钢桥面铺装材料疲劳性能研究

针对钢桥面铺装层容易出现疲劳开裂与车辙破坏的特点,提出采用4种有代表性的铺装层沥青混合料,通过应变控制模式下的四点弯曲疲劳试验方法,研究其疲劳特性以提高钢桥面铺装层的抗疲劳耐久特性和高温稳定性。通过多个应变水平下的疲劳试验,分析了沥青混合料劲度模量与改性沥青品质、疲劳寿命、滞后角的关系,验证了疲劳寿命与累积耗散能在双对数坐标下的线性关系,得出不同改性沥青混合料的疲劳曲线和疲劳方程。不同的铺装层材料很难建立相同的疲劳预测模型,只能根据直接的疲劳试验获得混合料的抗疲劳耐久特性。     

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。     

基于均匀试验设计的沥青混合料疲劳性能外界影响因素评价

应用了一种称为均匀试验设计的部分因子设计方法,开展了外界环境影响因素与沥青混合料疲劳性能之间的关系研究。考虑的外界环境影响因素包括应变水平、温度、加载频率和沥青老化水平。建立了外界环境影响因素与初始劲度模量、疲劳寿命、滞后角以及累计耗散能间的关系,发现外界环境影响因素与沥青混合料疲劳性能之间存在很好的相关性。结果表明,均匀试验设计是一种有效的试验设计方法,均匀试验设计可以在较少的试验次数下获得同等的试验效果。     

PR.P高模量沥青混合料的动态模量及疲劳性能研究

针对硬质沥青、岩沥青、湖沥青、PR.P共4种高模量沥青与基质沥青和SBS改性沥青进行动态模量研究。沥青混合料动态模量随加载速度增加、试验温度降低而提高,PR.P改性沥青混合料20℃时的动态模量最低,随着温度的升高,动态模量的优势逐渐体现,达到60℃时PR.P的动态模量显著高于其他混合料。由于考虑常温下沥青混合料较易发生疲劳破坏,而PR.P改性沥青混合料常温下模量较低,利用四点弯曲疲劳,采用归一化劲度次数积最大值所对应的疲劳寿命进行分析,确定PR.P改性沥青混合料疲劳寿命具有一定优势。     

高弹性桥面铺装表面冰层破坏形式及破冰效果研究

计算分析了不同桥面铺装层在荷载作用下表面冰层应力应变及应变能密度分布,根据强度理论能能量法确定了桥面冰层破坏形式,提出以破冰率Rbreak作为破冰效果定量评价指标并分析了铺装层模量、厚度和冰层厚度对Rbreak影响,得到的主要结论:采用橡胶颗粒沥青混合料高弹桥面铺装层可实现桥面冰层破坏,且冰层破坏形式为受压破坏;高弹性铺装层厚度达到4cm时具备破冰条件,随橡胶颗粒沥青混合料桥面铺装厚度的增加,破冰率Rbreak呈抛物线增长;铺装层模量在700MPa～900MPa时,破冰率Rbreak达40%以上,随铺装层模量增加破冰率呈线性降低;橡胶颗粒高弹性桥面铺装层仅在结冰初始阶段(厚度≤2mm)可达到的除冰效果,冰层厚度持续增加或温度持续降低破冰效果急剧下降。     

基于足尺加速加载试验的现役沥青路面疲劳特性研究

为了对现役沥青路面的疲劳性能进行评价,在上海的某在役高速公路上选取了3个加载区进行了足尺加速加载试验。加速加载试验过程中,对开裂现象进行了观测并采用地震波地质分析仪对沥青层的地震波模量进行了检测。检测结果表明,随着加速加载作用次数的增加,路面沥青层的地震波模量不断降低,沥青层的地震波模量与加速加载作用次数具有较好的指数函数关系。加速加载试验结束后,在各加载区和非加载区进行了取芯,并通过劈裂强度试验和劈裂疲劳试验对现场沥青混合料的劈裂强度和疲劳抗力进行了评价。劈裂疲劳试验结果表明,随着沥青混合料所经受加速加载作用次数的增加,沥青混合料的初始劲度模量和疲劳寿命总体上不断下降,且加速加载作用对上面层混合料疲劳抗力的影响相比中、下面层混合料更为显著。基于Miner法则对现役沥青混合料的剩余疲劳寿命进行了预估。     

钢桥面GA＋SMA铺装结构材料性能优化

对底面层浇筑式沥青混凝土（GA）加上面层改性沥青SMA这一钢桥面典型铺装结构进行沥青混凝土材料性能优化,研制出一种用于钢桥面SMA铺装的胶结料—高弹沥青,开发出一种可以有效降低GA施工温度的专用聚合物改性沥青。对高弹改性SMA以及聚合物改性沥青GA进行了试验验证,结果表明：高弹改性沥青SMA10的-10℃低温弯曲破坏应变达到11 596.8με,比SBS改性沥青SMA10高约50%,疲劳寿命比普通沥青混合料高约20倍;聚合物改性沥青GA10相比岩沥青改性沥青等GA常用胶结料,在油石比降低5个百分点并保证良好的施工和易性基础上降低拌和温度40℃,且60℃静态贯入度、动态贯入度与岩沥青改性沥青GA10、湖沥青改性沥青GA10相差不大。     

树脂沥青混合料RA与改性沥青混合料SMA模量的对比试验研究

用于钢桥面铺装的沥青混凝土模量与环境温度紧密相关,温度高则混合料的模量变小。本文对RA混合料和SMA进行了不同温度条件下混合料弯曲试验研究,计算了不同温度下二种混合料的劲度模量,并对其差异进行了分析。     

沥青及其混合料自愈合性能试验研究

为了对比分析基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青的自愈合性能,并研究沥青种类、愈合环境、破坏程度对混合料疲劳-自愈合进程的影响。通过DSR(动态剪切流变仪)的Time-Sweep(时间扫描)模式测试了沥青复数剪切模量随加载次数的变化,采用愈合指数HI评价沥青的自愈合能力;利用DSC(差示扫描量热仪)测试沥青相态转变过程中的焓变;基于四点弯曲疲劳试验测试了混合料劲度模量随加载次数的变化。研究结果表明:从流变性角度分析,橡胶改性沥青的自愈合性能最好,SBS改性沥青次之,基质沥青最差,随着损伤度的增大,以上3种沥青的自愈合指数呈下降趋势;从分子扩散角度考虑,基质沥青的自愈合能力最小,基质沥青愈合裂缝的能力优于SBS改性沥青及橡胶改性沥青。沥青类型及愈合环境对混合料的愈合进程具有重要影响,提高愈合环境的温度可以加速混合料的愈合,破坏程度的增加对混合料的自愈合具有负面影响。     

环氧沥青混合料动态模量及其主曲线研究

为建立大跨径钢桥面铺装所用的热固性环氧沥青混合料动态模量的主曲线方程,首先采用动态频率扫描试验测试了3组不同温度、11个不同加载频率下的环氧沥青混合料动态模量,然后利用时温等效原理和基因遗传算法对不同温度间的动态模量进行了移位分析,最后采用γ分布函数和指数函数对20℃环氧沥青混合料动态模量主曲线方程和不同温度间的动态模量移位因子公式进行了拟合回归。结果表明:环氧沥青混合料的动态模量随温度的升高而降低,在固定温度下随加载频率的减小而减小;10℃和30℃环氧沥青混合料动态模量移至20℃时的最佳移位因子分别为5.002 256和-3.990 583;环氧沥青混合料动态模量主曲线的建立为大跨径钢桥面铺装动态设计方法的形成提供了材料参数方程。     

环氧沥青混合料疲劳衰变特性试验

为获取钢桥面铺装环氧沥青混合料的疲劳衰变特性,首先基于正交异性桥面板-铺装层组成的复合结构模型,计算出标准胎压、超载50％以及超载100％胎压作用下铺装层的最大拉应变,作为疲劳试验应变水平的选取标准;然后,采用小梁四点弯曲疲劳试验对3组不同温度和不同应变条件下的环氧沥青混合料疲劳性能进行测试;最后,利用威布尔公式对不同温度与应变条件下的环氧沥青混合料疲劳寿命与疲劳裂纹扩展时的作用次数进行预测.结果表明:环氧沥青混合料初始模量大小仅与温度相关,与应变水平无关;在10℃和20℃时,1.38 MPa以下胎压以及30℃时0.7 MPa胎压作用500万次均不发生疲劳破坏;30℃时,1.1 MPa和1.38 MPa胎压分别作用66 833次和35 480次出现疲劳损坏现象;相同应变作用下,试验温度越低,小梁疲劳破坏越快;环氧沥青混合料疲劳曲线可明显分为试验设备稳定、疲劳裂缝启裂、疲劳裂缝扩展3个阶段.研究结果可为环氧沥青混合料铺装疲劳寿命预估以及预防性养护提供理论依据.     

纤维对浇注式沥青混合料性能的影响

为了研究纤维种类及掺量对桥面铺装浇注式沥青混合料路用性能的影响,首先基于关键指标对混合料的矿料级配进行了设计。然后研究了不同掺量的颗粒木质素纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维对浇注式沥青混合料高低温性能、水稳定性、疲劳性能的影响。再基于加速加载试验对浇注式沥青混合料的长期耐久性能进行了评价,建立了桥面全厚度沥青混合料铺装的耐久性能预测方程。最后分析了纤维增强沥青混合料性能作用机理。结果表明:纤维能够明显改善浇注式沥青混合料的路用性能;不同类别的纤维对沥青混合料性能提升作用各异,玄武岩纤维的改善效果优于木质素纤维和聚酯纤维;纤维对浇注式沥青混合料性能的增强作用随纤维掺量的增加先增大后减小;木质素纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维在最佳掺量4%,6%,8%时,混合料的性能最优;浇注式沥青混合料高温抗永久变形能力相对较差,试验车辙动稳定度不超过500次/mm;在最佳掺量下,木质素纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维可分别提升浇注式沥青高温抗车辙性能的72%,94%,44%;纤维增强浇注式沥青混合料的疲劳寿命随应变水平的增加呈指数函数递减趋势;组合铺装结构(3.5 cmSMA13+下面层3 cmGA10)的车辙深度与加速加载次数呈良好的指数关系,加速加载试验结合数值分析方法能够较为准确地预测铺装结构的耐久性能。     

高原寒冷地区沥青混合料弯拉特性分析

针对青藏高原寒冷地区低温、大温差气候特点,通过沥青混合料弯曲试验,分析了温度、沥青种类、油石比、级配等对混合料弯拉特性的影响。试验得出,沥青混合料弯拉强度随着温度的升高呈上凸抛物线形变化,弯拉应变逐渐增大,劲度模量不断减小;改性沥青和高标号沥青混合料的弯拉强度和弯拉应变较大,劲度模量较小;油石比增加时,沥青混合料弯拉强度先线性增大后减小,弯拉应变增大,劲度模量减小;矿料级配越粗,沥青混合料弯拉强度越大。结果表明,温度对沥青混合料弯拉特性的影响较大,采用改性和高标号沥青,适当增加油石比、采用较粗矿料级配,有利于提高沥青混合料的低温弯曲性能。     

钢桥桥面沥青铺装层应变变化规律研究

在钢桥模型上进行SMA和AC沥青混合料铺装层直道疲劳试验,研究重复加载过程中应变变化规律,分析了桥面铺装层疲劳开裂性能。     

PE/TLA复合改性高模量沥青混合料的结构特性

为研究PE/TLA复合改性高模量沥青混合料的路用性能,采用抗压回弹模量、动态模量、低温弯曲、高温变形及弯曲疲劳试验对PE/TLA高模量沥青混合料结构的各项性能进行验证。结果显示:PE/TLA高模量沥青混合料具有较高的抗压回弹模量和动态模量、良好的高温抗车辙和抗疲劳性能,而低温抗裂性能、水稳定性能略低于SBS改性沥青混合料;PE/TLA高模量添加剂具有较低为温度敏感性,其抗压回弹模量随温度的增加呈缓慢下降趋势,高温累积变形随荷载作用次数增加而显著提高。     

钢桥面浇注式沥青+改性沥青SMA铺装结构疲劳抗裂性能评估

为评价钢桥面铺装材料抗疲劳开裂性能,采用四点弯曲试验进行不同温度和应变条件下的高弹改性SMA10疲劳试验,建立不同温度下的疲劳行为方程;通过有限元模型提取铺装层顶面最大弯拉应力,计算SMA10在不同温度区间疲劳损伤度,建立钢桥面铺装疲劳开裂预估模型。研究结果表明,温度和应变对钢桥面铺装开裂影响显著;温度每升高10℃,高弹改性SMA10的疲劳寿命提高4~5倍;应变条件和疲劳寿命之间具有很好的指数函数关系,其相关性系数均大于0.9;通过预估模型结果表明,浇注式沥青混合料GA10+高弹改性沥青SMA10结构的疲劳开裂寿命为16年,其预估结果为钢桥面铺装方案的选择提供了理论依据。     

冻融循环条件下沥青混合料性能衰变规律研究

为分析冻融循环对沥青混合料性能的影响,本文对冻融循环作用后沥青混合料劈裂强度、空隙率、动态模量以及疲劳性能进行了试验分析。试验研究结果表明,随着冻融循环次数的增加,沥青混合料劈裂强度、动态模量及疲劳寿命逐渐降低,且冻融循环初期衰减较快;沥青混合料空隙率随冻融循环次数的增加总体呈增加趋势,并且SMA沥青混合料空隙率增加程度大于普通密级配沥青混合料。     

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。     

再生沥青混合料路用性能研究

针对AC-25型再生沥青混合料和新拌沥青混合料,通过劈裂强度试验、间接拉伸试验和三轴重复荷载试验对比分析了掺加30%旧料的再生沥青混合料与新拌沥青混合料的路用性能。研究结果表明:在相同温度时,再生沥青混合料的劈裂强度和劲度模量均比新拌沥青混合料要大,水平变形略低。依据间接拉伸疲劳试验,新拌AC-25型沥青混合料的疲劳性能要优于再生AC-25型沥青混合料。建立了新拌和再生AC-25型沥青混合料的应力疲劳方程和应变疲劳方程,其拟合相关系数之平方均大于0.91,相关性较好。在温度60℃、相同应力水平下,再生AC-25沥青混合料的永久应变小于新拌AC-25型沥青混合料,再生沥青混合料的抗永久变形性能优于新拌沥青混合料。建立了新拌和再生AC-25型沥青混合料在重复荷载作用下的黏弹性力学模型,相关系数达0.99。     

材料粘弹性对沥青混凝土钢桥面铺装结构疲劳寿命预估的影响

为研究材料粘弹性对钢桥面浇注式沥青混凝土铺装结构疲劳寿命预估结果的影响,建立粘弹性有限元模型,分析不同荷载作用次数下铺装结构表面拉应变的变化规律,并基于应变控制的铺装面层混凝土疲劳方程预估铺装的使用寿命。结果表明:由于受材料粘弹性特性影响,随着荷载作用次数增加,钢桥面铺装表面拉应变也随之增大,铺装疲劳寿命降低;荷载作用20 000次前变化更为明显,其后则趋于平缓。