瀝青混合料路用性能預測模型的研究.pdf

1、我國高等級公路瀝青路面目前普遍存在早期破壞現(xiàn)象。路面病害的主要形式是以疲勞開裂及低溫開裂為主的路面開裂和以車轍為主的永久變形。除了施工和材料方面的原因外，這在很大程度上說明采用彎沉作為設計指標的瀝青路面設計方法已不能有效控制瀝青路面的病害；此外，交通量的快速提高和超重車比例的增大等交通流/車輛組成結(jié)構(gòu)的改變也在一定程度上對設計方法提出了新的要求。為此，本文在對瀝青混合料的疲勞開裂、永久變形和低溫開裂進行試驗研究和理論分析的基礎上提出了采

2、用疲勞開裂、永久變形和低溫開裂等路用性能指標來進行瀝青路面設計的新思路，并對設計方法進行了探討。 瀝青混合料是一種性質(zhì)復雜的工程材料，影響其性能的因素眾多，單純的理論法和經(jīng)驗法都不能很好地反映其性質(zhì)，較為理想的途徑是在以往研究的基礎上選擇適宜的理論，通過相應的試驗研究進行補充和修正，從而得到符合實際情況的研究結(jié)果。作者在分析國內(nèi)外已有成果的基礎上，采用Burgers粘彈性模型作為研究瀝青混合料各性能指標的基礎本構(gòu)模型，并根據(jù)各指

3、標不同的特點進行了修正。據(jù)此，提出了對疲勞開裂、永久變形和低溫開裂性能的室內(nèi)試驗研究方案；在對原始試驗數(shù)據(jù)進行處理時，針對試驗數(shù)據(jù)量較大的特點，作者對數(shù)據(jù)分析方法進行了專門的研究，引入了基于不等距節(jié)點的二次B樣條和非線性最小二乘Levenberg-Marguardt方法對試驗數(shù)據(jù)序列進行篩選以及瀝青混合料本構(gòu)模型的擬合，克服了現(xiàn)有模型參數(shù)識別方法主觀性強和準確性較差的不足。同時，以試驗研究和數(shù)據(jù)分析得到的Burgers模型為基礎，根據(jù)各

4、指標特點進行修正后，采用粘彈性層狀體系理論對常用的瀝青路面結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析，得到各指標的性能預測模型。 本文通過對瀝青混合料的粘彈性力學分析以及試驗研究證實瀝青混合料在疲勞過程中存在能量耗散，且耗散能的累積與瀝青混合料的疲勞開裂的發(fā)生存在聯(lián)系。據(jù)此，提出采用耗散能作為判斷瀝青混合料是否發(fā)生疲勞開裂的準則。同時，通過對瀝青混合料小梁彎曲疲勞的試驗研究，證實了瀝青混合料的疲勞是材料內(nèi)部的損傷發(fā)生、發(fā)展并最終導致宏觀裂縫和斷裂的過程，

5、要準確地反映瀝青混合料的疲勞特性，必須計及疲勞試驗中損傷演化的影響。本文運用損傷力學方法定義了等應力幅疲勞試驗中試件應變幅的變化規(guī)律作為疲勞損傷函數(shù)，通過對小梁彎曲疲勞試驗過程的分析，得出與應力比、加載時間相關(guān)的損傷函數(shù)，用以對瀝青混合料疲勞方程進行損傷修正。通過對劈裂動態(tài)蠕變的試驗研究，運用Levenberg-Marguardt方法對試驗結(jié)果進行分析，確定了Burgers粘彈性模型的材料參數(shù)，結(jié)合瀝青混合料疲勞的耗散能原理，得出了考慮

6、損傷的瀝青混合料疲勞方程。在進行瀝青路面的抗疲勞開裂性能預估時，通過對常用路面結(jié)構(gòu)采用粘彈性層狀體系理論進行結(jié)構(gòu)分析，并運用本文得到的疲勞方程，成功預估了常用路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，并對瀝青路面疲勞開裂設計方法進行了探討。 在研究永久變形特性時，本文首次將Norton律引入到Burgers模型中，使之更好地反映瀝青混合料粘彈塑性。通過單軸蠕變試驗的研究，結(jié)合Levenberg-Marguardt方法得到了瀝青混合料永久變形的粘塑性參

7、數(shù)，引入建立在Shell方法基礎上的預估模型對瀝青混合料的永久變形進行預測。將此Burgers粘彈塑性模型作為瀝青混合料的本構(gòu)模型，采用粘彈性層狀體系理論對常用的瀝青路面進行結(jié)構(gòu)分析，運用本文得到的預估模型，成功地對常用的瀝青路面結(jié)構(gòu)的永久變形進行預估，并對瀝青路面永久變形設計方法進行了探討。 在瀝青混合料低溫開裂性能的研究中，本文引入能量準則作為判斷瀝青混合料是否發(fā)生低溫開裂的依據(jù)，即當降溫過程產(chǎn)生的應變能大于瀝青混合料斷裂的

8、破壞能時，瀝青路面將產(chǎn)生低溫開裂。本文提出了采用瀝青混合料彎曲試驗得出瀝青混合料破壞能變化規(guī)律的研究方法。同時，提出了根據(jù)瀝青混合料低溫彎曲蠕變試驗結(jié)果結(jié)合Levenberg-Marguardt方法得到Burgers模型的粘彈性參數(shù)的方法；給出了建立在Burgers粘彈性模型基礎上結(jié)合邊界條件得到的瀝青混合料溫度應力的計算公式，以及溫度應力產(chǎn)生的應變能的計算方法，從而建立了運用能量準則對瀝青路面低溫開裂進行預估的方法，并舉例進行了說明。