CN102252916B - 无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法，属于道路工程领域。该方法以振动成型大梁试件为母体，将大梁试件切割成若干满足规格的小梁试件后，通过相同层位小梁试件弯拉强度测试确定同层位小梁试件的疲劳荷载，在此基础上进行四点弯曲梁动态重复加载试验，试验过程中测量小梁中心挠度变化，得到接近真实应力状态下动态弯拉模量随疲劳加载次数的衰变规律，以及弯拉应变随疲劳加载次数的增长规律，按照上述法进行不同应力比条件下的重复加载试验，即可得到无机结合料稳定碎石材料的疲劳损伤寿命。与现有疲劳试验方法相比，本发明克服了传统疲劳试验方法疲劳破坏加载次数变异大、疲劳方程可靠度低的技术难题，实现了无机结合料稳定碎石材料疲劳寿命的准确预估，揭示了无机结合料稳定材料的疲劳损伤规律，提高了路面设计的可靠度，具有很好的推广应用价值。

Description

无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法

技术领域

本发明涉及道路工程领域，具体地说是一种无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法。

背景技术

在我国高等级公路中，半刚性基层材料得到广泛应用，但工程实践表明半刚性基层早期损坏比较严重。在试验室设计评价中，半刚性基层材料仅以材料组成、抗压强度、静态模量等简单指标作为设计标准，没有深入进行与路面实际受力状态一致的损伤评价和动态力学响应指标、参数的测试。现有简单疲劳试验方法试图以同批次成型的梁式试件中的一部分的弯拉强度平均值来代表此批试件的弯拉强度，并以此平均弯拉强度值作为其余试件疲劳试验所施加的疲劳荷载计算的依据。由于装料、成型、养生等原因，同批次梁试件的弯拉强度并不完全相同，同时，由于无机结合料稳定类材料的自身特点，成型的试件表面不平整，孔洞、边角损坏现象普遍，使得加载过程中应力集中，这导致疲劳试验数据变异很大大，无法取得准确可靠的试验结果，这也是现有无机结合料稳定材料疲劳试验方法很难实施的原因所在。另一个重要问题是，现有的疲劳试验方法仅有应力比和疲劳加载次数两个参数，无法获知重复加载过程中试件动态弯拉模量、弯拉应变的物理力学响应变化规律，更无法从试件参数变化规律评价材料的疲劳损伤变化特征。因此，半刚性材料疲劳损伤机理和动态响应特征一直未得到明确和验证，其损坏问题也一直困扰我国工程技术人员。

发明内容

本发明的技术任务是针对上述现有技术的不足，提供一种无机结合料稳定材料四点梁动态加载疲劳损伤测试方法。利用该方法可获得准确可靠的无机结合料稳定材料疲劳损伤方程和重复疲劳加载状态下动态参数变化特征。

本发明的技术任务是按以下方式实现的：无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法，其特点是：

该方法以振动成型大梁试件为母体，将大梁试件切割成若干满足规格的小梁试件后，通过相同层位小梁试件弯拉强度测试确定同层位小梁试件的疲劳荷载，在此基础上进行四点弯曲梁动态重复加载试验，试验过程中测量小梁中心挠度变化，得到接近真实应力状态下动态弯拉模量随疲劳加载次数的衰变规律，以及弯拉应变随疲劳加载次数的增长规律，按照上述法进行不同应力比条件下的重复加载试验，即可得到无机结合料稳定碎石材料的疲劳损伤寿命。

具体的，该方法包括以下步骤：

a)振动成型大梁试件

用振动成型设备(振动台、振动压实机等)成型若干大梁试件，成型的大梁试件置于标准养生环境下养生至设计强度；

b)将大梁试件切割成小梁试件

将每块大梁试件分层切割成长×宽×高为380mm×63.5mm×50mm的标准小梁试件；

c)弯拉强度测试

在同一层位上取其中一根小梁进行四点梁弯拉强度试验，得到该小梁的弯拉强度；

d)四点梁重复加载疲劳试验

以步骤c所得的弯拉强度确定同层位小梁的疲劳加载荷载，进行重复加载疲劳试验，直至小梁疲劳破坏；

e)重复步骤c)和d)得到不同疲劳荷载应力状态下的小梁疲劳破坏加载次数，即疲劳损伤寿命；

f)对试验结果进行数据处理，得到无机结合料疲劳方程和弯拉模量、弯拉应变的变化规律。

进一步的，

为了保证成型大梁试件内部材料的均匀性，在步骤a)中，成型大梁试件时至少分两层均匀装料，并振动成型压实至设计压实度。

步骤a)中所述大梁试件长×宽×高不小于550mm×150mm×150mm。

步骤a)中的试件养生时间为：

石灰、粉煤灰稳定类材料养生时间不少于6个月；

水泥稳定类材料养生时间不少于3个月。

步骤b)中所述分层切割，切割小梁试件的高度方向与成型时压力方向一致，同一根大梁体切割出来的小梁试件按它们在原大梁体中的位置分不同层位，在同一层位上至少切割出两根小梁试件。

步骤d)中所述重复加载疲劳试验，加载模式为常应力半正矢波，加载频率为10Hz，应力循环最小值与最大值的比值为0.1。

重复加载过程中测量和采集梁中心挠度变化数值，即每一个加载循环梁中心挠度的最大值和最小值。

步骤e)中所述不同疲劳荷载应力状态即不同应力比，其取值范围为0.4～0.75，且至少在该范围内取三个应力比进行试验。

本发明的无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法与现有技术相比具有以下突出的有益效果：

(一)该方法以特定的切割方法及试验过程克服了现有无机结合料稳定材料疲劳试验方法疲劳破坏加载次数变异大、疲劳方程可靠度低的技术难题，实现了无机结合料稳定碎石材料疲劳损伤寿命的准确预估；

(二)该方法解决了现有测试方法无法获知无机结合料稳定材料重复加载过程中材料物理力学响应变化的问题，实现了从材料物理力学响应参数变化评价材料的疲劳损伤特征；

(三)该方法解决了动态弯拉模量参数指标的测试和确定问题；

(四)该方法测量方法操作简单、易于实现。

附图说明

附图1是小梁试件中心点挠度与加载次数的关系图；

附图2是石灰粉煤灰稳定碎石疲劳试验弯拉模量及弯拉应变变化规律图；

附图3是石灰粉煤灰稳定碎石疲劳试验曲线。

具体实施方式

参照说明书附图以具体实施例对本发明的无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法作以下详细地说明。

实施例：

本发明的无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法，包括以下步骤(以石灰粉煤灰稳定碎石材料疲劳损伤测试为例)：

a)振动成型大梁试件

本实施例中采用了4个应力比，每个应力比至少需要5个疲劳试验样本即一个应力比需要3根大梁试件，因此一共需要12根大梁试件。

用振动台成型石灰粉煤灰稳定碎石材料大梁试件。大梁试件的长×宽×高为550mm×150mm×150mm。

高度方向上分两层装料，底层高75mm，均匀装料，一边装料一边用直径约2cm的木棒插捣，装完后整平其表面；顶层高75mm，均匀装料，一边装料一边用直径约2cm木棒插捣，装完后整平其表面并稍加压紧，然后置于振动台成型(振动成型压实度要达到98％设计压实度)，最后将试件连同试模置于20℃±2℃，相对湿度95％以上的标准养生环境下养生6个月。其中，要求Φ150mm×150mm的试件7天无侧限抗压强度不低于1.1MPa。

设计压实度根据具体测试材料确定，确定方法为公知技术。

b)将大梁试件切割成小梁试件

步骤a所得大梁试件大梁试件脱模后，切割掉试件表面缺料及不平整的部分，然后根据试件在成型方向上同一层位部分的压实度相同、强度相同这一理论分析结果对大梁试件进行切割加工，即沿水平中心面分层切割成长×宽×高为380mm×63.5mm×50mm的标准小梁试件。具体来说，切割的高度方向与成型时压力方向一致，且同一根大梁体切割出来的小梁试件按它们在原大梁体中的位置分两个层位。在同一层位上切割出两根小梁试件，即每一块大梁试件得到四根小梁试件用于后续测试。

c)弯拉强度测试

利用四点梁弯曲疲劳试验机对上述一根小梁试件进行四点梁弯拉强度试验；

d)四点梁重复加载疲劳试验

以步骤c所得的弯拉强度确定同层位小梁的疲劳加载荷载，进行重复加载疲劳试验，直至小梁疲劳破坏；

上述重复加载疲劳试验，加载模式为常应力半正矢波，加载频率为10Hz，应力循环最小值与最大值的比值为0.1；

重复加载过程中测量和采集梁中心挠度变化数值，即每一个加载循环梁中心挠度的最大值和最小值。

附图1即为一根小梁试件在四点梁重复加载疲劳试验中梁中心点分别在最大荷载和最小荷载时所对应的挠度值，两者之差即在一次加载周期中的最大相对挠度。由图1可知梁试件的挠度值随着加载次数的增加而增大，并最终发生疲劳破坏，此时的加载次数即为该试件的疲劳寿命。

e)重复步骤c)和d)得到不同疲劳荷载应力状态下的小梁疲劳破坏加载次数；

不同疲劳荷载应力状态取值范围为加载应力与弯拉强度的应力比为0.4～0.75，至少取其中三个应力比进行试验。

本实施例中采用了0.6、0.65、0.7和0.75，共4个应力比，各个应力比下的疲劳试验样本数均为5个。疲劳试验结果数据如表1所示。

表1四点梁弯曲疲劳试验结果

f)对试验结果进行数据处理，得到无机结合料疲劳方程和弯拉模量、弯拉应变的变化规律。

根据疲劳试验过程中采集的小梁试件中线点挠度及每次加载周期的实际荷载值计算得到试件的弯拉模量及弯拉应变，以加载次数为横坐标，以每个加载周期时试件的弯拉应变和弯拉模量为纵坐标绘图即可得到弯拉模量及弯拉应变的变化规律。变化规律如附图2所示。

如附图3所示，根据疲劳试验得到的数据，以应力比为横坐标，以1gN为纵坐标，利用Excel软件绘制出散点图，然后对这些点进行线性回归、拟合即可得到疲劳方程。

Claims (7)

1.无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法，其特征在于：

该方法以振动成型大梁试件为母体，将大梁试件切割成若干满足规格的小梁试件后，通过相同层位小梁试件弯拉强度测试确定同层位小梁试件的疲劳荷载，在此基础上进行四点弯曲梁动态重复加载试验，试验过程中测量小梁中心挠度变化，得到接近真实应力状态下动态弯拉模量随疲劳加载次数的衰变规律，以及弯拉应变随疲劳加载次数的增长规律，

按照上述法进行不同应力比条件下的重复加载试验，即可得到无机结合料稳定碎石材料的疲劳损伤寿命，

该方法包括以下步骤：

a)振动成型大梁试件

用振动成型设备成型若干大梁试件，成型的大梁试件置于标准养生环境下养生至设计强度；

b)将大梁试件切割成小梁试件

将每块大梁试件分层切割成长×宽×高为380mm×63.5mm×50mm的标准小梁试件，

所述分层切割，切割小梁试件的高度方向与成型时压力方向一致，同一根大梁体切割出来的小梁试件按它们在原大梁体中的位置分不同层位，在同一层位上至少切割出两根小梁试件；

c)弯拉强度测试

在同一层位上取其中一根小梁进行四点梁弯拉强度试验，得到该小梁的弯拉强度；

d)四点梁重复加载疲劳试验

以步骤c所得的弯拉强度确定同层位小梁的疲劳加载荷载，进行重复加载疲劳试验，直至小梁疲劳破坏；

e)重复步骤c)和d)得到不同疲劳荷载应力状态下的小梁疲劳破坏加载次数，即疲劳损伤寿命；

F)对试验结果进行数据处理，得到无机结合料疲劳方程和弯拉模量、弯拉应变的变化规律。

2.根据权利要求1所述的无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法，其特征在于：

步骤a)中所述大梁试件长×宽×高不小于550mm×150mm×150mm。

3.根据权利要求1所述的无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法，其特征在于：

步骤a)中，成型大梁试件时至少分两层均匀装料，并振动成型压实至设计压实度。

4.根据权利要求1所述的无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法，其特征在于：

步骤a)中的试件养生时间为：

石灰、粉煤灰稳定类材料养生时间不少于6个月；

水泥稳定类材料养生时间不少于3个月。

5.根据权利要求1所述的无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法，其特征在于：

步骤d)中所述重复加载疲劳试验，加载模式为常应力半正矢波，加载频率为10Hz，应力循环最小值与最大值的比值为0.1。

6.根据权利要求5所述的无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法，其特征在于：重复加载过程中测量和采集梁中心挠度变化数值，即每一个加载循环梁中心挠度的最大值和最小值。

7.根据权利要求1所述的无机结合料稳定材料疲劳损伤测试方法，其特征在于：

步骤e)中所述不同疲劳荷载应力状态即不同应力比，其取值范围为0.4～0.75，且至少在该范围内取三个应力比进行试验。

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