青临高速试验路沥青路面结构应变分析和永久变形预估

为了分析和预估青临高速试验路沥青路面结构疲劳寿命和永久变形,为长期性能观测验证提供基础对比数据,按照标准试验方法对试验路土基、粒料、无机结合料以及沥青混合料的力学参数进行测试分析;结合同类道路交通荷载分析,得出试验路交通组成、轴载谱及3类典型轴的最大特征值;按照弹性层状理论计算了常温和高温条件下沥青层底最大弯拉应变;用MEPDG永久变形预估模型分析了不同路面结构沥青层永久变形发展规律,预测车辙养护修复的时间。结果表明,所设计的沥青路面结构基本满足长寿命沥青路面沥青层底弯拉应变小于疲劳极限应变的要求,MEPDG预测车辙主要发生在表面层,中下面层车辙较小,表面层采用高模量沥青混合料可显著提高路面抗车辙能力。     

冻融作用下沥青混合料疲劳性能试验研究

冻融试验可用于模拟潮湿条件下路面受到水损害时其疲劳寿命的变化.针对AC - 25沥青混凝土设计3种级配,进行冻融劈裂疲劳试验,建立无水和有水条件下的疲劳方程,分析不同因素对冻融后沥青混合料疲劳性能的影响,揭示冻融后沥青混合料疲劳性能衰减机理.     

行车荷载与温度综合作用下沥青路面疲劳损伤分析

沥青混合料的劲度模量是温度与荷载作用时间的函数,沥青路面疲劳损伤不仅与行车荷载的反复作用有关,而且需要考虑温度因素的影响。文中采用沥青结构层温度场预估模型和疲劳寿命预测方程,结合沥青混合料劲度模量和Miner疲劳损伤累积定律,预估并分析行车荷载与温度综合作用下沥青路面的疲劳损伤,进而对不同的行车荷载与温度组合作用下沥青路面疲劳损伤的结果进行比较。结果表明:温度对沥青结构层的疲劳损伤有较大的影响,随着温度的升高,沥青混合料劲度模量减小,沥青结构层的疲劳损伤增加;行车荷载与温度综合作用下沥青路面疲劳损伤比仅考虑行车荷载作用下沥青路面疲劳损伤增加30%~40%;考虑温度作用时,重载车辆对沥青路面疲劳损伤的影响更大。     

基于疲劳损伤的沥青路面设计温度及预估模型研究

针对沥青路面结构必须控制的疲劳破坏形式,以沥青层层底拉应变作为控制沥青路面疲劳开裂的指标。通过实测沥青面层层底最大拉应变与路面结构不同深度处路面温度的相关性分析,确定了沥青路面疲劳损伤的设计温度,提出了以沥青层中间温度作为沥青路面疲劳开裂分析的设计温度和试验条件。通过实测永久性沥青路面试验路每小时的路面温度和气象数据,分析了沥青层中间温度的分布规律,对沥青层中间温度与气温、路面深度之间的相关关系进行了计算分析,建立了沥青层中间温度的预估模型。结果表明,沥青路面应变响应与温度密切相关,随着路面温度的升高,沥青层底拉应变增大;沥青层中间深度处温度与沥青层底拉应变相关性最高,采用沥青层中间深度处温度能较好地评价路面结构的抗疲劳性能。     

多级等幅荷载下沥青路面疲劳破坏研究

采用四点弯曲疲劳试验对沥青混合料的疲劳寿命进行了分析,并基于传统MINE疲劳损伤累积模型在多级等幅荷载沥下沥青混合料的疲劳损伤预测的弊端,结合非线性损伤模式提出了新型的沥青混合料疲劳预测模型。通过研究表明:多级荷载作用下,沥青混合料的耗散能、混合料的劲度模量及滞后角参数均表现出非线性变化趋势;由高应变水平向低应变水平转变时,沥青混合料劲度模量越易恢复;当多级荷载应变水平采用高—低,或由低—高—低的加载方式时,能有效提高沥青混合料的疲劳寿命,降低损伤进程。同时,根据多级荷载下沥青混合料的损伤变化呈一种非线性关系,建立的损伤累积模型能满足对沥青路面的疲劳损伤预测要求。     

SBS改性沥青混合料自愈合能力影响因素的优化

沥青这种有机胶凝材料,在一定的时间、温度条件下,其自身具有愈合能力,同理沥青混合料在一定的时间和温度条件下亦具有愈合特性,但其自愈合效果仅能在最佳环境条件下达到理想状态。为了研究沥青混合料的愈合影响因子,探索最佳愈合条件,提高路面养护过程中沥青混合料的自愈合能力,选取常用的沥青路面表面层SBS改性沥青混合料为研究对象,采用控制应变的小梁四点弯曲疲劳破坏-愈合-疲劳破坏试验,对沥青混合料破坏愈合前后的疲劳寿命进行了对比研究,同时采取了愈合后的疲劳寿命恢复百分率作为评价指标。采用多因素多水平正交试验,对不同愈合时间、愈合温度以及应变条件下沥青混合料的自愈合特性进行了系统研究。研究结果表明:对于SBS沥青混合料,愈合温度和愈合时间均与沥青混合料的疲劳寿命恢复率呈正相关,但愈合温度不能超过沥青胶结料的软化点,否则影响沥青混合料高温稳定性;而应变大小与疲劳寿命恢复率呈反比关系,随着应变的增大,沥青混合料的疲劳寿命恢复率减小;愈合温度对沥青混合料的自愈合效果影响最为显著,愈合时间影响次之,应变大小影响最小;对于SBS改性沥青混合料,其最佳愈合条件是温度60℃,愈合时间6 h,应变1 000με。因此,在路面养护过程中,较高温度和控制交通量及超荷载条件可有效提高沥青路面自愈合能力。     

足尺路面沥青层疲劳性能试验研究

由于室内和现场条件存在的差异,室内试验建立的沥青混合料疲劳方程并不能直接应用于路面的设计和评估。该文通过对5、10和15 cm共3种不同沥青层厚的足尺级配碎石基层沥青路面进行ALF加速加载试验,采集路面温度、路表裂缝、FWD弯沉、沥青层底应变等数据,得出现场足尺路面裂缝发展规律及沥青层疲劳寿命。综合考虑沥青层底应变、模量受温度的影响,并结合室内研究成果,采用累积疲劳损伤方法分析得出现场足尺加载的疲劳修正系数,总结出系数与沥青层厚度的关系。     

季节性变化下面-基结合状态对路面性能的影响

为研究面-基结合状态对沥青路面的影响,采用Bisar 3.0软件,考虑在季节性变化的条件下,对比分析不同结合状态对长寿命路面、柔性路面及半刚性路面受力状况的影响,并计算了不同控制指标下沥青路面的疲劳寿命。研究结果表明:面-基结合状态的变化对路表弯沉影响相对较小,对层底拉应力、拉应变的影响较大;路表弯沉、基层层底拉应力最大值出现在5月份,沥青层底最大拉应力出现在2、3月份,上、下面层层底拉应变最大值出现在7月份;长寿命结构在以沥青层层底拉应变为控制指标时,疲劳寿命均大于其对应的普通路面结构;柔性基层类长寿命路面及半刚性基层类长寿命路面在设计时应分别以沥青层层底拉应变及基层层底拉应力为控制指标。     

疲劳当量温度计算方法研究

现行规范以15℃作为测定沥青混合料疲劳性能的试验温度,忽略了地区之间存在明显的温度差异,以此温度作为各地区的设计温度显然是不足取的。作为控制沥青路面疲劳开裂的代表温度,应该将路面温度与荷载交通量综合表示。为此,根据路面弹性力学层状理论,对控制应力与应变两种加载模式进行分析,讨论了何种加载模式适用于路面实际疲劳状况。对影响沥青路面疲劳寿命的因素,包括控制条件、荷载作用时间、沥青及其混合料性质等加以分析。结合SHELL以控制应变模式计算疲劳寿命的方法,根据Miner法则计算疲劳当量温度。提出了日疲劳当量温度的计算公式,计算了8地区的年疲劳当量温度,讨论了不同地区疲劳当量温度的取值范围,此研究结果为提高路面结构分析精度提供可靠的温度参数依据。     

沥青混合料疲劳-蠕变交互作用损伤模型

为了研究沥青混合料在重复荷载作用下的疲劳特性并描述疲劳-蠕变损伤效应共同作用的过程,考虑沥青混合料具有的动态性质,从粘弹性损伤力学基本理论出发,基于应变等效假设,采用复数模量定义了损伤变量。通过分析沥青混合料在周期荷载作用下的损伤变化规律,运用疲劳-蠕变耦合损伤理论,建立了疲劳-蠕变损伤效应共同作用时的损伤演化方程,提出了体现温度及应力影响的损伤模型和疲劳寿命预测模型,并对损伤模型进行了分析。研究结果表明:构建的损伤模型满足热力学准则和物理条件;沥青混合料疲劳失效是由疲劳-蠕变损伤效应共同影响所致;利用提出的疲劳模型可以更好地预测不同温度和应力条件下的沥青混合料疲劳寿命。     

面向30年的长寿命沥青路面设计研究

以江苏省某柔性基层长寿命路面结构为基础,分别采用疲劳极限理论和累积损伤理论进行结构设计研究,分析不同设计理论的关注要点。研究结果表明,采用疲劳极限理论,模量采用20℃下动态模量时,沥青路面结构的力学响应显著低于长寿命路面的设计要求,采用最不利条件下实际温度场对应的动态模量时,原路面结构不能满足设计要求,且沥青层内最大水平弯拉应变出现在中面层底;采用累积损伤理论,低剂量水泥稳定碎石底基层的疲劳寿命难以满足设计要求。综合模量、厚度等敏感因素分析,得到符合设计交通量条件的长寿命沥青路面结构。     

减薄高模量沥青路面厚度的可行性分析

在沥青混合料中添加外掺剂提高沥青路面模量的同时,使建设成本增加,通过减薄沥青层厚度可获得经济效益上的平衡。对比分析了原路面与减薄后的高模量路面在沥青混合料层永久变形量、沥青层底拉应变、无机结合料稳定层层底拉应力及路基顶面竖向压应变四个设计指标下的力学响应。结果表明:减薄后的高模量沥青路面永久变形量降低、疲劳寿命略有提高。     

多年冻土区冻融循环作用对沥青混合料弯拉性能的影响

为准确评价冻融循环作用对高原寒冷地区沥青混合料弯拉性能和细微观结构的损伤机理,针对北方寒冷地区沥青路面在荷载、低温、水冻融循环作用下剩余弯拉强度和疲劳寿命进行研究,制定了适宜的冻融循环试验方案,建立了不同沥青结合料沥青混合料的空隙率、弯拉强度(弯拉应变)、劈裂强度和疲劳寿命在不同冻融循环作用次数下的衰变规律,基于工业CT无损检测分析技术,获得了不同冻融循环次数下四种沥青混合料细观空隙结构变化特征,研究了冻融循环作用对沥青混合料平均空隙直径、空隙轮廓分维数的影响规律,分析给出了冻融循环作用下沥青混合料弯拉性能的损失率计算模型。结果表明:沥青混合料的弯拉强度、最大弯拉应变、劈裂强度、疲劳寿命随冻融循环次数的增加呈减小趋势,经历25次冻融循环后弯拉性能和疲劳寿命衰减趋于平缓。沥青混合料受冻融循环作用后弯拉强度和抗疲劳性能衰变规律符合logistics曲线模型;随着冻融循环次数增大,沥青混合料内部平均空隙直径增大,空隙轮廓分维数减小,平均空隙直径与沥青混合料弯拉性能之间的线性拟合关系良好;使用改性沥青具有维持冻融循环作用下沥青混合料内部空隙直径、空隙轮廓分维数变化不大的作用,在高原寒冷地区建议优先选用SBS或SBR改性沥青。     

温度和冻融作用下沥青混合料疲劳性能研究

为模拟车辆荷载及气温、降水等自然因素对沥青路面疲劳性能的影响,文章通过室内试验,研究了应力比、温度和冻融循环等因素对沥青混合料疲劳寿命的影响。结果表明,随着应力比的增大和温度的升高,沥青混合料的疲劳寿命逐渐降低;经冻融后,沥青混合料的疲劳寿命有所降低。各条件下,疲劳寿命随应力比都呈指数规律变化,温度越高,A值和B值越小;冻融后A值和B值都会增大,其中经冻融且温度为15℃时A值和B值最大,此时疲劳寿命受应力比的影响最显著。     

高模量沥青混凝土在半刚性基层长寿命沥青路面中应用的合理性研究

为了修筑更具耐久性的半刚性基层长寿命沥青路面,探究高模量沥青混凝土在半刚性基层长寿命沥青路面应用的合理性及可行性,采用弹性层状体系模型分析了不同层间结合状态和不同下面层模量对路面典型结构力学状态的影响。进而通过不同温度、不同控制模式的四点弯曲疲劳试验,评价了高模量沥青混凝土的抗疲劳特性,采用累积耗散能指标将其与表面层材料进行了比较。结果表明:对于薄面层的半刚性基层沥青路面,当沥青面层与半刚性基层的层间结合状态不能处于完全连续状态时,沥青面层底部将会产生明显的拉应力和拉应变,沥青面层存在弯拉疲劳损伤的风险;随着下面层模量的增加,沥青面层底部的剪应力略有增加,而最大剪应力均值有所减小,有利于改善沥青下面层的抗剪能力;不同控制模式下高模量沥青混凝土的抗疲劳性能有所差别,而采用累积耗散能指标可以有效地将应力、应变两种不同控制模式的疲劳方程进行统一,20℃时高模量沥青混凝土具有更好的抗疲劳性能;在半刚性基层长寿命沥青路面中,下面层使用高模量沥青混凝土可以改善路面的抗车辙和抗疲劳性能,为实体工程建设提供一定的参考依据。     

温度-盐分-冻融耦合作用下沥青混凝土疲劳寿命研究

为提高寒冷地区沥青路面的疲劳性能,对AC-16型沥青混凝土进行未冻融和冻融条件下的劈裂疲劳试验,得到了其应力疲劳方程.研究了温度、盐分和冻融循环次数耦合作用下,沥青混凝土疲劳寿命的变化规律.研究结果表明:沥青混凝土的疲劳寿命与其劈裂抗拉强度具有明显的相关性,即劈裂抗拉强度越高,疲劳寿命越大.温度、冻融循环和氯盐的侵蚀是影响沥青混凝土疲劳性能的重要因素.在相同的冻融循环温度下,随着冻融循环次数的增加,沥青混凝土疲劳寿命降低;在相同的冻融次数下,随着冻融温度的降低,沥青混凝土疲劳寿命降低.经饱和氯盐溶液冻融的沥青混凝土疲劳寿命明显低于经清水冻融的沥青混凝土疲劳寿命,说明盐分能够加剧沥青混凝土的疲劳破坏.     

沥青混合料浸水疲劳的试验研究

通过使用沥青路面分析仪(APA),模拟在降水、不同荷载和不同温度条件下,沥青混合料(AC-13 I)的路面疲劳寿命变化规律.结果表明:沥青混合料的浸水疲劳寿命随着温度的降低和荷载的减少而增长,并对水损害的作用机理进行了进一步的探讨.     

长寿命路面沥青混合料疲劳极限研究

在分析常规应变条件下沥青混合料疲劳破坏发展的基础上,改进了AASHTO T321中所推荐的疲劳寿命计算方法,根据混合料劲度模量的变化规律,将疲劳破坏过程分为3个阶段,以第2个阶段的试验数据推算低应变条件下试件的疲劳寿命,并通过测试不同低应变水平下沥青混合料的疲劳性能,得出了山东省滨州地区长寿命路面沥青混合料的疲劳极限.结果表明:在低应变条件下,沥青混合料疲劳极限和应变水平仍符合幂函数疲劳方程.     

泡沫沥青冷再生混合料疲劳特性及其长寿命冷再生沥青路面结构优化

为了研究新旧沥青长期融合作用下泡沫沥青冷再生混合料的抗疲劳耐久性,采用4点弯曲疲劳试验,对80％、100％的RAP泡沫沥青冷再生混合料进行了低应变水平下的疲劳试验,分析RAP、再生剂、模拟服役时间对泡沫沥青冷再生混合料疲劳性能的影响规律,拟合回归了泡沫沥青冷再生混合料的疲劳方程,确定了泡沫沥青冷再生混合料的疲劳极限应变,进而优化了长寿命泡沫冷再生沥青路面结构.结果 表明:添加再生剂对泡沫沥青冷再生混合料的力学性能、路用性能和抗疲劳性能有显著增强作用;增大荷载应变水平显著降低了泡沫沥青冷再生混合料的疲劳寿命,泡沫沥青冷再生混合料疲劳寿命对应变水平变化极为敏感,增大RAP掺量或添加再生剂均能改善冷再生混合料的抗疲劳性能;室内放置期间,泡沫沥青冷再生混合料疲劳寿命同样存在增长过程;将泡沫沥青冷再生混合料中的RAP仅作为黑色集料,低估了泡沫沥青冷再生混合料的抗疲劳性能.推荐泡沫沥青冷再生混合料的疲劳极限应变为100με.在此应变水平下,泡沫沥青冷再生路面满足长寿命沥青路面抗疲劳性能要求.     

疲劳当量温度计算方法研究

现行沥青路面设计规范以15℃作为测定沥青混合料疲劳性能的试验温度,忽略了地区之间存在明显的温度差异。根据路面弹性力学层状理论,对控制应力与应变2种疲劳加载模式进行分析,讨论了适用于路面实际疲劳状况的加载模式。分析了影响沥青路面疲劳寿命的因素,并采用SHELL方法,根据Miner法则计算疲劳当量温度,提出了日疲劳当量温度的计算公式,计算了我国8地区的年疲劳当量温度,讨论了不同地区疲劳当量温度的取值范围和取值方法。研究结果表明,控制应变模式较适用于我国路面实际情况,不同地区路面疲劳试验温度与气温和沥青层厚度之间存在e指数函数关系。