CN106644786A - 一种评价沥青胶砂疲劳性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种评价沥青胶砂疲劳性能的方法，将沥青胶结料和集料成型制成沥青胶砂试件，通过沥青胶砂试件在给定荷载循环次数N下的裂缝扩展指数ΔR(N)来评价沥青胶砂的疲劳性能。本发明提供的方法结合了沥青与集料表面自由能试验和动态力学分析试验方法，使用应力‑伪应变曲线围成的面积表征疲劳试件发生破坏后耗散能且可以消除时间效应，用来评价沥青胶砂的抗疲劳性能，预测沥青胶砂及沥青混合料的疲劳寿命。与其他疲劳试验相比，本发明测试方法试验投资小、试验周期短、动态荷载下能够代表路面的实际受力状态。

Description

一种评价沥青胶砂疲劳性能的方法

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及到一种评价沥青胶砂疲劳性能的方法。

背景技术

疲劳破坏是沥青路面最主要的破坏形式之一，早在1942年O.J.Porter就指出了沥青路面在行车荷载作用下会产生疲劳破坏的现象。为了保证沥青路面具有良好的使用性与耐久性，世界各国沥青路面设计方法均以路面疲劳特性作为基本的设计原则，因此研究沥青混合料的疲劳特性意义重大。

国内外研究者采用不同途径研究沥青混合料的疲劳性能，这些方法可归为三类：现象学方法、断裂力学方法及能耗理论。现象学方法认为沥青混合料的疲劳是在荷载重复作用下产生强度衰减累积引起的破坏现象。荷载作用下，路面承受的应力或应变越大，强度损伤越剧烈，则能够承受的荷载重复作用次数越少，反之亦然。

随着损伤力学、粘弹性力学、弹塑性力学等力学分支的发展，应用断裂力学的方法研究沥青混合料得到不断发展，研究人员提出了多种断裂力学分析方法，但最后都与Paris的裂缝增长理论分不开。

1975年，Van Dijk等将能耗理论应用于分析沥青混合料的疲劳问题，并得出累积耗散能与疲劳寿命间的关系与混合料有关，但与试验方法(四点弯曲)，温度(10～40℃)、加载模式(控制应力或控制应变)以及频率(10～50Hz)无关。这样通过能量模型，就可以将复杂的加载情况，通过简单的室内试验来分析。

张肖宁、张婧娜、黄卫、邓学钧等人最早在国内应用能量模型分析沥青混合料的疲劳问题。近几年，郑健龙等人在耗散能理论的基础上基于累积耗散能建立沥青混合料的疲劳模型。

2000年，邹桂莲在能量模型与断裂力学基础上，提出了利用沥青混合料在冲击荷载下的冲击韧性评价沥青混合料抵抗疲劳能力的试验方法。冲击韧性代表材料在冲击荷载作用下发生断裂前积蓄的能量，是初始加载循环中积蓄的能量的函数。冲击韧性值越大，材料疲劳性能越好。

据研究表明，沥青混合料的疲劳开裂主要集中在混合料的砂浆部分，该部分主要是沥青胶结料和过1.1.8mm筛的集料。而沥青胶砂中裂缝的引起和扩展主要依赖于材料的特性，包括蠕变柔性、裂缝扩展消耗能力及沥青与集料之间的粘附功。

现有技术中用于评价沥青胶砂疲劳性能的试验设备庞大、试验投资高、非动态荷载不能够代表路面实际受力状态的缺陷，存在诸多不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种试验投资小、试验周期短、动态荷载下评价不同沥青胶砂疲劳性能的方法，以克服现有技术试验设备庞大、试验投资高、非动态荷载不能够代表路面实际受力状态的缺陷。

本发明的上述目的是通过下面的技术方案得以实现的：

一种评价沥青胶砂疲劳性能的方法，将沥青胶结料和集料成型制成沥青胶砂试件，通过沥青胶砂试件在给定荷载循环次数N下的裂缝扩展指数ΔR(N)来评价沥青胶砂的疲劳性能，裂缝扩展指数ΔR(N)通过如下公式计算：

其中，N为任意给定的荷载循环次数，N＞1；

其中，粘附功ΔG_f、参考模量G_R、松弛参数m、松弛模量E₁、疲劳参数b为沥青胶砂试件的性能参数，通过表面自由能试验和动态力学分析方法试验获得，具体为：

ΔG_f为沥青胶结料和集料的粘附功，通过表面自由能试验获得；

G_R为低应变周期荷载作用下未破坏的沥青胶砂复数参考模量，通过动态力学分析方法试验中低应变试验获得，且试件在循环过程中没有发生损伤破坏；

E₁、m分别为低应变周期荷载作用下沥青胶砂的松弛模量以及松弛参数，通过动态力学分析方法试验中低振幅恒定应变松弛试验获得，二者与对应时间t满足以下公式：

E(t)＝E₀+E₁t^-m

其中，E₀为常数；

b为高应变周期荷载作用下沥青胶砂的疲劳参数，通过如下公式计算得出：

W_R＝a+bln(N)

其中，a为常数，N为给定荷载循环次数，N＞1；W_R为耗散伪应变能，通过材料应力测量值-伪应变曲线的面积计算得出。

优选地，评价沥青胶砂疲劳性能的方法中，所述沥青胶砂试件通过旋转压实仪成型，目标空隙率为8-12％；试件尺寸为45mm×10mm×10mm。

优选地，评价沥青胶砂疲劳性能的方法中，在获取松弛参数m和松弛模量E₁时，对胶砂试件施加0.0065％的应变进行300s的松弛试验。

优选地，评价沥青胶砂疲劳性能的方法中，在获取复数参考模量G_R时，对胶砂试件施加0.0065％的应变，10Hz正弦波持续500个循环。

优选地，评价沥青胶砂疲劳性能的方法中，在获取疲劳参数b时，在高应变下以10Hz正弦波循环加载到规定的加载循环次数或者直到胶砂试件破坏，获得每个循环的应变，进而求得耗散伪应变能W_R。

更优选地，所述高应变为0.01％。

上述方法在评价不同沥青胶砂的疲劳性能中的应用。

本发明对现有技术的贡献：

本发明提供的方法结合了表面自由能试验和动态力学分析试验方法，使用应力-伪应变曲线围成的面积表征疲劳试件发生破坏后耗散能且可以消除时间效应，用来评价沥青胶砂的抗疲劳性能，预测沥青胶砂及沥青混合料的疲劳寿命。将沥青与集料之间的粘附功与动态力学分析方法相结合，提出疲劳扩展指标，用来模拟和预测疲劳开裂的扩展，与其他疲劳试验相比，本发明测试方法试验投资小、试验周期短、动态荷载下能够代表路面的实际受力状态。

具体实施方式

下面结合实施例具体介绍本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。实验中未详述的试验操作均为本领域技术人员所熟知的常规试验操作。

为便于理解，下面结合实施例对本发明的具体实施过程作进一步说明：

分别对按照设计级配，成型制备江苏70#、林拉90#、塔河90#以及克拉玛依90#四种沥青(即沥青胶结料)制备沥青胶砂试件，按照本发明提供的方法比较不同沥青胶砂的疲劳性能，同时利用传统的四点弯曲试验评价法来评价上述沥青胶砂的疲劳性能以验证本发明方法的可靠性。本发明评价方法的结束条件为1000次，或者胶砂试件破坏结束试验，当达到任何一个条件时停止试验。本实施中的材料均是执行到了加载循环次数1000次。

其中实施例1～4以及对照例5中的沥青胶砂所用的级配一样，具体如下表1所示。其中所用的集料为石灰石岩矿料，各项指标均符合《公路工程集料试验规程》规范要求。

表1矿料的合成级配通过率

本发明评价方法包括以下步骤：

S1：按照旋转压实仪成型试件，目标空隙率控制在10％±0.5％，切成尺寸为45mm×10mm×10mm的试件；

S2：低应变周期荷载作用下(粘弹性力学特性)确定沥青胶砂的松弛模量E₁以及松弛参数m；在获取松弛参数m和松弛模量E₁时，对胶砂试件施加0.0065％的应变进行300s的松弛试验，通过动态力学分析方法试验中低振幅恒定应变松弛试验获得，二者与对应时间t满足以下公式：E(t)＝E₀+E₁t^-m，其中，E₀为常数。

S3：确定低应变周期荷载作用下未破坏的沥青胶砂复数参考模量G_R；通过动态力学分析方法试验中低应变试验获得，且试件在循环过程中没有发生损伤破坏；具体地，对胶砂试件施加0.0065％的应变，10Hz正弦波持续500个循环；

S4：建立高应变周期荷载作用下的疲劳损伤方程，利用最小二乘法确定疲劳参数b；

疲劳损伤方程为W_R＝a+bln(N)；其中，a为常数，N为给定荷载循环次数，N＞1；W_R为耗散伪应变能，通过材料应力测量值-伪应变曲线的面积计算得出；在获取疲劳参数b时，在0.01％应变下以10Hz正弦波循环加载到规定的加载循环次数或者直到胶砂试件破坏，获得每个循环的应变，进而求得耗散伪应变能W_R。

S5：利用表面自由能试验确定沥青胶结料和集料的粘附功ΔG_f；

S6：建立疲劳荷载作用下的沥青胶砂裂缝扩展指数方程，求出裂缝扩展指数ΔR(N)；

其中，N为任意给定的荷载循环次数，N＞1。

下述实施例中，集料和沥青的粘附功由表面自由能试验，采用视频光学接触角测量仪DSA100-Kruss来测得，动态力学分析方法试验采用动态剪切流变仪DHR-2来测得。

实施例1江苏70#沥青胶砂

将符合要求的试件按照本发明的试验方法按步骤进行。

通过低应变周期荷载作用下确定江苏70#沥青胶砂的松弛模量E₁以及松弛参数m。

表2江苏70#沥青胶砂E₁和m值

沥青胶砂类型	E1	m
			江苏70#	2.1E+08	0.4

确定低应变周期荷载作用下未破坏的江苏70#沥青胶砂复数参考模量G_R：

通过计算江苏70#沥青胶砂参考模量G_R为2.82E+09。

建立高应变周期荷载作用下的疲劳损伤方程，确定疲劳参数b；通过计算江苏70#沥青胶砂的疲劳参数b为31.6967。

利用表面自由能试验确定沥青胶结料和集料的粘附功ΔG_f；江苏70#沥青胶结料和集料的粘附功ΔG_f为53.35mJ/m²。

建立疲劳荷载作用下的沥青胶砂裂缝扩展指数方程，求出裂缝扩展指数ΔR(N)。经过计算江苏70#沥青胶砂的裂缝扩展指数ΔR(N)为6.2628。

实施例2林拉90#沥青胶砂

将符合要求的试件按照本发明的试验方法按步骤进行。

通过低应变周期荷载作用下确定林拉90#沥青胶砂的松弛模量E₁以及松弛参数m。

表3林拉90#沥青胶砂E₁和m值

沥青胶砂类型	E1	m
			林拉90#	5.25E+08	0.23

确定低应变周期荷载作用下未破坏的林拉90#沥青胶砂复数参考模量G_R。

通过计算林拉90#沥青胶砂参考模量G_R为3.00E+09。

建立高应变周期荷载作用下的疲劳损伤方程，确定疲劳参数b；通过计算林拉90#沥青胶砂的疲劳参数b为100。

利用表面自由能试验确定沥青胶结料和集料的粘附功ΔG_f；林拉90#沥青胶结料和集料的粘附功ΔG_f为45.58mJ/m²。

建立疲劳荷载作用下的沥青胶砂裂缝扩展指数方程，求出裂缝扩展指数ΔR(N)，经过计算林拉90#沥青胶砂的裂缝扩展指数ΔR(N)为6.8519。

实施例3塔河90#沥青胶砂

将符合要求的试件按照本发明的试验方法按步骤进行。

通过低应变周期荷载作用下确定塔河90#沥青胶砂的松弛模量E₁以及松弛参数m。

表4塔河90#沥青胶砂E₁和m值

沥青胶砂类型	E1	m
			塔河	4.00E+08	0.28

确定低应变周期荷载作用下未破坏的塔河90#沥青胶砂复数参考模量G_R：

通过计算塔河90#沥青胶砂参考模量G_R为3.60E+09。

建立高应变周期荷载作用下的疲劳损伤方程，确定塔河90#沥青胶砂疲劳参数b；通过计算塔河90#沥青胶砂的疲劳参数b为619.03。

利用表面自由能试验确定塔河沥青胶砂沥青胶结料和集料的粘附功ΔG_f；塔河90#沥青胶结料和集料的粘附功ΔG_f为36.64mJ/m²。

建立疲劳荷载作用下的沥青胶砂裂缝扩展指数方程，求出塔河90#沥青胶砂裂缝扩展指数ΔR(N)；经过计算塔河90#沥青胶砂的裂缝扩展指数ΔR(N)为21.7056。

实施例4克拉玛依90#沥青胶砂

将符合要求的试件按照本发明的试验方法按步骤进行。

通过低应变周期荷载作用下确定克拉玛依90#沥青胶砂的松弛模量E₁以及松弛参数m。

表5沥青胶砂E₁和m值

沥青胶砂类型	E1	m
			克拉玛依沥青胶砂	1.00E+09	0.39

确定低应变周期荷载作用下未破坏的克拉玛依沥青胶砂复数参考模量G_R：

通过计算克拉玛依90#沥青胶砂参考模量G_R为3.62E+09。

建立高应变周期荷载作用下的疲劳损伤方程，确定克拉玛依90#沥青胶砂疲劳参数b；通过计算克拉玛依90#沥青胶砂的疲劳参数b为142.2067。

利用表面自由能试验确定克拉玛依90#沥青胶结料和集料的粘附功ΔG_f；克拉玛依90#沥青胶结料和集料的粘附功ΔG_f为45.03mJ/m²。

建立疲劳荷载作用下的沥青胶砂裂缝扩展指数方程，求出克拉玛依90#沥青胶砂裂缝扩展指数ΔR(N)；经过计算克拉玛依90#沥青胶砂的裂缝扩展指数ΔR(N)为7.2802。

四种沥青胶砂按照本发明试验方法计算的疲劳扩展指数如下表6所示。

表6裂缝扩展指数

沥青胶砂类型	△R(N)
		江苏70#	6.2628
林拉90#	6.8519
		塔河90#	21.7056
克拉玛依90#	7.2802

沥青胶砂裂缝扩展指数△R(N)从大到小的排列次序为：塔河90#＞克拉玛依90#＞林拉90#＞江苏70#，即塔河砂浆试件经过1000次循环后，与初始开裂裂缝半径相比，裂缝半径变化最大，说明塔河90#胶砂抵抗疲劳破坏能力最差，克拉玛依90#和林拉90#次之，江苏70#抗疲劳性能最好。

对照例5传统四点弯曲试验评价法

按照四点疲劳试验的条件，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE20—2011，考虑到实验周期，本实验中以疲劳次数达到100万次是的弯曲劲度模量的衰减率来评价其疲劳性能，衰减程度越小，其疲劳性能越好。

对照组所用的试件的成型方式和尺寸和本实验方法所用的尺寸不同，对照组所用的试件为轮碾成型的混合料板块中切割，尺寸为长度为380mm±5mm

厚度为50mm±5mm，宽度为63.5mm±5mm的小梁试件。

实验条件为温度15℃±0.5℃，加载频率为10Hz±0.5Hz，采用恒应变控制的连续偏正弦加载模式。

试验终止条件为疲劳次数达到100万次循环。本对照组所测试的沥青胶砂试件均达到100万次的加载循环次数。

对照组沥青胶砂的空隙率与本发明所要求的空隙率一样。具体的空隙率可通过碾压次数来调节到目标空隙率。

对照组四种沥青胶砂疲劳试验的试验结果如下表7所示：

表7沥青胶砂的弯曲劲度模量的衰减率

劲度模量	衰减率(％)
		江苏70#	51％
林拉90#	54％
		塔河90#	83％
克拉玛依90#	67％

通过实验发现，沥青胶砂的弯曲劲度模量的衰减率从大到小的排列次序为：塔河90#＞克拉玛依90#＞林拉90#＞江苏70#，与本发明的试验方法得出的试验结果一致，但本发明提供的评价方法试验投资小、试验周期短、动态荷载下能够代表路面的实际受力状态。所以，本发明的评价方法可作为评价沥青胶砂疲劳性能的一种方法。

以上实施例仅用于解释本发明，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进行的任何显而易见改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种评价沥青胶砂疲劳性能的方法，将沥青胶结料和集料成型制成沥青胶砂试件，其特征在于：通过沥青胶砂试件在给定荷载循环次数N下的裂缝扩展指数ΔR(N)来评价沥青胶砂的疲劳性能，裂缝扩展指数ΔR(N)为：

$\mathrm{\Δ}R\left(N\right)={\[\frac{{(2n+1)}^{n+1}}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^n}{\left(\frac{G_R}{E_1}\right)}^n{\left(\frac{b}{{\mathrm{\ΔG}}_f}\right)}^{n}N\]}^{\frac{1}{2n+1}};$

其中，N为任意给定的荷载循环次数，N＞1；

ΔG_f为沥青胶结料和集料的粘附功，通过表面自由能试验获得；

G_R为低应变周期荷载作用下未破坏的沥青胶砂复数参考模量，通过动态力学分析方法试验中低应变试验获得，且试件在循环过程中没有发生损伤破坏；

E₁、m分别为低应变周期荷载作用下沥青胶砂的松弛模量以及松弛参数，通过动态力学分析方法试验中低振幅恒定应变松弛试验获得，二者与对应时间t满足以下公式：

E(t)＝E₀+E₁t^-m

其中，E₀为常数；

b为高应变周期荷载作用下沥青胶砂的疲劳参数，通过如下公式计算得出：

W_R＝a+b ln(N)

其中，a为常数，N为给定荷载循环次数，N＞1；W_R为耗散伪应变能，通过应力测量值-伪应变曲线的面积计算得出。

2.根据权利要求1所述的评价沥青胶砂疲劳性能的方法，其特征在于：所述沥青胶砂试件通过旋转压实仪成型，目标空隙率为8-12％；试件尺寸为45mm×10mm×10mm。

3.根据权利要求1所述的评价沥青胶砂疲劳性能的方法，其特征在于：在获取松弛参数m和松弛模量E₁时，对胶砂试件施加0.0065％的应变进行300s的松弛试验。

4.根据权利要求1所述的评价沥青胶砂疲劳性能的方法，其特征在于：在获取复数参考模量G_R时，对胶砂试件施加0.0065％的应变，10Hz正弦波持续500个循环。

5.根据权利要求1所述的评价沥青胶砂疲劳性能的方法，其特征在于：在获取疲劳参数b时，在高应变下以10Hz正弦波循环加载到规定的加载循环次数或者直到胶砂试件破坏，获得每个循环的应变，进而求得耗散伪应变能W_R。

6.根据权利要求5所述的评价沥青胶砂疲劳性能的方法，其特征在于：高应变为0.01％。

7.权利要求1-6任一所述方法在评价不同沥青胶砂的疲劳性能中的应用。