CN104849155A

CN104849155A - 通过芯样疲劳-模量综合性能预测沥青路面剩余寿命的方法

Info

Publication number: CN104849155A
Application number: CN201510273886.1A
Authority: CN
Inventors: 吴少鹏; 仪明伟; 肖月; 王业飞; 秦哲焕; 陈宗武
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2035-05-26
Also published as: CN104849155B

Abstract

本发明公开了一种通过芯样疲劳-模量综合性能预测沥青路面剩余寿命的方法。包括以下步骤：在沥青路面典型病害位置处钻芯取样；确定芯样动态载荷作用下的回弹模量；确定芯样疲劳试验的变形-循环加载次数曲线；建立模型预测沥青路面的剩余疲劳寿命：还包括结合温度的因素得到路面的实际寿命；还包括结合交通量的因素得到路面的实际寿命。本发明综合考虑了沥青混合料的粘弹性质，通过动态载荷作用模拟路面实际受力情况，分析比较不同位置的模量，疲劳曲线来描述路面的剩余寿命，为沥青混凝土路面的养护维护提供定量的剩余寿命预测，可以克服长期以来在路面维修时机选择时的随意性。

Description

通过芯样疲劳-模量综合性能预测沥青路面剩余寿命的方法

技术领域

本发明属于道路工程领域，具体涉及一种通过芯样疲劳-模量综合性能预测沥青路面剩余寿命的方法。

背景技术

沥青混凝土路面具有表面平整性好、对车辆和飞机震动影响小、行车和飞机滑行平稳舒适等优点，而且施工快捷，维修方便可再生，因此在高速公路、桥面铺装和机场跑道等高等级公路中具有广泛的应用。随着高等级公路的快速发展，对其各方面的服役性能要求也越来越高。近年来，我国高等级沥青混凝土路面随着服役时间的增加而显现出了日益严重的路面破坏现象，主要以裂缝、坑槽、车辙等病害形式表现出来，严重的影响了其行车舒适性、行车安全等服役性能。

我国要求沥青混凝土路面的设计使用年限为15年，但由于道路施工控制不够严格及超载严重等原因，导致了上述各种类型的破坏，影响了正常交通，需要提前进行路面的功能性修复甚至是结构性的维修与改造。而且经调查发现我国几乎绝大部分道路都需要提前进行大面积路面的维修与改造。但是，在路面出现病害后，是否应该进行结构性的维修，采取何种措施进行维修尚没有统一的标准。这就要求我们可以在一定程度上对不同病害特征的路面进行服役寿命预测，为何时进行路面养护提供一定的理论依据支持。目前沥青路面寿命预测方法主要有现象学法、力学近似法和能耗法。但是每个方法都有一定的局限性，不能从整体上系统的对沥青混合料的寿命进行预测。

发明内容

本发明目的在于更为准确、综合地描述路面在服役过程中沥青混合料破环失效的过程及规律，确定不同病害对路面的功能性功能及结构性功能的影响程度，可以更为准确地预估沥青路面剩余寿命，以更好的确定沥青路面的维修和改造时机。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

通过芯样疲劳-模量综合性能预测沥青路面剩余寿命的方法，包括以下步骤：

1)在沥青路面典型病害位置处钻芯取样；

2)确定芯样动态载荷作用下的回弹模量，其回弹模量按下式计算:

E = \frac{p (μ + 0.27)}{dT}

式中：E为间接拉伸模量，MPa；P为荷载，N；μ为泊松比；d为试件的水平方向位移，mm；T为试件的高度，mm；

3)确定芯样疲劳试验的变形-循环加载次数曲线，建立疲劳方程：

N_{f} = K {(\frac{1}{σ_{0}})}^{n}

式中：N_f为试件疲劳破坏时的重复载荷作用次数；σ₀为施加的应力，MPa；Lg(K)为曲线的截距，n为曲线中的斜率；

4)建立模型预测沥青路面的剩余疲劳寿命：

N_{1} = N_{f} \times (1 - E^{- f_{1}})

式中f₁为实验中得到的系数，通过非线性规划求解使的(N₁-N_f)/N_f的平方和最小得出，E为上面得到的模量；

按上述方案，还包括结合温度的因素得到路面的实际寿命为：

N = N_{1} \times {(\frac{C_{2} + (T - T_{0})}{- C_{1} (T - T_{0})})}^{m}

式中C₁、C₂，m为分别为试验常数，通过非线性规划求解使的(N-N₁)/N₁的平方和最小，从而得出以上常数值，T₀为参考温度。

按上述方案，还包括结合交通量的因素得到路面的实际寿命为：

N_c＝N-D

式中，D表示目前的交通量。

按上述方案，所述沥青路面典型病害为横缝、纵缝、车辙或坑槽。

按上述方案，在进行回弹模量试验时，试验温度为5℃，25℃，40℃。

按上述方案，在进行疲劳性能试验时，至少在3种应力比动态荷载下进行试验，分析疲劳性能。

沥青混合料属于典型的粘弹性材料，在受到行驶车辆的载荷作用下，即有因为高温蠕变产生滑移、拥包等病害，又有因为低温疲劳破坏而产生开裂的破坏。所以应该从沥青混合料的粘弹性本构关系出发，综合考虑模量、疲劳两方面的影响，对原有路面的疲劳寿命进行预估从而对路面的养护维修提供指导。

本发明的有益效果在于：

综合考虑了沥青混合料的粘弹性质，通过动态载荷作用模拟路面实际受力情况，分析比较不同位置的模量，疲劳曲线来描述路面的剩余寿命，为沥青混凝土路面的养护维护提供定量的剩余寿命预测，可以克服长期以来在路面维修时机选择时的随意性。

附图说明

图1：动态加载下应力-应变关系曲线；

图2：5℃时不同频率下回弹模量分布图；

图3：25℃时不同频率下回弹模量分布图；

图4：40℃时不同频率下回弹模量分布图；

图5：疲劳试验变形-循环加载次数曲线；

图6：疲劳方程曲线。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案但不作为对本发明保护范围的限制。

(1)钻芯取样

对目标沥青混凝土道路进行交通量、病害类型调查分析，得到该条路的主要特征病害。在病害位置附近的行车道、紧急行车道进行钻芯取样，取回的芯样按面层厚度切割。在实验室内通过间接拉伸对切好的芯样进行回弹模量试验和间接拉伸疲劳试验，试验过程中全程采用动态载荷加载。

(2)间接拉伸回弹模量试验。

将切好的芯样在环境箱中保温4小时以上，实验温度分别为5℃、25℃和40℃，动态载荷的加载频率依次为0.1Hz、0.5Hz、1Hz、1.5Hz、2Hz和3Hz。在动态载荷作用下的应力应变关系曲线如图1所示。可以看到沥青混合料的水平方向位移相比于加载的荷载变化会有一段滞后，而且随加载次数的的增加变形有一定的积累。

通过试验得到了不同温度、不同频率下的动态回弹模量，如图2，3，4所示。在图中可以看出，随着荷载作用频率的增加，沥青混合料的模量增加，而路面结构的荷载作用频率受到行车速度、轴载类型、深度等因素的影响。

根据回弹模量的数据可以反映出不同频率载荷作用下对路面结构的影响。从图上也能反映出低温时回弹模量很大，沥青的弹性占主导地位，此时路面破坏的主要因素是低温疲劳破坏；在高温时回弹模量很小，沥青的粘性性质起主导作用，路面的破坏主要是高温滑移等变形破坏。根据模量试验可以在一定程度上指导路面的破坏形式及原因。

(3)间接拉伸疲劳试验

把切好的芯样在环境箱中10℃下保温4小时以上。在HM-3000上进行劈裂强度试验得到劈裂强度(P)。然后在0.4P、0.5P、0.6P和0.7P几个应力比荷载下进行间接拉伸试验，得到试件垂直残余变形随荷载作用次数增加的典型变化曲线，如图5所示。在图中可以看出，在小应力比作用下，材料变形随加载次数的增加可以明显的分为变形形成阶段、稳定阶段和疲劳破坏三个阶段。在大应力比作用下，形成阶段和稳定阶段之间没有明显界限，试件变形增长一直增长到疲劳断裂。

沥青混合料的疲劳寿命与应力关系可以用经典的疲劳方程来表征。将加载应力和疲劳寿命取对数后，两者有着良好的线性关系，作图得到如图6所示的间接拉伸疲劳曲线。根据线性回归可以得到线性方程，从而计算出该沥青混合料的经典疲劳方程中的系数K和n，其中K＝1.69E+4，n＝1.7386，R²为0.9425。经典疲劳方程为。

N_{f} = 1.69 \times 10^{4} {(\frac{1}{σ_{0}})}^{1.7386}

(4)根据疲劳方程和模量建立路面寿命预测模型

采用F.N.Finn等人的预测模型并作适当修正得到下面公式：

N_{1} = 1.69 \times 10^{4} {(\frac{1}{σ_{0}})}^{1.7386} \times (1 - E^{- f_{1}})

式中f₁的值为0.854，E为上面得到的模量。

考虑到路面使用的实际环境，路面的实际寿命与温度，交通量等存在函数关系：

N = N_{1} \times {(\frac{C_{2} + (T - T_{0})}{- C_{1} (T - T_{0})})}^{m}

式中的常数规划求解可得出：C₁,C₂为分别为2.75和-40.39，m为0.45，T₀选取标准环境温度20℃作为为参考温度。

路面的剩余寿命可以用如下公式预估：

N_c＝N-D

式中：D表示目前的交通量。

根据以上的模型分析预测，并结合路面的实际环境、每年的交通量，该条路的剩余寿命为2年。

Claims

1.通过芯样疲劳-模量综合性能预测沥青路面剩余寿命的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在沥青路面典型病害位置处钻芯取样；

2)确定芯样动态载荷作用下的回弹模量，其回弹模量按下式计算：

E = \frac{p (μ + 0.27)}{dT}

N_{F} = K {(\frac{1}{σ_{0}})}^{n}

4)建立模型预测沥青路面的剩余疲劳寿命：

N_{1} = N_{f} \times (1 - E^{- f_{1}})

N = N_{1} \times {(\frac{C_{2} + (T - T_{0})}{- C_{1} (T - T_{0})})}^{m}

2.如权利要求1所示通过芯样疲劳-模量综合性能预测沥青路面剩余寿命的方法，其特征在于还包括结合交通量的因素得到路面的实际寿命为：

N_c＝N-D

式中，D表示目前的交通量。

3.如权利要求1所示通过芯样疲劳-模量综合性能预测沥青路面剩余寿命的方法，其特征在于所述沥青路面典型病害为横缝、纵缝、车辙或坑槽。

4.如权利要求1所示通过芯样疲劳-模量综合性能预测沥青路面剩余寿命的方法，其特征在于在进行回弹模量试验时，试验温度为5℃，25℃，40℃。

5.如权利要求1所示通过芯样疲劳-模量综合性能预测沥青路面剩余寿命的方法，其特征在于在进行疲劳性能试验时，在3种以上应力比动态荷载下进行试验，分析疲劳性能。