一种高模量沥青混合料路面疲劳寿命预测方法
【专利摘要】本发明提出一种高模量沥青混合料路面疲劳寿命预测方法，以高模量沥青混合料路面的结构温度分布、路面材料动态模量和温度轴载分布为基本参数；以间接拉伸疲劳试验结果拟合疲劳应变方程采用ANSYS软件构建路面结构有限元模型，计算不同轴载等级和不同温度区的层底最大拉应变；根据Miner的疲劳累积损伤法则，利用公式计算得到不同轴载和不同温度的高模量沥青混合料的疲劳累积损伤结果。本发明的有益技术效果是充分考虑了沥青混合料的路面温度梯度和轴载分布，并建立了较为精准的预测模型，准确描述了沥青混合料疲劳衰减的过程和规律，具有适用面广、计算结果可靠的优点，为沥青路面结构设计提供了更可靠的方法。
【专利说明】一种高模量沥青混合料路面疲劳寿命预测方法 发明领域
[0001] 本发明涉及到道路工程建设【技术领域】，特别涉及到一种高模量沥青混合料路面疲 劳寿命预测方法。
【背景技术】
[0002] 高模量沥青混合料是一种新型的路用材料，具有优秀的路用性能。高模量沥青混 合料的设计理念是通过提高沥青混凝土的模量，从而提高路面抗高温变形能力，减少车辆 荷载作用下沥青混凝土产生的应变，改善沥青混凝土的疲劳性能，达到延长路面的使用寿 命，提高服务质量的效果。
[0003] 高模量沥青混合料（HMAM)于二十世纪八十年代出现于法国，被冠以路面专用沥 青处治砂砾（GBTHP)的名称获取了相关专利。根据法国NFP-140标准中的定义：只有当动 态模量E*在15°C、IOHz的条件下达到HOOOMPa以上时才能被称为高模量沥青混合料。 [0004]目前，国际上提高沥青混合料模量的方式主要有两种，一种是降低沥青混合料中 沥青的标号，采用粘度较大的沥青；另一种则是在沥青混合料中加入外掺改性剂。本发明主 要是针对在基质沥青中添加 PR-module高模量改性剂的高模量沥青混合料疲劳寿命的预 测方法。
[0005] 沥青混合料疲劳性能预测模型的研宄国外已有40余年的历史，主要有英国诺丁 汉大学、加利福弗尼亚大学、英荷壳牌石油公司、美国俄亥俄州大学等。
[0006] 早在1971年和1973年，加利福尼亚大学Berkeley分校的Carl L. Monismith和 Nottingham大学的P. S. Pell分别建立了按应变控制和应力控制疲劳试验模式下的疲劳性 能的经典预测模型，至今在单一沥青混合料类型的疲劳性能预测中仍在采用。
[0007] 1985年Carl L. Monismith建立疲劳性能预测模型将沥青混合料的初始劲度模量 作为了一个影响疲劳寿命的因素加以考虑，而沥青混合料的初始劲度模量则是一个反映沥 青劲度、混合料级配、空隙率、沥青用量等多个因素变化的综合指标，在一定程度上可以反 映出不同类型的沥青混合料的疲劳特性。这一预测模型在壳牌石油（Shell Bitumen)以及 地沥青学会（Asphalt Institute)的设计规范中得以运用。
[0008] 诺丁汉大学还建立了拉应变、疲劳荷载作用次数、沥青含量和软化点的关系。
[0009] 美国加利弗尼亚大学伯克利分校进行了大量的室内研宄，并通过室外足尺试验对 室内疲劳规律进行了验证。在"SHRP"计划中，加州大学又深入分析了影响沥青混合料疲劳 性能的各种因素，包括：试件的成型方法、加载方式、混合料变量（沥青粘度、沥青用量、集 料级配、空隙率、温度）和疲劳试验方式的基础上，在开展扩大试验计划后，汇总了室内疲 劳试验资料，建立回归方程。
[0010] 俄亥俄州大学从裂纹的扩展规律出发来研宄疲劳性能。应用断裂力学方法的疲 劳寿命的定义是在一定的应力状态下，材料的损坏按照裂缝扩展定律，从初始状态增长 到危险和临界状态的时间。通过对已有的疲劳裂缝扩展规律试验结果的对比分析，认为 P. C. Paris的裂缝扩展规律最适合于沥青混合料的情况。
[0011] 加州大学伯克利分校及其他研宄人员认为疲劳试验中的总能耗和循环荷载的重 复作用次数之间存在着某一特定关系，通过试验研宄还提出一种新的疲劳响应模型，即能 耗疲劳方程，用能量法来研宄沥青混合料的疲劳特性。SHRP在压实沥青混合料重复弯曲疲 劳寿命测定的标准试验方法（SHRP-M-009)中还给出累积消散能及消散能累积到破坏时的 计算方法。但是正如C. L. Monismith等人在"沥青混合料疲劳反应综述" SHRP-A-312 -文 中所指出的：至今为止，仅在弯曲疲劳试验上考虑使用消散能理论，尚需进一步研宄它能否 用于其它类型疲劳试验和沥青路面疲劳设计中。
[0012] 国内的研宄工作起步相对较晚，但也做了大量的研宄工作。我国97年沥青路 面设计规范考虑了沥青层的疲劳问题，在交通部科研项目"沥青路面设计指标与参数的 研宄"中选用茂名60#、胜利100#、辽河140#三种国产沥青，配制中粒式和粗粒式两种级 配的沥青混凝土试件，用MTS试验机以应力控制方式，在5种温度条件下（25°C、15°C、 0°C、_5°C、-15°C )进行间接拉伸疲劳试验，施加半正弦波荷载，加载频率为10Hz。根据试 验结果分析，推荐了沥青层拉应力与疲劳破坏时的荷载作用次数的疲劳方程。
[0013] 同济大学采用进口沥青制备三种级配沥青混合料（AC25、AC20、AC12)进行了常应 力弯曲疲劳试验研宄，还根据荷载间歇时间、荷载横向分布和不利季节天数对室内疲劳模 型进行了现场修正，建立了沥青层拉应力与荷载作用次数的疲劳模型。
[0014] 华南理工大学综合国内外多个研宄项目的四点弯曲疲劳试验结果，建立了以单轴 动态压缩模量和沥青饱和度为控制指标的疲劳模型。
[0015] 综上所述，国内外对沥青混合料疲劳性能进行了广泛深入的研宄。采用不同疲劳 试验方法评价了沥青混合料疲劳性能，不同的研宄机构也建立了不同的疲劳模型。然而，这 些方法没有考虑高模量沥青混合料在铺成路面后实际温度梯度和实际轴载分布对高模量 沥青混合料疲劳寿命的影响，使得理论计算值与实际值存在较大的差异。
【发明内容】
[0016] 为了更加准确地监测高模量沥青混合料路面的疲劳寿命，充分考虑沥青路面实际 使用环境和条件，本发明提出一种高模量沥青混合料路面疲劳寿命预测方法。本发明高 模量沥青混合料路面疲劳寿命预测方法，以高模量沥青混合料路面的结构温度分布、路面 材料动态模量和温度轴载分布为基本参数；以间接拉伸疲劳试验结果拟合疲劳应变方程 #/=?4,式中，Nf为疲劳破坏时的荷载作用次数，α为参数，ε χ为水平应变，b为参数；采 用ANSYS软件构建路面结构有限元模型，计算不同轴载等级和不同温度区的层底最大拉应 变；根据Miner的疲劳累积损伤法则，利用公￥
【权利要求】
1. 一种高模量沥青混合料路面疲劳寿命预测方法，其特征在于，以高模量沥青混合料 路面的结构温度分布、路面材料动态模量和温度轴载分布为基本参数；以间接拉伸疲劳试 验结果拟合疲劳应变方程式中，Nf为疲劳破坏时的荷载作用次数，α为参数，εχ 为水平应变，b为参数；采用ANSYS软件构建路面结构有限元模型，计算不同轴载等级和不 KLn 同温度区的层底最大拉应变；根据Miner的疲劳累积损伤法则，利用公式βζΣΣ# = 1 i=\7=1iyij 计算得到不同轴载和不同温度的高模量沥青混合料的疲劳累积损伤结果，式中，D为损伤因 子，K为变量，L为变量，N为对应轴载等级的计算疲劳寿命，η为轴载等级，i为1、2、3…K， f \ j为1、2、3···?;根据公式α <1，计算得到尚模量沥青混合料路面的疲劳寿命 [N1N2N1) α，式中，N为对应轴载等级的计算疲劳寿命，η为轴载等级，i为1、2、3…K;其中，所述结构 温度是指依据统计数据或实测获得的不同温度区的全年路面温度分布频率和各个温度区 不同路面深度的温度值；所述路面材料动态模量是指处于不同温度区和不同路面深度的路 面材料的动态模量值；所述温度轴载分布是指不同轴载等级、不同温度区在设计年限内的 当量轴次。
2. 根据权利要求1所述高模量沥青混合料路面疲劳寿命预测方法，其特征在于，该方 法包括以下步骤： 51、 确定路面结构温度场，根据统计获得沥青路面温度年度分布数据，按设定温度间隔 将沥青路面分为二个以上温度区，计算不同温度区全年路面温度分布频率；根据实测获得 各个温度区温度随路面结构深度的变化曲线； 52、 确定路面材料动态模量，将在加载频率为IOHz和加载波形为正弦波情况下得到的 沥青混合料动态模量数据，按最小二乘拟合和线性插值得到各个不同温度区和不同路面结 构深度的路面材料的动态模量分布； 53、 确定温度轴载分布，根据公路实际运行情况按轴载大小划分车辆轴载等级并计算 不同轴载等级的轴载分布频率，根据设计年限内一个车道上的累积当量轴次，结合路面温 度分布频率和轴载分布频率计算得到不同轴载等级、不同温度区在设计年限内的当量轴 次，即温度轴载分布； 54、 确定高模量沥青混合料疲劳应变方程，在不同应力比、不同温度条件下对所选用的 高模量沥青混合料进行间接拉伸疲劳试验，即通过间接拉伸试验仪器的位移测定装置来记 .rYrX(0.135+ 0.5//) 录试件在受到应力作用下产生的垂直方向的变形Yt，按公式A= 计算水 {2AH']「I+? 平变形ΧΤ，进而根据公式A= χ --计算沥青混合料水平疲劳应变εχ， IvΩj[4 +πμ-π_ 根据疲劳应变模型#曲线拟合高模量沥青混合料疲劳应变方程；式中，\为试件在 垂直方向上的变形，单位mm;XT为试件在水平方向上的变形，单位mm;μ为泊松比；ΔΗ为 水平变形，单位为mm;Ω为试件直径，单位为mm;εχ为水平应变；π为常数，α为参数，b 为参数，Nf为疲劳破坏时的荷载作用次数； S5、高模量沥青混合料路面疲劳寿命预测，采用ANSYS软件建立典型路面结构有 限元三维模型，输入路面结构温度场、路面材料动态模量和轴载分布的参数，得到基于 不同荷载和不同温度的层底最大拉应变；根据Miner的疲劳累积损伤法则，利用公式 KLn β=ΣΣ子 =1计算得到不同轴载和不同温度条件下的高模量沥青混合料的疲劳累积损 Mj=l^ij f \ 伤结果；最后根据公式《 1+1...IU计算得到高模量沥青混合料路面的疲劳寿命 [N1N2N1) α;式中，D为累积疲劳损伤因子，K为变量，L为变量，ηι、η2、…、Iii为轴载等级，N^N2、…、Ni为对应轴载等级的计算疲劳寿命，i为1、2、3…K，j为1、2、3…L。
【文档编号】G06F19/00GK104462843SQ201410804672
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月22日 优先权日:2014年12月22日
【发明者】梁乃兴, 曹源文, 黎晓, 赵毅, 郑嘉, 孙凤, 徐建平, 郑易楠 申请人:重庆交通大学