瀝青混合料的疲勞性能

1、1,瀝青混合料的疲勞性能,目錄,1. 概述,2. 材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響,3. 瀝青路面疲勞開裂研究方法,5. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,4. 試驗(yàn)結(jié)果與路用性能間的關(guān)系,3,1.概述,理論和實(shí)踐都表明，在移動車輪荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)各點(diǎn)處于不同的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，如圖1-1,1-2所示。路面面層底部b點(diǎn)處于三向應(yīng)力狀態(tài)。路面疲勞設(shè)計(jì)大多數(shù)以面層底部拉應(yīng)力或拉應(yīng)變作為控制指標(biāo)。,4,1.概述,國內(nèi)現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)方法一般基于靜態(tài)彈性體系模型, 而實(shí)際車輪荷載均為動態(tài)。由于路面結(jié)構(gòu)本身對荷載的時(shí)變因素具有相當(dāng)?shù)拿舾行? 因而在實(shí)際動態(tài)荷載作用下所表現(xiàn)出的力學(xué)性能通常與靜態(tài)模型的情況存在較大差異, 對

2、路面的早期破損有著不可忽視的作用。,5,2.材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響,根據(jù)實(shí)驗(yàn)，在控制應(yīng)力加載模式中，疲勞壽命隨混合料勁度的增加而增加。 但是，在控制應(yīng)變加載模式中，疲勞壽命則隨混合料勁度的增加而降低。,2.2 混合料的瀝青用量,根據(jù)試驗(yàn)可知，相應(yīng)于混合料最佳疲勞壽命有一個(gè)最佳的瀝青含量。這個(gè)瀝青含量不僅與集,6,2.材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響,料級配有關(guān)，而且與集料種類有關(guān)，通常與最大混合料勁度所需的最佳瀝青含量相符，而要比馬歇爾穩(wěn)定度所確定的最佳瀝青含量稍大。,2.3 瀝青的種類與硬度,瀝青種類和硬度對瀝青混合料疲勞壽命的影響基本上可以用它對混合料勁度的作用來衡量。,7,

3、2.材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響,2.5集料的表面性狀 棱角尖銳、表面粗糙的開級配集料通常由于難以壓實(shí)而造成高的孔隙率，這可能是引起裂縫的原因并進(jìn)而導(dǎo)致瀝青混合料疲勞壽命的縮短。另一方面，粗集料有棱角但級配良好的集料可以產(chǎn)生勁度值相對高的混合料，而紋理光滑的圓集,8,2.材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響,料形成勁度較低的混合料，因而對疲勞可以產(chǎn)生不同的影響。,2.6 針入度 myre對不同瀝青的混合料分別進(jìn)行了常應(yīng)力和常應(yīng)變疲勞試驗(yàn),結(jié)果表明:對于常應(yīng)變荷載模式,瀝青越軟,混合料疲勞壽命越長。而對于常應(yīng)力荷載模式,則反之。,2.材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響,2.7 軟化點(diǎn) 瀝青的

4、軟化點(diǎn)對疲勞壽命也有一定影響。p.s.pell的報(bào)告中指出,在一定的瀝青用量下,軟化點(diǎn)越高,疲勞壽命就越長。,10,3 瀝青路面疲勞開裂研究方法,研究瀝青路面疲勞開裂的方法主要有現(xiàn)象學(xué)法、能量分析法和力學(xué)分析法, 其中力學(xué)分析法可將路面的力學(xué)行為與路面使用性能指標(biāo)明確聯(lián)系起來,因而受到廣泛重視。,11,3 瀝青路面疲勞開裂研究方法,3.1現(xiàn)象學(xué)法,在現(xiàn)象學(xué)法中，通常把材料出現(xiàn)疲勞破壞的重復(fù)應(yīng)力值稱作疲勞強(qiáng)度，相應(yīng)的應(yīng)力重復(fù)作用次數(shù)稱為疲勞壽命。 應(yīng)用現(xiàn)象學(xué)法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，采用控制應(yīng)力和控制應(yīng)變兩種不同的加載模式。,3 瀝青路面疲勞開裂研究方法,對于控制應(yīng)變方式： 對于控制應(yīng)力方式：,式中：,

5、達(dá)到破壞時(shí)的重復(fù)荷載作用次數(shù)；,初始的彎拉應(yīng)變和彎拉應(yīng)力；,c，m，k，n由試驗(yàn)所確定的系數(shù)。,monismith等人根據(jù)進(jìn)一步的研究工作，建議了可應(yīng)用于更一般的瀝青混合料的疲勞方程：,3 瀝青路面疲勞開裂研究方法,式中：,瀝青混合料的初始勁度；,a,b,c,由試驗(yàn)所確定的系數(shù)。,3 瀝青路面疲勞開裂研究方法,15,3 瀝青路面疲勞開裂研究方法,3.2 能量分析法 該方法中將瀝青混合料視為一種典型的粘彈性材料， 其力學(xué)特性依賴于荷載作用的時(shí)間和溫度， 其綜合模量是由恒定模量（彈性部分）和損耗模量（粘性部分）組成。,16,3 瀝青路面疲勞開裂研究方法,瀝青混合料的疲勞強(qiáng)度主要取決于損耗模量和應(yīng)力

6、應(yīng)變循環(huán)過程中的能耗。這一方法的主要特點(diǎn)是疲勞試驗(yàn)中的總能耗與循環(huán)荷載的重復(fù)作用次數(shù)之間存在著一定關(guān)系。 美國的shrp研究計(jì)劃中也采用能量法研究瀝青混合料的疲勞響應(yīng)問題。shrp在壓實(shí)瀝青混合料重復(fù)彎曲疲勞壽命測定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn),17,3 瀝青路面疲勞開裂研究方法,方法（shrp-m-009）中還給出了累積消散能及消散能累積到破壞時(shí)的計(jì)算方法。,基于消散能量原則，使用加載循環(huán)次數(shù)與能量散失的關(guān)系式及值和初始勁度 s= ， van dijk建議用下式預(yù)測疲勞壽命：,n加載次數(shù)； a材料常數(shù)；,相位角； s初始勁度,主要與試驗(yàn)種類及瀝青混合料的勁度有關(guān)， 在應(yīng)力控制的實(shí)驗(yàn)下， 1；應(yīng)變控制的試驗(yàn)，

7、1。,3 瀝青路面疲勞開裂研究方法,3.3 力學(xué)分析法 力學(xué)分析法是用斷裂力學(xué)原理來分析路面材料的開裂， 并用以預(yù)測其疲勞壽命的一種方法。 斷裂力學(xué)分析假設(shè)裂縫的發(fā)展過程包括三個(gè)階段：,3 瀝青路面疲勞開裂研究方法,20,3 瀝青路面疲勞開裂研究方法,（1） 裂縫初始生成； （2） 裂縫的穩(wěn)定成長； （3）裂縫的不穩(wěn)定發(fā)展。,其中以第二階段裂縫的穩(wěn)定成長為疲勞壽命的主要部分，裂縫力學(xué)也主要針對第二階段做量化分析。,21,在斷裂力學(xué)分析法中裂縫的延伸長度與應(yīng)力集中因子之間的關(guān)系式通常以paris方程表示：,式中：c裂縫長度； a，n材料常數(shù)； k應(yīng)力強(qiáng)度因子； n荷載作用次數(shù)。,3 瀝青路面疲勞

8、開裂研究方法,4 試驗(yàn)結(jié)果與路用性能之間的關(guān)系,由于室內(nèi)瀝青混合料疲勞特性試驗(yàn)條件與實(shí)際道路上的情況有較大差別，因此由室內(nèi)疲勞試驗(yàn)所獲得的的疲勞方程并不能直接用于實(shí)際道路的疲勞壽命預(yù)估，必須進(jìn)行必要的修正和調(diào)整，這是一個(gè)十分復(fù)雜且不易解決的問題。p.s.pell根據(jù)其研究指出，由室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換為實(shí)際路面上,應(yīng)用，可能要乘以一個(gè)5700的系數(shù)，主要考慮因素有加載間歇時(shí)間、裂縫發(fā)展和荷載橫向分布等影響。,4 試驗(yàn)結(jié)果與路用性能之間的關(guān)系,5.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,在過去幾十年里各國的很多研究者通過實(shí)驗(yàn)對路面的疲勞特性做了大量研究，歸納起來分為三類： (1). 實(shí)際路面在真實(shí)汽車荷載作用下的疲勞破壞試驗(yàn)， 如美國的aashto試驗(yàn)路， 歷時(shí)三年才完成; (2). 足尺路面結(jié)構(gòu)在模擬行車荷載作用下的試驗(yàn)研究，包括環(huán)道試驗(yàn)和加速加載試驗(yàn)，,典型的如