CN107422034B - 一种基于超声波法的沥青-集料界面疲劳试验方法 - Google Patents

一种基于超声波法的沥青-集料界面疲劳试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波法的沥青‑集料界面疲劳试验方法，所述集料为岩体，包括如下步骤：(1)制备上、下岩石切片；(2)制备“岩片‑沥青‑岩片”结构试件；(3)通过超声波法获得沥青‑集料界面的最大粘结力；(4)通过对沥青‑集料界面进行循环疲劳加载，回归得到界面破坏的疲劳方程；(5)验证并修正疲劳破坏模型；本发明的的沥青‑集料界面疲劳试验方法将界面粘结力与疲劳特性统一起来，在获得最大界面粘结力的基础上研究分析出其内在关系，同时将局部微结构的疲劳性能与整体结构的疲劳性能统一起来，能最大程度地预估整体结构的疲劳发展过程进而获得细观界面的疲劳特性。

Description

一种基于超声波法的沥青-集料界面疲劳试验方法
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，尤其涉及一种基于超声波法的沥青-集料界面疲劳试验方法。
背景技术
沥青混合料的疲劳是材料在荷载重复作用下产生的不可恢复的强度衰减累积所引起的现象。传统的疲劳理论方法采用疲劳曲线表征材料的疲劳性质，可通过现象学法的试验室小型试件的疲劳试验进行研究。室内小型疲劳试验方法有：三分点小梁弯曲(四点弯曲)试验、中点加载小梁弯曲试验、悬臂梁试验、间接拉伸试验、旋转悬臂试验等。疲劳试验可采用控制应力和控制应变两种加载模式。应力控制加载模式，在反复加载下保证施加荷载或应力的峰谷值保持不变，以试件完全破坏为疲劳破坏标准；应变控制加载模式，在反复加载下保证挠度和试件底部应变峰值不变，以劲度下降到初始劲度50％为疲劳破坏标准。现行规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTG E20—2011》T0739—2011沥青混合料四点弯曲疲劳寿命试验只能获得沥青混合料整体破坏的综合指标，未能揭示发生在沥青和集料界面的疲劳破坏的本质。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种利用超声波法测试小尺度下界面粘结与疲劳破坏相结合的试验方法。
技术方案：一种基于超声波法的沥青-集料界面疲劳试验方法，所述集料为岩体，包括如下步骤：
(1)制备上、下岩石切片，具体为：岩石切片的切面打磨光滑，以排除表面平整度的干扰，并在水中进行超声波除杂处理后，再在四氯化碳中浸泡后取出，保证岩石切片在切除和磨光后不受污染，在恒温下测量岩石切片的厚度以及弹性模量E；
(2)制备“岩片-沥青-岩片”结构试件，该结构试件的上下层为岩石切片，中间层为沥青膜，具体为：将上下岩石切片和沥青在130-140℃下保温1-2h后，并在相同温度下在岩石切片表面涂抹沥青，将上下岩石切片粘结紧密，使其中间形成均匀的沥青膜；在恒温下测定沥青膜的厚度；
(3)通过超声波法获得沥青-集料界面的最大粘结力，具体为：先将步骤(2)制得的结构试件在恒温下养护3-4h后，采用布兰森模型超声波降解器进行测试，该结构试件的上岩石切片的上切面与探头固定，其与探头的接触部分涂环氧沥青，并在170-180℃下养护40-50min，试验开始前，通过布兰森模型超声波降解器调节，获得与岩石切片一致的共振频率，试验开始时，设定步长增加电压，绘制电压与振幅的关系图，当电压和振幅曲线上出现突变的不连续点时表明界面脱离，此时电压为极限电压Um，此时的界面粘结力F则为最大界面粘结力Fm；
(4)通过对沥青-集料界面进行循环疲劳加载，回归得到界面破坏的疲劳方程，具体为：疲劳加载：设定加载电压为0.4-0.6倍的Um，在选取指定的加载电压时获得恒定的振幅和界面力，加载方式采用控制应力的间歇式周期加载，即加载0.1s，卸载0.9s，试验中止条件为界面脱离，绘制电压与振幅关系图，当电压和振幅曲线上出线突变的不连续点，这时为疲劳破坏对应的电压Uf，同时记录加载时间以及对应的加载次数；回归疲劳方程：采用控制应力的疲劳破坏在双对数坐标上回归成直线方程回归方程：
σ＝F/S
Nf＝k1(σm/σ)k2(E)k3
其中，Nf为疲劳寿命，σm为平均最大界面粘结力，σ为平均界面粘结力，k1为修正系数，k2、k3分别为应力、弹性模量影响系数(针对于本次试验模拟，需要做一系列试验，获得(Nf，σ，E)，即可回归得到这三个影响系数)，F通过步骤(3)所得，S为下岩石切片的横截面积；
(5)验证并修正疲劳破坏模型，具体为：对于与不同材料的岩体，分别测定下层岩石切片的弹性模量E，对不同材料、不同模量的疲劳方程进行验证校正(即本次室内试验与现场足尺试验比较修正公式中的系数)，对于模量相同、界面粘结力不同的组合模式，其疲劳破坏关于最大粘结力之间的关系进行进一步修正最后探讨粘结力与疲劳破坏的内在联系。
其中，步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中所述的恒温为14-16℃，且三处的温度值相同。
进一步的，所述步骤(1)中岩石切片为通过钻孔取芯获得圆饼状岩体，横截面半径为1-2cm，厚度为0.1-1cm。
进一步的，步骤(1)中岩石切片在四氯化碳中浸泡时长为4-6min。
进一步的，步骤(2)中沥青膜厚度为4-6μm。
进一步的，步骤(3)中界面粘结力的计算式为：
F＝ma＝m(2πf)2A
其中F为界面粘结力，m为下岩石切片的质量，a为下岩石切片下坠加速度，f为共振频率，A为与施加电压成正比输出的振幅
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：将界面粘结力与疲劳特性统一起来，在获得最大界面粘结力的基础上研究分析出其内在关系，同时将局部微结构的疲劳性能与整体结构的疲劳性能统一起来，能最大程度地预估整体结构的疲劳发展过程进而获得细观界面的疲劳特性。
具体实施方式
实施例1
一种基于超声波法的沥青-集料界面疲劳试验方法，所述集料为岩体，
所需要的仪器：布兰森模型超声波降解器
仪器由电源、换能器和三种超声波变幅杆、探头组成。通过电源调节，可获得与岩石切片一致的共振频率；并且电压增加与振幅增加是线性关系，可以通过调节电压来改变超声波的振幅，从而改变传递到岩石切片的能量大小，进一步改变岩石切片与沥青膜之间的界面粘结力。
所需要的材料：
“岩石切片-沥青-岩石切片”三层结构，岩石切片钻孔取芯获得，横截面半径1cm，厚度为0.1cm。
试验包括如下步骤：
(1)制备上、下岩石切片，具体为：岩石切片的切面打磨光滑，并在水中进行超声波除杂处理后，再在四氯化碳中浸泡后取出，在恒温下测量岩石切片的厚度以及弹性模量E；
(2)制备“岩片-沥青-岩片”结构试件，该结构试件的上下层为岩石切片，中间层为沥青膜，具体为：将上下岩石切片和沥青在130℃下保温1h后，并在相同温度下在岩石切片表面涂抹沥青，将上下岩石切片粘结紧密，使其中间形成均匀的沥青膜；在恒温下测定沥青膜的厚度；
(3)通过超声波法获得沥青-集料界面的最大粘结力，具体为：先将步骤(2)制得的结构试件在恒温下养护3h后，采用布兰森模型超声波降解器进行测试，该结构试件的上岩石切片的上切面与探头固定，其与探头的接触部分涂环氧沥青，并在170℃下养护40min，试验开始前，通过布兰森模型超声波降解器调节，获得与岩石切片一致的共振频率，试验开始时，设定步长增加电压，绘制电压与振幅的关系图，当电压和振幅曲线上出现突变的不连续点时表明界面脱离，此时电压为极限电压Um，此时的界面粘结力F则为最大界面粘结力Fm；
(4)通过对沥青-集料界面进行循环疲劳加载，回归得到界面破坏的疲劳方程，具体为：疲劳加载：设定加载电压为0.4倍的Um，在选取指定的加载电压时获得恒定的振幅和界面力，加载方式采用控制应力的间歇式周期加载，即加载0.1s，卸载0.9s，试验中止条件为界面脱离，绘制电压与振幅关系图，当电压和振幅曲线上出线突变的不连续点，这时为疲劳破坏对应的电压Uf，同时记录加载时间以及对应的加载次数；回归疲劳方程：采用控制应力的疲劳破坏在双对数坐标上回归成直线方程回归方程：
σ＝F/S
Nf＝k1(σm/σ)k2(E)k3
其中，Nf为疲劳寿命，σm为平均最大界面粘结力，σ为平均界面粘结力，k1为修正系数，k2、k3分别为应力、弹性模量影响系数，F通过步骤(3)所得，S为下岩石切片的横截面积；
(5)验证并修正疲劳破坏模型，具体为：对于与不同材料的岩体，分别测定下层岩石切片的弹性模量E，对不同材料、不同模量的疲劳方程进行验证校正，对于模量相同、界面粘结力不同的组合模式，其疲劳破坏关于最大粘结力之间的关系进行进一步修正最后探讨粘结力与疲劳破坏的内在联系。
步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中所述的恒温都为14℃。
步骤(1)中岩石切片在四氯化碳中浸泡时长为4min。
步骤(2)中沥青膜厚度为4μm。
步骤(3)中界面粘结力的计算式为：
F＝ma＝m(2πf)2A
其中F为界面粘结力，m为下岩石切片的质量，a为下岩石切片下坠加速度，f为共振频率，A为与施加电压成正比输出的振幅。
实施例2
一种基于超声波法的沥青-集料界面疲劳试验方法，所述集料为岩体，
所需要的仪器：布兰森模型超声波降解器
仪器由电源、换能器和三种超声波变幅杆、探头组成。通过电源调节，可获得与岩石切片一致的共振频率；并且电压增加与振幅增加是线性关系，可以通过调节电压来改变超声波的振幅，从而改变传递到岩石切片的能量大小，进一步改变岩石切片与沥青膜之间的界面粘结力。
所需要的材料：
“岩石切片-沥青-岩石切片”三层结构，岩石切片钻孔取芯获得，横截面半径2cm，厚度为1cm。
试验包括如下步骤：
(1)制备上、下岩石切片，具体为：岩石切片的切面打磨光滑，并在水中进行超声波除杂处理后，再在四氯化碳中浸泡后取出，在恒温下测量岩石切片的厚度以及弹性模量E；
(2)制备“岩片-沥青-岩片”结构试件，该结构试件的上下层为岩石切片，中间层为沥青膜，具体为：将上下岩石切片和沥青在140℃下保温2h后，并在相同温度下在岩石切片表面涂抹沥青，将上下岩石切片粘结紧密，使其中间形成均匀的沥青膜；在恒温下测定沥青膜的厚度；
(3)通过超声波法获得沥青-集料界面的最大粘结力，具体为：先将步骤(2)制得的结构试件在恒温下养护4h后，采用布兰森模型超声波降解器进行测试，该结构试件的上岩石切片的上切面与探头固定，其与探头的接触部分涂环氧沥青，并在180℃下养护50min，试验开始前，通过布兰森模型超声波降解器调节，获得与岩石切片一致的共振频率，试验开始时，设定步长增加电压，绘制电压与振幅的关系图，当电压和振幅曲线上出现突变的不连续点时表明界面脱离，此时电压为极限电压Um，此时的界面粘结力F则为最大界面粘结力Fm；
(4)通过对沥青-集料界面进行循环疲劳加载，回归得到界面破坏的疲劳方程，具体为：疲劳加载：设定加载电压为0.6倍的Um，在选取指定的加载电压时获得恒定的振幅和界面力，加载方式采用控制应力的间歇式周期加载，即加载0.1s，卸载0.9s，试验中止条件为界面脱离，绘制电压与振幅关系图，当电压和振幅曲线上出线突变的不连续点，这时为疲劳破坏对应的电压Uf，同时记录加载时间以及对应的加载次数；回归疲劳方程：采用控制应力的疲劳破坏在双对数坐标上回归成直线方程回归方程：
σ＝F/S
Nf＝k1(σm/σ)k2(E)k3
其中，Nf为疲劳寿命，σm为平均最大界面粘结力，σ为平均界面粘结力，k1为修正系数，k2、k3分别为应力、弹性模量影响系数，F通过步骤(3)所得，S为下岩石切片的横截面积；
(5)验证并修正疲劳破坏模型，具体为：对于与不同材料的岩体，分别测定下层岩石切片的弹性模量E，对不同材料、不同模量的疲劳方程进行验证校正，对于模量相同、界面粘结力不同的组合模式，其疲劳破坏关于最大粘结力之间的关系进行进一步修正最后探讨粘结力与疲劳破坏的内在联系。
步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中所述的恒温都为16℃。
步骤(1)中岩石切片在四氯化碳中浸泡时长为6min。
步骤(2)中沥青膜厚度为6μm。
步骤(3)中界面粘结力的计算式为：
F＝ma＝m(2πf)2A
其中F为界面粘结力，m为下岩石切片的质量，a为下岩石切片下坠加速度，f为共振频率，A为与施加电压成正比输出的振幅。
实施例3
一种基于超声波法的沥青-集料界面疲劳试验方法，所述集料为岩体，
所需要的仪器：布兰森模型超声波降解器
仪器由电源、换能器和三种超声波变幅杆、探头组成。通过电源调节，可获得与岩石切片一致的共振频率；并且电压增加与振幅增加是线性关系，可以通过调节电压来改变超声波的振幅，从而改变传递到岩石切片的能量大小，进一步改变岩石切片与沥青膜之间的界面粘结力。
所需要的材料：
“岩石切片-沥青-岩石切片”三层结构，岩石切片钻孔取芯获得，横截面半径1.59cm，厚度为0.5cm。
试验包括如下步骤：
(1)制备上、下岩石切片，具体为：岩石切片的切面打磨光滑，并在水中进行超声波除杂处理后，再在四氯化碳中浸泡后取出，在恒温下测量岩石切片的厚度以及弹性模量E；
(2)制备“岩片-沥青-岩片”结构试件，该结构试件的上下层为岩石切片，中间层为沥青膜，具体为：将上下岩石切片和沥青在135℃下保温1.5h后，并在相同温度下在岩石切片表面涂抹沥青，将上下岩石切片粘结紧密，使其中间形成均匀的沥青膜；在恒温下测定沥青膜的厚度；
(3)通过超声波法获得沥青-集料界面的最大粘结力，具体为：先将步骤(2)制得的结构试件在恒温下养护3.5h后，采用布兰森模型超声波降解器进行测试，该结构试件的上岩石切片的上切面与探头固定，其与探头的接触部分涂环氧沥青，并在175℃下养护45min，试验开始前，通过布兰森模型超声波降解器调节，获得与岩石切片一致的共振频率，试验开始时，设定步长增加电压，绘制电压与振幅的关系图，当电压和振幅曲线上出现突变的不连续点时表明界面脱离，此时电压为极限电压Um，此时的界面粘结力F则为最大界面粘结力Fm；
(4)通过对沥青-集料界面进行循环疲劳加载，回归得到界面破坏的疲劳方程，具体为：疲劳加载：设定加载电压为0.5倍的Um，在选取指定的加载电压时获得恒定的振幅和界面力，加载方式采用控制应力的间歇式周期加载，即加载0.1s，卸载0.9s，试验中止条件为界面脱离，绘制电压与振幅关系图，当电压和振幅曲线上出线突变的不连续点，这时为疲劳破坏对应的电压Uf，同时记录加载时间以及对应的加载次数；回归疲劳方程：采用控制应力的疲劳破坏在双对数坐标上回归成直线方程回归方程：
σ＝F/S
Nf＝k1(σm/σ)k2(E)k3
其中，Nf为疲劳寿命，σm为平均最大界面粘结力，σ为平均界面粘结力，k1为修正系数，k2、k3分别为应力、弹性模量影响系数，F通过步骤(3)所得，S为下岩石切片的横截面积；
(5)验证并修正疲劳破坏模型，具体为：对于与不同材料的岩体，分别测定下层岩石切片的弹性模量E，对不同材料、不同模量的疲劳方程进行验证校正，对于模量相同、界面粘结力不同的组合模式，其疲劳破坏关于最大粘结力之间的关系进行进一步修正最后探讨粘结力与疲劳破坏的内在联系。
步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中所述的恒温都为15℃。
步骤(1)中岩石切片在四氯化碳中浸泡时长为5min。
步骤(2)中沥青膜厚度为5μm。
步骤(3)中界面粘结力的计算式为：
F＝ma＝m(2πf)2A
其中F为界面粘结力，m为下岩石切片的质量，a为下岩石切片下坠加速度，f为共振频率，A为与施加电压成正比输出的振幅。

Claims (6)

1.一种基于超声波法的沥青-集料界面疲劳试验方法，所述集料为岩体，其特征在于：包括如下步骤：
(1)制备上、下岩石切片，具体为：岩石切片的切面打磨光滑，并在水中进行超声波除杂处理后，再在四氯化碳中浸泡后取出，在恒温下测量岩石切片的厚度以及弹性模量E；
(2)制备“岩片-沥青-岩片”结构试件，该结构试件的上下层为岩石切片，中间层为沥青膜，具体为：将上下岩石切片和沥青在130-140℃下保温1-2h后，并在相同温度下在岩石切片表面涂抹沥青，将上下岩石切片粘结紧密，使其中间形成均匀的沥青膜；在恒温下测定沥青膜的厚度；
(3)通过超声波法获得沥青-集料界面的最大粘结力，具体为：先将步骤(2)制得的结构试件在恒温下养护3-4h后，采用布兰森模型超声波降解器进行测试，该结构试件的上岩石切片的上切面与探头固定，其与探头的接触部分涂环氧沥青，并在170-180℃下养护40-50min，试验开始前，通过布兰森模型超声波降解器调节，获得与岩石切片一致的共振频率，试验开始时，设定步长增加电压，绘制电压与振幅的关系图，当电压和振幅曲线上出现突变的不连续点时表明界面脱离，此时电压为极限电压Um，此时的界面粘结力F则为最大界面粘结力Fm；
(4)通过对沥青-集料界面进行循环疲劳加载，回归得到界面破坏的疲劳方程，具体为：疲劳加载：设定加载电压为0.4-0.6倍的Um，在选取指定的加载电压时获得恒定的振幅和界面力，加载方式采用控制应力的间歇式周期加载，即加载0.1s，卸载0.9s，试验中止条件为界面脱离，绘制电压与振幅关系图，当电压和振幅曲线上出线突变的不连续点，这时为疲劳破坏对应的电压Uf，同时记录加载时间以及对应的加载次数；回归疲劳方程：采用控制应力的疲劳破坏在双对数坐标上回归成直线方程回归方程：
σ＝F/S
Nf＝k1(σm/σ)k2(E)k3
其中，Nf为疲劳寿命，σm为平均最大界面粘结力，σ为平均界面粘结力，k1为修正系数，k2、k3分别为应力、弹性模量影响系数，F通过步骤(3)所得，S为下岩石切片的横截面积；
(5)验证并修正疲劳破坏模型，具体为：对于与不同材料的岩体，分别测定下层岩石切片的弹性模量E，对不同材料、不同模量的疲劳方程进行验证校正。
2.根据权利要求1所述的基于超声波法的沥青-集料界面疲劳试验方法，其特征在于：步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中所述的恒温为14-16℃，且三处的温度值相同。
3.根据权利要求1所述的基于超声波法的沥青-集料界面疲劳试验方法，其特征在于：步骤(1)中岩石切片为通过钻孔取芯获得圆饼状岩体，横截面半径为1-2cm，厚度为0.1-1cm。
4.根据权利要求1所述的基于超声波法的沥青-集料界面疲劳试验方法，其特征在于：步骤(1)中岩石切片在四氯化碳中浸泡时长为4-6min。
5.根据权利要求1所述的基于超声波法的沥青-集料界面疲劳试验方法，其特征在于：步骤(2)中沥青膜厚度为4-6μm。
6.根据权利要求1所述的基于超声波法的沥青-集料界面疲劳试验方法，其特征在于：步骤(3)中界面粘结力的计算式为：
F＝ma＝m(2πf)2A
其中F为界面粘结力，m为下岩石切片的质量，a为下岩石切片下坠加速度，f为共振频率，A为与施加电压成正比输出的振幅。
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