路面材料的力学性能PPT课件

路面材料的力学性 能
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
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。
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。
抗剪切强度（P53，图5-14、5-15） 抗拉强度（P54，图5-19）
6、疲劳特性
试验方法，梁式、劈裂和悬臂式
加载方法
• 应力控制，试验过程中保持所加的荷载不变，应变不断增 大，P58，图5-23
• 应变控制，试验过程中保持所加的应变不变，应力不断减 小；破坏不明显，一般定义为模量衰变50%时为破坏点； P58，图5-23
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。
5、强度特性
抗弯拉强度，抗剪切强度，抗拉强度 影响因素：沥青的性质与含量，集料的性质与级配， 温度和加荷速率
• 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 c：极限曲率半径， R：曲率半径， N：作用次数。
• 疲劳寿命：指从开始加载至损坏时的荷载作用次数； 通常采用梁式试件测量，四点加荷法。所施加的应力 实际上就是破坏时的应力，成为疲劳强度。
• 疲劳极限：当荷载小于一定数值时，材料永远不会发 生疲劳损坏，这个数值曾经定义为10^7，目前已经不 行。对钢材，应力比0.5。
加载波形有多种，典型的有三种：
现在，又开发了一种可更换式主轴 系统， 具有一 机两用 的功效 ，用户 根据不 同的加 工对象 选择使 用，即 电主轴 和镗杆 可相互 更换使 用。这 种结构 兼顾了 两种结 构的不 足，还 大大降 低了成 本。是 当今卧 式镗铣 床的一 大创举 。电主 轴的优 点在于 高速切 削和快 速进给 ，大大 提高了 机床的 精度和 效率。
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；
前者为弹性变形+部分粘性变形，后者为塑性 变形+部分粘性变形。所以前者用于结构疲劳 分析，后者用于车辙分析。
劲度预估 SHELL方法，P50
3、变形特性
变形特性可由动态或重复荷载作用下的蠕变 特性定义，反映材料的粘塑性，迄今缺少可 靠的预估模型
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。
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，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
D k ni
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高速电主轴在卧式镗铣床上的应用 越来越 多，除 了主轴 速度和 精度大 幅提高 外，还 简化了 主轴箱 内部结 构，缩 短了制 造周期 ，尤其 是能进 行高速 切削， 电主轴 转速最 高可大10000r/min以 上。不 足之处 在于功 率受到 限制， 其制造 成本较 高，尤 其是不 能进行 深孔加 工。而 镗杆伸 缩式结 构其速 度有限 ，精度 虽不如 电主轴 结构， 但可进 行深孔 加工， 且功率 大，可 进行满 负荷加 工，效 率高， 是电主 轴无法 比拟的 。因此 ，两种 结构并 存，工 艺性能 各异， 却给用 户提供 了更多 的选择 。
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( Nhomakorabea.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）
Er k1k2
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 f13f2
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
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。
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
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，
Nf
k1r
a
b
S1m
五、水泥混凝土
疲劳特性
m f a x0.0712R 4lgNf
或
lg m f a x lg A0.0412 R 2 lg N f
六、 Miner定律-线性疲劳迭加律
路面上的荷载轻重不一，怎样考虑不同 荷载的作用？
Miner在研究金属材料的性能时提出了 线性疲劳迭加律，即不同等级荷载产生的 疲劳效应可以直接相加。即
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
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，但损坏区域更 明显，速度更快
4、影响因素
结合料的剂量和活性 龄期 集料的类型（土）
卧式镗铣床运行速度越来越高，快速 移动速 度达
到25～30m/min，镗杆 最高转 速6000r/min。 而卧式 加工中 心的速 度更高 ，快速 移动高 达50m/min， 加速度5m/s2， 位置精 度0.008～0.01m m， 重复定 位精度 0.004～ 0.005mm。