基于冲击韧性的钢桥面铺装环氧沥青混凝土疲劳性能设计研究_张顺先
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0 0 δ
δ
J =
∫(
p 0
δ d p － a p
)
这样， 宏观荷载位移曲线就与 J 积分联系起来， 在 弹塑性体中， 试件在外加荷载的作用下， 产生变形后， J 积分可以定量 就会在裂纹处产生一定的应力应变场 ， 地表现这个场的强度。 Bagley 和 Landes 依据大量试验， 认为 J 积分作为 衡量裂纹开裂的参量是适宜的， 从而建立了 J 积分准 则： 当围绕裂纹尖端的 J 积分达到临界值 J C （ 平面应 力） 或 J IC （ 平面应变 ） 时， 裂纹开始扩展。 J C 或 J IC 被成 为 J 积分断裂韧度， 代表材料的抗裂性能， 由于韧度 J IC 可以用势能公式表达出来， 沥青混合料的 J 积分断裂 韧度可以根据下面公式获得 J IC =
于是式（ 3 ） 可简化为： J =－ 从而有 J = －
产生一定的应力并导致相应的应变， 材料在重复荷载 作用下产生疲劳裂纹后， 就会在裂纹处产生一定的应 力应变场。J 积分理论 体也适用。 设有一均质板， 板上含一条贯穿裂纹， 均质板所受 的外力使裂纹周围产生二维应力应变场。 围绕裂纹尖 端取回路 Г， 由裂纹下表面任一点开始， 按逆时针方向 （ 弧长 S 的正向 ） 沿 Г 环绕裂纹尖端行进， 终止于裂纹 上表面任一点， 如图 1 所示。J 积分定义为： J = U ds） ∫ （ Wdy － T x
提出以冲击韧性作为环氧沥青混凝土配合比设计的评价指标 ， 通过试验验证了该指标的可行 学和能量法原理的基础上 ， 并建立起冲击韧性和剩余劲度模量比之间的关系 。研究结 性； 采用剩余劲度模量比来反映环氧沥青混凝土的疲劳性能 ， 果表明， 冲击韧性和疲劳性能之间有良好的线性相关性 ， 采用冲击韧性指标能够有效地评价环氧沥青混凝土的配合比设 该方法操作简单、 快捷、 准确， 为环氧沥青混凝土的设计理论和方法提供一种新的思路 。 计和疲劳性能， 关键词： 环氧沥青混凝土； 疲劳开裂； 断裂力学； 冲击韧性； 配合比设计； 剩余劲度模量比 中图分类号： U416 文献标识码： A
针对 桥 面 铺 装 环 氧 沥 青 混 凝 土 的 疲 劳 性 能， Youtcheff 等［3］采用 ALF 和间接拉伸强度来评价环氧沥 青混凝土的疲劳性能， 刘振清等
［4 ］
采用损伤力学原理
［5 ］
和方法， 从力学近似法角度分析了单纯的沥青混合料 铺装层矩形截面梁疲劳损伤特性； 黄文通等 采用四
基金项目： 国家自然科学基金重点资助项目（ 51038004 ） ； 国家重大科技支 撑计划项目（ 2011BAG07B03 ） ； 中国博士后科学基金（ 20110490092 ） 收稿日期： 2012 － 07 － 24 修改稿收到日期： 2012 － 10 － 14 1984 年生 第一作者 张顺先 男 ， 博士，
3
基于冲击韧性的环氧沥青混凝土配合比设 计评价
振 第 32 卷第 23 期
动
与
冲
击 Vol． 32 No． 23 2013
JOUＲNAL OF VIBＲATION AND SHOCK
基于冲击韧性的钢桥面铺装环氧沥青混凝土疲劳性能设计研究
1， 3 1 张顺先 ，张肖宁 ，徐 1 伟 ，蔡 1 2 旭 ，郝增恒 ，万
（ 1． College of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640 ，China； 2． Chongqing Communications Ｒesearch ＆Design Institute Co． ，Ltd． ，China Merchants，Chongqing 400067 ，China； 3． Henan Zhongyuan Expressway Co． ，LTD，Zhengzhou 451400 ，China）
成
1
（ 1． 华南理工大学 土木交通学院 ， 广州 510640 ； 2． 招商局重庆交通科研设计院 有限公司 ， 重庆 400067 ； 3． 河南中原高速公路股份有限公司 ， 郑州 451400 ）
摘
要： 针对钢桥面铺装环氧沥青混凝土出现的疲劳开裂问题 ， 分析现有设计理论和方法的不足之处 。在断裂力
→ Γ → → ［8 ］
U ， J = － ( ) 。 根据能量守恒原 ( Π a) a
p
可定量地描述裂纹体的应力
试件所接受的变形功或应变能等于外加荷载通过 则， 施加点的位移所做的功， 所以： U = Π = U － Pδ，
δ
应变场强度， 它不仅适用于弹性体， 对小变形的弹塑性
∫ Pdδ J = ∫ ( － P ) d δ 因此， a
［1 ］
荷载的重复作用下就会不断演化发展， 最终形成宏观 疲劳裂 缝， 如果疲劳裂缝进一步发展就会产生疲劳 破坏
［2 ］
。 但随着使用年
。
限的增加和繁重的交通负荷作用， 环氧沥青混凝土桥 面铺装出现了很多病害， 其中最主要的病害是疲劳裂 主要是由于环氧沥青混凝土是非均质 缝。究其原因， 的、 对于温度较敏感的多向性材料， 其内部有很多微孔 隙和微裂缝， 这些材料本身的原始缺陷在温度和行车
［6 ］
点弯曲疲劳试验， 以剩余劲度模量为控制目标， 得出了 疲劳寿命与剩余劲度模量之间的关系； 陈春红等 凝土裂纹扩展阶段的疲劳演化规律； 庞渊
［7 ］
引
入裂纹尖端位移 CTOD 参数研究了钢桥面环氧沥青混 采用小梁
2
振 动 与 冲 击
2013 年第 32 卷
三点应变控制方式对环氧沥青混凝土的疲劳性能进行 了研究， 并分析影响疲劳性能的各种因素 。 纵观已有的相关研究成果可发现， 现阶段环氧沥 青混合料疲劳性能的设计理论还不够完善， 研究手段 有待进一步改进； 有些研究成果只停留在理论假设上， 设计出的沥青混合料疲劳性能不是很理想， 与工程实 际应用有一定得差别。 另外， 现阶段环氧沥青混合料 主要通过马歇尔试验来进行各组分体积 配合比设计， 组成比例设计， 然后通过相关疲劳试验， 研究其疲劳性 能， 采用此种方法设计的环氧沥青混合料并没有把疲 劳性能设计纳入配合比设计之中， 而在实际使用过程 当中环氧沥青混凝土主要表现为疲劳破坏， 因此现有 的设计理论与实际使用情况之间有较大的差别 。 本文在断裂力学和能量法原理的基础上， 提出以 冲击韧性作为评价环氧沥青混凝土配合比设计和疲劳 性能的一个重要指标， 分析不同沥青含量和不同试验 温度对冲击韧性的影响； 以混合料剩余劲度模量比来 反映疲劳寿命的大小， 并研究冲击韧性和疲劳寿命之 间的关系。
（ 3）
其中： C 为试件的边界范围周长。 在断裂冲击试验中， 施加一集中荷载 P ， 令加载点 u2 = δ 。则： 位移 u i = 0 ， du i Pdδ dS = da da dU Pdδ + da da
δ
∫t
c1
i
1
基于断裂力学与能量法的理论基础
当材料承受外界荷载作用时， 材料内部本身就会
S
式中： Π 为单位厚度应变能或变形功； W 为单位能密度 或变形功密度； S 为试件面积； C1 为给定荷载的边界； Ti ， u i 为应力矢量与位移矢量。 J 积分与变形功、 实际上， 边界荷载或应力矢量、 位 移矢量的关系也可表示为 J =－
［9 ］
：
dU + da
∫t
ct
i
du i dS da
Ｒice 指出在小应变条件下， 对于非线性弹性二维 J 积分等于相同的外加载荷条件下， 试件， 外形相同但 具有相近裂纹长度 a 及 a + da 的两个试件单位厚度位 能的差率
［9 ］
： J =－ Π a
1 2 c1 i i
（ 1） （ 2）
Π = U －
∫∫ Wdx dx － ∫ t u dS
［10 ］
式中： W 为板的应变能密度； T 为作用在积分回路 Г 弧 元 ds 上的外力矢量； U 为回路 Г 上的位移矢量。
→
：
图1
J 积分示意图
(U b
1
－
1
U2 1 b2 a2 － a1
)
Fig． 1 Schematic figure of the Jintegral
式中： U 为荷载功 （ N · mm ） ； 荷载 － 位移曲线下的面 2代 下标 1 、 积； b 为试件厚度（ mm） ； α 裂纹长度（ mm） ，
Biblioteka Baidu
Epoxy asphalt concrete fatigue performance design for a steel bridge deck pavement based on impact toughness ZHANG Shunxian1 ，ZHANG Xiaoning1 ，XU wei1 ，HAO Zengheng2 ，WAN Cheng1
第 23 期
张顺先等： 基于冲击韧性的钢桥面铺装环氧沥青混凝土疲劳性能设计研究
3
表不同试件。 因此， 材料发生断裂时伴随着能量的损 耗， 能量值可以用荷载 － 位移图所包围的面积来计算， 试验荷载 － 位移曲线下所包围的面积越大， 断裂韧度 J IC 越大， 材料抵抗破坏的能力越强。
（ 3 ） 冲击韧性试验拟采用在 MTS 试验机上进行， 该试验机的加载速率可以根据需要进行选择， 本次试 验加载拟采用的加载速率为 500 mm / min。
Abstract：
Some shortcomings of the existing design theories and methods for fatigue cracking of a steel bridge deck
pavement's epoxy asphalt concrete were analyzed． Based on the fracture mechanics and the energy method principle， impact toughness was taken as an epoxy asphalt concrete mix design evaluation index，and the feasibility of this index was verified with testing． The residual stiffness modulus ratio was adopted to reflect the epoxy asphalt concrete fatigue performances． The relationship between impact toughness and residual stiffness modulus ratio was established． The results showed that there is a good linear correlation between impact toughness and fatigue performances； the impact toughness index can be used to evaluate the epoxy asphalt concrete mix design and its fatigue performances effectively； the proposed method is simple，fast and correct，it provides a new idea for the epoxy asphalt concrete design theory and method． Key words： epoxy asphalt concrete； fatigue cracking； fracture mechanics； impact toughness； mix design； residual stiffness modulus ratio 环氧沥青混凝土由于其强度高、 耐腐蚀性好、 耐疲 劳性能好、 具有优良的水稳定性能等优点， 在国内外多 座大跨径的钢桥面铺装中得到应用
δ
J =
∫(
p 0
δ d p － a p
)
这样， 宏观荷载位移曲线就与 J 积分联系起来， 在 弹塑性体中， 试件在外加荷载的作用下， 产生变形后， J 积分可以定量 就会在裂纹处产生一定的应力应变场 ， 地表现这个场的强度。 Bagley 和 Landes 依据大量试验， 认为 J 积分作为 衡量裂纹开裂的参量是适宜的， 从而建立了 J 积分准 则： 当围绕裂纹尖端的 J 积分达到临界值 J C （ 平面应 力） 或 J IC （ 平面应变 ） 时， 裂纹开始扩展。 J C 或 J IC 被成 为 J 积分断裂韧度， 代表材料的抗裂性能， 由于韧度 J IC 可以用势能公式表达出来， 沥青混合料的 J 积分断裂 韧度可以根据下面公式获得 J IC =
于是式（ 3 ） 可简化为： J =－ 从而有 J = －
产生一定的应力并导致相应的应变， 材料在重复荷载 作用下产生疲劳裂纹后， 就会在裂纹处产生一定的应 力应变场。J 积分理论 体也适用。 设有一均质板， 板上含一条贯穿裂纹， 均质板所受 的外力使裂纹周围产生二维应力应变场。 围绕裂纹尖 端取回路 Г， 由裂纹下表面任一点开始， 按逆时针方向 （ 弧长 S 的正向 ） 沿 Г 环绕裂纹尖端行进， 终止于裂纹 上表面任一点， 如图 1 所示。J 积分定义为： J = U ds） ∫ （ Wdy － T x
提出以冲击韧性作为环氧沥青混凝土配合比设计的评价指标 ， 通过试验验证了该指标的可行 学和能量法原理的基础上 ， 并建立起冲击韧性和剩余劲度模量比之间的关系 。研究结 性； 采用剩余劲度模量比来反映环氧沥青混凝土的疲劳性能 ， 果表明， 冲击韧性和疲劳性能之间有良好的线性相关性 ， 采用冲击韧性指标能够有效地评价环氧沥青混凝土的配合比设 该方法操作简单、 快捷、 准确， 为环氧沥青混凝土的设计理论和方法提供一种新的思路 。 计和疲劳性能， 关键词： 环氧沥青混凝土； 疲劳开裂； 断裂力学； 冲击韧性； 配合比设计； 剩余劲度模量比 中图分类号： U416 文献标识码： A
针对 桥 面 铺 装 环 氧 沥 青 混 凝 土 的 疲 劳 性 能， Youtcheff 等［3］采用 ALF 和间接拉伸强度来评价环氧沥 青混凝土的疲劳性能， 刘振清等
［4 ］
采用损伤力学原理
［5 ］
和方法， 从力学近似法角度分析了单纯的沥青混合料 铺装层矩形截面梁疲劳损伤特性； 黄文通等 采用四
基金项目： 国家自然科学基金重点资助项目（ 51038004 ） ； 国家重大科技支 撑计划项目（ 2011BAG07B03 ） ； 中国博士后科学基金（ 20110490092 ） 收稿日期： 2012 － 07 － 24 修改稿收到日期： 2012 － 10 － 14 1984 年生 第一作者 张顺先 男 ， 博士，
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基于冲击韧性的环氧沥青混凝土配合比设 计评价
振 第 32 卷第 23 期
动
与
冲
击 Vol． 32 No． 23 2013
JOUＲNAL OF VIBＲATION AND SHOCK
基于冲击韧性的钢桥面铺装环氧沥青混凝土疲劳性能设计研究
1， 3 1 张顺先 ，张肖宁 ，徐 1 伟 ，蔡 1 2 旭 ，郝增恒 ，万
（ 1． College of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640 ，China； 2． Chongqing Communications Ｒesearch ＆Design Institute Co． ，Ltd． ，China Merchants，Chongqing 400067 ，China； 3． Henan Zhongyuan Expressway Co． ，LTD，Zhengzhou 451400 ，China）
成
1
（ 1． 华南理工大学 土木交通学院 ， 广州 510640 ； 2． 招商局重庆交通科研设计院 有限公司 ， 重庆 400067 ； 3． 河南中原高速公路股份有限公司 ， 郑州 451400 ）
摘
要： 针对钢桥面铺装环氧沥青混凝土出现的疲劳开裂问题 ， 分析现有设计理论和方法的不足之处 。在断裂力
→ Γ → → ［8 ］
U ， J = － ( ) 。 根据能量守恒原 ( Π a) a
p
可定量地描述裂纹体的应力
试件所接受的变形功或应变能等于外加荷载通过 则， 施加点的位移所做的功， 所以： U = Π = U － Pδ，
δ
应变场强度， 它不仅适用于弹性体， 对小变形的弹塑性
∫ Pdδ J = ∫ ( － P ) d δ 因此， a
［1 ］
荷载的重复作用下就会不断演化发展， 最终形成宏观 疲劳裂 缝， 如果疲劳裂缝进一步发展就会产生疲劳 破坏
［2 ］
。 但随着使用年
。
限的增加和繁重的交通负荷作用， 环氧沥青混凝土桥 面铺装出现了很多病害， 其中最主要的病害是疲劳裂 主要是由于环氧沥青混凝土是非均质 缝。究其原因， 的、 对于温度较敏感的多向性材料， 其内部有很多微孔 隙和微裂缝， 这些材料本身的原始缺陷在温度和行车
［6 ］
点弯曲疲劳试验， 以剩余劲度模量为控制目标， 得出了 疲劳寿命与剩余劲度模量之间的关系； 陈春红等 凝土裂纹扩展阶段的疲劳演化规律； 庞渊
［7 ］
引
入裂纹尖端位移 CTOD 参数研究了钢桥面环氧沥青混 采用小梁
2
振 动 与 冲 击
2013 年第 32 卷
三点应变控制方式对环氧沥青混凝土的疲劳性能进行 了研究， 并分析影响疲劳性能的各种因素 。 纵观已有的相关研究成果可发现， 现阶段环氧沥 青混合料疲劳性能的设计理论还不够完善， 研究手段 有待进一步改进； 有些研究成果只停留在理论假设上， 设计出的沥青混合料疲劳性能不是很理想， 与工程实 际应用有一定得差别。 另外， 现阶段环氧沥青混合料 主要通过马歇尔试验来进行各组分体积 配合比设计， 组成比例设计， 然后通过相关疲劳试验， 研究其疲劳性 能， 采用此种方法设计的环氧沥青混合料并没有把疲 劳性能设计纳入配合比设计之中， 而在实际使用过程 当中环氧沥青混凝土主要表现为疲劳破坏， 因此现有 的设计理论与实际使用情况之间有较大的差别 。 本文在断裂力学和能量法原理的基础上， 提出以 冲击韧性作为评价环氧沥青混凝土配合比设计和疲劳 性能的一个重要指标， 分析不同沥青含量和不同试验 温度对冲击韧性的影响； 以混合料剩余劲度模量比来 反映疲劳寿命的大小， 并研究冲击韧性和疲劳寿命之 间的关系。
（ 3）
其中： C 为试件的边界范围周长。 在断裂冲击试验中， 施加一集中荷载 P ， 令加载点 u2 = δ 。则： 位移 u i = 0 ， du i Pdδ dS = da da dU Pdδ + da da
δ
∫t
c1
i
1
基于断裂力学与能量法的理论基础
当材料承受外界荷载作用时， 材料内部本身就会
S
式中： Π 为单位厚度应变能或变形功； W 为单位能密度 或变形功密度； S 为试件面积； C1 为给定荷载的边界； Ti ， u i 为应力矢量与位移矢量。 J 积分与变形功、 实际上， 边界荷载或应力矢量、 位 移矢量的关系也可表示为 J =－
［9 ］
：
dU + da
∫t
ct
i
du i dS da
Ｒice 指出在小应变条件下， 对于非线性弹性二维 J 积分等于相同的外加载荷条件下， 试件， 外形相同但 具有相近裂纹长度 a 及 a + da 的两个试件单位厚度位 能的差率
［9 ］
： J =－ Π a
1 2 c1 i i
（ 1） （ 2）
Π = U －
∫∫ Wdx dx － ∫ t u dS
［10 ］
式中： W 为板的应变能密度； T 为作用在积分回路 Г 弧 元 ds 上的外力矢量； U 为回路 Г 上的位移矢量。
→
：
图1
J 积分示意图
(U b
1
－
1
U2 1 b2 a2 － a1
)
Fig． 1 Schematic figure of the Jintegral
式中： U 为荷载功 （ N · mm ） ； 荷载 － 位移曲线下的面 2代 下标 1 、 积； b 为试件厚度（ mm） ； α 裂纹长度（ mm） ，
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Epoxy asphalt concrete fatigue performance design for a steel bridge deck pavement based on impact toughness ZHANG Shunxian1 ，ZHANG Xiaoning1 ，XU wei1 ，HAO Zengheng2 ，WAN Cheng1
第 23 期
张顺先等： 基于冲击韧性的钢桥面铺装环氧沥青混凝土疲劳性能设计研究
3
表不同试件。 因此， 材料发生断裂时伴随着能量的损 耗， 能量值可以用荷载 － 位移图所包围的面积来计算， 试验荷载 － 位移曲线下所包围的面积越大， 断裂韧度 J IC 越大， 材料抵抗破坏的能力越强。
（ 3 ） 冲击韧性试验拟采用在 MTS 试验机上进行， 该试验机的加载速率可以根据需要进行选择， 本次试 验加载拟采用的加载速率为 500 mm / min。
Abstract：
Some shortcomings of the existing design theories and methods for fatigue cracking of a steel bridge deck
pavement's epoxy asphalt concrete were analyzed． Based on the fracture mechanics and the energy method principle， impact toughness was taken as an epoxy asphalt concrete mix design evaluation index，and the feasibility of this index was verified with testing． The residual stiffness modulus ratio was adopted to reflect the epoxy asphalt concrete fatigue performances． The relationship between impact toughness and residual stiffness modulus ratio was established． The results showed that there is a good linear correlation between impact toughness and fatigue performances； the impact toughness index can be used to evaluate the epoxy asphalt concrete mix design and its fatigue performances effectively； the proposed method is simple，fast and correct，it provides a new idea for the epoxy asphalt concrete design theory and method． Key words： epoxy asphalt concrete； fatigue cracking； fracture mechanics； impact toughness； mix design； residual stiffness modulus ratio 环氧沥青混凝土由于其强度高、 耐腐蚀性好、 耐疲 劳性能好、 具有优良的水稳定性能等优点， 在国内外多 座大跨径的钢桥面铺装中得到应用