评价沥青混合料疲劳的预测模型.doc

评价沥青混合料疲劳寿命的预测模型摘要:为加深对沥青混合料的疲劳测试特别是在设计阶段的理解,本次研究采用简单的断裂测试(即半圆形缺口弯曲 (SCNB)测试)对评价沥青混合料的疲劳寿命的可能性进行调查。 结果表明,一个可行的参数由单调和循环SCNB之间存在相关性,基于对这些结果的统计分析开发了三个评价沥青混合料疲劳的预测模型。 这种单调参数应变比其他参数应变能最好的说明预测沥青混合料的疲劳寿命。 此外,灵敏度分析进行评估模型和极端分析表明,应变能是对疲劳寿命最多贡献预测评价参数之一。 最后要说明的是,这些预测模型并没有取代传统的疲劳寿命评估测试,只是作为筛查工具,帮助我们消除误差。关键词:极端状态分析、疲劳试验、热拌沥青;灵敏度分析;应变能;科学可视化图 介绍 现代工程评估和设计应该模拟实际条件并基于动态负载条件下。然而，大多数工程设计是基于单调或准单调实验和现场数据加载条件下的动态测试，由于测试方式的简单。沥青疲劳可能被定性从开始的破坏随后产生裂缝处于不稳定状态的传播这种渐进破坏的现象。因此，沥青混合料疲劳失效以及对细微疲劳引发和裂纹扩展没有进行一致性的评价是大多数工程成败的关键尤其是在沥青混合料参与公路路面工程中。目前，该种疲劳试验用来评估沥青路面的疲劳寿命被认为是昂贵且耗时的1。所以，这种疲劳试验不可能适合每个项目，为了能够采用简单和可靠的测试以及需要验证的程序对沥青混合料疲劳寿命进行评估从而来提高混合料设计过程延长沥青路面的使用寿命。因此，发展有效而简单预测模型来评估沥青路面的抗疲劳性的方法是势在必行的。在这项研究中，可以简单的预测沥青混合料的抗疲劳性能可靠的型号并分别开发和评估。理论和预测模型当学习有关沥青疲劳时知识时，应该掌握一些基本的概念。这些概念简化如下，其次预测路面疲劳寿命参数，包括强度，材料特性，应变能的概念，统计方法，等。绘制应力谱需要评估沥青疲劳寿命。最简单的疲劳应力谱的一零平均正弦应力时间模式恒定振幅和频率固定，用于指定循环次数。在沥青路面，裂缝的发生主要是由于沥青混合料层底部的拉伸应力产生负载。在该区域的许多现有的疲劳模型沥青路面采用的回归分析开发的实验数据。沃勒开发了利用拉伸的关系从一个循环产生的应变，在温度变化，并其他情况下，如下进行路面断裂调查2 ， 3：其中，NF：负载应用程序故障数，o ：拉伸应变在沥青层的底部，并K1，K2，和n ：与所述组合物的功能的因素和对沥青混合料的性能。k2为相同巴黎定律的参数n ，基于方程（ 1 ） ， n的值已被使用估计回归分析。 n的值被由Bonnaure等确定为5。 4和3.624由Tayebali等确定。 5。 Medani和MOLENAAR 3的简化的疲劳特性的推定沥青混合料。他们的方法是基于混合属性和劲度模量主曲线（S ），其之间的关系加载时间和沥青混合料的刚度。其他研究人员 6-8 采用了不同的方法，他们利用连续损伤模型应用于沥青混凝土单调加载和根据制定的工作潜力理论循环加载Schapery 9 。这项工作潜在的理论来模拟线性和非线性弹性介质与力学行为结构变化和不断增长的损害。该理论可以应用来描述粘弹性的影响。丹尼尔 10 提出了基于单个测试的方法可用于预测下材料响应条件不同的单轴拉伸试验条件。利用工作势理论和连续损伤理论，本构被开发了型号为沥青混凝土。后来，丹尼尔和Kim 7 发现可用于一个周期或四分之一个周期的一半一个近似的情况下;在这种情况下，四分之一个周期的使用。从伪应变和特性的函数形式曲线中，应力响应可以被预测。隆斯特罗姆和Isacsson 11 进一步研究了丹尼尔和Kim 7的工作确定单调测试是否能够预测疲劳沥青混合物的特性。这项工作的潜力理论是对造型材料的比较简单的办法遇到损坏的增长。最近，许多研究人员一直在研究相关应变能和疲劳寿命和断裂的预测值之间沥青混合料。沉匠 12 开发了一种沥青疲劳模型是基于应变能原理。 Zhou等人。 13提出了另一种方法，它利用覆盖测试，以预测疲劳通过确定断裂裂纹萌生和的传播沥青混合料的性能。刘等人。 14 认为疲劳在沥青混合料的演变规律可以基于的概念能源消耗和沥青混合料的疲劳寿命是好按照抗断裂性。皮等。 15评估疲劳寿命使用劈裂蠕变试验的沥青混合料，而他们表示，有蠕变损伤之间的良好相关性时间和疲劳损伤的时间。此外， Kim和Kim等人 16 认为，裂缝是会中止通过能量的基本材料特性控制耗散和能量阈值，他们预计他们的开发模型将填充粘弹性骨折之间的差距连续损伤力学，并提供更好的开裂沥青混合料的预测。 Li等人。 17 提出了一种疲劳基于断裂能预测沥青混合模型从间接拉伸试验结果确定。此外，他们认为，基于耗散能量变化的比值疲劳模型是独立的材料类型，并显示相对较高的水平的预测精度。佩雷斯 - 希门尼斯等。 18 表明，疲劳特性需要复杂的循环测试，因此，不通常在设计沥青混合料时考虑到，并引入了新的断裂试验，结果表明，这种新的方法可以评定沥青的疲劳性能和程序可用于涉及刚度和耗散能在裂解过程中得到的参数。敏感度分析利用信息的流入和流出的模型或方程广泛研究了灵敏度分析 19 的关系。在过去，敏感度分析通过在一个模型中改变一个变量，同时保持其他参数固定来实现的，但是这可能会导致所需的效果和结果变量之间存在相互影响25。因此，要更好的把握不同参数之间的关系，需要一个动态的敏感度分析。可视化科学分析图和地块极端尾部分析被认为是评估灵敏度的更好方法变量的模型之一，因为他们考虑到的灵敏度考虑所有变量的共同作用 28 ， 29 。可视化科学分析图可视化科学分析通常被用来作为模型图形化的解决方案，这说明它是利用Spearman秩相关系数产生（）作为在模型结果的所有输入参数的影响。其中， ： Spearman秩相关系数，二：在差值中的输入值和输出值之间的行列相同的数据对，n为模拟数。当的绝对值越接近1 ，所出的结果对模型的输出变量是最大的。当它接近到零，其对结果影响甚微。此外，正值将指定的评价模型的输出是按比例相关的变量（即，当变量的值高时，输出会高为好） 。当为负值时，输出是成反比的变量25。极端状态尾部分析极端状态尾部分析是用来表示在一个模型中的不确定的临界变量，其可以在一个有助于极值模型的结果。为了查明这些参数，统一化的变量（）为在方程所描述的计算方法。 （ 3 ） （方法的详细信息可在参考文献 28 ） 。变量的极端值组| 0.5顷普遍认为是显著和有助于预测输出的极值。正对于输入显著值表示的极值输入是可能的原因，正极端输出1值，反之亦然 25 。其中mediangroup：组中输入的中位数，mediantotal：总模型输入的中位数，和总：在总模型输入的标准偏差材料在爱达荷州广泛使用的混合料分别需要选择组成一个混合里料级配。为了评估团粒结构对沥青混合料疲劳寿命的影响，四种不同的聚合效应结构（包括混合1 ，混合2 ，粗混合，精密混合）分别为使用时，如图所示。 1，除此之外，为了评估粘合剂的影响; 最佳的粘结剂含量（最佳沥青用量和± 0.5 对于混合1和混合2 ）以及8个档次粘结剂含量被使用（ PG 70-34 ， PG 70-28 ， PG 70-22 ， 64-34 PG ， PG 64-28 ， PG64-22 ，PG 58-34 ， PG和58-28 ） ，示于表1 。附加7也为进一步的测试和评估混合料的领域（表2） 。图 1。集料级配 （后阿布阿卜杜等人 30）。样品制备和测试安装程序样品制备所有样品均在严格控制的实验室条件下压实。样品使用Servopac旋回压实压实了一些回旋的制作标本4 ±1的空气空隙。压实圆柱试样切成4半圆的标本，那就是每个样品成了半圈波束图，如图所示。 2，样品缺口12.7 ， 25.4和31.8毫米缺口深度对评估不同深度的槽口裂纹扩展及其对疲劳试验效果评价样品。要获得混合测试动态模量，标本压实需要达到175毫米高，标本存留9 的空气空隙。然后芯和锯要获得直径100毫米和150毫米高的标本与7 的空气空隙。早期的研究1 ， 3134已经表明，半圆形缺口弯曲（ SCNB ）测试装置，可有效地用于测量断裂和疲劳性能。另外，用实施Superpave混合料设计方法，利用率由该Superpave旋转产生的压实样品压实机（ SGC ）是首选的路面产业，因为旋回压实样品更容易编写，和压实方法的开发是为了模拟实际压实现场更一致。因此，决定在此研究中使用半圆形横梁。静态半圆缺口弯曲（ SCNB ）测试半圆形梁是在3点测试设置间距测试为120mm两辊支架之间。一个MTS 810机和Flex测试SE版本5.0 Ç 2299系统中使用的应用负载到样品上。一个坡道负载恒定的垂直0.075mm/minute的变形率使用 1 ， 35 。循环半圆缺口弯曲（ SCNB ）测试疲劳试验，以评估循环和静态之间的关系测试包括循环加载在1赫兹的装载次数，和0.075mm/minute的负荷率。所施加的负载范围为约3060的静态最大强度。在GMM ：混合料理论最大比重，AV ：空隙率，铅：含胶率，GB：粘结剂比重，GSB ：集料的体积比重和GSE ：集料有效比重。 标本失误而导致识别的过渡被定义测试样品的弹性和塑性行为之间的点，在其中最大和最小之间的不均匀峰间隔加载波可以观察到 34 。在此研究中，测试实验是在室温下进行，为了减少温度的影响，这两个测试都是在室温下进行的（ 21）用图中所示的测试设置，这个温度被选为代表温度为所有混合料，由于Superpave混合料的设计，决定了疲劳阻力位在粘结剂牌号的中间温度范围。动态模量（ | E * | ）测试作为每AASHTO TP 62-03 36 进行实验，这由施加单轴正弦压应力到的无侧限HMA圆柱试样并测量使用3的LVDT安装的中间对应的应变标本。动态模量试验是用进行21° C和1赫兹的加载频率下，以匹配循环SCNB测试的加载条件。 数据分析疲劳模型测试的一个总数一共有426项，既单调和疲劳作为这项研究的一部分进行的。这些426项测试， 包括212种单调和214种的疲劳试验。测试结果平均每个测试条件，代表实际的结果;这些结果表明，结果后面一类似的趋势，疲劳（循环）结果。因此，使用静态SCNB试验是一种简单和简短的测试，并通过将其结果在一个模型中，我们可以排列组合和决定这将是更好的使用。基于静态断裂试验评估疲劳寿命结果，统计分析，用于开发疲劳模型。三种模式与单调断裂试验结果疲劳寿命被开发和使用进行评估这项研究的数据。这些模型的目的不是要取代疲劳寿命的评估，使用的机械估计经验路面设计指南，而是作为一个初始评估路面结构疲劳寿命的方法。因此，路面结构各种混合的疲劳寿命，而无需使用比较昂贵且耗时的疲劳试验图。3，断裂韧性测量*与预测断裂韧性*(模型一) 图。 4，测量U * / T与预测U * /吨（ II型）图。 5，测得的Nf与预测NF（ III型） 。模型一：循环应力强度因子模型（ KIC * ）广泛使用的沥青研究所模型（公式（4）被用作基地建立一个模型来估计循环应力强度因子（KIC * ），是从疲劳试验计算。使用灵敏度分析，结果发现，最终静态（单调）负载功率（Pmax ）和动态模量相同的负载应用程序（ | | E * ）频率给循环测试可以被有效地利用来估计断裂韧性* 。该模型是在方程描述。 （5）具有0.7597的R 2为图。 3 ，和Se /等于0.4902 。其中，NF：负载应用的故障数，T ：在柏油混合物层的底部的拉伸应变，并| E * | ：沥青混合料动态模量。其中, 疲劳断裂韧性*:应力强度因子(循环)测试(MPa.m0.5), Pmax:终极单调(断裂)负载(N),和 | E * |:沥青混合动态模量在1赫兹(MPa)。模型：循环应变能模型（U * / T）按照同样的方法，因为模型I ，沥青协会模型（公式（4）被用作基础来估算循环应变这是用确定的单位厚度（U * / t）的能量疲劳试验。使用敏感度分析，结果发现，应变使用单调试验确定每单位厚度（U /吨）能源，动态模量（ | E * | ）在同一负载的应用频率循环试验和样品'空气空隙可以被有效地利用，以估计U * /吨的0.8079的R 2 （图4）和Se /施等于0.4383 。该模型示于方程（6） 。其中，U * /吨：每单位厚度的循环应变能U / T：单调的应变能单位厚度| E * | ：在1Hz （兆帕）沥青混合料动态模量和AV ：沥青混合料样品的空隙。模式三：循环失效数（NF ）假设在单调测试的总应变能大多消退，对范戴克的模型进行了修正，以符合如式所示的假设。 （8） 。这个模型具有0.7343的R 2为示于图5 ，和Se /施等于0.5155 。图。 6，可视化科学图形分析模型I和II 。敏感性分析任何灵敏度分析的第一步是确定的该模型的变量的概率分布。分布在这项研究中的变量进行均值确定和使用确定变量的标准偏差。生成龙卷风图的参数（EQS。5 6。模型III排除了由于模型的一个变量，它将显示等于1的绝对值，因此不能被用于可视化视图分析。基于在模式I和II的均值和标准偏差。 结果说明（图6），在建立的模型，模型II表明其预测的最佳的灵敏度（值0.3330.5。此外，它被发现的动态模量（E * | |）和空隙有负相关关系（负）和它们之间的U / T（模型II），其中Ut，Pmax具有正向关系（正）。负相关关系模型的变量和预测值意味着高变低预测值将反之亦然。使用相同的数据点集先前生成的，极端状态尾部分析对三个模型进行了。预测值按降序排列，一个可靠的输出，左和分布的右尾进行了评价。然后为所有变量的测定方程（3），结果如表3所示。不像可视化图结果（图6），被发现模型的我，| E * |对KIC *极端值高的贡献（I型）和| 0.5 |。然而，| E * |有无贡献U * / T的极端值（模型）与| 0.5 |。此外，它是发现Pmax对KIC *极端值没有贡献（I型）与低。此外，U / T模型和模型，整体的结果表明T是最影响因素的U / T和NF-B的预测。摘要本研究的目的是调查的可能性评价沥青的疲劳寿命混合使用简单骨折测试（即半圆缺口弯曲（ SCNB ）测试） 。一共有426项测试中，两个单调（断裂）和环状（疲劳）分别为作为这项研究的一部分进行的。这些测试， 有212项单调和214项的疲劳试验。结果表明，断裂（单调）的结果也出现了类似的趋势，疲劳（循环）结果。基于这些发现，使用开发了三种型号传统的统计分析。我们发现模式，是基于应变能有更好的预测疲劳寿命沥青混合料。另外，灵敏度分析进行进一步评估开发的车型。可视化图和极端状态尾部分析表明，疲劳寿命预测是极其由单调获得的应变能参数敏感SCNB测试。这些模型被开发不更换疲劳寿命的评估，用传统方法估计，但作为路面结构疲劳寿命进行初步评估。因此，各种混合料路面结构疲劳寿命可以相比，且无需使用昂贵且耗时的疲劳测试。