沥青混合料疲劳—蠕变交互作用损伤模型研究

论文摘要

疲劳开裂是沥青混凝土路面破坏的主要形式,因此各国沥青路面设计方法中都将疲劳开裂作为主要控制性指标。由于沥青混合料具有明显的粘弹性,目前广泛采用的现象学方法,无法反映温度对沥青混合料粘弹性疲劳损伤演化的影响,得到的结论不能揭示沥青混合料疲劳失效的机理,存在一定的局限性。本文依托国家自然科学基金项目《沥青混合料统一疲劳损伤模型及其应用研究》,对沥青混合料疲劳性能进行了相关的研究。首先,沥青路面在交通荷载作用下的疲劳失效是由蠕变损伤和疲劳损伤两种损伤效应交互作用所导致的。基于应变等效假设,采用复数模量定义了两种损伤效应交互作用时的损伤变量。以粘弹性疲劳损伤理论为基础,运用疲劳-蠕变耦合损伤分析,得到体现两种损伤效应交互作用的损伤演化模型和疲劳寿命预估模型。热力学和物理力学分析表明,该模型满足热力学准则和物理条件,证明文中提出理论的合理性。其次,对AC-13、AC-20沥青混合料进行了动态蠕变试验。利用动态蠕变试验数据确定了沥青混合料应变与重复荷载作用次数的力学模型参数,进一步得到疲劳寿命预估模型的粘弹性参数。第三,通过研究损伤变量变化规律,定义损伤变化率得到新的疲劳失效标准,之后对AC-13、AC-20沥青混合料进行了疲劳试验。利用疲劳试验数据求出了损伤演化模型的参数z。最后利用上述参数,建立了沥青混合料疲劳寿命预估模型,拟合相关性达到0.9以上,证明了不同疲劳试验方法下沥青混合料疲劳失效都是由蠕变-疲劳损伤交互作用导致的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 沥青混合料疲劳性能研究概况
• 1.2.1 沥青混合料疲劳研究方法
• 1.2.2 沥青混合料粘弹性疲劳损伤研究现状
• 1.2.3 沥青混合料疲劳性能试验方法
• 1.3 本文主要研究内容与技术路线
• 第二章 沥青混合料粘弹性疲劳损伤基础理论
• 2.1 线性粘弹性材料本构理论
• 2.1.1 粘弹性材料流变模型
• 2.1.2 积分型本构关系
• 2.1.3 粘弹性材料的动态力学特性与时-温等效原理
• 2.2 疲劳损伤力学基本理论
• 2.2.1 损伤变量定义
• 2.2.2 有效应力和应变等效原理
• 2.2.3 疲劳损伤演化规律与模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 沥青混合料疲劳-蠕变交互作用模型推导
• 3.1 周期荷载作用下的沥青混合料复数模量
• 3.2 沥青混合料损伤变量
• 3.3 沥青混合料疲劳-蠕变交互作用模型理论
• 3.3.1 沥青混合料疲劳-蠕变耦合损伤理论
• 3.3.2 沥青混合料蠕变损伤方程
• 3.3.3 沥青混合料疲劳损伤方程
• 3.3.4 蠕变损伤和疲劳损伤共同作用时的疲劳模型
• 3.4 对疲劳损伤模型的分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 沥青混合料疲劳试验
• 4.1 试验材料
• 4.1.1 沥青
• 4.1.2 集料
• 4.1.3 矿料级配的选择
• 4.1.4 最佳沥青用量
• 4.2 疲劳试件制备与试验方案设计
• 4.2.1 试验仪器简介
• 4.2.2 试件成型
• 4.2.3 疲劳试验方案
• 4.3 沥青混合料弯拉与劈裂强度试验
• 4.4 沥青混合料疲劳失效标准
• 4.5 沥青混合料传统S-N 方程的建立
• 4.6 本章小结
• 第五章 沥青混合料动态蠕变试验
• 5.1 蠕变试验方法简介
• 5.2 试件制备与动态蠕变试验方案
• 5.2.1 试验仪器简介
• 5.2.2 试件成型
• 5.2.3 试验参数
• 5.3 动态蠕变试验数据分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 沥青混合料疲劳-蠕变交互作用模型的拟合
• 6.1 沥青混合料疲劳寿命预估模型粘弹性参数的确定
• 6.1.1 沥青混合料的移位因子
• 6.1.2 动态蠕变试验中沥青混合料的流变特性
• 6.2 沥青混合料疲劳-蠕变损伤表达式的拟合
• 6.3 建立沥青混合料疲劳寿命预估模型
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 需要进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及参与的科研项目