沥青混合料的疲劳性能

1、 1沥青混合料的疲劳性能沥青混合料的疲劳性能兰州交通大学土木工程学院兰州交通大学土木工程学院 目录目录1. 概述概述2. 材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响3. 沥青路面疲劳开裂研究方法沥青路面疲劳开裂研究方法5. 国内外研究现状国内外研究现状4. 试验结果与路用性能间的关系试验结果与路用性能间的关系 3 1.1.概述概述 随着公路交通量日益增大，汽车轴载不断增大，汽随着公路交通量日益增大，汽车轴载不断增大，汽车对路面的破坏作用变得越来越明显，路面使用期间经车对路面的破坏作用变得越来越明显，路面使用期间经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交叠变化状受车轮荷

2、载的反复作用，长期处于应力应变交叠变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超一定次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面出现裂纹，产生疲劳过强度下降后的结构抗力，使路面出现裂纹，产生疲劳断裂破坏。断裂破坏。 4 1 1. .概述概述 理论和实践都表明，在移动车轮荷载作用下，路面结构内各点处于不理论和实践都表明，在移动车轮荷载作用下，路面结构内各点处于不同的应力应变状态，如图同的应力应变状态，如图1-1,1-2所示。路面面层底部所示。路面面层底部B点处于三

3、向应力状点处于三向应力状态。路面疲劳设计大多数以面层底部拉应力或拉应变作为控制指标。态。路面疲劳设计大多数以面层底部拉应力或拉应变作为控制指标。 5 1. 1.概述概述 国内现行路面设计方法一般基于静态弹性体国内现行路面设计方法一般基于静态弹性体系模型系模型, , 而实际车轮荷载均为动态。由于路面结而实际车轮荷载均为动态。由于路面结构本身对荷载的时变因素具有相当的敏感性构本身对荷载的时变因素具有相当的敏感性, , 因因而在实际动态荷载作用下所表现出的力学性能通而在实际动态荷载作用下所表现出的力学性能通常与静态模型的情况存在较大差异常与静态模型的情况存在较大差异, , 对路面的早对路面的早期破损

4、有着不可忽视的作用。期破损有着不可忽视的作用。 6 2. 2.材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响 2.1 混合料劲度混合料劲度 从疲劳观点来看，沥青混合料的劲度模量是从疲劳观点来看，沥青混合料的劲度模量是一个重要的材料特性。任何影响混合料劲度的一个重要的材料特性。任何影响混合料劲度的变量，诸如集料与沥青的性质、沥青用量、混变量，诸如集料与沥青的性质、沥青用量、混合料的压实度与孔隙率，以及反映车辆行驶速合料的压实度与孔隙率，以及反映车辆行驶速度的加载时间和所处的环境条件等都会影响它度的加载时间和所处的环境条件等都会影响它的疲劳寿命。的疲劳寿命。 72.2.材料性

5、质对沥青混合料疲劳性能的影响材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响 根据实验，在控制应力加载模式中，疲劳寿根据实验，在控制应力加载模式中，疲劳寿命随混合料劲度的增加而增加。命随混合料劲度的增加而增加。 但是，在控制应变加载模式中，疲劳寿命则但是，在控制应变加载模式中，疲劳寿命则随混合料劲度的增加而降低。随混合料劲度的增加而降低。2.2 混合料的沥青用量混合料的沥青用量 根据试验可知，相应于混合料最佳疲劳寿命根据试验可知，相应于混合料最佳疲劳寿命有一个最佳的沥青含量。这个沥青含量不仅与集有一个最佳的沥青含量。这个沥青含量不仅与集 8 2. 2.材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响材料性质对沥青混合料疲

6、劳性能的影响料级配有关，而且与集料种类有关，通常与料级配有关，而且与集料种类有关，通常与最大混合料劲度所需的最佳沥青含量相符，最大混合料劲度所需的最佳沥青含量相符，而要比马歇尔稳定度所确定的最佳沥青含量而要比马歇尔稳定度所确定的最佳沥青含量稍大。稍大。2.3 沥青的种类与硬度沥青的种类与硬度 沥青种类和硬度对沥青混合料疲劳寿命的沥青种类和硬度对沥青混合料疲劳寿命的影响基本上可以用它对混合料劲度的作用来衡影响基本上可以用它对混合料劲度的作用来衡量。量。 92.2.材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响2.4混合料的空隙率混合料的空隙率 混合料的疲劳寿命随孔隙率的降低

7、而显著混合料的疲劳寿命随孔隙率的降低而显著地增长。这是因为孔隙率越大，沥青混合料地增长。这是因为孔隙率越大，沥青混合料内部的空隙与微裂缝就越多，在荷载反复作内部的空隙与微裂缝就越多，在荷载反复作用下就越易引发微裂缝的扩展破坏，从而使用下就越易引发微裂缝的扩展破坏，从而使其疲劳性能降低。其疲劳性能降低。 102.2.材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响2.5集料的表面性状集料的表面性状 棱角尖锐、表面粗糙的开级配集料通常由于棱角尖锐、表面粗糙的开级配集料通常由于难以压实而造成高的孔隙率，这可能是引起裂缝难以压实而造成高的孔隙率，这可能是引起裂缝的原因并进而导致沥青

8、混合料疲劳寿命的缩短。的原因并进而导致沥青混合料疲劳寿命的缩短。另一方面，粗集料有棱角但级配良好的集料可以另一方面，粗集料有棱角但级配良好的集料可以产生劲度值相对高的混合料，而纹理光滑的圆集产生劲度值相对高的混合料，而纹理光滑的圆集 112.2.材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响料形成劲度较低的混合料，因而对疲劳可以产料形成劲度较低的混合料，因而对疲劳可以产生不同的影响。生不同的影响。2.6 针入度针入度 Myre对不同沥青的混合料分别进行了常应对不同沥青的混合料分别进行了常应力和常应变疲劳试验力和常应变疲劳试验,结果表明结果表明:对于常应变荷对于常应变荷载模

9、式载模式,沥青越软沥青越软,混合料疲劳寿命越长。而对混合料疲劳寿命越长。而对于常应力荷载模式于常应力荷载模式,则反之。则反之。 2.2.材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响2.7 软化点软化点 沥青的软化点对疲劳寿命也有一定影响。沥青的软化点对疲劳寿命也有一定影响。P.S.Pell的报告中指出的报告中指出,在一定的沥青用量下在一定的沥青用量下,软化点越高软化点越高,疲劳疲劳寿命就越长。寿命就越长。 13 3 沥青路面疲劳开裂研究方法沥青路面疲劳开裂研究方法 研究沥青路面疲劳开裂的方法主要有现象研究沥青路面疲劳开裂的方法主要有现象学法、能量分析法和力学分析法学法、

10、能量分析法和力学分析法, 其中力学分其中力学分析法可将路面的力学行为与路面使用性能指析法可将路面的力学行为与路面使用性能指标明确联系起来标明确联系起来,因而受到广泛重视。因而受到广泛重视。 143 沥青路面疲劳开裂研究方法沥青路面疲劳开裂研究方法3.1 现象学法现象学法 在现象学法中，通常把材料出现疲劳破坏的重在现象学法中，通常把材料出现疲劳破坏的重复应力值称作疲劳强度，相应的应力重复作用次数复应力值称作疲劳强度，相应的应力重复作用次数称为疲劳寿命。称为疲劳寿命。 应用现象学法进行疲劳试验时，采用控制应力应用现象学法进行疲劳试验时，采用控制应力和控制应变两种不同的加载模式。和控制应变两种不同的

11、加载模式。 3 沥青路面疲劳开裂研究方法沥青路面疲劳开裂研究方法对于控制应变方式：对于控制应变方式：对于控制应力方式：对于控制应力方式：mfCN)1(0nfKN)1(0 式中：式中：fN达到破坏时的重复荷载作用次数；达到破坏时的重复荷载作用次数；00,初始的弯拉应变和弯拉应力；初始的弯拉应变和弯拉应力；C，m，K，n由试验所确定的系数。由试验所确定的系数。 Monismith等人根据进一步的研究工作，等人根据进一步的研究工作，建议了可应用于更一般的沥青混合料的疲劳方建议了可应用于更一般的沥青混合料的疲劳方程：程：3 沥青路面疲劳开裂研究方法沥青路面疲劳开裂研究方法 式中：式中：0S沥青混合料的

12、初始劲度；沥青混合料的初始劲度；a,b,c,由试验所确定的系数。由试验所确定的系数。cbfSaN)1()1(003 沥青路面疲劳开裂研究方法沥青路面疲劳开裂研究方法 183 沥青路面疲劳开裂研究方法沥青路面疲劳开裂研究方法3.2 能量分析法能量分析法 该方法中将沥青混合料视为一种典型的粘该方法中将沥青混合料视为一种典型的粘弹性材料，弹性材料， 其力学特性依赖于荷载作用的时其力学特性依赖于荷载作用的时间和温度，间和温度， 其综合模量是由恒定模量（弹性其综合模量是由恒定模量（弹性部分）和损耗模量（粘性部分）组成。部分）和损耗模量（粘性部分）组成。 193 沥青路面疲劳开裂研究方法沥青路面疲劳开裂研

13、究方法 沥青混合料的疲劳强度主要取决于损耗沥青混合料的疲劳强度主要取决于损耗模量和应力应变循环过程中的能耗。这一方法模量和应力应变循环过程中的能耗。这一方法的主要特点是疲劳试验中的总能耗与循环荷载的主要特点是疲劳试验中的总能耗与循环荷载的重复作用次数之间存在着一定关系。的重复作用次数之间存在着一定关系。 美国的美国的SHRP研究计划中也采用能量法研研究计划中也采用能量法研究沥青混合料的疲劳响应问题。究沥青混合料的疲劳响应问题。SHRP在压实在压实沥青混合料重复弯曲疲劳寿命测定的标准试验沥青混合料重复弯曲疲劳寿命测定的标准试验 203 沥青路面疲劳开裂研究方法沥青路面疲劳开裂研究方法方法（方法（

14、SHRP-M-009）中还给出了累积消散能及）中还给出了累积消散能及消散能累积到破坏时的计算方法。消散能累积到破坏时的计算方法。 基于消散能量原则，使用加载循环次数与基于消散能量原则，使用加载循环次数与能量散失的关系式及能量散失的关系式及?值和初始劲度值和初始劲度 S= ， Van Dijk建议用下式预测疲劳寿命：建议用下式预测疲劳寿命：00 120110)sin(zzASNN加载次数； A材料常数；0相位角； S初始劲度主要与试验种类及沥青混合料的劲度有关， 在应力控制的实验下， 1；应变控制的试验， 1。3 沥青路面疲劳开裂研究方法沥青路面疲劳开裂研究方法 3.3 力学分析法力学分析法 力

15、学分析法是用断裂力学原理来分析路面材力学分析法是用断裂力学原理来分析路面材料的开裂，料的开裂， 并用以预测其疲劳寿命的一种方法。并用以预测其疲劳寿命的一种方法。 断裂力学分析假设裂缝的发展过程包括三个断裂力学分析假设裂缝的发展过程包括三个阶段：阶段：3 沥青路面疲劳开裂研究方法沥青路面疲劳开裂研究方法 23 3 沥青路面疲劳开裂研究方法沥青路面疲劳开裂研究方法（1） 裂缝初始生成；裂缝初始生成；（2） 裂缝的稳定成长；裂缝的稳定成长；（3）裂缝的不稳定发展。裂缝的不稳定发展。 其中以第二阶段裂缝的稳定成长为疲劳寿命的主其中以第二阶段裂缝的稳定成长为疲劳寿命的主要部分，裂缝力学也主要针对第二阶段

16、做量化分析。要部分，裂缝力学也主要针对第二阶段做量化分析。 24 在断裂力学分析法中裂缝的延伸长度与应在断裂力学分析法中裂缝的延伸长度与应力集中因子之间的关系式通常以力集中因子之间的关系式通常以Paris方程表方程表示：示：nAkdNdc式中：式中：c裂缝长度；裂缝长度； A，n材料常数；材料常数； k应力强度因子；应力强度因子； N荷载作用次数。荷载作用次数。 3 沥青路面疲劳开裂研究方法沥青路面疲劳开裂研究方法 4 试验结果与路用性能之间的关系试验结果与路用性能之间的关系 由于室内沥青混合料疲劳特性试验条件与实际由于室内沥青混合料疲劳特性试验条件与实际道路上的情况有较大差别，因此由室内疲劳

17、试验道路上的情况有较大差别，因此由室内疲劳试验所获得的的疲劳方程并不能直接用于实际道路的所获得的的疲劳方程并不能直接用于实际道路的疲劳寿命预估，必须进行必要的修正和调整，这疲劳寿命预估，必须进行必要的修正和调整，这是一个十分复杂且不易解决的问题。是一个十分复杂且不易解决的问题。P.S.Pell根据根据其研究指出，由室内试验结果转换为实际路面上其研究指出，由室内试验结果转换为实际路面上 应用，可能要乘以一个应用，可能要乘以一个5700的系数，主要的系数，主要考虑因素有加载间歇时间、裂缝发展和荷载考虑因素有加载间歇时间、裂缝发展和荷载横向分布等影响。横向分布等影响。4 试验结果与路用性能之间的关系试验结果与路用性能之间的关系 5.国内外研究现状国内外研究现状 在过去几十年里各国的很多研究者通过实验在过去几十年里各国的很多研究者通过实验对路面的疲劳特性做了大量研究，归纳起来分对路面的疲劳特性做了大量研究，归纳起来分为三类：为三类： (1). 实际路面在真实汽车荷载作用下的疲劳实际路面在真实汽车荷载作用下的疲劳破坏试验，破坏试验， 如美国的如美国的AASHTO试验路，试验路， 历时三历时三年才完成年才完成; (2). 足尺路面结构在模拟行车荷载作用下的足尺路面结构在模拟行车荷载作用下的试验研究，