沥青混合料疲劳损伤的研究

1、第30卷第5期1997年10月哈尔滨建筑大学学报Journal of H arbin U niversity of C 1E 1&A rch itecture V o l 130N o 15O ct 11997收稿日期:1997-01-19张婧娜女讲师 哈尔滨建筑大学交通学院(150008国家自然科学基金项目沥青混合料疲劳损伤的研究张婧娜朱希岭张肖宁(道路材料教研室摘要以累积损伤为基础理论,根据六种沥青混合料的劈裂疲劳试验结果建立了反映疲劳特性的能量方程。分析了疲劳损伤机理及疲劳破坏过程中能量的累积规律,为建立沥青混合料损伤破坏统一模型奠定基础。关键词疲劳破坏;能量消散原理;滞后能耗分

2、类分O 4141030前言沥青路面疲劳破坏近几十年来得到世界各国的广泛重视。疲劳问题一直是柔性路面设计理论中的主要研究课题之一。所有的研究结果都表明:沥青混合料疲劳破坏机理极其复杂,影响疲劳寿命的因素众多,并且各因素之间相互作用。因此,包括美国SHR P 项目在内均建议进行疲劳试验,依此来评价沥青混合料的疲劳性能,供路面设计使用。以往国内外道路研究者对沥青混合料性能的评价大多建立在达到疲劳破坏时的荷载重复作用次数与所施应力或应变的关系基础上,在一定程度上能反映出不同材料的疲劳特性。但是,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

3、的性能是不能评价材料的整体性能的。鉴此,本文针对沥青混合料疲劳破坏过程中本质的变化规律,分析能量的耗散以及损伤的累积,以期获得不同损坏模式之间的共同规律,建立各种损坏模式之间的确定关系,为完善柔性路面设计体系提供基础研究1。1沥青混合料疲劳试验111疲劳试验方法疲劳试验研究的原则是尽可能地模拟路面在重复荷载作用下的受力状态。疲劳试验用以确定路面和沥青混合料的疲劳特性,采用的方法很多。作为沥青混合料室内疲劳试验本身,各国均没有将统一方法作为标准纳入试验规范。近年来大量的关于间接拉伸(劈裂试验方法的研究表明,该方法与其它疲劳试验方法有很好的相关性。也就是说,间接拉伸试验结果同样可以描述沥青混合料的

4、疲劳性能。因此,本文对沥青混合料进行劈裂疲劳试验。大量的疲劳试验研究表明沥青混合料疲劳破坏存在当量温度5,该温度为15。考虑到本文的研究目的,试验温度在15。加载方式为应力控制式,频率为10H z 。112试验系统疲劳试验采用从美国引进的M T S (M aterial T est System 材料试验系统进行。M T S 伺服液压系统流程见图 1。图1M T S 系统工作流程图113试验材料及试件制备试验所用沥青混合料中的沥青结合料代表了石油沥青硬、中、软三个粘度等级,考虑到近年来改性沥青在路面材料中的应用,本文还采用了掺入3%SB S 的韩国沥青的改性沥青。各沥青性能指标列于表1中。表1

5、沥青性能指标试验结果沥青品种欢喜岭70#胜利100#辽河140#3%SBS 韩国针入度Pen 25(1 10mm 7710214382软化点T R &B (46124614431556P 1I 1-1117青混合料中矿质混合料的级配类型分无孔隙、密级配、开级配、大孔隙四大类,各级配组成及沥青用量、品种见表2。表2沥青混合料级配及沥青用量表筛孔尺寸191016101312915417521361118016013011501074混合料类型通过百分率沥青(%沥青品种D 1009415881581157265451531152215151015715胜利100

6、#X 1009385766455392719139615胜利100#N C 10083706153154815441528177123胜利100#K 100-3619-3417-1815-619510欢喜岭70#T 1009879584534261595510辽河140#3%1002014-1921516127165195154163%SBS 韩国注:沥青为内掺试件制备采用标准击实法(TO 702-93,试件全部采用可以恒温的沥青混合料自701第5期张婧娜等:沥青混合料疲劳损伤的研究动拌合机拌合,自动击实仪击实。制得的试件经过了严格的密度检查,剔除个别不均匀试件。2试验结果及分析根据粘弹性理论

7、,材料的疲劳过程可分为图2所示的三个阶段。试件永久损伤变形由稳定阶段发展向加速阶段的转折点(也称变形曲线的反弯点即为疲劳破坏点,由此对应的时间坐标即为疲劳寿命。对于一种沥青混合料试件,对其在不同应力水平i 下的疲劳寿命N f i 进行统计分析,规律呈双对数直线关系N f =K (1 n 。回归结果表明用N f =K (1 n回归有足够的可靠性。六种混合料的散点图、回归曲线及回归结果如下 :图2材料的疲劳破坏过程图3沥青混合料疲劳试验曲线疲劳方程中的系数K 和n 随混合料的不同有较大差异。如图3所示,n 值代表图中双对数坐标下疲劳曲线的斜率,反映了沥青混合料疲劳寿命对所施加应力的敏感程度,n 值

8、越大表明疲劳寿命依应力水平变化越大。K 值代表了疲劳曲线的位置,K 值越大,曲线靠向上方,沥青混合料的疲劳阻抗提高。3疲劳破坏的能量耗散311疲劳能耗的概念粘弹性材料的破坏是一个能量耗散的过程。外力对材料所作的功可转化成如下形式的能量:1作为弹性应变能被贮存;2作为流动被消耗;3裂纹发生、发展产生新表面时转化为表面能3。当沥青混合料承受一个重复的正弦应力(t =02(sin t +1作用时,会以同样的频率产生一个(t =02sin (t +1的应变响应。这个过程反映在图4中6。假定x =02(sin t +1、y =02sin (t +1,经过一定的变换,求得应变滞后于应力的滞后回路方程:80

9、1哈尔滨建筑大学学报第30卷 (x -022 (022+(y -022 (022-8co s 00(x -02(y -02=sin 2该方程的曲线代表了一个应力周期应力、 应变的滞后回路。图4应力应变响应图5疲劳试验滞后环线(回线对于疲劳试验每个应力周期的应力、应变值在计算机中都有记录。图5为计算机在一个应力周期加、卸荷过程记录的20个点的滞后回线。滞后回线的面积代表了该周期所消耗的能量。每个应力周期滞后回线的面积可采用下式求得:W i =2n 0(t (t d t 式中:w i 为每个应力循环滞后环线所代表的单位体积能耗(J m 3;(t 为正弦波下的拉应力(M Pa ;(t 为同一时刻的应

10、变(mm mm 。根据记录结果,用样条插值的方法积分求得W i ,即一个循环消散的能量。312滞后能与应力水平的关系表3给出一个试件按上述计算方法所得的滞后能计算结果。表3混合料滞后能程序计算结果(试件编号NC -21加荷次数Nf1020304050滞后能(J m 311575×10351919×10251193×10241525×10241522×102加荷次数Nf60708090100滞后能(J m 341426×10241312×10241317×10241342×10241233×102

11、加荷次数Nf200300400500600滞后能(J m 331243×10231782×10231738×10231453×10231653×102加荷次数Nf70080090010001100滞后能(J m 331823×10231860×10241364×10241400×10241360×102由计算结果可见能量消耗与整个疲劳过程的一致性。在试验起始阶段,可认为是901第5期张婧娜等:沥青混合料疲劳损伤的研究疲劳破坏过程的迁移阶段,由于存在迁移弹性变形及部分粘性变形,此时滞后环面积较大,

12、滞后能较多。随着重复荷载作用次数的增加,滞后能逐渐变小并很快趋于稳定,进入疲劳破坏的稳定阶段。这一阶段的作用时间随应力水平及混合料类型不同而有很大差异。随着荷载作用次数的继续增加,沥青混合料疲劳由稳定阶段经破坏点向加速阶段扩展,滞后能随之增大,直至试件最后断裂。计算结果显示出,对于大多数试件来说,稳定阶段的滞后能占有相当大的比例。也就是说,滞后能在疲劳过程中很快趋于稳定。因此,这个阶段的滞后能在整个过程中显得有价值。美国的V an D ijk et al 用Wf at=N fN =1W来计算疲劳破坏所消耗的总能量,即忽略了起始阶段的能量变化。计该阶段每一周期的消耗能为W 0。进一步的分析发现,

13、各种混合料的W 0有很大差异。就每一种混合料而言,随着应力水平的不同,W 0虽有差异,但它与应力水平有很好的直线关系。六种混合料的每一应力周期滞后能W 0与应力水平的关系可用模型W 0=a 1+b 1回归,回归结果见表4,拟合曲线见图6。表4滞后能-应力水平方程回归结果混合料类型D X N C K T 3%系数a 1961943675148705513401731654362193182311083系数b 1-2617327-1717691-919493-815613-813216-0194820相关系数R0193389019483401986230199490019986001 978540

14、11哈尔滨建筑大学学报第30卷第5期 张婧娜等: 沥青混合料疲劳损伤的研究 111 图 6混合料滞后能- 应力水平关系曲线 方程 W dW 0 为图中直线的斜率, 它反映了滞后能耗对应 d dW 0 dW 0 力水平的依赖度。 由回归结果可见, 不同的混合料其 值有很大差异, 不同的 值 d d 0 反映材料不同的疲劳特性。 dW 0 进一步的分析发现, 反映疲劳破坏能量变化规律的 值与文献 2 中的疲劳、 蠕变应 d 力比 f c 有很好的相关性。依此可以建立疲劳与蠕变两种破坏方式的关系, 对建立沥青 混合料损伤破坏统一模型提供基础研究。 4结论 本文通过分析沥青混合料疲劳试验结果及疲劳破坏

15、过程中能量的损失机理, 建立了 反映疲劳规律的统计方程。 方程建立在能量损失与应力水平的关系基础上, 它不仅反映 混合料的疲劳性能, 而且与疲劳蠕变应力比有相关性, 其在统一各种破坏模式上有应用 前景 2, 5 。 1 张肖宁, 管原照雄 1 低温 第 41 回年次学会论文 1996 2 张婧娜 1 应用能量原理预测沥青混合料的疲劳破坏: 硕士论文 1 哈尔滨: 哈尔滨建筑大学图书馆, 3尹双增 1 断裂损伤理论及应用。 北京: 清华大学出版社, 1991 Pavem en t D esign M anua l 4 A 1 H 1 Gerritsen and R 1C 1 Koo le 1 S

16、even yea rs exp erience w ith the structu ra l a sp ects of the Shell = a 1 + b1 中的系数 a 1 ( 即 参考文献 混合物低 疲劳关研究。土木学会 112 哈尔滨建筑大学学报 第 30 卷 m en ta l resu lt s of six typ es of b itum inou s m ix tu res1 T he m echan ism of fa t igue dam age n ified m odels of fa ilu re and dam age fo r b itum inou s m

17、ix tu res1 t ion p rop ert ies a re p resen ted 1 T hese equa t ion s a re ob ta ined on the ba sis of sp lit t ing exp eri2 and energy accum u la t ion is ana lyzed, w h ich p rovides a founda t ion fo r estab lish ing the u 2 5王绍怀 1 路面设计中沥青混合料疲劳破坏预测方法的研究: 硕士论文 1 哈尔滨: 哈尔滨建筑大学 图书馆, 1994 59 6黄卫, 邓学钧 1C 1L 1 on ism ith 1 沥青混合料疲劳响应新模型研究 1 中国公路学报, 1995 ( 1 56 M R e sea rch o n F a t i