CN107703011B - 多孔弹性路面累积损伤的评价方法 - Google Patents

多孔弹性路面累积损伤的评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多孔弹性路面累积损伤的评价方法，属于多孔弹性路面混合料性能测试的技术领域。该评价方法采用先循环荷载试验再动态模量试验的方法重复测试多孔弹性路面试件以确定不同加载次数下应力‑应变滞回曲线的周长以及应力‑应变滞回曲线卸载阶段的做功面积，根据不同加载次数下应力‑应变滞回曲线周长以及应力‑应变滞回曲线卸载阶段做功面积的变化幅度评价多孔弹性路面试件的累计损伤程度，克服了传统材料损伤评价方法用于大孔隙率的多孔弹性路面时存在检测精度低、参数难以精确测得的缺陷，为多孔弹性路面的材料优化设计提供了条件。

Description

多孔弹性路面累积损伤的评价方法
技术领域
本发明公开了多孔弹性路面累积损伤的评价方法，属于多孔弹性路面混合料性能测试的技术领域。
背景技术
多孔弹性路面不但具有很高的孔隙率，而且具有良好的弹性，是一种优良的降噪混合料。大量实测表明，与密级配沥青路面相比，多孔弹性路面可降噪10dB以上；与常见的排水性沥青路面相比，多孔弹性路面仍可降噪3dB以上。但由于使用了较大掺量的橡胶颗粒，多孔弹性路面在荷载作用下会产生较大的变形，与集料的变形不匹配，易产生结构损伤，影响路面寿命。
现有材料的损伤评价方法有：超声波检测技术、声发射技术、热导率法和热阻率法等。多孔弹性路面的孔隙率很大，可以达到20％以上，当出现损伤时，采用超声波检测技术和声发射技术这类利用声波在介质中传播时波速、波形和频率等参数的变化来进行损伤评价的方法，大孔隙率对声波在多孔弹性路面材料中的传播产生较大的影响，进而降低检测的精确性；而采用热导率法和热阻率法这类通过测量材料物理参数的变化来评价材料损伤的方法，大孔隙率使得多孔弹性路面材料的这些物理参数变得很大，即，通过测量材料物理参数的变化来评价材料损伤的方法难以精准测得多孔弹性路面的物理参数。现在并没有一种损伤评价方法能够很好地用来评价多孔弹性路面的损伤程度，以便优化多孔弹性路面设计。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了多孔弹性路面累积损伤的评价方法，通过先循环荷载试验再动态模量试验的方法实现了多孔弹性路面累计损伤程度的可靠评价，解决了多孔弹性路面累积损伤程度评价的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种多孔弹性路面累积损伤评价方法，其思路为：采用循环荷载试验模拟路面经受的车辆荷载的重复作用，然后采用动态模量试验确定的应力-应变滞回曲线周长和卸载阶段的做功面积变化来评价试件的累积损伤。主要步骤包括：
(1)制备多孔弹性路面试件，养护成型；
(2)采用试验机先进行循环荷载试验，然后进行动态模量试验，确定不同加载次数下应力-应变滞回曲线的周长和卸载阶段的做功面积；
(3)依次重复进行循环荷载试验和动态模量试验，采用应力-应变滞回曲线周长和卸载阶段做功面积的变化幅度评价试件的累积损伤程度。
循环荷载试验的目的是对多孔弹性路面试件施加损伤，其步骤是：将试件放置在试验机的加载板中心位置以使试件中心与加载板中心对齐，对试件采用一定压力进行循环加载试验。
动态模量试验的目的是获得应力-应变滞回曲线，应力-应变滞回曲线用来确定损伤评价指标—滞回曲线周长和卸载阶段的做功面积，其步骤为：将3个位移传感器沿圆周等间距安置于试件侧面中部，并与试件端面垂直，调节位移传感器使其测量范围可以测量试件中部的压缩变形；将试件放置在加载板中心位置以使试件中心与加载板中心对齐；试验前先对试件进行加载预处理；对试件施加半正弦波试验荷载，在常温下从25～0.1Hz由高频至低频，按要求的重复加载次数进行试验。
不同加载次数下应力-应变滞回曲线，采集动态模量试验完成后的最后n个波形的荷载及变形曲线，确定各试验条件下最后n次加载循环中荷载的平均幅值、可恢复轴向变形平均幅值，计算轴向应力幅值、轴向应变幅值，多组应力、应变幅值绘制成线，即得应力-应变滞回曲线，n为正整数，3≤n≤7。
应力-应变滞回曲线周长为不同加载次数下最后n个周期的应力-应变滞回曲线的平均周长。
应力-应变滞回曲线卸载阶段的做功面积为不同加载次数下最后n个周期应力-应变滞回曲线对应变轴积分的平均做功面积。
应力-应变滞回曲线周长的变化幅度ΔL，由下式确定：ΔL＝(Lmax-Li)/(Lmax-L0)*100％，其中，Lmax表示应力-应变滞回曲线平均周长的最大值(对应荷载作用次数为a)，Li表示第i次荷载作用下应力-应变滞回曲线的平均周长(i≥a)，L0表示初始应力-应变滞回曲线的平均周长。
应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的变化幅度ΔW，由下式确定：ΔW＝(Wmax-Wj)/(Wmax-W0)*100％，其中，Wmax表示应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的最大值(对应荷载作用次数为b)，Wj表示第j次荷载作用下应力-应变滞回曲线卸载阶段的做功面积(j≥b)，W0表示初始应力-应变滞回曲线卸载阶段的做功面积。
累积损伤是指每次的循环加载都会对多孔弹性路面试件造成一定量的损伤，逐次增加加载次数，损伤也不断增加，不断累积，最后得到累积损伤。累计损伤程度的评价标准如下：
应力-应变滞回曲线周长的变化幅度ΔL和应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的变化幅度ΔW都小于50％时，试件处于轻度损伤；应力-应变滞回曲线周长的变化幅度ΔL或应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的变化幅度ΔW达到50％但小于80％时，试件处于中度损伤；应力-应变滞回曲线周长的变化幅度ΔL或应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的变化幅度ΔW超过80％时，试件处于重度损伤。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明综合运用循环荷载试验和动态模量试验以获得不同加载次数下的应力-应变滞回曲线，以应力-应变滞回曲线周长和卸载阶段做功面积的变化幅度作为指标以评价多孔弹性路面试件的累积损伤程度，克服了传统材料损伤评价方法用于大孔隙率的多孔弹性路面时存在检测精度低、参数难以精确测得的缺陷，为多孔弹性路面的材料优化设计提供了条件。
附图说明
图1是本发明评价多孔弹性路面累积损伤的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
多孔弹性路面经受车辆荷载的反复作用时，由于是开级配混合料，细集料含量低，难以形成强而有力的嵌锁作用，主要依靠胶结料作用形成强度，同时由于采用较大掺量的橡胶颗粒，其在荷载作用下的变形与集料的变形不同步，因此会逐渐产生损伤。为了尽可能的延长多孔弹性路面的使用寿命，需要对多孔弹性路面的使用材料进行优化设计。
本发明的多孔弹性路面累积损伤评价方法如图1所示，主要步骤如下：
(1)采用静压法成型多孔弹性路面试件，尺寸为Φ100mm×H100mm，在室温下养护7d后脱模；
(2)将试件放置在万能试验机的加载板中心位置，使试件中心与加载架的中心对齐，采用万能试验机对多孔弹性路面试件进行单轴压缩动态模量试验，对试件施加半正弦波试验荷载，最大轴向应力为0.7MPa，在常温下从25～0.1Hz由高频至低频进行试验；
(3)动态模量试验完成后，采集最后5个波形的荷载及变形曲线，确定各试验条件下最后5次加载循环中荷载的平均幅值、可恢复轴向变形平均幅值、同一加载循环下变形峰值与荷载峰值的平均滞后时间，计算出轴向应力幅值、轴向应变幅值，绘制应力-应变滞回曲线，计算应力-应变滞回曲线的平均周长和卸载阶段的平均做功面积；
(4)再将试件放置在万能试验机的加载板中心位置，使试件中心与加载架的中心对齐，对试件采用700kPa压力进行50次的循环加载试验；然后再采用万能试验机对50次加载条件下的多孔弹性路面试件进行单轴压缩动态模量试验；
(5)重复步骤(3)；
(6)再将试件放置在万能试验机的加载板中心位置，使试件中心与加载架的中心对齐，对试件采用700kPa压力进行50次的循环加载试验；再采用万能试验机对累积100次加载条件下的多孔弹性路面试件进行单轴压缩动态模量试验；
(7)重复步骤(3)；
(8)按照计划的损伤次数，依次试验至施加损伤后的应力-应变滞回曲线的周长或卸载阶段的做功面积变化幅度超过80％，停止试验。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同交换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
实施例1：
多孔弹性路面试件包含25％橡胶颗粒，75％集料，胶结料采用5％聚氨酯胶黏剂。室内拌合、制备25％空隙率的多孔弹性路面试件，并在温度20℃、湿度>70％的条件下养生7d后脱模。依次采用循环荷载试验和动态模量试验，研究不同加载次数对其累积损伤的影响，700kPa压力下累计加载至20000次，试验结果如表1、表2所示。
从表1可知，随着加载次数的增加，应力-应变滞回曲线的平均周长先增大再不断减小，试件中耗散的能量先增加后减少，材料先趋于稳定，之后损伤程度变大，加载20000次时，应力-应变滞回曲线周长的变化幅度ΔL为81.0％，达到重度损伤；从表2可知，随着加载次数的增加，材料的做功面积先增大再减小，试件储存的弹性势能先增加再减少，材料先趋于稳定，之后损伤不断增大，加载20000次时，应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的变化幅度ΔW为81.1％，达到重度损伤。
表1多孔弹性路面试件不同加载次数下最后5个周期的滞回曲线的平均周长
Figure BDA0001483426570000051
表2多孔弹性路面试件不同加载次数下最后5个周期的滞回曲线卸载阶段的平均做功面积
Figure BDA0001483426570000052
应用实例表明，本发明提供的一种多孔弹性路面累积损伤评价方法，数据准确可靠，操作方便，易于实现，能够准确反映不同试件参数对多孔弹性路面累积损伤的影响，从而为多孔弹性路面的材料优化设计提供了良好条件。

Claims (4)

1.多孔弹性路面累积损伤的评价方法，其特征在于，采用先循环荷载试验再动态模量试验的方法重复测试多孔弹性路面试件以确定不同加载次数下应力-应变滞回曲线的周长以及应力-应变滞回曲线卸载阶段的做功面积，根据不同加载次数下应力-应变滞回曲线周长以及应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的变化幅度评价多孔弹性路面试件的累计损伤程度；
所述不同加载次数下应力-应变滞回曲线周长的变化幅度由表达式：ΔL＝(Lmax-Li)/(Lmax-L0)*100％确定，ΔL为应力-应变滞回曲线周长的变化幅度，Lmax为应力-应变滞回曲线平均周长的最大值，应力-应变滞回曲线周长的最大值在第a次荷载作用中取得，Li表示第i次荷载作用下应力-应变滞回曲线的平均周长，i≥a，L0为初始应力-应变滞回曲线的平均周长；
所述不同加载次数下应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的变化幅度由表达式：ΔW＝(Wmax-Wj)/(Wmax-W0)*100％确定，ΔW为应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的变化幅度，Wmax为应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的最大值，应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的最大值在第b次荷载作用下取得，Wj为第j次荷载作用下应力-应变滞回曲线卸载阶段的做功面积，j≥b，W0为初始应力-应变滞回曲线卸载阶段的做功面积。
2.根据权利要求1所述多孔弹性路面累积损伤的评价方法，其特征在于，所述不同加载次数下应力-应变滞回曲线的确定方法为：根据动态模量试验完成后采集的最后n个波形的荷载及变形曲线确定不同加载次数下最后n次加载循环中荷载的平均幅值、可恢复轴向变形平均幅值、同一次加载循环下变形峰值与荷载峰值的平均滞后时间，计算轴向应力幅值及轴向应变幅值，由同一加载循环下的多组轴向应力幅值及轴向应变幅值绘制不同加载次数下的应力-应变滞回曲线，n为正整数，3≤n≤7。
3.根据权利要求1所述多孔弹性路面累积损伤的评价方法，其特征在于，所述不同加载次数下应力-应变滞回曲线的周长为不同加载次数下最后n个周期的应力-应变滞回曲线的平均周长，所述不同加载次数下应力-应变滞回曲线卸载阶段的做功面积为不同加载次数下最后n个周期的应力-应变滞回曲线对应变轴积分的平均做功面积，n为正整数，3≤n≤7。
4.根据权利要求1所述多孔弹性路面累积损伤的评价方法，其特征在于，根据不同加载次数下应力-应变滞回曲线周长以及应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的变化幅度评价多孔弹性路面试件的累计损伤程度的具体方法为：
在应力-应变滞回曲线周长的变化幅度和应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的变化幅度均小于50％时，多孔弹性路面试件处于轻度损伤状态；
在应力-应变滞回曲线周长的变化幅度或应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的变化幅度大于或等于50％但又同时小于80％时，多孔弹性路面试件处于中度损伤状态；
在应力-应变滞回曲线周长的变化幅度或应力-应变滞回曲线卸载阶段做功面积的变化幅度均大于或等于80％时，多孔弹性路面试件处于重度损伤状态。
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