CN105891029B - 一种基于断裂力学理论的沥青疲劳性能评价方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于断裂力学理论的沥青疲劳性能评价方法，方法如下：采用动态剪切流变仪对沥青进行疲劳试验，基于其基础试验参数计算裂纹长度数据与累计耗散能数据并绘制累计耗散能‑裂纹长度曲线，分析确定应力、应变控制模式下的裂纹发展缓慢扩展期进入失稳动态扩展期的转折点，即累计耗散能‑裂纹长度曲线第三个转折点，将该转折点处裂纹长度对应的荷载作用次数作为沥青疲劳寿命，完成对沥青疲劳性能的评价。本发明对应力、应变控制模式下沥青疲劳性能进行了评价，从内部结构变化分析揭示了沥青疲劳性能损伤机理，对于沥青材料的抗疲劳性能的评价，乃至沥青材料生产与应用具有重要意义。

Description

一种基于断裂力学理论的沥青疲劳性能评价方法
技术领域
本发明涉及一种基于断裂力学理论的沥青疲劳性能评价方法，属于沥青疲劳性能的评价方法技术领域。
背景技术
沥青的疲劳损伤演化被归结为微观裂纹的产生、联合，宏观裂缝的形成、发展，直至材料完全破坏。目前，研究人员们采用模量、耗散能等粘弹参数的变化代表裂纹的发展过程，然而，在不同的荷载作用模式下，对沥青内部裂纹的出现与发展并不清楚。同时，多种疲劳判定指标不能完全反映沥青的疲劳破坏内部细观结构变化情况，对疲劳寿命临界点的界定缺乏比较有力的判据，因而，基于断裂力学理论分析沥青内部裂纹发展过程中的能量变化规律，从而提出一种沥青疲劳性能评价指标，这对沥青生产及市场应用具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前多种沥青疲劳评价指标不能完全反映沥青的疲劳破坏内部细观结构变化情况，对疲劳寿命临界点的界定缺乏有力判据的问题，进而提供一种基于断裂力学理论的沥青疲劳性能评价方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于断裂力学理论的沥青疲劳性能评价方法，包括以下步骤：
步骤一、用动态剪切流变仪对沥青进行8mm平行板应力扫描试验和应变扫描试验，然后以应变为横坐标、应力为纵坐标绘制应力-应变关系曲线，在应力-应变曲线的线性阶段选取应力值和应变值；
步骤二、以步骤一选取的应力值或者应变值作为控制荷载，用动态剪切流变仪在应力、应变控制模式下对沥青施加以控制荷载为幅值的正弦荷载直到发生疲劳破坏，采集疲劳过程中的应力σ、应变ε、相位角δ、转矩T、偏转角和动态模量|G*|这些基础动态数据；
步骤三、根据步骤二得到的应力控制模式和应变控制模式下的复数模量偏转角试件高度h＝0.002m这些试验参数，依据公式计算得到各点裂纹长度，同时根据步骤二中得到的应力σ，应变ε和相位角δ这些粘弹参数，依据公式wi＝πσεsinδ、计算得到各点累计耗散能W，进而以疲劳过程中的裂纹长度r为横坐标、累计耗散能W为纵坐标绘制累计耗散能-裂纹长度曲线；
步骤四、分析步骤三得到的应力、应变控制模式下累计耗散能-裂纹长度曲线存在三个转折点，基于断裂力学理论将累计耗散能-裂纹长度曲线分为四个不同阶段，其分别为孕育期、过渡期、缓慢扩展期和失稳动态扩展期。分析裂纹发展从缓慢扩展期进入失稳动态扩展期的时刻对应于累计耗散能-裂纹长度曲线后期由线性阶段进入非线性阶段的第三个转折点，计算两种控制模式下的累计耗散能-裂纹长度曲线该转折点处裂纹长度，基于该裂纹长度得到两种控制模式下的荷载作用次数，即沥青的疲劳寿命。
本发明的有益效果
作为一种沥青疲劳性能的评价指标，其评定沥青疲劳寿命的转折点具有十分关键的意义，即累计耗散能-裂纹长度曲线后期转折点之前，沥青疲劳过程内部裂纹发展处于缓慢扩展期裂纹稳定发展；累计耗散能-裂纹长度曲线后期转折点之后，沥青疲劳过程中裂纹发展处于失稳动态扩展期裂纹开始失稳扩展，沥青加速疲劳破坏。
本发明对应力、应变控制模式下沥青疲劳性能进行了评价，从内部结构变化分析揭示了沥青疲劳性能损伤机理，对于沥青材料的抗疲劳性能的评价，乃至沥青材料生产与应用具有重要意义。
附图说明
图1为应力扫描试验结果图，图中I表示试验荷载区。
图2为应变扫描试验结果图，图中II表示试验荷载区。
图3为应力控制模式下累计耗散能-裂纹长度曲线图。
图4为应变控制模式下累计耗散能-裂纹长度曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对发明做进一步的详细说明：本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但发明的保护范围不限于下述实施例。
本实施例所涉及的一种基于断裂力学理论的沥青疲劳性能评价方法，包括以下步骤：
步骤一、用动态剪切流变仪对沥青进行8mm平行板应力扫描试验和应变扫描试验，然后以应变为横坐标、应力为纵坐标绘制应力-应变关系曲线，在应力-应变曲线的线性阶段选取应力值和应变值(如图1、图2所示)；
步骤二、以步骤一选取的应力值或者应变值作为控制荷载，用动态剪切流变仪在应力、应变控制模式下对沥青施加以控制荷载为幅值的正弦荷载直到发生疲劳破坏，采集疲劳过程中的应力σ、应变ε、相位角δ、转矩T、偏转角和动态模量|G*|这些基础动态数据；
步骤三、根据步骤二得到的应力控制模式和应变控制模式下的复数模量偏转角试件高度h＝0.002m这些试验参数，依据公式计算得到各点裂纹长度，同时根据步骤二中得到的应力σ，应变ε和相位角δ这些粘弹参数，依据公式wi＝πσεsinδ、计算得到各点累计耗散能W，进而以疲劳过程中的裂纹长度r为横坐标、累计耗散能W为纵坐标绘制累计耗散能-裂纹长度曲线(如图3、图4所示)；
步骤四、分析步骤三得到的应力、应变控制模式下累计耗散能-裂纹长度曲线存在三个转折点，基于断裂力学理论将累计耗散能-裂纹长度曲线分为四个不同阶段，其分别为孕育期、过渡期、缓慢扩展期和失稳动态扩展期。分析裂纹发展从缓慢扩展期进入失稳动态扩展期的时刻对应于累计耗散能-裂纹长度曲线后期由线性阶段进入非线性阶段的第三个转折点(切点)，对应附图3、图4中的A点。计算两种控制模式下的累计耗散能-裂纹长度曲线该转折点处裂纹长度(0.001mm)，基于该裂纹长度得到两种控制模式下的荷载作用次数，即沥青的疲劳寿命。
作为一种沥青疲劳性能的评价指标，其评定沥青疲劳寿命的转折点具有十分关键的意义，即累计耗散能-裂纹长度曲线后期转折点之前，沥青疲劳过程内部裂纹发展处于缓慢扩展期裂纹稳定发展；累计耗散能-裂纹长度曲线后期转折点之后，沥青疲劳过程中裂纹发展处于失稳动态扩展期裂纹开始失稳扩展，沥青加速疲劳破坏。
以上所述，仅为发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于发明整体构思下的不同实现方式，而且发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在发明的保护范围之内。因此，发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于断裂力学理论的沥青疲劳性能评价方法，其特征在于，
步骤一、用动态剪切流变仪对沥青进行8mm平行板应力扫描试验和应变扫描试验，然后以应变为横坐标、应力为纵坐标绘制应力-应变关系曲线，在应力-应变曲线的线性阶段选取应力值和应变值；
步骤二、以步骤一选取的应力值或者应变值作为控制荷载，用动态剪切流变仪在应力、应变控制模式下对沥青施加以控制荷载为幅值的正弦荷载直到发生疲劳破坏，采集疲劳过程中的应力σ、应变ε、相位角δ、转矩T、偏转角和动态模量|G*|这些基础动态数据；
步骤三、根据步骤二得到的应力控制模式和应变控制模式下的复数模量偏转角试件高度h＝0.002m这些试验参数，依据公式计算得到各点裂纹长度，同时根据步骤二中得到的应力σ，应变ε和相位角δ这些粘弹参数，依据公式wi＝πσεsinδ、计算得到各点累计耗散能W，进而以疲劳过程中的裂纹长度r为横坐标、累计耗散能W为纵坐标绘制累计耗散能-裂纹长度曲线；
步骤四、分析步骤三得到的应力、应变控制模式下累计耗散能-裂纹长度曲线存在三个转折点，基于断裂力学理论将累计耗散能-裂纹长度曲线分为四个不同阶段，其分别为孕育期、过渡期、缓慢扩展期和失稳动态扩展期；分析裂纹发展从缓慢扩展期进入失稳动态扩展期的时刻对应于累计耗散能-裂纹长度曲线后期由线性阶段进入非线性阶段的第三个转折点，计算两种控制模式下的累计耗散能-裂纹长度曲线该转折点处裂纹长度，基于该裂纹长度得到两种控制模式下的荷载作用次数，即沥青的疲劳寿命。
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