一種高模量瀝青混合料路面疲勞壽命預(yù)測方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種高模量瀝青混合料路面疲勞壽命預(yù)測方法，以高模量瀝青混合料路面的結(jié)構(gòu)溫度分布、路面材料動(dòng)態(tài)模量和溫度軸載分布為基本參數(shù)；以間接拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果擬合疲勞應(yīng)變方程采用ANSYS軟件構(gòu)建路面結(jié)構(gòu)有限元模型，計(jì)算不同軸載等級(jí)和不同溫度區(qū)的層底最大拉應(yīng)變；根據(jù)Miner的疲勞累積損傷法則，利用公式計(jì)算得到不同軸載和不同溫度的高模量瀝青混合料的疲勞累積損傷結(jié)果。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是充分考慮了瀝青混合料的路面溫度梯度和軸載分布，并建立了較為精準(zhǔn)的預(yù)測模型，準(zhǔn)確描述了瀝青混合料疲勞衰減的過程和規(guī)律，具有適用面廣、計(jì)算結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn)，為瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了更可靠的方法。
【專利說明】一種高模量瀝青混合料路面疲勞壽命預(yù)測方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及到道路工程建設(shè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及到一種高模量瀝青混合料路面疲 勞壽命預(yù)測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 高模量瀝青混合料是一種新型的路用材料，具有優(yōu)秀的路用性能。高模量瀝青混 合料的設(shè)計(jì)理念是通過提高瀝青混凝土的模量，從而提高路面抗高溫變形能力，減少車輛 荷載作用下瀝青混凝土產(chǎn)生的應(yīng)變，改善瀝青混凝土的疲勞性能，達(dá)到延長路面的使用壽 命，提高服務(wù)質(zhì)量的效果。
[0003] 高模量瀝青混合料（HMAM)于二十世紀(jì)八十年代出現(xiàn)于法國，被冠以路面專用瀝 青處治砂礫（GBTHP)的名稱獲取了相關(guān)專利。根據(jù)法國NFP-140標(biāo)準(zhǔn)中的定義：只有當(dāng)動(dòng) 態(tài)模量E*在15°C、IOHz的條件下達(dá)到HOOOMPa以上時(shí)才能被稱為高模量瀝青混合料。 [0004]目前，國際上提高瀝青混合料模量的方式主要有兩種，一種是降低瀝青混合料中 瀝青的標(biāo)號(hào)，采用粘度較大的瀝青；另一種則是在瀝青混合料中加入外摻改性劑。本發(fā)明主 要是針對(duì)在基質(zhì)瀝青中添加 PR-module高模量改性劑的高模量瀝青混合料疲勞壽命的預(yù) 測方法。
[0005] 瀝青混合料疲勞性能預(yù)測模型的研宄國外已有40余年的歷史，主要有英國諾丁 漢大學(xué)、加利福弗尼亞大學(xué)、英荷殼牌石油公司、美國俄亥俄州大學(xué)等。
[0006] 早在1971年和1973年，加利福尼亞大學(xué)Berkeley分校的Carl L. Monismith和 Nottingham大學(xué)的P. S. Pell分別建立了按應(yīng)變控制和應(yīng)力控制疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｊ较碌钠谛?能的經(jīng)典預(yù)測模型，至今在單一瀝青混合料類型的疲勞性能預(yù)測中仍在采用。
[0007] 1985年Carl L. Monismith建立疲勞性能預(yù)測模型將瀝青混合料的初始勁度模量 作為了一個(gè)影響疲勞壽命的因素加以考慮，而瀝青混合料的初始勁度模量則是一個(gè)反映瀝 青勁度、混合料級(jí)配、空隙率、瀝青用量等多個(gè)因素變化的綜合指標(biāo)，在一定程度上可以反 映出不同類型的瀝青混合料的疲勞特性。這一預(yù)測模型在殼牌石油（Shell Bitumen)以及 地瀝青學(xué)會(huì)（Asphalt Institute)的設(shè)計(jì)規(guī)范中得以運(yùn)用。
[0008] 諾丁漢大學(xué)還建立了拉應(yīng)變、疲勞荷載作用次數(shù)、瀝青含量和軟化點(diǎn)的關(guān)系。
[0009] 美國加利弗尼亞大學(xué)伯克利分校進(jìn)行了大量的室內(nèi)研宄，并通過室外足尺試驗(yàn)對(duì) 室內(nèi)疲勞規(guī)律進(jìn)行了驗(yàn)證。在"SHRP"計(jì)劃中，加州大學(xué)又深入分析了影響瀝青混合料疲勞 性能的各種因素，包括：試件的成型方法、加載方式、混合料變量（瀝青粘度、瀝青用量、集 料級(jí)配、空隙率、溫度）和疲勞試驗(yàn)方式的基礎(chǔ)上，在開展擴(kuò)大試驗(yàn)計(jì)劃后，匯總了室內(nèi)疲 勞試驗(yàn)資料，建立回歸方程。
[0010] 俄亥俄州大學(xué)從裂紋的擴(kuò)展規(guī)律出發(fā)來研宄疲勞性能。應(yīng)用斷裂力學(xué)方法的疲 勞壽命的定義是在一定的應(yīng)力狀態(tài)下，材料的損壞按照裂縫擴(kuò)展定律，從初始狀態(tài)增長 到危險(xiǎn)和臨界狀態(tài)的時(shí)間。通過對(duì)已有的疲勞裂縫擴(kuò)展規(guī)律試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，認(rèn)為 P. C. Paris的裂縫擴(kuò)展規(guī)律最適合于瀝青混合料的情況。
[0011] 加州大學(xué)伯克利分校及其他研宄人員認(rèn)為疲勞試驗(yàn)中的總能耗和循環(huán)荷載的重 復(fù)作用次數(shù)之間存在著某一特定關(guān)系，通過試驗(yàn)研宄還提出一種新的疲勞響應(yīng)模型，即能 耗疲勞方程，用能量法來研宄瀝青混合料的疲勞特性。SHRP在壓實(shí)瀝青混合料重復(fù)彎曲疲 勞壽命測定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（SHRP-M-009)中還給出累積消散能及消散能累積到破壞時(shí)的 計(jì)算方法。但是正如C. L. Monismith等人在"瀝青混合料疲勞反應(yīng)綜述" SHRP-A-312 -文 中所指出的：至今為止，僅在彎曲疲勞試驗(yàn)上考慮使用消散能理論，尚需進(jìn)一步研宄它能否 用于其它類型疲勞試驗(yàn)和瀝青路面疲勞設(shè)計(jì)中。
[0012] 國內(nèi)的研宄工作起步相對(duì)較晚，但也做了大量的研宄工作。我國97年瀝青路 面設(shè)計(jì)規(guī)范考慮了瀝青層的疲勞問題，在交通部科研項(xiàng)目"瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)與參數(shù)的 研宄"中選用茂名60#、勝利100#、遼河140#三種國產(chǎn)瀝青，配制中粒式和粗粒式兩種級(jí) 配的瀝青混凝土試件，用MTS試驗(yàn)機(jī)以應(yīng)力控制方式，在5種溫度條件下（25°C、15°C、 0°C、_5°C、-15°C )進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)，施加半正弦波荷載，加載頻率為10Hz。根據(jù)試 驗(yàn)結(jié)果分析，推薦了瀝青層拉應(yīng)力與疲勞破壞時(shí)的荷載作用次數(shù)的疲勞方程。
[0013] 同濟(jì)大學(xué)采用進(jìn)口瀝青制備三種級(jí)配瀝青混合料（AC25、AC20、AC12)進(jìn)行了常應(yīng) 力彎曲疲勞試驗(yàn)研宄，還根據(jù)荷載間歇時(shí)間、荷載橫向分布和不利季節(jié)天數(shù)對(duì)室內(nèi)疲勞模 型進(jìn)行了現(xiàn)場修正，建立了瀝青層拉應(yīng)力與荷載作用次數(shù)的疲勞模型。
[0014] 華南理工大學(xué)綜合國內(nèi)外多個(gè)研宄項(xiàng)目的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果，建立了以單軸 動(dòng)態(tài)壓縮模量和瀝青飽和度為控制指標(biāo)的疲勞模型。
[0015] 綜上所述，國內(nèi)外對(duì)瀝青混合料疲勞性能進(jìn)行了廣泛深入的研宄。采用不同疲勞 試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)了瀝青混合料疲勞性能，不同的研宄機(jī)構(gòu)也建立了不同的疲勞模型。然而，這 些方法沒有考慮高模量瀝青混合料在鋪成路面后實(shí)際溫度梯度和實(shí)際軸載分布對(duì)高模量 瀝青混合料疲勞壽命的影響，使得理論計(jì)算值與實(shí)際值存在較大的差異。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 為了更加準(zhǔn)確地監(jiān)測高模量瀝青混合料路面的疲勞壽命，充分考慮瀝青路面實(shí)際 使用環(huán)境和條件，本發(fā)明提出一種高模量瀝青混合料路面疲勞壽命預(yù)測方法。本發(fā)明高 模量瀝青混合料路面疲勞壽命預(yù)測方法，以高模量瀝青混合料路面的結(jié)構(gòu)溫度分布、路面 材料動(dòng)態(tài)模量和溫度軸載分布為基本參數(shù)；以間接拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果擬合疲勞應(yīng)變方程 #/=?4,式中，Nf為疲勞破壞時(shí)的荷載作用次數(shù)，α為參數(shù)，ε χ為水平應(yīng)變，b為參數(shù)；采 用ANSYS軟件構(gòu)建路面結(jié)構(gòu)有限元模型，計(jì)算不同軸載等級(jí)和不同溫度區(qū)的層底最大拉應(yīng) 變；根據(jù)Miner的疲勞累積損傷法則，利用公￥

【權(quán)利要求】
1. 一種高模量瀝青混合料路面疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于，以高模量瀝青混合料 路面的結(jié)構(gòu)溫度分布、路面材料動(dòng)態(tài)模量和溫度軸載分布為基本參數(shù)；以間接拉伸疲勞試 驗(yàn)結(jié)果擬合疲勞應(yīng)變方程式中，Nf為疲勞破壞時(shí)的荷載作用次數(shù)，α為參數(shù)，εχ 為水平應(yīng)變，b為參數(shù)；采用ANSYS軟件構(gòu)建路面結(jié)構(gòu)有限元模型，計(jì)算不同軸載等級(jí)和不 KLn 同溫度區(qū)的層底最大拉應(yīng)變；根據(jù)Miner的疲勞累積損傷法則，利用公式βζΣΣ# = 1 i=\7=1iyij 計(jì)算得到不同軸載和不同溫度的高模量瀝青混合料的疲勞累積損傷結(jié)果，式中，D為損傷因 子，K為變量，L為變量，N為對(duì)應(yīng)軸載等級(jí)的計(jì)算疲勞壽命，η為軸載等級(jí)，i為1、2、3…K， f \ j為1、2、3···?;根據(jù)公式α <1，計(jì)算得到尚模量瀝青混合料路面的疲勞壽命 [N1N2N1) α，式中，N為對(duì)應(yīng)軸載等級(jí)的計(jì)算疲勞壽命，η為軸載等級(jí)，i為1、2、3…K;其中，所述結(jié)構(gòu) 溫度是指依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或?qū)崪y獲得的不同溫度區(qū)的全年路面溫度分布頻率和各個(gè)溫度區(qū) 不同路面深度的溫度值；所述路面材料動(dòng)態(tài)模量是指處于不同溫度區(qū)和不同路面深度的路 面材料的動(dòng)態(tài)模量值；所述溫度軸載分布是指不同軸載等級(jí)、不同溫度區(qū)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)的 當(dāng)量軸次。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述高模量瀝青混合料路面疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于，該方 法包括以下步驟： 51、 確定路面結(jié)構(gòu)溫度場，根據(jù)統(tǒng)計(jì)獲得瀝青路面溫度年度分布數(shù)據(jù)，按設(shè)定溫度間隔 將瀝青路面分為二個(gè)以上溫度區(qū)，計(jì)算不同溫度區(qū)全年路面溫度分布頻率；根據(jù)實(shí)測獲得 各個(gè)溫度區(qū)溫度隨路面結(jié)構(gòu)深度的變化曲線； 52、 確定路面材料動(dòng)態(tài)模量，將在加載頻率為IOHz和加載波形為正弦波情況下得到的 瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量數(shù)據(jù)，按最小二乘擬合和線性插值得到各個(gè)不同溫度區(qū)和不同路面結(jié) 構(gòu)深度的路面材料的動(dòng)態(tài)模量分布； 53、 確定溫度軸載分布，根據(jù)公路實(shí)際運(yùn)行情況按軸載大小劃分車輛軸載等級(jí)并計(jì)算 不同軸載等級(jí)的軸載分布頻率，根據(jù)設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道上的累積當(dāng)量軸次，結(jié)合路面溫 度分布頻率和軸載分布頻率計(jì)算得到不同軸載等級(jí)、不同溫度區(qū)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)的當(dāng)量軸 次，即溫度軸載分布； 54、 確定高模量瀝青混合料疲勞應(yīng)變方程，在不同應(yīng)力比、不同溫度條件下對(duì)所選用的 高模量瀝青混合料進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)，即通過間接拉伸試驗(yàn)儀器的位移測定裝置來記 .rYrX(0.135+ 0.5//) 錄試件在受到應(yīng)力作用下產(chǎn)生的垂直方向的變形Yt，按公式A= 計(jì)算水 {2AH']「I+? 平變形ΧΤ，進(jìn)而根據(jù)公式A= χ --計(jì)算瀝青混合料水平疲勞應(yīng)變?chǔ)纽郑? IvΩj[4 +πμ-π_ 根據(jù)疲勞應(yīng)變模型#曲線擬合高模量瀝青混合料疲勞應(yīng)變方程；式中，\為試件在 垂直方向上的變形，單位mm;XT為試件在水平方向上的變形，單位mm;μ為泊松比；ΔΗ為 水平變形，單位為mm;Ω為試件直徑，單位為mm;εχ為水平應(yīng)變；π為常數(shù)，α為參數(shù)，b 為參數(shù)，Nf為疲勞破壞時(shí)的荷載作用次數(shù)； S5、高模量瀝青混合料路面疲勞壽命預(yù)測，采用ANSYS軟件建立典型路面結(jié)構(gòu)有 限元三維模型，輸入路面結(jié)構(gòu)溫度場、路面材料動(dòng)態(tài)模量和軸載分布的參數(shù)，得到基于 不同荷載和不同溫度的層底最大拉應(yīng)變；根據(jù)Miner的疲勞累積損傷法則，利用公式 KLn β=ΣΣ子 =1計(jì)算得到不同軸載和不同溫度條件下的高模量瀝青混合料的疲勞累積損 Mj=l^ij f \ 傷結(jié)果；最后根據(jù)公式《 1+1...IU計(jì)算得到高模量瀝青混合料路面的疲勞壽命 [N1N2N1) α;式中，D為累積疲勞損傷因子，K為變量，L為變量，ηι、η2、…、Iii為軸載等級(jí)，N^N2、…、Ni為對(duì)應(yīng)軸載等級(jí)的計(jì)算疲勞壽命，i為1、2、3…K，j為1、2、3…L。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104462843SQ201410804672
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月22日
【發(fā)明者】梁乃興, 曹源文, 黎曉, 趙毅, 鄭嘉, 孫鳳, 徐建平, 鄭易楠 申請(qǐng)人:重慶交通大學(xué)