多孔沥青混合料冻融损伤机理和耐久性分析.ppt

1、冯德成,多孔沥青混合料冻融损伤机理与耐久性分析,哈尔滨工业大学,2012.3.5,主要内容,研究背景,多孔沥青混合料抗冻性能分析,宏观唯象多孔沥青混合料冻融损伤力学分析,沥青与集料界面粘结力学性能,界面粘结性能与混合料冻融耐久性,背景及国内外研究现状,多孔沥青混合料 ,空隙较大，细集料较少,开级配沥青磨耗层(OGFC),透水式路面(PEM),排水与饱水式路面(DAP, WRP),降噪型路面(LNP),沥青稳定排水基层(ATPB),M. Huurman. Lifetime Optimisation Tool, LOT, Main Report, Report 7-07-170-1R, Labor

2、atory of Road and Railway Engineering, Delft University of Technology, Delft, 2008.1.,背景及国内外研究现状,多孔沥青混合料主要优点：,由多孔沥青混合料面层与多孔排水基层组成的排水式路面可以将雨水转移入地下，有效补充地下水，保护资源环境。,背景及国内外研究现状,多孔沥青混合料主要优点：,多孔沥青混合料面层还可减少水漂，提高雨天抗滑性能。,Allex E. Alvarez, Amy E. Martin, Cindy K. Estakhri, Joe W. Button, Charles J. Glover, Su

3、ng H. Jung. Synthesis of Current Practice on the Design, Construction, and Maintenance of Porous Friction CourseC. Texas Transportation Institute and The Texas A&M University System，2006.,背景及国内外研究现状,多孔沥青混合料主要优点：,饱水式路面可降低路面温度、减少城市热岛效应。,降低车辆行驶时的噪音，改善道路两侧居民居住环境。,环境友好型路面材料，在城市及高速公路应用前景广阔,达优建材商贸有限公司. 排水性

4、铺装概要Z. 2007. http:/www.taiyu-,背景及国内外研究现状,存在的问题：,耐久性不佳结构松散,38%的州因为耐久性问题不再使用 有33%的州使用寿命在10-12年，有30%大约8-10年，17%小于6年,Allex E. Alvarez, Amy E. Martin, Cindy K. Estakhri, Joe W. Button, Charles J. Glover, Sung H. Jung. Synthesis of Current Practice on the Design, Construction, and Maintenance of Porous Fr

5、iction CourseC. Texas Transportation Institute and The Texas A&M University System，2006.,背景及国内外研究现状,存在的问题：,功能特性的衰减,江苏盐通高速排水沥青路面在使用3-4年后，重车道渗水系数迅速下降，严重影响路面的横向排水。 日本调查表明：随着使用年限的增长，空隙率变小，透水时间增长，降噪效果减弱。,森永教夫主编. 日本铺装技术答疑M. 人民交通出版社, 2006.,背景及国内外研究现状,存在的问题：,建设费用高相对于密级配混合料增加造价50-80%,寒冷地区的应用问题,内部温度更低，如果有水更容易

6、冻结； 撒布盐或砂进行融雪与增加摩阻力时，会堵塞空隙； 冰雪地区带钉轮胎导致的磨耗； 冻融问题？,背景及国内外研究现状,存在的问题：,冻融耐久性关注度较少的原因,主要功能为排水，应用地区为南方多雨区域,-205度的冻融循环试验条件过于保守,空隙较大，可以有效消散水的冻胀力,达优建材商贸有限公司. 排水性铺装概要Z. 2007. http:/www.taiyu-,背景及国内外研究现状,存在的问题：,寒冷地区的应用问题美国明尼苏达州环道,冻融问题？,Matthew Lebens. Porous Asphalt Pavement Performance in Cold RegionsR. LRRB

7、INV 878：Task 4 Report，2009.10.,背景及国内外研究现状,存在的问题：,寒冷地区的应用问题美国明尼苏达州环道-2009.8,2010.1,模拟小交通量公路条件,Matthew Lebens. Porous Asphalt Pavement Performance in Cold RegionsR. LRRB INV 878：Task 4 Report，2009.10.,背景及国内外研究现状,存在的问题：,寒冷地区的应用问题 ,荷兰，近10年修筑的约90%高速路面为多孔沥青路面，使用状况良好,2009冬,冻融问题？,Salil Mohan. Winter Damage

8、of Porous Asphal-Case study using a meso-mechanics based Tool for Lifetime Optimization of PAD. Thesis of Delft University of Technology, 2010.12.,背景及国内外研究现状,需要回答的问题：,是否存在冻融耐久性问题？,冻融作用下，混合料的损伤特点如何？如何提高抗冻融破坏能力？,M. Huurman. Lifetime Optimisation Tool, LOT, Main Report, Report 7-07-170-1R, Laboratory o

9、f Road and Railway Engineering, Delft University of Technology, Delft, 2008.1.,主要内容,研究背景,多孔沥青混合料抗冻性能分析,宏观唯象多孔沥青混合料冻融损伤力学分析,沥青与集料界面粘结力学性能,界面粘结性能与混合料冻融耐久性,多孔沥青混合料抗冻性能分析,一、空隙率与冻融耐久性,AC: 61% AM: 121% OGFC: 181%,多孔沥青混合料抗冻性能分析,一、空隙率与冻融耐久性,多孔沥青混合料抗冻性能分析,质量损失率,多孔沥青混合料抗冻性能分析,沥青混合料的冻融损伤是一个空隙率与体积逐渐增大，内部宏观、微观裂纹

10、增多，材料性能衰减的演变过程，其冻融损伤过程可以分为三个阶段：,第阶段：开口空隙内水分冻结膨胀，对空隙壁形成冻胀拉应力,第阶段：性能的稳定期，冰胀力可通过连通空隙消散,第阶段：加速损伤，水分侵蚀沥青与集料界面，结构松散,三种混合料的损伤规律满足最不利空隙率的概念。对于多孔沥青混合料，尽管由于空隙大可以消散部分冰胀力，但相对于密级配混合料耐久性依然较差。,多孔沥青混合料的损伤特点？,多孔沥青混合料抗冻性能分析,二、空隙率控制指标与分布规律,日本铺装规范空隙率大约为20%,美国路面规范空隙率大约为18-22%,我国公路沥青路面施工技术规范空隙率大约为18-25% 体积法设计，包含表面粗糙,多孔沥青

11、混合料抗冻性能分析,二、空隙率控制指标与分布规律,美国某试验路段现场芯样空隙率空间分布密级配,Eyad Masad, Emad Kassem, Arif Chowdhury, Zhanping You. A Method for Predicting Asphalt Mixture Compactability and Its Influence on Mechanical Properties. FHWA/TX-09/0-5261-2, Texas Transportation Institute, The Texas A&M University System, College Stati

12、on, Texas, 2008.8.,多孔沥青混合料抗冻性能分析,多孔沥青混合料抗冻性能分析,对于多孔沥青路面来说，冻融作用的临界位置在结构内部。对于常用的开级配磨耗层，由于厚度较小，空隙更易连通，受冻融作用相对更小。而对于厚度较大的双层或多层多孔沥青路面，以及作为结构层的排水基层，容易出现积水与冻融。这种破坏宏观上表现并不明显，但损伤累积到一定程度，结构很快就会大面积松散！,空隙率大小的重要影响！ 如何判断是否产生冻融损伤？,最不利空隙率范围：7%-13%,多孔沥青混合料抗冻性能分析,三、渗水系数,集料最大公称粒径,级配,空隙率大小！,多孔沥青混合料抗冻性能分析,三、渗水系数,日本铺装规范4

13、00ml/10s,美国路面规范11.5710-2cm/s,我国施工规范仅要求实测可通过渗水系数反映空隙连通,最大公称粒径16mm,2400ml,主要内容,研究背景,多孔沥青混合料抗冻性能分析,宏观唯象多孔沥青混合料冻融损伤力学分析,沥青与集料界面粘结力学性能,界面粘结性能与混合料冻融耐久性,宏观唯象多孔沥青混合料冻融损伤力学分析,一、多孔沥青混合料粘弹塑性损伤本构方程,总应变的增量表示,损伤模型,粘弹性模型,塑性模型,宏观唯象多孔沥青混合料冻融损伤力学分析,二、粘弹塑性损伤模型的验证,-10,0,10,20,宏观唯象多孔沥青混合料冻融损伤力学分析,二、粘弹塑性损伤模型的验证,随着温度的降低，粘

14、弹模型中E0、E1、E2、t1与t2都有不同程度的上升,宏观唯象多孔沥青混合料冻融损伤力学分析,二、粘弹塑性损伤模型的验证,塑性模型中G、K也表现为明显的S型曲线,宏观唯象多孔沥青混合料冻融损伤力学分析,三、多孔沥青混合料冻融损伤分析 应用模型分析不同冻融次数下的应力应变曲线,宏观唯象多孔沥青混合料冻融损伤力学分析,三、多孔沥青混合料冻融损伤分析,弹性元件模量及塑性模型中体积模量与剪切模量，随着冻融次数的增加都逐渐下降。松弛时间随着冻融次数的增加逐步变大。,宏观唯象多孔沥青混合料冻融损伤力学分析,三、多孔沥青混合料冻融损伤分析,经过多次冻融循环，混合料抵抗体积变形的能力减弱，内摩阻角逐渐增大，

15、混合料粘聚力有较大损失。 多次冻融损伤- 级配碎石（粘结力消失）,主要内容,研究背景,多孔沥青混合料抗冻性能分析,宏观唯象多孔沥青混合料冻融损伤力学分析,沥青与集料界面粘结力学性能,界面粘结性能与混合料冻融耐久性,1、沥青与集料界面粘结性能试验方法,对于多孔沥青混合料，我国公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）推荐采用14m,20m,一、沥青与集料界面粘结性能试验方法,Marek, C.R., and M. Herrin. Tensile Behavior and Failure Characteristics of Asphalt Cements in Thin Films.

16、Proceedings, Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 37, 1968, pp. 386-421.,石料,石料,2、集料试样的制备,玄武岩,花岗岩,花岗岩,玄武岩,一、沥青与集料界面粘结性能试验方法,2D扫描电镜,3D原子力显微镜,3、试验系统DSR（动态剪切流变仪）,一、沥青与集料界面粘结性能试验方法,一、沥青与集料界面粘结性能试验方法,4、界面粘结试验系统受力特性与有效性分析,不同厚度沥青薄膜的力学性能,当沥青膜足够厚时，对界面剪切模量影响较小。,二、沥青与集料界面疲劳力学性能,界面疲劳试验条件,0.01Hz,加载波形

17、：,加载频率：,集料：,花岗岩、玄武岩,结合料：,PG64-22（未老化、短期老化、长期老化）、橡胶沥青（未老化、短期老化、长期老化）,二、沥青与集料界面疲劳力学性能,界面疲劳试验条件,结合料模量下降到50%初始模量所对应的加载次数为疲劳寿命,二、沥青与集料界面疲劳力学性能,疲劳损伤模型与寿命预估,应力型疲劳损伤方程,二、沥青与集料界面疲劳力学性能,沥青与集料界面粘结疲劳性能分析,花岗岩,花岗岩与PG64未老化沥青界面疲劳寿命曲线,花岗岩与不同沥青20度下界面疲劳寿命曲线,温度与施加应力对界面粘结疲劳性能有较大影响,二、沥青与集料界面疲劳力学性能,沥青与集料界面粘结疲劳性能分析,玄武岩,玄武岩

18、与PG64未老化沥青界面疲劳寿命曲线,玄武岩与不同沥青20度下界面疲劳寿命曲线,二、沥青与集料界面疲劳力学性能,沥青与集料界面粘结疲劳性能分析,两种岩石对比,当沥青为基质沥青时，自身的粘度较小，与其粘结的岩石材料类型影响较大，此时玄武岩与沥青间具有更好的界面疲劳性能。当结合材料粘度较大时，两者间界面性能主要取决于沥青，岩石成分的作用减小。,三、沥青与集料界面开裂力学性能,沥青与集料界面开裂试验简介,临界应变能密度（critical strain energy density，CSED),能量更好地反映材料抵抗破坏的能力,三、沥青与集料界面开裂力学性能,不同集料与沥青界面开裂性能,玄武岩,玄武岩

19、与未老化PG64及橡胶沥青界面CSED,玄武岩与未老化PG64及橡胶沥青界面剪切强度,橡胶沥青具有较好疲劳寿命的原因主要在于其大的应变值,三、沥青与集料界面开裂力学性能,不同集料与沥青界面开裂性能,玄武岩与不同沥青界面系统临界应变能密度20度主曲线,花岗岩与不同沥青界面系统临界应变能密度20度主曲线,橡胶沥青具有更大的临界应变能密度（CSED）,三、沥青与集料界面开裂力学性能,更低温度下沥青与集料界面开裂性能仪器限制，一般不易进行,冻融环境中混合料内部温度一般高于当量脆点，显示出粘弹性,三、沥青与集料界面开裂力学性能,低温下沥青与集料界面开裂性能,玄武岩与PG64-未老化,玄武岩与PG64-短

20、期老化,玄武岩与PG64-长期老化,玄武岩与橡胶沥青-未老化,玄武岩与橡胶沥青-短期老化,玄武岩与橡胶沥青-长期老化,二、沥青与集料界面开裂力学性能,低温下沥青与集料界面开裂性能,花岗岩与PG64-未老化,花岗岩与PG64-短期老化,花岗岩与PG64-长期老化,花岗岩与橡胶沥青-未老化,花岗岩与橡胶沥青-短期老化,花岗岩与橡胶沥青-长期老化,三、沥青与集料界面开裂力学性能,低温下沥青与集料界面开裂性能,两种岩石与PG64临界应变能密度-10主曲线,两种岩石与橡胶沥青临界应变能密度-10主曲线,在低温下长期老化不利于沥青与集料间的界面粘结性能,四、沥青与集料界面性能,相对于PG64-22沥青，橡胶沥青与集料间有着更佳的界面粘结性能；沥青的短期老化有助于改善两者之间粘结性能，长期老化的作用相反。,当沥青粘度较小时，与其粘结的岩石材料化学成分影响较大。当胶结材料粘度较大时，两者之间的界面性能主要取决于沥青自身的特性，岩石成分作用减小。,我国粘附性试验方法与标准主要关注高温下沥青与集料间的粘附性能，对于低温下的性能较少涉及 低温粘附性试验,当温度较低时，集料类型与结合料老化与否的影响均降低，沥青类型决定了与集料间的界面粘结性能。,主要内容,研究背景,多孔沥青混合料抗冻性能分析,宏观唯象多孔沥青混合料冻