[机械电子]路面材料的力学性能
路面材料力学性能
• 沥青面层的疲劳寿命主要取决于材料所受到的 最大拉应变值。一般来说沥青含量多，针入度 低和空隙少的密实型沥青混合料对疲劳开裂的 抵抗能力强，使用寿命长。 • 沥青混合料有控制应力和控制应变两种方法。 • 常用疲劳方程形式为：
• 蠕变模量试验用于分析路面的车辙量， 而复数模量和回弹模量用于以弹性理论 为基础的路面结构分析。
• 沥青混合料的劲度除了主要受温度和加 荷时间影响外，还与沥青含量，沥青劲 度，集料数量，集料的类型，形状，结 构和级配，混合料的空隙率，侧移条件 等因素有关。
• 沥青混合料的抗剪强度可由三轴压缩试验获得， 并常用摩尔—库伦强度理论分析强度构成，用 于检验在较大水平力作用下，沥青面层是否会 因抗剪强度不足而出现推移等破坏。
• 影响水硬性混合料强度和模量的因素有 结合料的含量和活性，集度的组成，拌 制均匀性和压实程度以及龄期。随着龄 期增长，水硬性混合料的强度和模量有 明显增大趋势，其中石灰稳定类的增长 速率高于水泥稳定类和水泥混凝土的增 长速率。
• 沥青路面的低温缩裂，高温推挤，水泥 混凝土的翘曲变形，胀曲与路面材料的 热学性能有关。
沥青混合料
• 沥青混合料的应力—应变与温度和荷载作用时 间有关。在低温时，沥青混合料呈现弹性，在 常温和高温时，则变为弹-黏性或弹-黏-塑性 体。沥青混合料在给定温度T和加荷时间t的应 力—应变特征用劲度表示即： •
S t ,T (
) t ,T
沥青混合料的劲度常用测 定方法
• 1.蠕变模量试验 • 2.动态模量试验 • 3.回弹模量试验
第五章 路面材料的力学特性分析
当重复应力低于此值时，材料可经受无限多次的作用而不 出现破坏。研究疲劳特性的主要目的是探索提高疲劳强度， 延长路面使用年限，为路面设计提供参数。
施加重复应力来进行。 将重复弯拉应力σr与一次加载得出的极限弯拉应力σf（抗
折强度）值之比成为应力比。绘制应力比σr\σf与重复作用 次数Nf的半对数坐标关系曲线，称为疲劳曲线，如图5-5 所示。
第五章 路面材料力学特性分析
由图5-5所示的疲劳曲线，可发现如下规律： ①随着应力比的增大，出现疲劳破坏的重复作用次数Nf降低。 ②相同重复应力级位时，出现疲劳破坏的作用次数Nf变动 幅度较大，但其概率分布近似服从对数正态分布。这说明要 得到可靠的代表值必须进行大量的试验。 ③当作用次数达到Nf=107次时，应力比σr\σf=0.55，尚未发现 有疲劳极限，当应力比σr\σf＜0.75时，反复应力施加的频率 对试验结果的影响很微小。 通过回归分析可得应力比和作用次数关系的疲劳方程:
（二）水泥混凝土与无机结合料稳定类材料的变形特性
水泥混凝土及无机结合料稳定类材料，成型并养护一定的龄期 后具有一定的强度，这类材料的变形特性研究，常用的试验方 法有：圆柱体压缩试验、三轴压缩试验以及小梁弯曲试验等。
水泥混凝土的应力-应变关系曲线，在应力级位为极限应力的 50%以内时，可近似按线弹性性状考虑，用弹性模量表征。
此外，增强混合料拌和均匀性及压实密度，增加矿粉含量， 都有助于提高其抗拉强度。而在低温（负温）下，其强度 随各影响因素变化的规律略有不同。
劈裂强度试验也可用于测定水泥混凝土和无机结合料稳定 类材料的劈裂（间接抗拉）强度。
路面材料力学性能的研究与应用
路面材料力学性能的研究与应用引言：路面材料是人们日常生活中不可或缺的一部分，它直接关系着人们出行的舒适度和安全性。
因此，探索和研究路面材料的力学性能对于改善道路质量、提高交通流效率和降低交通事故率具有重要意义。
本文将介绍路面材料力学性能的研究与应用，探讨其在道路工程中的重要性。
一、路面材料力学性能的研究1. 路面材料的力学性质路面材料的力学性质包括强度、刚度、变形性能等方面。
强度指材料抵御外部载荷作用下变形或破坏的能力；刚度是指材料在外力作用下的变形量与外力的关系；变形性能是指材料在受力时的侧向变形、纵向变形和损伤行为。
对这些性质进行深入研究可以为改善路面质量提供依据。
2. 路面材料测试方法为了准确测量路面材料的力学性能，采用了许多测试方法，如驱动试验、反射衰减率测量试验、刚性板弯曲试验等。
通过这些测试方法可以获得路面材料的强度、刚度和变形性能等重要参数，进一步指导道路工程的设计和施工。
3. 路面材料力学性能与环境因素的关系路面材料的力学性能与环境因素之间存在紧密的关联。
例如，温度、湿度和紫外线辐射等因素会对路面材料的力学性质产生影响。
因此，研究路面材料在不同环境条件下的力学性能变化规律，为适应不同地区的道路建设提供科学依据。
二、路面材料力学性能的应用1. 路面设计路面设计是基于材料力学性能的理论基础之上进行的。
通过深入研究路面材料的力学性能，结合交通流量、道路类型和环境因素等信息，可以在保证道路安全和舒适性的前提下，合理选取路面材料的类型和厚度。
2. 道路施工路面材料的力学性能不仅影响着道路的使用寿命，还影响着施工工艺和质量。
在道路施工过程中，需要根据路面材料的力学性能选择合适的施工方法和材料，确保道路的耐久性和平稳性。
3. 路面维护与养护路面的力学性能会随着时间的推移而逐渐退化，因此路面的维护与养护是道路运营管理中不可或缺的一环。
通过根据路面材料的力学性能变化情况及时进行维修和养护，可以延长路面的使用寿命，提高路面的可靠性和安全性。
半柔性路面材料性能分析
半柔性路面材料性能分析半柔性路面材料是一种介于柔性路面和刚性路面之间的路面材料，它具有硬度和柔软度的双重特性，能够兼顾柔性路面的弹性和刚性路面的耐久性，因此在道路建设中得到了广泛应用。
本文将对半柔性路面材料的性能进行分析，包括其物理性能、力学性能和耐久性能，以便更好地了解和应用这种新型路面材料。
一、物理性能1. 密度：半柔性路面材料的密度一般在柔性路面和刚性路面之间，通常为1.5-2.2g/cm3，这种介于柔性和刚性之间的密度可以在一定程度上平衡路面的弹性和耐久性。
2. 吸水性：半柔性路面材料一般具有较好的抗水性能，其吸水率较低，能够有效防止路面变形和龟裂，提高路面的使用寿命。
3. 耐磨性：半柔性路面材料的耐磨性较好，能够在长期交通负载下保持较好的表面平整度和摩擦系数，减少交通事故的发生。
二、力学性能1. 强度：半柔性路面材料一般具有较高的抗拉强度和抗压强度，能够有效承受交通载荷和自然环境的影响，保持路面的稳定性和耐久性。
2. 弹性模量：半柔性路面材料的弹性模量介于柔性路面和刚性路面之间，具有一定的变形能力和恢复能力，能够有效减缓交通载荷对路面的影响，提高路面的舒适性和安全性。
3. 粘结性：半柔性路面材料与基层之间的粘结性较好，能够有效防止材料之间的剥离和开裂，保持路面的整体性和稳定性。
三、耐久性能2. 抗冻融性：半柔性路面材料在寒冷地区也能够保持较好的性能，能够有效防止因冻融循环引起的路面损坏和裂缝。
半柔性路面材料具有介于柔性路面和刚性路面之间的性能特点，具有较好的物理性能、力学性能和耐久性能，能够满足不同道路环境和交通载荷的要求，因此在道路建设中具有广阔的应用前景。
随着科技的不断进步和材料工艺的不断改进，相信半柔性路面材料将会在未来的道路建设中发挥越来越重要的作用，为我们的出行提供更加安全、舒适的道路环境。
路面材料力学性能
θ为主应力之和
1 2 3 1 2 2 3 3
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：
Er
f1
f2 3
荷载-弯沉关系
随着荷载（弯沉）的增大，模量在增加
P 破坏点 l
设计中的考虑
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
5、疲劳特性：与寿命有关，与荷载作用次数有关
6、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）、自然 老化、抗紫外线。
二、颗粒材料的工程性质
1 强度来源
2 应力应变关系
3 变形累积
4 泊松比
1、强度来源
强度来源
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。
低应力为零：常用方式，沥青路面方式 低应力>零：水泥路面方式 低应力<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。
影响变形特性的因素
• 温度、应力和作用时间（加载频率） • 沥青的含量、质量 • 集料特性，包括棱角、破裂面比例，集料表面
纹理、级配等 • 压实度、压实方法
4、泊松比
与沥青含量、温度和集料特性有关，一般 取0.25-0.50。P50。实际上，大部分混合 料的泊松比大于0.50。
2.1-2.2-路基路面材料的力学性质
2.2 土质路基的变形特性和强度指标
试验时采用逐级加载卸载法，每级增加 试验时采用逐级加载卸载法，每级增加0.04MPa，待卸载稳定 ， 1min后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载，回弹变形超过1mm时 后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载，回弹变形超过 后读取回弹弯沉值 时 停止加载。按规定取 以内的测点用线性归纳法整理， 停止加载。按规定取=1mm以内的测点用线性归纳法整理，并取 以内的测点用线性归纳法整理 D=30cm（相当于BZZ-100）。则 （相当于 ）。则 ）。
偏应力 σ 1 − σ 3 的大小对路 基土回弹模量影响较大。 基土回弹模量影响较大。 粘性越小的土这种影响就越 粘性越小的土这种影响就越 越小 大。所以，对砂性土和碎、 所以，对砂性土和碎、 砾石土路基提高侧限和 砾石土路基提高侧限和增强 提高侧限 下卧层的强度对自身承载能 下卧层的强度对自身承载能 力的发挥非常重要。 力的发挥非常重要。
图2-16 土基中应力分布图
γ
—路基土容重，KN/m3。 路基土容重，KN/m3。
2.1 路基受力与路基工作区
2.1.2路基工作区 路基工作区
路基自重应力随深度而增加，车辆荷载应力随深度而减小。 路基自重应力随深度而增加，车辆荷载应力随深度而减小。 当达到一定深度时， 当达到一定深度时，车辆荷载引起的应力与路基自重应力的比值 很小（仅为 很小（仅为1/5-1/10）可忽略不计。该深度以上的区域范围称为 ）可忽略不计。 路基工作区或应力作用区。 路基工作区或应力作用区。 或应力作用区
l=
式中： 式中：
pD 2 π (1 − µ 0 ) E0 4
（2-21） ）
土基顶面垂直回弹变形， 土基顶面垂直回弹变形 即回弹弯沉； l —土基顶面垂直回弹变形，即回弹弯沉；
路面力学基本概念
路面力学基本概念路面力学基本概念路面力学是研究路面结构和性能的一门科学，它主要涉及到路面材料的特性、路面结构的设计和施工以及车辆与路面之间的相互作用等方面。
本文将从以下几个方面详细介绍路面力学的基本概念。
一、路面材料的特性1.1 路面材料的种类根据不同的用途和要求，路面材料可以分为沥青混合料、水泥混凝土、碎石等多种类型。
其中，沥青混合料是最常见的一种，其主要成分为矿物骨料、沥青和填充剂。
1.2 路面材料的物理特性路面材料有许多重要的物理特性，如密度、抗拉强度、压缩强度等。
这些特性对于确定路面结构设计和施工过程中所需用到的各种参数都非常重要。
1.3 路面材料的化学特性除了物理特性之外，化学特性也是衡量路面材料品质优劣的重要指标。
例如，沥青混合料中所含有的沥青质量、沥青的黏度和软化点等指标都会直接影响到路面的性能。
二、路面结构的设计和施工2.1 路面结构的组成路面结构一般由基层、底基层、底面层、粗碎石层、中间层和面层等多个部分组成。
每一部分都有其特定的功能和作用，对于路面性能的提升都起着至关重要的作用。
2.2 路面结构设计原则在进行路面结构设计时，需要考虑到多种因素，如交通流量、车辆类型等。
同时，还需要根据不同地区气候条件来确定适合该地区的路面材料和结构类型。
2.3 路面施工过程路面施工过程包括材料采购、设备调试、基础处理、材料铺设等多个环节。
在每个环节中，都需要严格遵守相关规定和标准，以确保施工质量符合要求。
三、车辆与路面之间的相互作用3.1 车辆荷载对路面产生的影响车辆荷载是影响路面性能最直接也最重要的因素之一。
车辆经过路面时，会对路面产生压力和摩擦力，从而导致路面的变形和损坏。
3.2 路面对车辆行驶的影响路面对车辆行驶也有着重要的影响。
例如，路面表面的平整度、摩擦系数等因素都会直接影响到车辆的行驶稳定性和安全性。
3.3 路面维护与管理为了保持路面良好的性能和使用寿命，需要进行定期维护和管理。
这包括检查路面状况、清理杂物、修补损坏部位等多个方面。
路面材料的力学性能
动态模量： E * 0 0
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、 (t)反映了材料的流变特性，对弹 性体，相位差为“0”
回弹模量
回弹模量定义为
Er
r
测试方法有三种，见P49图。
注意： r与上面蠕变试验中ε（t）的区别；
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 度不是唯一的标准。 • 级配一般采用骨架-填充结构
2、三轴压缩状态下的应力-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，
1、强度特性
• 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
上，黏结力和内摩擦力提供了各种强度。 • 测试方法 • 三轴压缩试验，P45图5-2 • 梁式试件，4点加荷法，三分点加荷试验，P45图5-2 • 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
5、参考值域
水泥土：E=（0.7-7）*1000Mpa， μ=0.15-0.35
水泥稳定碎石：（7-28）*1000Mpa， μ=0.15-0.20
6、变形特性
累计永久变形忽略不计
7、疲劳特性
概念
• 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 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。 疲劳设计是路面设计的重要概念，是路面设计的重要 特点。
4路基路面材料组成及其力学特性
4路基路面材料组成及其力学特性因而，表征其应力一应变关系的回弹模量值Er随偏应力盯。
（巧，一国）的增大而增大，随侧限应力仃。
的增大也增大，但侧限应力的影响要比黏性土的情况大得多。
根据大量试验结果，碎（砾）石材料，由三轴试验所得到的回弹模量值可用下式表示：E，= k10h2 (MPa) (4-3)式中0-主应力之和(kPa)，三轴试验中，臼一巩+ 2C13一鳓+30'3；尼，，走。
——同材料性质有关的系数，由试验确定。
图4-12所示为某碎石集料的试验结果。
由回归分析可得到，忌，一3. 77，尼。
一0.71。
一般情况下，碎石集料的ki变动于7.0～15.7之间，k2变动于0.46 --0. 64之间。
除了受应力状况的影响外，碎（砾）石材料，的模量值同材料的级配、颗粒形状和密实度等2景≥468a3/MPa0.3 0.4 △盯图4-11颗粒材料的应力应变关系曲线┏━┳━━━━┳━━━┳━━━━┳━━━┳━┳━━━┓┃┃┃┃┃┃┃埕矿┃┣━╋━━━━╋━━━╋━━━━╋━━━┻━╋━━━┫┃┃Er ┃-3.77 ┃0071 ┃≮萝┃┃┣━╋━━━━╋━━━╋━━━━╋━━━┳━╋━━━┫┃┃┃┃、名季┃0苫、┃┃┃┣━╋━━━━╋━━━╋━━━━╋━━━╋━╋━━━┫┃┃∥┃∥┃o ┃┃┃┃┣━╋━━━━╋━━━╋━━━━╋━━━╋━╋━━━┫┃┃┃┃┃┃┃┃┗━┻━━━━┻━━━┻━━━━┻━━━┻━┻━━━┛00因素有关，其在100～700 MPa范围内变动。
图4-12碎石集料的回弹模量Er随主应力之通常，密实度越高，模量值越大；颗粒棱角多者和o变化的试验曲线有较高的模量；当细料含量不多时，含水量的影响很小。
村料的泊松比取决于主应力比或偏应力鳓与平均法向应力户（一0/3）的比值，其值随鳓/p的增加而增加；设计计算时，可近似取用0.30 --0. 35。
设计路面结构时，碎（砾）石材料模量值的取用较为复杂。
沥青路面材料的力学性能耐久度及质量控制
沥青路面材料的力学性能耐久度及质量控制沥青路面是一种常见的道路建设材料，具有良好的力学性能和耐久性。
它由矿料（如石子、沙子等）和沥青混合而成，经过适当的加热和混合后，形成一种坚固、柔性的路面材料。
沥青路面材料的力学性能、耐久度以及质量控制对于保障道路的使用寿命和安全性至关重要。
首先，沥青路面材料的力学性能是指其在外力作用下的表现。
力学性能主要包括抗压强度、抗剪强度、弹性模量和塑性变形等指标。
抗压强度是指材料在承受垂直压力时的抵抗能力，主要取决于石子的强度和沥青的粘合性能。
抗剪强度是指材料在承受切割力时的抵抗能力，对于沥青路面来说，主要是指沥青层的抗剪强度。
弹性模量是指材料在应力作用下发生弹性变形的能力，对于沥青路面来说，主要是指沥青层的弹性模量。
塑性变形是指材料在承受应力时发生的不可逆变形，对于沥青路面来说，主要指沥青层在高温下的塑性变形。
其次，沥青路面材料的耐久度是指其在环境条件和交通荷载的作用下能够长时间保持良好的使用性能。
耐久度主要受到材料的老化、疲劳和变形等因素的影响。
老化是指沥青材料在长期暴露在太阳光、空气和水分的作用下，发生物理、化学和结构变化的过程。
疲劳是指材料在交通荷载的作用下，反复承受应力变化而导致的损伤和破坏。
变形是指沥青层在交通荷载作用下的不可逆变形，它会导致路面的坑洞、裂缝和变形等问题。
最后，沥青路面材料的质量控制是保证路面工程质量的关键。
质量控制主要包括原材料的选择和测试、生产过程中的质量监管以及施工质量的检验等方面。
原材料的选择和测试是保证沥青路面材料性能的基础，包括石子的粒径分布、含水率和石子和沥青之间的粘附性等指标。
生产过程中的质量监管主要包括沥青的熔化、混合和搅拌等工艺的控制，以保证沥青和矿料的均匀分布和充分贴合。
施工质量的检验主要包括路面的平整度、厚度、密实度、抗滑性和水密性等指标的检测，以保证沥青路面工程的质量。
综上所述，沥青路面材料的力学性能、耐久度及质量控制对于保障道路的使用寿命和安全性具有重要意义。
路面材料的力学性能课件
弹性模量与刚度
弹性模量是描述材料在弹性变形 阶段应力与应变之间关系的物理 量，如杨氏模量、剪切模量等。 刚度是结构或构件在受力时抵抗
变形的能力。
弹性力学基本方程
平衡方程
描述物体内部应力分布的平衡条件，如静力学方程，表示物体在 不受外部力作用时内部应力的平衡状态。
本构方程
描述材料应力与应变之间关系的方程，如胡克定律，表示在弹性范 围内应力与应变成正比。
应变硬化
材料在塑性变形过程中，随着变形的增加，材料的抵抗能力也相 应增强的现象。
塑性力学基本方程
1 2
屈服条件
描述材料进入塑性变形状态的应力条件，常用的 有Tresca屈服条件和Mises屈服条件。
流动法则
描述材料在塑性变形过程中应变增量与应力状态 之间的关系，常用的有Levy-Mises流动法则。
流变性质
研究材料在应力作用下的 变形和流动性质，对于路 面材料粘性力学的理解至 关重要。
粘性力学基本方程
Navier-Stokes方程
01
描述粘性流体运动的基本方程，考虑了惯性力、压力和粘性力
的作用。
粘度与剪切速率关系方程
02
描述材料粘度如何随剪切速率变化的方程，对于非牛顿流体尤源自为重要。连续性方程
B
C
D
材料选择与优化设计
介绍了如何根据具体工程环境和需求，选 择合适的路面材料并进行优化设计，以提 高路面的承载能力和使用寿命。
影响因素探讨
深入探讨了温度、湿度、荷载等外部因素 对路面材料力学性能的影响。
当前研究的热点问题与前沿动态
环保型路面材料 研究
随着环保意识的日益增强， 如何开发出性能优异、环保 可持续的路面材料已成为当 前研究的热点。例如，废旧 轮胎橡胶改性沥青、工业废 渣再利用等方向具有广阔的 应用前景。
路面材料的力学性质
第八章路面材料的力学性质(三) 本次研究主要成果参加此专题研究的有七个省、四院校，共计十一个单位，重点对十种半刚性材料和沥青混合料进行了测试和研究工作，根据这些资料汇总取得下列成果。
1、半刚性材料龄期与强度模量、龄期的增长规律将全国资料汇总分析，总结了石灰土、二灰土、二灰碎石，水泥粉煤灰碎石、水泥碎石、水泥砂砾、水泥石粉煤灰砂砾、石灰水泥碎石等几种半刚性材料的抗压强度R、抗压模量E、劈裂强度ζ、劈裂模量E随龄期(日)d而增长的规律，它们之间具有良好的直线型或幂函数关系，以幂函数的相关性更好。
表6-1、6-2汇总了半刚性材料ζ～d、E～d的相关关系。
表6-3、6-4表示了水泥碎石、二灰碎石的E～d、R～d、E～d、ζ～d的增长规律。
由表可知，水泥碎石的力学参数在28天时，平均可达到180天的54%，90天平均可达到80%；二灰碎石的力学参数在28天仅平均达到38%，90天平均达到64%，由此可见原规范对水泥碎石采用90天的龄期，二灰碎石力学参数初期增长缓慢，为充分发挥材料的潜力，采用180天龄期是合理的。
水泥碎石90天龄期的抗压强度E、R可达到180天的E、R的80%和88%，而劈裂参数E、ζ却为78%和72%，二灰碎石90天龄期的抗压参数E、R可达到180天的70%，而劈裂参数E、ζ仅达到56%和59%。
所以，劈裂参数比值多数较抗压参数比值低。
表6-1-1 半刚性基层材料劈裂强度ζ～d增长规律表6-1-2 半刚性基层材料劈裂强度ζ～d增长规律表6-2-1 半刚性基层材料抗压模量E～d增长规律表6-2-2 半刚性基层材料抗压模量E～d增长规律表6-3 水泥碎石表6-4 二灰碎石2、半刚性材料参数汇总及变异性分析表6-5汇总了全国十个单位测试的各种半刚性材料设计参数——抗压强度R、抗压模量E、劈裂强度δ。
将表6-5的各种半刚性材料按力学指标——R，E，ζ，E并按大小进行排列，分别计算其平均值，均方差，按98%的保证率计算代表值，并将排列序号相加得到合计分，分数最少的为第一名，分数最多则在排序为最后。
第五章 路面材料的力学特性分析
第五章 路面材料的力学特性分析
第一节 第二节 第三节 强度特性 疲劳特性 变形特性 变形特性
第一节
强度特性
强度是指材料达到极限状态或出现破坏时所能承 强度是指材料达到极限状态或出现破坏时所能承 受的最大荷载（或应力）。 受的最大荷载（或应力）。 路面材料可能出现的强度破坏通常为： 路面材料可能出现的强度破坏通常为：①因剪切 应力过大而在材料层内部出现沿某一滑动面的滑 移或相对变位； 移或相对变位；②因拉应力或弯拉应力过大而引 起的断裂。
沥青混合料的粘结力取决于许多因素： 沥青混合料的粘结力取决于许多因素：
1．沥青的粘度：粘度越高，混合料粘结力也越大。 沥青的粘度： 下图为沥青针入度同粘结力的试验关系： 下图为沥青针入度同粘结力的试验关系：
2．沥青用量：过少时，不足以充分涂敷矿质颗粒， 沥青用量： 用量过多时，又将使颗粒被挤开，两种情况都会 使粘结力降低。因而，存在一最佳沥青用量，使 粘结力达到最大，如图： 粘结力达到最大，如图：
1、碎、砾石混合材料在重复应力作用下的变形累积规律 砾石混合材料在重复应力作用下的变形累积规律 同细粒土相似。 同细粒土相似。 2、级配良好的颗粒材料在偏应力较小时，随着重复作用 良好的颗粒材料 次数N的增加而累积的永久应变值会逐渐趋于稳定，此值 的增加而累积的永久应变值会逐渐趋于稳定，此值 同的大小有关：但偏应力较大时，则 同的大小有关：但偏应力较大时，则永久应变随作用次数 不断增长，直到破坏，见下图： 不断增长，直到破坏，见下图：
2、沥青混合料温度越高、作用应力越大和总加荷 、沥青混合料温度越高、作用应力越大和总加荷 时间越长，永久应变的累积量就越大。 时间越长，永久应变的累积量就越大。密实型沥 青碎石混合料的变形累积如图: 青碎石混合料的变形累积如图:
交通运输工程中的路面材料力学特性研究
交通运输工程中的路面材料力学特性研究引言：交通运输工程中的路面材料力学特性是指路面材料在受力状态下的力学特性，包括强度、变形、疲劳和耐久性等。
研究这些特性有助于提高道路的承载能力和使用寿命，保障道路交通的安全和顺畅。
一、路面材料力学特性的重要性路面是交通运输工程中最基础的组成部分，承担着车辆荷载的传递和分担等任务。
因此，路面材料的力学特性对道路的功能和性能有着重要影响。
首先，了解路面材料的强度特性对道路的承载能力评估至关重要。
强度是指路面材料抵抗外力破坏的能力，需要经过多种力学试验来确定。
准确评估路面材料的强度有助于选择适合的材料，提高道路的承载能力，避免出现车辆过重或载货过多造成的路面损坏。
其次，路面材料的变形特性也是研究的重点之一。
路面在受到车辆荷载作用时，会发生不同程度的变形。
通过研究路面材料的变形特性，可以了解其承载能力和稳定性，进而优化路面结构和设计，提高路面的耐久性和使用寿命。
最后，路面材料的疲劳特性研究对交通运输工程的安全和可靠性具有重要意义。
长期受到车辆荷载的作用，路面材料容易发生疲劳破坏，导致路面龟裂和断裂。
因此，了解路面材料的疲劳特性，有助于预测和预防疲劳损伤，提高道路的可靠性和安全性。
二、路面材料力学特性研究方法在交通运输工程中，研究路面材料力学特性的方法多种多样。
其中，最常用的方法是实验研究和数值模拟。
实验研究是研究路面材料力学特性的主要手段之一。
通过采集路面材料的样本，进行拉伸、压缩、折断等试验，得到材料的强度、变形和疲劳等数据。
实验研究的优点是直观、可靠，能够获得具体的力学特性参数。
不过，实验需要耗费时间和资源，且受到试验条件的限制。
数值模拟是近年来兴起的一种研究方法。
通过建立数学模型和计算模拟，对路面材料的力学特性进行分析和预测。
数值模拟的优势在于快速、高效，能够模拟大量复杂的力学行为。
然而，数值模拟也需要准确的材料参数和边界条件，否则结果可能存在误差。
三、路面材料力学特性的相关研究随着交通运输工程的发展，对路面材料力学特性的研究也在不断深入。
水泥混凝土路面的力学特征(一)
水泥混凝土路面的力学特征(一)水泥混凝土路面的力学特征引言•路面是交通运输的基础设施之一，其质量直接影响了交通的安全与效率。
•水泥混凝土路面作为常见的路面材料之一，具有良好的耐久性和承载能力。
原材料•水泥：作为主要胶结材料，水泥参与了混凝土的硬化过程。
•骨料：用于填充水泥中的空隙，增加混凝土的强度和稳定性。
•砂：作为骨料的一种，砂的粒度与骨料互相补充，提高混凝土的流动性。
混凝土的制备1.配料：将水泥、骨料和砂按一定比例进行配料，以保证混凝土的质量。
2.搅拌：通过搅拌设备将配料充分搅拌均匀，形成混凝土浆状物。
3.浇筑：将混凝土浆状物倒入模具或路面，进行初步成型。
力学特征压缩强度•水泥混凝土具有较高的抗压强度，能够承受来自车辆、行人等各种静力和动力荷载。
•压缩强度可通过压力试验进行测量，用于评估路面的承载能力和耐久性。
抗拉强度•尽管水泥混凝土在抗拉方面相对较弱，但其足够满足路面施工和使用的要求。
•抗拉强度可通过拉伸试验进行测量，用于评估路面在受拉应力下的变形和破坏情况。
疲劳性能•水泥混凝土路面需要具备良好的疲劳性能，即在反复荷载的作用下不易发生破坏。
•疲劳性能可通过循环试验进行测试，用于评估路面在长时间运输中的耐久性。
抗冻性能•水泥混凝土路面应具有较好的抗冻性能，以保证在低温环境下不易破裂和龟裂。
•抗冻性能可通过冻融试验进行测定，用于评估路面在寒冷地区的适应性。
抗滑性能•水泥混凝土路面需要具备良好的抗滑性能，以防止车辆在行驶过程中出现侧滑等不稳定情况。
•抗滑性能可通过湿滑试验进行测量，用于评估路面在湿润条件下的安全性能。
结论•水泥混凝土路面具备较高的压缩强度和耐久性，适用于大部分公路和城市道路。
•进一步的研究和提升水泥混凝土路面的力学特征，将有助于改善交通运输的效率和安全性。
(整理)沥青路面的力学性质
第六章 沥青路面的力学性质5.弹性层状体系理论的基本假定如何？作用的外荷载是如何假定的？ 假设：1）均质、各向同性的线弹性材料，可用弹性参数E 和μ表征；2）路面结构由多个性能不同的层次组成，在圆形均布荷载作用下，呈现轴对称特性；3）结构最下层为在水平向上无限大，z 方向向下无限深的半无限体，且无限深度处的应力和位移为零；其上各层在水平向上无限大，z 方向有一定厚度的层次；4）层间接触条件——连续体系、滑动体系、半连续体系；荷载的简化——圆形均布荷载6.已知单圆荷载15,0.7cm p MPa δ==，土基回弹模量为40MPa 。
路面回弹模量为300MPa ，路面厚25cm ，求荷载作用中心处的弯沉值。
0140250.13,0.833002215E h E δ====⨯ 查图得：00.34W =000220.7150.340.18840p W W cm E δ⨯⨯==⨯=7.8.已知某三层体系结构上作用双圆荷载10.65,0.7cm P MPa δ==，面层材料回弹模量为800MPa ，基层材料的回弹模量500MPa ，路基回弹模量为45MPa ，请按本章学习的内容，计算轮隙中心处的表面弯沉和面层、基层地面的主拉应力。
12,h h δδ==021*******.63,0.09800500E E E E ==== 查表得：01213,,W σσ==000121213132p W W E p p δσσσσ======9.根据本章所作的应力、应变和位移状况分析：（1）（2）基层或面层的厚度和刚度对路基路面顶面竖向应力的影响如何？增加面层或基层的厚度或模量可减小路基顶面压应力，但增加模量比增加厚度更为有效。
（3）（4）是否基层和面层刚度和厚度主要影响路面弯沉？不是。
路面弯沉主要来源于路基——提高路基的强度、刚度。
（5）什么情况下会在基层底面产生较大的拉应力；面层内出现径向拉应力？基层底面产生较大的拉应力：减少路基模量，减少面层模量、厚度，增加基层模量，减少基层厚度；面层内出现径向拉应力：柔性基层和面层的模量比过低（6）（7）应采用什么措施防止面层材料的剪切破坏。
路面材料的力学特性5
二,水硬性材料的疲劳特性 通过小梁试件的疲劳试验研究其疲劳特性. 通过小梁试件的疲劳试验研究其疲劳特性. 疲劳曲线的规律: 疲劳曲线的规律: 随着应力比的增大,疲劳寿命显著减小; 随着应力比的增大,疲劳寿命显著减小; 同一应力比下,疲劳寿命相差较大, ②同一应力比下,疲劳寿命相差较大,表明实验 结果离散性较大; 结果离散性较大; 疲劳方程的建立,在半对数坐标上, ③疲劳方程的建立,在半对数坐标上,在一定疲 劳寿命范围内,呈现直线形; 劳寿命范围内,呈现直线形; 在作用次数10 次时,应力比0.55, ④在作用次数107次时,应力比0.55,此时未发现 疲劳极限. 疲劳极限. 当应力比<0.75, ⑤当应力比<0.75,重复荷载的施加频率对疲劳寿 命的影响(荷载间歇时间)很微小. 命的影响(荷载间歇时间)很微小.
�
或间接拉伸试验确定. 间接拉伸试验通常采 用劈裂试验.
三 ,抗弯拉强度 用水泥混凝土,沥青混合料以及半刚性路 面材料修筑的结构层,在车轮荷载作用下, 处于受弯曲工作状态.有车轮荷载引起的 弯拉应力超过材料的抗弯拉强度时,材料 会产生弯曲断裂. 弯拉强度大多采用简支小梁试验进行评定.
第二节 疲劳特性
2. 水泥稳定类材料的应力应变特性 单轴试验, 单轴试验,三轴试验以及小梁试验
3.沥青混合料的应力-应变特性 3.沥青混合料的应力- 沥青混合料的应力 蠕变试验
由于沥青混合料中的 结合料— 结合料—沥青具有依 赖于温度和加荷时间 的粘的粘-弹性性状,所以 沥青混合料的应力- 应变特性与上述材料 有很明显的不同.不 能用一个常量弹性模 量来表征沥青混合料 的引力— 的引力—应变特性关 系. 劲度模量
ห้องสมุดไป่ตู้
水泥混凝土疲劳曲线
三,Miner定律 三,Miner定律 各级荷载(应力)作用下材料所出现的疲 各级荷载(应力) 劳损坏可以线性叠加. 劳损坏可以线性叠加.
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强度高达100-170公斤每立方毫米；但 性脆、 韧性差 、怕振 ；这些 缺点， 可通过 刃磨公 道的角 度予以 克服。 因此， 硬质合 金被广 泛应用 车刀
常用车刀种类
1、 尖形车刀 2、圆弧形车刀
3、成形车刀
4、机夹可转位不重磨车刀
5、切槽刀（切断刀）
常用车刀用途
①可转位刀片代码。从刀具的材料应用 方面， 数控机 床用刀 具材料 主要是 各类硬 质合金 。从刀 具的结 构方面 ，数控 机床主 要采用 镶嵌式 机夹可 转
10.数控车床 数控机床是一种通过数字信息，控制机 床按给 定的运 动轨迹 ，进行 自动加 工的机 电一体 化的加 工装备 ，经过 半个世 纪的发 展，数 控机床 已是现 代
制造业的重要标志之一，在中国制造 业中， 数控机 床的应 用也越 来越广 泛，是 一个企 业综合 实力的 体现。 数控车 床是数 字程序 控制车 床的简 称，它 集
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：
n 1 (0.60.9)
理论上，参数α=1
四、 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）
• 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
疲劳方程
常见表达方式：
lgN
f
低应力为零
有高低应力比时的疲劳方程：
(1R)lgN
f
低应力>0
Rc N
R
R
：极限曲率半径，
c
R：曲率半径， N：作用次数。
路面材料的力学性能
引言 颗粒材料的工程性质
稳定类材料 沥青混合料 水泥混凝土 Miner定律-线性疲劳叠加率
一、 引 言
1、路面材料的类型
2、应力-应变特性：模量E，这是主要力学分析参数
3、强度特性：了解其自身的抗力，了解强度的来源
4、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
Eg KE0
3、变形累积
与土的变形累计规律类似 当较小时，趋于缓慢稳定增加 当较大时，急剧增加 随增加，稳定的增加
4、泊松比
一般0.2-0.5，一般取0.25-0.35
三、稳定类材料
1、强度特性
• 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
上，黏结力和内摩擦力提供了各种强度。 • 测试方法 • 三轴压缩试验，P45图5-2 • 梁式试件，4点加荷法，三分点加荷试验，P45图5-2 • 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
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-应变关系
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
不反映侧限力的影响
应力-应变曲线与上图类似，但损坏区的剂量和活性 龄期 集料的类型（土）
，刚性强、精度高、噪音低等特点。
12.仪表车床
仪表车床属于简单的卧式车床，一般来 说最大 工件加 工直径 在250mm以下 的机床 ，多属 于
仪表车床。仪表车床分为普通型、六 角型和 精整型 。这种 车床主 要由工 人手工 操作， 适用于 单件、 简单零 部件的 大批生 产。 编辑本段车刀
车刀是车床加工必不可少的部分。车刀 是由刀 头和刀 杆两部 门组成 。刀杆 一般是 碳素结 构钢制 成。刀 头是担 任切削 工作的 ，所使 用的材 料必需 具
• 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 性（疲劳开裂和低温开裂）
劲度（模量）
定义：
S t ,T
t,T
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， 不耐冲刷
压碎值、性状 与透水性
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
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
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 度与稳定性之间的关系
位刀片的刀具。因此，对硬质合金可 转位刀 片的运 用是数 控机床 操纵者 必需了 解的内 容之一 。
选用机夹式可转位刀片，首先要了 解可转 位刀片 型
号表示规则。按国际尺度ISO 1832—1985，可转位刀片的代码表 示方法 是由10位字符 串组成 的，其 排列如 下在一 般情况 下，第8和9位 的代码 在有要 求
时才填写。此外，各公司可以另外掭 加一些 符号， 用连接 号将其 与ISO代码相 连接(如 一PF代 表断屑 槽型) 。可转 位刀片 用于车 、铣、 钻、镗 等不同 的加
工方式，其代码的详细内容也略有不 同。
②可转位刀片的断屑槽槽形。为满足切 削能断 屑、排 屑流畅 、加工 表面质 量好、 切削刃 耐磨等 综合性 要
备下列三种基本机能： 车刀 1.冷硬性－在常温时的硬度，又名耐磨 性。
2.红硬性－在高温下还能保持切削所需 的硬度 。
3.韧性－能
承受振动和冲击负荷的机能。
高速钢(又名风钢、锋钢或白钢)
高速钢是一种含钨和铬较多的合金 钢。近 年来我 国试制 成功了 B202无 铬高速
钢、B201无钴特种高速钢，B212、B214无钴 超硬高 速钢及 B211、 B213低钴高 机能高 速钢。 节约了 价值昂 贵的稀 有金属 。高速 钢的机 能：硬 度较高 ，
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 裂纹会影响压碎值
级配要求
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 测试采用三轴试验
计算： tg
2、应力-应变关系
测定方法
三轴试验
应力-应变关系
ε
注意：该曲线与土的应力-应变曲线的区别
粒料的模量与 受力状态有关
求，可转位刀片制成各种断屑槽槽形 。 编辑本段车床保养 装夹校正工件时的注意事项
在装夹工件前，必须先把碳在工件中的 砂泥等 杂质清 除掉免 杂质嵌 进拖板 滑动面 ，加剧 导软磨 损或“ 咬坏” 导轨。 在装夹及校正一些尺寸校大、形状复 杂而装 夹而积 又较小 的工件 时，应 预先在 工件下 面的车 床床面 上安放 一块木 制的床 盖板， 同时用 压板或 活络顶 针
不能承受拉应力的作用，可以受压或受剪 切。黏结力为零。
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
颗粒材料的几 种组成状态
骨架结构，不含或很少细料（<0.074）的状态， 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
骨架-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 敏的，取决于填充料；不耐冲刷。三渣多属于这 种结构。
5、疲劳特性：与寿命有关，与荷载作用次数有关
6、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）、自然 老化、抗紫外线。
二、颗粒材料的工程性质
1 强度来源
2 应力应变关系
3 变形累积
4 泊松比
1、强度来源
强度来源
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。
顶住工件，防止它掉下来砸坏车床， 如发现 工件的 位置不 正确或 歪斜， 切忌用 力敲击 ，以免 影响车 床主轴 的精度 ，必须 先将夹 爪、压 板或顶 针略微 松
开，再进行有步骤的校正。 工具和车刀的安放
设计中的考虑
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
2、应力-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。
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
合加工径向尺寸大，轴向尺寸小的零 件，适 于车削 工件外 圆、内 孔、端 面、切 槽和公 制、英 制、模 数、经 节螺纹 ，还可 进行钻 孔、镗 孔、铰 孔等工 艺
，特别适于单件、成批生产企业使用 。马鞍 车床在 马鞍槽 内可加 工较大 直径工 件。机 床导轨 经淬硬 并精磨 ，操作 方便可 靠。车 床具有 功率大 、转速 高
5、参考值域
水泥土：E=（0.7-7）*1000Mpa， μ=0.15-0.35
水泥稳定碎石：（7-28）*1000Mpa， μ=0.15-0.20
6、变形特性
累计永久变形忽略不计
7、疲劳特性
概念
• 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 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。 疲劳设计是路面设计的重要概念，是路面设计的重要 特点。
低应力为零：常用方式，沥青路面方式 低应力>零：水泥路面方式 低应力<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。