温度对沥青混合料抗开裂性能的影响研究

摘要

沥青混合料在车辆荷载以及环境因素共同作用下，不断累积疲劳开裂和永久变形两种损伤模式。研究疲劳开裂发展规律以及如何评价和预测混合料的抗开裂性能是十分必要的。同时，疲劳开裂发展程度与温度紧密相关，但两种损伤形式在不同温度下同时进行。因此，为了准确评价混合料的抗开裂能力，需在各温下对疲劳开裂和永久变形同时研究和量化，并分析温度对抗开裂性能的影响。 本文依据沥青路面服役的客观环境条件，设计疲劳损伤试验方案，对4种沥青混合料进行不同温度、不同应变水平的直接重复拉伸试验，测试其在无损阶段和损伤阶段的力学性质，确定在温度作用下的疲劳开裂规律并提出温度相关的抗开裂性能评价指标。 首先根据虚拟应变推导得到耗散虚拟应变能（DPSE），将线性黏弹性效应能量消除。通过对20°C疲劳试验数据分析，DPSE在损伤阶段包括非线性黏弹性效应以及疲劳开裂和永久变形两种损伤效应。接着基于能量平衡方程建立DPSE、损伤密度和应力振幅的联系，从而简便算得修正帕里斯公式参数JRn和JRA，并理论推导和验证JRn和JRA对数形式线性相关。依据损伤密度，参数JRn越小，材料的抗开裂能力越强。 将单温疲劳损伤试验扩展至其他温度（包括0°C、10°C、20°C、30°C和40°C）后，推导分离得到各耗散能分量，发现随着升温疲劳开裂耗散虚拟应变能（DPSEF）能量比例先增大后减小，永久变形耗散虚拟应变能（DPSEP）能量比例持续减小。仅针对损伤效应能量分析时，发现0°C至20°C区间内，主导损伤模式为疲劳开裂，40°C主导损伤模式为永久变形，30°C时的主导损伤模式因材料而异。 最后通过DPSEF得到修正帕里斯公式参数准确值，且两参数关系不随温度变化。结果表明，当承受同一应变水平荷载作用时，疲劳开裂随着升温趋势为先加剧后缓和，并且10°C时开裂最为严重。各温下SBS改性沥青混合料抗开裂性能均优于70#基质沥青混合料，抗开裂性能随温度变化情况因材料而异。本文研究成果可为沥青混合料提供疲劳性能评价方法，并考虑温度因素对材料抗开裂性能的影响，为准确预测沥青路面寿命和路用性能与经济分析提供理论保障。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景、目的与意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 沥青混合料疲劳开裂理论研究现状

1.2.2 沥青混合料疲劳试验方法研究现状

1.2.3 沥青混合料疲劳性能影响因素及评价方法研究现状

1.2.4 温度对沥青混合料疲劳性能影响研究现状

1.3 关键科学问题

1.4 主要研究内容与技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

第2章 沥青混合料不同阶段力学性质

2.1 应变控制重复直接拉伸试验

2.1.1 试验选择

2.1.2 试验设备

2.1.3 试验方案

2.2 不同阶段动态模量和相位角

2.2.1 动态模量和相位角求解

2.2.2 动态模量和相位角变化规律

2.3 虚拟应变和耗散虚拟应变能

2.3.1 黏弹性应力及虚拟应变计算

2.3.2 公式修正

2.3.3 耗散虚拟应变能计算与拟合

2.3.4 不同阶段耗散虚拟应变能变化

2.4 本章小结

第3章 单一温度条件沥青混合料抗开裂性能简便评价方法

3.1 帕里斯公式的修正

3.2 试验方案及数据采集处理

3.3 修正帕里斯公式参数

3.4 损伤密度

3.5 修正帕里斯公式参数与沥青混合料抗开裂性能的关系

3.6 本章小结

第4章 不同温度条件沥青混合料抗开裂性能准确评价方法

4.1 试验方案

4.2 不同温度下沥青混合料的损伤性质

4.2.1 0°C条件

4.2.2 10°C条件

4.2.3 20°C条件

4.2.4 30°C条件

4.2.5 40°C条件

4.2.6 影响因素分析

4.3 耗散应变能的能量分离

4.3.1 无损阶段

4.3.2 损伤阶段

4.4 损伤阶段的能量分配

4.4.1 0°C条件

4.4.2 10°C条件

4.4.3 20°C条件

4.4.4 30°C条件

4.4.5 40°C条件

4.5 能量分配影响因素分析

4.5.1 加载周期

4.5.2 沥青类型

4.5.3 集料与级配类型

4.5.4 温度

4.6 疲劳开裂耗散虚拟应变能和损伤密度

4.7 修正帕里斯公式参数

4.8 本章小结

第5章 温度与疲劳开裂发展规律的关系

5.1 各温度主导损伤模式

5.2 不同温度条件下的抗开裂性能

5.2.1 不同温度的修正帕里斯公式参数

5.2.2 不同温度的损伤密度与修正帕里斯公式参数关系

5.2.3 温度对疲劳开裂的影响

5.3 两种评价方法对比

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本论文的主要结论

6.2 本论文的创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间科研成果及参与项目