沥青路面全温域疲劳性能评价及疲劳损伤临界点研究

Fatigue cracks are one of the most common problems in asphalt pavement. Temperature is an essential factor affecting the fatigue performance of asphalt pavements. Temperature at different depths of asphalt layers, at different time, and in different regions are all different, which will change asphalt pavement material fatigue behavior. At present, one representative temperature is commonly used for fatigue experimental tests and structural analysis. However, this method ignores many factors that could change the critical failure position, such as the change of material fatigue behaviors caused by the temperature variation with depth, the intrinsic fatigue property difference of material at different asphalt layers, the stress and strain distributions along the depth caused by temperature change, and the interaction effects of all the factors. So, it’s hard to achieve pavement structural combination and material optimization design. Moreover, for semi-rigid pavement, it has been found that the maximum tensile strain doesn’t happen at the asphalt layer bottom even when only considering one representative temperature, which shows the blindness in critical position for fatigue damage analysis. This research will study the experimental method for fatigue performance and fatigue rules for the full temperature profile (which covers all temperature variation range) asphalt pavement, considering the influence of temperature field on fatigue behavior of asphalt materials at different layers; Then, the pavement temperature- structure-material interaction functions will be established, and the critical fatigue damage position range will be decided, considering the influence of temperature field on stress-strain distribution along the depth. The research results are expected to provide a theoretical framework for pavement structure and material optimization.

疲劳开裂是沥青路面的主要破坏形式之一。温度对路面疲劳寿命有重要影响，不同地区、不同时间、路面不同层位间温度差异都会导致材料疲劳性能的不同。目前采用均匀代表温度进行疲劳试验和结构分析，使得温度沿深度的变化所导致的材料疲劳性能的变化、不同层位材料固有疲劳性能的不同、温度变化造成的荷载应力应变沿深度分布的变化以及他们之间的耦合作用所造成的临界损坏位置的变化，都被掩盖了，无法实现结构和材料优化设计；半刚性基层路面即便在均匀代表性温度下，其最大拉应变也不在沥青层底面，凸显了目前临界荷位的盲目。本项目将考虑不同地区、不同层位温度分布的差异及其对混合料疲劳性能的影响，提出混合料全温域（即涵盖整个温度范围）疲劳性能试验方法和疲劳方程，对混合料疲劳性能进行全温域评价；研究温度场对应力应变沿深度分布的影响，建立温度-结构-材料耦合疲劳损伤分析方法，确定临界疲劳损伤位置的范围，为结构、材料的优化提供理论框架。

疲劳开裂是沥青路面的主要破坏形式。温度对路面的疲劳寿命有重要影响，目前采用均一代表温度进行沥青混合料及沥青路面疲劳试验与分析，掩盖了温度分布对路面结构及材料疲劳性能的影响。本研究进行了宽温度阈范围的沥青混合料的疲劳试验，利用威布尔生存函数和路面结构行为方程量化分析了不同温度下沥青混合料的劲度模量衰减规律；建立了混合料全温域疲劳寿命预估模型，明确了温度、应力应变水平、加载模式、初始劲度模量参数对沥青混合料疲劳寿命的影响。实测了现场路面沥青层的温度场，建立了沥青层温度预估方程；以沥青层温度场及路面结构材料信息为基础，采用有限元模型计算了沥青路面全温域力学响应，明确了沥青层内部最不利应变的位置和方向；分析了模量折减情况下沥青层应力响应和应变响应的变化，计算了柔性路面结构和半刚性路面结构的疲劳模式因子，发现柔性路面较浅位置接近控制应变加载模式，而较深位置接近于控制应力加载模式；半刚性路面整个结构层接近于控制应变加载模式。基于路面力学响应计算结果与混合料全温域疲劳试验结果，提出了路面沥青层全温域疲劳损伤分析方法，并分析了典型半刚性基层沥青路面结构的疲劳损伤，确定了半刚性基层路面结构中疲劳开裂最不利位置（4~8cm深度范围内）。进一步基于所提出的路面全温域疲劳损伤分析方法，对包括路面结构、改性沥青、模量衰减等在内的影响临界破坏点位置的关键因素进行分析，得到了不同半刚性以及柔性基层路面结构在不同情况下的疲劳临界破坏点，并对这些关键因素的影响进行了比较和分析。研究成果为基于全温域疲劳损伤的沥青路面结构组合设计提供理论基础。