老化沥青混合料粘弹性疲劳损伤模型研究

为了较真实反映沥青路面服务期的疲劳损伤特性,从粘弹性材料的基本特性出发,通过本构方程和耗散能的定义构造了耗散能的泛函,定义耗散能为损伤变量,建立基于Burgers模型的老化沥青混合料粘弹性疲劳损伤模型,通过直接拉伸试验确定沥青混合料的粘弹性参数,求出损伤函数、损伤演化方程,提出一种考虑疲劳过程中老化程度对疲劳损伤影响的累积疲劳损伤计算理论与方法,为沥青混合料在不同老化程度下的疲劳寿命预估提供了依据。根据疲劳损伤模型推导出沥青混合料临界损伤度、疲劳寿命计算公式,并对其进行计算比较,精度满足要求,从而验证了粘弹性疲劳损伤模型的合理性。     

考虑加载速度影响的沥青混合料疲劳方程

为了建立沥青混合料强度与疲劳行为之间的联系,通过不同加载速率下的沥青混合料直接拉伸强度试验,揭示了强度随加载速率的幂函数变化规律;基于不同加载速率下的强度值,得到了与疲劳加载速率对应的沥青混合料疲劳真实应力比;通过疲劳试验,创建了基于名义应力比和真实应力比的沥青混合料疲劳方程,基于名义应力比的疲劳方程后延后与横坐标的交点远比1 大,不具有后延性,而基于真实应力比的疲劳方程可以后延到疲劳寿命为1 的强度破坏点,统一了强度破坏与疲劳破坏行为;据此推导了沥青路面抗拉强度结构系数计算新方法;研究结果可为我国公路沥青路面设计规范的修订提供理论依据.     

加筋沥青路面APA试验及其非线性疲劳损伤分析

应用沥青路面分析仪(APA)对沥青路面结构模拟试件进行多种荷载下的往返轮载疲劳试验,对比研究土工布、玻璃纤维格栅对沥青路面疲劳性能的加筋效果.在此基础上,提出沥青混合料非线性疲劳损伤演化模型,应用基于疲劳损伤力学的非线性有限元方法模拟APA 试验过程,分析了试件应力、变形、疲劳寿命等,并与试验结果对比,论证了所提疲劳损伤演化模型的合理性,指出因加筋材料的桥联效应显著地改善了裂缝穿过筋材后路面的受力变形状况,有效地延长路面的疲劳寿命.同时,基于疲劳损伤分析,进一步验证了Paris 公式可用于描述路面结构的疲劳裂缝稳定发展过程,并获得了有关的参数.     

加载次序对沥青混合料疲劳损伤累积的影响

沥青混合料在变幅加载下的疲劳损伤累积过程具有明显的非线性特征,然而传统的线性损伤累积准则无法表征不同加载次序下的非线性疲劳损伤累积(NLFDA)。为研究加载次序对沥青混合料疲劳损伤累积的影响,首先开展恒幅加载疲劳试验,分析恒幅加载下的疲劳损伤累积规律;其次借助变幅加载疲劳试验,分析变幅加载下的疲劳损伤累积规律;最后建立考虑加载次序的NLFDA模型,分析加载次序对沥青混合料疲劳损伤累积的影响。结果表明：恒幅加载下沥青混合料疲劳损伤发生非线性演化,但服从线性损伤累积准则,且累积寿命分数为1;变幅加载会导致疲劳损伤发生非线性演化,且服从非线性损伤累积准则,低-高和高-低加载次序的累积寿命分数分别大于1和小于1;建立的NLFDA模型可较为准确地表征沥青混合料疲劳损伤对加载次序的依赖性。     

基于劲度模量分析的橡胶沥青混合料疲劳寿命研究

为了准确地预测橡胶沥青混合料的疲劳寿命（N_f）,分析N_f与劲度模量衰减量（SMD）、劲度模量衰减量相对变化率（SMDR）的相关性,根据累积劲度模量衰减量相对变化率（CSMDR）分别建立了其与疲劳荷载次数的函数关系式和损伤模型,基于SMDR与损伤演化速率的相关性分析建立了疲劳方程。结果表明：应用SMD不能很好地预测N_f,SMDR表征了产生损伤变形的劲度模量衰减量占总衰减量的比例,可用于损伤演化分析和N_f预测;建立的函数关系式和损伤模型能分别准确地刻画CSMDR的变化特征和非线性损伤演化规律;建立的疲劳方程能准确地预测橡胶沥青混合料的N_f。     

沥青的老化机理与疲劳性能关系的研究进展

疲劳性能是影响沥青路面长期使用性能的重要因素.长寿命沥青路面概念的提出使沥青路面的耐久性研究,尤其是沥青材料的老化与沥青路面疲劳特性的相互关系引起了广泛的关注.环境因素导致沥青的轻组分挥发、含氧官能团增加,使沥青材料变硬、粘结性降低,更易造成沥青路面的疲劳开裂.沥青的老化影响沥青路面的耐久性,导致沥青路面的使用寿命缩短.沥青路面的抗疲劳性能的研究涉及到沥青的老化、改性剂的选择、沥青的自愈合性能和疲劳性能的测试方法及综合模型的建立等相关因素.本文详细分析了沥青的老化机理与沥青路面的疲劳性能之间的联系,从沥青老化过程中化学组成的变化、沥青老化性能的影响因素、沥青的自愈合性能对老化及疲劳性能的影响、聚合物/纳米材料和复合改性对改性沥青抗老化性能及疲劳性能的改善、沥青及沥青混合料疲劳性能的测试方法以及沥青混合料疲劳损伤模型等方面,对沥青老化与疲劳性能相互关系的相关研究工作进行了综述.分析表明,综合考虑多因素效应来研究沥青路面的抗疲劳性能对提高沥青路面的耐久性非常重要,本文可为延长沥青路面疲劳寿命的理论研究及解决措施提供参考.     

综论沥青的疲劳损伤自愈合行为:理论研究,评价方法,影响因素,数值模拟

沥青混凝土是常见的筑路材料之一,沥青路面以其行车舒适、低噪声、耐磨耗等优势被广泛应用于我国高等级公路。在车辆荷载及环境温度的反复作用下,沥青路面易产生疲劳损伤,若未及时察觉,疲劳损伤会不断累积汇集产生裂缝,降低路面的使用寿命,危及行车安全。与此同时,研究者通过试验发现,在一定条件下,沥青混凝土具有强度恢复及裂缝自修复能力,这种自愈合能力与胶结料沥青有较大关系。因此,为延长沥青路面使用寿命,降低运营过程中的养护成本,沥青的自愈合特性成为近年来国内外研究的热点问题。研究者结合室内试验与现代物相技术,提出基于力学、能量角度的沥青疲劳损伤自愈合评价指标,研究了沥青化学组成、改性剂、外界环境及加载方式等因素的影响,并试图借助宏观、微观理论解释沥青疲劳损伤愈合的过程。目前,关于沥青疲劳损伤愈合的评价方法、评价指标的有效性及理论模型的适用性尚未有定论,仍需进一步探索。基于上述问题,研究者对沥青疲劳损伤自愈合行为及相关理论开展进一步研究。研究结果表明,宏微观力学、分子扩散等理论可从一定程度上解释沥青疲劳损伤强度恢复行为和微观界面愈合行为。将沥青剪切、断裂试验和现代物相技术等作为研究方法,采用力学、能量等指标可从不同角度对沥青的自愈特性进行评价。同时采用疲劳损伤愈合行为方程及分子动力学模拟作为愈合过程数值模拟,将基本理论方程与分子尺度模拟结合,对沥青宏观及微观愈合行为进行数值表征,研究结果为其演化机制及特性描述提供参考。本文参考国内外研究成果,综述了沥青疲劳损伤自愈合特性的研究现状,其中包括沥青自愈合行为理论、沥青疲劳损伤自愈合能力评价方法及指标、沥青疲劳损伤自愈合特性影响因素、沥青疲劳损伤自愈合行为数值表征,最后展望了其未来的研究方向。     

沥青混合料热粘弹性本构关系试验测定及其力学应用

基于热粘弹性力学理论,就不同的温度条件下沥青混合料的应力松弛特征开展了试验研究,应用热流变简单材料的时温等效原理对试验结果进行了分析和参数拟合,根据试验结果建立了描述沥青混合料粘弹特性的广义Maxwell模型;通过理论推导提出了沥青混合料非定常和非均匀变温条件下增量型热粘弹性本构关系,在此基础上,给出应用本构关系进行沥青路面热粘弹性力学分析的数值实现方法;通过对TSRST试验的模拟,对得到的沥青混合料热粘弹性本构关系及其数值实现方法的合理性进行了验证,并给出一个工程计算实例。     

基于损伤理论的沥青混合料抗疲劳性能试验

为系统研究沥青混合料在疲劳破坏过程中的路用性能衰减过程,在不同温度、应变、频率下开展了四点弯曲疲劳试验,基于损伤理论从劲度模量变化情况和耗散能变化情况两方面评价了沥青混合料抗疲劳性能,并通过损伤面积法、灰关联分析法讨论了试验因素对沥青混合料抗疲劳性能的影响程度。研究结果表明：沥青混合料的抗疲劳性能可以采用基于耗散能的损伤因子随加载次数的变化的双对数曲线进行描述,疲劳寿命应由初始损伤和损伤累积速率共同决定;从劲度模量方面分析,沥青混合料疲劳寿命随温度的升高而增大、随应变的增大而减小、随频率的增大而减小;劲度模量和耗散能两方面的分析结果均表明温度对疲劳寿命的影响程度大于应变,劲度模量分析显示频率对疲劳寿命影响最次,耗散能分析结果显示频率与疲劳寿命的相关性不显著。     

循环荷载作用下钢桥面铺装疲劳损伤失效行为研究

针对钢桥面铺装工程中普遍采用的改性沥青(Stone Matrix Asphalt,SMA)、浇筑式沥青(Guss asphalt,GA)、环氧沥青(Epoxy asphalt,EP)混合料双层铺装结构,进行了循环车载作用下钢桥面与沥青混凝土铺装疲劳损伤特性理论分析与试验研究。基于疲劳损伤度,研究了钢桥面铺装疲劳损伤失效行为和疲劳开裂过程中损伤场、应力和应变场动态演变机制,推导出疲劳失效时的损伤场、应力和应变场计算表达式,并给出钢桥面铺装疲劳寿命理论公式。以三座钢箱梁桥桥面铺装(润扬长江大桥2005,南京长江三桥2005,苏通大桥2008)为例,对不同铺装结构组合方案下的复合梁进行疲劳试验分析和使用寿命理论预测。实例研究结果表明,钢桥面铺装疲劳损伤失效行为预估模型合理可行;相较于改性沥青、浇筑式沥青,环氧沥青混合料具有较强高的强度低变形能力,更适合于大跨径钢桥面铺装抗疲劳的设计要求;由环氧沥青混合料组合而成的“双层环氧沥青混凝土”和“浇注式沥青混凝土(下层)+环氧沥青混凝土(上层)”的抗疲劳性能优于其它沥青混合料铺装结构组合方案,同等厚度组合情况下疲劳使用寿命可延长1倍~2倍以上;“双层环氧沥青混凝土”已应用于润扬长江大桥、南京长江三桥和苏通长江大桥钢桥面工程,并已成功运行10年以上,其跟踪观测结果良好。     

Linking asphalt binder fatigue to asphalt mixture fatigue performance using viscoelastic continuum damage modeling

Fatigue cracking is a major form of distress in asphalt pavements. Asphalt binder is the weakest asphalt concrete constituent and, thus, plays a critical role in determining the fatigue resistance of pavements. Therefore, the ability to characterize and model the inherent fatigue performance of an asphalt binder is a necessary first step to design mixtures and pavements that are not susceptible to premature fatigue failure. The simplified viscoelastic continuum damage (S-VECD) model has been used successfully by researchers to predict the damage evolution in asphalt mixtures for various traffic and climatic conditions using limited uniaxial test data. In this study, the S-VECD model, developed for asphalt mixtures, is adapted for asphalt binders tested under cyclic torsion in a dynamic shear rheometer. Derivation of the model framework is presented. The model is verified by producing damage characteristic curves that are both temperature- and loading history-independent based on time sweep tests, given that the effects of plasticity and adhesion loss on the material behavior are minimal. The applicability of the S-VECD model to the accelerated loading that is inherent of the linear amplitude sweep test is demonstrated, which reveals reasonable performance predictions, but with some loss in accuracy compared to time sweep tests due to the confounding effects of nonlinearity imposed by the high strain amplitudes included in the test. The asphalt binder S-VECD model is validated through comparisons to asphalt mixture S-VECD model results derived from cyclic direct tension tests and Accelerated Loading Facility performance tests. The results demonstrate good agreement between the asphalt binder and mixture test results and pavement performance, indicating that the developed model framework is able to capture the asphalt binder’s contribution to mixture fatigue and pavement fatigue cracking performance.     

Reconsideration of the fatigue tests for asphalt mixtures and binders containing high percentage RAP

When applying reclaimed asphalt technology in a flexible pavement project, most performance concerns are related to low temperature and fatigue cracking since the stiffness of the HMA mixture could dramatically increase through adding a high percentage of reclaimed asphalt pavement (RAP) material. The purpose of this study is to evaluate asphalt mixtures with high RAP contents, prepared using two RAP addition methods, for their performance based on fatigue-cracking resistance rather than relying on volumetric properties. Asphalt mixture samples were prepared with three RAP binder content replacement percentages (30, 40 and 50%) using two preparation methods: the as-is RAP gradation (traditional method) and the splitting of the RAP gradation into coarse and fine fractions (fractionated method). Asphalt mixture beam fatigue and binder fatigue time-sweep tests were performed. Beam fatigue samples also underwent freeze–thaw cycling for freeze–thaw damage evaluation. Rather than basing the performance based solely on S–N_f curves to illustrate the fatigue performance, the beam fatigue test data was analysed through a dissipated energy approach. Faster fatigue degradation was observed for the 40% RAP binder and beam mixture when subjected to repeated loading. From a morphology aspect, this can be explained by the binder’s phase separation and physical hardening effects.     

基于劲度模量分析的橡胶沥青混合料疲劳寿命研究

变幅加载下沥青的疲劳损伤累积具有明显的非线性特征,传统的Miner’s线性疲劳损伤累积准则无法表征不同变幅加载次序下沥青的非线性疲劳损伤累积(NLFDA)。该研究旨在建立考虑加载次序影响的NLFDA模型,准确表征加载次序对沥青疲劳损伤累积的影响。通过开展应力控制的沥青恒幅加载疲劳试验,采用耗散伪应变能(DPSE)表征沥青疲劳损伤,分析恒幅加载下沥青的疲劳损伤累积规律;采用低-高和高-低两种加载次序,开展应力控制的沥青变幅加载疲劳试验,分析变幅加载下沥青的疲劳损伤累积规律;基于损伤等效准则,建立考虑加载次序影响的NLFDA模型,分析加载次序对疲劳损伤累积的影响。结果表明：应力控制模式下的沥青疲劳损伤,呈先缓慢后急剧的非线性增加演化趋势;恒幅加载下沥青疲劳损伤服从Miner’s准则发生线性累积,且累积寿命分数等于1;变幅加载下沥青疲劳损伤不服从Miner’s准则而发生非线性累积。低-高和高-低变幅加载次序下,沥青累积疲劳寿命随一级寿命分数的增大而分别增加和减小,累积寿命分数分别大于1和小于1;建立的NLFDA模型可克服Miner’s准则缺陷,并较为准确地表征加载次序对沥青疲劳损伤累积的影响。

     

Fatigue life and endurance limit prediction of asphalt mixtures using energy-based failure criterion

Fatigue cracking is one of the major types of distress in asphalt mixtures and is caused by the accumulation of damage in pavement sections under repeated load applications. The fatigue endurance limit (EL) concept assumes a specific strain level, below which the damage in hot mix asphalt (HMA) is not cumulative. In other words, if the asphalt layer depth is controlled in a way that keeps the critical HMA flexural strain level below the EL, the fatigue life of the mixture can be extended significantly. This paper uses two common failure criteria, the traditional beam fatigue criterion and the simplified viscoelastic continuum damage model energy-based failure criterion (the so-called G^R method), to evaluate the effect of different parameters, such as reclaimed asphalt pavement (RAP) content, binder content, binder modification and warm mix asphalt (WMA) additives, on the EL value. In addition, both failure criteria are employed to investigate the impacts of these parameters in terms of the fatigue life of the study mixtures. According to the findings, unlike an increase in RAP content, which has a negative effect on the mixtures’ fatigue resistance, a higher binder content and/or binder modification can significantly increase the EL value and extend the fatigue life as was proved before by other researchers, whereas WMA additives do not significantly affect the mixtures’ fatigue behaviour. A comparison of the model simulation results with the field observations indicates that the G^R method predicts the field performance more accurately than the traditional method.     

Mechanistic evaluation of fatigue cracking in asphalt pavements

Over the last several decades, significant research has been conducted to predict the fatigue cracking performance of asphalt pavements. Recently, the simplified viscoelastic continuum damage (S-VECD) model was developed as an efficient method of characterising the fatigue performance of asphalt mixtures under a wide range of loading conditions. Two important material properties that can be determined from the S-VECD model are the damage characteristic curve that defines how damage evolves in a specimen and the energy-based failure criterion that defines when the specimen fails. These two material functions are unique for a given mixture regardless of temperature, mode of loading, stress/strain amplitude and loading history. This study presents the application of the Layered Viscoelastic Crirtical Distresses (LVECD) programme to predict the fatigue performance of 18 pavement sections from different locations in the United States and Canada. The capability of the LVECD programme to capture crack initiation, crack propagation and damage in the pavement sections is investigated by comparing the simulation results with field observations. This study found reasonable agreement in trends between the damage growth throughout the pavement cross sections as predicted by the LVECD programme and the surface crack growth as evidenced by field observations.     

橡胶隔振器加速疲劳试验谱的编制方法研究

通过大量的橡胶动静刚度试验和疲劳试验,分别获取了某填充型天然橡胶材料在各试验条件下的动静比数据表和疲劳寿命数据表。以发动机悬置为例,在充分考虑橡胶材料动态特性的基础上,建立了道路载荷值与应变值的转换关系。对采集的道路载荷谱进行雨流计数,根据Miner线性损伤累积理论与损伤等效原则,编制得到最终的加速疲劳试验谱。用该加速疲劳试验谱对发动机悬置进行疲劳试验,试验结果表明：用该方法编制的加速疲劳试验谱可成功应用于悬置等橡胶隔振器零件的疲劳试验,并且较大程度地缩短了试验与产品开发周期。     

随机载荷作用下疲劳寿命分布预测模型

为了研究构件在随机载荷下的疲劳寿命分布,建立疲劳寿命分布预测模型.应用雨流计数法,将随机载荷-时间历程处理成以载荷幅值和均值为随机变量的二维联合概率密度函数,得到构件的二维疲劳载荷谱.从Miner累积损伤的定义出发,分析了累积损伤分散性的来源.以此为基础,通过建立等幅疲劳中值Sa-Sm-N曲面,提出了基于二维载荷谱的疲劳寿命分布预测模型,当累积损伤的概率分布已知时,可以估算出构件的疲劳寿命分布,进而得到零件在任一时刻的可靠度.最后,给出了一个具体应用实例.结果表明所提出的疲劳寿命分布预测方法具有较好的工程实用价值.