沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳寿命预测

由于沥青混合料的疲劳裂纹扩展一般难以用传统的Paris公式描述,文中基于能耗的观点,研究了沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳演化规律.试验采用半圆弯曲试验方法,在MTS试验系统上进行了3种级配的沥青混合料的断裂韧度试验和疲劳试验,定义了半圆弯曲试验方法中沥青混合料的裂纹起裂点和疲劳破坏点.研究结果表明:具有断级配的应力吸收层沥青混合料具有很好的抗裂性能和抗疲劳性能;混合料累积疲劳破坏能符合Miner线性假定;沥青混合料的疲劳寿命与断裂韧度有很好的相关性.通过拟合VanDijk能耗公式参数而建立的以断裂韧度为参数的预测模型可以方便地预测沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳寿命.     

沥青混合料裂纹扩展阶段疲劳寿命预测

由于沥青混合料的疲劳裂纹扩展一般难以用传统的Paris公式描述,本文基于能耗的观点,研究沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳演化规律。试验采用半圆弯曲试验方法,在MTS试验系统上进行了三种级配的沥青混合料的断裂韧度试验和疲劳试验,定义了半圆弯曲试验方法中沥青混合料裂纹起裂点和疲劳破坏点。研究结果表明具有断级配的应力吸收层沥青混合料具有更好的抗裂性能和抗疲劳性能;混合料累积破坏能符合Miner线性假定;沥青混合料的疲劳寿命与断裂韧度有很好的相关性。通过对Van Dijk能耗公式参数拟合建立的以断裂韧度为参数的预测模型可以更方便的预测沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳寿命。     

基于改进S-VECD模型的沥青胶浆疲劳寿命预估

为了分析沥青结合料和填料体积分数对沥青胶浆疲劳特性的影响,研究沥青胶浆应力-应变、材料完整性系数与强度损伤演化关系,计算沥青胶浆的疲劳作用次数,采用石灰石磨细矿粉、SK90和KL70基质沥青,分别制备4种不同填料体积分数的沥青胶浆。基于黏弹性连续损伤理论和疲劳破坏准则,建立了线性振幅扫描(LAS)试验沥青胶浆疲劳寿命预估模型(S-VECD),利用有限测试结果,预测在给定的加载历史中材料的损伤演化及疲劳寿命。同时,对沥青胶浆进行温度-频率扫描,根据时间-温度叠加原理和CAM模型,建立动态剪切模量主曲线,计算双对数坐标轴下频率-模量主曲线斜率和移位因子,作为疲劳寿命预估模型的输入参数。研究结果表明:填料的加入使沥青胶浆LAS应力-应变曲线峰值宽度减小,胶浆的应变依赖性增加;沥青胶浆的最大允许应变随填料体积分数增大呈现先增加后减小的趋势,且存在最佳体积分数;随着填料体积分数的增加,强度损伤参数S与材料完整性系数C~*曲线斜率的绝对值增大,材料破坏速度加快;在相同的温度和测试频率下,随着填料体积分数的增加,沥青胶浆的疲劳寿命减小;在相同的填料体积分数下,基质沥青的疲劳寿命越大,其对应的沥青胶浆疲劳寿命也越大;沥青与填料之间相互作用系数越大,沥青胶浆疲劳性能越好。     

老化沥青常应力疲劳演化规律分析

为评价老化沥青的疲劳性能,采用动态剪切流变仪(DSR),在应力控制模式下对经延时薄膜烘箱加热试验(RTFOT)老化的70#基质沥青和SBS改性沥青进行了重复加载试验,通过复数剪切模量(G*)、耗散能变化率(DR)和累计耗散能比(DER)随荷载作用次数的变化,分析了老化沥青疲劳性能演变规律,对比了不同方法确定的老化沥青疲劳寿命。结果表明:通过G*、DR、DER随加载次数变化关系,可将老化沥青疲劳破坏过程分为荷载适应、损伤累积和加速破坏3个阶段,3种方法确定的沥青疲劳寿命相差不大;沥青老化后G*增大,老化对70#基质沥青的影响大于SBS改性沥青,不同老化程度下,70#基质沥青耗散能变化规律相同,SBS改性沥青耗散能变化与沥青老化程度有关。短期老化条件下,沥青老化程度越深,在应力控制模式下疲劳寿命越长。     

超载对AC-25沥青混合料疲劳极限影响

为了评价超载诱发的高应变对长寿命沥青路面底层沥青混合料低应变疲劳极限的影响,采用四点弯曲小梁疲劳试验,对AC-25沥青混合料进行了低—高交变应变循环加载,分析了弯拉劲度、相位角、耗散能和累积耗散能以及疲劳耐久极限的变化规律。结果表明:在低应变水平疲劳试验中引入高应变水平疲劳加载,对AC-25混合料弯拉劲度有一定加速衰减的作用;同时,沥青混合料在进行高应变水平疲劳加载时,其相位角小于低应变水平,而耗散能和累积耗散能均大于低应变水平加载;当由高应变水平恢复至低应变水平疲劳加载时,混合料有自愈合特征,弯拉劲度、相位角、耗散能和累积耗散能的变化趋势近似按照低应变水平进行;因此,超载诱发的有限大小高应变会对长寿命沥青路面层底沥青混合料造成一定损伤,但由于自愈合特性,并不会完全破坏混合料疲劳极限特征。     

基底刚度影响仰拱混凝土疲劳损伤的试验研究

为探明铁路隧道基底刚度对仰拱混凝土疲劳损伤的影响,研制了一种可变换基底刚度并模拟仰拱力学环境的加载装置,结合MTS疲劳试验机进行了仰拱混凝土疲劳损伤的试验研究,揭示了静动载耦合作用下隧道仰拱混凝土的疲劳损伤机理,构建了引入抗力系数的仰拱混凝土疲劳损伤计算模型,阐明了基底刚度对仰拱混凝土动态应变特征及疲劳损伤的影响程度.结果表明:隧道基底刚度对仰拱混凝土疲劳损伤和累积应变增长影响显著;随着基底刚度的降低,混凝土动应变及损伤值快速增长并发生疲劳破坏;混凝土损伤演化曲线与动应变曲线相似,均具有明显的三阶段变化特征;基于疲劳损伤拟合公式和抗力系数表达式,量化了基底刚度对混凝土疲劳损伤的影响程度;均布弹簧基底有利于混凝土抗疲劳性能的提高,其疲劳寿命约为三点弯折条件下混凝土疲劳寿命的10倍.     

TOR橡胶沥青流变性能试验

为了得到TOR橡胶沥青的流变性能,对薄膜烘箱老化和压力老化试验后的沥青试样进行布氏黏度试验和动态剪切流变试验.给出了改性沥青的制备方法、试验方法,分析了TOR对橡胶沥青复数模量、相位角、车辙因子、黏度、疲劳因子的影响.结果表明:加入TOR后,沥青的复数模量增大,相位角减小,TOR促进了废胶粉颗粒与沥青的相容性,增加了沥青的高温抗车辙性能.薄膜加热老化后基质沥青、橡胶沥青和TOR橡胶沥青的车辙因子数值均增大,黏温敏感性增强,TOR橡胶沥青的抗车辙性能较橡胶沥青有所改善.加入TOR的橡胶沥青,经压力老化后抗疲劳性能得到了加强,在较低温度环境下比橡胶沥青好;经有水压力老化,可以有效改善橡胶沥青的热氧水老化能力.     

在役乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能

通过应力控制下的劈裂疲劳试验,分析了现场服役多年的乳化沥青冷再生混合料及室内新成型的乳化沥青冷再生混合料劲度模量衰减特征以及2类混合料疲劳破坏阶段的黏弹性特征;结合损伤分析,提出了在役冷再生沥青混合料和新成型冷再生混合料疲劳破坏准则;对比了不同车道的在役冷再生混合料和新成型冷再生混合料的疲劳寿命,结果表明,现场实际轴载作用次数的增加会导致冷再生混合料剩余疲劳寿命的降低,冷再生混合料在使用中存在疲劳性能增长过程.     

生物柴油再生沥青胶结料性能

为研究生物柴油再生沥青胶结料的粘附性能与流变性能。通过三大指标和布氏黏度分析生物柴油对老化沥青常规性能的影响;采用车辙因子评价高温性能,疲劳性能通过线性振幅扫描试验（LAS）测试,并基于粘弹性损伤模型（VECD）对疲劳寿命预测;通过测试有机溶剂与沥青试样的接触角分析其粘附性。结果表明：生物柴油掺量2%~3%时,能有效恢复老化沥青的三大指标,2%掺量生物柴油可使老化沥青的黏度恢复至基质沥青水平;生物柴油的加入降低了沥青的高温性能,掺量越大沥青试样生物高温临界温度越低,但能显著提高沥青的疲劳性能,掺量达到2%时,路面产生 5%应变时的疲劳寿命约是基质的1.28倍,产生2.5%应变时约是基质的1.39倍。3%掺量生物柴油再生沥青与两种集料的界面粘附强度均大于基质沥青,其与玄武岩的粘附功达到65.69 mJ·m-2,与花岗岩的可达51.73 mJ·m-2。     

再生沥青微观结构对流变性能的影响

为揭示再生沥青的再生机理及效果,基于灰熵关联分析法,结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)、电镜扫描(SEM)和动态剪切流变(DSR)测试,探讨了老化与再生沥青流变特性参数和特征官能团含量的变化情况及关联程度,并对其微观形貌进行表征对比.研究结果表明:沥青老化后,FTIR谱图中C=O基团与S=O基团指数明显增大,芳香分和非对称脂肪族化物指数含量减少;添加再生剂后,再生沥青的特征官能团含量变化与老化沥青呈相反趋势;复数模量降低,相位角升高;温度是影响沥青抗车辙性能和抗疲劳性的重要因素,抗车辙因子和疲劳因子均随温度的升高呈现幂指数衰减形式.沥青老化后微观特征由光滑形貌向密集褶皱转变,加入再生剂后基本恢复至光滑形貌.基于灰熵关联分析得出:再生沥青化学组分变化对高温流变特性参数影响程度,由大到小的排序依次为羰基、亚砜基、芳香族化合物、非对称脂肪族化合物.     

新的非比例加载低周疲劳寿命估算方法

利用对 316L不锈钢多轴非比例加载低周疲劳的试验结果 ,对现有的多轴低周疲劳寿命估算方法进行了讨论 ,基于 316L不锈钢非比例加载低周疲劳的微观机理 ,选择最大剪应变以及应变路径的非比例度作为损伤参量 ,建立了基于临界面方法的新的非比例加载低周疲劳寿命估算公式 ,利用新的非比例加载低周疲劳寿命估算公式对寿命的预测结果表明 :新的寿命估算公式对剪切型破坏的 316L与 316LN不锈钢及拉伸型破坏的 30 4不锈钢非比例加载低周疲劳寿命预言能力比现有的临界面方法精确 .     

基于耗散能原理的沥青混合料疲劳特性分析

耗散能原理在沥青混合料疲劳特性的研究中已获得应用,本文通过实验验证了沥青混合料累积耗散能与疲劳寿命之间的唯一对应关系,并根据Schapery相关法则对混合料疲劳特性问题中的粘弹性及非线性因素进行了分析。耗散能法基于粘弹性理论将伪变量的概念应用到混合料疲劳性能研究中,对于疲劳破坏的标准定义更为准确,是分析混合料疲劳特性的一种有效方法。     

基于粘弹性理论的沥青混合料劈裂疲劳寿命预测

以粘弹性理论为基础,用拟应变来代替实际应变,建定了劈裂疲劳的破坏标准,推导了沥青混合料劈裂疲劳寿命预测模型。通过劈裂蠕变试验确定了蠕变柔量、m值、松驰模量以及拟应变等模型参数,预测了AC13沥青混合料在0.1和0.15应力比下的劈裂疲劳寿命。最后经劈裂疲劳试验验证,修正了预测模型。结果表明,预测模型可以较为准确预估劈裂疲劳寿命,其离散性小于传统的劈裂疲劳试验;可以大幅度减少试验量,节约试验时间;推荐的修正系数k为0.757~0.713,可供今后研究参考。     

基于损伤力学的混凝土疲劳损伤模型

为了研究混凝土在疲劳荷载作用下力学性能不断劣化过程,从连续介质损伤力学的基本理论出发,根据混凝土的材料性能选定合理的耗散势函数,用残余应变来定义混凝土的损伤量,得到关于残余应变的损伤变量表达式;分析混凝土疲劳损伤的发展规律,选用合适的混凝土微塑性应变方程,推导混凝土在疲劳荷载下的损伤发展率,得到混凝土损伤变量与疲劳次数的关系,从而建立混凝土疲劳损伤模型;利用疲劳实验数据验证模型形式的正确性,并确定模型的参数;由此建立耦合损伤变量的混凝土本构关系模型,可用于疲劳荷载作用下混凝土的有限元分析.     

橡胶沥青混合料疲劳性能影响因素研究

参考美国国家公路与运输协会(AASHTO)标准TP8要求,根据中国沥青混合料的成型现状,采用材料试验机(material test system,MTS)控制加载,选择改进的三分点加载小梁弯曲疲劳试验对橡胶沥青混合料疲劳性能影响因素进行了研究.研究表明:橡胶沥青油石质量比在7.5%～9.0%时,橡胶沥青混合料的疲劳寿命随沥青掺量的增加而增大;在正常的空隙率范围内,随着空隙率的减小,橡胶沥青混合料的疲劳寿命逐渐增加,但饱和度太高,对混合料的疲劳性能不利;胶粉掺量在19%时的疲劳性能最好.对各影响因素进行关联度分析表明,空隙率对橡胶沥青混合料的疲劳性能影响最为显著,沥青饱和度、油石质量比和胶粉掺量对疲劳性能也有较大影响.     

沥青路面核心设计理论的统一

从沥青路面的结构行为方程出发，以上海地区的环境条件为例，按基于性能设计方法优化得出若干路面结构，通过对各路面结构的力学分析和计算，建立沥青层底面拉应变和路基顶面压应变与路面寿命之间的关系，即导出路面现场疲劳方程．将其与国外主流设计方法和我国规范设计方法中采用的疲劳方程进行了对比，结果表明：结构行为分析法与国际现行的设计方法具有内在的一致性，它统一了目前使用的不同类型的设计方程和设计分析理论，实现了路面力学性能与使用性能的统一．     

玄武岩纤维与抗车辙剂复合改性沥青混合料路用性能研究

为了探索玄武岩纤维和抗车辙剂复合添加对沥青混合料的增强效果,本文通过室内试验研究复合改性沥青混合料的路用性能,并与单掺一种改性剂的沥青混合料进行对比。试验表明与单掺玄武岩纤维沥青混合料相比,复合改性沥青混合料动稳定度提高320%,冻融劈裂强度比提高5%,疲劳破坏寿命提高14.6%;与单掺抗车辙剂的沥青混合料相比,复合改性沥青混合料低温抗弯拉应变提高53%,冻融劈裂强强度比提高8%,疲劳破坏寿命提高31.5%。玄武岩纤维与抗车辙剂复合改性能明显提升善沥青混合料路用性能。