CN108169032A - 一种基于半圆弯曲试验的沥青混合料疲劳损伤愈合性能评价方法 - Google Patents

一种基于半圆弯曲试验的沥青混合料疲劳损伤愈合性能评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于半圆弯曲试验的沥青混合料疲劳损伤愈合性能评价方法，包括如下步骤：(1)试件准备；利用旋转压实仪成型试件，对成型后的圆柱形试件进行切割得到半圆试件，筛选符合要求的试件；(2)疲劳试验；利用步骤(1)中的符合要求的试件进行半圆弯曲强度试验和疲劳试验；(3)疲劳损伤愈合性能评价。本发明能够有效评价沥青混合料的疲劳损伤愈合性能，完善了半圆弯曲疲劳试验的评价体系。

Description

一种基于半圆弯曲试验的沥青混合料疲劳损伤愈合性能评价 方法
技术领域
本发明涉及道路材料领域，尤其是一种基于半圆弯曲试验的沥青混合料疲劳损伤愈合性能评价方法。
背景技术
疲劳破坏是我国高等级沥青路面破坏的主要形式之一。在道路使用过程中，由于受到外界水温环境和车辆荷载两方面因素的反复作用，沥青路面长期处于应力应变交迭状态，从而其内部结构逐渐出现损伤并且不断发展，路面结构强度逐渐下降。当车辆荷载作用次数超过一定次数后，疲劳损伤累积超过其临界值，导致路面出现裂缝，最终路面发生疲劳破坏。一定条件下，在疲劳损伤累积过程中，具有粘弹性特性的沥青混合料具有一定的疲劳损伤愈合能力，并且愈合现象对沥青混合料的疲劳性能有着重大影响。因此，有效评价沥青混合料的疲劳损伤愈合性能对于提升路面耐久性具有重要意义。
由于沥青混合料种类和试验方法种类众多，目前缺少一种统一的量化愈合能力的标准。本发明是基于目前应用较为广泛的半圆弯曲试验，其试件受力更接近于路面实际受力情况，且操作简便、试件来源丰富，进行两种加载模式的半圆弯曲疲劳试验，结合试验结果提出了疲劳寿命增长率这一指标来评价疲劳损伤愈合性能，该方法能够有效评价沥青混合料的疲劳损伤愈合性能，完善了半圆弯曲疲劳试验的评价体系。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于半圆弯曲试验的沥青混合料疲劳损伤愈合性能评价方法，能够有效评价沥青混合料的疲劳损伤愈合性能，完善了半圆弯曲疲劳试验的评价体系。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于半圆弯曲试验的沥青混合料疲劳损伤愈合性能评价方法，包括如下步骤：
(1)试件准备；利用旋转压实仪成型试件，对成型后的圆柱形试件进行切割得到半圆试件，筛选符合要求的试件；
(2)疲劳试验；利用步骤(1)中的符合要求的试件进行半圆弯曲强度试验和疲劳试验；
(3)疲劳损伤愈合性能评价。
优选的，步骤(1)中，试件准备具体为：利用旋转压实仪成型高度180mm、直径150mm的试件，对成型后的试件进行切割，将圆柱型试件上下两端厚约1.0cm-1.2cm空隙率较大的部分切除，随后对中间空隙率较小且较均匀的部分进行三等分以及对半切割，每个圆柱型试件得到6个厚度50mm、直径150mm的标准半圆型试件；所有的旋转压实试件均用金刚石锯片进行切割，切割控制在0.2cm/s-0.5cm/s保证切割面的平滑，切割时调节螺栓将试件固定住；对半圆试件进行体积指标测试，并计算试件空隙率，以3.5％-4.5％的具体空隙率限值对试件进行筛选，选择符合要求的试件进行后续试验。
优选的，步骤(2)中，对符合要求的试件进行半圆弯曲强度试验具体为：支座间距确定为半圆试件直径的0.8倍，采用直径12mm的支座辊轴，试件放置在支座中央位置；在进行半圆弯曲疲劳试验之前，首先在15℃、50mm/min加载速率条件下测定半圆试件的破坏荷载值，每一种半圆试件测定3次破坏荷载，并取平均值。
优选的，步骤(2)中，对符合要求的试件进行半圆弯曲疲劳试验具体包括如下步骤：首先，根据半圆弯曲强度试验得到的破坏荷载平均值确定0.25-0.5范围内的应力比，即疲劳试验荷载水平与破坏荷载值之比，然后进行半圆弯曲疲劳试验；试验条件具体设置如下：试验温度为15℃；对于两种加载模式下的疲劳试验，无间歇时间疲劳试验和引入0.8s间歇时间疲劳试验，加载波形采用半正矢波，无间歇时间疲劳试验加载频率为10Hz，每次荷载作用时间为0.1s，引入0.8s间歇时间后的循环荷载每次作用时间也为0.1s，每两次荷载之间引入0.8s间歇时间，此时接触力大小设置为0.1kN，即一个完整的荷载循环持续时间为0.9s；随后，在两种加载模式下，进行相同荷载水平的半圆弯曲疲劳试验；最终，可以得到两种加载模式下，半圆试件的疲劳寿命Nf、N′f。
优选的，步骤(3)中，根据无间歇时间和引入0.8s间歇时间两种加载模式下的半圆弯曲疲劳试验结果，定义疲劳寿命增长率pf来表征沥青混合料的疲劳损伤愈合情况，如公式(1)所示：
式中：
Nf：无间歇时间半圆弯曲疲劳试验中的试件疲劳寿命(次)；
N′f：引入0.8s间歇时间半圆弯曲疲劳试验中的试件疲劳寿命(次)；
pf：疲劳寿命增长率(％)；
相对于无间歇时间加载模式，引入0.8s间歇时间半圆弯曲疲劳试验中，试件疲劳损伤愈合现象明显。
本发明的有益效果为：本发明提出的基于半圆弯曲试验的评价沥青混合料疲劳损伤愈合性能的方法简单可行、意义明确，通过无间歇时间和引入0.8s间歇时间两种加载模式下、相同荷载水平的半圆弯曲疲劳试验得到两种疲劳寿命Nf、N′f，从而计算得到疲劳寿命增长率pf来评价沥青混合料的疲劳损伤愈合性能，该指标与沥青混合料种类、应力比均具有较强的相关性，从而为指导道路工程实践，尤其是我国高等级沥青路面疲劳破坏的预防和维修养护提供理论依据。
附图说明
图1为本发明的试件制备和切割流程示意图。
图2为本发明的半圆弯曲试验示意图。
图3为本发明的无间歇时间模式下的疲劳加载波形示意图。
图4为本发明的引入0.8s间歇时间模式下的疲劳加载波形示意图。
图5为本发明的SMA-13级配曲线示意图。
图6为本发明的AC-13级配曲线示意图。
图7为本发明的沥青混合料疲劳寿命增长率pf与应力比关系曲线示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于半圆弯曲试验的沥青混合料疲劳损伤愈合性能评价方法，包括如下步骤：
1)试件准备
首先利用旋转压实仪成型高度180mm、直径150mm的试件，然后对成型后的试件进行切割，考虑到切割损耗，将圆柱型试件上下两端厚约1.0cm-1.2cm空隙率较大的部分切除，随后对中间空隙率较小且较均匀的部分进行三等分以及对半切割，每个圆柱型试件可以得到6个厚度50mm、直径150mm的标准半圆型试件；所有的旋转压实试件均用金刚石锯片进行切割，切割应控制在较慢的速率(0.2cm/s-0.5cm/s)以保证切割面的平滑，切割时调节螺栓将试件固定住，以保证切割过程中试件不会左右倾斜或移动，随后，对半圆试件进行体积指标测试，并计算试件空隙率，以3.5％-4.5％的具体空隙率限值对试件进行筛选，选择符合要求的试件进行后续试验。
试件制备和切割流程如图1所示。
2)疲劳试验
利用制备好的半圆试件进行半圆弯曲强度试验和疲劳试验，半圆试验装置具体设置如下：支座间距确定为半圆试件直径的0.8倍，即12cm，采用直径12mm的支座辊轴，试件放置在支座中央位置，以保证竖向荷载作用在半圆试件最高点。
半圆弯曲试验示意图如图2所示。
(1)半圆弯曲强度试验
在进行半圆弯曲疲劳试验之前，首先在15℃、50mm/min加载速率条件下测定半圆试件的破坏荷载值，每一种半圆试件测定3次破坏荷载，即使用3个平行试件进行3次半圆弯曲强度试验，并取破坏荷载平均值。
(2)半圆弯曲疲劳试验
首先，根据半圆弯曲强度试验得到的破坏荷载平均值确定0.25-0.5范围内的应力比，即疲劳试验荷载水平与破坏荷载值之比，然后进行半圆弯曲疲劳试验；试验条件具体设置如下：试验温度为15℃；对于两种加载模式下的疲劳试验——无间歇时间疲劳试验、引入0.8s间歇时间疲劳试验，加载波形采用半正矢波，无间歇时间疲劳试验加载频率为10Hz，每次荷载作用时间为0.1s，引入0.8s间歇时间后的循环荷载每次作用时间也为0.1s，每两次荷载之间引入0.8s间歇时间，此时接触力大小设置为0.1kN，即一个完整的荷载循环持续时间为0.9s；随后，在两种加载模式下，进行相同荷载水平的半圆弯曲疲劳试验；最终，可以得到两种加载模式下，半圆试件的疲劳寿命Nf、N′f。
无间歇时间和引入0.8s间歇时间模式下的疲劳加载波形分别图3、图4所示。
3)疲劳损伤愈合性能评价
沥青混合料损伤愈合是指沥青混合料在一定条件下通过自身作用使得强度和刚度得到一定程度的恢复以及疲劳寿命得以延长，是疲劳破坏的逆过程。由于0.8s间歇时间的引入，半圆试件的疲劳寿命得到了增长，为了定量描述不同种类沥青混合料在不同荷载水平下的愈合性能，根据无间歇时间和引入0.8s间歇时间两种加载模式下的半圆弯曲疲劳试验结果，定义疲劳寿命增长率pf来表征沥青混合料的疲劳损伤愈合情况，如公式(1)所示：
式中：
Nf：无间歇时间半圆弯曲疲劳试验中的试件疲劳寿命(次)；
N′f：引入0.8s间歇时间半圆弯曲疲劳试验中的试件疲劳寿命(次)；
pf：疲劳寿命增长率(％)；
相对于无间歇时间加载模式，引入0.8s间歇时间半圆弯曲疲劳试验中，试件疲劳损伤愈合现象明显；疲劳寿命增长率pf的意义明确、计算简便、适用性强，可以用来评价各种沥青混合料在各种荷载水平下的疲劳损伤愈合情况，并且其与沥青混合料类型、疲劳试验应力比存在较强的相关性；所以，在引入间歇加载模式后，为了完善半圆弯曲疲劳试验中疲劳损伤愈合性能的评价体系，提出了疲劳寿命增长率pf。
提出上述指标后，将其应用于多种沥青混合料。本专利所采用的沥青混合料种类范围广，涵盖了两种常见级配类型(SMA-13，AC-13)，集料统一采用玄武岩，沥青统一采用SBS改性沥青(PG76-22)，此外，本专利还采用SBS改性沥青(PG70-22)和70#基质沥青成型SMA-13试件，因此一共成型了4种沥青混合料试件，便于从级配和沥青两个角度对沥青混合料的疲劳损伤愈合性能进行评价和比较。试件采用旋转压实方法成型，控制空隙率在3.5％～4.5％以消除空隙率对试件性能的影响。
SMA-13、AC-13级配曲线如图5、图6所示，70#基质沥青、SBS改性沥青(PG70-22)、SBS改性沥青(PG76-22)主要技术指标见表1。
表1 沥青主要技术指标
对上述4种类型的沥青混合料进行无间歇时间和引入0.8s间歇时间两种加载模式下的半圆弯曲疲劳试验，从试验结果可以得到以下结论：疲劳寿命增长率pf与沥青混合料类型和应力比存在着较强的相关性；相同级配时，随着沥青性能的提升，疲劳寿命增长率也随之提高；相同沥青种类时，疲劳寿命增长率受级配影响较大；应力比上升，疲劳寿命的增长率也相应提高。
疲劳寿命Nf、N′f和疲劳寿命增长率pf数据见表2，4种类型的沥青混合料疲劳寿命增长率pf与应力比关系如图7所示。
表2 各种沥青混合料疲劳寿命及增长率
所以，在评价沥青混合料疲劳损伤愈合性能方面，疲劳寿命增长率pf是一种较为合理且适用性强的指标。较大的pf代表该沥青混合料在该应力比下具有更强的愈合能力。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (5)

1.一种基于半圆弯曲试验的沥青混合料疲劳损伤愈合性能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)试件准备；利用旋转压实仪成型试件，对成型后的圆柱形试件进行切割得到半圆试件，筛选符合要求的试件；
(2)疲劳试验；利用步骤(1)中的符合要求的试件进行半圆弯曲强度试验和疲劳试验；
(3)疲劳损伤愈合性能评价。
2.如权利要求1所述的基于半圆弯曲试验的沥青混合料疲劳损伤愈合性能评价方法，其特征在于，步骤(1)中，试件准备具体为：利用旋转压实仪成型高度180mm、直径150mm的试件，对成型后的试件进行切割，将圆柱型试件上下两端厚约1.0cm-1.2cm空隙率较大的部分切除，随后对中间空隙率较小且较均匀的部分进行三等分以及对半切割，每个圆柱型试件得到6个厚度50mm、直径150mm的标准半圆型试件；所有的旋转压实试件均用金刚石锯片进行切割，切割控制在0.2cm/s-0.5cm/s保证切割面的平滑，切割时调节螺栓将试件固定住；对半圆试件进行体积指标测试，并计算试件空隙率，以3.5％-4.5％的具体空隙率限值对试件进行筛选，选择符合要求的试件进行后续试验。
3.如权利要求1所述的基于半圆弯曲试验的沥青混合料疲劳损伤愈合性能评价方法，其特征在于，步骤(2)中，对符合要求的试件进行半圆弯曲强度试验具体为：支座间距确定为半圆试件直径的0.8倍，采用直径12mm的支座辊轴，试件放置在支座中央位置；在进行半圆弯曲疲劳试验之前，首先在15℃、50mm/min加载速率条件下测定半圆试件的破坏荷载值，每一种半圆试件测定3次破坏荷载，并取平均值。
4.如权利要求1所述的基于半圆弯曲试验的沥青混合料疲劳损伤愈合性能评价方法，其特征在于，步骤(2)中，对符合要求的试件进行半圆弯曲疲劳试验具体包括如下步骤：首先，根据半圆弯曲强度试验得到的破坏荷载平均值确定0.25-0.5范围内的应力比，即疲劳试验荷载水平与破坏荷载值之比，然后进行半圆弯曲疲劳试验；试验条件具体设置如下：试验温度为15℃；对于两种加载模式下的疲劳试验，无间歇时间疲劳试验和引入0.8s间歇时间疲劳试验，加载波形采用半正矢波，无间歇时间疲劳试验加载频率为10Hz，每次荷载作用时间为0.1s，引入0.8s间歇时间后的循环荷载每次作用时间也为0.1s，每两次荷载之间引入0.8s间歇时间，此时接触力大小设置为0.1kN，即一个完整的荷载循环持续时间为0.9s；随后，在两种加载模式下，进行相同荷载水平的半圆弯曲疲劳试验；最终，可以得到两种加载模式下，半圆试件的疲劳寿命Nf、N′f。
5.如权利要求1所述的基于半圆弯曲试验的沥青混合料疲劳损伤愈合性能评价方法，其特征在于，步骤(3)中，根据无间歇时间和引入0.8s间歇时间两种加载模式下的半圆弯曲疲劳试验结果，定义疲劳寿命增长率pf来表征沥青混合料的疲劳损伤愈合情况，如公式(1)所示：
式中：
Nf：无间歇时间半圆弯曲疲劳试验中的试件疲劳寿命(次)；
N′f：引入0.8s间歇时间半圆弯曲疲劳试验中的试件疲劳寿命(次)；
pf：疲劳寿命增长率(％)；
相对于无间歇时间加载模式，引入0.8s间歇时间半圆弯曲疲劳试验中，试件疲劳损伤愈合现象明显。
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