之內，不會引起微裂縫的開始及延伸，因愈合前后的回彈變形曲線幾乎是完全重合且可愈合的。一般密級配瀝青混凝土在靜置溫度77℉的條件下，只需三天，其初始的裂縫抵抗性便可回復90%，且在此溫度下，若要完全愈合則需要一個月的愈合時間。

在Kim的報告中[Daniel and Kim，2001]，是以沖擊共振法來評估兩種不同的瀝青混凝土混合物，在溫度與疲勞破壞成長作用下，所造成勁度的改變。沖擊共振法是以非破壞性方式，來決定瀝青混凝土試體的動彈模數。當試體因疲勞而發(fā)生微裂縫破壞成長時，動彈模數會隨溫度的上升而減少；同時，亦發(fā)現試體在經過靜置周期后，動彈模數有上升的趨勢。且藉由三點載重彎曲梁試驗，量測微裂縫的停止發(fā)展，或愈合時間，可從中觀察獲取彎曲勁度。

參考文獻

[1] 李立寒，張南鷺.道路建筑材料[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 范天佑.固定與軟物質缺陷與斷裂理論基礎[M].北京：科學出版社，2014.

[3] 錢寧，萬兆惠.泥沙運動力學[M].北京：科學出版社，2003.

[4] 匡震邦，馬法尚.裂紋端部場[M].西安：西安交通大學出版社，2001.