（道路与铁道工程专业论文）室内沥青混合料疲劳性能的外部因素评价.pdf

摘要 摘要 如何提高沥青混合料的抗疲劳性能一直是沥青路面设计理论中的主要研究课 题之一，本课题旨在通过应变控制疲劳试验研究试验条件( 外部因素) 对室内沥 青混合料疲劳性能评价的影响，确定影响室内沥青混合料疲劳性能评价的各主要 外部因素及其水平变化范围，建立外部因素对沥青混合料疲劳性能评价的响应规 律，并在此基础上寻求确立试验室内沥青混合料疲劳试验的标准试验条件的依据。 所选定的外部因素主要有应变水平、试验温度、加载波形、加载频率、老化水平 等，本文主要内容包括：绪论、疲劳试验方法的选择与评价、外部因素( 试验条 件) 的选择、外部因素评价试验方案设计与结果分析、结论与展望等五大部分。 首先绪论部分主要介绍了国内外应变控制疲劳国内外研究情况与疲劳试验条 件的研究现状及今后的研究趋势。并针对目前的研究现状，提出了本研究项目的 主要内容和采取的研究路线。 其次在疲劳试验方法的选择上，主要是通过详细地比较目前室内较为流行的 包括间接拉伸、梯形悬臂梁和四点弯曲在内的疲劳试验方法优缺点，在此基础上 确定了四点弯曲疲劳试验方法作为本项目研究的标准沥青混合料疲劳试验方法。 并对四点弯曲疲劳试验夹具设备、疲劳试件的制备、疲劳试验的步骤及试验参数 计算等进行了详细介绍。 第三、四章主要对影响沥青混合料疲劳性能评价的外在环境因素进行了评价 与分析，包括的内容有级配与材料的选用，外部因素的选择及其水平变化范围的 确定，老化方式的选择与老化程度的验证，外部因素评价试验方案的设计与回归 分析等。采用多元线性回归建立了外部因素对沥青混合料疲劳性能评价的响应规 律回归模型，分析结果表明所考虑的外部因素( 试验条件) 在因素水平范围内对 沥青混合料的疲劳性能评价均有不同程度的显著影响，各因素与沥青混合料的初 始劲度模量、疲劳寿命、滞后角以及耗散能指标之间存在良好的线性统计关系， 线性相关系数r 2 基本在o 9 0 以上；并根据分析结果确立了试验室内沥青混合料疲 劳试验的标准试验条件。 最后对本文的所取得的研究成果进行了总结，并针对本文的研究不足提出了 对未来研究工作的展望。 关键宇：试验条件；老化；疲劳；均匀设计；多元线性回归 华鸯理3 二大学矮b 学茳论文 a b s t r a c t t t o wt oi m p r o v et h ef a t i g u er e s i s t e n c ep e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l t m i x t u r ei sa l w a y so n eo ft h em a i nr e s e a r c hp r o j e c ti nt h ea s p h a l tp a v e m e n t d e s i g nt h e o r y t h isp r o j e c tist or e s e a r c hh o wt h et e a t i n gc o n d i t i o n ( o u t e r f a c t o t ) e f f e c tt h ef a t i g u ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no ft h ea s p h a l tm i x t u r e i nt h er o o mb ys t r a i nc o n t r o lf a t i g u et e s t i n g ，t oc o n f i r i l lt h em a i no u t e r f a c t o r st h a te f f e c tt h ef a t i g u ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n dt h e i r1 e v e ls c h a n g er a n g e ，t oe s t a b lis ht h ea n s w e rr u l eo fh o wt h eo u t e rf a c t o r se f f e c t t h ef a t i g u ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o l io ft h ea s p h a l tm i x t u r e ，u p o nt h e s e r e s e a r c h ，a ls ot oq u e s tt h ef o u n d a t i o i 3t oc o n f i r i l lt h es t a n d a r dt e s t in g c o n d i t i o no ft h ef a t i g u et e s t i n go ft h ea s p h a l tm i x t u r ei nt h er o o m t h e o u t e rf a c t o rs e l e c t e dm o s t i yi n c l u d es t r a i n1 e v e l ，t e s t i n gt e m p e r a t u r e ，1 c a d w a v ef o r m ，1 c a df r e q u e n c y ，a g i n g1 e v e e t c t h ea r t i c le m o s t l y i n c l u d e ： i n t r o d u c t i o n ，t h em e a n ss e l e c t i n ga n dt h ee v a l u a t i o no ft h ef a t i g u et e s t i n g ， t h eo u t e rf a c t o r ( t e s t i n gc o n d i t i o i l ) s e l e c t i n g ，t h eo u t e rf a c t o re v a l u a t i o n t e s ts c h e m ed e s i g na n dt h er e s u l ta n a l y s is ，c o n c l u s i o na n dp r o s p e c te t c f i r s t i f t h ei n t r o d u c t i o nm o s t l yi n t r o d u c e dt h ei n t e r n a la n do v e r s e a s r e s e a r c ha c t u a l i t yo ft h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eb ys t r a i nc o n t r o lf a t i g u e t e s t i n ga n dt h ef a t i g u et e s t i n gc o n d i t i o nr e s e a r c ha c t u a l i t ya n dt h e i r r e s e a r c h t r e n di n t h ef u t u r e h i m i n ga tt h er e s e a r c h a c t u a i t y p r e s e n t l y ，t h ea r t i e l ep u tf o r w a r dt h em a i nc o n t e n ta n dt h er o u t ea d o p t e d i nt h er e s e a r c hp r o j e c t n e x t ，w h e ns e l e c t i n gf a t i g u et e s t i n gm e a n s 。w em o s t l yd e t a i l e d l y c o m p a r em e r i t sa n dd e f e c t so ft h ep r e v a l e n tf a t i g u et e s t i n gm e a n si n c l u d i n g i n d i r e c td r a v v i n g ，t r a p e z i f o r mc a n t i l e v e rg i r d e ra n dq u a t r eb e n dm e a n s 。u p o n t h ec o m p a r is o d s ，w em a k ec e r t a i nt h a tq u a t r eb e n d f a t i g u et e s t i n gm e a n s i st h es t a n d a r da s p h a l tm i x t u r ef a t i g u e t e s t i n gm e a n si nt h i sr e s e a r c h p r o j e c t t h ea r t i c l ea l s od e t a i l e d l yi n t r o d u c e dt h ec l a m po ft h eq u a t r eb e n d f a t i g u et e s t i n gi n s t r u m e n t ，t h ep r e p a r a t i o no ft h ef a t i g u e t e s t i n g s p e c i m e n ，t h es t e p so ft h ef a t i g u et e s t i n ga n dt h et e s t i n gp a r a m e t e r c a c u 】a t io ne t c a b s t r a n t h et h i r da n dt h ef o r t hc h a p t e rm o s tl ye v a l u a t e da n da n a l y s e dt h eo u t e r e n v i r o n m e n tf a c t o rw h i c he f f e c tt h ef a t i g u ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no ft h e a s p h a l tm i x t u r e ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i n go ft h eg r a d a t i o na n dt h em a t e r i a l ， t h es e l e c t i n go ft h eo u t e rf a c t o ra n dt h el e v e i sc h a n g er a n g e ，t h es e l e c t i n g o ft h ea g i n gm e t h o da n dt h ev a l i d a t i o no ft h ea g i n gd e g r e e ，t h et e s t i n g s c h e m ed e s i g no ft h eo u t e rf a c t o re v a l u a t i o na n dr e g r e s s i o na n a l y s i s e t c u s i n gt h ep l u r a l i s t i cl i n e a r i t yr e g r e s s i o na n a l y s i s ，w ee s t a b l i s h e d r e g r e s s i o nm o d e lw h i e hr e f l e c t e db o wt h eo u t e rf a c t o re f f e c t t h ef a t i g u e p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no ft h ea s p h a l tm i x t u r e t h ea n a l y s i sr e s u l ti n d i c a t e t h a tt h eo u t e rf a c t o r sc o n s i d e r e dh a v ed if f e r e n tm a r k e d e f f e c to nt h e f a t i g u ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no ft h ea s p h a l tm i x t u r ei nt h e i rl e v e l s c h a n g er a n g e t h e r ea r ew e l l1 i n e a r i t ys t a r i s t i c a lr e l a t i o na m o n gt h ee a c h o u t e rf a c t o r sw i t ht h eb e g i n n i n gs t i f f n e s sm o d u l e ，f a t i g u e1 i f e ，l a ga n g l e a n dd i s s i p a t i o ne n e r g y t h e1i n e a r i t ys t a t i s t i c a lr e l a t i o nc o e f f i c i e n t r 2o nt h ew h o l ec o u l dr e a c ha b o v e0 9 t h es t a n d a r da s p h a l tm i x t u r ef a t i g u e t e s t i n gc o n d i t i o ni nt h er o o mi se s t a b l i s h e da b o v et h ea n a l y s i sr e s u l t a t1 a s t ，t h ea r t i c l es u m m a r i z e da l lr e s e a r c hf r u i tw eo b t a i n e d ，a n d b r i n gf o r w a r dt h ep r o s p e c to ft h er e s e a r c hw o r ki nt h ef u t u r e ，a i m i n ga t t h ei n s u f f i c i e n c yo fr e s e a r c hi nt h ea r t i c l e k e y w o r d s ：t e s t i n gc o n d i t i o n ：a g i n g ：f a t i g u e ：u n i f o r m i t yd e s i g n ：p l u r a l is t i c 1 i n e a r i t yr e g r e s s i o n i l l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：删 日期：2 如碑6 月，够日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：钥融吠 导师签名：张吁 i t 期：山奄r 年石月，钐日 日期：江，年彳月多日 第一章绪论 第一章绪论 沥青混合料疲劳性能是指其在特定荷载环境与气候环境条件下抵抗重复加载 作用而小产生破裂的能力。疲劳损坏是沥青混凝土路面最主要的破坏形式之一。 疲劳问题一直是沥青路面设计理论中的主要研究课题之一。为了保证沥青路面具 有良好的使用性和耐久性，世界各国沥青路面设计方法均以路面疲劳特性作为基 本设计原则，路面疲劳性能指标已经成为沥青路面设计方法中不可缺少的重要指 标，为优化路面结构设计、路面的施工和养护工作起着重要的指导和规范作用。 1 1 研究背景及其意义 沥青混合料的疲劳性能研究经过半个多世纪的发展，产生了众多的试验方法 和由此建立起来的疲劳性能预测模型。早在1 9 4 2 年o j p o r t e r 就指出了沥青路面 在行车荷载作用下会产生疲劳破坏的现象。而1 9 5 5 年h v e e m 的调查研究指出了 沥青路面的疲劳开裂与路面变形量及交通量有关，这为沥青混合料疲劳试验研究 的发展奠定了基础。 在接下来的半个世纪里，世界各国对沥青路面的疲劳特性进行了大量的研究， 对路面疲劳破坏机理也有了更多科学的认识，并不断地得到深化。综合目前已有 的研究成果，沥青混合料疲劳特性的研究方法基本上可以分为以下两类：一类为 现象学法，即传统的疲劳理论方法，它采用疲劳曲线表征材料的疲劳性质；另一 类为力学近似法，即应用断裂力学原理分析疲劳裂缝扩展规律以确定材料疲劳寿 命的一种新方法。现象学法与力学近似法都是研究材料的裂缝以及裂缝和扩展， 其主要区别就在于前者的材料疲劳寿命包括裂缝的形成和扩展阶段，研究裂缝形 成的机理以及应力、应变与疲劳寿命之间的关系和各种因素对疲劳寿命及疲劳强 度的影响；后者只考虑裂缝扩展阶段的寿命，认为材料一开始就有初始裂缝存在， 因此不考虑裂缝的形成阶段，而主要研究材料的断裂机理及裂缝扩展规律【1 7 】。近 几十年来沥青路面疲劳破坏问题得到世界各国的广泛重视，包括美国s h r p 项目 在内都建议进行疲劳试验，依次来评价沥青混合料的疲劳性能，供路面设计之用， 沥青混合料疲劳性能研究经历了半个多世纪的发展，取得了属目的研究成果，形 成的沥青路面疲劳设计分析体系，为沥青路面的发展作出了巨大贡献。然而，沥 青混合料的疲劳特性尚有许多的问题和困难有待于深入的研究和解决，可以说沥 青混合料的疲劳特性研究工作在今后依然会是沥青混合料路用性能研究工作的重 点，沥青混合料的疲劳研究课题也将是世界各国道路研究人员所必须面对的最具 华南理工大学硕士学位论文 挑战性的课题。 对于传统的疲劳试验方法而言，影响实验室内沥青混合料疲劳性能试验结果 的因素有很多，主要包括加载模式、加载水平、试验温度、试验频率、加载波形、 沥青材料老化程度、混合料劲度模量、沥青种类、沥青用量、空隙率、矿料类型 与级配类型等。为满足不同研究目的，在此将这些影响因素按其所表征的特性不 同分为外部因素和内部因素两大类。将那些用于表征外在试验环境( 条件) 状态 的因素统称为外部因素主要包括加载模式、加载水平、试验温度、试验频率、加 载波形、沥青材料老化水平等；而那些用于表征沥青混合料内在组成特性的因素 则统称为内部因素，内部因素主要包括沥青种类、沥青用量、空隙率、矿料类型、 级配类型以及混合料劲度模量等【l9 1 。传统的沥青混合料疲劳性能研究方法都是通 过沥青混合料疲劳试验进行的，影响实验室内沥青混合料疲劳性能试验结果的因 素有很多，在进行试验时为体现出不同组成特性的混合料室内疲劳性能的差异， 一般试验都在标准的试验条件下进行，即规定使用相同的疲劳加载模式、试验温 度、试验频率、加载波形、混合料老化水平等，因此研究试验条件对室内沥青混 合料疲劳性能试验结果的影响是系统研究沥青混合料性能的第一步。 2 应变控餐疲势国内外醑究情况 t 2 1 国外讲究发袋状况 举在1 9 7 1 年和1 9 7 3 年，b e r k e l e y 大学的c a r ll m o n i s m i t h 秘n o t t i n g h a m 大 学的p - s ，p e l l 分别建立了如式( 卜1 ) 所示的沥青混台料疲劳性能预测方程，从而确 立了接应交控稍秘应力控桶疲劳试验模式下鹃疲劳程镌翠嬲经典颟溅模鼙。 n i - - - 4 ( i e ，) 8 ( 1 - 1 ) n r = c ( i c r , ) 9 其中：研；疲劳破坏时的栽荷作用次数； 。一整热熬挝搀瘦变僮； 一，一施加的拉伸应力值； 尘、b 、c 帮d 则分别为由疲劳试验确定鲑参数。 上述两个方程建立了实验室内沥青混合料疲劳寿命与威力应变之间的关系， 这一结牵缸形式歪今对于单濒毒混台料类型的疲劳性能预测中仍褥以沿用。 1 9 8 5 年c a r ll m o n i s m i t l l 建议采用如下式( 1 2 ) 结构的方程来预测沥青混合 料的疲劳性能，这一结构形式在壳牌夏油( s h e l lb i t u m e n ) 以及美国地沥青学会 ( a s p h a l ti n s t i t u t e ) 的设计规范中得以遮用。 2 第一章绪论 ，= 蠢l 鬈y 0 。) 。 1 2 ) 其中：n i = 疲劳破坏时的载荷作用次数； r ，= 施加的拉伸应变值： s m 。= 混合料的初始劲度模量； a 、o 和6 则分别为由通过试验确定的参数。 该预测模型中将沥青混合料的初始劲度模量作为了一个影响疲劳寿命的因素 加以考虑，而沥青混合料的初始劲度模量则是一个反映沥青劲度、混合料级配、 空隙率、沥青用量等多个因素变化的综合指标，在一定程度上可以反映出不同类 型的沥青混合料的疲劳特性挣1 。 另外，壳牌石油公司在1 9 8 0 年提出了通过诺模图的方式来预测沥青混合料的 试验室疲劳性能。在该诺模图中可以通过输入沥青体积率、沥青的针入度指数、 沥青混合料的劲度模量及应变水平等参数来确定沥青混合料的实验室疲劳性能。 这是一种与通过回归方程进行疲劳性能预测所不同的预测方式，在该预测模型中， 将沥青体积率和沥青的针入度指数作为单独的因素考虑，更能反映出不同混合料 类型的疲劳特性的差别。 1 9 6 5 年d e a c o n 将m i n e r 疲劳累积损伤定理引入到沥青混合料疲劳特性的研究 当中，并成功地验证了它的适用性。利用m i n e r 疲劳累积损伤准则能够较为精确 地预测路面的疲劳寿命。现在其已成为路面疲劳设计所依据的重要法则，并在世 界各国得到广泛采用。m i n e r 疲劳累积损伤准则的基本原理如下： 月 y 粤1 ( 1 - 3 ) 冒川， 其中：m = 在应变水平i 下交通荷载实际作用次数； f = 在应变水平f 下容许的荷载作用次数。 当线性累积损伤率达到l 时，即认为材料出现疲劳破坏。当今世界各国各种 路面疲劳设计方法都是按各自规定的条件，把交通荷载、环境因素和材料特性适 当的组合，通过m i n e r 准则计算疲劳累积损伤，从而确定路面疲劳寿命和路面结 构层的厚度。 1 9 7 2 年v a n d i j k 提出了能量损耗的概念，并对沥青混合料试件疲劳试验的能量损 耗特性进行了研究。这为具有粘弹特性的沥青混合料的疲劳特性研究开创了一种 崭新的方法和思路。v a nd i j k 和v i s s e r 于1 9 7 7 年提出了能量与疲劳寿命的如下 关系式： r = 一( n p a r ) 2 ( 1 - 4 ) 其中：盹r = 疲劳寿命； r = 累积耗散能量； 参数爿和z 由试验确定，并与混合料类型有关。 方程( 1 - 2 ) ，( 1 - 3 ) 和( 1 - 4 ) 是在应变控制沥青混合料疲劳性能研究中所采 3 华蠢溅工大学磺圭学经浚文 用的最主要的形式。目前，绝大多数的疲劳研究都以此为基本的结构形式，在此 基础上考虑更多的因素从而得出新的各式各样的疲劳性能预测方程，这些不同形 式的预测方程在世界各国的沥青路面疲劳设计中得到了广泛的应用。 在著名的美国战略公路研究计划( s h r p ) 中，沥青混合料疲劳性能的研究仍 然被列为其中的一项重要课题。著名的沥青混合料疲劳性能研究专家，加利福尼 亚大学伯克力分校的c a r ll m o n i s m i t h 教授作为首席研究员负责开展s h r p a 0 0 3 a 项目的研究工作，旨在建立一系列的与性能相关的沥青混合料的加速试验 标准，并寻求与路面性能相关的沥青混合料特性分析方法。而疲劳开裂作为影响 沥青路面使用性能的重要破坏形式自然也包括在s h r p a - 0 0 3 a 的研究范围之内。 s h r p 于1 9 9 4 年发布了题为“沥青混合料的疲劳响应”的沥青混合料疲劳性 能研究报告( 编号：s h r p a 4 0 4 ) 。在该报告中，通过对多种试验方法的比较， 选定了控制应变模式的四点弯曲疲劳试验作为其实验室内疲劳试验的标准方法。 并按全因素试验设计方法，考虑的影响因素包括沥青品种、沥青用量、石料类型、 空隙率以及应变水平，通过疲劳试验对各影响因素、实验室内疲劳响应和预期路 面使用性能之间的关系进行了研究。在此基础上提出了针对疲劳开裂破坏的混合 料设计分析体系。该设计分析体系的基本结构形式如下： n e s a l s t c f m s f ( 1 5 ) 其中：- 实际路面应变水平下沥青混合料疲劳寿命； e s a l s = 等效轴载作用次数； t c f = 温度换算系数； 伽可靠度系数； s f = 转换系数。 在上式中，温度换算系数t c f ( t e m p e r a t u r ec o n v e r s i o nf a c t o r ) 是一个将不 同环境温度下的荷载作用次数等效为单一温度下荷载作用次数的换算系数，其值 是通过对不同结构类型以及不同地区气候观测结果计算得来；可靠度系数 m ( r e l i a b i l i t ym u l t i p l i e r ) 是一个反映沥青混合料疲劳设计可靠性水平的指标，对应 与不同的可靠性水平，用不同的m 值来表征：而转换系数s f ( s h i f tf a c t o r ) 是用于 对实验室内疲劳试验应变水平与实际路面受到的应变水平进行转换的系数，也是 一个表征不同行车速度、裂缝传播速率等因素对疲劳寿命的影响的系数，s f 通过 对实际路面疲劳性能的观测或采用加速加载设备进行现场疲劳试验获得【“。 目前，加利福尼亚大学伯克力分校的研究小组正致力于开展该疲劳设计分析 体系系数( 尤其是温度换算系数t c f ) 的研究及设计体系的现场验证工作。在温 度换算系数t c f 的研究中，其研究人员提出了沥青混合料的高温疲劳特性研究方 法，并进行了一系列的沥青混合料高温疲劳试验( 3 0 4 0 ) ，从其改进的试验 4 第一章绪论 方法中得出了沥青混合料在高温环境下也存在疲劳的结论。但在其研究中，尚未 见到对高温环境下沥青与集料之间的愈合能力进行评价，而其无间歇时间连续加 载( 1 0 h z 偏正弦波) 的试验方式在高温情况下与实际路面荷载环境的相似程度尚 待验证。直至目前为止，s h r p 研究计划中提出的这一基于可靠度的沥青混合料疲 劳设计与分析体系，尚需要大量的后续研究工作，离达到实际工程应用尚有一定 的距离。 1 2 2 国内研究发展状况 我国在沥青混合料疲劳性能方面的研究工作虽然起步较晚，但也做了大量的 磺究。在“七美”国家熏轰辩技羧关瑗基( 攻关) 7 4 3 2 4 一o l o l 专题孛，交运邦 熬庆公路科研设计院采用国产单家寺7 0 8 、9 0 4 沥青和用作对比的阿尔巴尼旺7 矿 溺毒，裂鼹m t s 孝菩辩试验系统，进撑了l h 2 0 1 型滚毒混凝士鲍室疼疲劳试验磅 究。1 9 9 3 年哈尔滨建筑大学在交通部料研项翻“沥青路面设计指标与参数的研究” 巾，利用蒺名7 0 糖) j 青、黢剥l o 沥青莘鞋辽海1 4 0 。沥毒三种淡毒分别遴露了审粒式 和粗粒式沥青混凝土( 麸六种) 的室内疲劳试验研究。研究成果已纳入公路沥青 鼹薅设计规范中，对我慝的公鼹建设发挥了璧要作用。1 9 9 6 - 2 0 0 0 颦，同济大学 谯交通部科研项目“沥街混合料动态性能参数标准”的研究中，将沥青混合料的 疲劳性能作为其碜f 究爽褰的一部分，采用高等级公路鬻用的三釉进翻沥青制作粗、 中、细粒式七种沥青混合料进行劈裂藏部分弯拉疲劳试验研究，取得了一定的成 果，为沥青路面结构的设计提供了参考。 我国于7 0 举代后期开始采用理论法设计沥青路面。在避行增补设计指标研究 时，尚不具备开展以应变作为控制指标的疲势试验条件，虽然哈尔滨建筑大学、 交遥都熬庆公潞科研设计院等单位都麓以不弼方式潞行过尝试，毽始终没翦得蜀 理想的试验结果。以当时研究成果为熬础的沥青路面设计规范只能采用应力指标 控涮沥青路面静设计，这与国矫普遍采用以成变指标控制溺青路面缩构设计方法 所不相邋应。而该体系沿用2 0 多年，已经发现按沥赘层底面弯拉应力设计路面结 秘对存程诸多的溺嚣： 1 在路面结构中，通常称应变为赢接测缴量，由于变形和应力的关系骚通过 模量来确定，拣瘟力势闷接溅爨量。横羹豹精确涌鬟襄计算受多静因素影嫡，准 确获得材料在巢一状态下的模摄值非常困难，由此得出的应力计算值的准确性也 憝无法绦涯弱。因既，我锅在缀多壤凝下无法瓣释爨覆玻舔麴力学漂嚣，翔采采 用应变按制设计，情况将会有所不同。 2 。遮年来爨现戆一些赣攒粒，翔s b s 改瞧渡誊混合鬟帮s m a 沥青滢会辩等 均公认具有非常好的柔韧型、抗变形能力、环境适应性和较长的使用寿命簿良好 5 华谢淫工大学碾士学馁论文 的路用性能。但大量的试验结果指出，如果对这些材料进行应力控制式的疲劳试 验，其疲劳寿命反而低于普通的沥青混合料，这与实际路面观测情况是不相符的。 3 在半刚性基层上的沥青路面结构中，半刚性基层起主要的承重作用，具有 较大的强度和刚度，进行面层厚度计算时沥青面层的强度验算容易通过，沥青层 厚度和沥青混合料力学性能指标对设计控制的重要性已退居次要。在缺乏设计经 验和实际资料时，设计者可能会忽略路面使用性能对路面厚度等方面的结构要求， 这将导致路面发生早期破坏。在实际工程中，这方面的教训已有很多。 4 由于现行沥青路面设计规范以应力作为设计控制指标，常常使人们在概念 上产生误解，以为路面结构层材料的强度越高越好。以水泥稳定类半刚性基层为 例，现在工程所用的水泥剂量大多在6 以上，导致材料强度在大幅度提高同时变 形能力越来越差，材料变得越来越脆。大量的检测和疲劳试验数据表明，过脆的 材料其疲劳寿命很低，使用高强度材料的路面结构经常由于变形能力不足而发生 早期破坏。 5 随着量测技术、传感器技术和智能技术的发展，目前已有多种手段可以检 测沥青路面结构的表面位移特性。典型的仪器如连续弯沉澳0 定车、f w d 、机场跑 道用激光弯沉测定仪等。由于可以避开结构层模量测定结果，而直接建立表面弯 沉与结构层底部应变的几何关系，采用应变作为设计指标不仅是必要的，也有利 于提高工程质量控制水平、完善路面管理系统。 随着我国公路事业高速度发展，公路沥青路面设计规范在路面结构设计方 法和设计指标方面的不足已经引起普遍关注。根据国内外工程建设发展需要，尽 快地完善沥青路面结构设计方法和设计指标体系，是提高我国沥青路面结构的设 计水平，改善道路使用性能，延长道路使用寿命的重要技术目标。 1 3 疲劳试验条件国内外研究现状 沥青混合料疲劳性能磷究经掰了5 0 多年的获鼹，涌现融了诲多好的试验方法 和分析方法，并取得了大量的研究成果。这为优化路面结 句设计、指导和规范沥 青路瑟施工和葬护工作筵着黎要面积极豹彳棼用。然嚣，赉予影响沥青混食糖疲势 特性的因素众多，光外部因索就有疲劳加载模式、加载水平、试验温度、试验频 率、鸯疆载滚形、混合瓣老纯窳平等，夔蓠受试验设备条锌麴隈稍，运常缀难在一 项疲劳性能研究中将所有的外部影响因素都考虑进来。在早期的研究中，通常只 考虑了影响室内沥费混合辩疲劳毪熊试验结莱豹死顼羚部因素，其适雳髓在缀夫 程度上受到了限制。 塞瘫疲劳试验条件帮爨瑟实际戆工终繇凌有缀大差异，为髹诞沥青滋合籽室 内疲势性能能准确反映实际路面的疲劳性能，一般取定的标准疲劳试验祭件都尽 6 第一章绪论 可能的模拟实际路面的工作状态，目前国内外普遍的做法如下： 1 3 1 加载模式的选取 选用何种荷载模式的疲劳试验能够较好地反映路面的疲劳特性，主要应考虑 以下两个因素： 1 何种荷载模式能够更好地反映沥青混合料在路面中受行车荷载作用的疲 劳特性； 2 路面结构中，沥青混合料的应力应变状态更接近于哪类荷载模式疲劳试验 的工作状态”。 目前的研究一般认为，对于路面面层厚度较薄时，其受力状态符合应变控制 的条件，路面厚度较厚时，或机场道面荷载较大时，可用应力控制的模式表示面 层的疲劳效应。关于如何确定薄的路面和厚的路面界限，研究表明这个界限厚度 依赖于很多因素，如温度、混合料特性，路面面层相对于土基和基层的劲度，由 于面层底部的弯拉应变( 应力) 受到路面结构及其参数的影响，确定界限厚度是 比较复杂的，尚需进一步的研究。 由于本课题只限于通过采用应变控制模式下的疲劳试验对沥青混合料的疲劳 性能进行研究，建立在应变控制疲劳模式下各外部因素对沥青混合料疲劳性能评 价的响应规律，因此不对选用何种加载模式进行深入研究，而是通过比较目前国 内外较流行的三种室内疲劳试验方法包括间接拉伸、梯形悬臂梁和四点弯曲法， 为本课题的研究选择一种合理可行的室内沥青混合料疲劳试验方法，在参考国外 研究成果的基础上，最终选定应变控制疲劳模式下的四点弯曲法作为本课题研究 的唯一试验方法，具体见第二章。 1 3 2 疲劳试验渌度的确定 温度也是影响沥青混合料疲劳性能的重鬻因素，温度对于疲劳性能的影响可 以用混合料劲魔来解释。选取的疲劳试验温度应该熊基本涵盏该国的实际路面疲 势破坏温度范围，由于各国的地理位鼹及气候的差异性，每个国家都有自融的沥 脊混合料疲劳当囊温度。早在1 9 9 3 年，晗尔滨建筑大学就在交通郝科研项舀“沥 脊路面设计指标弓参数的研究”中，根据国内各地隧的气温资辩，最终计算得出 了我国溺膏混合孝尊疲劳囊董温度为1 5 ，因鼗在室肉沥青漏含料疲势试验中取1 5 c 作为标准疲劳试验温度。美豳采用1 9 作为疲劳当量温度。 7 华岗理工丈学矮，王学佼论文 1 3 3 疲势试验频率静确定 试验频率对疲劳试验结果也是有较大影响的，c a r ll m o n i s m i t h 研究认为， 对于密级配沥青混合料，在2 4 。c 的温度下，按常应力控制进行疲劳试验时，加荷 频率在3 3 0 r m i n 范围内，对疲劳寿命影响不大。但j a 德桑研究指出，当加荷 频率从3 0 r m i n 增加到l o o t r a i n 时，混合料疲劳寿命将减少2 0 。这是因为当荷 载频率较大时沥青混合料缺少必要的强度“愈合”时间，因而导致疲劳性能的 降低“。研究表明，当加载时间为0 0 2 s ( 5 h z ) 时，相当于车速为5 0 6 0 k m h 。 由于我国目前高等级公路的设计行车速度一般都在8 0 1 2 0k m h 之间，因此选取 加载频率1 0 h z 作为我国沥青混合料室内标准疲劳试验频率。 1 3 4 加载波形的确定 通常，在进行疲劳试验时采用较多的应力或应变波谱是单向作用的矩形波、 三角形波和半正矢形波，或是交变的正弦形波。德国学者g l e y k a u f 和w j k a w o h l 在其相关研究中指出，荷载波形对疲劳寿命的影响并不显著，同时，国内外有大 量的试验研究证明，移动的车轮荷载对路面产生接近于正弦曲线的应力应变效应。 因而，在本研究项目中，参考s h r pm - 0 0 9 标准，直接选用无间歇时间偏正弦波 作为标准加载波形。 1 3 5 混合料老化水平 老化影响沥青混合料的耐久性，从而使沥青混合料的技术性能向着不理想的 方向发生不可逆的变化，因此分析老化对沥青混合料室内疲劳寿命的影响是有意 义的，以往国内对沥青混合料室内疲劳寿命的预测都没有考虑老化因素的影响， 因此预测的结果往往比实际情况过于理想，在预测中考虑老化作用对疲劳寿命的 影响使得预测结果更符合路面实际疲劳开裂情况。 国外在沥青混合料老化方式的选择和老化程度的验证方面，s h r p 研究计划 在a - 0 0 3 a 项目中进行了系列相关的研究，s h r p 关于沥青混合料的老化方式及 其验证工作主要由俄勒冈州立大学的研究人员完成，其研究成果列于s h r p a 3 8 4 报告中。在s h r p a 一4 0 4 项目研究报告中，c l m o n i s m i t h ，j a d e a c o n ，j s c o p l a n t z ， j t h a r v e y 等人充分考虑了热老化对沥青混合料疲劳性能的影响，但未取得理想的 结果。本研究中关于老化方式选择方面主要借鉴了s h r p 的一些相关研究成果， 而在老化程度验证方面，则在其研究成果的基础上，做了大量的试验验证工作。 8 繁一章绪论 1 4 课题研究来源及主要内容 本课题来源于交通部公路司下达的公路工程标准修订项目，旨在开展以应变 为控制指标的结构分析和材料疲劳试验研究，本文主要研究目的在于通过应变控 制疲劳试验研究试验条件( 外部因素) 对室内沥青混合料疲劳性能评价的影响， 具体包括：通过评价不同试验条件与实际路面环境状态的相似程度，以确定室内 沥青混合料疲劳试验各外部因素的水平变化范围；采用均匀设计理论设计外部因 素评价试验方案，并对试验结果采用多元线性回归，以建立外部因索对沥青混合 料疲劳性能评价的响应规律，并在此基础上寻求确立试验室内沥青混合料疲劳试 验的标准试验条件的依据，为以后开展研究内部因素对沥青合料疲劳特性的响应 规律的工作做好准备。主要研究内容有： 1 参照国内外研究成果，并通过试验研究提出合理可行的应变控制沥青混合 料疲劳试验条件与方法； 2 模拟实际路面环境状态，评价不同试验条件与实际路面环境状态的相似程 度，选定各外部因素( 试验条件) 及试验水平变化范围： 3 通过开展应变控制方式下的多因素多水平沥青混合料疲劳试验，考察影响 沥青混合料疲劳性能评价的主要外部因素： 4 对影响疲劳试验结果的各外部因素进行影响显著性分析，建立在应变控制 疲劳模式下各外部因素对沥青混合料疲劳性能评价的响应规律回归模型，并在此 基础上确立试验室内沥青混合料疲劳试验的标准试验条件。 1 5 研究方法妫路线 本研究项目主要运用均匀设计理论进行试验方案的设计，并在此基础上采用 多元线性秘归的方法完成各外部因素对沥毒混会料疲势性能谬馀的嘲虚规昝飘归 模裂的建模工作。所采用的具体技术路线如下： 1 遴过对各举申试验方法的对比与评论，确定本研究所采鼹的室内疲劳试验方 法； 2 模拟实际鼹面环境状态，考察与分析试验温度、频率殿混合料老化水平等 外部因素对应变控制沥脊混合料疲劳性能试验的影响，并评价不同试验条件与实 赋路面环境状态的相似程度，确定各外部因素( 试验祭件) 及试验水平变化范围； 3 采用均匀设计理论，进行包括成变水平、试验溢度、试验频率、混合料老 化水平等因素在内的多因素多水平试验方案设计。通过合理的试验方案，在考虑 较多静因素数和较广韵水平数缀合下，潋合理簸试验次数来确立各黼素对溺青混 9 华瘫理工大学硕士学位论文 合料疲劳性能评价的影响； 4 运用可靠度分析理论，引入“保证率”概念，通过使用多元线性回归，建 立在应变控制下各外部因素对沥青混合料疲劳性能评价的响应规律回归模型，并 在此基础上寻求确立试验室内沥青混合料疲劳试验的标准试验条件的依据； 1 6 本章小结 本部分简要介绍了国内外沥青混台料疲劳特性研究的背景，并介绍了目前国 内外关于应变控制下试验条件( 外部因素) 对沥青混合料疲劳性能评价的研究现 状。并针对我国的研究现状，提出了本论文主要研究的内容、目标及技术路线。 1 0 第二章疲劳试验方法介绍 第二章疲劳试验方法介绍 2 1 目前主要疲劳试验方法介绍 沥青混合料疲劳试验的方法很多，大体可分为四类，即：试件法、试块法、 试镶法窝瑷缓试验法。 1 试件法是先将沥青混合料制作定形状的试件，然后按某种方式模拟沥青 躐嚣兹受力牧态遴行疲势试验，这爨试验方法瓣特点焱于沥毒混合瓣测冬爨：较方 便，试件尺寸小，试验周期短，温度、荷载等闲素易于控制，便于进行大量试验， 默接除其缝影响因素褥爨沥豢澹舍瓣豹疲劳疑律，爨瑟这耱疲劳试验方法瘫翅 较多。 试伴疲劳试骏常采用褥单弯麴试验，其中叉毒中点攘载绒四点期载、藤转悬 臀梁和梯澎悬臂粱三种试验方式。此外还有劈裂试验、弹性基础粱弯曲试验、三 轴艇力试验等。 中点加载弯曲试验试件和成挺方法，按公路工程沥青及沥青混合料试验规 程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) t 0 7 0 3 。9 3 规定的轮碾压实并甥割成小粱的方法成型试件，、粱尺 寸为5 0 r a m 5 0 r a m 2 4 0 m m ，试验在m t s ( m a t e r i a lt e s ts y s t e m ) 8 1 0 试骏机上 进行，试验温度豳环境辙控制，加载频率一般为l l o h z ，加载波形多为正弦波、 半菠弦波躐者矩形波。荷载最大德一般取试件极隈强魔的o 1 棚5 倍。加载方式采 用应交控制，中点加载，支廪间距( 小梁的跨径) 为2 0 0 m m 。 圈点黼载试验设备主要包捻掬翔蘧工大学倍克菜分校和美营沥脊协会使用的 两种。前辫采用的小梁试件尺寸为3 8 1 m m 3 8 1 l l l n l 3 8 1 m m ；后者采用的小梁试 辞足寸为夔国公掰藏珞磷究诗巅提出酌嚣实沥海混合精重复弯魏疲势寿命溯定豹 标准试验方法( s h r p m 一0 0 9 ) 制定，试件尺寸为5 0 8 r a m x 6 3 5 m m 3 8 1 m i t t ，试 验温