CN102636400A

CN102636400A - 一种基于轮载仪的沥青混合料疲劳性能试验方法

Info

Publication number: CN102636400A
Application number: CN2012100885720A
Authority: CN
Inventors: 黄宝山; 吴昊; 舒翔
Original assignee: Central South University; Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Central South University; Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2012-08-15

Abstract

一种基于轮载仪的沥青混合料疲劳性能试验方法，包括轮载仪和试件，a、试验前，先在沥青混合料试件的底部安装应变传感器，并且根据移动轮载特点和试件尺寸通过力学方法或有限元分析计算得到所述试件在移动荷载作用下的应力分布情况；b、试验中，首先对试件进行预加载，根据试件产生的应变量的值，得出需施加的移动轮载的大小，然后通过轮载仪对所述试件施加周期性的固定的移动轮载，并通过所述应变传感器来测量所述试件产生的拉伸变形的应变量；c、试验后，通过轮载仪和应变传感器得出所述试件的应力、应变量和周期性移动轮载的施加时间。本发明简单易行，便于推广，且使试验中的沥青混合料试件与实际沥青混凝土路面的受力状态相符。

Description

一种基于轮载仪的沥青混合料疲劳性能试验方法

技术领域

本发明属于道路工程领域，具体涉及一种基于轮载仪的沥青混合料疲劳性能试验方法，用于测试沥青混合料的疲劳性能。

背景技术

近些年来，公路交通特别是高等级公路建设的蓬勃发展，对道路材料的品质和功能也提出了更高的要求。道路材料的性能、质量和组成设计都对它的发展起了至关重要的作用，而通过合理的试验方法对道路材料的性能进行测试和了解是正确有效地使用道路材料的前提和基础。沥青混凝土路面由于具有诸多优点，在道路工程建设中得到广泛的应用，我国目前的高等级道路基本都采用沥青混凝土路面。

疲劳开裂是沥青路面的主要破坏形式之一，疲劳裂缝的出现对沥青路面的行车舒适度和使用寿命都有直接影响。人们对沥青路面结构开裂破坏的认识是逐渐深入的，伴随着力学领域中破坏理论的研究和发展，关于沥青路面结构开裂破坏的研究经历了由经验性总结过渡到结合破坏力学的理论性的过程。随着传统的疲劳破坏理论的发展，人们认识到，路面的破坏是由于荷载在路面材料中引起的重复加载疲劳应力超过了其抗拉强度而发生的。传统的疲劳强度理论承认了由于荷载的循环作用而对材料造成的损坏的累积，但相关的分析是针对连续完整、无缺陷的结构体系进行的，并没有考虑沥青混合料、结构内部先天存在的缺陷或因使用期内逐渐出现的缺陷对路面结构造成的不利影响，这使得运用传统疲劳力学理论与方法对沥青路面结构进行的计算和分析结果与实际情况存在偏差，尽管引入了不同的修正系数或安全系数，但使得设计结果仍带有较大程度的不确定性。按照后来发展的断裂力学及其疲劳断裂力学观点，结构的破坏正是由于其内部的缺陷引起应力集中与内部损坏，当这种应力集中与损坏累积超过材料与结构抵抗破坏的容许值时，就造成了内部损伤的发展，并最终导致结构的破坏。

沥青混合料本身的性质和沥青路面的结构都十分的复杂，由实际道路的受力情况可知，道路路面的柔性沥青混合料面层的基本力学性能是由在反复的车辆荷载作用下的拉伸变形所决定的。如图1所示，当沥青路面在车辆荷载作用下，沥青面层的底部受到了拉应力的作用，在拉应力的反复作用下，裂缝通常在路面的底部开展，然后逐渐向上发展直至贯穿整个路面层而出现在道路表面。也有研究表明对于较厚的沥青路面，部分裂缝是从道路表面出现然后向下发展到路面底部的。即在车辆荷载作用下，路表靠近轮胎前侧和边缘位置产生了较高的水平拉应力，使得路表首先产生初始裂缝，然后在车辆荷载的剪切作用下，逐渐向下扩展，直至穿透整个面层。然而，道路表面产生裂缝的原因众多，而且往往伴随其它的路面破坏形式（比如温度应力、水破坏等）一同出现，并不完全是由于疲劳破坏所引起的。所以，大部分的研究学者还是认为沥青路面的疲劳破坏主要是由于沥青混合料在重复的弯拉应力的作用下微裂缝逐渐扩展，使材料超过了其自身的极限抵抗能力而造成的。

沥青混合料的疲劳特性可以通过测试沥青混合料在一定应力水平或应变水平的周期荷载作用下的应变或应力响应而得到。目前，研究人员已经开发出了多种评价和测试沥青混合料疲劳特性的试验方法，这些试验方法包括在各种加载模式和测试条件下的足尺试验、大尺寸结构试验和室内的小尺寸试验。其中，室内的小尺寸试验由于可以考虑众多影响因素，并且操作简便，费用低而被广泛应用，主要包括弯曲拉伸、直接拉伸和压缩以及间接拉伸试验等等。目前，在欧洲使用较为广泛的试验方法有三点弯曲疲劳试验和两点弯曲(梯形梁)弯曲疲劳试验；而直接拉伸和四点梁弯曲疲劳试验则在美国和亚洲一些国家使用较多；另外，根据对试件的加载方式的不同还有间接拉伸和半圆弯曲疲劳试验等等。这些试验方法的加载方式和试件的形状都各不相同，但是所有这些试验都是通过对沥青混合料试件施加在拉伸状态下的周期性的正弦应力或应变来测定其疲劳特性的。

直接拉伸疲劳试验中，虽然试件的受力方式简单直接，但是试件的准备和试验操作过程十分复杂，所以直接拉伸试验的可操作性差和效率低限制了它的推广应用。和直接拉伸试验相比，单轴压缩试验的操作相对简单、方便，但是其测试的是沥青混合料在压缩状态下的粘弹性特性，与实际道路路面沥青混合料的受力特点不相符，不能准确地放映沥青混合料在拉伸状态下的疲劳性能，所以目前已经使用不多。

四点梁弯曲疲劳试验目前是美洲和亚洲范围内应用最为广泛的疲劳试验方法。它具有如下几方面的优点：

(1)试件的应力状态与沥青混合料在实际路面上的受力情况相似；

(2)试件受力条件简单，两个夹具间的试验梁受弯部分处于纯弯应力状态；

(3)已有成熟的数据采集和处理系统，软件界面友好，操作简单、方便。

虽然四点梁弯曲疲劳试验由于上述的优点而被广泛应用，但也存在如下一些缺点和不足：

(1)试件制作过程复杂。在利用沥青试件振动压实仪成型大梁试件后，还需要进行切割得到小梁试件。试件制作过程的操作复杂，可控制性不强，得到的试件的变异性较大，可能会使试验结果产生较大误差。而且试验本身对试件尺寸要求严格，有时候甚至难以达到；

(2)试验需要另外的环境控制系统来控制试验的测试环境(温度)；

(3)试件尺寸较小，对于使用大骨料的沥青混合料会由于试件均匀性的影响而导致试验精度下降。

LWT(loaded wheel tester)是一种普遍应用于测试道路材料性能的仪器(设备)，俗称轮载仪。LWT试验可以定义为利用移动车轮荷载评价道路在长期服务条件下的使用性能的试验。目前主要用于测试沥青混合料的抗车辙(永久变形)性能、水敏感(水稳定)性能和疲劳性能。其工作原理是在一定的环境条件下，对试件施加重复性的车轮荷载来测试试件在轮载作用下轮迹位置的车辙，在浸水条件下的破坏点，或者是疲劳寿命。因此，与其它试验方法相比，LWT试验能够更加真实地模拟实际道路受到的重复车辆荷载的作用以及道路所处的外界环境条件，使试件的内部应力状态更接近道路的真实情况。由此可见，在目前LWT在世界范围内被广泛应用的同时，利用其自身的特点和优势开发出新的有效的试验方法不失为一种合理利用资源，节约成本的好办法。

由于沥青道路分析仪（APA）的多功能化和高智能化等优点目前已经成为北美和亚洲国家应用最广的沥青材料LWT试验仪器。原有的APA疲劳试验方法是通过在试件底部粘贴一根电线9，试验时给电线9通电，当试件2疲劳断裂时，电线9被拉断切断电流而使试验自动停止（如图2和图3所示）。原有的APA疲劳试验方法是采用给定试件的最大竖向变形或竖向变形率来评价沥青混合料的疲劳寿命，或者将试件断裂的时刻定义为疲劳破坏点。这些疲劳破坏准则在进行一些比较均匀和刚性的结构分析时在一定程度上是可以接受的（比如水泥混凝土），然而对于粘弹性的沥青混合料，则这些评价标准都是不准确的。大量的研究表明材料（不仅仅是沥青混合料）在重复荷载作用下而完全断裂或在产生较大变形和可见裂缝之前（如图4所示），试件就已经达到其相应的疲劳寿命。特别是对于沥青混合料这种粘弹性材料，往往在粘度比较大的情况下可以出现很大的变形而不出现断裂，但是实际上材料此时已经无法正常工作或者说失效了。图5所示为一个试件在疲劳试验中所产生的拉伸变形与加载次数之间的关系曲线。结合图示曲线，若以刚度下降为初始刚度的50%为疲劳准则，则该试件的疲劳寿命约为27000次，而试件最终发生断裂破坏的荷载次数却超过40000次。从图5可以看出，根据原有的APA疲劳试验得到的疲劳寿命与沥青混合料疲劳分析理论判断的疲劳寿命有一定的差距，因此，将沥青混合料完全断裂的时刻定义为其疲劳寿命是不准确的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有试验方法和技术之不足而提供一套简单易行，便于推广，且使试验中的沥青混合料试件与实际沥青混凝土路面的受力状态相符的基于轮载仪的沥青混合料疲劳性能试验方法。

本发明的目的可以通过下述技术方案予以实现：

一种基于轮载仪的沥青混合料疲劳性能试验方法，包括轮载仪和试件，其特征在于包括如下步骤：

a、试验前，先在沥青混合料试件的底部安装应变传感器，并且根据移动轮载特点和试件尺寸通过力学方法或有限元分析计算得到所述试件在移动荷载作用下的应力分布情况；

b、试验中，首先对试件进行预加载，根据试件产生的应变量的值，得出需施加的移动轮载的大小，然后通过轮载仪对所述试件施加周期性的固定的移动轮载，并通过所述应变传感器来测量所述试件产生的拉伸变形的应变量；

c、试验后，通过轮载仪和应变传感器得出所述试件的应力、应变量和周期性移动轮载的施加时间。

本发明中，所述步骤a中的沥青混合料试件通过静压法、振动压实法和轮碾成型法成型，所述试件为梁形或板形试件。

本发明中，所述步骤a中试件成型后和步骤b试验过程中将试件置于环境箱、温控箱中或者轮载试验仪中进行保温以达到试验需要的温度。

根据上述方法，本发明对试件施加周期性的移动轮载，此种载荷完全模拟真实路面的情况，而且利用试件上的应变传感器得到试验过程中的应变量，从而根据基于应力-应变的疲劳理论来进行疲劳分析，通过沥青混合料在疲劳过程中本身的性质的变化来评价其疲劳状态。也就是说，本发明在模拟真实路面的情况下，利用目前常用的、较为成熟的破坏或失效准则来分析沥青混合料的疲劳性能，所以得出的结论更加准确可靠。

综上所述，本发明具有简单易行，可操作性和应用性强的特点，并且该实验方法可以利用目前所广泛使用的各种轮载试验仪来完成，试验时试件的受力特点也与实际沥青混凝土路面相似，所以测试得到的拉伸状态下的沥青混合料的疲劳性能更加准确可靠。

附图说明

图1是原有的APA疲劳试验示意图；

图2是图1的仰视图；

图3（a）是沥青混合料的断裂情况示意图；

图3（b）是沥青混合料的疲劳破坏情况示意图；

图4是疲劳试验中试件的变形随加载次数的变化曲线；

图5是本发明的LWT疲劳试验示意图；

图6是图5的仰视图；

图7（a）是APA加载系统示意图的顶视图；

图7（b）是APA加载系统示意图的侧视图；

图8是APA加载轮的运动方程的建立的示意图；

图9是试件应力分析的简化力学模型；

图10（a）是本发明200-202次加载循环的应力-应变情况图；

图10（b）是本发明1000-1002次加载循环的应力-应变情况图；

图10（c）是本发明6000-6002次加载循环的应力-应变情况图；

图10（d）是本发明14000-14002次加载循环的应力-应变情况图；

图11是本发明的LWT疲劳试验中应力-应变滞回曲线随加载次数的变化情况；

图12是本说明书实施例中所采用的疲劳试验方法加载周期-弯曲刚度情况图；

图13是不同疲劳试验方法下不同沥青混合料的疲劳寿命结果。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

实施例：

如图5和图6所示，试验前，先在沥青混合料试件的底部粘贴或安装应变传感器，以在试验中测试试件在重复的移动荷载作用下所产生的拉伸变形。试验中，利用LWT对试件施加的反复移动轮载，并通过安装在试件底部的应变传感器来量测试件产生的拉伸变形。根据试件受到的应力和量测得到的变形便可通过疲劳原理来评价试件的疲劳状态从而反映沥青混合料的疲劳性能。

本实施例以基于APA(Asphalt Pavement Analyzer，即沥青路面分析仪)的LWT轮载系统为例，运用本发明的试验方法对几种不同的沥青混合料进行了疲劳试验。

试验中共考虑了4种不同的沥青混合料，考虑了2种不同的集料(石灰石和花岗岩)和3种不同等级的沥青结合料(PG 64-22、PG 70-22和PG 76-22)对沥青混合料的疲劳性能的影响，以评价LWT疲劳试验对不同沥青混合料的疲劳性能的敏感性。这四种沥青混合料的基本信息如表1所示，试验所采用的沥青混合料试件的尺寸如表2所示。

表1本试验所采用的四种不同沥青混合料的基本信息

沥青混合料

粗骨料

沥青等级

沥青含量

[0052]

GN-1	花岗岩	PG64-22	5.8％
				LS-1	石灰石	PG64-22	5.0％
LS-2	石灰石	PG70-22	5.0％
				LS-3	石灰石	PG76-22	5.0％

^*GN-花岗岩(granite)：LS-石灰石(limestone)；PG-性能分级(performance grade)。

本试验所需试件的成型方法和基本信息如表2所示。

表2试验试件基本信息

本实施例的具体实施过程如下所示：

1、根据所使用的LWT的移动轮载特点和沥青混合料试件尺寸利用材料力学分析方法或有限元分析方法来计算试件在LWT周期轮载作用下所受到的应力；具体的计算和分析方法如下：

如果采用材料力学的方法，可以根据试件和轮载的大小将三维问题简化为二维平面应力以简化计算。如图7所示为APA的加载系统示意图，APA的加载系统是通过中心旋转轴8带动曲柄7做圆周运动，然后曲柄7又驱动传动杆6前后移动，连接杆5与加载轮3相连接，加载轮上设置加力装置和压力传感器4，从而对试件施加周期性移动的类车辆荷载。加载过程中加载轮3做周期运动的频率可以通过调整中心旋转轴8的转动速度来控制。

根据APA加载系统的运动形式(如图8所示)，加载钢轮移动过程的运动方程可以建立如下：

S＝R·(1-cosαt)，

ω = \frac{2 π}{T_{r}}

其中，S-加载轮的相对位置；

R-曲柄做圆周运动的半径(等于钢轮加载的路径长度的1/2)；

ω-中心旋转轴的角速度；

T_r-曲柄做圆周运动的周期。

根据上述加载钢轮的移动方程，试件在周期性的移动荷载作用下的力学模型可以简化为如图9所示的平面应力问题。

其中，P-车辆荷载；

l-加载路径长度；

h-试件的高度；

x-车轮荷载对于零点的相对位置。

根据以上的简化力学模型，梁试件在LWT施加的连续轮载作用下，试件底部的应力随着轮载的位置和时间的变化可以用如下的公式来表示：

\{\begin{matrix} σ (x, t) = \frac{3 P \cdot \sin^{2} (\frac{2 π}{T} \cdot t) \cdot x}{{bh}^{2}}, x \leq \frac{1}{2} \\ σ (x, t) = \frac{3 P \cdot \sin^{2} (\frac{2 π}{T} \cdot t) \cdot (l - x)}{{bh}^{2}}, \frac{l}{2} < x \leq l \end{matrix}

其中，b-试件的宽度；

T-荷载周期；

t-加载时间。

如果采用有限元分析法，则是利用有限元软件建立梁形试件的整体模型，并对模型施加不同位置的应力，从而得到在移动荷载作用下梁形试件的应力分布。在此分析过程中，重点考虑的是当加载轮作用于试件跨中位置时，试件的受到的应力大小，即试件在移动加载轮周期性作用下受到的应力幅值。

2、试件的成型方法和尺寸可以根据需要自行选定，本实施例是利用沥青混合料振动压实仪采用振动法或静压法成型尺寸为300*125*50mm的梁型试件；该试件成型方法和试件尺寸与常规的APA试验相似。

3、如图2所示，在试件2底部中心位置安装应变传感器1，用于测试加载过程中试件产生的拉伸变形；应变传感器1的测量方向应与试验时的轮载移动方向一致；

4、将试件安放于试验盒中，置于APA的试验平台之上，并将应变传感器与数据采集系统连接起来；

5、试验之前，将试件放入环境箱、温控设备或APA的测试箱中，在需要的试验温度(10℃)下保温2-4小时使试件达到测试温度；

6、首先对沥青混合料试件进行预加载，根据试件产生的应变量值来调整LWT轮载的大小，保证试件受到的轮载超过其疲劳破坏的加载阈值(即疲劳极限荷载)；本实施例的LWT疲劳试验所采用的轮载为968N，试件受到的周期性应力的幅值为1.35MPa。

7、利用LWT提供的周期移动轮载对试件加载，然后根据计算得到的应力和量测得到的应变，便可以通过相应的疲劳理论来评价该沥青混合料的疲劳性能。

图10和图11所示分别为本发明中LWT疲劳试验得到的沥青混合料试件在不同加载次数下的应力—应变关系和应力—应变滞回曲线随着加载次数增加的变化情况，反映了该沥青混合料在周期荷载作用下的疲劳发展过程；图12为LWT疲劳试验中不同沥青混合料的弯曲刚度的随加载次数的变化情况；图13所示为LWT疲劳试验与传统的直接拉伸疲劳试验和四点梁疲劳试验的结果对比。根据图10到图13的试验结果，可以得出以下结论：

LWT疲劳试验可用于测试沥青混合料的疲劳性能，其试验结果可有效区分不同沥青混合料的疲劳性能之间的差异，试验结果与四点梁疲劳试验和直接拉伸疲劳试验得出的结果基本一致。对于不同的沥青混合料，LWT疲劳试验结果表明：首先，对于同种类型的沥青混合料，使用等级较高的沥青的沥青混合料具有较长的疲劳寿命；其次，对于沥青含量较高的沥青混合料即使其初始刚度较低，但也能达到较好的抗疲劳性能。

Claims

1.一种基于轮载仪的沥青混合料疲劳性能试验方法，包括轮载仪和试件，其特征在于包括如下步骤：

b、试验中，首先对试件进行预加载，根据试件产生的应变量的值，得出需施加的移动轮载的大小，然后通过轮载仪对所述试件施加周期性的移动轮载，并通过所述应变传感器来测量所述试件产生的拉伸变形的应变量；

2.根据权利要求1所述的基于轮载仪的沥青混合料疲劳性能试验方法，其特征在于：所述步骤a中的沥青混合料试件通过静压法、振动压实法和轮碾成型法成型，所述试件为梁形或板形试件。

3.根据权利要求2所述的基于轮载仪的沥青混合料疲劳性能试验方法，其特征在于：所述步骤a中试件成型后和步骤b试验过程中将试件置于环境箱、温控箱中或者轮载试验仪中进行保温以达到试验需要的温度。