叶 奋 刘嘉良 王 泽 宋卿卿

(1.新疆大学建筑工程学院 乌鲁木齐 830047； 2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804)

沥青混合料的疲劳性能作为评价沥青混凝土路面路用性能和进行路面结构设计的重要指标得到了越发广泛的关注[1]，如何正确地预估沥青混合料的疲劳性能，使之与实际路用结果相一致，以及如何评价现有试验方法的准确性和各种试验方法之间的相关性也变得极为重要。

目前主要通过真实汽车荷载作用下实际路面上、模拟汽车荷载作用在足尺路面结构上、模拟汽车荷载作用在缩尺路面结构上，以及室内试验等方法来预测沥青混合料在实际路用过程中的疲劳性能。上述4种疲劳试验方法，前2种对试验条件的要求较高，也很难满足，尽管更符合路面的实际受力状态，但应用较少，而后2种试验方法减少了对环境的要求，并且试验结果与前2种也有较高的一致性。

MMLS3(1/3 model mobile load simulator)加速加载试验方法是一种典型的第三类方法，其将MLS66测试系统进一步缩小至原先的1/3，可以更简单地模拟沥青混合料的试验条件，如温度、湿度、加载方式等，同时相对普通室内试验具有适用场景范围更广、加载方式更接近实际路面情况，以及试验温度可调等优点[2]。因此，被大量应用于研究沥青混合料在荷载反复作用下的车辙深度和蠕变特性[3]，且一直以来，沥青混合料的车辙深度也是衡量其路面破坏寿命的重要指标。

同时，美国SHRP A-003A研究项目在对不同沥青混合料小梁试件试验后，确定了以矩形梁四点弯曲法(4PB)作为沥青混合料疲劳性能评价的标准室内试验方法[4]，为了进一步完善该试验方法，大量学者展开研究，提出了不同的评价疲劳试验结果的方法，如50%劲度模量衰减标准、能量比标准，以及归一化劲度模量峰值等。但由于试验过程中，试件于试验室制备且加载时并不能完全模拟实际路面的受力情况，因此其试验结果与实际路面相比仍有一定的差距。

尽管已有众多学者对这2种试验方法作出了大量的研究，确保其结果与实际路用性能的一致性。但关于这2种试验之间相关性的研究仍较少。

综上所述，为了更好地评价实际路面性能的疲劳性能，了解MMLS3加速加载试验和四点弯曲疲劳试验的区别和联系，现对5，25，50 ℃温度下的2种类型沥青混合料(OGFC-13和SMA-13)分别进行试验，并对结果进行分析。

1 原材料与级配设计

1.1 原材料

粗集料选用3～13 mm的玄武岩，细集料选用0～3 mm的石灰岩。沥青选用90号克拉玛依石油沥青，主要技术指标见表1。所添加的沥青改性剂为Honywell7686，改性剂的主要技术指标见表2。

表1 克拉玛依90号基质沥青主要技术指标

表2 Honeywell7686改性剂主要技术性能指标

1.2 级配设计

为了更准确地分析2种试验对沥青混合料疲劳性能的评价效果和二者的相关性，避免由于单一结构类型产生的分析误差，选用2种不同结构类型的沥青混合料(SMA-13和OGFC-13)，根据JTG F40-2004 《公路沥青路面施工技术规范》，采用马歇尔设计方法进行沥青混合料的级配设计，并获得最佳油石比：SMA-13为6.1%，OGFC-13为5.2%。其级配设计曲线见图1。

图1 合成级配曲线

2 试验方案设计

2.1 MMLS3加速加载试验

MMLS3试验参数主要包括：

1) 试件尺寸。将旋转压实成型后的试件(直径150 mm、高度50 mm)两端分别再切割22.5 mm，然后置于MMLS3的刚性底座中。

2) 轮胎条件。充气时胎内恒定25 ℃，0.69 MPa。

3) 温度条件和加载次数。路面温度采用5，25，50 ℃ 3种温度试验，通过断面测量仪测量3种温度下的试件在荷载反复作用下(荷载作用次数分别为5 000次，50 000次，而后每次增加50 000次，直至30万次)的断面变形并进行分析，研究车辙深度与温度变化之间的关系。

4) 加载频率。采用7 200次/h。

2.2 四点弯曲疲劳试验

通过轮碾成型设备将沥青混合料碾压成400 mm×300 mm×75 mm的试板，再用高精度金刚石双面锯双面切割，制成标准的385 mm×65 mm×50 mm四点试验小梁。疲劳试验前，将分别以(5，25，50 ℃)在环境温控箱内养护4 h以上的试验小梁固定并安置好位移传感器，然后设置参数，具体包括：加载波形为半正弦波；加载频率为10 Hz；为增加试验可靠性，控制应变分别采用300×10-6和600×10-6。

3 试验结果分析

3.1 MMLS3试验结果分析

随着加载次数增加，3种温度下2种沥青混合料的车辙深度变化情况及车辙深度与加载次数的拟合曲线见图2。

图2 沥青混合料车辙深度与加载次数的关系

由图2可见，用MMLS3设备对处于相同温度的2种沥青混合料反复施加荷载时，SMA-13的车辙深度及车辙增长率始终低于OGFC-13,表明在加载过程中，骨架密实结构的沥青混合料(SMA-13)始终优于骨架孔隙结构的沥青混合料(OGFC-13)，其原因为沥青混合料的车辙发展过程主要分为压密过程、沥青混合料流变过程、矿料重新分布及骨架破坏过程[5]，加载次数较少时车辙产生主要来源于压密变形，骨架孔隙结构的孔隙率更大，因此也更易被压密，且由于骨架孔隙结构的可压实空间更多，因此车辙增长率也更大，而当加载次数达到10万次时，5，25，50 ℃下的SMA-13的车辙深度分别为OGFC-13车辙深度的84%，77%，50%，当加载次数达到30万次时，3种温度下SMA-13的车辙深度分别为OGFC-13车辙深度的80%，69%，70%，可见SMA-13的抗剪切变形能力更好，所以始终保持更好的抗车辙能力。

当MMLS3设备对不同温度的同种沥青混合料试验时，随着温度降低，沥青混合料的抗车辙性能逐步提高，原因是随着温度降低，沥青黏度减小，针入度下降，沥青变硬，同时沥青混合料劲度模量提高，变形能力降低。同时，由图2可见，当荷载作用次数达到15万次后，低温下沥青混合料的车辙变化趋于稳定，而高温条件下的车辙深度在加载过程中始终有显著增长，由此可知，低温条件下的荷载反复作用后车辙深度变化情况并不明显，而高温条件下沥青混合料的车辙变化比低温条件下的变化显著的多。

为了研究温度变化对2种沥青混合料加载时车辙深度的影响，分析单位温度变化对沥青混合料车辙深度造成的变化见表3。由表3可知，0～300 000次加载过程中，随着加载次数的增加，受温度影响的车辙变化率也在逐渐增大，因为沥青混合料压密后，车辙大部分来源于混合料的剪切变形，而温度的提高会导致沥青黏度下降，针入度升高，与集料之间的黏附力减小，从而引起混合料抗剪切能力降低。同时，SMA-13在低温和高温条件下，车辙深度受温度影响的变化率基本保持一致，而OGFC-13在低温下受温度影响的车辙变化率明显大于其在高温下的车辙变化率，也显著大于SMA-13低温下的车辙变化率，由此可见，加载次数30万次以内，OGFC-13的抗剪切变形能力在低温时受温度的影响最大。

表3 沥青混合料车辙深度随温度变化率

3.2 四点弯曲疲劳试验结果分析

2种沥青混合料的试验结果见表4，考虑到改性沥青相较于普通基质沥青有着更好的黏性和韧性，疲劳寿命也更高，因此沥青混合料的疲劳寿命计算采用美国规范ASTM-D7460中使用的归—化劲度次数积疲劳寿命法，取归—化劲度次数比值最大值，计算公式为

式中：Si为第i次加载时的劲度模量，MPa；Ni为加载次数；S0为初始加载劲度模量，MPa；N0为初始加载次数，次。

表4 2种沥青混合料四点弯曲疲劳试验结果

由表4可见，当控制应变和温度一致时，2种沥青混合料通过四点弯曲疲劳试验测得的疲劳寿命为：低温(5 ℃)和常温时(25 ℃)时，SMA-13的疲劳寿命显著大于OGFC-13;高温(50 ℃)时，SMA-13的疲劳寿命低于OGFC-13,而不同应变条件下的沥青混合料疲劳寿命试验结果具有一致性。

对同种沥青混合料进行四点弯曲疲劳试验时，由表4可知，相同控制应变时，3种温度条件下的沥青混合料疲劳性能的优劣依次为：常温(25 ℃)>高温(50 ℃)>低温(5 ℃)；且低温条件下(5～25 ℃)的温度变化对沥青混合料疲劳性能的影响更为显著。而试验温度相同时，2种应变条件下的疲劳寿命大小为：300×10-6>600×10-6,其原因为控制应变越大，试块在反复加载时微裂缝的形成越快，模量和疲劳寿命也迅速衰减。

2种沥青混合料在控制应变条件300×10-6，600×10-6时，温度与劲度模量的关系见图3。

图3 控制应变时温度与劲度模量的关系

由图3可知，当控制应变较小(300×10-6)时，低温(5 ℃)条件下2种沥青混合料的劲度模量接近。且随着温度升高至25 ℃，二者的劲度模量降低速率同步，当温度再次升高，OGFC-13的劲度模量显著降低，并与SMA-13的差距越来越大。当控制应变较大(600×10-6)时，低温(5 ℃)条件下SMA-13的劲度模量明显高于OGFC-13,但随着温度升高，SMA-13的劲度模量降低的更快，并在温度达到25℃时二者差距达到最小值，当温度进一步提高，2种混合料的劲度模量发展关系与小应变条件一致。

2种沥青混合料在控制应变条件(300×10-6，600×10-6)时，温度与疲劳寿命之间的关系见图4。

图4 控制应变时温度与疲劳寿命的关系

由图4可见，当控制应变较小(300×10-6)时，在低温(5 ℃)条件下，SMA-13与OGFC-13的疲劳寿命接近一致，随着温度从5 ℃逐渐升高至25 ℃，SMA-13的疲劳性能相对OGFC-13提高得更快，当温度进一步升高至50 ℃时，SMA-13的疲劳性能的衰减速率也比OGFC-13更高，并最终趋于一致。

而在控制应变较大(600×10-6)时，低温条件下二者的疲劳寿命与控制应变较小时接近，在温度的升高过程中，在5～25 ℃内，疲劳寿命随温度的发展关系也与小应变相同，但当温度变化在25～50 ℃时，2种沥青混合料的疲劳衰变速率相似，SMA-13的疲劳寿命始终优于OGFC-13。

综上可见，级配类型、温度、控制应变都会影响2种沥青混合料在4PB试验中的疲劳寿命，仅依据劲度模量变化并不能完全表现沥青混合料的疲劳寿命随温度的变化关系。

3.3 MMLS3试验和4PB试验结果对比分析

综上，2种试验都可以较好地反映沥青混合料的疲劳性能，因此二者的试验结果也应具有较高的一致性。为了研究一致性的程度，需要对MMLS3试验获得车辙深度进行转化。按照JTG 5210-2018 《公路技术状况评定标准》和以往学者的研究[6]，基于行车安全性考虑，高速公路沥青混合料路面车辙深度达到10 mm时即定义为车辙破坏，由此可得沥青混合料在承受路面轴载时通过车辙深度控制的路面使用寿命：SMA-13在5，25，50 ℃条件下达到车辙破坏的荷载作用次数分别为9 150 598 620，30 097 934，1 027 260次，OGFC-13在5，25，50 ℃条件下的荷载作用次数分别为143 509 148，2 056 774，375 058次。将转化结果与沥青混合料在2种控制应变、3种温度条件下的4PB试验数据汇总对比，其结果见表5。

表5 2种沥青混合料4PB与MMLS3试验结果对比汇总表

由表5可见，由于具有更低的孔隙率和更好的抗剪切能力，SMA-13在3种温度下通过车辙深度控制的使用寿命均远大于OGFC-13。同时当4PB试验的控制应变为300×10-6时，试验温度为5，25 ℃的4PB试验中，SMA-13的疲劳寿命更好，温度达到50 ℃时，OGFC-13的疲劳寿命更高，而当控制应变达到600×10-6，25 ℃时2种混合料的疲劳寿命变为：OGFC-13>SMA-13，验证了温度和控制应变对疲劳寿命的影响。

对比2种试验的试验结果后发现，在3种温度下，2种沥青混合料由车辙深度控制获得的使用寿命均显著大于通过2种控制应变下的4PB试验获得的疲劳寿命，随着温度增加，2种寿命的变化趋势不同。且由于控制应变的影响，2种混合料在控制应变600×10-6的4PB试验中的结果与车辙深度控制的寿命差值比控制应变300×10-6时更大。另外2种差值都在试验温度为5 ℃时达到最大，此时2种混合料的车辙深度在反复加载过程中变化非常缓慢，因此，通过车辙深度评价混合料是否破坏是不合理的。

4 结论

1) 根据MMLS3试验结果，在5，25，50 ℃条件下，2种沥青混合料的抗车辙性能比较结果为：SMA-13>OGFC-13,且随着加载次数的逐渐增加，两者的抗车辙能力差距更加显著， 且在低温条件下，温度改变对OGFC-13车辙深度的影响显著大于对SMA-13的影响。

2) 沥青混合料通过4PB试验获得疲劳寿命与控制应变、级配类型和试验温度均有关系，因此在评价不同沥青混合料疲劳寿命时必须综合考虑。

3) 在5，25，50 ℃条件下，2种沥青混合料由车辙深度控制获得的使用寿命均显著大于通过2种控制应变(300×10-6，600×10-6)下的4PB试验获得的疲劳寿命，且二者差距在5 ℃时最大。