大厚度柔性基层沥青路面力学与疲劳性能试验研究

《Materials》：Investigation on Mechanical and Fatigue Performance of Large-Thickness Flexible Base Layer Asphalt Pavement Yihua Nie, Shuaihua Wang, Ruoxi Zhang, Bo He, Guosen Yao and Long Chen

　　

研究人员采用多功能轮载试验机，对大厚度柔性基层与半刚性基层沥青路面结构开展了静载试验、单轮加载试验及循环轮载试验，对比分析了荷载强度、试验温度、加载速率等因素对两类路面结构基层顶面与底面应力应变的影响规律与作用机制。结果表明：在0.5 MPa≤荷载强度≤1.3 MPa区间内，随静载增大，大厚度柔性基层沥青路面基层顶底面的横向应变与竖向应变呈缓慢小幅增长趋势；大厚度半刚性基层沥青路面基层顶面的横向应变与竖向应变对重载更为敏感，其基层底面的横向应变与竖向应变则随静载增强均匀增大。单轮荷载作用下，两类路面基层顶底面的横向与竖向应变均呈拉压交替特征，以压应变为主，其中半刚性基层沥青路面的应变变化更为复杂。

论文解读

研究背景与意义

近年来交通荷载持续增长，对沥青路面材料的服役环境与使用性能提出了更高要求，其中基层材料的力学与疲劳性能已成为道路建养的核心议题。传统水泥稳定类半刚性基层虽具备较高承载力，但收缩开裂、透水性差、重载敏感性高等缺陷易诱发路面早期病害，导致频繁维修与资源浪费。为此，道路工程领域提出了长寿命沥青路面设计理念，目标实现40年以上免大修服役。沥青稳定碎石（Asphalt Treated Base, ATB）柔性基层因具备高抗剪强度、优异疲劳性能及抑制反射裂缝等优势，被认为是实现长寿命路面的有效技术路径。然而现有研究多聚焦于路面表面与基层底部的响应，忽视了基层顶面的力学行为——该区域作为面层与基层的连接界面，其性能直接决定路面整体耐久性；同时常规试验多采用单一循环加载模拟日常交通，缺乏对停车、低流量等特殊工况的考量。基于此，研究人员通过开展多工况室内试验，对比分析大厚度柔性基层与半刚性基层沥青路面的力学与疲劳特性，为长寿命路面设计提供科学依据。

该研究发表于材料领域期刊《Materials》，针对两类基层结构的力学响应差异与长寿命判定展开系统分析，对优化重载交通下的路面结构设计具有重要工程价值。

关键技术方法

研究采用SBS改性沥青与石灰岩集料，参照中国公路工程行业标准制备试件：大厚度柔性基层为沥青稳定碎石（ATB）结构，半刚性基层为4%水泥稳定碎石（Cement Treated Base, CTB）结构，总结构层厚度均为38 cm。传感器埋设位置经数值模拟优化以避免干扰应力分布，层间采用改性乳化沥青粘结，试件尺寸为300 mm×300 mm，平行样变异系数≤20%时取平均值。试验依托多功能轮载试验机开展三类加载测试：①静载试验（模拟停车工况）：荷载梯度为0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa，试验温度30 ℃；②单轮加载试验（模拟低流量工况）：温度设为30 ℃与60 ℃，加载速率21次/min与42次/min，荷载强度0.7 MPa；③循环轮载试验（模拟日常服役）：温度30 ℃，加载速率42次/min，荷载强度0.7 MPa，加载至试件破坏或循环次数达100万次，每10万次为一个数据采集节点。疲劳寿命计算分别依据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）中柔性基层与半刚性基层的对应公式，长寿命判定标准为应变达到65 με时累计轴载≥500万次。

研究结果

3.1 静载试验结果与分析

3.1.1 荷载强度对应力的影响规律

两类路面基层顶底面的压应力均随荷载增强而增大，相同荷载下半刚性基层的压应力显著高于柔性基层。当荷载强度为1.1 MPa时，两类基层顶面压应力差值达到峰值6.0×10^-3MPa；荷载从0.9 MPa增至1.1 MPa后，两类基层底面压应力的增长速率均放缓。该差异源于材料特性：半刚性基层由水泥稳定碎石构成，刚度大、强度高；柔性基层为级配碎石结构，刚度较低、空隙率较大，可通过材料流动与重排列更好地吸收分散荷载，降低结构面层应力水平。

3.1.2 荷载强度对横向应变的影响规律

两类路面基层顶底面的横向应变均为压应变，且随荷载增强而增大，相同荷载下半刚性基层的横向应变更大。柔性基层顶底面的横向应变随荷载增长缓慢且增幅微小；半刚性基层顶面横向应变在0.9 MPa~1.3 MPa区间对重载敏感性显著，底面横向应变则随荷载均匀增大。这是由于半刚性基层依靠材料强度与刚度抵抗荷载，而柔性基层可通过材料变形缓解应变发展，有效抑制反射裂缝扩展。

3.1.3 荷载强度对竖向应变的影响规律

两类路面基层顶底面竖向应变均为压应变，相同荷载下半刚性基层的竖向应变更大。柔性基层顶底面竖向应变随荷载均匀小幅增长；半刚性基层顶面竖向应变在荷载超过0.9 MPa后快速增长，对重载敏感性显著，底面竖向应变则随荷载均匀增大。柔性基层的变形适应能力可降低应力传递与累积，而半刚性基层的高刚度易导致应力集中与大变形，不利于长期耐久性。

3.2 单轮加载试验结果与分析

3.2.1 温度与加载速率对应力的影响

单轮荷载下两类路面基层顶底面应力呈拉压交替特征，以拉应力为主，半刚性基层的应力变化更复杂。常温（30 ℃）下，加载速率对两类基层应力影响均较小；高温（60 ℃）下，柔性基层应力随加载速率加快略有增大，应力分布更均匀；半刚性基层应力则随加载速率快速升高，顶面响应尤为剧烈，高速荷载可能超过材料极限抗压强度导致开裂。

3.2.2 温度与加载速率对横向应变的影响

单轮荷载下两类路面基层顶底面横向应变呈拉压交替，以压应变为主，半刚性基层应变变化更复杂。常温（30 ℃）下，加载速率对柔性基层横向应变影响均衡；高温（60 ℃）下柔性基层材料软化，加载速率加快易导致应变累积。常温下半刚性基层刚度可较好分散应力，加载速率影响小；高温下材料热膨胀叠加加载作用，剪切力增大导致横向应变显著上升。

3.2.3 温度与加载速率对竖向应变的影响

单轮荷载下两类路面基层顶底面竖向应变呈拉压交替，以压应变为主，半刚性基层应变变化更复杂。常温（30 ℃）下，柔性基层通过粘弹性变形分散应力，加载速率影响小；高温（60 ℃）下材料模量与粘度降低，高速荷载易引发大变形。常温下半刚性基层刚度大可有效传荷，加载速率影响小；高温下材料热膨胀受上下层约束无法自由释放，叠加高速荷载产生的压应力与剪切力，导致竖向应变显著增大。

3.3 循环轮载试验结果与分析

3.3.1 疲劳寿命计算

循环加载下柔性基层沥青路面的疲劳寿命显著高于半刚性基层。半刚性基层刚度大，循环荷载下底面易产生大拉应力，超过材料抗拉强度时发生疲劳破坏；且其材料脆性大，底面裂缝会快速扩展至全结构，大幅降低疲劳寿命。柔性基层的变形能力可降低面层传递的拉应力，且材料具备粘弹性与自愈合能力，能延缓裂缝扩展，延长疲劳寿命。

3.3.2 横向应变长寿命判定分析

结合横向应变与加载次数的拟合关系，当横向应变达到65 με时，柔性基层顶底面循环加载次数分别为860万次与2700万次，均大于500万次，满足长寿命要求；半刚性基层顶底面循环加载次数仅分别为67.5万次与65.1万次，小于500万次，不满足长寿命要求。

3.3.3 竖向应变长寿命判定分析

结合竖向应变与加载次数的拟合关系，当竖向应变达到65 με时，柔性基层顶底面循环加载次数分别为2100万次与2700万次，均大于500万次，满足长寿命要求；半刚性基层顶底面循环加载次数仅分别为13.2万次与104万次，小于500万次，不满足长寿命要求。

讨论与结论总结

研究最终得出五项核心结论：①0.5 MPa~1.3 MPa静载区间内，ATB路面基层顶底面横向与竖向应变随荷载缓慢小幅增长；CTB路面基层顶面应变对重载更敏感，底面应变随荷载均匀增大。②常温（30 ℃）下单轮荷载下，加载速率对两类基层顶底面应力应变影响均较小；高温（60 ℃）下ATB基层应力随加载速率缓慢增大，CTB基层应力则快速升高，顶面增长尤为显著。③单轮荷载下两类基层顶底面横向与竖向应变均呈拉压交替，以压应变为主，CTB路面应变变化更复杂。④循环加载下ATB基层顶面应力分布更均匀，底面可有效降低面层传递的拉应力，缓解裂缝发展，疲劳性能更优。⑤常温30 ℃、荷载强度0.7 MPa条件下，本研究设计的38 cm大厚度柔性基层沥青路面基层顶底面均满足长寿命服役要求。

研究人员指出，本次试验为室内缩尺试验，试件尺寸、人工层间粘结与实际路面存在差异，后续将通过对足尺试验段的长期跟踪监测，验证室内试验可靠性并建立室内-现场性能的关联模型。