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土木工程學院蘭州交通大學土木工程學院 1 目錄目錄1. 概述概述2. 材料性質對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性質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. 國內外研究現(xiàn)狀國內外研究現(xiàn)狀4. 試驗結果與路用性能間的關系試驗結果與路用性能間的關系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，路面使用期間經車對路面的破壞作用變得越來越明顯，路面使用期間經受車輪荷載的反復作用，長期處于應力應變交疊變化狀受

2、車輪荷載的反復作用，長期處于應力應變交疊變化狀態(tài)，致使路面結構強度逐漸下降。當荷載重復作用超過態(tài)，致使路面結構強度逐漸下降。當荷載重復作用超過一定次數以后，在荷載作用下路面內產生的應力就會超一定次數以后，在荷載作用下路面內產生的應力就會超過強度下降后的結構抗力，使路面出現(xiàn)裂紋，產生疲勞過強度下降后的結構抗力，使路面出現(xiàn)裂紋，產生疲勞斷裂破壞。斷裂破壞。3 4 1 1. .概述概述 理論和實踐都表明，在移動車輪荷載作用下，路面結構內各點處于不理論和實踐都表明，在移動車輪荷載作用下，路面結構內各點處于不同的應力應變狀態(tài)，如圖同的應力應變狀態(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、點處于三向應力狀點處于三向應力狀態(tài)。路面疲勞設計大多數以面層底部拉應力或拉應變作為控制指標。態(tài)。路面疲勞設計大多數以面層底部拉應力或拉應變作為控制指標。4 5 1. 1.概述概述 國內現(xiàn)行路面設計方法一般基于靜態(tài)彈性體國內現(xiàn)行路面設計方法一般基于靜態(tài)彈性體系模型系模型, , 而實際車輪荷載均為動態(tài)。由于路面結而實際車輪荷載均為動態(tài)。由于路面結構本身對荷載的時變因素具有相當的敏感性構本身對荷載的時變因素具有相當的敏感性, , 因因而在實際動態(tài)荷載作用下所表現(xiàn)出的力學性能通而在實際動態(tài)荷載作用下所表現(xiàn)出的力學性能通常與靜態(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.材料性質對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性質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 從疲勞觀點來看，瀝青混合料的勁度模量是從疲勞觀點來看，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、瀝青用量、混變量，諸如集料與瀝青的性質、瀝青用量、混合料的壓實度與孔隙率，以及反映車輛行駛速合料的壓實度與孔隙率，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.材料性質對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性質對瀝青混合料疲勞性能的影響 根據實驗，在控制應力加載模式中，疲勞壽根據實驗，在控制應力加載模式中，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，在控制應變加載模式中，疲勞壽命則但是，在控制應變加載模式中，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 根據試驗可知，相應于混合料最佳疲勞壽命根據試驗可知，相應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.材料性質對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性

6、質對瀝青混合料疲勞性能的影響料級配有關，而且與集料種類有關，通常與料級配有關，而且與集料種類有關，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.材料性質對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性質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。這是因為孔隙率越大，瀝青混合料地增長。這是因為孔隙率越大，瀝青混合料內部的空隙與微裂縫就越多，在荷載反復作內部的空隙與微裂縫就越多，在荷載反復作用下就越易引發(fā)微裂縫的擴展破壞，從而使用下就越易引發(fā)微裂縫的擴展破壞，從而使其疲勞性能降低。其疲勞性能降低。9 102.2.材料性質對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性質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而造成高的孔隙率，這可能是引起裂縫難以壓實而造成高的孔隙率，這可能是引起裂縫

8、的原因并進而導致瀝青混合料疲勞壽命的縮短。的原因并進而導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生勁度值相對高的混合料，而紋理光滑的圓集產生勁度值相對高的混合料，而紋理光滑的圓集10 112.2.材料性質對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性質對瀝青混合料疲勞性能的影響料形成勁度較低的混合料，因而對疲勞可以產料形成勁度較低的混合料，因而對疲勞可以產生不同的影響。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行了常應對不同瀝青的混合料分別進行了常應力和常應變疲勞試驗力和常應變疲勞試驗,結果表明結果表明:對于

9、常應變荷對于常應變荷載模式載模式,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。而對于常應力荷載模式于常應力荷載模式,則反之。則反之。11 2.2.材料性質對瀝青混合料疲勞性能的影響材料性質對瀝青混合料疲勞性能的影響2.7 軟化點軟化點 瀝青的軟化點對疲勞壽命也有一定影響。瀝青的軟化點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,軟化點越高軟化點越高,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、學法、能量分析法和力學分析法學法、能量分析法和力學分析法, 其中力學分其中力學分析法可將路面的力學行為與路面使用性能指析法可將路面的力學行為與路面使用性能指標明確聯(lián)系起來標明確聯(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)象學法現(xiàn)象學法 在現(xiàn)象學法中，通常把材料出現(xiàn)疲勞破壞的重在現(xiàn)象學法中，通常把材料出現(xiàn)疲勞破壞的重復應力值稱作疲勞強度，相應的應力重復作用次數復應力值稱作疲勞強度，相應的應力重復作用次數稱為疲勞壽命。稱為疲勞壽命。 應用現(xiàn)象學法進行疲勞試驗時，采用控制應力應用現(xiàn)象學法進行疲勞試驗時，采用控制應力和控制應變兩

11、種不同的加載模式。和控制應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變方式：對于控制應變方式：對于控制應力方式：對于控制應力方式：mfCN)1(0nfKN)1(015 式中：式中：fN達到破壞時的重復荷載作用次數；達到破壞時的重復荷載作用次數；00,初始的彎拉應變和彎拉應力；初始的彎拉應變和彎拉應力；C，m，K，n由試驗所確定的系數。由試驗所確定的系數。 Monismith等人根據進一步的研究工作，等人根據進一步的研究工作，建議了可應用于更一般的瀝青混合料的疲勞方建議了可應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,由試驗所確定的系數。由試驗所確定的系數。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， 其力學特性依賴于荷載作用的時其力學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度主要取決于損耗瀝青混合料的疲勞強度主要取決于損耗模量和應力應變循環(huán)過程中的能耗。這一方法模量和應力應變循環(huán)過程中的能耗。這一方法的主要特點是疲勞試驗中的總能耗與循環(huán)荷載的主要特點是疲勞試驗中的總能耗與循環(huán)荷載的重復作用次數之間存在著一定關系。的重復作用次數之間存在著一定關系。 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問題。究瀝青混合料的疲勞響應問題。SHRP在壓實在壓實瀝青混合料重復彎曲疲勞壽命測定的標準試驗瀝青混合料重復彎曲疲勞壽命測定的標準試驗 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)次數與基于消散能量原則，使用加載循環(huán)次數與能量散失的關系式及能量散失的關系式及?值和初始勁度值和初始勁度 S= ， Van Dijk建議用下式預測疲勞壽命：建議用下式預測疲勞壽命：0020 120110)sin(zzASNN加載次數； A材料常數；0相位角； S初始勁度主要與試驗種類及瀝青混合料的勁度有關， 在應力控制的實驗下， 1；應變控制的試驗， 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 力學分析法力學分析法 力學分析法是用斷裂力學原理來分析路面材力學分析法是用斷裂力學原理來分析路面材料的開裂，料的開裂， 并用以預測其疲勞壽命的一種方法。并用以預測其疲勞壽命的一種方法。 斷裂力學分析假設裂縫的發(fā)展過程包括三個斷裂力學分析假設裂縫的發(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，裂縫力學也主要針對第二階段做量化分析。要部分，裂縫力學也主要針對第二階段做量化分析。23 24 在斷裂力學分析法中裂縫的延伸長度與應在斷裂力學分析法中裂縫的延伸長度與應力集中因子之間的關系式通常以力集中因子之間的關系式通常以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；材料常數； k應力強度因子；應力強度因子； N荷載作用次數。荷載作用次數。 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 試驗結果與路用性能之間的關系試驗結果與路用性能之間的關系 由于室內瀝青混合料疲勞特性試驗條件

17、與實際由于室內瀝青混合料疲勞特性試驗條件與實際道路上的情況有較大差別，因此由室內疲勞試驗道路上的情況有較大差別，因此由室內疲勞試驗所獲得的的疲勞方程并不能直接用于實際道路的所獲得的的疲勞方程并不能直接用于實際道路的疲勞壽命預估，必須進行必要的修正和調整，這疲勞壽命預估，必須進行必要的修正和調整，這是一個十分復雜且不易解決的問題。是一個十分復雜且不易解決的問題。P.S.Pell根據根據其研究指出，由室內試驗結果轉換為實際路面上其研究指出，由室內試驗結果轉換為實際路面上25 應用，可能要乘以一個應用，可能要乘以一個5700的系數，主要的系數，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 試驗結果與路用性能之間的關系試驗結果與路用性能之間的關系26 5.國內外研究現(xiàn)狀國內外研究現(xiàn)狀 在過去幾十年里各國的很多研究者通過實驗在過去幾十年里各國的很多研究者通過實驗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). 實際路面在真實汽車荷載作用下的疲勞實際路面在真實汽車荷載作用下的疲勞破壞試驗，破壞試驗， 如美國的如美國的AASHTO試驗路，試驗路， 歷時三歷時三年才完成年才完成; (2). 足尺路面結構在模擬行車荷載作用下的足尺路面結構在模擬行車荷載作用下的試驗研究，包括環(huán)