澆注式瀝青混凝土(GA)疲勞性能研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、澆注式瀝青混凝土具有優(yōu)良的防水、抗老化性能、抗疲勞性能以及對鋼橋面變形的優(yōu)異追從性,在歐洲和日本的鋼橋面鋪裝工程中得到廣泛應(yīng)用。在德國和日本都已經(jīng)形成了澆注式瀝青混凝土鋼橋面鋪裝規(guī)范,其實體工程使用壽命達到了20年以上。在我國,隨著大跨徑鋼橋建設(shè)的發(fā)展,澆注式瀝青混凝土引入中國,進行了系列研究,在多個實體工程中應(yīng)用。從工程使用效果看,澆注式瀝青混凝土的防水、抗疲勞性能和低溫抗變形能力均明顯優(yōu)于普通瀝青混凝土,但在重載交通條件下澆注式瀝青

2、混凝土仍出現(xiàn)了局部的微裂縫和網(wǎng)狀裂縫。導(dǎo)致這些早期病害出現(xiàn)的因為可能有很多種,但研究和進一步提高澆注式瀝青混凝土的抗疲勞性能是根本的解決手段之一,具有重要學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。
   本文將影響澆注式瀝青混凝土疲勞性能的因素按其表征的特征不同分為內(nèi)在因素和外在因素兩大類進行了研究。內(nèi)在因素主要指的是澆注式瀝青混凝土材料組成和成型過程中對疲勞產(chǎn)生的影響因素,外在因素主要模擬的是外在使用環(huán)境對澆注式瀝青混凝土的疲勞性能影響因素。在

3、影響因素研究的基礎(chǔ)上,建立了適用于高勁度模量澆注式瀝青混凝土的疲勞破壞判斷方法,并且對傳統(tǒng)疲勞破壞判斷方法和新判斷方法進行了差異性分析。同時,進行了澆注式瀝青混凝土與高彈改性SMA10、改性瀝青AC10在不同使用條件下的疲勞行為差異性比較。主要研究內(nèi)容及成果概括如下:
   內(nèi)在因素主要考慮了瀝青品種、瀝青用量和拌和溫度對澆注式瀝青混凝土疲勞性能的影響,通過試驗研究得出:瀝青品種對澆注式瀝青混凝土疲勞性能影響顯著,并且基于能量耗

4、散原理得出澆注式瀝青混凝土的累積耗散能與加載次數(shù)在雙對數(shù)坐標下有良好的線性關(guān)系;并據(jù)此建立了基于能量耗散原理的疲勞壽命預(yù)測模型,通過該模型能預(yù)測在不同應(yīng)變條件下澆注式瀝青混凝土的疲勞壽命。當瀝青用量從8.5逐漸增加到9.5時,澆注式瀝青混凝土疲勞壽命并未隨油石比增大而增加,反而出現(xiàn)了降低,表明對于疲勞壽命而言,有一個最佳用油量。拌和溫度對澆注式瀝青混凝土的初始勁度模量和勁度模量衰減速率影響都非常顯著,拌和溫度升高,澆注式瀝青混凝土的勁度

5、模量衰減速率變快,拌和溫度越低,勁度模量衰減速率較慢。勁度模量的衰減速率與初始勁度模量的大小有一定的相關(guān)性;在190℃至210℃,澆注式瀝青混合料表現(xiàn)出良好的抗疲勞性能,加載次數(shù)均超過100萬次,在240℃和250℃時,加載次數(shù)只有十幾萬次。
   外在因素主要考慮了試驗溫度、應(yīng)變水平和加載頻率,外在因素對澆注式瀝青混凝土疲勞性能研究中發(fā)現(xiàn),試驗溫度、應(yīng)變水平和加載頻率對澆注式瀝青混凝土疲勞壽命的影響都比較顯著。較高應(yīng)變水平下澆

6、注式瀝青混凝土勁度模量隨加載次數(shù)衰減速率高于較低應(yīng)變水平,在較小應(yīng)變水平下產(chǎn)生的滯后角較大,滯后角隨著應(yīng)變水平的增大而減?。粷沧⑹綖r青混凝土的初始勁度模量對溫度非常敏感,在5℃的較低溫度時初始勁度模量達到了19469MPa,隨著溫度的升高,初始勁度模量逐漸在減小,在25℃時初始勁度模量只有2131MPa。澆注式瀝青混凝土在相對低溫時抗疲勞性能較差,升高溫度會明顯提高澆注式瀝青混凝土疲勞性能。滯后角的變化隨加載次數(shù)表現(xiàn)為3個階段,溫度在5

7、℃~100℃,荷載作用于澆注式瀝青混凝土產(chǎn)生的變形相對較小,該階段的變形認為可恢復(fù)的,屬于彈性變形;10℃~15℃時,部分變形可以恢復(fù)(這一個階段實質(zhì)是一個過渡階段),粘性與彈性交互作用,屬于粘彈變形;15℃~25℃時,變形發(fā)展較大,滯后角變大且趨于穩(wěn)定,大部分變形不可以恢復(fù),主要以粘性為主。澆注式瀝青混凝土的初始勁度模量表現(xiàn)為增大加載頻率會使初始勁度模量變大。加載頻率從10Hz增大到14Hz時,循環(huán)加載次數(shù)減小幅度顯著,從百萬次下降到

8、幾萬次。加載頻率對滯后角的影響比較顯著,8Hz~14Hz時,滯后角從45.3下降到31.2。加載頻率從4Hz增加到10Hz時,累積耗散能雖然隨加載頻率增大而減小,但減小幅度不大,10Hz增大到14Hz時,累積耗散能急劇減小,減小幅度顯著。
   澆注式瀝青混合料的勁度模量隨加載次數(shù)的累積表現(xiàn)為3個階段,依次為:混合料勁度模量發(fā)展較快且不穩(wěn)定;勁度模量持續(xù)、穩(wěn)定地變化,變化速率基本為一定值,混合料勁度模量迅速減小,直至疲勞破壞。三

9、個階段分別約占總疲勞壽命的5-10%、70-85%和5-10%。針對澆注式瀝青混凝土具有高勁度模量的特性,通過對勁度模量衰減過程的三個發(fā)展階段的分析,建立了新的疲勞破壞判定方法:即將勁度模量衰減至第三階段出現(xiàn)拐點時視為出現(xiàn)疲勞破壞,與傳統(tǒng)方法對比分析表明新方法更能準確表征和描述澆注式瀝青混凝土疲勞行為特點。
   通過對澆注式瀝青混凝土疲勞動態(tài)損傷演化過程分析,得到損傷因子變化規(guī)律,并根據(jù)演化規(guī)律對損傷因子進行了擬合,建立耦合了

10、溫度的澆注式瀝青混凝土疲勞損傷模型。將澆注式瀝青混凝土疲勞破壞時的損傷因子定義為其臨界疲勞損傷因子,并計算得到5℃~20℃范圍內(nèi)其疲勞損傷臨界因子大約在0.55~0.75之間,低溫下疲勞臨界損傷因子較小,隨著溫度的增大,疲勞損傷臨界因子也逐漸增大;
   通過三階段法與傳統(tǒng)方法進行了差異性分析表明,新方法確定的澆注式瀝青混凝土破壞時的勁度模量,在較低應(yīng)變水平下,得到的疲勞壽命差異率較大,隨應(yīng)變水平增大,差異率在減小。在較低油石比

11、下,得到的疲勞壽命差異較大。隨著油石比的增大,兩種疲勞定義得到的加載次數(shù)接近。澆注式瀝青混合料疲勞壽命對溫度非常敏感,隨溫度升高,澆注式瀝青混合料的勁度模量衰減速率減小,與傳統(tǒng)疲勞判斷方法相比得到疲勞壽命差異較大。
   在澆注式瀝青混凝上與普通瀝青混凝土疲勞差異性研究中得出:三階段疲勞破壞判定方法能夠更合理地評價澆注式瀝青混凝土的疲勞行為與其它瀝青混凝土的差異。在不同應(yīng)變水平下,GA-10比SMA-10和AC-10具有更高的彎

12、曲勁度模量,更好的倚載分散能力和抵抗彎曲變形的能力。在較低應(yīng)變水平下,AC10、SMA10、GA10在初始階段勁度模量的衰減速率差異并不是很大,而在較高的應(yīng)變水平下,這種差異性就表現(xiàn)得比較明顯,GA10對應(yīng)變的敏感程度不如AC10和sSMA10高,表現(xiàn)得更有韌性。在較低溫度下澆注式瀝青混凝土的疲勞行為比普通瀝青混凝土表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性,但隨著溫度的升高,這種高瀝青用量、高礦粉用量為特征的膠漿結(jié)構(gòu)受溫度的影響比SMA10和AC10更明顯,

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