CN105891013B - 一种沥青混合料高温蠕变失稳点流变次数的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沥青混合料高温蠕变失稳点流变次数的确定方法，其包括以下步骤：先通过无侧限抗压强度试验和单轴贯入试验，获得沥青混合料抗剪强度参数及最不利荷载作用下破坏面上的剪应力值；再通过某一应力水平的循环荷载作用下沥青混合料的单轴动态蠕变曲线分析沥青混合料的高温变形失稳特性，确定其第三阶段失稳点及对应流变次数FN；最后通过5组不同应力水平的循环载荷作用下的单轴动态蠕变试验，建立失稳流变次数与失稳破坏面上剪应力水平之间的定量关系，即剪切疲劳方程。利用本发明提供的方法，可得到任意沥青混合料的压剪疲劳方程，从而可预测任意应力水平循环荷载作用下对应沥青混合料高温蠕变失稳点流变次数FN。

Description

一种沥青混合料高温蠕变失稳点流变次数的确定方法
技术领域
本发明属于道路工程领域，具体涉及一种沥青混合料高温蠕变失稳点流变次数的确定方法，可应用于沥青混合料高温性能的定量评价及沥青路面车辙病害发展的预测。
背景技术
随着交通量增长、轴载加重、交通渠化及持续高温天气等因素的综合影响，车辙成为我国沥青路面的主要病害之一。根据以往经验，在城市道路和干线公路交叉路口段、行车渠化严重的高速公路路段以及高速公路上坡路段等区域易出现车辙。车辙的产生会影响路面的平整度以及行车舒适性，削减面层以及路面结构的整体强度，同时也严重危害了行车安全性。因此，针对高速公路车辙问题开展研究，对确保路面使用质量，提高行车安全具有重要的意义。
由于我国沥青路面一般采用半刚性基层，因此车辙主要以沥青面层的失稳型车辙为主。从车辙的发展规律来看，车辙发展一般经历三个阶段：初始压密阶段、稳定增长阶段及加速失稳阶段，室内静态和动态三轴试验证明了这一规律。车辙出现失稳的具体时间与混合料类型、荷载大小和作用次数、温度环境、路面结构等因素有关。由于多种因素的综合作用，实际车辙失稳的时间很难预测，但如果能通过研究掌握沥青路面车辙失稳的规律，并通过混合料及其原材料性能指标从项目建设时就进行控制，来延长路面车辙出现失稳的时间，这对提高路面建设质量、减少运营期间的养护费用具有重要意义。
从室内沥青混合料的车辙试验、三轴试验以及实际路面在荷载作用下的受力特点来看，沥青混合料车辙发展的三个阶段具有一定的特征。在初始压密阶段，主要是混合料压密过程中内部结构的重新调整，主要体现为集料的重新排布；稳定增长阶段主要体现为混合料粘弹塑性的累积及内部石料的破碎引起的混凝土强度的下降；加速失稳阶段主要体现为混合料强度失稳导致的变形过大。因此，从混合料强度构成原理以及路面不同层位在不同荷载作用下的压剪疲劳角度出发，研究沥青混合料的疲劳性失稳是判断路面车辙失稳的有效途径。
发明内容
技术问题：
本发明提供了一种沥青混合料高温蠕变失稳点流变次数的确定方法，试验条件简单、操作方便，能够原理明晰的确定沥青混合料高温蠕变失稳点，可以用于任意沥青混合料在不同荷载作用下失稳点的预测。
技术方案：一种沥青混合料高温蠕变失稳点流变次数的确定方法，具体步骤如下：
(1)测定抗剪强度参数
1-1)无侧限抗压强度值
利用无侧限抗压强度试验获取沥青混合料的无侧限抗压强度值σu，并画出沥青混合料无侧限受压破坏状态下的应力莫尔圆；
1-2)单轴贯入强度值
将C1作为最大主应力值σ1的强度参数，C3作为最小主应力值σ3的强度参数；当沥青混合料泊松比为0.35、贯入强度为1MPa时，通过有限元模拟分析计算出强度参数C1、C3；通过单轴贯入试验得到的最大贯入压力P，乘以相应的强度参数C即可获得最大主应力值σ1、最小主应力值σ3，并画出沥青混合料单轴贯入破坏时的应力莫尔圆；
1-3)抗剪强度参数
以莫尔-库伦理论为前提，将所述沥青混合料无侧限受压破坏状态下的应力莫尔圆和沥青混合料单轴贯入破坏时的应力莫尔圆在同一个坐标系下表示，可得：
其中，c为沥青混合料的粘聚力；为材料的内摩擦角；τ0为无侧限受压破坏时破坏面上的最大剪应力值；
(2)流变次数FN的测定
将单轴动态蠕变试验设置多级荷载，获得各级荷载σn条件下材料变形与循环加载数间的关系，即蠕变曲线，利用所得蠕变曲线确定材料失稳点所对应的流变次数FN，所述流变次数FN即看作材料循环破坏寿命；
(3)疲劳方程的拟合
将疲劳方程设定为破坏面上的剪应力比与流变次数FN的关系，如式(4)所示：
其中，a和b均为待定常数，τ0为沥青混合料无侧限受压破坏时破坏面上的最大剪应力值，τn为沥青混合料在各级荷载σn作用下剪切面上的剪应力；τn计算如式(5)所示；
式(5)中，已知σu和荷载σn，即能够计算得到τn，由此进一步求得τn/τ0，结合单轴动态蠕变试验所得荷载σn下的FN，利用疲劳方程式(4)拟合得到a、b参数值；
(4)任意载荷水平下蠕变曲线失稳点流变次数的预测
拟合得到a、b参数值后，疲劳方程式(4)即被完全确定；已知σu与τ0，因此在任意荷载σn的作用下进行单轴动态蠕变试验，都可由式(5)计算出τn，进而利用疲劳方程即可预测失稳点所对应的流变次数FN。
进一步的，所述最大主应力值σ1的强度参数为C1、最小主应力值σ3的强度参数为C3通过三维有限元模拟并计算得到，C1为0.7650，C3为0.0872。
进一步的，所述单轴动态蠕变试验在万能材料试验机UTM-25的加载室内进行，加载波形选用半正弦波，加载频率为1Hz，加载0.1s、间歇0.9s；并采用20kPa的预压应力进行预加载，作用时间300s；试验温度设定为60℃。
进一步的，将单轴动态蠕变试验设置五级荷载，分别为无侧限受压强度值σu的0.60、0.65、0.70、0.75、0.80倍。
进一步的，步骤(2)中，所述流变次数FN为第三阶段起始点所对应的荷载作用次数，所述第三阶段起始点所对应的应变变化率最小，所述第三阶段为加速失稳阶段。
进一步的，步骤(3)中，利用疲劳方程式(4)拟合时，对式(4)进行对数变换成式(6)，再对式(6)拟合得到a、b参数值；
有益效果：
首先，传统的车辙失稳研究多集中于沥青混合料的高温抗剪强度不足，而本发明是基于混合料强度构成原理以及路面不同层位在不同荷载作用下的压剪疲劳破坏，其更符合实际路面的受力状态；其次，本发明所采用的试验条件简单、操作方便可行，贯入试验的引入使得抗剪强度试验状态更接近实际，设备要求较低也利于本试验方法的推广使用；最后，利用本发明可获得一系列沥青混合料的蠕变失稳流变次数与失稳破坏面上剪应力水平之间的定量关系，即疲劳方程，在后续研究需要时，只需给出对应沥青混合料所受循环荷载的大小即可预测蠕变失稳点流变次数FN。
附图说明
图1为沥青混合料无侧限受压破坏状态下的应力莫尔圆；
图2为沥青混合料单轴贯入破坏状态下的应力莫尔圆；
图3为c、值求解示意图；
图4为蠕变曲线及流变次数FN示意图；
图5为τn求解示意图。
图中：Axial strain为轴向应变，Strain rate为应变率，Cycles为循环加载数，The first stage为第一阶段，The second stage为第二阶段，The third stage为第三阶段。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
一种沥青混合料高温蠕变失稳点流变次数的确定方法，具体步骤如下：
(1)抗剪强度参数测定
本发明利用无侧限抗压强度试验及单轴贯入试验，并结合莫尔-库伦理论来确定沥青混合料的抗剪强度参数。相比只能提供固定围压值、条件苛刻、操作复杂的三轴试验，本发明所选用的单轴贯入试验，沥青混合料受力部分的围压由其自身提供，压头作用模式也更符合实际路面的受力状态，试验条件简单且方便可行。
1)无侧限抗压强度值
利用无侧限抗压强度试验获取沥青混合料的无侧限抗压强度值σu，可画出其应力莫尔圆，如图1所示。
2)单轴贯入强度值
将C1作为最大主应力值σ1的强度参数，C3作为最小主应力值σ3的强度参数，Cτ作为最大剪应力τ的强度参数；当沥青混合料泊松比为0.35、贯入强度为1MPa时，通过有限元模拟分析可得到强度参数C1、C3，而最大剪应力τ的强度参数Cτ由本领域公知常识计算获得，即：其具体值如表1所示；则单轴贯入试验得到的最大贯入压力P，乘以相应的强度参数C即可获得最大主应力值σ1、最小主应力值σ3，并画出沥青混合料单轴贯入破坏时的应力莫尔圆，如图2所示。
表1强度参数C
C1 C3 Cτ
0.7650 0.0872 0.3390
3)抗剪强度参数
综合分析以上结果，以莫尔-库伦理论为前提，将以上两个莫尔圆在同一个坐标系下表示，如图3所示，可得：
其中，c为沥青混合料的粘聚力；为材料的内摩擦角；τ0为无侧限受压破坏时破坏面上的最大剪应力值。
(2)流变次数FN的测定
单轴动态蠕变试验在万能材料试验机UTM-25的加载室内进行。加载波形选用与沥青混凝土路面的实际荷载波形最为接近的半正弦波，其加载频率为1Hz，加载0.1s、间歇0.9s。为保证荷载作用压头与试件能良好地接触，防止荷载作用瞬间材料发生冲击破坏和循环加载过程中压头与试件之间发生滑动，采用20kPa的预压应力进行预加载，作用时间300s。试验温度设定位60℃。
将单轴动态蠕变试验设置五级荷载，分别为无侧限受压强度值σu的0.60、0.65、0.70、0.75、0.80倍。在这五级荷载作用下，试件不会出现一次性破坏。由此可获得材料变形与循环加载数间的关系，即蠕变曲线，并可利用该曲线获到材料失稳点所对应的流变次数FN，即可看作材料循环破坏寿命。流变次数FN的确定方式如图4所示，即其为第三阶段起始点所对应的荷载作用次数，该点所对应的应变变化率最小。
(3)疲劳方程的拟合
将疲劳方程设定为破坏面上的剪应力比与流变次数FN的关系，如式(4)所示：
其中，a和b均为待定常数，τ0为试件无侧限受压破坏时破坏面上的最大剪应力值，τn为试件在各级荷载σn作用下剪切面上的剪应力。
τn可利用式(5)计算，原理如图5所示。
式(5)中，已知σu和荷载σn，即能够计算得到τn，由此进一步求得τn/τ0，结合单轴动态蠕变试验所得荷载σn下的FN，可精确拟合得到a、b参数值。对式(4)进行对数变换成式(6)进行线性拟合，拟合结果将相对较精确。
(4)任意载荷水平下蠕变曲线失稳点流变次数的预测
拟合得到a、b参数值后，疲劳方程式(4)即被完全确定。τ0已由无侧限抗压强度试验获得，因此若在任意荷载σn的作用下进行单轴动态蠕变试验，都可有式(5)计算出τn，进而利用疲劳方程即可预测失稳点所对应的流变次数FN。
实施例1：
(1)原材料选择与试件制备
选定研究所需沥青混合料的原材料，对其进行相应的性能试验，各项性能需满足试验要求。选定沥青混合料的级配，并确定最佳油石比及目标空隙率。采用沥青混合料旋转压实仪成型试件。
按规范JTG E20-2011的要求利用旋转压实仪成型6个Φ150mm×150mm的圆柱型试件，再将试样按Φ100mm×100mm切割取芯，分别用于无侧限抗压强度试验及单轴贯入试验；利用马歇尔击实仪成型15个Φ100mm×63.5mm的圆柱型试件用于单轴动态蠕变试验。
(2)抗剪强度试验
将切割取芯后的6个试件分为两组，分别用于无侧限抗压强度试验和单轴贯入试验，每组各进行三个平行试验，取均值后代入式(1)、(2)、(3)中，计算得到抗剪强度参数，即c、τ0。
(3)单轴动态蠕变试验
将马歇尔击实仪成型的15个圆柱型试件分为五组，在各级荷载下进行加载，获取蠕变曲线及流变次数FN，每组各进行三个平行试验。并计算出各级荷载作用下破坏面上的剪应力值τn。
(4)拟合疲劳方程
上述可获得五个剪应力比值，每个剪应力比对应三个流变次数FN，拟合即可获得破坏面上的剪应力比与流变次数FN的关系，即疲劳方程。
(5)预测蠕变失稳点
给定单轴动态蠕变试验的任意加载值，可计算出该种沥青混合料破坏面上的剪应力值，进而利用方程直接得到失稳点对应的流变次数FN。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种沥青混合料高温蠕变失稳点流变次数的确定方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)测定抗剪强度参数
1-1)无侧限抗压强度值
利用无侧限抗压强度试验获取沥青混合料的无侧限抗压强度值σu，并画出沥青混合料无侧限受压破坏状态下的应力莫尔圆；
1-2)单轴贯入强度值
将C1作为最大主应力值σ1的强度参数，C3作为最小主应力值σ3的强度参数；通过有限元模拟分析计算当沥青混合料泊松比为0.35、贯入强度为1MPa时，强度参数C1和C3的值；通过单轴贯入试验得到的最大贯入压力P乘以强度参数C1获得最大主应力值σ1，乘以强度参数C3获得最小主应力值σ3，并画出沥青混合料单轴贯入破坏时的应力莫尔圆；
1-3)抗剪强度参数
以莫尔-库伦理论为前提，将所述沥青混合料无侧限受压破坏状态下的应力莫尔圆和沥青混合料单轴贯入破坏时的应力莫尔圆在同一个坐标系下表示，可得：
其中，c为沥青混合料的粘聚力；为材料的内摩擦角；τ0为无侧限受压破坏时破坏面上的最大剪应力值；
(2)流变次数FN的测定
将单轴动态蠕变试验设置多级荷载，获得各级荷载σn条件下材料变形与循环加载数间的关系，即蠕变曲线，利用所得蠕变曲线确定材料失稳点所对应的流变次数FN，所述流变次数FN即看作材料循环破坏寿命；
(3)疲劳方程的拟合
将疲劳方程设定为破坏面上的剪应力比与流变次数FN的关系，如式(4)所示：
其中，a和b均为待定常数，τ0为沥青混合料无侧限受压破坏时破坏面上的最大剪应力值，τn为沥青混合料在各级荷载σn作用下剪切面上的剪应力；τn计算如式(5)所示；
式(5)中，已知σu和荷载σn，即能够计算得到τn，由此进一步求得τn/τ0，结合单轴动态蠕变试验所得荷载σn下的FN，利用疲劳方程式(4)拟合得到a、b参数值；
(4)任意载荷水平下蠕变曲线失稳点流变次数的预测
拟合得到a、b参数值后，疲劳方程式(4)即被完全确定；已知σu与τ0，因此在任意荷载σn的作用下进行单轴动态蠕变试验，都可由式(5)计算出τn，进而利用疲劳方程即可预测失稳点所对应的流变次数FN。
2.根据权利要求1所述的一种沥青混合料高温蠕变失稳点流变次数的确定方法，其特征在于，所述最大主应力值σ1的强度参数C1、最小主应力值σ3的强度参数C3通过三维有限元模拟并计算得到，C1为0.7650，C3为0.0872。
3.根据权利要求1所述的一种沥青混合料高温蠕变失稳点流变次数的确定方法，其特征在于，所述单轴动态蠕变试验在万能材料试验机UTM-25的加载室内进行，加载波形选用半正弦波，加载频率为1Hz，加载0.1s、间歇0.9s；并采用20kPa的预压应力进行预加载，作用时间300s；试验温度设定为60℃。
4.根据权利要求1所述的一种沥青混合料高温蠕变失稳点流变次数的确定方法，其特征在于，将单轴动态蠕变试验设置五级荷载，分别为无侧限受压强度值σu的0.60、0.65、0.70、0.75、0.80倍。
5.根据权利要求1所述的一种沥青混合料高温蠕变失稳点流变次数的确定方法，其特征在于，步骤(2)中，所述流变次数FN为第三阶段起始点所对应的荷载作用次数，所述第三阶段起始点所对应的应变变化率最小，所述第三阶段为加速失稳阶段。
6.根据权利要求1所述的一种沥青混合料高温蠕变失稳点流变次数的确定方法，其特征在于，步骤(3)中，利用疲劳方程式(4)拟合时，对式(4)进行对数变换成式(6)，再对式(6)拟合得到a、b参数值；
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