一种预测沥青混合料高温蠕变变异性的方法技术

本发明专利技术公开了一种预测沥青混合料高温蠕变变异性的方法，包括如下步骤：通过蠕变试验获得各级荷载下单轴蠕变曲线；通过分数阶蠕变损伤模型对各级荷载下单轴蠕变曲线进行拟合，获取模型参数；及建立模型参数与应力之间的预测模型；通过蠕变损伤模型，构建损伤值与损伤应变之间的统一损伤演化模型；在蠕变损伤过程中引入细观随机损伤模型，建立损伤随机演化模型，通过对试验样本分析，获取损伤演化变异范围；最后，通过预测模型和损伤演化变异范围预测任意荷载下沥青混合料高温蠕变性能变异性。本发明专利技术基于蠕变过程中变异性产生机理，引入损伤演化随机性来预测沥青混合料高温蠕变性能变异性，是一种有效实用的预测方法。是一种有效实用的预测方法。是一种有效实用的预测方法。

【技术实现步骤摘要】
一种预测沥青混合料高温蠕变变异性的方法


[0001]本专利技术属于道路工程领域，具体涉及一种通过少量现场试验来预测沥青混合料在高温下蠕变性能变异性的方法，可应用于沥青混合料蠕变性能的变异性的评价及沥青路面车辙病害发展的预测。

技术介绍

[0002]车辙是沥青路面在长期服役过程中，经车轮荷载反复作用产生的一种竖直方向的累积永久变形，是沥青路面的主要病害之一，其不仅影响路面的平整度以及行车的舒适性，而且威胁着行车的安全性。路表温度与行车荷载对沥青混合料抗变形能力影响显著，是影响沥青路面的车辙变形最主要的因素。沥青混合料作为一种温度敏感性材料，随着温度的升高其抗变形能力减弱，从而高温加速了沥青路面车辙病害的产生与发展，因此车辙也被称为高温稳定性病害。在我国，沥青路面车辙主要以沥青面层的失稳性车辙为主，其主要原因是行车荷载在沥青混合料内部产生的剪应力超过了沥青混合料的抗剪强度，使流动变形不断积累形成车辙。
[0003]室内静态和动态蠕变试验表明，车辙的发展具有明显的三阶段特征，即初始压密阶段、稳定增长阶段及加速失稳阶段。稳定增长阶段和加速失稳阶段的临界点对应的累积加载次数定义为流变次数F
N
，此时对应的累积加载时间称为流变时间F
t
。研究表明，流变次数和流变时间与车辙深度有一定相关性，可以作为评价不同混合料之间蠕变性能差异性的指标。然而无论是流变次数F
N
还是流变时间F
t
的变异性都较大，比如相同材料的多个平行混合料试件，流变次数的变异系数可以达到30％，因此，只能通过进行多次平行试验获得某种沥青混合料流变次数(流变时间)的大致范围然后求平均值，而平行试验的次数直接影响了指标的准确度。受限于试验条件和精力，大多数研究的平行试验在两到三次，这对于变异性较大的指标来说是远远不够的。因此，要掌握沥青路面高温蠕变性能的规律，必须考虑沥青混合料蠕变过程的变异性。通过研究高温蠕变性能的变异性来充分把握沥青路面在服役期间的力学状态，并将其有效的运用于指导实际路面的养护管理，这对提高路面建设质量、减少沥青路面运营期间的养护费用具有重要意义。
[0004]现有的针对高温蠕变性能的变异性的研究大多数是围绕大量的试验数据进行的概率统计，而没有针对蠕变过程中随机性产生的机理进行研究。现有研究表明，沥青混合料在蠕变的初始压密阶段变异性很小，而在蠕变的加速失稳阶段出现较大的变异性，这归咎于沥青混合料蠕变过程中损伤演化的变异性。因此，从损伤演化随机性角度来预测沥青混合料高温蠕变性能变异性是一种有效的方法。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，为了更准确地对沥青混合料高温蠕变性能进行评价与研究，本专利技术提出一种预测沥青混合料高温蠕变变异性的方法。该专利技术通过考虑沥青混合料高温蠕变过程中损伤演化的随机性和少量的现场高温蠕变试验来预测不同荷载作用下的蠕变性能的变
异性，进而能够更准确、系统地对沥青混合料的高温蠕变性能和路面车辙的发展规律进行研究。
[0006]为了实现上述
技术实现思路
，本专利技术采用了以下的技术方案：
[0007]一种预测沥青混合料高温蠕变变异性的方法，
[0008]首先，通过蠕变试验获得各级荷载下单轴蠕变曲线；
[0009]然后，通过分数阶蠕变损伤模型对各级荷载下单轴蠕变曲线进行拟合，获取模型参数；及建立模型参数与应力之间的预测模型；
[0010]通过蠕变损伤模型，构建损伤值与损伤应变之间的统一损伤演化模型；在蠕变损伤过程中引入细观随机损伤模型，建立损伤随机演化模型，通过对试验样本分析，获取损伤演化变异范围；
[0011]最后，通过预测模型和损伤演化变异范围预测任意荷载下沥青混合料高温蠕变性能变异性。
[0012]一种预测沥青混合料高温蠕变变异性的方法，包括如下步骤：
[0013]步骤1，高温蠕变试验：对成型的沥青混合料在室内车辙试验的温度下(60℃
±
1℃)进行不同荷载下的单轴蠕变试验，获取各级荷载下蠕变曲线，每组各进行三个平行试验。
[0014]步骤2，分数阶蠕变损伤模型与参数的确定：通过提出的蠕变损伤模型与步骤1得到的各级荷载蠕变结果进行拟合得到沥青混合料蠕变模型参数，其中，蠕变损伤过程是由蠕变硬化过程和蠕变损伤过程组成，蠕变损伤模型表达式为：
[0015][0016][0017][0018]D＝1
‑
(1
‑
t/t
f
)
1(v+1)
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0019]其中，σ0为施加荷载的大小；t为蠕变试验时间；ε(t)、ε
h
(t)和ε
d
(t)分别为沥青混合料蠕变总应变、蠕变硬化应变和损伤应变；α，β分别为描述蠕变硬化过程和蠕变损伤过程的Abel模型分数阶阶数；ξ1，ξ2分别为描述蠕变硬化过程和蠕变损伤过程的材料系数；D为损伤值；t
f
为蠕变失效时间；v为描述损伤的材料参数。
[0020]步骤3，蠕变模型参数与应力关系预测模型的建立：基于步骤2得到各级荷载下的蠕变损伤模型参数，建立模型参数α，β，ξ1，ξ2分别与应力相关的预测模型。
[0021]步骤4，统一损伤演化模型的建立：统一损伤演化模型的建立，包括如下步骤：
[0022]步骤4
‑
1，损伤值的确定：根据步骤2得到的各级荷载下蠕变失效时间t
f
与损伤参数v，利用公式(4)可以得到各级荷载下损伤值D随时间的变化。
[0023]步骤4
‑
2，损伤应变的确定：根据公式(1)损伤应变可以表示为下式：
[0024][0025]可以通过各级荷载的蠕变试验得到的蠕变曲线与步骤2获取的α，ξ1得到各级荷载
下的损伤应变ε
d
随时间的变化。
[0026]步骤4
‑
3，统一损伤演化模型的建立：通过步骤4
‑
1和步骤4
‑
2，可以构建各级荷载下损伤值D与损伤应变ε
d
之间的演化模型，该模型独立于施加的荷载大小，即各级荷载下的损伤演化可以用统一模型进行描述，并且该统一损伤演化模型满足Weibull分布函数。
[0027]步骤5，损伤演化随机性的分析：损伤演化随机性的分析，包括如下步骤：
[0028]步骤5
‑
1，细观随机损伤模型的建立：蠕变损伤过程中引入细观随机损伤模型，即描述损伤的Abel微观单元模型具有随机的断裂应变，则随机损伤变量的均值与方差分别表示为：
[0029][0030][0031]其中，Δ(x)为描述损伤的Abel微观单元的极限破坏应变，为服从某一概率分布随机变量；f(δ；x)为破坏极限应变在位置x处的一维概率分布函数密度；F(ε)和F(ε,ε；η)分别为一维分布函数和二维分布函数，η＝|x1‑
x2|定义为x1，x2的相对距离；H(t)为单位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预测沥青混合料高温蠕变变异性的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，高温蠕变试验：对成型的沥青混合料在室内车辙试验的温度下进行不同荷载下的单轴蠕变试验，获取各级荷载下蠕变曲线，每组各进行三个平行试验；步骤2，分数阶蠕变损伤模型与参数的确定：通过提出的蠕变损伤模型与步骤1得到的各级荷载蠕变结果进行拟合得到沥青混合料蠕变模型参数，其中，蠕变损伤过程是由蠕变硬化过程和蠕变损伤过程组成，蠕变损伤模型表达式为：硬化过程和蠕变损伤过程组成，蠕变损伤模型表达式为：硬化过程和蠕变损伤过程组成，蠕变损伤模型表达式为：D＝1
‑
(1
‑
t/t
f
)
1/(v+1)
ꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，σ0为施加荷载的大小；t为蠕变试验时间；ε(t)、ε
h
(t)和ε
d
(t)分别为沥青混合料蠕变总应变、蠕变硬化应变和损伤应变；α，β分别为描述蠕变硬化过程和蠕变损伤过程的Abel模型分数阶阶数；ξ1，ξ2分别为描述蠕变硬化过程和蠕变损伤过程的材料系数；D为损伤值；t
f
为蠕变失效时间；v为描述损伤的材料参数；步骤3，蠕变模型参数与应力关系预测模型的建立：基于步骤2得到各级荷载下的蠕变损伤模型参数，建立模型参数α，β，ξ1，ξ2分别与应力相关的预测模型；步骤4，统一损伤演化模型的建立：通过建立损伤值与损伤应变ε
d
模型，使损伤演化模型独立于施加的荷载大小，即各级荷载下的损伤演化可以用统一模型进行描述，且该统一损伤演化模型满足Weibull分布函数；步骤5，损伤演化随机性的分析：损伤演化随机性的分析，包括如下步骤：步骤5
‑
1，细观随机损伤模型的建立：蠕变损伤过程中引入细观随机损伤模型，即描述损伤的Abel微观单元模型具有随机的断裂应变，则可以得到随机损伤变量的均值与方差为：为：其中，Δ(x)为描述损伤的Abel微观单元的极限破坏应变，为服从某一概率分布随机变量；f(δ；x)为破坏极限应变在位置x处的一维概率分布函数密度；F(ε)和F(ε,ε；η)分别为一维分布函数和二维分布函数，η＝|x1‑
x2|定义为x1，x2的相对距离；H(t)为单位跳跃函数；步骤5
‑
2，样本集合的确定：根据步骤1～4可以得到各级荷载下的损伤值D与损伤应变ε
d
之间关系曲线，随机选取步骤1中各级荷载下的平行试件作为样本集合；步骤5
‑
3，随机损伤模型参数的确定：根据细观随机损伤模型，基于试验样本集合进行建模，获取随机损伤模型参数，该方法分为两个计算过程：步骤5
‑3‑
1：针对损伤应变与应变值的曲线关于损伤应变进行区间离散，并以区间中点为基点，求出该样本集合在相应点的平均值和标准差(ε
i
,μ
i
,V
i

【专利技术属性】
技术研发人员：顾兴宇，张启鹏，遇子陆，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：