多孔瀝青混合料凍融損傷機理與耐久性分析

1、多孔瀝青混合料凍融損傷機理與耐久性分析主要內(nèi)容 研究背景 多孔瀝青混合料抗凍性能分析 宏觀唯象多孔瀝青混合料凍融損傷力學(xué)分析 瀝青與集料界面粘結(jié)力學(xué)性能 界面粘結(jié)性能與混合料凍融耐久性 背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀多孔瀝青混合料 permeabilityimpermeable空隙較大，細集料較少 開級配瀝青磨耗層(OGFC)透水式路面(PEM)排水與飽水式路面(DAP, WRP)降噪型路面(LNP)瀝青穩(wěn)定排水基層(ATPB)M. Huurman. Lifetime Optimisation Tool, LOT, Main Report, Report 7-07-170-1R, Laboratory

2、of Road and Railway Engineering, Delft University of Technology, Delft, 2008.1. 背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀多孔瀝青混合料主要優(yōu)點： 由多孔瀝青混合料面層與多孔排水基層組成的排水式路面可以將雨水轉(zhuǎn)移入地下，有效補充地下水，保護資源環(huán)境。 背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀多孔瀝青混合料主要優(yōu)點： 多孔瀝青混合料面層還可減少水漂，提高雨天抗滑性能。Allex E. Alvarez, Amy E. Martin, Cindy K. Estakhri, Joe W. Button, Charles J. Glover, Sung H. Jun

3、g. Synthesis of Current Practice on the Design, Construction, and Maintenance of Porous Friction CourseC. Texas Transportation Institute and The Texas A&M University System，2006. 背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀多孔瀝青混合料主要優(yōu)點： 飽水式路面可降低路面溫度、減少城市熱島效應(yīng)。 降低車輛行駛時的噪音，改善道路兩側(cè)居民居住環(huán)境。環(huán)境友好型路面材料，在城市及高速公路應(yīng)用前景廣闊 達優(yōu)建材商貿(mào)有限公司. 排水性鋪裝概要Z.

4、2007. . 背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在的問題： 耐久性不佳結(jié)構(gòu)松散38%的州因為耐久性問題不再使用有33%的州使用壽命在10-12年，有30%大約8-10年，17%小于6年Allex E. Alvarez, Amy E. Martin, Cindy K. Estakhri, Joe W. Button, Charles J. Glover, Sung H. Jung. Synthesis of Current Practice on the Design, Construction, and Maintenance of Porous Friction CourseC. Texas Tran

5、sportation Institute and The Texas A&M University System，2006. 背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在的問題： 功能特性的衰減 江蘇鹽通高速排水瀝青路面在使用3-4年后，重車道滲水系數(shù)迅速下降，嚴重影響路面的橫向排水。 日本調(diào)查表明：隨著使用年限的增長，空隙率變小，透水時間增長，降噪效果減弱。森永教夫主編. 日本鋪裝技術(shù)答疑M. 人民交通出版社, 2006. 背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在的問題： 建設(shè)費用高相對于密級配混合料增加造價50-80% 寒冷地區(qū)的應(yīng)用問題 內(nèi)部溫度更低，如果有水更容易凍結(jié)； 撒布鹽或砂進行融雪和增加摩阻力時，會堵塞空

6、隙； 冰雪地區(qū)帶釘輪胎導(dǎo)致的磨耗； 凍融問題？ 背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在的問題： 凍融耐久性關(guān)注度較少的原因 主要功能為排水，應(yīng)用地區(qū)為南方多雨區(qū)域 -205度的凍融循環(huán)試驗條件過于保守 空隙較大，可以有效消散水的凍脹力達優(yōu)建材商貿(mào)有限公司. 排水性鋪裝概要Z. 2007. . 背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在的問題： 寒冷地區(qū)的應(yīng)用問題美國明尼蘇達州環(huán)道凍融問題？Matthew Lebens. Porous Asphalt Pavement Performance in Cold RegionsR. LRRB INV 878：Task 4 Report，2009.10. 背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在的問

7、題： 寒冷地區(qū)的應(yīng)用問題美國明尼蘇達州環(huán)道-2009.82010.1模擬小交通量公路條件Matthew Lebens. Porous Asphalt Pavement Performance in Cold RegionsR. LRRB INV 878：Task 4 Report，2009.10. 背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在的問題： 寒冷地區(qū)的應(yīng)用問題 荷蘭，近10年修筑的約90%高速路面為多孔瀝青路面，使用狀況良好2009冬凍融問題？Salil Mohan. Winter Damage of Porous Asphal-Case study using a meso-mechanics bas

8、ed Tool for Lifetime Optimization of PAD. Thesis of Delft University of Technology, 2010.12. 背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀需要回答的問題： 是否存在凍融耐久性問題？ 凍融作用下，混合料的損傷特點如何？如何提高抗凍融破壞能力？M. Huurman. Lifetime Optimisation Tool, LOT, Main Report, Report 7-07-170-1R, Laboratory of Road and Railway Engineering, Delft University of Tech

9、nology, Delft, 2008.1. 主要內(nèi)容 研究背景 多孔瀝青混合料抗凍性能分析 宏觀唯象多孔瀝青混合料凍融損傷力學(xué)分析 瀝青與集料界面粘結(jié)力學(xué)性能 界面粘結(jié)性能與混合料凍融耐久性 多孔瀝青混合料抗凍性能分析 一、空隙率與凍融耐久性篩孔尺寸 (mm)通過率 (%)AC-16AM-16OGFC-16191001001001695979513.28478809.5706357.54.754836202.363422151.182515120.618109.50.31377.50.151045.50.075634AC: 61% AM: 121%OGFC: 181% 多孔瀝青混合料抗凍性能

10、分析 一、空隙率與凍融耐久性 多孔瀝青混合料抗凍性能分析 AM-16空隙率AM-16吸水率AM-16體積變化OGFC-16空隙率OGFC-16體積變化平均體積變化AC-16空隙率AC-16吸水率AC-16體積變化質(zhì)量損失率 多孔瀝青混合料抗凍性能分析 瀝青混合料的凍融損傷是一個空隙率和體積逐漸增大，內(nèi)部宏觀、微觀裂紋增多，材料性能衰減的演變過程，其凍融損傷過程可以分為三個階段： 第階段：開口空隙內(nèi)水分凍結(jié)膨脹，對空隙壁形成凍脹拉應(yīng)力 第階段：性能的穩(wěn)定期，冰脹力可通過連通空隙消散第階段：加速損傷，水分侵蝕瀝青與集料界面，結(jié)構(gòu)松散三種混合料的損傷規(guī)律滿足最不利空隙率的概念。對于多孔瀝青混合料，盡

11、管由于空隙大可以消散部分冰脹力，但相對于密級配混合料耐久性依然較差。 多孔瀝青混合料的損傷特點？ 多孔瀝青混合料抗凍性能分析 二、空隙率控制指標與分布規(guī)律日本鋪裝規(guī)范空隙率大約為20% 美國路面規(guī)范空隙率大約為18-22% 我國公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范空隙率大約為18-25% 體積法設(shè)計，包含表面粗糙 多孔瀝青混合料抗凍性能分析 二、空隙率控制指標與分布規(guī)律美國某試驗路段現(xiàn)場芯樣空隙率空間分布密級配 Eyad Masad, Emad Kassem, Arif Chowdhury, Zhanping You. A Method for Predicting Asphalt Mixture Com

12、pactability and Its Influence on Mechanical Properties. FHWA/TX-09/0-5261-2, Texas Transportation Institute, The Texas A&M University System, College Station, Texas, 2008.8. 多孔瀝青混合料抗凍性能分析 試件類型試件編號空隙率測試方法兩種方法空隙率差/%體積法/%Corelok法/%150170mm1-119.817.42.41-221.819.12.71-321.319.02.3100150mm2-116.815.

13、61.22-218.317.50.82-318.517.21.3 多孔瀝青混合料抗凍性能分析 對于多孔瀝青路面來說，凍融作用的臨界位置在結(jié)構(gòu)內(nèi)部。對于常用的開級配磨耗層，由于厚度較小，空隙更易連通，受凍融作用相對更小。而對于厚度較大的雙層或多層多孔瀝青路面，以及作為結(jié)構(gòu)層的排水基層，容易出現(xiàn)積水與凍融。這種破壞宏觀上表現(xiàn)并不明顯，但損傷累積到一定程度，結(jié)構(gòu)很快就會大面積松散！ 空隙率大小的重要影響！ 如何判斷是否產(chǎn)生凍融損傷？ 最不利空隙率范圍：7%-13% 多孔瀝青混合料抗凍性能分析 三、滲水系數(shù)集料最大公稱粒徑級配空隙率大?。?多孔瀝青混合料抗凍性能分析 三、滲水系數(shù)日本鋪裝規(guī)范400ml

14、/10s美國路面規(guī)范11.5710-2cm/s我國施工規(guī)范僅要求實測可通過滲水系數(shù)反映空隙連通最大公稱粒徑16mm2400ml主要內(nèi)容 研究背景 多孔瀝青混合料抗凍性能分析 宏觀唯象多孔瀝青混合料凍融損傷力學(xué)分析 瀝青與集料界面粘結(jié)力學(xué)性能 界面粘結(jié)性能與混合料凍融耐久性 宏觀唯象多孔瀝青混合料凍融損傷力學(xué)分析一、多孔瀝青混合料粘彈塑性損傷本構(gòu)方程總應(yīng)變的增量表示損傷模型 粘彈性模型 塑性模型 宏觀唯象多孔瀝青混合料凍融損傷力學(xué)分析二、粘彈塑性損傷模型的驗證-10 0 10 20 宏觀唯象多孔瀝青混合料凍融損傷力學(xué)分析二、粘彈塑性損傷模型的驗證隨著溫度的降低，粘彈模型中E0、E1、E2、t1與

15、t2都有不同程度的上升 宏觀唯象多孔瀝青混合料凍融損傷力學(xué)分析二、粘彈塑性損傷模型的驗證塑性模型中G、K也表現(xiàn)為明顯的S型曲線 宏觀唯象多孔瀝青混合料凍融損傷力學(xué)分析三、多孔瀝青混合料凍融損傷分析 應(yīng)用模型分析不同凍融次數(shù)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線 宏觀唯象多孔瀝青混合料凍融損傷力學(xué)分析三、多孔瀝青混合料凍融損傷分析模型參數(shù)不同凍融循環(huán)次數(shù)0246810E0/Mpa60.860.859.654.053.544.4E1/Mpa30.17.614.413.910.07.3E2/Mpa6.01.52.92.82.01.5t1/s22.324.326.330.634.538.0t2/s70.472.472.87

16、4.876.878.6K/Mpa113.9116.7105.983.586.764.2G/Mpa65.764.860.261.663.644.5彈性元件模量及塑性模型中體積模量和剪切模量，隨著凍融次數(shù)的增加都逐漸下降。松弛時間隨著凍融次數(shù)的增加逐步變大。 宏觀唯象多孔瀝青混合料凍融損傷力學(xué)分析三、多孔瀝青混合料凍融損傷分析經(jīng)過多次凍融循環(huán)，混合料抵抗體積變形的能力減弱，內(nèi)摩阻角逐漸增大，混合料粘聚力有較大損失。 多次凍融損傷- 級配碎石（粘結(jié)力消失）主要內(nèi)容 研究背景 多孔瀝青混合料抗凍性能分析 宏觀唯象多孔瀝青混合料凍融損傷力學(xué)分析 瀝青與集料界面粘結(jié)力學(xué)性能 界面粘結(jié)性能與混合料凍融耐久性

17、 1、瀝青與集料界面粘結(jié)性能試驗方法對于多孔瀝青混合料，我國公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范（JTG F40-2004）推薦采用14m 20m 一、瀝青與集料界面粘結(jié)性能試驗方法Marek, C.R., and M. Herrin. Tensile Behavior and Failure Characteristics of Asphalt Cements in Thin Films. Proceedings, Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 37, 1968, pp. 386-421. 石料 石料 2、集料試樣的制備玄武巖花崗巖花

18、崗巖玄武巖一、瀝青與集料界面粘結(jié)性能試驗方法2D掃描電鏡3D原子力顯微鏡 3、試驗系統(tǒng)DSR（動態(tài)剪切流變儀）一、瀝青與集料界面粘結(jié)性能試驗方法 一、瀝青與集料界面粘結(jié)性能試驗方法4、界面粘結(jié)試驗系統(tǒng)受力特性與有效性分析不同厚度瀝青薄膜的力學(xué)性能當瀝青膜足夠厚時，對界面剪切模量影響較小。 二、瀝青與集料界面疲勞力學(xué)性能界面疲勞試驗條件0.01Hz加載波形： 加載頻率： 集料： 花崗巖、玄武巖結(jié)合料： PG64-22（未老化、短期老化、長期老化）、橡膠瀝青（未老化、短期老化、長期老化） 二、瀝青與集料界面疲勞力學(xué)性能界面疲勞試驗條件集料類型瀝青試驗溫度/控制應(yīng)力/MPa玄武巖PG64-22未老化

19、、RTFO、PAV；橡膠瀝青未老化、RTFO、PAV50.6、0.8、1.0、1.2100.6、0.8、1.0200.2、0.3、0.4、0.5花崗巖PG64-22未老化、RTFO、PAV；橡膠瀝青未老化、RTFO、PAV50.8、1.0、1.2100.6、0.8、1.0200.2、0.3、0.4結(jié)合料模量下降到50%初始模量所對應(yīng)的加載次數(shù)為疲勞壽命 二、瀝青與集料界面疲勞力學(xué)性能疲勞損傷模型與壽命預(yù)估應(yīng)力型疲勞損傷方程 二、瀝青與集料界面疲勞力學(xué)性能瀝青與集料界面粘結(jié)疲勞性能分析花崗巖花崗巖與PG64未老化瀝青界面疲勞壽命曲線 花崗巖與不同瀝青20度下界面疲勞壽命曲線溫度與施加應(yīng)力對界面粘

20、結(jié)疲勞性能有較大影響 二、瀝青與集料界面疲勞力學(xué)性能瀝青與集料界面粘結(jié)疲勞性能分析玄武巖 玄武巖與PG64未老化瀝青界面疲勞壽命曲線 玄武巖與不同瀝青20度下界面疲勞壽命曲線 二、瀝青與集料界面疲勞力學(xué)性能瀝青與集料界面粘結(jié)疲勞性能分析兩種巖石對比 當瀝青為基質(zhì)瀝青時，自身的粘度較小，與其粘結(jié)的巖石材料類型影響較大，此時玄武巖與瀝青間具有更好的界面疲勞性能。當結(jié)合材料粘度較大時，兩者間界面性能主要取決于瀝青，巖石成分的作用減小。 三、瀝青與集料界面開裂力學(xué)性能瀝青與集料界面開裂試驗簡介臨界應(yīng)變能密度（critical strain energy density，CSED) 集料類型瀝青試驗溫度

21、/剪應(yīng)變速率/s-1玄武巖PG64-22未老化、RTFO、PAV；橡膠瀝青未老化、RTFO、PAV50.1、0.25、0.5、0.75100.1、0.25、0.5、0.75150.25、0.375、0.5、0.75200.5、0.75、1、1.25250.5、0.75、1、1.25花崗巖PG64-22未老化、RTFO、PAV；橡膠瀝青未老化、RTFO、PAV50.05、0.1、0.25、0.5100.05、0.1、0.25、0.5150.1、0.25、0.5、0.75200.25、0.5、0.75、1250.5、0.75、1、1.5、2能量更好地反映材料抵抗破壞的能力 三、瀝青與集料界面開裂力

22、學(xué)性能不同集料與瀝青界面開裂性能玄武巖 玄武巖與未老化PG64及橡膠瀝青界面CSED 玄武巖與未老化PG64及橡膠瀝青界面剪切強度 橡膠瀝青具有較好疲勞壽命的原因主要在于其大的應(yīng)變值 三、瀝青與集料界面開裂力學(xué)性能不同集料與瀝青界面開裂性能玄武巖與不同瀝青界面系統(tǒng)臨界應(yīng)變能密度20度主曲線 花崗巖與不同瀝青界面系統(tǒng)臨界應(yīng)變能密度20度主曲線 橡膠瀝青具有更大的臨界應(yīng)變能密度（CSED） 三、瀝青與集料界面開裂力學(xué)性能更低溫度下瀝青與集料界面開裂性能儀器限制，一般不易進行瀝青種類針入度/0.1mm當量脆點/152530PG64-223289143-18.2橡膠瀝青285993-24.9凍融環(huán)境中

23、混合料內(nèi)部溫度一般高于當量脆點，顯示出粘彈性 三、瀝青與集料界面開裂力學(xué)性能低溫下瀝青與集料界面開裂性能玄武巖與PG64-未老化玄武巖與PG64-短期老化玄武巖與PG64-長期老化玄武巖與橡膠瀝青-未老化玄武巖與橡膠瀝青-短期老化玄武巖與橡膠瀝青-長期老化 二、瀝青與集料界面開裂力學(xué)性能低溫下瀝青與集料界面開裂性能花崗巖與PG64-未老化花崗巖與PG64-短期老化花崗巖與PG64-長期老化花崗巖與橡膠瀝青-未老化花崗巖與橡膠瀝青-短期老化花崗巖與橡膠瀝青-長期老化 三、瀝青與集料界面開裂力學(xué)性能低溫下瀝青與集料界面開裂性能兩種巖石與PG64臨界應(yīng)變能密度-10主曲線兩種巖石與橡膠瀝青臨界應(yīng)變能

24、密度-10主曲線在低溫下長期老化不利于瀝青與集料間的界面粘結(jié)性能 四、瀝青與集料界面性能 相對于PG64-22瀝青，橡膠瀝青與集料間有著更佳的界面粘結(jié)性能；瀝青的短期老化有助于改善兩者之間粘結(jié)性能，長期老化的作用相反。 當瀝青粘度較小時，與其粘結(jié)的巖石材料化學(xué)成分影響較大。當膠結(jié)材料粘度較大時，兩者之間的界面性能主要取決于瀝青自身的特性，巖石成分作用減小。 我國粘附性試驗方法與標準主要關(guān)注高溫下瀝青與集料間的粘附性能，對于低溫下的性能較少涉及 低溫粘附性試驗 當溫度較低時，集料類型與結(jié)合料老化與否的影響均降低，瀝青類型決定了與集料間的界面粘結(jié)性能。主要內(nèi)容 研究背景 多孔瀝青混合料抗凍性能分析 宏觀唯象多孔瀝青混合料凍融損傷力學(xué)分析 瀝青與集料界面粘結(jié)力學(xué)性能 界面粘結(jié)性能與混合料凍融耐久性 一、界面粘結(jié)性能