瀝青混合料的疲勞性能（厚義書苑）

1、 1瀝青混合料的疲勞性能瀝青混合料的疲勞性能蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院 1 目錄目錄1. 概述概述2. 材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性質(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瀝青路面疲勞開裂研究方法5. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀4. 試驗(yàn)結(jié)果與路用性能間的關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果與路用性能間的關(guān)系2 3 1.1.概述概述 隨著公路交通量日益增大，汽車軸載不斷增大，汽隨著公路交通量日益增大，汽車軸載不斷增大，汽車對路面的破壞作用變得越來越明顯，路面使用期間經(jīng)車對路面的破壞作用變得越來越明顯，路面使用期間經(jīng)受車輪荷載的反復(fù)作用，長期處于應(yīng)力應(yīng)變交疊變化狀受

2、車輪荷載的反復(fù)作用，長期處于應(yīng)力應(yīng)變交疊變化狀態(tài)，致使路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)荷載重復(fù)作用超過態(tài)，致使路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)荷載重復(fù)作用超過一定次數(shù)以后，在荷載作用下路面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力就會超一定次數(shù)以后，在荷載作用下路面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力就會超過強(qiáng)度下降后的結(jié)構(gòu)抗力，使路面出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生疲勞過強(qiáng)度下降后的結(jié)構(gòu)抗力，使路面出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生疲勞斷裂破壞。斷裂破壞。3 4 1 1. .概述概述 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。路面面層底部所示。路面面層底部B

3、點(diǎn)處于三向應(yīng)力狀點(diǎn)處于三向應(yīng)力狀態(tài)。路面疲勞設(shè)計大多數(shù)以面層底部拉應(yīng)力或拉應(yīng)變作為控制指標(biāo)。態(tài)。路面疲勞設(shè)計大多數(shù)以面層底部拉應(yīng)力或拉應(yīng)變作為控制指標(biāo)。4 5 1. 1.概述概述 國內(nèi)現(xiàn)行路面設(shè)計方法一般基于靜態(tài)彈性體國內(nèi)現(xiàn)行路面設(shè)計方法一般基于靜態(tài)彈性體系模型系模型, , 而實(shí)際車輪荷載均為動態(tài)。由于路面結(jié)而實(shí)際車輪荷載均為動態(tài)。由于路面結(jié)構(gòu)本身對荷載的時變因素具有相當(dāng)?shù)拿舾行詷?gòu)本身對荷載的時變因素具有相當(dāng)?shù)拿舾行? , 因因而在實(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常與靜態(tài)模型的情況存在較大差異, , 對路面的早對路面

4、的早期破損有著不可忽視的作用。期破損有著不可忽視的作用。5 6 2. 2.材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響 2.1 混合料勁度混合料勁度 從疲勞觀點(diǎn)來看，瀝青混合料的勁度模量是從疲勞觀點(diǎn)來看，瀝青混合料的勁度模量是一個重要的材料特性。任何影響混合料勁度的一個重要的材料特性。任何影響混合料勁度的變量，諸如集料與瀝青的性質(zhì)、瀝青用量、混變量，諸如集料與瀝青的性質(zhì)、瀝青用量、混合料的壓實(shí)度與孔隙率，以及反映車輛行駛速合料的壓實(shí)度與孔隙率，以及反映車輛行駛速度的加載時間和所處的環(huán)境條件等都會影響它度的加載時間和所處的環(huán)境條件等都會影響它的疲勞壽命。的疲勞壽命。6 7

5、2.2.材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性質(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。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。隨混合料勁度的增加而降低。2.2 混合料的瀝青用量混合料的瀝青用量 根據(jù)試驗(yàn)可知，相應(yīng)于混合料最佳疲勞壽命根據(jù)試驗(yàn)可知，相應(yīng)于混合料最佳疲勞壽命有一個最佳的瀝青含量。這個瀝青含量不僅與集有一個最佳的瀝青含量。這個瀝青含量不僅與集7 8 2. 2.材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性

6、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，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而要比馬歇爾穩(wěn)定度所確定的最佳瀝青含量稍大。稍大。2.3 瀝青的種類與硬度瀝青的種類與硬度 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影響基本上可以用它對混合料勁度的作用來衡量。量。8 92.2.材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響2.4混合料的空隙率混合料的空隙率 混合料的疲勞

7、壽命隨孔隙率的降低而顯著混合料的疲勞壽命隨孔隙率的降低而顯著地增長。這是因?yàn)榭紫堵试酱?，瀝青混合料地增長。這是因?yàn)榭紫堵试酱?，瀝青混合料內(nèi)部的空隙與微裂縫就越多，在荷載反復(fù)作內(nèi)部的空隙與微裂縫就越多，在荷載反復(fù)作用下就越易引發(fā)微裂縫的擴(kuò)展破壞，從而使用下就越易引發(fā)微裂縫的擴(kuò)展破壞，從而使其疲勞性能降低。其疲勞性能降低。9 102.2.材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性質(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，這可能是引起裂縫難以壓實(shí)而造成高的孔隙率，這可能是引起裂縫

8、的原因并進(jìn)而導(dǎo)致瀝青混合料疲勞壽命的縮短。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，而紋理光滑的圓集產(chǎn)生勁度值相對高的混合料，而紋理光滑的圓集10 112.2.材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性質(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)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。生不同的影響。2.6 針入度針入度 Myre對不同瀝青的混合料分別進(jìn)行了常應(yīng)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)力和常應(yīng)變疲勞試驗(yàn),結(jié)果表明結(jié)果表明:對于

9、常應(yīng)變荷對于常應(yīng)變荷載模式載模式,瀝青越軟瀝青越軟,混合料疲勞壽命越長。而對混合料疲勞壽命越長。而對于常應(yīng)力荷載模式于常應(yīng)力荷載模式,則反之。則反之。11 2.2.材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性質(zhì)對瀝青混合料疲勞性能的影響2.7 軟化點(diǎn)軟化點(diǎn) 瀝青的軟化點(diǎn)對疲勞壽命也有一定影響。瀝青的軟化點(diǎn)對疲勞壽命也有一定影響。P.S.Pell的報告中指出的報告中指出,在一定的瀝青用量下在一定的瀝青用量下,軟化點(diǎn)越高軟化點(diǎn)越高,疲勞疲勞壽命就越長。壽命就越長。 12 13 3 瀝青路面疲勞開裂研究方法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)象研究瀝青路面疲勞開裂的方法主要有現(xiàn)象

10、學(xué)法、能量分析法和力學(xué)分析法學(xué)法、能量分析法和力學(xué)分析法, 其中力學(xué)分其中力學(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)系起來標(biāo)明確聯(lián)系起來,因而受到廣泛重視。因而受到廣泛重視。13 143 瀝青路面疲勞開裂研究方法瀝青路面疲勞開裂研究方法3.1 現(xiàn)象學(xué)法現(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)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。稱為疲勞壽命。 應(yīng)用現(xiàn)象學(xué)法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時，采用控制應(yīng)力應(yīng)用現(xiàn)象學(xué)法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時，采用控制應(yīng)力和控制應(yīng)變兩

11、種不同的加載模式。和控制應(yīng)變兩種不同的加載模式。14 3 瀝青路面疲勞開裂研究方法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)變方式：對于控制應(yīng)力方式：對于控制應(yīng)力方式：mfCN)1(0nfKN)1(015 式中：式中：fN達(dá)到破壞時的重復(fù)荷載作用次數(shù)；達(dá)到破壞時的重復(fù)荷載作用次數(shù)；00,初始的彎拉應(yīng)變和彎拉應(yīng)力；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)。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，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建議了可應(yīng)用于更一般的瀝青混合料的疲勞方程：程：3 瀝青路面疲勞開裂研究方法瀝青路面

12、疲勞開裂研究方法16 式中：式中：0S瀝青混合料的初始勁度；瀝青混合料的初始勁度；a,b,c,由試驗(yàn)所確定的系數(shù)。由試驗(yàn)所確定的系數(shù)。cbfSaN)1()1(003 瀝青路面疲勞開裂研究方法瀝青路面疲勞開裂研究方法17 183 瀝青路面疲勞開裂研究方法瀝青路面疲勞開裂研究方法3.2 能量分析法能量分析法 該方法中將瀝青混合料視為一種典型的粘該方法中將瀝青混合料視為一種典型的粘彈性材料，彈性材料， 其力學(xué)特性依賴于荷載作用的時其力學(xué)特性依賴于荷載作用的時間和溫度，間和溫度， 其綜合模量是由恒定模量（彈性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。部分）和損耗模量（粘性部分）組成

13、。18 193 瀝青路面疲勞開裂研究方法瀝青路面疲勞開裂研究方法 瀝青混合料的疲勞強(qiáng)度主要取決于損耗瀝青混合料的疲勞強(qiáng)度主要取決于損耗模量和應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)過程中的能耗。這一方法模量和應(yīng)力應(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。的重復(fù)作用次數(shù)之間存在著一定關(guān)系。 美國的美國的SHRP研究計劃中也采用能量法研研究計劃中也采用能量法研究瀝青混合料的疲勞響應(yīng)問題。究瀝青混合料的疲勞響應(yīng)問題。SHRP在壓實(shí)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)瀝青混合料重復(fù)彎曲疲勞壽命測定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn) 19 20

14、3 瀝青路面疲勞開裂研究方法瀝青路面疲勞開裂研究方法方法（方法（SHRP-M-009）中還給出了累積消散能及）中還給出了累積消散能及消散能累積到破壞時的計算方法。消散能累積到破壞時的計算方法。 基于消散能量原則，使用加載循環(huán)次數(shù)與基于消散能量原則，使用加載循環(huán)次數(shù)與能量散失的關(guān)系式及能量散失的關(guān)系式及?值和初始勁度值和初始勁度 S= ， Van Dijk建議用下式預(yù)測疲勞壽命：建議用下式預(yù)測疲勞壽命：0020 120110)sin(zzASNN加載次數(shù)； A材料常數(shù)；0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)， 1。3 瀝青路面疲勞開

15、裂研究方法瀝青路面疲勞開裂研究方法21 3.3 力學(xué)分析法力學(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，料的開裂， 并用以預(yù)測其疲勞壽命的一種方法。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)展過程包括三個斷裂力學(xué)分析假設(shè)裂縫的發(fā)展過程包括三個階段：階段：3 瀝青路面疲勞開裂研究方法瀝青路面疲勞開裂研究方法22 23 3 瀝青路面疲勞開裂研究方法瀝青路面疲勞開裂研究方法（1） 裂縫初始生成；裂縫初始生成；（2） 裂縫的穩(wěn)定成長；裂縫的穩(wěn)定成長；（3）裂縫的不穩(wěn)定發(fā)展。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

16、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。要部分，裂縫力學(xué)也主要針對第二階段做量化分析。23 24 在斷裂力學(xué)分析法中裂縫的延伸長度與應(yīng)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)系式通常以力集中因子之間的關(guān)系式通常以Paris方程表方程表示：示：nAkdNdc式中：式中：c裂縫長度；裂縫長度； A，n材料常數(shù)；材料常數(shù)； k應(yīng)力強(qiáng)度因子；應(yīng)力強(qiáng)度因子； N荷載作用次數(shù)。荷載作用次數(shù)。 3 瀝青路面疲勞開裂研究方法瀝青路面疲勞開裂研究方法24 4 試驗(yàn)結(jié)果與路用性能之間的關(guān)系試驗(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

17、與實(shí)際由于室內(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)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，這是一個十分復(fù)雜且不易解決的問題。是一個十分復(fù)雜且不易解決的問題。P.S.Pell根據(jù)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25 應(yīng)用，可能要乘以一個應(yīng)用，可能要乘以一個5700的系數(shù)，主要的系數(shù)，主要考慮因素有加載間歇時間、裂縫發(fā)展和荷載考慮因素有加載

18、間歇時間、裂縫發(fā)展和荷載橫向分布等影響。橫向分布等影響。4 試驗(yàn)結(jié)果與路用性能之間的關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果與路用性能之間的關(guān)系26 5.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(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)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，歸納起來分對路面的疲勞特性做了大量研究，歸納起來分為三類：為三類： (1). 實(shí)際路面在真實(shí)汽車荷載作用下的疲勞實(shí)際路面在真實(shí)汽車荷載作用下的疲勞破壞試驗(yàn)，破壞試驗(yàn)， 如美國的如美國的AASHTO試驗(yàn)路，試驗(yàn)路， 歷時三歷時三年才完成年才完成; (2). 足尺路面結(jié)構(gòu)在模擬行車荷載作用下的足尺路面結(jié)構(gòu)在模擬行車荷載作用下的試驗(yàn)研究，包括環(huán)