（道路与铁道工程专业论文）钢桥面铺装材料低温性能的深入研究.pdf

摘要 摘要 沥青玛蹄脂碎石( s t o n em a s t i ca s p h a l t ) 、沥青玛蹄脂( m a s t i ca s p h a l t ) 、环氧沥青混合料是我国常用 的三种桥面铺装材料。我国目前对这三种铺装材料的低温性能研究相对较少，论文对沥青混合料的低温开 裂机理及影响因素进行了较为全面的研究和总结，提出以三种材料的低温性能为本论文的研究目标。 论文首先选用小梁低温蠕变、小粱低温弯曲、约束试件温度应力试验对三种铺装材料进行试验研究， 试验结果分析表明，用小梁的蠕变速率无法分辨出三种材料低温性能的优劣；由小梁低温弯曲试验求取的 材料单位体积破坏能能够很好的区分材料的低温性能；约束试件温度应力试验能够很好的说明材料低温性 能，同时可以对其它低温试验的试验结果进行验证。 为了在试验结果的基础上对三种材料的低温性能做更进一步分析，本文选用【麦夸特法+ 通用全局优 化算法】数据分析方法进行试验数据的参数拟合分析，求取了三种材料的三参量固体模型的粘弹性参数。 论文在小梁蠕变试验的基础上，用大型有限元软件进行了小粱蠕变试验的数值模拟，通过模拟数据和实际 试验数据的对比，说明可以用有限元软件进行沥青混合料的非线性分析。 论文选用三参量固体模型，结合时温等效原理及线性叠加原理，推导出温度应力的计算公式。在设 定恒定降温速率情况下，用该公式计算出降温过程中三种材料的温度应力；公式计算结果与约束试件温度 应力试验的试验结果对比表明，该方法可以用来计算沥青混合料低温时的温度应力。 论文在考虑钢板和材料完全粘结及设定降温速率的情况下，计算出材料的温度应力，得出在考虑钢板 温缩系数的情况下，三种材料的温度应力比不考虑钢板时要降低很多：三种材料相比而言，环氧沥青混凝 土具有较好的低温性能。 关键词：钢桥面铺装低温性能有限元温度应力 a b s t r a c t a b s t r a c t s t o n em a s t i ca s p h a l t , m a s t i ca s p h a l ta n de p o x ya s p h a l tm i x t u r e sa r eo ft h em o s tc o m m o n l yu s e db r i d g ed e c k p a v i n gm a t e r i a l si nc h i n a mp a p e rf o c u s e do nl o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo ft h et h r e et y p e so fm a t e r i a l ， w h i c hh a sb e a ns t u d i e dt oo n l yal i m i t e de x t e n t ai n s i g h t f u lr e s e a r c hi n t ot h em e c h a n i s ma n dp a r a m e t e r sr e l a t e d t ol o wt e m p e r a t u r ec r a c k i n go f t h et h r e et y p e so f m i x t u r e sa sw e l la st h el o wt e m p e r a t u r er o a dp e r f o r m a n c ew a s a i m e d r e s e a r c hw a sp e r f o r m e db ys m a l ls c a l eb e a ml o w - t e m p e r a t u r ec r e e pa n db e n dt e s tt o g e t h e rw i t ht h e r m a ls t r e s s r e s t r a i n e ds p e c i m e nt e n s i l et e s t ( t s r s 1 3o i lt h et h r e et y p e so fm a t e r i a l s r e s u l t ss h o w e dt h a tc r e e pr a t e sc o u l d h a r d l yd i s t i n g u i s ht h e i rl o w - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，w h i l et h er u p t u r ee n e r g yp e ru n i tv o l u m ec o m p u t e df r o m b e n dt e s ta n dt h et s r s tt e s tc o u l dw e l ld i s t i n g u i s hi t m o r e o v e r ，t s r s tt e s tc o u l dv e r i f yt h eo t h e rt w ot e s t s t of u r t h e r a n a l y z et h e i rl o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，l e v e n b e r g - m a r q u a r d t a n du n i v e r s a lg l o b a l o p t i m i z a t i o nw e r eu s e df o rp a r a m e t e ri m i t a t i n ga n a l y s i so nt h et e s td a t ao ft h em a t e r i a l s t h ev i s c o e l a s t i c p a r a m e t e r so f t h r e ep a r a m e t e r ss o l i dm o d e la n ds e t u pp a r a m e t e r sf o rf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n gw e r ed r a w n ，h e r e b y t h i sp a p e ra l s os i m u l a t e dt h ec r e e pt e s tp r o c e s so f s m a l ls c a l eb e a mb yl a r g es c a l ef i n i t ee l e m e n tp r o c e d u r e b y c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dp r a c t i c a lt e s td a t a , i ti sv e r i f i e dt h a tf h i 沁e l e m e n tp r o c e d u r ei sw e l l a p p l i c a b l ef o rn o n l i n e a ra n a l y s i so na s p h a l tm i x t u r e s m o r e o v e r t h e r m a ls t r e s sf o r m u l aw a s 出a w nb a s e do nt h r e ep a r a m e t e r ss o l i dm o d e la n da p p r o a c h e so f t i m e - t e m p e r a t u r ee q u i v a l e n c ea n dl i n e a rs u p e r p o s i t i o n t h e r e b y , t h e r m a ls t r e s so f t h et h r e ek i n d so f m i x t u r ew a s c a l c u l a t e do nt h ec o n d i t i o nt h a tt h et e m p e r a t u r ed e c r e a s e di naf i x e dr a t e t h r o u g hc o m p a r i n gt h ec a l c u l a t e ds t r e s s a n dt h er e s u l t so ft s r s tt e s t ，t h i sa p p r o a c hi sw e l la p p l i c a b l ef o rc o m p u t i n gl o wt e m p e r a t u r et h e r m a ls t r e s so f a s p h a l tm i x t u r e s i nt h i sp a p e r t h e r m a ls t r e s sw a sc a l c u l a t e du n d e rt h ea s s u m p t i o no f e o n s t a n td e c r e a s i n gr a t eo f t e m p e r a t u r ea n d 如i i b o n db e t w e e ns t e e ld e c ka n dt h em i x t u r e i ts h o w st h a tw h e nt h et e m p e r a t u r es h r i n k a g et o e m c i e n to f t h es t e e l d e c ki si g n o r e d ，t h et h e r m a ls t r e s sw i l lb em u c hm o r ee x a g g e r a t e d i ng e n e r a l ，e p o x ya s p h a l ti st h eb e s ti nl o w t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo f t h et h r e ek i n d so f m i x t u r e s k e yw o r d s ：s t e e lb d d g ed e c kp a v i n gl o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e f i n i t ee l e m e n tt h e r m a ls t r e s s l i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 磴l 。哼 ， 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名懈：导师签名：担弪一日 第一章绪言 1 1 问题的提出 第一章绪言 由于钢桥面铺装所处位置及其受力的特殊性，其设计及施工思想和一般沥青路面及混凝土桥面铺装有 着很大差异。我国目前还没有钢桥面铺装相关的技术规程和规范，普通沥青路面设计指标、方法和规范不 适用于钢桥面铺装。尽管国内在工程实践中运用了多种铺装方案，但都还处在探索和改进阶段。 世界各国的钢桥面铺装基本上采用沥青混合料体系。沥青混合料体系具有行驶性能良好、重量轻等优 点，因此适合于大跨径桥梁桥面铺装。从选用的材料和施工方法角度出发，可以把目前国内外桥面铺装方 案分为以下四大类”j ： ( 1 ) 以德国、日本为代表的高温拌和浇注式沥青混合料( g u s s a s p h a l t ) 方案； ( 2 ) 以英国为代表的沥青玛蹄脂混合料( m a s t i ca s p h a l t ) 方案( 实际上也是浇注式沥青混合料，只是 铺装厚度和工艺与日本有所不同) ； ( 3 ) 德国和日本等国采用的改性沥青s m a 方案( s t o n em a s t i c a s p h a l t ) ； ( 4 ) 以美国为代表的环氧树脂沥青( e p o x ya s p h a l t ) 混合料方案。 我国从八十年代开始修建正交异性钢桥面板桥梁，对钢桥面铺装技术的研究也始于这一时期。目前我 国已建成并投入使用的大跨径正交异型钢箱梁约有十座，除少数几座桥梁铺装的运营状况良好外，大部分 的桥面铺装在建成不久即出现高温车辙、横向推挤、开裂等病害，个别桥梁的铺面甚至已经面临第二次大 修的局面。表1 1 列出了国内外部分桥的桥面铺装产生的病害。 表l ，1 国内外部分桥梁钢桥面铺装层破坏失效情况 桥梁名称建成年代主梁类型铺装类型主要破坏形式 江阴大桥 1 9 9 9钢箱梁 5 0 r a m 沥青马蹄脂开裂、车辙 武汉白沙洲大 2 0 0 0 钢箱梁3 0 m m s m a l 3 ( 上层)裂缝、车辙、粘结 桥+ 5 0 m m s m a l 3 ( 下层)层失效 h a l e g a t e 桥钢桁架梁5 0 m m 环氧混凝土开裂、车辙、脱层 实践证明，大跨径钢箱梁桥面铺装的病害类型比较集中，主要表现为车辙、裂缝与脱层。其中，裂缝 的产生对桥面产生的影响很大，裂缝不仅影响到桥面的路用性能，而且对钢桥面板也有不利影响。钢材的 最大弱点就是遇水会生锈，而桥面铺装裂缝的产生，会使雨水进入铺装层底部，破坏钢桥面板的防腐涂装 层，进而会使钢板锈蚀。因此，在钢桥面的铺装层中，必须控制裂缝的产生及发展。 经过调查发现，桥面铺装材料的开裂通常在低温季节出现或迅速的发展，铺装材料的开裂和材料本身 的低温抗裂性能有很大关系。开裂是铺装的主要病害之一【2 】，在进行铺装材料的试验研究时，就应该从多 方面探究材料的低温性能。分析我国长江下游几座桥梁的铺装材料的试验研究i l j 3 1 1 4 ( 表1 - 2 、表l 一3 ，表 l _ 4 ) ，可以发现对于铺装材料的低温抗裂性能进行的研究相对较少，而且控制指标相对较单一。对于低温 抗裂性能，我国多是以低温极限弯曲应变及混合料低温极限弯曲劲度控制。结台我国目前桥面铺装所出现 的裂缝病害，所选用的铺装材料的低温抗裂指标能否真实的反映了材料的低温性能，这一点值得思考。 表l - 2 长江三桥环氧沥青铺装低温指标 术指标f 实验条件| 技术要求 合料低温极限弯曲强度( m 口a ) t - 1 5 c ，l m m m i ni 1 0 0 0 合料低温极限弯曲应变( 1 0 。)k 1 5 c ，l m m m i ni 2 0 表1 3 江阴桥浇筑沥青混合料低温设计指标 l 指标项目试验条件单位技术要求试验方法 l 极限弯曲应变 1 5 ，l r a m r a i nl 1 0 - 3 2j t j 0 5 2 - 2 0 0 0 东南大学硕士学位论文 表l _ 4 海沧大桥s m a 混合料技术要求 i 技术指标 技术要求试验方法 l 极限弯曲应变( - 1 0 ( 2 ，1 m m m i n ) l o 一3 5 0t 0 7 1 5 1 9 9 3 钢桥面板的导热系数要比其它的土工材料大得多，钢桥面沥青混凝土铺装在全年极端低温环境下较一 般沥青混凝土更易受大气温度的影响。文献川在1 1 月份曾对一个试验桥的钢桥面铺装结构层进行了全天候 的测试。测试表明： ( 1 ) 铺装层表面温度和气温的相关性很大，由于辐射的影响，铺装层白天表面温度比气温高；由于 湿度、风力等因素的影响，夜间铺装层表面温度比气温低。 ( 2 ) 铺装层底面温度和气温的线形很相似，由于钢箱梁内空气的保温作用，铺装层底面温度波动较 气温有一个较明显滞后现象。 应该说，由于环境及桥面结构的特殊性，桥面铺装材料对低温抗裂性能的要求，要比路面的铺装材料 对低温性抗裂性能要求高。本文正是基于此点，在查阅目前国内外对沥青混合料低温抗裂性能的研究的基 础上，根据我国目前的国情，选用一些适合我国国情的试验方法，来对目前我国常用的三种铺装材料( s m a 、 浇注和环氧沥青混凝土) ，进行一些低温抗裂性能的研究，期望为我国以后的钢桥面铺装提供一些有益的 参考。 1 2 国内外研究状况 沥青路面的开裂是路面的主要病害之一，因而是各国道路界普遍关心的问题。但沥青路面的裂缝成因 往往是很复杂的，资料”惨照美国l t p p 的沥青路面损坏鉴别手册对裂缝的分类作了初步的规定，分为龟 裂、块裂、单根裂缝及边缘裂缝( 啃边) ，并将单根裂缝分成横向裂缝、纵向裂缝、接头裂缝、施工裂缝、 水泥板接缝的反射缝等。其中横向裂缝主要是沥青路面的温度收缩裂缝，简称温缩裂缝( t h e r m a lc r a c k ) 。 文献1 6 1 认为沥青路面开裂可以分为两类裂缝。一类是荷载型裂缝，这类裂缝是由于结构层本身强度不 足，不适应日益增长的交通量及荷载作用而产生的开裂，最初一般表现为纵向开裂，然后发展为网裂，这 一类裂缝在我国并不是主要的。另一类裂缝是非荷载性的温度裂缝，这类裂缝在我国普遍存在，并引起了 普遍的关注，这类裂缝与沥青及沥青混合料的抗裂性能密切相关。 温度裂缝破坏了沥青路面的整体性及连续性。在路面上，水分通过裂缝渗入基层，浸蚀路基，导致路 面承载力下降，还为冻融提供了条件；在桥面上，会使雨水进入铺装层底部，破坏钢桥面板的防腐涂装层， 进而会使钢板锈蚀。 由于我国地域辽阔，南北方温度差别大，有一半以上地区沥青路面要受到温度裂缝的危害，因此为了 减少或消除低温裂缝，提高路面的质量，深入地开展沥青混合料低温缩裂的研究就显得十分必要。 在对混合料的低温抗裂性研究中，国内外的试验方法有多种，主要包括：等应变加载的破坏试验( 间 接拉伸试验、弯曲、压缩试验) 、直接拉伸试验、弯曲拉伸蠕变试验、受限试件温度应力试验、三点弯曲 j 积分试验、收缩系数试验、应力松弛试验等。 沥青混合料的弯曲蠕变试验是一种简单而又非常有意义的试验。在s h r p 沥青结合料标准指标中，采 用了粱的弯曲蠕变试验评价沥青的低温性能。为研究沥青混合料的低温性能，采用沥青混合料粱的弯曲蠕 变试验来评价低温抗裂性能，其意义是相同的。用弯曲蠕变试验的应变速率去评价混合料的低温抗裂性是 可行的，所提出的试验方法、设备、施工单位易接受“1 。 近年来断裂力学在道路工程中的应用越来越广泛。美国s h r p 计划在沥青低温性能研究报告中， 首次将弹塑性断裂力学中断裂的断裂判据j 积分作为沥青混合料的低温抗裂性能的评价指标之一a 但是该 试验的技术难度大，尤其是试件的刻槽和试验过程中的裂缝开裂率的控制，在实际试验操作过程中很难控 制【6 】。 从模拟路面实际使用状况来看，约束试件温度应力试验和收缩系数试验能够模拟沥青路面温缩裂缝的 受力过程，反映了实际路面温度的变化，能比较全面反映出各种因素对沥青混合料低温性能影响。其余试 验可提供沥青混凝土试件的低温应力应变特性和加载过程中试件破坏时拉伸强度、应变或提供能量释放率 2 第一章绪言 断裂力学指标，但这些指标只是降温过程中混合料响应的间接指标。 从以上所述可以看出，国内外用于评价沥青混合料低温抗裂性能的试验方法多种多样，各有特点，目 前比较看好的试验方法当推美国公路战略研究计划提出的约束试件温度应力试验。但选择一种试验方法作 为沥青混合料低温抗裂性能的评价方法，应该在有技术先进性的同时，还要符合本国的实际情况。国外一 些先进的方法，尽管具有很好的效果，但在我国生产力及试验水平低的情况下，短时间尚不能推广应用， 因此，我国应该具有一种操作简便同时又能较好反映沥青混合料低温抗裂性的评价方法。 1 3 本研究的主要内容及技术路线 本论文在我国已经建成的大跨径桥梁铺装材料试验研究的基础上，针对我国对铺装材料的低温抗裂性 能研究较少的情况，有目的的查阅了国内外对沥青混合料的低温研究的试验方法，从中选出适合我国国情 的试验方法，对我国桥面铺装常用的三种材料，s m a 、浇注和环氧沥青混凝土，进行低温抗裂性能的研究， 期望对我国常用桥面铺装材料的低温性能有更进一步的了解。具体来讲，本文所采用的技术路线及研究内 容如下： ( 1 ) 查阅国内外资料，分析沥青混合料开裂的机理。 ( 2 ) 根据桥面铺装的特点，选择优质的集料，矿粉、沥青等原材料，确定本文研究所用的矿料级配 和沥青用量，完成三种混合料的配合比设计。 ( 3 ) 沥青混合料的低温变形能力对其低温性能影响很大。选择小梁低温蠕变试验，研究材料的低温 变形能力，选择合适的粘弹性模型对试验数据进行拟合，求出材料的粘弹性技术参数。 ( 4 ) 用大型有限元软件进行小梁弯曲蠕变的试验数值模拟，通过模拟结果和试验结果的比较，验证 用有限元分析软件中的非线性分析功能模块进行铺装材料的分析的可行性。 ( 5 ) 材料的低温性能既和低温变形能力有关，又和低温时的温度荷载有关。单一的荷载指标或变形 指标无法真实的反映材料的低温性能。本论文对材料做低温弯曲试验，利用弯曲的应力一应变曲线，求出 材料的低温破坏能，利用单位体积破坏能指标对材料的低温性能进行研究。 ( 6 ) 约束温度应力试验能够真实的反映材料在降温过程中的实际受力情况。本文选取三种铺装材料 进行约束温度应力试验，研究材料的低温性能；同时，通过约束温度应力试验的试验结果，可以对低温蠕 变及低温弯曲的试验结果进行验证。 ( 7 ) 选用三参量固体模型，利用材料的粘弹性参数，结合时- 温等效原理及线性叠加原理，推导出温 度应力的计算公式。 东南大学硕士学位论文 第二章低温开裂机理 2 1 沥青混合料低温开裂机理 沥青路面直接受到环境温度及其变化的影响，在温度下降的过程中，沥青混合料会产生收缩，由于路 面在纵向无限长，使得纵向的温度收缩无法实现，从而导致路面结构中温度收缩应力的产生。当温度较高、 降温速率较慢时，沥青混合料将产生应力松弛，使路面内的温度收缩应力可以释放出来。当温度较低、降 温速率较快时，沥青混合料的粘性下降、弹性上升，路面中的温度收缩应力因为来不及松弛而产生累积效 应，并伴随能量的储存。当积蓄到一定程度时，能量便通过路表或路面结构的薄弱部位以开裂的方式释放 出来，这便是沥青路面低温开裂的主要原因。 2 1 1 严冬期温度骤降出现的横向收缩裂缝 温缩裂缝往往并不发生在当地的极端温度条件下，而经常大量发生在寒流到来的时间里1 7 1 。当出现寒 流时，过快的降温速率将使路面内的应力来不及松弛，出现过大的应力积累。与此同时，由于温度降低， 沥青混合料的应力松弛模量逐渐增大，应力松弛性能降低，也导致应力积累过大，在温度应力积累到超过 沥青混合料的极限抗拉强度时，路面就将出现裂缝，以便将应力释放出去。 由于降温来自于冷气流，路表温度肯定低于路面内部温度，温缩裂缝当然是从表面开始。另外，接近 表面的沥青比内部沥育更易老化，沥青混合料的极限拉应变变小，应力松弛性能差，也是路面表面容易产 生裂缝的一个重要因素。 路面开裂以后，温度继续下降便有了自由收缩的可能，此时裂缝宽度将会增加。但是由于沥青层层间 有联结，实际上收缩不是自由的。以后随着使用年限的增加，沥青混合料的劲度模量也同时增加，所以还 会产生新的裂缝，从而裂缝问距缩短，裂缝不断加宽，开裂越来越严重“。 2 1 2 温度疲劳裂缝 产生低温裂缝的沥青混凝层，春天气温回升时裂缝弥合，到了冬天，沥青混凝土层再次出现收缩， 若层间摩擦力小，在实际收缩时，裂缝就变宽了；若层间摩擦力大，沥青混凝土就不会收缩了，新的裂缝 便会产生，裂缝数量也将增加。这是由于温度疲劳循环的作用所造成的。除了温度疲劳作用年循环以外， 温度的日循环、短时间内的温度循环、冷热交替，都能在混合料内部出现疲劳损坏现象。 即使是并没有发生开裂的路面，温度的反复升降循环产生的温度应力作用，同样会使路面开裂。由于 温度应力的疲劳作用使沥青混合料的极限拉伸应变或劲度模量变小，又加上沥青老化使沥青劲度提高，应 力松弛性能下降，故温度疲劳裂缝可能在比一次性降温开裂温度高的温度下开裂，所以温度疲劳裂缝可能 发生在冬季最低气温并不太低的地区，同时裂缝随着路龄增加而不断增加”。 2 2 沥青混合料低温开裂影响因素 文献t 8 1 概括了影响沥青混合料的低温性能的因素，认为影响沥青路面低温开裂的因素主要有材料特性、 环境、路面结构等三个方面，每一方面又包括了很多因素。 第二章低温开裂机理 2 2 1 材料特性的影响 表2 - 1 沥青混合料低温影响因素 影响因素因素变化对低温开裂趋势的影响 沥青粘度 低一) 高 增加 集料类型 耐磨性增强冻融损失低 减小 材料特性吸水性低 沥青用量增大基本不变 空隙率增大一般增加 温度 降低增加 环境降温速率增大增加 老化路龄增加增加 路面宽度增加减小 路面结构路面厚度增加减小 路面类型 砂土一 粘土 减小 ( 1 ) 沥青性质。沥青粘结料的温度劲度曲线是影响沥青混合料低温开裂最重要的一个因素，其中，沥 青粘结料在低温下的劲度和温度敏感性最为重要。高针入度的沥青结合料将随温度降低产生劲度的缓慢增 加，这有助于沥青混合料的低温抗开裂性能。 ( 2 ) 集料类型。耐磨、冻融损失低和吸水性低的集料在低温下的强度几乎不变，因而具有较好的抗开 裂性能。 ( 3 ) 沥青含量。尽管增加沥青用量可以增大温缩系数，但同时也降低沥青混合料的劲度，两者的作用 基本抵消。因此，沥青含量在马歇尔试验最佳用量范围内的变化不会对沥青混合料的低温开裂性能产生很 大影响。 ( 4 ) 空隙率。温度应力试验结果表明，空隙率越小破坏温度越低，但总体差别不大。不过破坏时的温 度应力则相差很大，空隙率越小温度应力越大。 由上可知，理想的抗低温开裂的材料应具有的特点是：沥青粘度较低、温度敏感性较弱、集料耐磨、 冻融损失低、吸水性低、沥青含量在最佳用量附近、空隙率较小。 2 2 2 环境的影响 ( 1 ) 温度。路表面的温度与周围的大气温度、风速、太阳辐射等因素有关，对于给定的沥青路面而 言，路表面温度越低，则开裂的可能性越大，大多数沥青路面的低温开裂是在路表面温度降到低于玻璃化 温度以下并持续一段时间后产生的。 ( 2 ) 降温速率。降温速率越大，所产生的温度应力越大，路面开裂的趋势越明显。 ( 3 ) 老化。由于沥青路面老化后沥青劲度增大，所以路龄越大则温度开裂的可能性越大。 总之，位于冬季温度较高、降温速率较慢地区的新建沥青路面产生低温开裂的可能性较小。 2 2 3 路面结构的影响 ( 1 ) 路面宽度。现场调查结果表明，较窄的路面要比较宽的路面开裂间距短。 ( 2 ) 路面厚度。沥青面层越厚，温度裂缝产生的可能性越小。 ( 3 ) 路基类型。砂土路基上的沥青路面低温收缩开裂率通常比在粘土路基上的路面开裂率大。 ( 4 ) 施工裂缝。高温时用钢轮碾压低劲度沥青层会在面层内产生横向裂缝，以后可能在这些裂缝处 开裂，裂缝间距通常小于一个车道的宽度。 东南大学硕士学位论文 总结以上各因素，路面较宽、沥青层较厚、粘土地基及正确施工的沥青路面低温开裂的可能性要小些- 2 3 现有的沥青混合料低温研究模型 现有的沥青路面低温开裂模型可分为经验型和力学型两种模型。为人们所熟悉的经验模型主要有 f o r m m 和p h a a g 模。力学经验型模型主要有h i l l s 和b r i e n 断裂温度预测方法和s h r p a - 0 0 5 模型嘲删。 2 3 1f r o m m 和p h a n g 经验模型 路席 ，_ 。 。 ， 。 ，t 。 ， 。， 。 ，十 ， - i ，。+ + 。，。“。冀声，。1 。 十。， 图2 - 1 开裂指数的定义( f r o m m 和p h a n g ) 1 9 7 2 年，f r o m m 和p h a n g 基于加拿大安大略省3 3 个路段的试验项目提出了预测开裂指数指标，如图 2 - i 所示，用以表示两车道路面每1 5 0 m 的横向开裂数，如式( 2 - 1 ) 所示。 1 = n 。+ nt + 0 5 n h 式中：卜开裂指数； 埘路面每1 5 0 m 的多点开裂发生数； ，此处表示路面每1 5 0 m 贯穿裂缝的发生数； 一路面每1 5 0 m 半幅开裂的发生数。 f r o m m 和p h a n g 由室内试验和现场调查得出的开裂指数的最终回归方程如下： i = 5 2 2 2 x x + 0 0 0 0 7 0 9 3 x 2 + o 4 5 2 9 而一1 3 4 8 x 4 + o 4 6 8 7 弓- 0 0 7 9 0 3 x 6 0 4 8 8 7 x 7 一o 1 2 5 8 黾一o 1 9 6 1 托 f r o m m 和p h a n g 又根据加拿大气候的差异分别得出了北方模型和南方模型： 北方模型( 沥青针入度 1 1 0 m m ) ： 1 = 3 0 3 0 五+ o 0 0 6 0 2 x z + 0 5 2 5 3 为一1 2 8 0 x 4 + o 5 1 9 0 为 6 d 幻 江 江 第二章低温开裂机理 - 0 0 2 5 6 3 x 6 - 0 0 8 4 4 x 7 1 4 9 6 矗一o 2 2 5 x 9 + 3 1 0 4 3 x i o + 0 0 9 7 五l ( 2 3 ) 南方模型( 沥青针入度 0 ，则有：仃= 巩，o r = 0 ，故式( 3 1 2 ) 可以改写为 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) q 0 6 + q s = o r o ( 3 1 3 ) 在三参量固体模型中，当r - - o + o 时，弹簧1 虽因阻尼器的限制而不能发生瞬时变形，但弹簧2 可产生 瞬时变形，其值为： 删= 詈 对式( 3 1 3 ) 施加拉氏变换，并注意下列拉氏变换的微分性质和初始条件 l f ( t ) = s - ( s ) 一f ( o ) 邓) = 詈 则可得： 拈帆p 朗丑s 1 2 ( 3 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 第三章试验方法和数据分析方法 q ；韭 ”e l + e 2 墅：旦：上 q 1f d 代入式( 3 1 7 ) ，则有： 占( s ) = c r o l e 2s + 土 气 e l + e 2 。r i e ：“。+ 与 f d 。 噌警+ 訾岛斟 e 2 咭 枇z r 、s + 士7 告5 i 鱼ei+鱼盟fd(1一ei)=e2 r i l e 2 “、 。 即 可得三参量固体模型蠕变函数： j ( t ) = 1 e ：+ 击”e i ) 3 2 1 3 三参量固体模型应力松弛关系 在常应变占= 6 0 h ( t ) 作用下，当t 0 时，则有占= 0 ，因而式( 3 1 2 ) 可改写为下式 盯+ p j 盯2 q o 岛 对上式施加拉氏变换，并注意下述初始条件盯( o ) = e ：岛，则可得： ( 3 1 8 ) ( 3 ，1 9 ) ( 3 - 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) 上q 山胁。抄。o 一音 0 l + 1、： 音 一土e 斗 纽如。饼 _ | q e o 一e + 一如 = s 东南大学硕士学位论文 孑( s ) + p - 【s ) - e 2 知】= 孚 - ( s ) 2 磊q 。o + e o + 焉e 2 6 0 一褂一。， 则有： l - 1 1 il t l - r 1 8 + i j 上 盯= q o e o ( 1 一e 九) + e 2 氏e n 把下式代入式( 3 - 2 3 ) ： 栌器 并整理可得三参量固体模型松弛函数： ，= 纠t 一彘 矗， 岛 i e i + e 2 i 舯- p l2 矗 3 2 2 模型参数的识别 ( 3 - 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) ( 3 2 4 ) 由式( 3 - 2 0 ) ，三参量固体模型的蠕变方程是非线性方程，如何确定出方程参数是粘弹性分析的关键， 也是一个难点。随着计算机技术的发展，有许多数学软件可以用来方程的参数估计。在非线性曲线拟合、 参数优化方面，应用较广的有o r i g i n p r o 、m a t l a b 等，这些软件均需用户提供适当的参数初始值以便计算能 够收敛并找到最优解，如果设定的参数初始值不当则计算难以收敛，其结果是无法求得正确结果，而在实 际应用中，给出恰当的初始值是件相当困难的事。 i s t o p t 是七维高科有限公司( 7 d s o f th i g ht e c h n o l o g yi n c ) 开发的一套数学优化分析综合工具软件包。 i s t o p t 软件凭借自己革命性的算法理论，在非线性拟合、参数估算等优化领域处于优势地位，对于一般的 拟合问题，它无需给出参数的初始值即可得到理想的拟合参数。i s t o p t 是目前唯一不依赖使用n i s t ( n t s t ： n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 提供的初始值，而能以任意随机初始值就可求得全部最优解 的软件包”7 1 本文即用i s t o p t 软件中的【麦夸特法+ 通用全局优化算法】进行模型的参数识别。 1 4 第三章试验方法和数据分析方法 ( 1 ) 麦夸特法( l e v e n b e r g m a r q u a r d t ) ”1 l m 法实际上是n e w t o n 法的一种改进，l - m 方法的原理如下： 设y 与自变量x 以及参数口= ( 吼，广之间具有函数关系) ，= y ( 墨口) ， ，只) ( f = l ，月) 是 ( 五y ) 的几对观测值，上是m = l ，2 , o e o ，m ) 的一个子集，参数吼( k e m 一上) 已知，求参数q ，k e l ， 使 = 射鼍爿 s ， 达到最小，其中q 为第f 个点“，m ) ( ，= l ，打) 上测量误差的标准差。 这个问题等价于求解非线性方程： 乳2(口)=o(3-26) 这里v 表示梯度算子，解方程( 3 - 2 6 ) 时，n e w t o n 方法的处理是给口一个初值口( o ) ， 口o + ) = 口k + n o ) v 2 2 2 ( ) 血一v z 2 ( 叫( 3 - 2 7 ) 而求解原问题的最速下降法是： 蒯= - 2 ( 叫 ( 3 - 2 8 ， 对固定的k ，记： 【口】= 导v 2 2 2 ( ，) 渊= 一寻v 2 2 2 ( a ) 口= 口( ) 则式( 3 - 2 7 ) 和( 3 - 2 8 ) 有： m血=(3-29) 一 a a = ( 3 3 0 ) 结合式( 3 - 2 9 ) 和( 3 - 3 0 ) ，可以得l - m 法： (a+21)aa=fl(3-31) 计算中把式( 3 - 3 1 ) 改写为； (a+2d)aa=fl(3-32) 其中d = d i a g ( a l i ，a z 2 , o 。，a 一) 。由 东南大学硕士学位论文 篓：之窆区巡趔型型，j = l ，叫o 8 a 鼍o ?a | 。 豢o a 毛利掣o a 掣o a _ 【y ，叫邵a ) 】掣o a o al ，a ，智l ， ， 一 ，i 毗铲喜专i 掣掣卜，m ( 2 ) 通用全局最优法 l s t o p t 软件计算核心是通用全局优化算法( u n i v e r s a lg l o b a lo p t i m i z a t i o n u g o ) ，该算法之最大特点 是克服了当今世界上在优化计算领域中使用迭代法必须给出合适初始值的难题，即用户使用时勿需给出参 数初始值，而由i s t o p t 随机给出，通过其独特的全局优化算法，最终找出最优解。 ( 3 ) 【麦夸特法+ 通用全局优化算法】 为了对该算法进行说明，本文选用0 时环氧沥青混合料的小梁的蠕变试验数据进行分析，图3 - 2 是 环氧沥青混凝土o c 时三参量固体模型粘弹性参数拟合结果。 迭代数t 8 计筻用时时：分秒微秒) ：0 0 ；0 0 ：4 5 ：2 6 6 优化篁法麦夸特法正n b e r f m 盯驴缸d t + 通用全局优化法 计篁结秉原因达蛩敝敛判断标准 均方差o m s e ) 00 0 0 1 5 9 6 7 3 7 9 2 1 5 5 1 3 残差平方和c s s e ) ：30 3 3 9 9 0 6 6 8 2 4 2 7 5 - 6 相关系数，o9 6 8 7 3 6 7 8 7 6 5 1 ：? 9 2 相关系数之平方啦2 ) ：0 8 4 5 0 3 7 4 8 斜5 决定系数曲c ) ：09 3 8 4 5 0 9 5 0 8 8 8 7 7 i 卡方系数( c h i s q u r e ) ：00 0 0 1 8 4 5 4 4 2 8 4 7 3 3 0 6 4 f 统计理- s t a t i z t i c ) ：1 7 8 39 2 3 3 4 7 0 8 1 5 5 参数最佳估麓 图3 - 2o 时环氧沥青混合料粘弹性参数拟合结果 由计算结果图，非线性拟合方法的相关系数9 6 8 7 ，可以认为用拟合方法求得的参数具有较高准确性。 3 3 本章小结 ( 1 ) 本章提出了本论文的研究方案，确定由弯曲蠕变，低温弯曲、约束温度应力试验进行混合料的 低温研究，同时利用大型有限元软件进行蠕变的数值分析，采用数值计算的方法进行温度应力计算。 ( 2 ) 本章提出试验数据的处理方案。本文选用三参量固体模型做为材料的粘弹性模型，推算出沥青 混合料的蠕变方程；本文提出了用【麦夸特法+ 通用全局优化算法】进行试验数据的参数拟合分析，该方 法最大的优点是不用给出拟合参数的初值，即可进行精度较高的非线性方程的回归。 1 6 第四章原材料选取和配合比设计 4 1 原材料技术指标 4 1 1 沥青技术指标 第四章原材料选取和配合比设计 ( 1 ) s m a 用沥青 s m a 是一种由集料骨架和填充在骨架内的沥青玛蹄脂所组成的断级配沥青混合料，粗集料含量多、 矿粉含量多、沥青含量高是s m a 混合料的特点，较多的粗集料相互嵌挤构成了混合料的骨架，使混合料 具有优良的高温抗变形能力；沥青及矿粉并有适量纤维的沥青玛蹄脂填充与粗集料骨架中，赋予混合料良 好的抗裂性、密水性及耐久性。可见使用性能优良的沥青对提高s m a 混合料中沥青玛蹄脂的粘结力有着 重要作用，因此s m a 选用改性沥青要符合一定的要求。本研究采用s b s 改性沥青，试验标准和试验结果 如表4 1 。 表4 - 1s m a 用改性沥青的性能和要求 指标结果要求试验方法 针入度( 0 1 m 、2 5 ) 5 35 0 - 7 0 j t j 0 5 2 2 0 0 0 ( t 0 6 0 4 - 2 0 0 0 ) 软化点( r b ) 8 07 0 j t j 0 5 2 2 0 0 0 ( t 0 6 0 6 2 0 0 0 ) 粘度( 1 3 5 ) p a s i 6 t 3 0 5 2 2 0 0 0 ( t 0 6 2 5 2 0 0 0 ) 质量损失r t f o t 0 0 4 51 0 i t 3 0 5 2 2 0 0 0 ( t 0 6 1 0 1 9 9 3 ) 1 0 弹性恢复 8 16 5 j t j 0 5 2 2 0 0 0 ( t 0 6 6 2 2 0 0 0 ) ( 2 ) v i a 用沥青 湖沥青( t l a ) 是使用最广泛的且最为人熟知的一种天然沥青，最著名的是产于特立尼达的湖沥青。 特立尼达湖沥青有限公司的研究认为。t l a 是一种凝胶结构而非溶胶结构，具有相对较高的表面张力，其 特有的胶体结构使其很容易与普通石油沥青混合，从而降低了普通石油沥青的温度敏感性。且t l a 中含 有3 6 3 7 的灰份，这是t l a 与普通沥青的一个重要的区别。因此在进行浇注式沥青混凝土配合比设计 时，需要考虑t l a 中灰份对混合料的影响”。 由于t l a 具有极低的温度敏感性与较强的耐久性能，因此为弥补浇注沥青混凝土的高温性能不足的 弱点，被大量应用于浇注式沥青混凝土中。英国为了提高浇注的高温性能，沥青胶结料采用t l a 掺配一 定比例的6 0 。7 0 4 普通石油沥青拌制而成，t l a 掺配比例高达5 0 7 0 ；德国浇注式沥青混凝土湖沥 青的掺加比例为1 5 3 5 ，当前一般考虑采用复合改性的方式不再掺加湖沥青；日本浇注式沥青混凝土则 使用直馏硬质( 普通2 0 。4 0 。) 沥青( 占7 0 - - 7 5 )