（道路与铁道工程专业论文）沥青混合料疲劳损伤机理研究.pdf

摘要 疲劳开裂是沥青路面主要结构破坏形式之一。进行沥青混合料疲劳性能的研 究，改善沥青混合料的耐疲劳性能，可以延长沥青路面的使用寿命。现象学法是 国内外研究沥青混合料疲劳性能的主要方法。不同试验方法和试验条件下获得相 同沥青混合料的疲劳寿命往往不同，影响评价的客观性。本文在沥青混合料弯曲 疲劳试验基础上，基于疲劳损伤理论对沥青混合料的疲劳机理进行了初步探索， 探索不同试验方法之间内在联系。 首先，对a c l 3 、a c 2 0 、a t b 2 5 三种沥青混合料试件进行不同条件下的常应 力小梁弯曲疲劳试验及常应变小梁弯曲疲劳试验，分别建立了其疲劳方程。并分 析了试验温度、荷载频率等对沥青混合料疲劳寿命的影响。 然后，定义了弹性损伤参量，并分析了沥青混合料疲劳过程中的损伤演化规 律，认为在不同疲劳试验中，沥青混合料试件都具有从迁移阶段、稳定阶段到加 速阶段的破坏过程。从损伤角度分析了沥青混合料的疲劳过程，定义了新的疲劳 破坏标准。 最后，通过理论分析和疲劳试验，建立了与荷载控制模式、试验温度、试验 加载频率等试验条件无关的沥青混合料疲劳损伤模型。 关键词：沥青混合料；疲劳寿命；破坏标准；机理；损伤量；疲劳模型 a b s t r a c t f a t i g u ec r a c k i n gi so n eo f m a i nd e s t r u c t i o nf o r m so fa s p h a l tp a v e m e n t r e s e a r c h o nf a t i g u ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ec a ni m p r o v et h ea n t i - f a t i g u ep e r f o r m a n c eo f a s p h a l tm i x t u r ea n dp r o l o n gt h es e r v i c el i f eo fa s p h a l tp a v e m e n t t h ep h e n o m e n o l o g i c a l f a t i g u em o d e li sm a i n l yu s e dt os t u d ya s p h a l tm i x t u r ef a t i g u ep e r f o r m a n c eb o t hi n d o o r a n da b r o a d f a t i g u e l i f ei so f t e nd i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n tt e s tm e t h o d sa n dt e s t c o n d i t i o n sf o rt h es a m ea s p h a l tm i x t u r e ，w h i c hw i l la f f e c tt h eo b j e c t i v i t yo fe v a l u a t i o n b a s e do nt h ea s p h a l tb e a mb e n d i n gf a t i g u ee x p e r i m e n t sa n dt h et h e o r yo fa s p h a l t f a t i g u ed a m a g e ，t h ef a t i g u em e c h a n i s mo fa s p h a l tm i x t u r ew a se x p l o r e dp r e l i m i n a r y , t h ei n t r i n s i cl i n kw a sf o u n db e t w e e nd i f f e r e n tt e s t i n gm e t h o d s f i r s t l y , e x p e r i m e n t so fc o n s t a n ts t r e s sa n ds t r a i nb e a mb e n d i n gf a t i g u eu n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n sf o ra c 13 ，a c 2 0 ，a t b 2 5a s p h a l tm i x t u r ew e r ec a r r i e do n f a t i g u e e q u a t i o n so fs t r e s s - f a t i g u el i f ea n ds t r a i n f a t i g u el i f ew e r ee s t a b l i s h e d a n da n a l y s i so f t h ei m p a c to nt h ea s p h a l tm i x t u r ef a t i g u el i f eu n d e rd i f f e r e n te x p e r i m e n tt e m p e r a t u r e a n dl o a df r e q u e n c y t h e n ，t h ef l e x i b l ed a m a g ep a r a m e t e rw a sd e f i n e d ，t h ef a t i g u ee v o l u t i o nr e g u l a t i o n o fa s p h a l tm i x t u r ei nt h ep r o c e s so fd i f f e r e n tf a t i g u ee x p e r i m e n t sw a sa n a l y z e d i tw a s c o n s i d e r e dt h a tt h ea s p h a l tm i x t u r eh a st h ef a i l u r ep r o c e s sf r o mm o v i n gp h a s e ，s t a b i l e p h a s et oa c c e l e r a t ep h a s e f a t i g u ep r o c e s so fa s p h a l tm i x t u r ef r o mt h ep o i n to ff a t i g u e d a m a g ew a sa n a l y z e da n dn e w f a i l u r ec r i t e r i o nw a sd e f i n e d f i n a l l y , b yt h e o r ya n a l y s i sa n df a t i g u ee x p e r i m e n t s ，t h ef a t i g u ed a m a g ee q u a t i o no f a s p h a l tm i x t u r e ，w h i c hw a si r r e s p e c t i v ew i t ht h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n ss u c ha sl o a d i n g c o n t r o lm o d e , e x p e r i m e n tt e m p e r a t u r e ，e x p e r i m e n tl o a d i n gf r e q u e n c ya n ds oo n , w a s e s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ；f a t i g u el i f e ；f a i l u r ec r i t e r i o n ；m e c h a n i s m ；c u m u l a t i v e d a m a g e ；f a t i g u em o d e l 重庆交通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，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 一虢黟 日期：脚年少月沙日 重庆交通大学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。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部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。 糊躲高疹 日期：蛔年哆月w 日 燧名翰 日期：阳毽年v 月叫日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 2 0 世纪9 0 年代以来，我国的高等级公路建设日新月异，其中绝大部分的高等 级道路采用沥青路面。在长期交通荷载反复作用下，沥青路面产生疲劳破坏，从 而导致整个路面机构失效。由于疲劳开裂是沥青路面主要破坏形态之一，许多国 家和机构的沥青路面结构设计方法中，都将沥青处治层的疲劳破坏作为结构厚度 设计的主要控制性破坏模式。 进行沥青混合料的疲劳性能的研究，改善沥青混合料的耐疲劳性能，可以延 长沥青路面的使用寿命，从而节约建设养护费用，大大提高道路，尤其是高等级 道路的社会效益和经济效益。据估算目前一条高速公路路面延长使用一年，就可 以产生数千万元的直接经济效益。因此，多年来沥青混合料的疲劳性能研究一直 受到国内外广泛关注。 目前，现象学方法是国内外研究者研究沥青混合料疲劳性能的主要方法。研 究人员开发了多种沥青混合料疲劳试验设备和方法，通过大量沥青混合料试件的 疲劳试验，建立沥青混合料承受的拉应变或拉应力与试件失效前承受的累计荷载 作用次数之间的关系，并以此来分析混合料疲劳性能，预测沥青混合料疲劳寿命。 现象学方法简便直观，能够直接应用于路面结构设计。然而这种方法存在以下缺 陷： 。 其一，仅考虑初始力学响应与疲劳寿命之间关系，不能描述沥青混合料的疲 劳演化过程，对于沥青路面如何产生疲劳以及破坏后的材料及结构特性不能很好 地进行解释。 其二，判别疲劳破坏的标准有待商榷，在常应力疲劳试验中一般以试件断裂 为破坏标准，而常应变疲劳试验中则以试件劲度模量下降到初始劲度的一定比例 作为破坏标准，实际上不同的研究者采用的破坏标准也并不相同。 其三，现象学方法的疲劳试验种类繁多。在不同试验方法、不同试验条件下 获得的同一种沥青混合料的疲劳寿命有很大差异，试验数据不具可比性，给沥青 混合料疲劳性能的研究造成障碍。现象学方法不能解释不同疲劳试验方法之间的 内在联系，这造成了不同机构采用的路面疲劳设计准则大相径庭，影响了沥青路 面结构设计的合理性。 因此，本文在沥青混合料疲劳试验基础上，基于疲劳损伤理论，更深入地研 究沥青混合料的疲劳机理，探索其疲劳演化规律，考察不同疲劳试验方法之间的 内在联系，并在此基础上选择更科学的疲劳失效判别标准，建立与试验条件、试 验方法、试验参数无关的统一疲劳模型，从而更客观准确地评价沥青混合料疲劳 第一章绪论 2 性能，并为沥青路面的耐疲劳结构设计提供理论依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 沥青混合料疲劳性能试验研究 目前，对沥青混合料的疲劳性能研究方法主要有：断裂力学方法和能耗方法、 现象学方法。 1 断裂力学方法 断裂力学方法认为疲劳时材料初始微裂缝，在荷载作用下扩展直至破坏的过 程，在一定裂缝张口宽度和长度的情况下，应用断裂力学原理计算裂缝尖端应力 强度因子，它决定了疲劳试验中裂缝的扩展，一般认为p a d s 方程较好的描述了裂 缝扩展与应力强度因子的关系。断裂力学方法只能考虑稳态裂缝扩展，并且由于 沥青混合料的粘性、弹性、塑性的特点，其应力强度因子k l 在高温时并非常数， 从而使其应用受到局限。 2 能耗方法 能耗方法是以能耗表征沥青疲劳损伤，假定疲劳寿命依赖于每次荷载作用产 生能耗的累积。通过疲劳试验建立不同应变水平下沥青混合料的疲劳寿命和达到 疲劳破坏时的累积能耗的关系，以此来评价沥青混合料疲劳性能。 c h o m t o nv a l a g c r 在1 9 7 2 年指出，累积能耗是预测疲劳寿命的唯一独立因素， 似乎不依赖于沥青混合料的类型。同年，v a nd i j k 等人根据不同类型的沥青混合料， 不同的试验温度以及不同的加载频率的试验结果报告了类似的结论。1 9 7 5 年和 1 9 7 7 年，v a nd i j k 等人又发现累计能耗和疲劳寿命的关系与沥青混合料的类型有 关，但与试验方法( 两分点或三分点) 、试验温度( 1 0 和4 0 。c ) 、荷载类型( 控 制应力或控制应变) 无关，并给出了代表不同沥青混合料的直线斜率，也就是方 程形，= a n ；中z 值。t a y e b a l i 于1 9 9 2 年报告，斜率z 与试验温度有关，无论是疲 劳寿命还是累积能耗对于混合料变量沥青类型、骨料类型和空隙率，对于试 验变量温度、应力或应变水平都是敏感的。在许多情况下，沥青类型、骨料类型、 空隙率，沥青含量与温度都有显著的相互作用，因此，累积能耗和疲劳寿命的关 系与温度有关。 3 现象学方法 现象学方法是传统的疲劳试验方法，现象学方法认为，沥青混合料的疲劳是 材料在荷载重复作用下产生不可恢复强度衰减累积引起的现象。沥青层底水平拉 应变与路面出现裂缝时所承受的重复荷载作用次数有关，通过疲劳试验建立沥青层 应力( 应变) 与疲劳寿命的关系，一般应用梅纳线性损伤累积法则进行疲劳损伤累 积。 第一章绪论 沥青混合料疲劳试验方法可分为试验路、加速加载试验和室内试件疲劳试验 三类。前两类试验方法可以更好地模拟路面实际工作状况，试验结果具有较高的 可靠性，然而由于耗资大，周期长，其应用受到限制。虽然室内试件疲劳试验状 态与路面实际状态有较大差异，但由于耗资少，周期短，作为相对评价沥青混合 料疲劳性能的方法，仍然得到广泛应用。 沥青混合料室内小型疲劳试验的方法很多，主要有弯曲疲劳试验、直接拉伸 疲劳试验、间接拉伸疲劳试验、支承弯曲疲劳试验、三轴疲劳试验、室内轮碾疲 劳试验等。 加州伯克利分校、美国地沥青协会、s h r p 等采用三分点小梁弯曲疲劳试验， 但试件尺寸各不相同。壳牌试验室( 荷兰) 采用中点小梁弯曲疲劳试验对沥青混 合料的疲劳性能进行研究，v a nd i j k 、v e r s t r a e t e n 和法国l c p c 则采用梯形悬臂梁 弯曲试验，英国诺丁汉大学p e l l 等人还采用旋转悬臂梁弯曲疲劳试验进行研究。 k e n n e d y , s e h o l z ，k h o s l as c h m i d t 等对间接拉伸( 劈裂) 疲劳试验进行了研究。我国 沥青路面设计规范中提出的沥青层疲劳标准也是根据间接拉伸疲劳试验获得【l 】。此 外，我国的东南大学、华南理工大学、长沙理工大学等都采用了三分点小梁弯曲 疲劳试验对沥青混合料性能进行研究。 s h r p 对不同试验方法的优缺点进行了分析，并从对现场情况的模拟程度、试 验结果的可应用性、试验方法的简便性、现场修正因素等几方面对不同试验方法 进行综合评价。评价结果认为小梁重复弯曲试验最能代表实际路面的受力状况， 试验结果可直接用于设计，是疲劳试验的首选方法。 然而，小梁弯曲疲劳试验荷载控制模式主要有两种：常应力模式和常应变模 式。常应力疲劳试验是指在试验时保持作用应力即荷载不变，随着荷载的重复作 用次数的增加，混合料强度逐渐减小，因此混合料的应变逐渐增大，直至试件断 裂为止。达到破坏的应力重复作用的总次数就是混合料的疲劳寿命。控制应变试 验就是指在试验的时候，保持作用的应变不变。随着作用荷载重复次数的增加， 混合料的强度下降，为了保持应变不变，作用荷载将逐渐减小，应力变小。荷载 模式在反映沥青混合料疲劳特性方面有显著差异：由应力控制的疲劳试验得到 的疲劳寿命要比应变控制的疲劳试验得到的疲劳寿命小得多。两者之间疲劳寿命 的差值，随试件所处的温度条件而有所不同，低温时差值甚小，高温时差值较大。 s h r p 研究表吲2 】：在相同条件下，应变控制模式的疲劳试验所得到的疲劳寿命约 等于2 4 倍应力控制的疲劳寿命。在给定的应力( 或应变) 水平下，控制应力的 疲劳试验，较高劲度的混合料具有较大的疲劳寿命。控制应变的疲劳试验，较高 劲度的混合料却表现了较小的疲劳寿命【3 】。 对于试验模式的选择并没有一个确切的定论。长沙理工大学的刘峰通过对壳 第一章绪论4 牌s b s 、壳牌宽域沥青( m u l t i p h a l t e ) 、改性沥青( c a r i b i t ) 、及壳牌重交a h 7 0 样3 种沥 青拌制的a k 1 3 型沥青混合料小梁在两种控制模式下的小梁弯曲疲劳试验和a p a 疲劳试验的试验结果进行理论分析、比较，认为沥青混合料疲劳试验中采用应力 控制模式较为合理性 4 1 。而东南大学的葛折圣通过分析沥青路面的沥青稳定基层疲 劳时的应力应变状态，及这种应力应变状态与疲劳试验的荷载控制模式的关系， 认为沥青稳定基层的应力应变状态更接近于应变控制模式疲劳试验的工作状态，因 此，沥青稳定基层混合料的疲劳试验宜采用应变控制的荷载模式【5 】。 1 2 2 沥青混合料疲劳模型 沥青混合料疲劳性能的研究国外已有4 0 余年的历史，主要有英国诺丁汉大学、 加利福弗尼亚大学、英荷壳牌石油公司、美国俄亥俄州大学等【6 】。 英国诺丁汉大学的e s p e l l 和s e b r o w n 从5 0 年代末期就开始进行沥青混合料 疲劳特性的研究，进行了上千次疲劳试验，涉及的混合料类型达5 0 多种，最后得 出了英国设计规范所用的疲劳方程： 对于密级配沥青碎石： l g 厂。一9 3 8 - 4 1 6 l g e ( 1 1 ) 对于密级配沥青混凝土： l g n r2 9 7 8 4 3 2 1 9 6 ( 1 2 ) 式中：川，道路的使用寿命( 以标准轴次计) ； g 标准轴载作用下，沥青层底面的水平拉应变。 诺丁汉大学还建立了拉应变、疲劳荷载作用次数、沥青含量和软化点的关系： 19t,：143919va+242t肋-407-19n 一 5 3 1 1 9 v a + 8 6 3 1 9 t 肋一1 5 8 ( 1 3 ) 匕：盟 九 ( 1 _ 4 ) 式中：5 ，允许拉应变； 荷载作用次数； y 沥青体积百分率( ) ； 1a 油石比( ) ； ，混合料毛体积相对密度； 7 n 沥青的相对密度； 肋环球法沥青软化点( ) 。 美国加利弗尼亚大学伯克利分校进行了大量的室内研究，并通过室外足尺试 验对室内疲劳规律进行了验证。大量的研究结果总结出的沥青混合料疲劳方程反 映在美国沥青协会的路面设计方法中： 第一章绪论 以= 0 2 6 5 9 x c x ( 4 3 2 5 1 0 。3 啦9 1 s 。吨8 “) c = 1 0 ” ( 1 - 5 ) m = 4 8 4 ( v 。( v o + 一) 一0 6 8 7 5 ) 式中：嘞弯拉应变； o m 沥青混合料劲度模量或复数模量( m p a ) ； 7 a 沥青体积百分率( ) ； yv 空隙率( ) 。 在“s h r p ”计划中，加州大学又深入分析了影响沥青混合料疲劳性能的各种 因素，包括：试件的成型方法、加载方式、混合料变量( 沥青粘度、沥青用量、 集料级配、空隙率、温度) 和疲劳试验方式的基础上，在开展扩大试验计划后， 汇总了室内疲劳试验资料，得出下列回归方程： n f = 2 7 3 8 1 0 5e x p 0 , 0 7 7 v f a ( b 。) 矗6 2 4 ( s 。) 之7 2 0 ( 1 - 6 ) y v f a = ：! 圪+ k ( 1 - 7 ) 式中：州，疲劳寿命； s 0 初始应变( 时时) ； s o 初始劲度模量( p s i ) ； v f a 沥青饱和度( ) ； y a 沥青体积百分率( ) ； y v 空隙率( ) 。 s h e l l 石油公司的研究人员从1 9 6 0 年开始进行了大量的研究，在1 9 8 1 年版设 计方法中，采用下列疲劳方程： ，= ( o 8 5 6 。8 秽 ( 1 - 8 ) 式中：o 肼沥青混合料的劲度模量( p a ) ： 5 ，反复弯拉应变的大小( m m m m ) ； 7 a 沥青体积百分率( ) 。 俄亥俄州大学从裂纹的扩展规律出发来研究疲劳性能。应用断裂力学方法的 疲劳寿命的定义是在一定的应力状态下，材料的损坏按照裂缝扩展定律，从初始 状态增长到危险和临界状态的时间。通过对已有的疲劳裂缝扩展规律试验结果的 对比分析，认为p c p a r i s 的裂缝扩展规律最适合于沥青混合料的情况。根据 第一章绪论6 p c p a r i s 的理论，裂缝扩展规律公式为： d c ：a k m( 1 9 ) 积 式中：c 裂缝长度( i 衄) ； 荷载作用次数； a ，m 材料常数； k 应力强度因子，与荷载、试件几何尺寸和边界条件有关的常数。 加州大学伯克利分校及其他研究人员认为疲劳试验中的总能耗和循环荷载的 重复作用次数之间存在着某一特定关系，通过试验研究还提出一种新的疲劳响应 模型，即能耗疲劳方程，用能量法来研究沥青混合料的疲劳特性。s h r p 在压实沥 青混合料重复弯曲疲劳寿命测定的标准试验方法( s h r p m 0 0 9 ) 中还给出累积消 散能及消散能累积到破坏时的计算方法。但是正如c u m o n i s m i t h 等人在“沥青混 合料疲劳反应综述”s h r p a 3 1 2 一文中所指出的：至今为止，仅在弯曲疲劳试验 上考虑使用消散能理论，尚需进一步研究它能否用于其它类型疲劳试验和沥青路 面疲劳设计中。 国内的研究工作起步相对较晚，但也做了大量的研究工作。我国9 7 年沥青 路面设计规范考虑了沥青层的疲劳问题【7 1 ，在交通部科研项目“沥青路面设计指标 与参数的研究”中选用茂名6 0 # 、胜利1 0 0 # 、辽河1 4 0 # 三种国产沥青，配制中粒 式和粗粒式两种级配的沥青混凝土试件，用m t s 试验机以应力控制方式，在5 种 温度条件下( 2 5 、1 5 、o 、5 c 、1 5 ) 进行间接拉伸疲劳试验，施加半正 弦波荷载，加载频率为1 0 h z 。根据试验结果分析，推荐的疲劳方程为： n ，= 2 8 0 0 - - 4 5 ， ( 1 1 0 ) 式中，o 为沥青层拉应力。 同济大学2 0 0 0 年在交通部科技项目“沥青混合料动态性能参数标准，研究中【引， 对采用进口沥青的三种级配沥青混合料( a c 2 5 ，a c 2 0 ，a c l 2 ) 进行了常应力弯曲疲 劳试验研究。他们还根据荷载间歇时间、荷载横向分布和不利季节天数对室内疲 劳模型进行了现场修正，得到疲劳模型为： n ，= 8 0 5 x 1 0 6 a ，a 。仃- 4 1 。7 ( 1 1 1 ) 式中，爿为沥青类型系数，若以e s s o 沥青类型系数为1 ，则s h e l l 沥青类型 系数为4 ，韩国沥青类型系数为5 ；a 。为沥青混合料级配系数，参考规范取值。 华南理工大学综合国内外多个研究项目的四点弯曲疲劳试验结果【9 】，建立了以 单轴动态压缩模量和沥青饱和度为控制指标的疲劳模型： n i = 4 6 5 5 1 0 1 9 ( 三) 3 用7 ( 去) 1 。2 7 8 ( 1 1 2 ) 第一章绪论 7 n i = 2 9 2 0 1 0 1 6 ( ) 3 7 3 ( 去) 1 。5 7 9 ( v f a ) 2 m o ( 1 1 3 ) l凸 r 其中， ，疲劳破坏时的荷载破坏次数； e 施加的拉伸应变值( 微应变，1 0 - 6 r a m r a m ) ： e 混合料的单轴动态压缩模量( m p a ) ； v f a 沥青饱和度( ) 。 综上所述，多年来，国内外对沥青混合料疲劳性能进行了广泛深入的研究。 采用不同疲劳试验方法评价了沥青混合料疲劳性能，不同的研究机构也建立了不 同的疲劳模型。然而采用不同的试验方法评价同一种沥青混合料疲劳性能却往往 得到不同结果，这也是造成不同国家和机构采用的疲劳模型差别很大的重要原因。 为了解决这个问题研究者试图从断裂力学能耗理论等入手试图分析沥青混合料疲 劳机理，进而建立独立于试验条件的疲劳模型，然而并未得到满意的结果。 1 3 本文主要研究内容 针对上述沥青混合料疲劳性能研究方面的不足，本文拟从损伤角度对沥青混 合料疲劳机理进行探索。主要研究内容如下： 1 沥青混合料常应力小梁弯曲疲劳试验研究 对a c l 3 、a c 2 0 、a t b 2 5 等几种沥青混合料试件进行不同条件下的常应力小 梁弯曲疲劳试验研究，建立相应的疲劳方程，并分析不同试验条件对混合料常应 力弯曲疲劳寿命的影响规律。 2 沥青混合料常应变小梁弯曲疲劳试验研究 对a c l 3 、a c 2 0 、a t b 2 5 等三种沥青混合料试件进行不同条件下的常应变小 梁弯曲疲劳试验研究，建立相应的疲劳方程，并分析不同试验条件对混合料常应 变弯曲疲劳寿命的影响规律。结合常应力小梁弯曲疲劳试验研究，对不同荷载控 制模式下的沥青混合料疲劳试验规律进行对比分析。 3 沥青混合料疲劳损伤规律 根据弹性损伤理论，选择了沥青混合料疲劳损伤参量，在此基础上对不同荷 载控制模式下的小梁弯曲疲劳损伤演化过程进行了分析，讨论了疲劳破坏标准。 4 沥青混合料统一疲劳模型 在沥青混合料疲劳损伤分析基础上，建立了单位次数荷载作用下造成材料损伤 量a dp ，与疲劳寿命d 之间关系，并评价了该模型的独立性。 第二章沥青混合料常应力小梁弯曲疲劳试验研究 9 第二章沥青混合料常应力小梁弯曲疲劳试验研究 沥青混合料的小梁弯曲疲劳试验有常应力和常应变两种荷载控制模式。常应 力疲劳试验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。常应变疲劳试验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，一般定义当沥青混合料劲度下降到某个值时作为试件破坏标准。本 章主要进行沥青混合料常应力小梁弯曲疲劳试验研究。 2 1 试验材料 2 1 。1 沥青 选用中海7 0 号沥青，其指标试验结果见表2 。1 ，符合重交通道路石油沥青质 量要求。 表2 。| 中海7 0 # 重交通沥青技术指标 t a b l e2 1z h o n g - h a i7 0 # a s p h a l tt e c h n i q u ei n d e xo f h e a v yt r a f f i c 项目试验结巢 针入度( 1 1 0 r a m ) p ( 2 5 c ，1 0 0 9 ，5 s ) 7 4 d ( 5 c m m i n 。1 0 c ) 1 0 0 延度( 锄) d ( , s c m m i n ，1 5 ) 1 5 0 软化点c4 7 2 闪点( 开口) 2 9 6 溶解度( 三氯化烯) 9 9 9 7 密度( ) ，g c m 3 1 0 0 3 d ( 5 c m m i n ，1 0 )9 2 薄膜 延度( c m ) 烘箱d ( 5 c m m i n ，1 5 ) 1 0 0 针入度 6 6 质量变化 0 0 2 6 3 2 1 2 集料 试验用集料为重庆南山产的石灰岩，分别采用表干法和容量瓶法测试了粗细集料密度， 详见表2 2 、袭2 3 。填料采期石灰岩磨细的矿粉，表观密度为2 5 5 0g r a m 3 。 第二章沥青混合料常应力小梁弯曲疲劳试验研究 l o 表2 2 粗集料表观相对密度( 表干法) t a b l e2 2a p p a r e n tr e l a t i v ed e n s i t yo fc o a r s ea g g r e g a t e ( s a t u r a t e ds u r f a c ed r ym e t h o d ) 粒径( m m )2 6 5 1 9 1 6 1 3 2 9 5 4 7 5 密度( g r a m 3 ) 2 7 3 32 7 3 6 2 7 3 4 2 7 3 1 2 7 3 3 2 7 5 l 表2 3 细集料表观相对密度( 容量瓶法) t a b l e2 3a p p a r e n tr e l a t i v ed e n s i t yo ff m ea g g r e g a t e ( v o l u m e t r i cf l a s km e t h o d ) 粒径( n u n ) 2 3 61 1 8o 6o 30 1 50 0 7 5 密度( g r a m 3 ) 2 7 1 42 6 9 02 6 9 02 6 9 22 7 4 72 6 1 0 2 1 3 矿料级配 为了使研究级配具有代表性，分别采用了三种级配类型：a c l 3 、a c 2 0 、a t b 2 5 。 具体集料级配见表2 4 。 表2 4 试验集料级配 t a b l e2 4t e s ta g g r e g a t eg r a d i n g 级配 通过下列筛孔( r a m ) 的质量百分率( ) 类型3 1 52 6 51 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 80 6o 3o 1 50 0 7 5 a t b 2 51 0 09 57 05 85 24 23 02 3 51 7 51 39 56 54 a c 2 0 1 0 01 0 0 9 58 57 1 6 l 4 13 0 2 2 51 6 1 1 8 55 a c l 3 1 0 01 0 01 0 01 0 09 57 6 5 5 33 7 2 6 51 91 3 51 06 2 2 混合料最佳沥青用量的确定 马歇尔法是目前世界各国普遍采用的确定沥青混合料最佳沥青用量的方法， 该方法简单，易于操作。本文也采用马歇尔法分别确定上述三种沥青混合料的最 佳沥青用量。 三种混合料不同沥青用量时马歇尔试验结果见表2 5 。分别绘制沥青用量与密 度、空隙率、饱和度、稳定度及流值关系图，按公路沥青路面施工技术规范 ( j t j 0 3 2 9 4 ) 方法确定最佳沥青用量【1 0 】，结果见表2 6 。 第二章沥青混合料常应力小梁弯曲疲劳试验研究 11 表2 5 混合料马歇尔试验结果 t a b l e2 5r e s u l t so f m i x t u r em a r s h a l le x p e r i m e n t 毛体积密度理论密度 v v卵l 搿网 稳定度流值沥青用量 级配类型 ( g c m 3 )( g c m 3 )( )( )( )( k n )( 0 1 m m )( ) 2 3 7 32 5 3 36 31 5 65 9 61 1 7 32 4 3 34 0 2 3 8 l 2 5 1 5 5 3 1 5 86 6 51 2 6 03 0 7 04 5 a c l 3 2 3 8 82 4 9 34 21 5 97 3 61 2 8 33 5 9 55 o 2 4 0 02 4 7 43 o1 6 o8 1 31 2 4 03 9 5 55 5 2 3 9 62 4 5 52 41 6 68 5 51 1 4 7 5 2 7 36 0 2 3 9 62 5 1 24 61 4 66 8 58 2 72 5 3 33 0 2 3 92 5 6 46 81 3 44 9 31 0 4 33 5 1 5 3 5 a c 2 02 4 0 4 2 5 4 4 5 5 1 3 76 4 21 1 2 l3 3 7 04 o 2 4 l2 5 3 44 91 4 06 8 71 1 5 04 0 0 04 5 2 4 1 52 5 1 84 11 4 77 2 21 1 7 25 9 5 05 o 2 3 9 22 5 8 97 61 3 8 44 5 11 0 2 33 1 12 5 2 4 1 92 5 6 85 81 3 35 6 41 0 4 23 4 53 o a t b 2 52 4 3 52 5 4 74 61 3 26 5 21 1 1 2 5 4 7 3 5 2 4 3 l2 5 2 73 81 3 6 27 2 11 0 8 84 1 84 0 2 4 2 42 5 0 73 31 47 6 41 0 44 24 5 表2 6 马歇尔试验确定的混合料最佳沥青用量 t a b l e2 6o p t i m a lb i t u m i n o u sd o s a g eo fm a r s h a l le x p e r i m e n t 级配类型 最佳沥青用量 ， a c 1 35 o a c 2 0 4 5 a t b 2 53 2 由表2 6 可以看出，随着集料公称粒径的增大，沥青混合料的最佳沥青用量 逐渐减小。 2 3 常应力小梁弯曲疲劳试验 2 3 1 试验条件及试件制备 1 试验设备 试验仪器采用英国c o o p e rr e s e a r c ht e c h n o l o g y 有限公司制造的c o o p e r 疲劳试 验机，气动施加荷载，试验设备如图2 1 及图2 2 所示。 第二章沥青混合料常应力小梁弯曲疲劳试验研究 1 2 图2 1c o o p e r n u 材料试验机 f i g 2 1c o o p e rn u m a t e r i a lt e s tm a c h i n e 图2 2 四点弯曲装置详图 f i g 2 2f o u r - p o i n tb e n d i n gs e t t i n g 根据试验方案进行试验参数设定，通过计算机控制启动疲劳试验。试验过程 中，计算机控制系统自动控制加载，读取力传感器和位移传感器数值，在屏幕上 实时显示各参数的变化情况。数据采集系统自动读取第1 0 0 个加载循环时劲度模 量。大约每隔5 0 个循环自动记录一次数据。其中应变控制模式下的试验，当所测 得的劲度模量下降至所设定的初始劲度模量的百分比时，试验自动停止；应力控 制模式下的试验当试件完全断裂是试验自动停止。所记录的数据包括：加载次数、 应力值、应变值、劲度模量、模量百分率、滞后角、耗散能等。计算机控制系统 界面如图2 - 3 所示。 i t 图2 3 数据采集系统界面 f i g 2 3d a t ac o l l e c t i o ns y s t e m 2 试验参数 ，一!y = = = 广一一广一一7 、一 i - 、l 一7 弯拉应力 一 图2 4 三分点小梁弯曲疲劳试验 f i g 2 4f a t i g u ee x p e r i m e n to ft h r e e - p o i n tb e a mb e n d i n g 一糌一一一一一一 第二章沥青混合料常应力小梁弯曲疲劳试验研究1 3 加载方式：常应力、三分点加载( 图2 4 为加载示意图) ，加载点间距为1 1 8 5 m m ； 荷载波形：正弦波形； 荷载频率：5 h z 、1 0 h z 、1 5 h z ； 试验温度：5 c 、1 5 ； 所有沥青混合料试件均在环境温控箱内养护4 小时以上。以使试件内部温度 均达到试验要求温度。 应力比：0 2 、0 3 、0 4 、0 5 、0 6 。 3 试件制备 试件和成型方法：按公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) t 0 7 0 3 9 3 规定的轮碾压实并切割成小梁的方法成型试件1 1 】，小梁尺寸长宽高 为4 0 0 m m 6 0 m m 5 0 m m ，两端支点距离3 5 5 5 m m 。 2 3 2 沥青混合料弯拉强度试验 为了获得沥青混合料极限弯拉强度，参照“公路工程沥青及沥青混合料试验规 程”( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) t 0 7 1 5 1 9 9 3 “沥青混合料弯曲试验”所规定的方法进行了小梁弯 拉强度试验【l l 】。 其中，小梁底部弯拉应变及弯拉应力值可通过下式计算得到。 吼：g o 了p 1 0 6 ( 2 1 ) 6 q = 确1 2 ( 5 h l u “6( 2 - - ) g = _ j l 。 l， ( 3 锘一4 鲜) 式中：，试件底部总弯拉应变； 仉试件底部弯拉应力； p - 荷载( k n ) ； 6 小梁中间挠度( m m ) ； h 跨中断面试件的高度( 本研究为5 0 m m ) ； b 一式件的宽度( 4 0 0 m m ) ； u o 试件两端支点距离( 3 5 5 5 m m ) ； q 中间支点距离( 1 1 8 5m m ) 。 不同混合料的弯拉强度见表2 7 。 第二章沥青混合料常应力小梁弯曲疲劳试验研究 1 4 表2 7 沥青混合料弯曲试验结果 t a b l e2 7b e n d i n ge x p e r i m e n tr e s u l t so fa s p h a l tm i x n l r e 最大弯拉应变 混合料类型试验温度( ) 弯拉强度( m p a )平行试件个数 ( m m m l l l ) 5 8 4 10 7 0 64 a c l 3 1 53 6 31 1 7 94 a c 2 01 53 5 60 7 7 94 a t b 2 51 53 5 60 5 5 24 由表2 7 可见，对于同一种混合料，随着试验温度的升高，沥青混合料弯拉强 度逐渐减小，弯拉应变逐渐增大。对于三种混合料，在相同的试验条件下，a c l 3 型沥青混合料的弯拉强度最大。a c 2 0 型和a t b 2 5 型沥青混合料虽然弯拉强度相 同，但a t b 2 5 型混合料的弯拉应变却小得多。而梁底部最大弯拉应变随着公称粒 径的增大呈逐渐减小趋势。 2 3 3 疲劳试验结果及分析 研究表明，同一应力比下若干试件的对数疲劳寿命表现为正态分布，而且应 力、应力比与疲劳寿命在双、单对数坐标上分别表现为直线关系，通常可用方程 2 3 、2 4 来表示： l g ，= k 一力p 仃一) ( 2 3 ) lg，=knlgo(2-4) 式中：，- 荷载作用次数； 盯一试验时所控制的小梁加载应力； 盯盯一- 试验时所控制的小梁加载应力与最大弯拉应力的比值： k 、疗一回归常数。 分别在不同试验条件下，对a c l3 型、a c 2 0 型及a t b 2 5 型三种混合料试件 进行了常应力小梁弯曲疲劳试验。下面对疲劳试验结果进行分析。 1 不同级配类型的疲劳性能 在相同的试验条件下( 1 5 、l o h z ) 对a c l 3 、a c 2 0 及a t b 2 5 三种沥青混合 料疲劳性能进行对比。 图2 5 图2 1 0 分别为a c l 3 、a c 2 0 、a t b 2 5 沥青混合料的n - - o 和n 一盯盯一 关系曲线。 第二章沥青混合料常应力小梁弯曲疲劳试验研究 1 5 6 5 5 5 4 5 z 兰 4 3 5 3 2 5 2 0 20 30 40 50 6 0 7 应力比 图2 5 单对数坐标下的a c l 3 型沥青混合料应力比一疲劳曲线 f i g 2 5s t r e s sr a t i o - f a t i g u ec u r v eo f a c 13a s p h a l tm i x t u r eo ns i n g l el o g a r i t h mc o o r d i n a t e s 5 5 5 4 5 z h 4 3 5 3 33 0 53 13 1 53 23 2 5 3 33 3 53 4 l g0 图2 6 双对数坐标下的a c l 3 型沥青混合料应力一疲劳曲线 f i g 2 6s t r e s sr a t i o f a t i g u ec u r v eo f a c13a s p h a l tm i x t u r eo nd u b l el o g a r i t h mc o o r d i n a t e s 5 5 5 4 5 量 4 3 5 3 2 5 oo 2 0 4o 60 8 应力比 图2 7 单对数坐标下的a c 2 0 型沥青混合料应力比一疲劳曲线 f i g 2 7s t r e s sr a t i o f a t i g u ec u l v eo f a c 2 0a s p h a l tm i x t u r eo ns i n g l el o g a r i t h mc o o r d i n a t e s 第二章沥青混合料常应