独立于材料类型的沥青混合料疲劳破坏准则研究

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沥青路面在服役期间,车辆荷载的重复作用会导致其产生疲劳开裂,疲劳开裂是沥青路面主要的破坏形式之一。准确地预测沥青混合料的疲劳寿命将对沥青路面的剩余服役寿命的评估奠定基础,同时在沥青路面设计中需要考虑各种因素对沥青路面服役寿命的影响并深入了解其影响规律,这对沥青路面结构层的设计过程有很好的指导意义。目前对沥青混合料疲劳性能进行评价的方法主要分为以下三种:现象学法、能量法、损伤力学法。现象学法不具有明确的物理意义,不能从本质上反映沥青混合料损伤过程;能量法没有考虑到混合料在承受破坏性荷载过程中消耗的能量不全部用于发展疲劳开裂,以耗散能为参数的疲劳模型无法准确表达疲劳过程的能量耗散;损伤力学法经典模型理论针对的材料和沥青混合料有一定的区别,不能够十分准确地评价沥青混合料这种黏弹性材料的疲劳性能。本文将从定义统一破坏标准的疲劳破坏准则出发,系统分析影响沥青混合料疲劳寿命的因素。主要研究成果如下:(1)基于疲劳试验结果,对三种沥青混合料试件采用模量控制法得到的疲劳寿命结果和采用耗散能变化率法以及归一化模量比法得到的疲劳寿命结果进行对比分析,结果表明采用模量控制法确定疲劳寿命没有统一的标准,不具有物理意义。根据沥青混合料疲劳寿命与疲劳参数之间的幂函数关系模型对三种沥青混合料的试验结果进行拟合,结果表明耗散能变化率法和归一化模量比法都不能提供一个独立于材料类型的疲劳模型。(2)基于耗散能变化率和归一化模量比法,通过应变控制重复直接拉伸疲劳试验结果,提出了一种基于模量斜率变化的破坏准则,根据模量比峰值对应的耗散能变化率,定义了一个与疲劳寿命相关的参数RDECMNSR,建立了疲劳寿命与疲劳参数的幂函数疲劳模型,并验证疲劳模型是与材料类型无关的,能最大化表征材料的疲劳性能,可以用于对沥青混合料的疲劳寿命进行预估。(3)影响沥青混合料疲劳寿命的外部因素包括应变水平、试验温度、试验频率,试验结果表明随着应变水平的增大,疲劳寿命呈现逐渐下降的规律,疲劳寿命和应变可以用幂函数形式进行很好的拟合;在确定的试验温度范围内,温度升高,沥青混合料的疲劳寿命增大;在确定的试验频率范围内,频率增大会降低沥青混合料的疲劳寿命。(4)影响沥青混合料疲劳寿命的内部因素包括沥青种类、级配类型、集料的表观特性以及混合料的细观结构,SBS改性沥青制备的沥青混合料疲劳寿命最大,疲劳性能最优;在应变水平较低时,AC-13级配沥青混合料疲劳寿命最大,疲劳性能最佳;在表观特性方面:针对不同集料类型:三个表观特性指标的关联度排序为棱角性>球度>表面纹理;沥青混合料试件整体细观结构指标的关联度排序为:矢量幅度>倾斜角>距离偏差率>均匀性系数,各粒径集料的矢量幅度对沥青混合料疲劳寿命的具有最大的相关性;各粒径集料的距离偏差率对沥青混合料疲劳寿命影响最小。
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