（道路与铁道工程专业论文）沥青路面沥青稳定透水层材料疲劳特性分析研究.pdf

摘要 摘要 近几年 越来越多的路面水损害使人们认识到设置路面排水系统的重要性 与此同时 沥青稳定基层有因其良好的稳定性和抗疲劳性能成为长寿命路面基 层结构的首选 因此沥青稳定透水基层材料 a t p b 越来越多的被人们所关注 然而由于a t p b 材料较大的设计空隙率 般大于1 5 使其抗疲劳性能不佳 如何解决由于大空隙率带来的抗疲劳性能下降 在透水性能和抗疲劳性能之间 找到平衡点 是目前需要解决的问题 因此有必要研究影响沥青稳定透水基层 材料 a t p b 抗疲劳性能的因素 为此后在设计这类材料时提供一定参考 本文从沥青混合料的疲劳开裂机理出发 分析了影响a t p b 疲劳开裂的原 因 并提出相应的改善抗疲劳性能的措施 应用弹性层状体系理论和正交分析 法分析了影响a t p b 结构层力学影响的主要结构参数 提出了在结构组合设计中 应该避免的不利于抗疲劳性能的结构组合方式 采用室内疲劳试验研究了影响 a t p b 抗疲劳性能的因素 同时采用应变控制方式得出疲劳方程 此外对比几种 材料的抗疲劳方程 通过弹性层状体系理论与正交分析法得到影响a t p b 层底拉应力和拉应变 最主要的因素是a t p b 下承层模量 强基厚面 结构形式有助于防止沥青层的 开裂 经过室内疲劳试验 认为空隙率对a t p b 抗疲劳性能有一定的影响 对于 本文研究的a t p b 2 0 级配 4 7 5 m m 通过率建议取2 0 粉胶比越大 a t p b 的 抗疲劳性能越差 纤维有助于增强a t p b 抗疲劳性能 通过比较几种材料的疲劳 方程 得出相同设计寿命下 a t p b 的耐超载能力由于水泥处治透水层 c t p b 关键词 道路工程沥青路面沥青混合料沥青稳定透水基层疲劳特性结构组 合正交分析法级配 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s p e o p l er e a l i z et h ei m p o r t a n c eo fr o a dd r a i n a g es y s t e mb e c a u s e o fm o r ea n dm o r ew a t e rd a m a g e m e a n w h i l e t h eg r e a ts t a b i l i t ya n dg o o dc a p a b i l i t y o fr e s i s t i n go nf a t i g u em a k ea s p h a l t t r e a t e db a s et h ef i r s tp l a c ei nt h es t r u c t u r eo f l o n g l i f ep a v e m e n t t h e n m o r ea t t e n t i o n sa r ep a i dt oa s p h a l t t r e a t e dp e r m e a b l eb a s e a t p b a t p b h o w e v e r h a sap o o rf a t i g u e r e s i s tc h a r a c t e rb e c a u s eo fi t sh i g h a i r v o i d u s u a l l ym o r et h a n15 t h ep r o b l e mt h a tw ea r ef a c i n gn o wi sh o w t od e a l w i mt h eh i g hv o i da n dp o o rf a t i g u e r e s i s tc h a r a c t e ra n df i n dab a l a n c ep o i n tb e t w e e n t h e m s o i ti sn e c e s s a r yt os t u d yo nt h ei m p a c t so fa t p bf a t i g u e r e s i s tp e r f o r m a n c e a n di tw i l lb ear e f e r e n c et ot h ed e s i g nm e t h o do ft h i sk i n do fm a t e r i a l t h i sp a p e rs t u d i e st h em e c h a n i s mo ff a t i g u ec r a c k i n go fa s p h a l tm i x t u r ea n di t m a i n l yf o c u s e so na t p b a n ds o m em e a s u r e sa r es u g g e s t e dt oi m p r o v et h e f a t i g u e r e s i s tp e r f o r m a n c e t h ei m p a c t so fm a i np a v e m e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r so n m e c h a n i c sr e s p o n s eo fa t p ba r es t u d i e da c c o r d i n gt oe l a s t i c l a y e r e ds y s t e mt h e o r y a n do r t h o g o n a la n a l y s i sm e t h o d t h e n t h eu n w e l c o m ep a v e m e n ts t r u c t u r ew h i c h s h o u l db ea v o i d e di np a v e m e n td e s i g ni sp r o p o s e d l a bs t u d i e sa r et a k e nt or e s e a r c h t h ef a c t o r st h a ti m p a c tt h ea t p bf a t i g u e r e s i s tp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n t h ef a t i g u e e q u a t i o no fa t p bi sg o t t e nb ys t r a i n c o n t r o l l e df a t i g t i ee x p e r i m e n t m e a n w h i l e f a t i g u ee q u a t i o n so fs e v e r a lm a t e r i a l sa l ec o m p a r e d a c c o r d i n gt oe l a s t i c l a y e r e ds y s t e mt h e o r ya n do r t h o g o n a la n a l y s i sm e t h o d t h e k e yf a c t o rt h a ti n f l u e n c e st h es t r e s sa n ds t r a i no nt h eb o t t o mo fa t p bi sm o d u l eo f l a y e rb e l o wa t p b t h es t r u c t u r ew h i c hh a st h eg r e a ts t r e n g t hb a s ea n dt h i c kc o u r s e w i l lp r e v e n tf a t i g u ec r a c k i n g a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a i r v o i dh a se f f e c t so n a t p bf a t i g u e r e s i s tp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e ra t p b 一2 0i ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n ti ti sr e c o m m e n d e dt h a tt h e4 7 5 r a mp e r c e n t a g es h o u l db e2 0 t h el a r g e r f i l l e rt ob i t u m i n o u sr a t i oi st h ep o o rf a t i g u e r e s i s tp e r f o r m a n c ew i l lb ea n df i b e rh a v e s o m ep o s i t i v ee f f e c t so na t p bf a t i g u e r e s i s tp e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t hs e v e r a l f a t i g u ee q u t i o n a t p bh a sg r e a t e rc a p a c i t yo fr e s i s t e n c eo no v e r l o a dt h a nc e m e n t h a b s t r a c t t r e a t e dp e r m e a b l eb a s e c t p b w h e nt h e yh a v et h es a m ed e s i g nl i f e k e y w o r d s r o a d e n g i n e e r i n g a s p h a l t p a v e m e n t a s p h a l t m i x t u r e a s p h a l t t r e a t e d p e r m e a b l e b a s e f a t i g u ec h a r a c t e r p a v e m e n t s t r u c t u r e o r t h o g o n a la n a l y s i s g r a d a t i o n i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前 提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 学位论文作者签名 1 1 1 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 学位论文作者签名 i v 年月日 第l 章绪论 1 1 问题的背景 第1 章绪论 随着我国高等级公路的快速发展 交通量的不断增加 曾经成功指导着我国 公路建设多年的传统的半刚性基层沥青路面结构已经越来越不能适应现实的需 求 频繁的路面早期病害向我们提出了巨大的挑战 人们开始探索解决路面早期 病害的方法 一方面 采取措施减少半刚性基层的收缩裂缝 另一方面 许多专 家 1 3 1 开始呼吁道路结构形式的多样性以适应现有的道路交通量需求 以柔性基 层沥青路面 刚柔组合式基层沥青路面为代表的多种路面结构已经开始逐渐进入 道路研究者的视野 在各级公路部门的积极支持和帮助下 已经铺筑了多条试验 路 通过运营后的观测表明 这类路面的使用性能并不低于半刚性基层沥青路面 并且由于减少了裂缝 水损坏 坑槽等这些与半刚性基层有着重要关系的路面病 害 使得这类路面的使用性能优于半刚性基层 我国地域辽阔 不同地区的材料 气候 经济条件和交通特点差异很大 之所以要提倡路面结构的多元化 正是为 了适应这些复杂的情况变化 另外 路面结构在整个使用寿命期内会一直受到水的侵蚀 在各项水利工程 中 对水的处理一般采用两种方法 将水阻挡于工程结构体之外 或者是因势利 导地将水排出结构体 在传统的道路设计中一直采用前一种方法 即采用密级配 的路面结构和适宜的路面横坡 使水不能进入路面结构内部 从而达到防止自由 水侵蚀的目的 但是由于设计材料 设计 施工等因素 路面不可能做到不渗水 当沥青路面的孔隙率在7 以上时 路面就会开始渗水 路面上还存在各种接缝 当使用一段时间以后还会产生裂缝 水会沿着缝隙深入路面的内部 此时 如果 没有很好的措施把渗入路面内部的水及时 有效地排除 那么路面结构就会受到 渗入水的浸泡 再加上行车荷载作用产生的动水压力 使沥青混凝土路面的面层 和基层在使用寿命的早期就受到了严重的破坏 目前高等级公路的早期水损害已 经相当严重 由于水渗入路面的内部不可避免 设置有效的措施排出渗入路面结 构内部的水将是较好的选择 目前可以选用的路面排水层材料为 未处治的碎石 材料 水泥处治透水层材料 c t p b 沥青处治透水层材料 a t p b 在此背景下 人们又对沥青处治透水层材料 a t p b 产生了研究的热情 在 路面结构层中设置a t p b 层 不但可以符合路面结构应力分布特点 延长路面的 使用寿命 而且满足路面结构的排水功能要求 减轻外界水对路面结构的影响 在 白改黑 工程中 在沥青面层与水泥混凝土板之问设置a t p b 层 可以有效 第1 章绪论 地减缓由于水泥混凝土板间错台而引发的反射裂缝 近些年来 国际上比较流行的长寿命沥青路面理念 4 1 也称永久沥青路面 国外在6 0 年代以来修建了大量全厚式或深层高强沥青路面 全厚式路面是指沥 青路面层直接建筑在处治的或未处治的土基上 深层高强沥青路面则是直接铺筑 在粒料基层上 这类路面的特点是路面的总厚度小于传统上采用的沥青面层较薄 的路面结构的厚度 基本上消除了传统上普遍存在的疲劳损坏 路面损害只发生 在路面的上部 据此提出了长寿命路面的概念 典型的长寿命沥青路面概念图如 l l 所示 f 1 i1 0 0 到 高质量 功能性 表面层 1 5 0 l 1 m 沥青混凝七层 j j 高受力 区域 烹篓罢二釜孝辙 巾问层 沥肯 昆凝七层 6 1 l 嘉淼警劳下删 路面层支持基础 图1 1 长寿命沥青路面结构的基本设计理念 通过图1 1 可见 下面层的h m a 为7 5 1 0 0 m m 厚的高柔性抗疲劳沥青混 凝土 在整个路面结构中起到消除疲劳破坏的作用 对其要求是高柔性 抗疲劳 水稳定性好 下面层h m a 通常可以选择大粒径的骨架 空隙型沥青混凝土 如a t p b 这 种类型的沥青混凝土具有良好的柔性 同时由于其内部连通空隙率较大 可以阻 断来自于下面层以下的毛细水的上升 减轻水对中间层沥青混凝土层的影响 这 一点对于低路堤沥青路面结构组合设计有着重要意义 同时沥青混凝土自身的 自愈性 对于下面层抗疲劳有着积极意义 虽然大粒径的骨架一空隙型沥青混凝土有着诸多优点 但是出于其空隙率较 大 会在一定程度上降低其抗疲劳性能 研究表明 5 相比密级配沥青混合料 在相同应力比下 a t p b 混合料的疲劳寿命远低于密级配沥青混合料 其主要原 因是因为a t p b 混合料的空隙率远大于密级配沥青混合料 在荷载作用下 a t p b 第1 章绪论 混合料中的空隙成为疲劳裂缝发展的起始源 同时由于a t p b 混合料中的颗粒间 接触点较少 因此裂缝扩展过程中的应力消耗较少 从而易于扩展 因此 有必要进一步研究a t p b 材料的疲劳特性 找出影响a t p b 疲劳特性 的各类因素 为a t p b 结构设计与材料组成配比设计提供指导与参考 1 2 国内外应用和研究现状 1 2 1a t p b 的起源与发展i s s l 2 0 世纪初 为了适应较大的接触强度 w a r r e nb r o t h e r s 公司在1 9 0 3 年提出 申请并获得专利在沥青混合料中使用大粒径集料 其矿料的最大尺寸高达 7 5 m m 能提供较大的密实度和稳定度 这样大粒径沥青碎石混合料的概念才出 现了 从广义的角度定义大碎石沥青混合料是指最大集料粒径大于1 英寸的沥青 混合料 以后的许多研究成果都是基于这一理念 美国国家沥青技术中心n a t i o n a l c e n t e rf o ra s p h a l tt e c h n o l o g y n a c t 的p r i t h v is k a n d h a l 在上世纪9 0 年代初 对大碎石沥青混合料的研究就是从该定义出发的 其级配设计理念与普通的沥青 混合料没有很大的区别 主要解决a t p b 的设计 成型方法等问题 由于效益较低 试验方法滞后以及交通量较小等方面的问题 在2 0 世纪5 0 年代到8 0 年代a t p b 的应用并不多 对其研究也停滞不前 美国在2 0 世纪6 0 年代术和7 0 年代通过调查和经验总结 认识到了路面内部排水的重要性 到1 9 8 6 年 经过l o 余年的适用经验和研究成果的积累 在路面结构设计方法 a a s h t o 路面结构设计指南 中 把路面结构的排水质量 以排除渗入路面结构内水分所 需的时间和1 年内路面结构处于水饱和状态的时间比例为指标 作为一项设计因 素考虑 在2 0 0 2 版的设计规范中推荐了基层和底基层排水设计的两个方面 排 水设施的退水时间和排水能力 从此 a t p b 作为排水性基层的代表 重新激起 了人们的研究热情 一方面人们从沥青混合料材料的角度进行了大量的丌发与研 究 如s u p e r p a v e t m 设计体系 另一方面 从沥青路面角度考虑引用全新的路面 结构设计方法 a a s h t 0 2 0 0 2 设计体系 同时在总结许多新的研究成果和调 查路面结构 材料的基础上提出一些新理念 如目前正在进行研究的长寿命路面 新型的大粒径沥青稳定碎石币式基于这样的背景而提出的 我国对路面内部排水的研究工作始于1 9 9 0 年 同济大学1 9 9 0 年在江西修建 了水泥混凝土路面的内部排水系统试验路 其后国内在广东 河南 广西等地修 建沥青路面结构内部排水的试验路 取得了一定的效果 认为设置大孔隙混凝土 排水基层是一种较好的路面结构内部排水方式 2 0 0 1 年山东省公路局 东南大 第1 章绪论 学交通学院和山东省交通科学研究院共同合作在国道2 0 4 线烟台一级公路烟台 段 修筑了大规模的排水型大碎石混合料试验路 并取得了较好的效果 2 0 0 3 年广珠西线高速公路 一期 采用了排水性水泥稳定碎石 经过近三年运营 排水 基层试验段路面平整且完好无损 使用效果较好 1 2 2a t p b 应用研究现状 孓1 5 l 上世纪8 0 年代以后国内外众多专家学者对a t p b 进行了大量的研究 同时 取得了很大的成果 美国加州交通局 c a l i f o r n i ad e p a r t m e n to ft r a n s p o r t a t i o n 规定在该州新建 的柔性路面与刚性路面必须使用a t p b 这项规定己历时2 0 多年 在这期间也 不断提高了一些关键指标的标准 如 提高沥青结合料劲度和含量 提高混合料 中碎石的含量 在其设计规程中 a t p b 位于热拌沥青混合料面层与粒料基层之 间 由于a t p b 较大的空隙率 一般大于1 8 在服务期内易发生集料的剥落 以及空隙阻塞等问题 因此1 9 9 9 年美国加州大学伯克利分校 u n i v e r s i t yo f c a l i f o m i a b e r k e l e y u c b 为加州交通局做了一项针对a t p b 的性能科研项目 并采用加速加载设备 h e a v yv e l i i c l es i m u l a t o r h v s 对有关试验段进行了测试 研究表明 a t p b 层在长期使用后 排水性能容易下降 在水和外界荷载作用下 易发生车辙等病害 因此其病害多以车辙为主 针对以上问题 美国a l a b a m a 州等在其规范中规定在进行a t p b 层施工前 铺设土工布 以防止下基层杂物进入a t p b 层 并得到了较好的效果 幽1 2a t p b 表面纹理构造 4 第1 章绪论 图1 3 室内成型a t p b 表面纹理构造 表1 1 美国热拌沥青混合料层位材料的选择 n a p a 2 0 01 低交通量中交通量高交通量 1 0m i l l i o ne s a l s 密级密级密级 s h ao g f ca t p bs m ao g f ca t p bs m a0 g f ca t p b 配配配 表面层 o o 中间层 o 荩层 o 注 适用 o 较适用 表1 1 所示 美国国家沥青路面协会 n a t i o n a la s p h a l tp a v e m e n ta s s o c i a t i o n n a p a 推荐的沥青路面结构形式 对于a t p b 层 该机构推荐应用于中 高交通 量的公路的基层中 此外 s a r g a n d s h a dm 等通过调查大量现役路面 从路面结构角度 分析 对于各种类型的路面结构如何选择相应的路面材料 其中分析了何种类型的路面 第1 章绪论 结构比较适合采用a t p b 层材料 美国中西部的一些州对应用了三十多年以上而运营状况良好的一些典型路 面进行了相关的调查 发现许多成功的路面其基层采用的是较大粒径的单粒径嵌 挤型沥青混合料如灌入式沥青基层 由此提出了以单粒径形成嵌挤为条件的混合 料设计方法 也就是大碎石沥青混合料 l s a m 级配设计方法 对于大碎石沥青混合料 美国及欧洲的一些国家如瑞典等国陆续进行了研 究 1 9 9 7 年美国克萨斯a m 大学 印第安纳交通局 d o t 等完成其全美国 家联合攻关n c h r p 项目 大碎石沥青混合料的设计和应用 的研究 研究表明 大碎石沥青混合料 l s a m 路面的整体稳定性好 能够承受重交通条件下荷载 的作用并且高温稳定性良好 美国许多州的州际公路上得到应用 并且路用性能 良好 印第安纳州等州已经将大碎石沥青混合料放入其州规范中加以规定并实 施 1 9 9 2 年美国沥青材料公司在美国印第安纳州第6 5 号州际公路的重建工程中 采用了大粒径沥青混合料作为排水基层 成功解决了路基土强度不足的问题 被 评为该年度全美最佳工程奖 并经过8 年的重载交通运营后 其路面状态依旧良 好 在室内研究方面 j h a r v e y 等总结了美国c m t r a n s 州 i n d i a n a 州交通局 i d o t 和加拿大o n t a r i o 交通管理处 o m o t 应用a t p b 的经验 并提出了 c a l t r a n s 在应用过程中出现的问题 以土基顶面压应变为指标 分析带有a t p b 层的路面结构与传统的集料基层的结构特性 评价两种结构在疲劳和永久变形特 性方面的特点 在研究时还考虑了 1 材料在不同应力状态下的劲度 2 材料 在浸水后加载和浸水时加载 强度的损失 劲度的变化 3 重复荷载作用下 反复应力状态下 材料的竖向变形 4 浸水对永久变形的影响 并基于研究 成果提出了a t p b 的设计理念 提出了针对c a l i f o m i a 州的a t p b 应用指南 z h o u h a i p i n g 和l i n d l y j a yk 分别研究了影响沥青处治基层的排水系数 d r a i n a g e c o e f f i c i e n t s 以及弹性模量的因素 并作了系统的总结 a t p b 层在机场道面中的应用也有报道 k a n ep a t r i c kt 等总结了芝加哥城 地区机场道面应用a t p b 材料的经验 提出机场道面建设a t p b 层的关键技术 国内对a t p b 也有着深入研究 在a t p b 层材料的透水性 抗变形特性等方 面的性能都有过系统的研究 得到大量成果 同济大学谓j 洪斌f l5 j 在大量实验的 基础上 系统分析了影响沥青稳定碎石混合料性能的因素 同济大学姚祖康 1 4 等通过试验研究认为直接影响沥青稳定碎石混合料透水性的因素是混合料的孔 隙率 特别是不包含封闭孔隙的有效孔隙率 孔隙率的大小与级配和压实度有关 影响沥青稳定碎石混合料劲度的主要因素孔隙率 矿粉和沥青含量与稠度 6 第1 章绪论 1 2 3 沥青混合料疲劳性能的研究0 1 扣1 9 i 沥青混合料的疲劳是造成沥青路面结构性破坏的主要因素之一 早在1 9 4 2 年 o j 勃特就发现路面即使在o 5 0 0 7 5 m m 微小的弯沉情况下车辆作用几百万 次后也会发生破坏 美国从1 9 4 8 年以来 对于沥青路面在车辆的反复荷载作用 下 使路面所产生的弯曲拉伸应力超过了材料的抗拉强度 引起路面的疲劳开裂 的现象就已经有了一定的认识 认为为了在沥青混合料设计和路面设计中论述疲 劳性能 必须描述沥青混合料在重复应力作用下的特征 因此 多年以来沥青及 沥青混合料的疲劳性能一直是路面工程研究重点 美国s h r p 研究计划把沥青及 混合料的疲劳作为主要研究项目之一 另外包括英国 澳大利亚在内的许多国家 都把沥青混合料的疲劳破坏作为路面设计的主要依据 影响沥青混合料疲劳寿命的因素有很多 总结目前的研究成果 主要因素为 混合料的劲度 沥青的种类 特性和用量 矿料的级配 施工状况 交通量等级 及环境 温度 湿度 加荷方式等 c o o p e r 和p e l l 研究发现 沥青的种类 用 量和集料的形状是影响疲劳寿命的主要因素 同时也认为级配会对混合料的疲劳 寿命起i 日j 接影响 在研究方法方面 主要有试验研究和理论研究 试验研究主要有三大类 一 是检测实际路面在真实汽车荷载作用下的疲劳性能 以美国a a s h t o 试验路为 典型代表 二是用足尺路面结构模拟汽车荷载作用下其疲劳性能 如美国华盛顿 卅l 立大学室外大型环道及中国重庆公路科学研究所的室内大型环道等 三是室内 小型材料试件的疲劳试验 一般考虑成本和可操作性等原因而采用室内小型材料 试件进行研究 在理论研究方面 以两种理论为主 耗散能量法和力学损伤法 耗散能量法认为沥青混合料作为一种粘弹性材料 在应力应变作用下存在滞后特 性 这种滞后是一种能量的损耗 而这种损耗的能量正是该材料疲劳的原因 也 就是说 粘弹性材料的疲劳破坏过程是一个能量耗散过程 力学损伤法认为 沥 青混合料的蠕变及疲劳损伤是因为外力的作用造成的蠕变变形与疲劳损伤 按照 连续介质力学观点 该材料的损伤是一个连续发生的过程 因此疲劳损伤是随着 时间累计起来的每次变形损伤的总和 由于研究疲劳性能所需要的实验条件比较苛刻 因此国内对于疲劳的研究还 不多 尤其是对高等级公路用重交通沥青混合料的疲劳性能研究还比较少 目前 比较系统的研究是交通部科技项目 沥青混合料动态性能参数标准 该课题采取 高等级公路常用的3 种进口沥青 7 种混合料进行劈裂及部分弯拉疲劳试验 在 总结了国内外已有沥青混合料疲劳研究基础上提出适用于我国情况的试验方法 理论研究方面 已经有学者从沥青混合料的粘弹性力学入手 对混合料疲劳的机 理进行分析 如刘立新 刘伟民和郑健龙等也从耗散能与损伤力学角度对沥青混 7 第1 章绪论 合料的疲劳特性进行了分析 1 3 存在问题 虽然国内外许多学者从各个方面研究a t p b 的路用性能 得到许多富有建设 性成果 但在其抗疲劳性能的研究方面 尚存在一些问题 试件成型方式单一 目前国内大部分的疲劳研究采用的是梁式试件 采用梁 式试件的疲劳数据离散性较大 而且梁式试件由于成型方式的原因造成空隙率的 不均匀 这对疲劳结果影响较大 疲劳损坏判据不统一 在路面实际运营过程中 当疲劳裂缝贯穿整个路面结 构时 路面仍然能够承受交通荷载的作用 这就给室内疲劳试验提出了一个问题 到底何时才能算材料的疲劳开裂 对于这个问题 目前尚无一个令人信服的解 释 由于疲劳损坏的判据不一 因此各单位得到的疲劳试验数据之间的可比性较 小 评价抗疲劳性能指标单一 对于抗疲劳性能指标 一般采用应力比一反复荷 载作用次数曲线 s n 曲线 采用单对数或双对数坐标回归不同应力比下的疲 劳方程 方程形式如 口 6 应力控制 或 盘f 1 6 应变控制 该 l 盯 指标与路用性能缺乏联系 这些问题不仅仅是评价a t p b 材料疲劳特性时面临的问题 在评价其他类型 沥青混合料抗疲劳性能时同样需要面对 1 4 本文的研究内容和技术路线 本文在参考研究国内外已有研究成果的基础上 制定了以下研究内容和技术 路线 1 4 1 研究内容 本文将从以下三方面研究分析影响a t p b 疲劳性能的因素 1 荷载作用下a t p b 疲劳开裂机理的分析 采用理论分析法找出影响a t p b 疲劳性能的主要因素 并提出改善疲劳性能应该采取的措施 2 影响a t p b 层疲劳丌裂的结构性因素 应用弹性层状体系理论 分析在 荷载作用下 b z z 1 0 0 路面结构的力学响应 并提出合理的结构层组 第l 章绪论 合设计 3 应用现象学法研究影响a t p b 疲劳性能的材料性因素 并根据试验结果 从成型方式 空隙率 沥青胶浆 纤维稳定剂方面提出改善a t p b 疲劳 性能的方法 并给出试验级配的疲劳寿命预估方程 同时比较几种材料 疲劳方程的区别 1 4 2 技术路线 先从理论角度分析影响a t p b 疲劳性能的主要因素 在此基础上分别从路面 结构层组合和材料自身疲劳性能两方面 研究影响a t p b 层疲劳特性的结构性因 素和材料性因素 具体流程见图1 4 图1 4 本文研究技术路线 9 第2 章a t p b 疲劳性能的理论分析 第2 章a t p b 疲劳性能的理论分析 沥青稳定排水层混合料与常规的沥青混合料不同 其最大特点就是空隙率很 大 一般在1 5 以上 因此与常规的沥青混合料相比 一般在3 6 左右 其抗疲劳性能必定区别于常规的沥青混合料 本章在总结沥青混合料疲劳理论的 基础上 着重分析大粒径多孔沥青混合料的疲劳特点 并找出影响大粒径多孔沥 青混合料疲劳性能的因素 初步提出改善其抗疲劳性能的措施 2 1 沥青混合料疲劳分析法 无论是传统的路面设计理论 还是目前的研究重点 全寿命 路面设计理论 对沥青路面寿命期的预测都是十分重要的环节 而决定沥青路面寿命期的重要因 素之一就是沥青混合料抗反复荷载作用的能力 即 抗疲劳性能 因此对沥青混 合料疲劳寿命的预i 贝 j 一直是国内外研究的重点 目前的研究方法主要可分为现象 学法 力学近似法以及能量法三类 2 1 1 现象学法 现象学法认为沥青混合料的疲劳是在荷载反复作用下强度衰减引起的破坏 现象 2 0 它是通过直接测定疲劳作用次数与相应参数之间的回归关系 采用疲 劳曲线表征材料的疲劳特性 这罩的参数可以为混合料自身参数 如 混合料体 积参数 结合料参数等 也可以为外界参数 如 应力水平 应变水平 加载 频率 外界温度等 因此目前现象学法研究的传统疲劳力学响应模型基本可以由以下几类 2 1 1 基于应力 应变的疲劳模型 在所有预测模型中 这是最为基础的疲劳寿命预测关系式 对于不同的试验 控制方式 方程分别为 n c 1 c o 控制应变方式 2 1 n k 1 o r o 控制应力方式 2 2 式中 m 为试件达到破坏时的重复荷载作用次数 仃 为初始的弯拉应 变或弯拉应力 c m k n 为根据试验确定的系数 c 和m 与混合料类型 混合料组成 胶结料类型 具体的试验条件如试验温度 加载频率等及与测试方 l o 第2 章a t p b 疲劳性能的理论分析 法有关 对传统的沥青混合料 r n 通常在3 6 2 基于应变和劲度的疲劳模型 m o n i s m i t h 提出的沥青混合料的疲劳方程 n s a o 6 0 6 0 s o 2 3 式中t s 为沥青混合料的初始劲度 f i n n 提出的预测模型为 n i k l 占一 2 e b 2 4 式中 e 为混合料的复数模量 k k k 是和材料有关的系数 美国n c h r p 和a a s h t o 发展了这个模型m o n i s m i t h 和e p p s 提出的预测模 型为 l g n 1 4 8 2 3 2 9 1 1 9 e 1 0 巧 一0 8 5 4 l g s 1 0 3 2 5 式中的混合料劲度要求在4 c 和3 8 测得 因而这个公式考虑了温度的影响 3 基于应变 劲度和体积特性的疲劳模型 由于沥青含量对混合料劲度的影响 沥青含量也是影响混合料疲劳性能的一 个主要因素 s h e l l 公司在对几种典型沥青混合料进行应变控制实验基础上 于 1 9 7 8 年提出的疲劳模型如下 并绘制为诺谟图以供使用 驴 丽南萨 晓6 式中 v b 为沥青含量 4 基于应变 劲度和空隙率的疲劳模型 混合料的劲度和疲劳性能也受到混合料压实水平和空隙的影响 有研究认 为 若沥青混合料空隙率增加1 将会导致疲劳寿命下降3 9 l e s a n t u c c i 提出了用沥青用量和空隙率表示的应变疲劳关系式 n n 1 0 m 2 7 式中 m 4 8 4 万孥万一 6 9 m 可按沥青混合料的弹性模量和应变值查图 得到 a i 在此基础上得出了其疲劳模型 n 1 8 4 1 0 4 s 4 腑删 0 0 0 4 3 2 5 g f 3 2 9 s 打 m 8 5 4 2 8 式中tv f a 为沥青饱和度 第2 章a t p b 疲劳性能的理论分析 p s p e l l 和k e c o p p e r 得出了在微应变为1 0 4 时的疲劳方程 l o g l o 4 1 3 1 0 9 6 9 5 l o g t r b l 1 1 3 2 9 式中 v b 为沥青体积含量百分数 t r b 为沥青环与球软化点 s h r p 进行的a 0 0 3 a 研究项目重点对混合料疲劳性能进行了研究 并通过 法国l c p c 和f h w a 的a l f 设备进行试验修正 得到 1 0 2 7 3 8 xe 0 0 7 7 盯 产4xk 广2 2 1 0 式中 w 为初始损失劲度模量 5 基于应力 应变 劲度和针入度的疲劳模型 f eb o n n a u r 提出了采用混合料劲度模量等符合参数的应力应变疲劳方程 对于应力控制模式试验 占 0 3 肼一0 0 1 5 p ix o 0 8 r b o 1 9 8 xs 2 8 o 2 2 1 1 对于应变控制模式试验 占 4 1 0 2 p 1 0 2 0 5 p ix 1 9 4 v b 一2 7 0 7 s 0 3 6 毗 2 1 2 6 基于温度的疲劳模型 由于沥青为一种粘弹性材料 意味着其劲度主要依靠于温度及加载频率 d e a c o n 通过从5 2 5 c 的4 种温度的应变控制试验 发现初始劲度和初始的应变 疲劳曲线的斜率对温度很敏感 如下式 n 1 0 2 0 0 3 4 1 0 2 2 6 1 t e 5 9 1 3 8 0 1 0 5 6 t 2 1 3 7 其他模型 l e s a n t u c c i 通过考察沥青性能参数对于疲劳性能的影响 包括对沥青及 混合料进行条件老化 研究认为沥青粘滞度是预测疲劳寿命的最好参数 也即 卟k n o 鲥 旺 式中 m m 为粘滞度为刀小j 7 时沥青混合料破坏时的荷载重复作用次数 a 为加载因素 应变控制时耿 l 应力控制时取 1 n 为试验常数 应力控制时为 5 6 应变控制时为4 影响沥青混合料疲劳寿命的因素可以归结以下几种 加载模式 应力控制 应变控制 沥青混合料劲度 混合料的体积特性 沥青结合料针入度 试验温 度 沥青结合料粘度等 对以上诸因素简单分类一下 其中加载模式与温度为外界因素 其它因素为 沥青混合料内部因素 如下关系图所示 第2 章a t p b 疲劳性能的理论分析 疲 劳 影 响 因 素 外部因素 加载方式 温度等 通过以上运用现象学法研究的疲劳模型可以看出 现象学法可以较好的反映 出沥青混合料内部因素对混合料抗疲劳性能的影响 运用现象学研究方法可以直 观准确得找出增加混合料疲劳寿命的因素 从而改善混合料疲劳特性 但是由于 受到加载方式 试件形状等因素影响对混合料疲劳寿命的预测有很大差异 因此 采用力学近似法与耗散能法可以对此作一 b 充 2 1 2 力学近似法 力学近似法主要指运用断裂力学模拟混合料疲劳损坏过程 疲劳断裂理论是 格里菲斯在1 9 2 0 年提出的 该理论认为 在任何材料中 尤其在它的表面层中 都有不同大小和不同方向的微细裂隙 这些缺陷和裂隙存在于一个受力物体中 就会改变材料的应力状念 并且在微小裂隙的木端周围产生应变能的过量集中 紧接裂隙端部前面的应力就会增加到破裂水平 从而使裂隙扩大形成裂缝 路面在车轮荷载的作用下 轮载中心轴下的沥青面层底部产生最大拉应力 当拉应力大于沥青路面抗拉强度时 路面底部就会产生拉裂式裂缝 也就是断裂 力学中的张丌型裂纹 沥青路面表面层在车轮荷载的作用下 当表面层的剪应力 大于沥青路面抗剪强度时 路面表面将发生剪裂式裂缝 这是断裂力学中的滑丌 型裂缝 因此可以将沥青混合料的疲劳断裂过程归入断裂力学范畴 采用断裂力 学的方法分析其裂缝扩展规律 断裂力学法要研究的是疲劳裂缝扩展速率 假设疲劳是一个连续发生的破坏 过程 线性断裂力学认为 2 2 决定疲劳裂缝扩展速率的是应力强度因子的幅值a k 第2 章a t p b 疲劳性能的理论分析 的函数 p a d s 由此得出如下公式 一d d 一 一 一 15 ca a k2 il l d n 7 式中 d 疲劳损伤变量 n 循环次数 黑为疲劳裂缝扩展速率 n 扩展指数一般大于1 c 0 为材料常数 与最大应力仃咄 应力幅盯唧 温度t 及频率f 有 关的函数 由a k 二 因此上式也可写成如下形式 l d 一d d 乓 2 1 6 d n 1 一d 该方法最初研究的是金属材料疲劳裂缝扩展 当它被引入复合材料力学领域 后常用于复合材料基体和短纤维复合材料 需要说明的是p a r i s 提出的公式仅适 用于疲劳破坏过程为主裂缝扩展 但无法准确预测以损伤区扩展 无明显裂缝 为主而发生的破坏 可见 断裂力学法是否适用于解释沥青混合料疲劳损坏问题就要看混合料的 疲劳损坏过程是否为主裂缝扩展 沥青混合料疲劳丌裂可以分成3 个阶段 即裂缝产生阶段 裂缝稳定阶段及 裂缝扩展阶段 在荷载的周期性作用下 沥青混合料首先出现不规则的细观裂纹 并逐渐扩展 当达到一定程度后不规则细观裂纹会形成规则且稳定的裂缝 裂缝 在反复荷载作用下不断发展最终导致沥青材料的开裂 h d ib e n e d e t t o 2 3 j 把疲劳损害过程划分成两个阶段 初期阶段和扩展阶段 在初期阶段主要产生细观裂纹 随着裂纹的发展引发材料整体模量的下降 在扩 展阶段细观裂纹发展成大裂缝 大裂缝的扩展使材料破坏 而无论对疲劳开裂的阶段如何划分 总是可以明确一点 即沥青混合料的疲 劳破坏过程以主裂缝扩展为主 因此适用于断裂力学理论 由于沥青混合料的断裂力学解答比较复杂 而且由于每种试验采用的试件以 及方法不尽相同 难以找到统一的解析解 因此本文通过唐雪松等 2 4 推导的悬 臂梁疲劳试验的断裂力学解答 初步分析影响沥青混合料疲劳的内部因素 图2 1 为唐雪松等分析的悬臂梁疲劳试验的示意图 1 4 第2 章a t p b 疲劳性能的理论分析 图2 1 沥青混合料试件及疲劳加载模式 分别以o p 表示应力 应变 弯曲曲率半径在一周循环内的幅值 它 们均为位置坐标x y 与循环次数n 的函数 采用k a c h a n o v r a b o t n o v 定义损伤变量d 即d 为材料体积微元截面上失效 面积与截面表观面积的比值 所以当d o 时为某点无损伤 当d i 时为裂缝形 成 由于推导过程较繁琐 不在此推导 这里仅给出结果 损伤场分布与疲劳裂 缝形成寿命的工程封闭解答为 肚 上h 2 卜l 朋 耻字 1 i 一 圳p 掣r 1 c 卫3 a c o 1 h l 寿门讳扩 式中仃 掣 仃0 半 m 为截面上的弯矩 m 宰为危险截面上 1 0 0 的弯矩 o 为危险截面上的正应力 对该解答有几点说明 1 在某一点处损伤的增加速率 由该点的有效应力为主导 2 剪应力对损伤的贡献远小于j 下应力 因此在计算损伤时忽略 3 近似认为损伤增长速率与有效应力大小成正比 4 以上解答参考的疲劳损伤演化方程为l e m a i t r e 和c h a b o c h e 等人提出的 第2 章a t p b 疲劳性能的理论分析 一d d a f 三1 r 1 一d 一 一2i it i u d n l 1 一d a 幸 p q 为材料的特性损伤参数 a 宰与荷载循环特性有关 p q 与温度有关 上述工程封闭解答是在假设q 0 时推导的 通过损伤场分布与疲劳裂缝形成寿命的工程封闭解答 可以看出影响沥青混 合料疲劳开裂的因素主要为外界荷载 温度以及劲度模量 外界荷载与温度可归 结为外部条件 劲度模量则为影响沥青混合料疲劳开裂的自身因素 另外文献 8 的研究还认为骨料粒径的大小 影响着疲劳裂缝扩展速度 以上对沥青混合料的疲劳分析是从断裂力学角度展开的 因此我们可以看 出 使用力学近似法分析沥青混合料疲劳性能首先要对分析的材料建模 找出最 容易产生裂缝的位置 然后才能做出合理的裂缝扩展预测 但采用力学近似法分 析混合料疲劳性能仅仅从其结构受力方面分析 而不能找出影响混合料疲劳的材 料自身因素 因此还有着自身的局限性 另外力学近似法源自复合材料力学研究 方法 其分析的模型均为连续体 对于本身细观缺陷比较多的结构 如 多孔结 构 是否能够准确预测还要进一步研究 2 1 3 能量法 能量法是以能量转化的观点研究沥青混合料的疲劳问题 当给沥青混合料作 用一个荷载时 施加的应力引起相应的应变 荷载移去后 应