CN102393338A

CN102393338A - 疲劳损伤与触变因素对沥青模量影响的分离方法

Info

Publication number: CN102393338A
Application number: CN2011102108500A
Authority: CN
Inventors: 谭忆秋; 单丽岩
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2031-07-26
Also published as: CN102393338B

Abstract

疲劳损伤与触变因素对沥青模量影响的分离方法，它涉及沥青模量的测试方法。本发明解决了现有的采用损伤理论分析循环荷载作用下沥青疲劳特性具有局限性的问题。方法：绘制沥青动态模量与相位角关系标准曲线，然后测试不同初始应变条件下动态模量与相位角关系曲线并找出各曲线上偏离直线段的转折点，找出触变性与损伤影响区的分界点，将分界点之前的曲线部分用

拟合，得出k、α、β的值；然后将沥青的动态模量

用

进行拟合，得到D值，于是将沥青的动态模量

分离成两部分，其中为

触变性影响下的模量，

为损伤导致的模量的降低值。本法用于研究沥青的疲劳特性。

Description

疲劳损伤与触变因素对沥青模量影响的分离方法

技术领域

本发明涉及沥青模量的测试方法。

背景技术

沥青的疲劳性能对沥青路面的使用性能有重要影响。根据损伤理论，沥青发生疲劳后性能是不可恢复的。然而，作为一种典型的粘弹性材料，受粘弹特性的影响，沥青的力学行为及疲劳特性具有特殊性。沥青具有触变性，即：荷载作用下，沥青内部微观结构的变化同样可以引起模量的降低而不导致任何损伤的产生。这使得重复荷载作用下沥青模量的降低并不完全是由于损伤引起的，还包含着触变性的影响。因此现有的沥青疲劳过程中动态模量的检测方法有局限性，准确测试疲劳过程中由于损伤引起的模量变化情况对于分析沥青的疲劳特性具重要意义。

发明内容

本发明是要解决现有的采用损伤理论分析循环荷载作用下沥青疲劳特性具有局限性的技术问题，而提供疲劳损伤与触变因素对沥青模量影响的分离方法。

本发明的疲劳损伤与触变因素对沥青模量影响的分离方法按以下步骤进行：一、用动态剪切流变仪测试沥青在应变扫描模式下循环荷载的应变、相位角及动态模量数据，然后以相位角为横作标，以动态模量为纵作标绘制动态模量与相位角关系标准曲线；二、控制初始应变为0.5％～4％，测定沥青在该应变条件下的初始动态模量|G^*|，以及相位角θ、动态模量|G^*|随作用时间t变化的数据，以相位角θ为横作标，以动态模量|G^*|为纵作标绘制动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线；再将应变按2％～4％的步长增加，测定沥青在相应的应变条件下相位角θ、动态模量|G^*|随作用时间t变化的数据，以相位角θ为横作标，以动态模量|G^*|为纵作标绘制不同应变条件下动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线；并找出各关系曲线上偏离直线段的转折点所对应的相位角、动态模量，根据每条曲线得到一组应变、相位角θ、动态模量|G^*|数据；三、在步骤二得到的多组相位角、动态模量及其应变值中，找到一组值，使其应变值最大且动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线上偏离直线段的转折点之前的部分与步骤一中标准曲线重合，则以该偏离直线段的转折点作为触变性影响区的分界点，在此分界点之前为触变性影响区，在此分界点之后为触变性和损伤共同影响区；四、将步骤三所得的分界点所在的动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线上的直线部分，用

拟合，其中为步骤二中初始应变条件下测定的沥青初始动态模量

单位为MPa；

为触变性影响下的动态模量，其单位为MPa，t为荷载作用时间，单位为s；k、α、β为拟合系数，得出k、α、β的值；五、用动态剪切流变仪测试沥青的动态模量

然后用进行拟合，其中D为损伤因子，拟合后得到D值，于是将沥青的动态模量

分离成两部分，其中

为触变性影响下的模量，

为损伤导致的模量的降低值。

在应变控制模式下沥青的疲劳过程如图1所示。图中纵作标为动态模量，第Ⅰ阶段为触变性影响区，该阶段动态模量的降低完全是由触变性影响的，无损伤产生；第Ⅱ阶段为半稳定阶段，在该阶段微观裂纹形成并不断发展；第Ⅲ阶段为破坏阶段，在该阶段内宏观裂纹形成并迅速发展。其中第Ⅰ阶段之后，触变性仍然起作用。在第Ⅰ阶段向Ⅱ阶段变化时，出现一个偏离直线段的转折点；本发明中利用动态模量与相位角关系曲线的转折点作为触变性影响区的分界点。并不是所有控制应变下的转折点均为触变性影响区的分界点，而是结合应变扫描的动态模量与相位角关系曲线进行确定，即：当疲劳试验和应变扫描试验的动态模量与相位角关系曲线在转折点之前的部分重合区域达到最大时，该转折点为触变性影响区的分界点。触变性影响区为沥青疲劳过程的第Ⅰ阶段，当沥青进入第Ⅱ阶段后，沥青性能的变化受触变性和损伤共同作用的影响，并且随着荷载作用次数的增加触变性对沥青的影响逐渐减低，而损伤对沥青的影响不断增加。

本发明沥青疲劳过程中动态模量的检测方法是将疲劳过程中触变性的影响分离，避免了疲劳研究过程中触变性的干扰，使得分离后的疲劳曲线能更准确地反应沥青的疲劳特性。

附图说明

图1是在应变控制模式下沥青的疲劳过程图；图2是具体实施方式六中动态模量与相位角关系图；其中a为步骤一中在循环荷载作用下得到的动态模量与相位角关系的标准曲线；b是步骤二中在应变为4％条件下得到的动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线；c是步骤二中在应变为6％条件下得到的动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线；d是步骤二中在应变为8％条件下得到的动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线；图3是具体实施方式六的步骤五中动态模量

与作用时间的关系曲线图，其中a为用动态剪切流变仪测试沥青的动态模量

随作用时间变化的关系曲线；b为触变性影响下的模量随作用时间变化的关系曲线；c为损伤影响下沥青模量与作用时间的关系曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的疲劳损伤与触变因素对沥青模量影响的分离方法按以下步骤进行：一、用动态剪切流变仪测试沥青在应变扫描模式下循环荷载的应变、相位角及动态模量数据，然后以相位角为横作标，以动态模量为纵作标绘制动态模量与相位角关系标准曲线；二、控制初始应变为0.5％～4％，测定沥青在该应变条件下的初始动态模量|G^*|，以及相位角θ、动态模量|G^*|随作用时间t变化的数据，以相位角θ为横作标，以动态模量|G^*|为纵作标绘制动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线；再将应变按2％～4％的步长增加，测定沥青在相应的应变条件下相位角θ、动态模量|G^*|随作用时间t变化的数据，以相位角θ为横作标，以动态模量|G^*|为纵作标绘制不同应变条件下动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线；并找出各关系曲线上偏离直线段的转折点所对应的相位角、动态模量，根据每条曲线得到一组应变、相位角θ、动态模量|G^*|数据；三、在步骤二得到的多组相位角、动态模量及其应变值中，找到一组值，使其应变值最大且动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线上偏离直线段的转折点之前的部分与步骤一中标准曲线重合，则以该偏离直线段的转折点作为触变性影响区的分界点，在此分界点之前为触变性影响区，在此分界点之后为触变性和损伤共同影响区；四、将步骤三所得的分界点所在的动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线上的直线部分，用

单位为MPa；

然后用

进行拟合，其中D为损伤因子，拟合后得到D值，于是将沥青的动态模量

分离成两部分，其中

为触变性影响下的模量，

为损伤导致的模量的降低值。

本实施方式的沥青疲劳过程中动态模量的检测方法是将疲劳过程中触变性的影响分离，避免了疲劳研究过程中触变性的干扰，使得分离后的疲劳曲线能更准确地反应沥青的疲劳特性。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中的初始应变为1％～3％。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中的初始应变为2％。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中将应变按2.5％～3.5％的步长增加。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中将应变按3.0％的步长增加。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式六：本实施方式的疲劳损伤与触变因素对沥青模量影响的分离方法按以下步骤进行：一、用动态剪切流变仪测试A沥青在循环荷载作用下得到的应变、相位角及动态模量数据，然后以相位角为横作标，以动态模量为纵作标绘制动态模量与相位角关系标准曲线，如图2中的a曲线所示；二、控制应变为4％，测定沥青在该应变条件下的初始动态模量

以及相位角θ、动态模量|G^*|随作用时间t变化的数据，以相位角θ为横作标，以动态模量|G^*|为纵作标绘制动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线，如图2中b曲线所示，其偏离直线段的转折点所对应的相位角为55.69、动态模量为8.6MPa；再按应变为6％，测定沥青在应变为6％条件下的相位角θ、动态模量|G^*|随作用时间t变化的数据，以相位角θ为横作标，以动态模量|G^*|为纵作标绘制不同应变条件下动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线，如图2中c曲线所示，其偏离直线段的转折点所对应的相位角为59.14、动态模量为6.78MPa；再按应变8％，测定A沥青在应变为8％的条件下的相位角θ、动态模量|G^*|随作用时间t变化的数据，以相位角θ为横作标，以动态模量|G^*|为纵作标绘制不同应变条件下动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线，如图2中d曲线所示，其偏离直线段的转折点所对应的相位角为59.71、动态模量为6.44MPa；三、在步骤二得到的多组相位角θ、动态模量|G^*|及其应变值中，当应变为4％或6％时，图2中曲线b和曲线c表示的动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线在转折点之前的部分和应变扫描下相应的曲线重合，当应变为8％时，图2中曲线d表示的动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线在转折点之前与应变扫描下相应的曲线发生了偏离，于是采用应变为6％的曲线c表示的动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线在转折点作为触变性影响区的分界点，在此分界点之前为触变性影响区，在此分界点之后为损伤与触变性共同影响区；四、将步骤三所得的分界点所在的动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线上的直线部分，即曲线c上的直线部分用

拟合，其中

为步骤二中初始应变条件下测定的沥青初始动态模量

为触变性影响下的动态模量，其单位为MPa，t为荷载作用时间，单位为s；k、α、β为拟合系数，得出k＝43.16、α＝3.811、β＝0.021，相关系数为0.909；五、用动态剪切流变仪测试沥青的动态模量

然后用

进行拟合，其中D为损伤因子，拟合后得到D值为

于是将沥青的动态模量

分离成两部分，其中

为触变性影响下的模量，为损伤导致的模量的降低值。

本实施方式步骤五中动态模量与作用时间的关系曲线如图3所示，其中a为用动态剪切流变仪测试沥青的动态模量

随作用时间变化的关系曲线；b为触变性影响下的模量随作用时间变化的关系曲线；c为损伤影响下沥青模量与作用时间的关系曲线，从图3可以看出，从0～170秒的作用时间内，触变性影响阶段，该阶段内动态模量的降低完全是受触变性影响的。当作用时间超过170秒后，沥青进入第Ⅱ阶段后，沥青内部开始出现损伤，动态模量的变化受触变性和损伤共同影响。对于该种沥青触变性影响下动态模量的变化曲线与损伤影响下动态模量的变化曲线相似。当模量降低到一定程度后，损伤影响下动态模量的降低速度略快于触变性影响下动态模量的降低速度。

从本实施方式得到的疲劳过程中沥青模量与作用时间关系曲线的结果可以明显看出，由于触变性的影响使得用动态剪切流变仪测试的动态模量的变化并不能真实地反映材料的疲劳过程。仅仅通过试验得到的动态模量研究沥青的疲劳特性会低估沥青的疲劳寿命。沥青疲劳特性的研究应分析剔除触变性影响后的动态模量变化曲线。

Claims

1.疲劳损伤与触变因素对沥青模量影响的分离方法，其特征在于疲劳损伤与触变因素对沥青模量影响的分离方法按以下步骤进行：一、用动态剪切流变仪测试沥青在应变扫描模式下循环荷载的应变、相位角及动态模量数据，然后以相位角为横作标，以动态模量为纵作标绘制动态模量与相位角关系标准曲线；二、控制初始应变为0.5％～4％，测定沥青在该应变条件下的初始动态模量|G^*|，以及相位角θ、动态模量|G^*|随作用时间t变化的数据，以相位角θ为横作标，以动态模量|G^*|为纵作标绘制动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线；再将应变按2％～4％的步长增加，测定沥青在相应的应变条件下相位角θ、动态模量|G^*|随作用时间t变化的数据，以相位角θ为横作标，以动态模量|G^*|为纵作标绘制不同应变条件下动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线；并找出各关系曲线上偏离直线段的转折点所对应的相位角、动态模量，根据每条曲线得到一组应变、相位角θ、动态模量|G^*|数据；三、在步骤二得到的多组相位角、动态模量及其应变值中，找到一组值，使其应变值最大且动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线上偏离直线段的转折点之前的部分与步骤一中标准曲线重合，则以该偏离直线段的转折点作为触变性影响区的分界点，在此分界点之前为触变性影响区，在此分界点之后为触变性和损伤共同影响区；四、将步骤三所得的分界点所在的动态模量|G^*|与相位角θ关系曲线上的直线部分，用

单位为MPa；

然后用

分离成两部分，其中

为触变性影响下的模量，

为损伤导致的模量的降低值。

2.根据权利要求1所述的疲劳损伤与触变因素对沥青模量影响的分离方法，其特征在于步骤二中的初始应变为1％～3％。

3.根据权利要求1所述的疲劳损伤与触变因素对沥青模量影响的分离方法，其特征在于步骤二中的初始应变为2％。

4.根据权利要求1或2所述的疲劳损伤与触变因素对沥青模量影响的分离方法，其特征在于步骤二中将应变按2.5％～3.5％的步长增加。

5.根据权利要求1或2所述的疲劳损伤与触变因素对沥青模量影响的分离方法，其特征在于步骤二中将应变按3.0％的步长增加。