評(píng)價(jià)瀝青混合料疲勞的預(yù)測(cè)模型

1、評(píng)價(jià)瀝青混合料疲勞壽命的預(yù)測(cè)模型摘要:為加深對(duì)瀝青混合料的疲勞測(cè)試特別是在設(shè)計(jì)階段的理解,本次研究采用簡(jiǎn)單的斷裂測(cè)試(即半圓形缺口彎曲 (scnb)測(cè)試)對(duì)評(píng)價(jià)瀝青混合料的疲勞壽命的可能性進(jìn)行調(diào)查。 結(jié)果表明,一個(gè)可行的參數(shù)由單調(diào)和循環(huán)scnb之間存在相關(guān)性,基于對(duì)這些結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析開發(fā)了三個(gè)評(píng)價(jià)瀝青混合料疲勞的預(yù)測(cè)模型。 這種單調(diào)參數(shù)應(yīng)變比其他參數(shù)應(yīng)變能最好的說(shuō)明預(yù)測(cè)瀝青混合料的疲勞壽命。 此外,靈敏度分析進(jìn)行評(píng)估模型和極端分析表明,應(yīng)變能是對(duì)疲勞壽命最多貢獻(xiàn)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)參數(shù)之一。 最后要說(shuō)明的是,這些預(yù)測(cè)模型并沒有取代傳統(tǒng)的疲勞壽命評(píng)估測(cè)試,只是作為篩查工具,幫助我們消除誤差。關(guān)鍵詞:極端狀態(tài)

2、分析、疲勞試驗(yàn)、熱拌瀝青;靈敏度分析;應(yīng)變能;科學(xué)可視化圖 介紹 現(xiàn)代工程評(píng)估和設(shè)計(jì)應(yīng)該模擬實(shí)際條件并基于動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下。然而，大多數(shù)工程設(shè)計(jì)是基于單調(diào)或準(zhǔn)單調(diào)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)加載條件下的動(dòng)態(tài)測(cè)試，由于測(cè)試方式的簡(jiǎn)單。瀝青疲勞可能被定性從開始的破壞隨后產(chǎn)生裂縫處于不穩(wěn)定狀態(tài)的傳播這種漸進(jìn)破壞的現(xiàn)象。因此，瀝青混合料疲勞失效以及對(duì)細(xì)微疲勞引發(fā)和裂紋擴(kuò)展沒有進(jìn)行一致性的評(píng)價(jià)是大多數(shù)工程成敗的關(guān)鍵尤其是在瀝青混合料參與公路路面工程中。目前，該種疲勞試驗(yàn)用來(lái)評(píng)估瀝青路面的疲勞壽命被認(rèn)為是昂貴且耗時(shí)的1。所以，這種疲勞試驗(yàn)不可能適合每個(gè)項(xiàng)目，為了能夠采用簡(jiǎn)單和可靠的測(cè)試以及需要驗(yàn)證的程序?qū)r青混合料疲勞壽

3、命進(jìn)行評(píng)估從而來(lái)提高混合料設(shè)計(jì)過(guò)程延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。因此，發(fā)展有效而簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)模型來(lái)評(píng)估瀝青路面的抗疲勞性的方法是勢(shì)在必行的。在這項(xiàng)研究中，可以簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)瀝青混合料的抗疲勞性能可靠的型號(hào)并分別開發(fā)和評(píng)估。理論和預(yù)測(cè)模型當(dāng)學(xué)習(xí)有關(guān)瀝青疲勞時(shí)知識(shí)時(shí)，應(yīng)該掌握一些基本的概念。這些概念簡(jiǎn)化如下，其次預(yù)測(cè)路面疲勞壽命參數(shù)，包括強(qiáng)度，材料特性，應(yīng)變能的概念，統(tǒng)計(jì)方法，等。繪制應(yīng)力譜需要評(píng)估瀝青疲勞壽命。最簡(jiǎn)單的疲勞應(yīng)力譜的一零平均正弦應(yīng)力時(shí)間模式恒定振幅和頻率固定，用于指定循環(huán)次數(shù)。在瀝青路面，裂縫的發(fā)生主要是由于瀝青混合料層底部的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生負(fù)載。在該區(qū)域的許多現(xiàn)有的疲勞模型瀝青路面采用的回歸分析開

4、發(fā)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。沃勒開發(fā)了利用拉伸的關(guān)系從一個(gè)循環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)變，在溫度變化，并其他情況下，如下進(jìn)行路面斷裂調(diào)查2 ， 3：其中，nf：負(fù)載應(yīng)用程序故障數(shù)，o ：拉伸應(yīng)變?cè)跒r青層的底部，并k1，k2，和n ：與所述組合物的功能的因素和對(duì)瀝青混合料的性能。k2為相同巴黎定律的參數(shù)n ，基于方程（ 1 ） ， n的值已被使用估計(jì)回歸分析。 n的值被由bonnaure等確定為5。 4和3.624由tayebali等確定。 5。 medani和molenaar 3的簡(jiǎn)化的疲勞特性的推定瀝青混合料。他們的方法是基于混合屬性和勁度模量主曲線（s ），其之間的關(guān)系加載時(shí)間和瀝青混合料的剛度。其他研究人員 6-8

5、采用了不同的方法，他們利用連續(xù)損傷模型應(yīng)用于瀝青混凝土單調(diào)加載和根據(jù)制定的工作潛力理論循環(huán)加載schapery 9 。這項(xiàng)工作潛在的理論來(lái)模擬線性和非線性彈性介質(zhì)與力學(xué)行為結(jié)構(gòu)變化和不斷增長(zhǎng)的損害。該理論可以應(yīng)用來(lái)描述粘彈性的影響。丹尼爾 10 提出了基于單個(gè)測(cè)試的方法可用于預(yù)測(cè)下材料響應(yīng)條件不同的單軸拉伸試驗(yàn)條件。利用工作勢(shì)理論和連續(xù)損傷理論，本構(gòu)被開發(fā)了型號(hào)為瀝青混凝土。后來(lái)，丹尼爾和kim 7 發(fā)現(xiàn)可用于一個(gè)周期或四分之一個(gè)周期的一半一個(gè)近似的情況下;在這種情況下，四分之一個(gè)周期的使用。從偽應(yīng)變和特性的函數(shù)形式曲線中，應(yīng)力響應(yīng)可以被預(yù)測(cè)。隆斯特羅姆和isacsson 11 進(jìn)一步研究了丹

6、尼爾和kim 7的工作確定單調(diào)測(cè)試是否能夠預(yù)測(cè)疲勞瀝青混合物的特性。這項(xiàng)工作的潛力理論是對(duì)造型材料的比較簡(jiǎn)單的辦法遇到損壞的增長(zhǎng)。最近，許多研究人員一直在研究相關(guān)應(yīng)變能和疲勞壽命和斷裂的預(yù)測(cè)值之間瀝青混合料。沉匠 12 開發(fā)了一種瀝青疲勞模型是基于應(yīng)變能原理。 zhou等人。 13提出了另一種方法，它利用覆蓋測(cè)試，以預(yù)測(cè)疲勞通過(guò)確定斷裂裂紋萌生和的傳播瀝青混合料的性能。劉等人。 14 認(rèn)為疲勞在瀝青混合料的演變規(guī)律可以基于的概念能源消耗和瀝青混合料的疲勞壽命是好按照抗斷裂性。皮等。 15評(píng)估疲勞壽命使用劈裂蠕變?cè)囼?yàn)的瀝青混合料，而他們表示，有蠕變損傷之間的良好相關(guān)性時(shí)間和疲勞損傷的時(shí)間。此外，

7、 kim和kim等人 16 認(rèn)為，裂縫是會(huì)中止通過(guò)能量的基本材料特性控制耗散和能量閾值，他們預(yù)計(jì)他們的開發(fā)模型將填充粘彈性骨折之間的差距連續(xù)損傷力學(xué)，并提供更好的開裂瀝青混合料的預(yù)測(cè)。 li等人。 17 提出了一種疲勞基于斷裂能預(yù)測(cè)瀝青混合模型從間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果確定。此外，他們認(rèn)為，基于耗散能量變化的比值疲勞模型是獨(dú)立的材料類型，并顯示相對(duì)較高的水平的預(yù)測(cè)精度。佩雷斯 - 希門尼斯等。 18 表明，疲勞特性需要復(fù)雜的循環(huán)測(cè)試，因此，不通常在設(shè)計(jì)瀝青混合料時(shí)考慮到，并引入了新的斷裂試驗(yàn)，結(jié)果表明，這種新的方法可以評(píng)定瀝青的疲勞性能和程序可用于涉及剛度和耗散能在裂解過(guò)程中得到的參數(shù)。敏感度分析利用

8、信息的流入和流出的模型或方程廣泛研究了靈敏度分析 19 的關(guān)系。在過(guò)去，敏感度分析通過(guò)在一個(gè)模型中改變一個(gè)變量，同時(shí)保持其他參數(shù)固定來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是這可能會(huì)導(dǎo)致所需的效果和結(jié)果變量之間存在相互影響25。因此，要更好的把握不同參數(shù)之間的關(guān)系，需要一個(gè)動(dòng)態(tài)的敏感度分析?？梢暬茖W(xué)分析圖和地塊極端尾部分析被認(rèn)為是評(píng)估靈敏度的更好方法變量的模型之一，因?yàn)樗麄兛紤]到的靈敏度考慮所有變量的共同作用 28 ， 29 。可視化科學(xué)分析圖可視化科學(xué)分析通常被用來(lái)作為模型圖形化的解決方案，這說(shuō)明它是利用spearman秩相關(guān)系數(shù)產(chǎn)生（）作為在模型結(jié)果的所有輸入?yún)?shù)的影響。其中， ： spearman秩相關(guān)系數(shù)，二：

9、在差值中的輸入值和輸出值之間的行列相同的數(shù)據(jù)對(duì)，n為模擬數(shù)。當(dāng)?shù)慕^對(duì)值越接近1 ，所出的結(jié)果對(duì)模型的輸出變量是最大的。當(dāng)它接近到零，其對(duì)結(jié)果影響甚微。此外，正值將指定的評(píng)價(jià)模型的輸出是按比例相關(guān)的變量（即，當(dāng)變量的值高時(shí)，輸出會(huì)高為好） 。當(dāng)為負(fù)值時(shí)，輸出是成反比的變量25。極端狀態(tài)尾部分析極端狀態(tài)尾部分析是用來(lái)表示在一個(gè)模型中的不確定的臨界變量，其可以在一個(gè)有助于極值模型的結(jié)果。為了查明這些參數(shù)，統(tǒng)一化的變量（）為在方程所描述的計(jì)算方法。 （ 3 ） （方法的詳細(xì)信息可在參考文獻(xiàn) 28 ） 。變量的極端值組| 0.5頃普遍認(rèn)為是顯著和有助于預(yù)測(cè)輸出的極值。正對(duì)于輸入顯著值表示的極值輸入是可能

10、的原因，正極端輸出1值，反之亦然 25 。其中mediangroup：組中輸入的中位數(shù)，mediantotal：總模型輸入的中位數(shù)，和總：在總模型輸入的標(biāo)準(zhǔn)偏差材料在愛達(dá)荷州廣泛使用的混合料分別需要選擇組成一個(gè)混合里料級(jí)配。為了評(píng)估團(tuán)粒結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青混合料疲勞壽命的影響，四種不同的聚合效應(yīng)結(jié)構(gòu)（包括混合1 ，混合2 ，粗混合，精密混合）分別為使用時(shí)，如圖所示。 1，除此之外，為了評(píng)估粘合劑的影響; 最佳的粘結(jié)劑含量（最佳瀝青用量和 0.5 對(duì)于混合1和混合2 ）以及8個(gè)檔次粘結(jié)劑含量被使用（ pg 70-34 ， pg 70-28 ， pg 70-22 ， 64-34 pg ， pg 64-28

11、， pg64-22 ，pg 58-34 ， pg和58-28 ） ，示于表1 。附加7也為進(jìn)一步的測(cè)試和評(píng)估混合料的領(lǐng)域（表2） 。圖 1。集料級(jí)配 （后阿布阿卜杜等人 30）。樣品制備和測(cè)試安裝程序樣品制備所有樣品均在嚴(yán)格控制的實(shí)驗(yàn)室條件下壓實(shí)。樣品使用servopac旋回壓實(shí)壓實(shí)了一些回旋的制作標(biāo)本4 1的空氣空隙。壓實(shí)圓柱試樣切成4半圓的標(biāo)本，那就是每個(gè)樣品成了半圈波束圖，如圖所示。 2，樣品缺口12.7 ， 25.4和31.8毫米缺口深度對(duì)評(píng)估不同深度的槽口裂紋擴(kuò)展及其對(duì)疲勞試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)樣品。要獲得混合測(cè)試動(dòng)態(tài)模量，標(biāo)本壓實(shí)需要達(dá)到175毫米高，標(biāo)本存留9 的空氣空隙。然后芯和鋸要獲得

12、直徑100毫米和150毫米高的標(biāo)本與7 的空氣空隙。早期的研究1 ， 3134已經(jīng)表明，半圓形缺口彎曲（ scnb ）測(cè)試裝置，可有效地用于測(cè)量斷裂和疲勞性能。另外，用實(shí)施superpave混合料設(shè)計(jì)方法，利用率由該superpave旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓實(shí)樣品壓實(shí)機(jī)（ sgc ）是首選的路面產(chǎn)業(yè)，因?yàn)樾貕簩?shí)樣品更容易編寫，和壓實(shí)方法的開發(fā)是為了模擬實(shí)際壓實(shí)現(xiàn)場(chǎng)更一致。因此，決定在此研究中使用半圓形橫梁。靜態(tài)半圓缺口彎曲（ scnb ）測(cè)試半圓形梁是在3點(diǎn)測(cè)試設(shè)置間距測(cè)試為120mm兩輥支架之間。一個(gè)mts 810機(jī)和flex測(cè)試se版本5.0 2299系統(tǒng)中使用的應(yīng)用負(fù)載到樣品上。一個(gè)坡道負(fù)載恒定的

13、垂直0.075mm/minute的變形率使用 1 ， 35 。循環(huán)半圓缺口彎曲（ scnb ）測(cè)試疲勞試驗(yàn)，以評(píng)估循環(huán)和靜態(tài)之間的關(guān)系測(cè)試包括循環(huán)加載在1赫茲的裝載次數(shù)，和0.075mm/minute的負(fù)荷率。所施加的負(fù)載范圍為約3060的靜態(tài)最大強(qiáng)度。在gmm ：混合料理論最大比重，av ：空隙率，鉛：含膠率，gb：粘結(jié)劑比重，gsb ：集料的體積比重和gse ：集料有效比重。 標(biāo)本失誤而導(dǎo)致識(shí)別的過(guò)渡被定義測(cè)試樣品的彈性和塑性行為之間的點(diǎn)，在其中最大和最小之間的不均勻峰間隔加載波可以觀察到 34 。在此研究中，測(cè)試實(shí)驗(yàn)是在室溫下進(jìn)行，為了減少溫度的影響，這兩個(gè)測(cè)試都是在室溫下進(jìn)行的（ 21

14、）用圖中所示的測(cè)試設(shè)置，這個(gè)溫度被選為代表溫度為所有混合料，由于superpave混合料的設(shè)計(jì)，決定了疲勞阻力位在粘結(jié)劑牌號(hào)的中間溫度范圍。動(dòng)態(tài)模量（ | e * | ）測(cè)試作為每aashto tp 62-03 36 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這由施加單軸正弦壓應(yīng)力到的無(wú)側(cè)限hma圓柱試樣并測(cè)量使用3的lvdt安裝的中間對(duì)應(yīng)的應(yīng)變標(biāo)本。動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)是用進(jìn)行21 c和1赫茲的加載頻率下，以匹配循環(huán)scnb測(cè)試的加載條件。 數(shù)據(jù)分析疲勞模型測(cè)試的一個(gè)總數(shù)一共有426項(xiàng)，既單調(diào)和疲勞作為這項(xiàng)研究的一部分進(jìn)行的。這些426項(xiàng)測(cè)試， 包括212種單調(diào)和214種的疲勞試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果平均每個(gè)測(cè)試條件，代表實(shí)際的結(jié)果;這些結(jié)

15、果表明，結(jié)果后面一類似的趨勢(shì)，疲勞（循環(huán)）結(jié)果。因此，使用靜態(tài)scnb試驗(yàn)是一種簡(jiǎn)單和簡(jiǎn)短的測(cè)試，并通過(guò)將其結(jié)果在一個(gè)模型中，我們可以排列組合和決定這將是更好的使用?；陟o態(tài)斷裂試驗(yàn)評(píng)估疲勞壽命結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析，用于開發(fā)疲勞模型。三種模式與單調(diào)斷裂試驗(yàn)結(jié)果疲勞壽命被開發(fā)和使用進(jìn)行評(píng)估這項(xiàng)研究的數(shù)據(jù)。這些模型的目的不是要取代疲勞壽命的評(píng)估，使用的機(jī)械估計(jì)經(jīng)驗(yàn)路面設(shè)計(jì)指南，而是作為一個(gè)初始評(píng)估路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的方法。因此，路面結(jié)構(gòu)各種混合的疲勞壽命，而無(wú)需使用比較昂貴且耗時(shí)的疲勞試驗(yàn)圖。3，斷裂韌性測(cè)量*與預(yù)測(cè)斷裂韌性*(模型一) 圖。 4，測(cè)量u * / t與預(yù)測(cè)u * /噸（ ii型）圖。 5，

16、測(cè)得的nf與預(yù)測(cè)nf（ iii型） 。模型一：循環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度因子模型（ kic * ）廣泛使用的瀝青研究所模型（公式（4）被用作基地建立一個(gè)模型來(lái)估計(jì)循環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度因子（kic * ），是從疲勞試驗(yàn)計(jì)算。使用靈敏度分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最終靜態(tài)（單調(diào)）負(fù)載功率（pmax ）和動(dòng)態(tài)模量相同的負(fù)載應(yīng)用程序（ | | e * ）頻率給循環(huán)測(cè)試可以被有效地利用來(lái)估計(jì)斷裂韌性* 。該模型是在方程描述。 （5）具有0.7597的r 2為圖。 3 ，和se /等于0.4902 。其中，nf：負(fù)載應(yīng)用的故障數(shù)，t ：在柏油混合物層的底部的拉伸應(yīng)變，并| e * | ：瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量。其中, 疲勞斷裂韌性*:應(yīng)力強(qiáng)度

17、因子(循環(huán))測(cè)試(mpa.m0.5), pmax:終極單調(diào)(斷裂)負(fù)載(n),和 | e * |:瀝青混合動(dòng)態(tài)模量在1赫茲(mpa)。模型：循環(huán)應(yīng)變能模型（u * / t）按照同樣的方法，因?yàn)槟Ｐ蚷 ，瀝青協(xié)會(huì)模型（公式（4）被用作基礎(chǔ)來(lái)估算循環(huán)應(yīng)變這是用確定的單位厚度（u * / t）的能量疲勞試驗(yàn)。使用敏感度分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變使用單調(diào)試驗(yàn)確定每單位厚度（u /噸）能源，動(dòng)態(tài)模量（ | e * | ）在同一負(fù)載的應(yīng)用頻率循環(huán)試驗(yàn)和樣品空氣空隙可以被有效地利用，以估計(jì)u * /噸的0.8079的r 2 （圖4）和se /施等于0.4383 。該模型示于方程（6） 。其中，u * /噸：每單位

18、厚度的循環(huán)應(yīng)變能u / t：?jiǎn)握{(diào)的應(yīng)變能單位厚度| e * | ：在1hz （兆帕）瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量和av ：瀝青混合料樣品的空隙。模式三：循環(huán)失效數(shù)（nf ）假設(shè)在單調(diào)測(cè)試的總應(yīng)變能大多消退，對(duì)范戴克的模型進(jìn)行了修正，以符合如式所示的假設(shè)。 （8） 。這個(gè)模型具有0.7343的r 2為示于圖5 ，和se /施等于0.5155 。圖。 6，可視化科學(xué)圖形分析模型i和ii 。敏感性分析任何靈敏度分析的第一步是確定的該模型的變量的概率分布。分布在這項(xiàng)研究中的變量進(jìn)行均值確定和使用確定變量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。生成龍卷風(fēng)圖的參數(shù)（eqs。5 6。模型iii排除了由于模型的一個(gè)變量，它將顯示等于1的絕對(duì)值，因此不能被用于可視化視圖分析?；谠谀Ｊ絠和ii的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。 結(jié)果說(shuō)明（圖6），在建立的模型，模型ii表明其預(yù)測(cè)的最佳的靈敏度（值0.3330.5。此外，它被發(fā)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)模量（e * | |）和空隙有負(fù)相關(guān)關(guān)系（負(fù)）和它們之間的u / t（模型ii），其中ut，pmax具有正向關(guān)系（正）。負(fù)相關(guān)關(guān)系模型的變量和預(yù)測(cè)值意味著高