加载频率对纤维沥青混凝土疲劳性能的影响.pdf
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1、第 3 3卷第 6期 2 0 1 2年 l 2月 华北水利水电学院学报 J o u rna l o f No a h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Co n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o w e r Vo 1 33 NO 6 De c 2 01 2 文章编 号: 1 0 0 25 6 3 4 ( 2 0 1 2 ) O 6 0 1 0 6一 O 6 加载频率对 纤维 沥青 混凝 土疲劳性能的影响 黄春水 ,高丹盈 ,朱 海堂 ( 郑 州大学 新型建材 与结构研 究中心,
2、 河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ) 摘要 : 以现象学法为基础 , 结合损伤 力学原 理 , 提 出 了纤 维沥青混凝 土疲 劳破坏准 则 通 过不 同频率 、 应 力 水平纤维 沥青 混凝 土劈 裂疲 劳试验 , 研究 了加载频率对沥青混凝 土疲劳性 能的影 响, 建立 了不同频率 下沥青 混凝 土疲 劳寿命计 算模 型 试验研究和 理论分 析表 明: 疲劳加 载频率 越低 , 沥青混凝 土疲劳 寿命对应 力水 平 的变化就越敏感 , 低速 、 重载交通是造成沥青混凝土疲劳破坏的重要原因 关键词 : 纤维沥青混凝土 ; 疲 劳性 能 ; 劈裂疲劳试验 ; 加载频率 疲劳破坏是沥青混凝土
3、路面的主要破坏形式之 一 对沥青混凝土疲劳性能的研究 主要有现象学法、 力学近似法和损伤力学法 3种方法 , 结合实际 路面在真实汽车荷载作用下 的疲劳试验、 足尺路 面 结构在模拟汽车荷载下的疲劳试验和室内小型疲劳 试验 3类试验方法 , 建立描述沥青混凝土材料疲 劳 性能的粘弹性模型 、 损伤力学模型和能量耗散模 型 等 , 研究应力水平、 频率 、 温度 、 加载方式、 孑 L 隙 率等对沥青混凝土疲劳性能的影响 随着纤维 沥青混凝土的推广应用 , 研究纤维沥青混凝土的疲 劳破坏机理及疲劳性能显得更加重要 在纤维沥青 混凝土疲劳性能研究方面 , 主要 以应力 和应变控制 的室内小型疲劳试
4、验为基础 , 研究纤维掺量 、 纤维类 型 和 纤 维 长 径 比 对 沥 青 混 凝 土 疲 劳 性 能 的 影 响 。 。 纵观现有 的研究 , 还存在许多亟待解决的问题, 如纤维沥青混凝土的疲劳破坏准则及其频率对纤维 沥青混凝土疲劳性能的影响等 为此 , 文中在纤维沥 青混凝土应力控制模式劈裂 ( 间接拉伸 ) 疲劳试验 的基础上 , 提出劲度模量衰减 和疲劳损伤统一的疲 劳破坏准则 , 然后通过不同频率 和应力水平下 的疲 劳试验 , 研究加载频率对纤维沥青混凝土疲劳性能 的影 响 1 材料 和试验 试验采用 A H一7 0沥青 , 长径 比 R 。 ( 纤维长度 与直径的比值) 为
5、3 2 4的聚酯纤维, 纤维掺量 P , ( 纤 维与集料的质量比) 为 0 3 集料经过筛分、 清洗 、 烘干后 与石 灰 岩 矿 粉 配 成 A C一1 3 I型 级 配 中 值 通过标准马歇尔试验 分别 确定基体 沥青 混合料及不同纤维长径比和掺量的沥青混合料的最 佳沥青用量 , 然后在最佳沥青用量下击实成型标准 马歇尔试件 在 图 1 所示疲劳试验机上进行 1 5疲 劳试验 , 疲劳荷载等级分别为 同条件下劈裂破坏荷 载的 2 0 , 3 0 , 4 0 和 5 0 , 加载频率分别为0 5 , 1 0 , 5 0 , 1 0 0 , 1 5 0, 2 0 0 H z和 2 5 0 H
6、 z , 加载的波 形为正弦波 图 1疲劳试 验机 收稿 日期 : 2 0 1 2 0 91 0 基金项 目: 国家 自然科学基金重点项 目( 5 0 6 7 8 1 5 9 ) 作者简介 : 黄春水 ( 1 9 7 6 一 ) , 男 , 河南信 阳人 , 讲师 , 博士研究生 , 主要从事纤维混凝土方面的研究 高丹盈 ( 1 9 6 2 一 ) , 男 , 河南三 门峡人 , 教授 , 博导 , 博士 , 主要从事新 型复合材料结 构理论及 其应 用方 面的研究 第 3 3卷第 6期 黄春水 , 等 : 加 载频率对纤维沥青混凝土疲劳性能 的影 响 2 疲 劳破 坏准则 不 同疲劳破坏准则
7、对应不同疲劳寿命 , 研究纤 维沥青混凝土疲劳性能时 , 合理确定疲劳破 坏准则 尤为重要 对 于应力控制模式疲 劳试验 , 通 常 直观地以试件完全断裂作 为破 坏的标准 , 也有研究 者把材料的复合模量 降低到初始模 量的 9 0 作为 疲劳破坏的标准 , V a n D i j k把应变值达到初始应变 的 2倍视作试件疲劳破坏 , 而 Ma u p i n和 F r e e ma n在 1 o o O O 5 0 0 D 1 0 0 0 0 15 0 D 00 0 D 2 5 仰3 o 0 口 0 疲劳加载次数饮 ( a )劲度模量衰减 5 0 Z 4 0 3 0 0 0 进行间接拉伸疲
8、劳试验时 , 以循环加载 2 0 0次 的 劲度模量作为初始劲度模量 , 将劲度模量衰减到初 始劲 度模 量 的 3 0 作 为疲 劳 破 坏 的 准 则, 栾 利 强 以损伤因子稳定和加速 阶段 的转折点定义为 疲劳破坏 的标准 由此可见 , 目前对于如何界定沥青 混凝土材料疲劳破坏 , 还没有形成统一的标准, 每种 方法都具有主观性 , 导致相 同的沥青混凝土材料对 应不 同的疲劳寿命 疲劳参数衰减过程曲线如 图 2 所示 0 5仰l0 0 0 D 1 5 0 0 D加0 口 0 2 5 0 0 0 3 o 0 0 D 疲劳加载次数 7欠 ( b )荷载 图 2疲劳参数衰减过程 曲线 图
9、2 ( a ) 是疲劳试验过程 中采集 到的试件劲度 模量 、 力和波峰波谷对应 的劲度模量与疲 劳加载次 数关系曲线 由图 2 ( a ) 可以看 出, 在疲劳加载过程 中, 沥青混凝土劲度模量衰减过程经历 3个阶段 , 首 先是加载初期减速衰减 阶段 , 一方面由于疲劳荷载 对试件压密 , 另一方面, 沥青混凝土本身 的不均匀等 原因, 沥青混凝 土内部结构 的微 观缺 陷及本身存在 的空隙将因局部范围内的应力集 中而产生微细裂纹 并 逐 渐扩 展 , 形 成 小范 围 的局部 疲 劳损 伤 , 从 而导 致 沥青 混凝 土试 件 的劲 度 模 量 减 速 衰 减 ; 然 后 是 劲 度
10、模量的稳定衰减阶段 , 由于裂纹 的扩展积聚于 内部 局部缺陷区域的高密度能量得到释放 和转 移, 应力 集中现象得到抑制 , 在疲劳荷载的作用下 , 试件 内部 能量积累扩散重新达到一种相对稳定 的状态 ; 最后 是劲度模量的加速衰减阶段 , 在疲劳荷载的作用下 , 试件 内部能量逐渐积累 , 微细裂纹逐渐扩展直至相 互贯通 , 材料 内部损伤加剧并迅速劣化 , 试件的劲度 模量加速衰减直至试件完全开裂并失稳破坏 由图 2 ( b ) 可以看出, 疲劳荷载的上峰值和下峰 值对应的位移在沥青混凝土疲劳加载过程中也经历 了 3个 阶段 , 加载初期伺服液压加载控制 系统 的调 整阶段 , 由于试
11、件 内部的不均匀 , 实际疲劳加载值与 目标值之间存在小偏差 , 系统通过调整 , 加载逐渐接 近 目标值直至与 目标值吻合 ; 然后是稳定疲劳加载 过程 , 此阶段 , 伺服液压控制系统 以力上峰值和下峰 值对试件进行稳定 的疲劳加载 ; 最后是力的迅速衰 减阶段 , 试件中产生贯穿裂缝 , 试件完全开裂并失稳 破 坏 : 、謇 毯 o 5 0 0 0 l0 0 口 0l 5 叩0 0 0 0 2 5 0 口 0 3 o 仰 疲劳加载次数饮 ( C )位移 由图 2 ( c ) 可以看 出, 疲劳加载过程 中, 上峰值 位移和下峰值位移在加 载过程 中也经历 了 3个阶 段 , 首先是疲劳加
12、载初期 的减速增加阶段, 上峰值和 下峰值位移随疲劳加载次数的增加迅速增大 , 但位 移 一 加载次数曲线 的斜率逐渐减小 , 单位时间的位 移增量减小; 然后稳定疲劳加载阶段力 的上峰值和 下峰值位移 的稳定增加阶段 , 此阶段 , 上峰值和下峰 值位移与疲劳加载次数关系曲线 的斜率趋于定值 , 单位时间内的位移增量趋 于稳定 ; 最后是加速疲劳 阶段力的上峰值和下峰值位移 的加速增 长阶段 , 此 阶段 , 裂缝急剧开展 , 试件沿着加载 中心开裂 , 试件 与加载接触部位完全破碎 , 位移快速增加 , 试件完全 开 裂并 失稳破 坏 沥青混凝土疲劳过程伴随着劲度模量的衰减 , 劲度模量
13、的衰减又是材料在疲劳荷载作用下发生损 伤导致材料性能劣化的结果 , 通常采用损伤量 D来 度量材料疲 劳破 坏 的程 度 对损 伤量 的定义有 多 种 。 。 , 如受损面积与名义面积的比、 有损模 量与 无损模量的比、 实际应力 比与初始应力 比之 间的差 值 、 总循环滞回能与疲劳韧性 比等 图 3是选取的材 料中的一个代表性的体积单元 损伤前初始面积为 , 疲劳加载过程 中造成损 伤的面积为 A 。 , 则有效承载面积 A 为 A : A A 口 ( 1 ) 假设材料是各 向同性, 损伤量不随截面方 向而 改变, 损伤量定义为缺陷面积与原始面积的比值 , 即 D : A o : 竿 (
14、2 ) 1 0 8 华北水利水 电学院学报 2 0 1 2年 1 2月 图 3材料 损 伤 单 元 D: 0对应无损状态 , D=1对应材料完全疲劳 破 坏 , 0D1 对 应材料 不 同 的损 伤程 度 根据 L e m a i t r e损伤理论 引, 应力作用 于有损 材料上引起的变形等效于作用在虚拟的无损材料上 的变形 , 虚拟无损材料的承载 面积等于受损材料 的 实际有效承载面积 , 损伤材料本构关系在形式上仍 采用无损伤形式 , 即 S : ( 3 ) S (, v ) 式中: s 为荷载作用 次后的劲度模量; 为荷 载作用 次后的有效应力 ; 为荷载作用 J v次后 的有效应变
15、, 而且有 8 = ( 4 ) 8 ( Jv ) L 斗 Q 疲 劳加载次数肷 ( a )累计损伤与加载次数 对于应力控制模式疲 劳试验 , 每次对试件加载 的应力不变 , 试件的变形随作用次数的增加而增大 沥青混凝土劈裂疲劳试件的初始劲度模量 S : ( 5 ) 80 式 中 : 。 为初 始应力 ; s 。为初始 应变 将式 ( 4 ) 代人式 ( 3 ) , 可得 5 N: 二 : ! 二 f 6 ) u 一 一 V , S 0 S O 将式( 5 ) 代入式( 6 ) , 可得 S = S 。 ( 1一D) ( 7 ) 所 以, 应力控制模式下的间接拉伸疲劳试验累积损 伤量 D可以表示
16、为 D = 1O N ( 8 ) o O 单位次数荷载造成材料的损伤量 A D为 A D= 1 一 掣 ( 9 ) )N 式中: S 为 次加载时的劲度模量; Is + 为 J7、 r +1次 加载时的劲度模量 根据试件疲劳过程 中采集 的劲度模量 , 转换为 累积损伤量 D和单次荷载损伤量 A D与疲劳加载次 数 的关 系如 图 4所 示 蠢 : 譬。 一。 图 4 损伤 曲线 由图 4可以看出 , 累积损伤 随加载次数 的增加 表现出 3个不同的阶段 , 首先是加载初期的减速损 伤阶段 , 累积损伤量随加载次数 的增加而增大 , 但单 次加 载对 沥 青 混 凝 土 材 料 造 成 的损
17、伤 量 却 逐 渐 减 小 ; 其次是稳定损伤阶段 , 累积损伤量随加载次数呈 直线关系稳定增加 , 单次加载对材料造成 的损伤量 基本相等 , 单次加载损伤量与加载次数之间的关系 几乎是一条水平的直线 ; 最后是加速损伤阶段 , 单次 荷载对材料造成的损伤量迅速增大 , 累积损伤量与 加载次数的关系偏离直线方向迅速增大 , 材料迅速 开 裂并 失稳破 坏 沥青混凝土疲劳破坏是重复荷载作用和环境 因 素对材料造成累积损伤的结果 , 可以分为裂纹产生、 裂纹扩展及疲劳损伤累积达到足够大导致材料不能 0 5 o o O 1 o o o o 1 5o o o 2 0 o o o 2 5 o o o
18、3 0o o o 疲 劳加载次数肷 f b ) 单次荷载损伤与加载次数 继续 承载 而发 生疲 劳破 坏 3个 阶段 图 5是 试 验 过程中得到的劲度模量衰减到不同阶段时试件的破 坏形 态 由图 5 ( a ) 可 以看 出, 加载至劲度 模量衰减 到 1 0 0 MP a , 沥青混凝土疲劳试 件除直接受压 部位有 微小变形外 , 无 肉眼可观察到 的明显裂纹; 图 5 ( b ) 可以看出, 劲度模量衰减到 5 0 M P a时, 试件 中已经 开始产生肉眼可以观察到 的裂纹; 图 5 ( c ) 表 明, 当 劲度模量衰减到 3 0 MP a 附近时 , 试件 中形成较宽的 即将贯穿试
19、件 的裂缝 , 继续施加荷载 , 裂缝贯穿试件 加载中心 , 裂缝宽度迅速扩大 , 试件失稳破坏而丧失 承载能力 , 对应于劲度模量 、 荷载和位移与加载次数 曲线的转折点 , 试件发生疲劳破坏, 如 图5 ( d ) 所示 1 1 O 华北水利水电学院学报 2 0 1 2年 1 2月 l g , =l g kn l g S=1 3 9 72 0 3 61 g S, ( -厂 =1 0 I - I z , R = 0 9 6 8 3 ) ( 1 2 ) l g ,=l g knl g S=2 0 8 3 1 7 3 01 g S, ( _厂 =5 0 Hz , R = 0 9 7 5 4 )
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