（道路与铁道工程专业论文）不同加载频率下沥青混合料疲劳损伤特性研究.pdf

摘要 沥青路面具有优越的使用性能，在道路工程中得到了广泛应用。疲劳破坏是沥青路 面的主要破坏形式之一，研究沥青混合料在特定交通与环境条件下的疲劳性能非常重 要，这项工作一直受到各国道路工作者的重视。由于路面材料所承受复杂多变的荷载、 环境条件，以及沥青混合料这一材料本身的复杂本构关系，单单评价某一特定条件下的 性能是不能评价其整体性能的。沥青混合料在不同老化程度、不同温度条件下的疲劳性 能有了较为系统研究，而对于在不同加载频率下的疲劳性能研究则开展的相对较少。因 此，为更好地了解沥青混合料在不同条件下的疲劳性能，开展不同加载频率下疲劳损伤 特性研究就显得很有必要，这对认识如何延长沥青路面的使用寿命将起到积极的作 用。 通过室内疲劳试验，采用名义应力水平对不同加载频率下沥青混合料的疲劳 寿命进行拟合，获得了疲劳方程中参数k 和n 的变化规律，得出了不同加载频率 下疲劳方程之间的关系。运用损伤力学相关理论，利用沥青混合料的劲度模量衰 减规律对其疲劳损伤特性进行研究，建立了基于劲度模量衰减的沥青混合料疲劳 损伤模型，为了解不同加载频率下沥青混合料的疲劳损伤特性提供了依据；并通 过疲劳损伤的变化规律对沥青混合料是否存在疲劳极限进行了探讨。 依据疲劳试验结果，对疲劳动载强度理论进行了试验验证，建立了基于实际 应力水平的沥青混合料s n 疲劳方程，分析发现不同加载频率下的基于实际应 力水平的疲劳方程可以统一在同一条疲劳曲线中，这为分析不同加载频率下沥青 混合料疲劳规律提供了方便。 最后，在上述工作的基础上，分析了本文研究的不足之处，为下一步工作的 开展，提出了一些观点。 关键词：沥青混合料；加载频率；疲劳寿命；应力水平；损伤变量： 劲度模量；疲劳极限；实际应力水平：疲劳动载强度 a b s t r a c t f o ri t se x c e l l e n ts e r v i c ep e r f o m a n c e ，a s p h a l tp a v 锄e n tw a sb u l i t m o r ea n d m o r ei nt h ec o n s t r u c t i o no fe x p r e s s w a y i ti so n co ft h em a i nd e s t n l c t l o nf o 衄s o n t h ea s p h a l tp a v 锄e n t i ti sv e r yi m p o n a n tt or e s e a r c ht h ef a t i g u ep e r f o 珊a n c eu n d e r as p e c i f i ct r a 瓶ca n de n v i r o n m e n tc o n d i t i o n sw h i c h h a sb e e ns u b j e c tt or o a dw o r k e r s a t t e n t i o n t h er o a ds u r f a c em a t e r i a l sa r es u b j e c tt oc o m p l e xa n d e v e r c h a n 9 1 n gl o a d e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ， a sw e l la st h ec o m p l e x i t yo ft h em a t e r i a l c o n s t l t u t l v e r e la t i o n s ，o n l ye v a l u a t et h ep e r f o m a n c eu n d e rt h ep a r t i c u l a r c o n d i t i o n si sn o tt h e o v e r a l lp e r f o m a n c eo ft h em a t e r i a l t h er e s e a r c ho fa s p h a l tm i x t u r ef a t l g u e p e r f o m a n c ei nd i f f e r e n ta g ea n dd i f f b r e n tt e m p e r a t u r e w a sm o r es y s t e m a t l c - a sv e r y f e ws t u d i e so fa s p h a l tm i x t u r ef a t i g u ep e r f o 珊a n c e u n d e rd i f f e r c n tl o a d l n g f r e q u e n c i e sa r ec a 订i e do u t t h e r e f o r e ，i no r d e r t ob e t t e ru n d e r s t a n dt h et a t l g u e p e r f o m a n c eo f t h ea s p h a l tm i x t u r eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，i t i sn e c e s s a r ) rt o c a r r vo u tt h et e s e r c ho nf a t i g u ed a m a g eo fa s p h a l tm i x t u r eu n d e rd i f f e r e n tl o a d i n g f r e q u e n c i e s a n di tw i l lp i a yap o s i t i v er o l ei np r o l o n g i n gt h es e r v i c e l i f eo fa s p h a l t p a v e m e n t t h r o u g ht h ei n d o o rf a t i g u et e s t ， i to b t a i n e dt h ec h a n g et r e n do fp a r a m e t e r sk a n dno ft h ef a t i g u ee q u a t i o n ，a n da l s oc a n0 b t a i nf a t i g u ee q u a t i o nr e i a t l o n su n d e r d i f f e r e n tl o a d i n gf r e q u e n c i e s ，w h i c hw e r eu s e dt h ef i t i n gr e s u l t o fs t r e s si e v e l 锄d f a t i g u el i f e b yt h er e l a t i o nt h e o r ) ro ft h ed a m a g em e c h a n i c sa n dt h e a t t e n u a t l o n r e g u l a r i t yo fa s p h a l tm i x t u r es t i f f n e s sm o d u l u s ，t h e f a t i g u ed a m a g em o d e lw a s e s t a b l i s h e db a s e do nt h ea t t e n u a t i o nr e g u l a r i t yo fs t i f f n e s sm o d u l u sf o rt h ea s p h a l t m i x t u r e ，w h i c hp r o v i d e st h eb a s i so fs t u d y i n gf a t i g u ed a m a g ec h a r a c t e f l s t l c su n d e r d i f f e r e n tl o a d i n gf r e q u e n c i e s i ti s a l s od i s c u s s e dt h ee x i s t e n c eo ff a t i g u el i m i to f a s p h a l tm i x t u r e sb y t h ec h a n g i n gr e g u l a r i t yo ft h ef a t i g u ed a m a g e t h r o u g ht h ec o n c l u s i o no ft e s t ，t h et h e o r yo ff a t i g u ed y 舳m i cs t r e n g t h w a s v e r i f i e d a n dt h es nf a t i g u ee q u a t i o nw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ea c t u a l s t r e s s l e v e l a n a l y s i ss h o w e dt h a te q u a t i o n sb a s e do na c t u a l s t r e s sl e v e lu n d e rd i f 亿r e n t l o a d i n gf r e q u e n c i e sc a nb eu n i n e di n t h es a m ef a t i g u ec u r v e ，w h i c hp r o v l d e st h e c o n v e n i e n c eo fa n a l y s i n gt h ea s p h a l tm i x t u r er e g u l a r i t yo ff a t i g u e u n d e rd i f f e r e n l o a d i n gf r e q u e n c i e s f i n a l l v ，b a s e do nt h ef o n n e rr e s u l t ，t h ed e f i c i e n c yo ft h i sp a p e ri s a n a l y z e d i t g i v e ss o m ea d v i c eo nh o wt oc a r r yo nt h es u b s e q u e n t l yr e s e a r c h k e yw o r d s ：a s p h a i t - m i x t u r e ；l o a d i n gf r e q u e n c y ；f a t i g u el i f e ；s t r e s sl e v e l ； d a m a g ev a r i a b l e ；s t i f f n e s sm o d u l u s ；f a t i g u eh m i t ；a c t u a is t r e s s l e v e i ；f a t i g u ed y n a m i cs t r e n g t h i 长沙理工大学 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：协骝 嗍垆加日 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。本人授权长 沙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。 本学位论文属于 1 、保密口，在一一年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签 导师签 期： 2 0 0 9 年钿多日 期： 2 0 0 9 年多月日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 沥青混合料疲劳损伤效应问题的提出 沥青路面具有优越的使用性能，在道路工程中得到了广泛应用。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不产生 破裂的能力。疲劳开裂是沥青路面结构的主要破坏形式之一，研究沥青混合料在 特定交通与环境条件下的疲劳性能非常重要，这项工作一直受到各国道路工作者 的重视。世界各国对沥青路面的疲劳特性进行了大量研究，对路面疲劳破坏机理 也有了更多科学的认识，并不断地得以深化。至今，路面疲劳性能指标已经成为 沥青路面设计方法中不可或缺的重要指标，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，” 路面使用期间，在气候环境因素和车轮荷载的重复作用下，损伤逐渐累积， 路面结构强度逐渐下降，当荷载作用超过一定次数之后，在荷载作用下路面内产 生的应力就会超过下降后的结构抗力，使路面出现裂纹，产生疲劳断裂破坏。这 是由于材料内部存在缺陷或非均匀性，引起应力集中而出现微裂隙，应力的反复 作用使微裂隙逐渐扩展、汇合，从而不断减少有效的承受应力的面积，造成材料 的刚度和强度逐步下降，最终在荷载重复作用一定次数后导致破坏，这种破坏称 为疲劳损伤破坏。材料抵抗疲劳破坏的能力，可用达到疲劳破坏时所能经受的重 复应力大小( 称为疲劳强度) 和作用次数( 称为疲劳寿命) 来表示“”。目前沥青路 面结构的疲劳分析沿用的仍是m i n e r ( 1 9 5 5 ) 的疲劳累积损伤准则，m i n 盯准则的 本质特征为线性模型，即认为在一定的环境条件、一定的应力水平下，不管材料 已经损伤到何种程度，还有多大的剩余强度，相同的应力水平作用所产生的损伤 量相等，不同应力水平所产生的相对损伤量可以相加，然而，m i n e r 准则存在着 一个致命的缺陷，即忽略了疲劳破坏过程中，材料本身损伤的不断加剧所产生的 非线性效应，因此，无法考虑应力幅值变化历史的影响。事实上，在疲劳寿命的 后期，一次重复荷载的作用与初始阶段相比具有明显的差异，即使加载的环境相 同，重复荷载的大小相同，一次重复荷载在疲劳破坏过程中所产生的损伤增量也 不可能是个常数，而应该是一个与材料已经达到的损伤程度( 或重复荷载已经完 成的作用次数n ) 相关的函数，不难设想，一台轴重可使路面应力状态接近极限 强度的载重车辆在某路段刚开放交通时通过，或在其使用末期通过对于路面破坏 的影响，前一种情况可使路面的疲劳寿命降至为零，而后一种情况对路面的疲劳 寿命几乎没有影响。 因此很有必要探讨一种比较合适的描述沥青混合料疲劳破坏的损伤规律模 型，这就要求我们不仅需要关心沥青混合料最终的疲劳寿命大小，而且更应关心 其疲劳破坏过程的损伤演化规律。 1 1 2 不同加载频率下沥青混合料疲劳损伤效应问题的提出 由于路面材料所承受复杂多变的荷载、环境条件，以及沥青混合料这一材料本身的 复杂本构关系，单单评价某一特定条件下的性能是不能评价其整体性能的。目前，对于 沥青混合料在不同老化程度、不同温度条件下的疲劳性能有了较为系统研究。9 1 ，而对 于在不同加载频率下的疲劳性能研究则开展的较少，缺乏系统性的研究。在进行疲劳试 验时，当加载频率很小时，能模拟沥青混合料因温度的日周期性变化引起的疲劳应力变 化：当加载频率较高时，又能模拟路面在不同轴载的车辆在以不同车速行驶而引起的结 构应力变化，故很有必要进行不同加载频率下沥青混合料的疲劳性能研究，本文通过开 展不同加载频率下的疲劳试验研究，以期获得不同加载频率下沥青混合料疲劳损伤演化 规律，从而更好、更全面地了解其不同条件下的疲劳性能，为正确确定沥青混合料的 设计参数，设计方法，防止沥青路面的早期破坏，提高沥青路面的路用性能，延 长沥青路面的使用寿命将起到积极的作用。 1 1 3 研究的意义 公路的作用就是为各类车辆的行驶提供一个平整的表面。而沥青路面具有优 良的路用性能，在对路面舒适度要求越来越高的今天，其在道路工程中的运用越 来越广泛。车辆的种类多种多样，与路面结构直接相关的就是轴载大小各不同， 如果按照实际的行车状况来开展路面结构的分析计算，势必相当繁琐而且难以理 解。为此我国的路面设计方法在考虑实际行车荷载的时候，提出了一个标准轴载 的概念，然后按照疲劳损伤等效的原则将非标准轴载作用次数换算成标准轴载的 作用次数。这其中就涉及到疲劳损伤方程的问题，目前我国的规范在考虑这个问 题的时候是利用了经典的疲劳方程，然后通过大量的实验得到相关的参数。由于 经典疲劳损伤方程是基于弹性理论的，仅能反映周期加载应力幅值的影响，但实 际上加载频率( 行车速度) 、温度等对路面特别是沥青路面的影响不容忽视，因 为沥青路面属于热流变简单材料，其力学性能与加载历史和环境温度密切相关。 本文针对沥青混合料提出考虑不同加载频率影响的损伤模型，为进一步能够应用 到路面的结构分析和设计中去提供依据，并通过低应力水平下劲度模量衰减规律 来对沥青混合料是否存在疲劳极限进行探讨，分析疲劳极限在沥青混合料中的适 应性。同时，通过对基于非线性疲劳损伤模型的疲劳动载强度进行验证，建立统 一的基于实际应力水平沥青混合料疲劳方程，为正确确定沥青路面设计时抗拉强 度结构系数提供依据和方法。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国外研究概况 沥青混合料疲劳性能研究经历了半个多世纪的发展，涌现出了许多科学的试 验方法和分析方法，并取得了很多的研究成果。这对优化路面设计、指导和规范 沥青路面施工和养护工作起着重要而积极的作用。然而，由于影响沥青混合料疲 劳性能的因素众多，通常很难在一项疲劳性能研究中将所有的影响因素都考虑进 去。在早期的研究中，通常只考虑了沥青混合料疲劳性能的几项因素，其适用性 在很大程度上受到了限制n0 1 引。 1 9 4 2 年o j p o t e r 就指出了路面在行车荷载作用下会产生疲劳破坏现象，并 发现有些柔性路面在0 5 o 7 m m 的小弯沉情况下车轮重复几百万次也会遭破 坏。l w n i j b v e r 、v d 波尔等在1 9 5 3 年提出了路面疲劳裂纹的产生是重复行驶 的车轮引起的弯拉应力超过材料抗拉强度所致，强调裂缝是疲劳的结果，疲劳寿 命取决于弯沉的大小和行车荷载重复作用次数。从而将路面疲劳与应力、应变状 态相联系。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。 2 0 世纪6 0 年代以来，世界各国对路面的疲劳特性进行了大量的系统的研究， 对路面疲劳破坏机理也有了更深刻的认识，并不断得到深化，研究成果作为沥青 路面的一项设计指标，纳入了设计规范。尽管如此，研究工作仍在继续，沥青混 合料的疲劳性能的研究工作正面临着巨大的机遇和挑战。 著名的美国战略公路研究计划( s h r p ) 把疲劳性能研究列为其重要项目之 一，足见其对路面疲劳特性的重视。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主要破坏形式自然也包括在s h r pa 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 一4 0 4 ) 。在该报告中，通过对多种试验方法的比 较，选定了控制应变的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： 墨些：婴：丝 s f 式中：n 一实际路面应变水平下沥青混合料疲劳寿命；e s a l s 一等效轴载 作用次数；t c f 一温度转换系数；m 一可靠度系数：s f 一转换系数。 在上式中，温度转换系数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出来；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 应于不同的可靠性水平，用不同的m 值来表征；而转换系数s f ( s h i rf a c t o r ) 是用于对试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、裂纹传播速率等因素对疲劳寿命的影响系数， 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( 尤其是温度转换系数t c f ) 的研究及设计体系的现场验证工作。在 温度转换系数t c f 的的研究中，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 一4 0 ) ，从其改 进的试验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 半正弦波) 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。直到目前为止，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。 2 0 0 1 年在美国怀俄明州l a r a m i e 市召开了沥青路面疲劳破坏预测方法研讨 会，来自美国本土和其它国家的疲劳研究人员在会上提出了许多新的研究观点和 思路。会上部分学者提出了“沥青胶结料疲劳”的观点，主张建立沥青胶结料的疲 劳规范，旨在通过评价沥青胶结料的疲劳性能来控制和改善沥青混合料的疲劳性 能。而目前关于沥青胶结料疲劳性能的研究只局限于动态剪切流变仪( d s r ) 以 及法国道桥中心实验室( l c p c ) 开发的评价沥青胶结料在重复拉伸状态下的开 裂和愈合特性的设备。而与会的部分学者则认为单纯的沥青胶结料是否存在疲劳 特性还需要进行研究，同时，单纯对沥青胶结料进行疲劳试验，其试验的合理性 也尚须进一步的验证。 另外，俄亥俄州大学的研究人员们正致力于在沥青混合料疲劳性能中引用断 裂力学的概念，从裂纹的扩展规律出发，探讨疲劳性能，但这些方法也还不完善， 要达到使用的目的尚须时日幢1 。 4 在美国a a s h t o2 0 0 2 设计指南中，“损伤( d i s t r e s s ) ”和“平整度 ( s m o o t h n e s s ) ”成为沥青路面设计中的两大控制指标，而疲劳开裂作为“损伤” 的重要形式，在其新的设计标准中得以重视。 1 2 2 国内研究概况 我国在这方面的研究虽然起步较晚，但也做了大量的工作。在“七五”国家重 点科技项目( 攻关) 7 5 2 4 0 1 0 1 专题中，原交通部重庆公路科学研究所采用国 产单家寺7 0 号、9 0 号沥青和用作对比的阿尔巴尼亚7 0 号沥青，利用先进的m t s 材料试验系统，进行了l h 2 0 i 型沥青混凝土系统的室内疲劳试验。1 9 9 3 年哈 尔滨建筑大学在交通部科技项目“沥青路面设计指标与参数的研究”中，又利用茂 名7 0 号沥青、胜利1 0 0 号沥青、辽河1 4 0 号沥青三种沥青分别进行了中粒式和 粗粒式沥青混凝土( 共六种) 系统的室内疲劳试验研究。研究成果已被纳入公路 沥青路面设计规范，对我国的公路建设发挥了重要的作用哺一引。 长沙理工大学在交通部重点项目“沥青路面疲劳损伤特性及抗疲劳破坏的措 施与方法研究”中针对经典各向同性弹性损伤理论存在的缺陷，从不可逆热力学 基本定律出发，推导出完整的各向同性弹性损伤理论，从理论上提出新的解决方 法；采用损伤力学方法研究沥青混合料的疲劳失效问题，得到沥青混合料疲劳裂 纹形成寿命的封闭公式，从而赋予这一经验公式损伤力学意义的解释；从损伤力 学的角度分析了沥青混合料疲劳裂纹的扩展问题；采用自制设备和约束试件温度 应力试验仪分别进行了沥青混合料的低温低频和温度疲劳试验，得到了以累积耗 散能表达的沥青混合料的低温和温度疲劳方程；通过理论分析和试验路观测验 证，加铺土工合成材料夹层可以对沥青路面层起到桥联增韧效应，可以延缓因持 续大幅降温和温度循环变化引起的反射裂缝，可以改善半刚性基层沥青路面和旧 水泥混凝土沥青路面的疲劳寿命。该成果一方面克服了经典弹性损伤理论存在的 缺陷，填补了国内外道路工程界损伤理论研究方面的空白，同时为沥青路面疲劳 寿命的预估与分析提供了更为合理的研究方法，并为沥青路面提供了一套抗疲劳 破坏的措施与方法口1 。 1 9 9 6 2 0 0 0 年，同济大学在交通部科研项目“沥青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研究内容的一部分，采用高等级公路 常用的三种进口沥青制作粗、中、细粒式七种沥青混合料进行劈裂及部分弯拉疲 劳试验研究，取得了一定成果，为沥青路面结构设计提供了参考比1 。 近年来，许多学者也从不同的角度对沥青混合料的疲劳规律进行了一系列的 研究，提出了一些新的疲劳特性分析方法，综合目前已有研究成果，沥青路面疲 劳特性的研究方法基本上分为三类：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特性；另一类为力学近似法，即应用断裂力学原 5 理分析疲劳裂缝扩展规律，以确定材料疲劳寿命；最后一类为耗散能法，即应用 能量耗散的方法分析沥青混合料的疲劳破坏，建立累积耗散能与疲劳寿命的关 系，达到疲劳寿命预估的目的。 1 3 本文研究主要内容及技术路线 1 3 1 本文研究的主要内容 本论文作为国家自然科学基金课题“考虑老化效应的沥青混合料温度疲劳损 伤特性研究”的后续研究，旨在更好、更全面地了解不同加载条件下沥青混合料 的疲劳性能，主要进行以下几个方面的工作： ( 1 ) 沥青混合料疲劳试验方法的选择与方案确定 通过计算半刚性基层沥青路面结构内的应力情况，分析其应力分布情况，来 说明所选取的试验方法的合理性，根据本文主要研究内容确定主要影响因素，进 行沥青混合料疲劳试验方案的设计，最终确定试验方案。 ( 2 ) 建立沥青混合料在不同加载频率下的疲劳方程 通过室内疲劳试验，建立不同加载频率下沥青混合料的传统疲劳方程，以获 得疲劳方程中的参数k 和n 的变化规律，为研究验证疲劳动载强度理论随1 和疲劳 破坏过程中的损伤演化规律提供基础和依据。 ( 3 ) 建立基于劲度模量衰减的沥青混合料疲劳损伤方程及疲劳极限n “1 5 1 的存在性的分析 材料在微观上是有性质不完全相同的离散体构成，位错的形成、发展、微裂 纹萌生的过程和方式等是诸多内在复杂因素综合作用的结果，其微观损伤过程难 以观测和表征。但从宏观试验上看，材料的许多宏观力学性质随疲劳损伤进程而 劣化的结果有着显著的规律性和统计意义。在裂纹扩展阶段，损伤通过裂纹尺寸 的改变而表现出来，由于该阶段材料的损失无法直接测量和显示，只能通过对损 伤过程中伴随材料损失的发生而变化的一些可测参量或间接可测参量的变化来 进行损伤的间接测量，通过对沥青混合料疲劳破坏过程中的劲度模量变化规律的 分析，建立任意频率厂，任意应力水平t 下的基于劲度模量衰减的疲劳损伤方程， 从而更好的了解沥青混合料在不同加载频率下的疲劳性能，同时通过低应力水平 下劲度模量衰减规律来对沥青混合料是否存在疲劳极限进行探讨。 ( 4 ) 基于非线性疲劳损伤模型的疲劳动载强度试验验证和基于实际应力 水平随，的疲劳方程建立 通过分析现行沥青路面设计规范在使用s n 疲劳方程方面的不足，根据对 沥青混合料疲劳破坏过程的理论分析，引用文献中基于有效承载面积衰减的沥青 混合料非线性疲劳损伤方程的推导，并且通过进行不同加载速率下的直接拉伸强 6 度试验和不同频率下的疲劳试验来对文中所提出的疲劳动载强度理论进行验证， 并分析疲劳动载强度随频率的变化规律，最后通过对试验结果的分析，建立统一 的基于实际应力水平沥青混合料疲劳方程，同时探讨此方法得到的疲劳曲线后延 的合理性，这不仅为分析不同加载频率下的疲劳方程提供方便，也为正确确定沥 青路面设计时抗拉强度结构系数提供依据和方法。 7 1 3 2 本文研究的技术路线 文献资料收集 一国内外研究概况 沥青混料疲劳试验 方法的确定 沥青混合料原材料 试验及配合比设计 沥青混合料疲劳试验影响因 素( 外部因素、内部冈素) 及各影响因素水- 、f 值的确定 进行疲劳试 验方案设计 进行强度试验为确 定应力水平提供参 按试验设计方案进行疲劳试验，同时进 行不同加载速率的直接拉伸试验 沥青混合料损伤 及疲劳损伤理论 沥青混合料疲劳损 伤方程建立及疲劳 破坏过程理论分析 建立名义应力水平的疲劳 方程，从而获得疲劳方程 中的参数k 和n 的变化规 律 建立任意频率厂，任 意应力水平t 基于 劲度模量衰减的疲 劳损伤方程 利用劲度模最衰减规律 对沥青混合料是否存在 疲劳极限进行分析 通过对动载强度理论进行 验证；建立统一的基丁实 际应力水平的s n 疲劳方 程的建立探讨此方法得到 的疲劳曲线后延的合理性 结论与展望 8 第二章沥青混合料疲劳试验方案及疲劳寿命预测 2 1 概述 目前，国内外沥青混合料疲劳试验方法众多，本章通过分析说明，提出本文 的试验方法，并根据本文主要研究内容确定主要影响因素，进行沥青混合料疲劳 试验方案的设计，提出本文沥青混合料疲劳寿命预测方法。 2 2 沥青混合料疲劳试验方法确定 2 2 1 目前国内外沥青混合料主要疲劳试验方法 疲劳破坏作为沥青路面的三大破坏形式之一，人们对其试验研究方法给予了 很大的关注，归纳起来可分为四类：一是实际路面在真实行车荷载作用下的疲劳 破坏试验，如美国的a a s h o 试验路，历时三年才完成；二是足尺路面结构在模 拟行车荷载作用下的疲劳试验，包括环道试验和加速加载试验，如南非的重型车 辆模拟车( h v s ) 、澳大利亚和新西兰的加速加载设备( a l f ) 、美国华盛顿州立 大学的室外大型环道、重庆公路研究所的室内大型环道疲劳试验和长沙理工大学 的亚洲最大的路面直道试验中心等；三是试板试验法；四是室内小型试件的疲劳 试验。由于前三类试验研究方法耗资大、周期长，开展得并不普遍，多采用的是 周期短、费用少的室内小型试件的疲劳试验。 但是，沥青混合料的室内小型疲劳试验方法繁多，北美大多数国家采用梁式 试件进行反复疲劳试验：欧洲的研究者多采用悬臂梯形梁试件，在其端部施加正 弦波荷载；而采用圆柱试件进行间接拉伸疲劳试验近年来在日本开展得比较多； 还有三轴压力法、拉压法和剪切法等试验方法。总之，各研究者所采用的实验方 法不尽相同，呈现出一种百家争鸣的现象。迄今为止，各国均没有将疲劳试验作 为标准试验方法纳入规范。 2 2 2 本文采用的疲劳试验方法 本文为国家自然科学基金课题“考虑老化效应的沥青混合料温度疲劳损伤特 性研究”的后续研究，从项目的前面研究成果可知哺曲3 ，进行室内疲劳试验时，当 加载频率较低时，采用直接拉伸疲劳试验能较好的模拟实际路面的温度疲劳。沥 青路面在车轮荷载作用下，由于轴载的作用，会使车轮附近的表层层面及以下一 定深度范围里出现拉应力，当然在与车轮直接接触的表层层面及以下一定深度范 围里出现的是压应力。这说明上面层材料不仅承受压应力，也承受了拉应力的作 9 用，且在车载的重复作用下，存在着拉压应力循坏作用，室内的直接拉伸疲劳试 验能较好的模拟路面的这种现象，所以当加载频率较高时，室内的直接拉伸疲劳 试验也能较好的模拟实际路面表层在交通荷载的疲劳作用。因此，考虑所采用的 沥青混合料级配为a c 1 3 c ，为上面层材料，故本研究采用的小梁直接拉伸的疲 劳试验方法。 2 3 影响沥青混合料疲劳性能的因素及试验方案设计 2 3 1 影响沥青混合料疲劳性能的因素 影响沥青混合料疲劳性能的有多种因素，概括起来主要有以下几种： ( 1 ) 试验条件； ( 2 ) 材料性质； ( 3 ) 环境条件； 上述因素的变化会对疲劳寿命产生影响是因为这些因素的变化会对沥青混 合料的劲度产生影响，因此，可以从因素的改变对沥青混合料劲度的变化出发来 分析疲劳寿命的变化一1 3 1 6 。1 9 1 。 表2 1沥青混合料疲劳性能的影响因素 疲劳寿命 因素因素的改变 控制应力加载模式控制应变加载模式 加载速率 增 增 减 荷载 加载时间增减增 沥青含量增有最佳值 增 材料 沥青针入度增减增 性质 及组 集料表面性状增加粗糙度和棱角增减 成 集料级配由开式剑闭式增 影响可忽略 空隙率 增 减 减 温度 增减增 环境 湿度增减增 一定老化增增减 2 3 2 沥青混合料疲劳试验方案设计 本文因主要分析不同加载频率下沥青混合料疲劳损伤规律，所以在确定的试 验影响因素时外部因素只考虑应力水平，而试验温度、加载波形采用目前疲劳试 验时常用的取值及方式，即只考虑一种水平值：内部因素中不考虑老化程度( 即 未老化) ，而沥青品种、沥青用量、矿料类型、混合料级配、孔隙率等也只考虑 1 个水平值，在配合比设计时确定。 因素的水平值确定根据目前实际生产过程中应用较多和本文的研究内容综 合确定，如下表2 2 所示： 1 0 表2 2 疲劳试验影响因素及各因素的水平值 因素因素水平值 种类 因素名称因素的水平值 个数 应力水平( m p a m p a )5 由具体频率而定 外部 试验温度( )l 1 5 因素 加载频率( h z ) 6 0 o l ，o 1 ，l ，1 0 ，2 0 ，5 0 老化程度( d ) l 未老化 内部 沥青品种( 号) l s b s 改性 沥青用量( ) l 5 3 由配合比确定 因素 混合料级配( a c ) 1 a c 1 3 c 孔隙率( ) l 5 2 ( 由配合比确定) 2 4 沥青混合料疲劳寿命的预测 目前研究疲劳特性的试验仍集中在室外工程或室内试件的疲劳试验。疲劳试 验耗资巨大几乎是疲劳研究所有领域面临的一个重要问题。由于受经费、试验设 备及技术手段等条件的限制，在较广试验范围内进行沥青混合料的疲劳试验是不 可能的，因此近年来世界各国均开展了预测沥青混合料疲劳性能的研究心0 1 ，以 节省疲劳试验消耗大量的时间和资金。 2 4 1 常用的沥青混合料疲劳寿命的预测方法 2 4 1 1 确定沥青混合料疲劳曲线的简化方法 为了达到预测疲劳性能的目的，壳牌公司、英国诺丁汉大学和美国沥青协会 等提出了些简化的疲劳试验方法。 壳牌法在试验的基础上建立的关系式，如下： 乞= ( o 8 5 6 + 1 0 8 ) 黑出o 0 3 6 - 0 2 ( 2 1 ) 式中：乞为允许拉应变；v b 为沥青体积百分比：为为特定加载时间、 温度下混合料劲度；n 为荷载作用次数。 诺丁汉大学通过对各类沥青混合料室内疲劳试验建立了考虑拉应变、疲劳荷 载作用次数、沥青含量和软化点的关系式： l g e ：塑堕垡竺丝幺_ 型 ( 2 2 ) 。 5 。1 3 l g + 8 6 3 l g 瓦口一1 5 8 式中：q 为允许拉应变；n 为荷载作用次数；v b 为沥青体积百分比； 瓦置 为沥青软化点。 当拉应变为1 0 0 1 0 巧时，混合料的疲劳寿命同沥青用量和软化点之间的经验 关系为： l g ( s = 1 0 0 l o 6 ) = 4 1 3 l g + 6 9 5 l g 口 ( 2 3 ) 式中：n 为一试件在常量应变l o o 1 0 _ 6 时达到破坏的加载次数；v b 为沥青 体积百分比； 疋5 为沥青软化点。 根据疲劳曲线在双对数坐标图上成直线的特性，由上述两式即可得到沥青混 合料的疲劳曲线。 沥青协会得到的关系式为： = 1 8 4 c 4 3 2 5 1 0 - 3 ( 乞) 一1 ( 墨打) - 0 3 5 4 】 c = 1 0 ( 2 4 ) 膨：4 8 4 f 坚一o 6 9 1 、+ 式中：n 为荷载作用次数。t 为允许拉应变：v v 为空隙率；v b 为沥青体 积百分比； 邑由为特定加载时间、温度下沥青混合料劲度模量。 上述所有关系中沥青性能对疲劳影响表现在软化点或沥青劲度上。应该说明 的是它们全都是近似关系式，仅仅在路面设计时考虑使用，而不能用于混合料评 价2 5 1 。 2 4 1 2 用现象学法预测沥青混合料疲劳寿命 一 一 应用现象学法进行疲劳试验，通常采用控制应力砷控制应变两种不同的加载 模式。控制应力方式是指反复加载过程中所施加荷载( 或应力) 的峰谷值始终保 持不变，随着加载次数的增加最终导致试件断裂破坏。试验结果可用下式表示： 1 一 一 ，= 七( 二) 4 ( 2 5 ) 。 j 式中：，一试件破坏时的加载次数；k ，n 一取决与沥青混合料的成分和特 性的常数； 5 一对试件每次施加的应力水平值，即每次施加常量应力的最大幅 值与相同试验条件下的强度之比，也称为应力比。 由式( 2 5 ) 可知，当对应力水平值s 和疲劳寿命，进行双对数回归时，函 数关系为直线型。疲劳方程的两个参数k ，n 即为直线的截距和斜率。沥青混合料 的疲劳性能通过疲劳方程的两个参数k ，n 来反映：n 值越大，疲劳曲线越陡，疲 劳寿命对应力水平变化越敏感；k 值表示疲劳曲线线位的高低，k 值越大，疲劳 曲线线位越高，疲劳耐久性越好心卜2 引。 控制应变方式是指在反复加载过程中始终保持挠度或试件应变峰谷值不变。 由于在这种控制下试件通常不会出现明显的断裂破坏，一般以沥青混合料劲度下 降到初始劲度的5 0 或更低为疲劳破坏标准。试验结果常用下式表示： 1 ，= c ( 二) ” ( 2 6 ) 。 占 式中，一沥青混合料劲度下降到初始劲度的5 0 或更低时的次数；c ，m 一 取决与沥青混合料的成分和特性的常数；占一对试件每次施加常量应变的最大幅 1 2 值。 通过不同应力水平或不同应变水平条件下的疲劳试验曲线拟合得到疲劳方 程的参数，疲劳方程曲线即为传统的s n 曲线，从而可以利用该方程对不同应 力水平或应变水平条件下的沥青混合料疲劳寿命进行预估。 2 4 1 3 诺谟图法预测沥青混合料的疲劳寿命 f f 钠波尔研究了其他作者在各种疲劳试验中的几十根应力一应变疲劳曲 线，提出了用混合料劲度模量等复合参数预测沥青混合料疲劳寿命的诺模图。 方法不足：采用诺模图法预测沥青混合料的疲劳寿命的方法是完全基于试验 得到的，适用范围受到限制，且缺乏一定的理论基础，对于不同的沥青混合料需 要做大量的试验来确定其复合参数与疲劳寿命的关系，使用起来也不方便。 2 4 1 4 用耗散能原理预测沥青混合料疲劳寿命 沥青混合料是一种粘弹性材料，它的力学特性依赖于荷载作用的时间和温 度。它的复模量是由储存模量( 弹性部分) 和耗散模量( 粘性部分) 组成的。这 两部分分别对应于复模量的实部和虚部。根据v a nd i j k 等人的研究，沥青混合 料的疲劳强度主要取决于耗散模量和应力应变循环过程中的能耗。这一方法的主 要特点是疲劳试验中的总能耗和疲劳寿命之间存在着某一特定的关系。大量的试 验研究表明，累积耗散能即总能耗与疲劳寿命之间存在唯一的关系，其它因素如 试验方法、加载频率、加载模式、温度等对其影响不大哺2 6 。3 8 1 。1 9 8 7 年s h e u 路 面设计手册引入这一概念，作为预测沥青混合料疲劳寿命的方法。s h r p 研究计 划也采用能量方法研究沥青混合料的疲劳响应问题。 大量试验表明，沥青混合料的疲劳寿命，与达到疲劳破坏时的总能耗之 间有下面的简单关系( 即疲劳方程) ： 孵= 州，口 ( 2 7 ) 式中：彳，召为试验中确定的材料参数，因沥青混合料的不同而不同。 如果假定疲劳过程中损伤是线性的，即符合m i n e r 线性理论，每一循环的损 伤量相等，则疲劳破坏时的总耗散能盯可表示为： 啄= ， ( 2 8 ) 式中：w 0 为每一循环的耗散能。 将式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) 得： = ，k = 叫 ( 2 9 ) 由式( 2 9 ) 可得疲劳寿命，为： 疃蛐 ，= 1 0 肛1 ( 2 1o ) 通过试验确定参数彳，曰，w 0 后就可以进行沥青混合料的疲劳寿命预估分析。 不足：实际上，在沥青混合料疲劳试验过程中，由于损伤的累积，每一循环 的耗散能w 0 不可能保持常量不变，而是随着循环次数的增加而逐渐增加，式 ( 2 1 0 ) 是基于线性损伤理论建立的，在实际应用中会造成较大的误差。 2 4 1 5 用断裂力学方法预测沥青混合料的疲劳寿命 根据p c p a r i s 的裂纹扩展公式，可将材料的疲劳寿命表示为： ，2e 扣 ( 2 1 1 ) 式中：，为疲劳寿命：岛为初始裂缝长度；c ，为临界裂缝长度； 彳，刀为 材料常数： 式( 2 1 1 ) 表示在一定荷载p 作用下，由初始裂缝长度c o 的固有裂痕按 素= 似“裂缝扩展规律发展，直至达到相应破坏标准的临界尺寸c ，所能经受的 荷载作用次数。 其中对于小于o 5 c m 初始裂缝c 0 ，可按照从第一次荷载循环开始就符合裂缝 扩展公式的假定，将p a r i s 公式按n = 1 用外推法求得。初始裂缝“即为： c o