路面材料的力学性能课件.ppt

第五章第五章 路面材料的力学性能路面材料的力学性能一、一、 引引 言言 1 1、、路面材料的类型路面材料的类型 2 2、应力、应力- -应变特性：模量应变特性：模量E E，，这是主要力学分析参这是主要力学分析参数数 3 3、强度特性：了解其自身的抗力，了解强度的来、强度特性：了解其自身的抗力，了解强度的来源源 4 4、变形特性：变形能力，可恢复的和不可恢复的、变形特性：变形能力，可恢复的和不可恢复的变形，对平整度的影响变形，对平整度的影响 5 5、疲劳特性：与寿命有关，与荷载作用次数有关、疲劳特性：与寿命有关，与荷载作用次数有关 6 6、耐久性：自然因素的影响，包括水的作用、水、耐久性：自然因素的影响，包括水的作用、水稳定性、抗剥落特性、抗冻融特性（温度）、自稳定性、抗剥落特性、抗冻融特性（温度）、自然老化、抗紫外线然老化、抗紫外线 二、二、颗粒材料的工程性质颗粒材料的工程性质1强度来源强度来源3变形累积变形累积2应力应变关系应力应变关系4泊松比泊松比1、强度来源n n颗粒类材料由于无结合料的黏结，所以不是一个整体，是一个结构层，但自身是松散的。

n n不能承受拉应力的作用，可以受压或受剪切黏结力为零n n内磨檫力提供了抗剪切强度，但取决于粒料的纹理、密实度、颗粒形状、级配等因素 强度来源强度来源n n骨架结构，不含或很少细料（骨架结构，不含或很少细料（<0.074<0.074）的状态，）的状态，见图：强度来源于接触部位的摩擦力，对集料强见图：强度来源于接触部位的摩擦力，对集料强度要求高；水稳定性好，透水性好，无冻敏度要求高；水稳定性好，透水性好，无冻敏n n骨架骨架- -填充结构，见图：强度来自于摩擦力，抗剪填充结构，见图：强度来自于摩擦力，抗剪切强度有所提高；密度高，透水性差，可能是冻切强度有所提高；密度高，透水性差，可能是冻敏的，取决于填充料；不耐冲刷三渣多属于这敏的，取决于填充料；不耐冲刷三渣多属于这种结构n n悬浮结构，粗集料悬浮于细集料之中，见图：强悬浮结构，粗集料悬浮于细集料之中，见图：强度取决于填充料；密度高，不透水，水敏，冻敏，度取决于填充料；密度高，不透水，水敏，冻敏，不耐冲刷不耐冲刷 颗粒材料的几颗粒材料的几种组成状态种组成状态n n压碎值取决于集料的强度和形状，压碎值不足的压碎值取决于集料的强度和形状，压碎值不足的危害是很大的，产生变形和强度问题危害是很大的，产生变形和强度问题n n即便是基层、底基层等层次，虽然整体受力较小，即便是基层、底基层等层次，虽然整体受力较小，但局部接触应力可能很大，仍需要限制压碎值但局部接触应力可能很大，仍需要限制压碎值n n过于密实碎可提高强度，但可能会牺牲水稳定性、过于密实碎可提高强度，但可能会牺牲水稳定性、温度稳定性和抗冲刷能力，设计者应设法平衡强温度稳定性和抗冲刷能力，设计者应设法平衡强度与稳定性之间的关系度与稳定性之间的关系n n形状可能会影响压碎值，所以采用测试压碎值的形状可能会影响压碎值，所以采用测试压碎值的集料的形状应符合要求。

集料生产过程中的内部集料的形状应符合要求集料生产过程中的内部裂纹会影响压碎值裂纹会影响压碎值压碎值、性状压碎值、性状与透水性与透水性级配要求级配要求应满足一定的级配要求，可参见有关手册或规范应满足一定的级配要求，可参见有关手册或规范 测试与计算测试与计算测试采用三轴试验计算： 2、应力-应变关系n 三轴试验测定方法测定方法应力应力- -应变关系应变关系注意：该曲线与土的应力-应变曲线的区别ε θ为主应力之和 k为系数，k1=7.0-15.7，k2=0.46-0.64 由于σ1与σ3有关，所以模量还可以表示为： 粒料的模量与粒料的模量与受力状态有关受力状态有关n n随着荷载（弯沉）的增大，模量在增加 荷载荷载- -弯沉关系弯沉关系Pl 破坏点n n粒料模量的取值比较困难，因为E=F（应力，棱角，纹理，密度），设计中无法考虑这么详细 设计中的考虑设计中的考虑3、变形累积n n与土的变形累计规律类似n n当较小时，趋于缓慢稳定增加n n当较大时，急剧增加n n随增加，稳定的增加4、泊松比一般一般0.2-0.50.2-0.5，一般取，一般取0.25-0.350.25-0.35三、稳定类材料三、稳定类材料1、强度特性强度特性 • •强度来源：黏结力，内摩擦力强度来源：黏结力，内摩擦力• •当采用黏结力、内摩擦力的概念时，总与剪切有关。

实际当采用黏结力、内摩擦力的概念时，总与剪切有关实际上，黏结力和内摩擦力提供了各种强度上，黏结力和内摩擦力提供了各种强度• •测试方法测试方法• •三轴压缩试验，三轴压缩试验，P45P45图图5-25-2• •梁式试件，梁式试件，4 4点加荷法，三分点加荷试验，点加荷法，三分点加荷试验，P45P45图图5-25-2• •劈裂试验，间接拉伸试验，图劈裂试验，间接拉伸试验，图• •同样三种组成状态由于是整体性材料，所以同样应注意同样三种组成状态由于是整体性材料，所以同样应注意其水稳定性细集料（结合料）含量越多，越容易冲刷其水稳定性细集料（结合料）含量越多，越容易冲刷在满足填充要求的前提下，应尽量减少细集料的用量强在满足填充要求的前提下，应尽量减少细集料的用量强度不是唯一的标准度不是唯一的标准• •级配一般采用骨架级配一般采用骨架- -填充结构填充结构 2、三轴压缩状态下的应力三轴压缩状态下的应力- -应变关系应变关系•σ-ε关系与土的类似（P35，图4-1），见下图，应变随荷载的增大而迅速增大•同样，为应力偏量的函数•在应力级位较小时，近似直线，E为常数•与粒料的σ-ε关系有很大不同，凹向相反，悬浮结构的粒料可能相似（如果细料类似土的话），这反映了黏结型与嵌锁型的区别。

3、梁式弯拉状态下的应力梁式弯拉状态下的应力- -应变关应变关系系n n梁式试件是半拉半压的受力状态，性质应处于拉、压之间，所得模量略小于三轴n n不反映侧限力的影响n n应力-应变曲线与上图类似，但损坏区域更明显，速度更快4 4、影响因素、影响因素n n结合料的剂量和活性n n龄期n n集料的类型（土）5 5、参考值域、参考值域n n水泥土：E=（0.7-7）*1000Mpa，μ=0.15-0.35n n水泥稳定碎石：（7-28）*1000Mpa，μ=0.15-0.20 6 6、变形特性、变形特性累计永久变形忽略不计累计永久变形忽略不计 7、疲劳特性• •疲劳是指材料在低于极限荷载的英里作用下发生破坏，疲劳是指材料在低于极限荷载的英里作用下发生破坏，是重复荷载作用下微裂纹的扩展，重复荷载作用的大是重复荷载作用下微裂纹的扩展，重复荷载作用的大小不可太大疲劳反映了路面的寿命，反映了小吨位小不可太大疲劳反映了路面的寿命，反映了小吨位荷载作用下的数千万次的重复作用，滴水穿石的效果荷载作用下的数千万次的重复作用，滴水穿石的效果疲劳设计是路面设计的重要概念，是路面设计的重要疲劳设计是路面设计的重要概念，是路面设计的重要特点。

特点• •疲劳寿命：指从开始加载至损坏时的荷载作用次数；疲劳寿命：指从开始加载至损坏时的荷载作用次数；通常采用梁式试件测量，四点加荷法所施加的应力通常采用梁式试件测量，四点加荷法所施加的应力实际上就是破坏时的应力，成为疲劳强度实际上就是破坏时的应力，成为疲劳强度• •疲劳极限：当荷载小于一定数值时，材料永远不会发疲劳极限：当荷载小于一定数值时，材料永远不会发生疲劳损坏，这个数值曾经定义为生疲劳损坏，这个数值曾经定义为10^710^7，目前已经不，目前已经不行对钢材，应力比行对钢材，应力比0.50.5 概念概念加载波形有多种，典型的有三种：低应力为零低应力为零：：常用方式，沥青路面方式低应力低应力> >零零：：水泥路面方式低应力低应力< <零零：双向加载方式，不常用 •随着荷载作用次数的增加，材料的抗力（强度、模量）在不断降低•疲劳寿命与加荷方式、波形、频率等因素有关荷载级位越大，疲劳寿命越短；荷载级位越小，疲劳寿命越长当然还与材料自身的特性有关，与黏结料的性质有关，与集料的性质也有关一般而言，影响弯拉强度的因素都将影响疲劳特性•疲劳特性一般用应力或应变与疲劳寿命之间的关系来表示，两者之间在半对数或双对数坐标上一般呈线性关系。

见图•疲劳方程的离散性一般很大 常见表达方式：常见表达方式： 低应力为零低应力为零 有高低应力比时的疲劳方程：有高低应力比时的疲劳方程： 低应力低应力>0>0 疲劳方程疲劳方程 ：极限曲率半径， R：曲率半径， N：作用次数 对荷载的敏感性对荷载的敏感性 参数β反映了材料对荷载的敏感性，β越小，对荷载的作用越敏感，因为其大小与荷载换算系数的指数有关： 理论上，参数α=1 四、四、 沥青混合料沥青混合料强度来源应力-应变关系变形特性泊松比强度特征疲劳特征1、强度来源•沥青提供的黏结力和集料提供的内摩擦力•常用的沥青混合料类型 沥青混凝土（AC） 抗滑磨耗层（AK） SMA OGFC抗滑磨耗层，多孔沥青路面（PAC） 2、应力应力- -应变关系应变关系 •沥青混合料是一种粘弹塑性材料，其应力-应变关系受温度、时间等外界因素和沥青含量、沥青性质、集料级配和集料性质等自身因素的影响，所以与一般材料不同，对沥青混合料的应力-应变关系，讨论其蠕变特性•典型蠕变关系曲线见图。

n n温度影响：受温度影响是沥青混合料的主要特点之一，高低温时应变可相差几十倍•高温时，主要表现为粘塑性特性，粘性、塑性变形很大，影响车辙大小•低温时，主要表现为线弹性，影响疲劳和开裂特低温时，主要表现为线弹性，影响疲劳和开裂特性（疲劳开裂和低温开裂）性（疲劳开裂和低温开裂） n n劲度（模量）劲度（模量） 定义：定义： 与时间、温度有关的特征量（条件与时间、温度有关的特征量（条件参数），时温（转换）关系：参数），时温（转换）关系：P47P47图时间- -温度的等效转换对于试验设计非常重要温度的等效转换对于试验设计非常重要n n蠕变模量蠕变模量 通常采用单轴或三轴压缩试验测定通常采用单轴或三轴压缩试验测定蠕变模量的定义为蠕变模量的定义为： 目前实验方法尚未形成标准，常用偏应力目前实验方法尚未形成标准，常用偏应力=0.1-0.2MPA=0.1-0.2MPA，，T=40℃T=40℃加载方式包括静态、动态加载方式包括静态、动态和重复荷载三种方式和重复荷载三种方式 n n动态模量 动态模量的试验过程与上图中的（b）类似。

动态模量：注意：1、试验时间不可太长，否则不是常数，而是时间的函数 2、 反映了材料的流变特性，对弹性体，相位差为“0” n n回弹模量 回弹模量定义为测试方法有三种，见P49图 注意： 与上面蠕变试验中ε（t）的区别；前者为弹性变形+部分粘性变形，后者为塑性变形+部分粘性变形所以前者用于结构疲劳分析，后者用于车辙分析n n劲度预估劲度预估 SHELL方法，P50 3、变形特性n n变形特性可由动态或重复荷载作用下的蠕变特性定义，反映材料的粘塑性，迄今缺少可靠的预估模型n n影响变形特性的因素•温度、应力和作用时间（加载频率）温度、应力和作用时间（加载频率）•沥青的含量、质量沥青的含量、质量•集料特性，包括棱角、破裂面比例，集料表面集料特性，包括棱角、破裂面比例，集料表面纹理、级配等纹理、级配等•压实度、压实方法压实度、压实方法 4、泊松比泊松比n n与沥青含量、温度和集料特性有关，一般取0.25-0.50实际上，大部分混合料的泊松比大于0.505、强度特性抗弯拉强度，抗剪切强度，抗拉强度影响因素：沥青的性质与含量，集料的性质与级配， 温度和加荷速率抗剪切强度（P53，图5-14、5-15）抗拉强度（P54，图5-19） 6、疲劳特性n n试验方法，梁式、劈裂和悬臂式试验方法，梁式、劈裂和悬臂式n n加载方法加载方法• •应力控制，试验过程中保持所加的荷载不变，应变不断增应力控制，试验过程中保持所加的荷载不变，应变不断增大，大，P58P58，图，图5-235-23• •应变控制，试验过程中保持所加的应变不变，应力不断减应变控制，试验过程中保持所加的应变不变，应力不断减小；破坏不明显，一般定义为模量衰变小；破坏不明显，一般定义为模量衰变50%50%时为破坏点；时为破坏点；P58P58，图，图5-235-23• •目前已经逐步趋向于采用应变控制目前已经逐步趋向于采用应变控制n n疲劳方程 双对数直线方程 目前一般采用应变表示法。

Log NLog εεn n影响因素n nMonismith方程 影响混合料疲劳特性的因素很多，要全部考虑是困难，只能选择主要的、综合性强的因素加以考虑Monismith给出了比较有代表性的方程：五、水泥混凝土五、水泥混凝土 疲劳特性或或 路面上的荷载轻重不一，怎样考虑不同荷载的作用？ Miner在研究金属材料的性能时提出了线性疲劳迭加律，即不同等级荷载产生的疲劳效应可以直接相加即 六、六、 MinerMiner定律定律- -线性疲劳迭加律线性疲劳迭加律 。