沥青混合料性能-使用环境-路面损害的基本关系

沥青混合料性能—使用环境—路面损害的基本关系BasicRelationsAmongAsphaltMixtureProperties,WorkingEnvironmentandPavement’sPrematureDestruction刘立新(L.X.Liu)哈尔滨工业大学材料科学与工程博士副教授Ph.D.&Asso.Prof.inMaterialsScience,HarbinInst.ofTech.加拿大麦克玛斯特大学材料科学与工程博士后Post-DoctoralFellowinMaterialsScience,McMasterUniv.,Canada交通部公路司：攻克我国沥青路面早期损害顽症China:ToCuretheStubbornDiseaseofPavementPrematureDestruction►早期破坏的三个主要特点：CharacteristicsofPrematureDestruction:损坏时间早，损坏面积宽，损坏程度重。►早期破坏的三种主要形式：PatternsForPrematureDestruction:路面变形，路面裂缝，早期水损害。路面服务性能的要求——路面的主要破坏方式美国提出路面服务性能指标PSI（PavementServiceabilityIndex）：路面平整度(Flatness):路面坑剿，松散，唧浆，推移及拥包，桥面伸缩缝路面裂缝(Cracking):温度应力裂纹，反射裂纹车辙变形(Rutting):沥青路面早期损坏原因分类ClassificationforFactorsCausingPrematureDestruction外因(ExternalFactors)——工作环境WorkingEnvironment内因(InternalFactors)——沥青混合料性能AsphaltMixProperties生产与施工质量Production&PavingQuality外因:工作环境与路面服务性能ExternalCauses:WorkingEnvironment载荷环境(Loading):车流量，载重。行车载荷作用：剪切力；冲击载荷作用:冲击应力；往复载荷作用:“加工硬化”—机械疲劳气候环境(Weather):高温，低温，气温变化，雨水。气温：路面材料性能变化，温度应力，温度裂纹，温度疲劳，高温变形；雨水：早期水破坏地理环境(Geological):桥梁，坡道，隧道………沥青混合料的构成CompositionofAsphaltMixture材料组成=多相复合材料(Multi-PhaseComposite)1）基体=沥青；分散相=集料+矿粉+纤维2）分解：沥青混合料=沥青胶泥+集料+空隙沥青胶泥=沥青+矿粉+纤维力学行为=基体力学行为+分散相力学行为MechanicBehavior=CombinationofMatrix&Constituent’sMechanicBehavior1）基体力学行为=混合料的宏观力学行为基础2）分散相力学行为=混合料的细观力学行为沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureI—沥青的基本材料性质组成(Composition):沥青精(Asphaltene)—强度和弹性(脆性Brittle)树脂(Resins)—粘聚芳香(Aromatics)—粘聚饱和族(Saturate)—韧性（柔性Flexibility）老化(Aging):饱和族—芳香—树脂—沥青精沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureII—弹性体，粘性体，粘弹性体弹性体—虎克定律:σ=Gγ粘性体—牛顿定律：σ=ηγ'粘弹性体—弹性(粘性）-粘弹性对应CP法则(CorrespondancePrinciple)σ=G*（ω,t）γσ=η*（ω,t）γ'沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureIII—沥青粘弹性体的“剪切变稀”现象沥青粘度—剪切应变速率的函数—“剪切变稀”现象Viscosity–FunctionofShearStrainRate–“ShearDilution”PhenomenonCross模型:(ηo–η)/(η-η∞)=(Kγ')m“幂律模型”—中等剪切速率：η=K2γ'n-1Sisko模型—高剪切速率：η=η∞+K2γ'n-1沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureIII—沥青粘弹性体的“剪切变稀”现象沥青的粘弹性力学与材料学基本原理III—沥青粘弹性体的“剪切变稀”现象沥青的粘弹性力学与材料学基本原理III—沥青粘弹性体的“剪切变稀”现象沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureIII—剪切法向应力与“沥青爬杆迁移”现象对于粘弹性体，剪切应力可以产生法向应力:N1=σxx–σyy=Aγ'2+O(γ'4)N2=σyy–σzz=Bγ'2+O(γ'4)在一定剪切速率范围内，第一法向应力具有幂律行为：N1=Aγ'm法向应力—“沥青爬杆迁移”（Weissenberg效应）—改变沥青的原始分布状况—路面离析沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureIV—“剪切法向应力”与“沥青爬杆迁移”现象沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureV—拉伸应力应变：屈服行为与“应变软化”沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureVI—粘弹性变形的基本力学模型沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureVI—粘弹性变形的基本力学模型沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureVI—粘弹性变形的基本力学模型开尔芬模型:σ(t)=Gγ+ηγ'γ(t)=(σo/G){1-exp(-t/λ)}应变增长推迟麦克斯韦模型：σ+λσ'=ηγ'σ(t）=σo{1-exp(-t/λ)}应力增长推迟σ(t）=σoexp(-t/λ)应力松弛伯格斯（Burges）模型：特征时间：λ=η/G沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureVII—蠕变与蠕变疲劳(CreepandFatigue)沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureVII—蠕变与蠕变疲劳蠕变与应力的关系:ε'=Aσn蠕变破坏强度σe与蠕变变形强度σr的定义：蠕变与温度的关系:ε'=dε/dt=Aoσne-k/T蠕变疲劳：Df=AfσaftR沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureVIII—振荡剪切动态力学分析(OscillatingDynamicAnalysis)沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureVIII—振荡剪切动态力学分析(OscillatingDynamicAnalysis)►应力分析：σ(t)=[ηωγo/(1+ω2λ2)](ωλcosωt-sinωt)σ(t)=G'γ+G''γ'式中G'(ω)=ηω2λ/(1+ω2λ2)=Gω2λ2/(1+ω2λ2)—动态刚度（储存模量）G''(ω)=ηω/(1+ω2λ2)—剪切损耗模量►CP法则：σ(t)=G*γ(t)G*(ω)=iω∫o∞φ(ξ)exp(-iωξ)dξG*(ω)=G'(ω)+iG''(ω)——复数剪切模量tanδ=G''(ω)/G'(ω)——动态损耗角因子沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureVIII—振荡剪切动态力学分析(OscillatingDynamicAnalysis)沥青的粘弹性力学与材料学基本原理ViscoelasticMechanicsandMaterialScienceForAsphaltMixtureIX—描述沥青力学行为的基本材料参数低温沥青—准弹性体材料参数：模量（劲度）G，屈服强度σc，韧性εc材料破坏方式：低温蠕变脆性开裂高温沥青—粘弹性体材料参数：模量（劲度）G，粘度η，相位角δ►判断抗粘弹性变形能力综合材料参数：复数剪切模量G*►判断蠕变永久变形能力综合材料参数：蠕变变形强度σr材料破坏方式：高温蠕变变形+蠕变疲劳开裂路面损害形式I.—车辙变形PatternsForPavementPrematureDestructionI.—Rutting路面损害形式I.—车辙变形PatternsForPavementPrematureDestructionI.—Rutting粘弹性变形力学模型（麦克斯韦模型）γ(to+Δt）=σ(to+Δt）/G2*=(σo/G2*)[1-exp(-to/λ)]exp(-Δt/λ)影响因素讨论：►载荷环境：载荷σo；行车速度（载荷作用时间to）车流量（载荷间隙时间Δt）►温度环境：松弛复数剪切模量G2*，特征时间λ=η/G►材料性能：松弛复数剪切模量G2*，特征时间λ=η/G路面损害形式I.—车辙变形PatternsForPavementPrematureDestructionI.—Rutting技术解决方案(TechnicalSolutions)►SMA等嵌挤结构级配(Stone-to-StoneContact)►沥青改性(AsphaltModification)►掺加纤维(FiberReinforcement)悬浮结构与嵌挤结构级配密级配的粗集料骨架嵌挤结构(SMA)的粗集料骨架“StoneonStone”ContactWISCONSIN1991CourtesyofJohnBukowski路面损害形式II.—路面裂纹PatternsForPavementPrematureDestructionII.—Cracking路面温度应力裂纹的形成过程路面损害形式II.—路面裂纹PatternsForPavementPrematureDestructionII.—Cracking路面反射裂缝的形成过程路面损害形式II.—路面裂纹PatternsForPavementPrematureDestructionII.—Cracking低温寿命估算与技术解决方案低温蠕变脆性开裂寿命估算TR=[A（1+m）σom]-1技术解决方案：►掺加纤维—提高混合料强度与韧性►设置路基应力层—释放应力路面损害形式II.—路面裂纹PatternsForPavementPrematureDestructionII.—Cracking路面反射裂缝的技术解决方案路面损害形式III.—早期水破坏PatternsForPavementPrematureDestructionIII.—WaterDamaging“沥青爬杆迁移”与早期水损害的关系机理:►沥青—粘弹性体—剪切应力作