沥青混合料粘弹塑性断裂参数研究

沥青混合料是一种典型的粘弹塑性材料，通过半圆弯拉试验，采用J积分和延迟开裂时间评价其延迟开裂性能；测得在不同荷载水平和不同试验温度条件下沥青混合料的延迟开裂时间以及不同试验温度下的断裂韧度，研究其裂缝起裂规律。研究结果表明，裂缝的起裂表现出明显的粘弹塑性特征，采用J积分理论和延迟开裂时间评价沥青混合料的断裂性能时，简单的流变本构关系依然适用。     

应用J积分断裂准则评价应力吸收层抗裂性能

应用弹塑性断裂力学J积分理论,采用半圆弯曲试验评价了3种级配应力吸收层的抗裂性能,发现采用断级配设计的应力吸收层具有良好的抗裂性能,结果表明断裂韧度JC可以用来评价应力吸收层的抗裂性能,由丰富沥青胶浆填充断级配骨架结构的级配设计,可以提高沥青混合料的抗裂能力.     

应用J积分断裂准则评价应力吸收层抗裂性能

应用弹塑性断裂力学J积分理论,采用半圆弯曲试验评价了3种级配应力吸收层的抗裂性能,发现采用断级配设计的应力吸收层具有良好的抗裂性能,结果表明断裂韧度JC可以用来评价应力吸收层的抗裂性能,由丰富沥青胶浆填充断级配骨架结构的级配设计,可以提高沥青混合料的抗裂能力。     

基于OT试验的大粒径沥青混合料抗裂性能研究

为了研究大粒径沥青混合料作为沥青路面下面层抵抗反射裂缝的能力,研究了其在不同荷载速率、不同温度、不同油石比和不同老化情况下的抗裂性能。通过OT试验对大粒径沥青混合料进行单调拉伸试验并对其断裂面分形特性进行研究,测出其在不同条件下的荷载位移曲线,得出不同条件下的力学性能参数和分形维数。研究结果表明:大粒径沥青混合料在不同条件下表现出很好的分形特性,分形维数越高表明断裂能越高;总断裂能和裂缝扩展阶段的能量随温度的降低、油石比的增大、加载速率的提高和老化程度的增加而增大;峰值荷载和断裂能指数随加载速率增加和温度的降低而增加。推荐用总断裂能和分形维数评价大粒径沥青混合料的抗裂性能,以提高试验重复性。断裂能指数对沥青混合料断裂性能评价的有效性还有待进一步研究。     

沥青混合料黏弹性裂纹扩展

采用Schapery提出的局部衰坏区模型,推导了沥青混合料宏观裂缝稳定扩展阶段开裂速率的简单力学表达式.首先利用裂纹扩展3个基本方程控制裂缝在沥青混合料中的扩展行为,再采用修正Burgers力学模型来准确模拟沥青混合料黏弹性能,通过对黏弹性张开位移和断裂能判据的合理简化,推导出了沥青混合料宏观裂纹稳定扩展的瞬时开裂速率与应力强度因子的关系.然后利用推导出的裂纹扩展速率公式预测了沥青砂浆板拉伸开裂速率,并与试验结果对比.结果显示:理论预测的沥青砂浆开裂速率与试验实测值在裂缝稳定扩展阶段吻合较好;沥青混合料的断裂行为具有时间相关性,其开裂速率随裂缝长度的增加或者应力水平的提高而增大.     

基于间接拉伸开裂方法评价超薄磨耗层混合料抗裂性能

通过间接拉伸开裂（IDEAL-CT）试验方法,研究了不同级配及油石比条件下超薄磨耗层混合料的抗裂性能。结果显示,级配变密会导致混合料整体强度上升,抗变形能力下降,同时会加快裂缝扩展速度,混合料抗裂性能下降。油石比的增加会使混合料抗变形能力提升,延缓裂缝扩展速度,使得混合料抗裂性能增强。皮尔逊相关性分析结果表明,随着超薄磨耗层混合料的孔隙率和沥青膜厚度的增加,混合料整体强度降低,抗变形能力提升,裂缝开裂速度下降,混合料整体抗裂性能增强,因而超薄磨耗层混合料设计过程中可通过提升孔隙率和沥青膜厚度来增强混合料的抗裂性能。对于IDEAL-CT试验指标,断裂能不适用于评价超薄磨耗层混合料抗裂性能。     

贫沥青碎石缓解层抗裂效果与路用性能研究

采用新型材料贫沥青碎石(LAG)作为缓解层以有效解决半刚性基层路面易产生反射裂缝的问题.为研究其抗裂效果,通过模拟实际道路中车轮作用,开发出一种简单易行的抗裂性能试验方法.以开裂寿命、断裂寿命和裂缝发展速率作为抗反射裂缝能力评价指标,分析不同沥青用量的贫沥青碎石和其他3种不同抗裂材料的抗裂效果,进一步选取抗变形、渗水性能和抗冲刷能力进行路用性能验证.结果表明:材料开裂后,在开裂和断裂寿命基础上采用裂缝发展速率评价抗裂效果更直观合理;贫沥青碎石在最佳沥青用量下抗反射裂缝能力最优,6种材料抗裂效果依次为LAG2LAG3LAG1ATB-25ATPB-25AC-25;贫沥青碎石各项路用性能指标均符合要求,可作为半刚性路面缓解层来延长道路使用寿命.     

沥青混合料低温抗裂性能分析及断裂过程模拟

为了分析沥青混合料材料参数对低温抗裂性能的影响,选取不同混合料类型、沥青种类、老化程度及再生料(RAP)含量为变量,应用圆盘拉伸试验(DCT)进行温度为-12℃下的沥青混合料断裂试验,选取断裂应变容限值为评价指标,研究不同因素对沥青混合料低温性能的影响.采用内聚力模型对DCT试验全过程进行模拟,探究混合料的裂纹扩展及损...     

厂拌热再生SBS改性沥青混合料抗裂性能

为了研究厂拌热再生SBS改性沥青混合料的抗裂性能,采用半圆弯拉试验,通过断裂能分析中低温条件下旧料掺量、再生剂掺量对再生沥青混合料抗裂性能的影响;同时借助数字散斑技术,对半圆弯拉试验加载全过程中试件表面图像进行散斑处理,对其裂缝尖端水平应变场信息以及裂缝扩展特征进行评价,对比分析水平应变-时间曲线的变化规律;并研究长期老化和冻融循环作用对再生沥青混合料抗裂性能的衰减特性。研究结果表明:中低温条件下,再生沥青混合料的抗裂性能随旧料掺量的增加呈二次多项式递减,使用再生剂无法改变这种递减关系,但有助于减缓其劣化趋势,当旧料掺量(质量分数,下同)小于30%时,再生沥青混合料抗裂性能接近新拌改性沥青混合料,但抗老化性能较差;再生沥青混合料砂浆易形成受力薄弱界面,再生剂可延长其开裂时间,并提高裂尖水平应变峰值,尤其对于大比例废旧SBS改性沥青混合料(RAP-SBS)再生改善效果更明显;影响再生沥青混合料低温抗裂性能的各因素依次为温度、旧料掺量、长期老化,其中温度的影响最显著;再生沥青混合料低温抗裂性能对冻融循环次数的敏感度随旧料掺量的增加而增大,指数模型可以较好表征再生沥青混合料低温抗裂性能随冻融循环次数的衰减状况,其损伤程度随冻融次数的增加大致分为快速损伤期和稳定损伤期2个阶段。     

基于SCB试验的玄武岩纤维混合料抗裂性能

基于半圆弯拉试验,采用断裂能量、柔性指数等指标来评价玄武岩纤维对沥青混合料抗裂性能的影响。结果表明：对于不同沥青种类混合料,玄武岩纤维对SBS改性沥青混合料抗裂缝扩展性能的增强略优于基质沥青混合料的,但抗裂缝发展速度得到大幅提升;对于不同最大公称粒径混合料,玄武岩纤维对细粒径混合料的抗裂缝扩展性能的增强效应优于粗粒径混合料的,而玄武岩纤维对细粒径混合料的抗裂缝发展速度的增强效应不如粗粒径沥青混合料的;对于不同集配的混合料,玄武岩纤维对连续级配的沥青混合料的抗裂缝扩展性能和抗裂缝开展速度的增强效应均优于间断型级配的沥青混合料的。总体而言,玄武岩纤维可以较大幅度地提高沥青混合料的抗开裂能力,并降低开裂时裂缝发展速度。     

切口尖端不同曲率半径试件的动态有限元分析

数值分析与试验均证明在裂纹尖端存在着J主导区,J积分可以作为决定裂纹起裂的参数.由于韧带较窄,机械加工难以获得深切口尖端的曲率半径为零.考虑裂纹尖端存在一定曲率半径的情况下,对不同切口深度比的裂纹进行动态有限元计算,并和切口尖端曲率半径为零的裂纹进行对比,讨论了切口的曲率半径对J积分的影响,为下一步的断裂试验提供数值分析依据.     

交通荷载作用下沥青路面裂缝尖端的应力强度因子分析

考虑沥青混合料粘弹性断裂力学行为,对于沥青路面的开裂或反射性裂缝的扩展行为研究具有重要意义.基于粘弹性断裂理论,采用非线性有限元软件ABAQUS,分析交通动荷载作用下不同车速、不同基层模量对含有裂缝路面结构体系的位移场和应力场的影响.计算结果表明:裂缝尖端应力强度因子变化曲线随着车速的增加发生移动,且峰值几乎不变;随着基层模量的增加,应力强度因子增大.在偏荷载作用下裂缝尖端应力强度因子由KⅠ、KⅡ组成,当基层模量较小时裂缝尖端应力强度因子主要表现为KⅡ,随着弹性模量的增加KⅠ增大,KⅡ几乎保持不变.     

沥青混合料降温收缩断裂特性

低温开裂一直是寒冷地区沥青路面的主要病害之一。利用研制的沥青混合料降温收缩断裂试验仪,在不同降温速率和初始温度下,进行了不同沥青及其用量、集料及其级配组成的改性沥青混合料的降温收缩断裂试验,以断裂强度、断裂温度、转折点温度和温度应力曲线斜率的绝对值为指标,对比分析了不同因素的影响。结果表明:改性沥青标号、沥青用量、矿料级配组成、降温速率和初始温度对沥青混合料降温收缩特性的影响较大;采用标号较高的改性沥青,沥青用量为马歇尔方法确定的最佳沥青用量,有利于提高沥青混合料抵抗降温收缩断裂的能力;骨架密实结构的沥青混合料的抗降温收缩断裂性能更好;在初始温度较高的快速降温下,沥青路面的开裂几率较大。     

弹塑性材料裂纹扩展的动态J阻力曲线实验

为得到弹塑性材料裂纹扩展的阻力曲线，采用较大外径和较大韧带直径的周边切口在自行研制的间接杆-杆型冲击拉伸试验装置上进行了动态断裂和起裂止裂试验．采用数值分析提出的修正方法得到韧带面上的载荷，结合测得的裂纹嘴张开位移（CMOD），推广Rice远场J积分公式来计算动态J积分；依据柔度变化率法确定起裂点，从而获得动态起裂韧度JID．利用柔度标定法得到裂纹扩展轨迹；提出了周边切口拉伸试件裂纹扩展阻力的动态，JM（t）积分表征的修正形式，从而得到了弹塑性材料裂纹扩展至止裂前的阻力曲线，并对相关问题进行了讨论．试验结果表明：修正的JM（t）可以作为裂纹扩展阻力的表征参量，不仅适用小量稳态扩展过程，裂纹扩展较大时也适用；对弹塑性材料裂纹扩展阻力曲线是惟一的，与裂纹初始长度无关．     

基于数字图像技术的沥青混合料反射裂纹扩展行为

为了研究不同加载模式下的沥青混合料反射裂纹扩展行为,对复合小梁试件进行复合型和弯拉型破坏荷载试验以及不同应力比状态的疲劳试验,并基于数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)观测反射裂纹萌生至扩展全过程,从裂纹宽度、裂纹扩展路径、裂纹扩展高度及疲劳反射裂纹扩展速率深入分析其扩展行为。结果表明：沥青混合料反射裂纹扩展行为经历微裂纹萌生、微裂纹发展阶段、微裂纹向宏观裂缝转变、宏观裂缝快速发展4个阶段。反射裂纹扩展由主裂纹扩展以及次裂纹扩展构成,且次裂纹扩展速率高于主裂纹。采用logistic函数对混合料疲劳反射裂纹扩展量进行拟合是可靠的。研究成果对于完善沥青路面设计及其耐久性评价具有重要意义。     

循环荷载作用下沥青混合料的黏弹塑性损伤本构模型

为较好描述损伤状态下沥青混合料的黏弹塑性应力-应变关系、明确动态循环荷载对其损伤本构关系的影响,利用经典黏弹塑性流变理论,在Burgers黏弹性模型上串联一个黏塑性元件,并根据损伤力学应变等效原理,建立了一个能体现动态循环荷载作用特点及能考虑加载频率影响的沥青混合料黏弹塑性损伤本构模型.同时进行间接拉伸疲劳试验,研究加载频率、环境温度、应力水平、沥青用量及沥青种类对混合料应力-应变关系的影响,并标定模型参数、验证模型的有效性.结果表明:所建模型不仅能较好描述沥青混合料在动态循环荷载作用下的损伤本构关系,还能体现加载频率、环境温度及荷载水平等因素对应力-应变关系的影响;模型参数意义明确、规律性强,值得进一步研究和推广.     

沥青混合料永久变形的弹黏塑-损伤力学模型

对Burgers模型中串联黏壶进行了改进,并将改进模型看成是由三单元Van Der Poel模型与黏塑性元件串联组成.综合运用黏塑性力学和损伤力学理论,同时引入应变硬化变量和损伤软化变量,建立了基于应变硬化理论的沥青混合料损伤蠕变模型.再采用半正矢波间歇荷载模拟实际路面轮载作用,推导了重复荷载作用下沥青混合料永久变形的弹黏塑性损伤力学模型.根据室内重复荷载永久变形试验结果,运用最小二乘法原理,得到了弹黏塑性损伤力学模型的相关参数,并对该模型进行了验证.验证结果表明,该模型可以全面、统一地描述沥青混合料永久变形的三阶段特性.     

能容纳二次应力的J积分断裂参量的实验验证

用带焊接残余应力的焊接试板对文题进行了研究。结果表明：用修正Ｊ积分作为裂断裂参量建立的断裂准则，测得的缺口和裂纹断裂预测值与实验实测值非常接近，其误差在１０％之内。     

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。