CN108896418A - 一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法 - Google Patents
一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法,包括以下步骤:首先根据高速公路实际轴载谱分布确定试验中对试件施加的应力级别个数及应力大小,然后成型大型旋转压实试件并对上下端面进行切割,根据材料在实际工程中所应用的层位确定其保温温度。根据试件尺寸确定了试验中采用的金属压头直径,然后设置预加载的应力水平及加载次数、多序列加载中的应力循环次数及加载次数。最后,试验结束后由蠕变曲线计算每个序列下的永久应变率。采用本方法可高效、准确的得到更接近实际条件下的材料的永久应变率随应力水平的变化关系,可以在多应力水平下对比不同类型沥青混合料的高温性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法,属于道路养护领域。
背景技术
美国NCHRP研究计划推荐的动态蠕变试验是目前被广泛应用的探究沥青混合料高温性能的室内试验,该试验采用半正弦波脉冲加载,被认为是最接近实际路面上车辆荷载的荷载作用形式,基于该试验提出的流变次数、蠕变第二阶段永久应变率是被广泛采用的评价沥青混合料高温性能的指标。由于传统的动态蠕变试验采用的是单一级别的应力,即一次试验只能获得这一应力水平下材料的永久应变率,然而,实际路面具有复杂的轴载状况,而且永久应变率与应力之间呈现明显的非线性关系,所以,探究沥青混合料在多种应力状态下的永久应变率是道路工作者进一步认识沥青路面永久变形行为的基础。
目前,传统的动态蠕变试验采用直径为10cm的压头,试件是直径为10cm的旋转压实试件。虽然可对试件施加空气围压,但围压的设定通常为定值,在单次试验中无法随时间所受轴向应力以及试件的深度方向发生变化,这与实际沥青路面面层所处的围压状况相差较大。为了克服这一缺点,一些研究人员提出了改进版的动态蠕变试验,如采用直径为75mm或80mm的压头,根据已有研究成果,80mm压头在60℃时改性沥青混合料试件在0.7MPa下的永久应变率在3-4个微应变之间。根据江苏省高速公路路面管理系统中的交通量数据,轻交通至特重交通路段在夏季的年累计当量轴次在5-70万次之间。取中值38万次,由于降雨、多云等天气的影响,假设夏季总天数中约一半时间出现路表温度达到60℃的不利状况,持续时间为中午12点至下午2点,交通量按小时平均分布,则该温度下承受的年累计当量轴次约为1.6万次,乘以该温度下的永久应变率,则总应变约为4.8-6.4万微应变,对应的永久变形量大于9mm,该预测值远大于实际路面车辙年增长量,说明了使用80mm直径的压头得到的材料的高温性能是被明显低估的,室内试验得到的蠕变应变率远大于实际沥青面层实际产生的应变率,因此,采用更小尺寸的压头才能更接近真实路面的蠕变行为。
此外,沥青面层沿深度方向上具有明显的温度梯度以及应力衰减已是共识,然而,针对沥青混合料高温性能的绝大多数研究,未曾在在室内试验时将不同应用层位的沥青混合料对其试验温度及施加应力进行区分。中下面层采用和上面层一致的最不利温度、最不利荷载,将导致对中下面层材料高温性能的误判,也不利于路面车辙预估。虽然有研究人员开发出了模拟路面实际温度场的整体试件的室内蠕变试验方法,但该方法只能制造某一时刻下路面的温度场,试件内部的升温过程较难监控和验证,沿试件深度方向的温度梯度的保持时间较为有限,整体试件的制备过程较为繁琐,保温涂料的涂刷厚度较难控制等。并且,该试验得到的试件的累计变形、永久应变率均是基于整体的,无法得到单独某一面层的,这为分析每个层位的永久变形贡献率制造了障碍,也就无法根据每个层位的变形量来对整体试件的组合结构进行有针对性的改进。
综上所述,现有的技术只能粗略的获得材料的高温性能的优劣,试验条件较为单一,无法模拟接近真实路面的应力和温度状况,试验结果与实际路面的车辙增长之间缺乏相关性。因此,进行更符合实际路面受力状况的试验条件的改进,获得更丰富的试验指标,是深入认识沥青混合料高温变形行为的重中之重。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提出一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法,该方法可以提供更接近实际路面变形状况的试验结果,并可显著区分不同改性沥青混合料的高温性能。
技术方案:本发明提供了一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法,该方法包括以下步骤:
1)根据高速公路实际轴载谱确定试验中对试件施加的应力级别个数及应力大小;
2)成型圆柱体大型旋转压实试件;
3)根据材料所在层位确定其试验温度,并在相应温度下进行空气浴保温;
4)确定金属压头尺寸;
5)确定预加载的应力大小及次数;
6)确定多序列加载的应力循环次数及每个序列的加载次数;
7)多序列局部加载试验及试验结果处理。
其中:
步骤1)中所述的对试件施加的应力级别共六个,对于应用于上面层的沥青混合料,分别为0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa、1.0MPa、1.1MPa;对于应用于中面层的沥青混合料,分别为0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa、1.0MPa;对于应用于下面层的沥青混合料,分别为0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa。
步骤2)中最终用于试验的试件采用旋转压实法成型,其高度和直径均为150mm。
步骤3)中,对于应用于上面层的沥青混合料,其高温性能试验温度应设定在60-65℃之间;对于应用于中面层的沥青混合料,其试验温度应设定在55-60℃之间;对于应用于下面层的沥青混合料,其试验温度应设定在50-55℃之间。
步骤4)中所述的金属压头直径为50mm。
步骤5)中所述的预加载采用周期时长为1s的半正弦波荷载,包括0.1s加载时间和0.9s卸载时间,峰值应力大小为0.7MPa,重复加载次数为100-1000。
步骤6)中所述的多序列加载的应力循环个数为3-20,每个序列设置的重复加载次数为50-200。
在多序列加载阶段中,每个加载序列有且仅有一种应力级别的重复加载;每个应力循环均包含应力由小至大排列的六个加载序列;不同加载序列采用相同周期但不同峰值的半正弦波荷载,周期时长1s,包含0.1s加载和0.9s卸载;除半正弦波的卸载时间外,加载序列之间、应力循环之间均不设置等待或间歇时间。
步骤7)中所述的试验结果处理,是根据试验中得到的蠕变曲线,首先计算每一个加载序列下材料的永久应变率,然后将材料在多序列加载阶段中相同应力下的永久应变率取均值,最后得到材料的平均永久应变率随应力级别的变化关系。
有益效果:与现有技术相比,本发明具有以下优势:
试验中施加的多个应力级别涵盖了高速公路实际轴载谱的绝大部分分布区间,对试件进行多个序列的重复循环加载,可以极方便高效的得到材料在不同应力级别下的永久应变率,以及永久应变率随时间的变化趋势。采用直径50mm的小压头对大型旋转压实试件进行局部动态加载,可使试件的受力状态和变形行为更加接近实际沥青路面面层。对不同应用层位的沥青混合料采用不同的试验温度,从而使室内高温性能的试验条件更加符合实际路面温度随路面深度的分布状况。
根据已开展的试验结果,相比于传统的动态蠕变试验,采用多序列局部加载蠕变试验,其结果变异性小。此外,该试验对不同PG分级的改性沥青混合料的高温性能优劣有良好的区分度,而传统的动态蠕变试验常常无法做到。
附图说明
图1为沿江和广靖锡澄高速的轴载谱分布图;
图2为采用50mm压头及0.7MPa应力加载下的沥青混合料动态蠕变曲线;
图3为在多序列加载阶段对SMA-13沥青混合料施加的半正弦波荷载示意图;
图4为基于多序列局部加载试验的SMA-13改性沥青混合料(PG70和PG82)在62℃时的蠕变曲线;
图5为SMA-13不同改性沥青混合料(PG70和PG82)的平均永久应变率随应力大小的变化规律。
具体实施方式
以SMA-13型PG70-22及PG82-22改性沥青混合料在62℃时的试验结果为例,结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明方法包括以下步骤:
1)根据高速公路实际轴载谱确定试验中对试件施加的应力级别个数及应力大小。选择江苏省内不同交通等级的两条高速公路,分别为沿江、广靖锡澄,对应的交通等级分别为重、特重交通。在江苏省路面管理系统中查询得到上述道路在最近一年的轴载谱,如图1所示。
表1车辆不同轴重区间的分布比例
由图1和表1可知,车辆轴重的统计区间为20-300kN,其中,轴重位于60-160kN的分布比例最大,为52.2%-70.9%,而轴重超过160kN的比例仅占0.3%-0.4%。
参考现有文献,车辆轴重与轮胎接地压力可按照如下公式进行换算:
式中:σi——轴重为qi时的接地压力;
qi——轴重,单位为kN;
qs——标准轴重,值为100kN;
σs——标准胎压,值为0.7MPa;
根据上述公式转换后的不同轴重对应的轮胎接地压力见表2。由于轴重小于60kN的交通轴载对路面车辙的贡献很小,因此,室内试验中暂不考虑对上面层材料施加小于0.5MPa的应力。每档轴重区间下选取最不利轴重对应的接地压力(表中加粗显示),四舍五入后作为该区间的代表应力。由于轴重超过160kN的交通比例很小,选取200kN轴重(为标准轴重100kN的二倍,即超载100%)对应的接地压力1.1MPa代表160-300kN轴重区间的接地压力。
表2车辆轴重(单轴双轮组)与轮胎接地压力的关系
轴重/kN | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | 110 |
接地压力/MPa | 0.25 | 0.32 | 0.39 | 0.45 | 0.50 | 0.56 | 0.61 | 0.65 | 0.70 | 0.75 |
轴重/kN | 120 | 130 | 140 | 150 | 160 | 180 | 200 | 220 | 260 | 300 |
接地压力/MPa | 0.79 | 0.83 | 0.87 | 0.91 | 0.95 | 1.03 | 1.10 | 1.17 | 1.30 | 1.43 |
根据路面有限元的力学分析结果,路面结构在沿深度方向上所承受的由交通荷载产生的应力是逐渐衰减的,即中下面层在车辆轴载作用时所承受的应力小于上面层。因此,在进行不同层位的沥青混合料的高温性能试验时,施加的应力范围应当有所区别。依据路面结构有限元模型在高温状态下的力学响应,确定了试验中对不同层位沥青混合料施加的应力级别范围,见表3。
表3不同层位沥青混合料实际所处的应力范围
应用层位 | 试验中施加的应力级别/MPa |
上面层 | 0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 |
中面层 | 0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 |
下面层 | 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 |
2)成型圆柱体大型旋转压实试件;
采用旋转压实仪成型高度180mm、直径150mm的圆柱体沥青混合料试件,然后对试件的上下两个端面进行切割,保证两端面的光滑及平行,切割后的试件高度为150mm。
3)根据材料所在层位确定其试验温度,并在相应温度下进行空气浴保温;
根据沥青混合料在实际路面中应用的层位,进行该层位最不利温度下的保温,试件的保温时间不少于4h,以保证试件内部温度达到试验温度。针对江苏省境内高速公路所在的环境条件,夏季最高气温在37℃~40℃之间,苏南地区气温略高于苏北。将已知的环境条件、太阳辐射、路面材料的热物性参数等进行有限元传热建模,得到了夏季高温时段上中下面层材料所在的平均温度区间,以此为依据来确定不同层位沥青混合料高温性能的试验温度,结果如下:SMA-13、AC-13等上面层材料,能达到的最不利温度区间为60℃~65℃;AC-20、SUP-20等中面层材料在55℃~60℃;AC-25、SUP-25等下面层材料为50℃~55℃。
4)确定金属压头尺寸;
在蠕变试验中,需要将一个圆柱形金属压头放置在试件的上表面中心处,作动器的端部作用在压头上表面中心凹槽处,从而使应力均匀传递到与压头接触的试件表面。当应力级别确定时,压头尺寸越小,就意味着压头与试件的接触面积越小,则试件未与压头接触区域对试件在抵抗轴向变形过程中提供的侧向压力越大,表现为试件在轴向的抗变形能力越大。应用有限元软件对路面结构进行建模,并结合实际路面的车辙发展规律,确定了对于高度和直径均为150mm的沥青混合料试件,压头直径为50mm时(高度不做限制,一般为20-30mm),材料的永久应变率最接近实际状况。
5)确定预加载的应力大小及次数;
沥青混合料试件在蠕变前期主要伴随着材料的压密,在这一阶段,集料的挤嵌程度提高,永久应变率的迅速减小,塑性应变占总累积应变的主要部分。虽然材料在蠕变初期的塑性变形较大,但这一阶段持续时间较短,总体来看,沥青路面在长期服役期内的车辙的发展仍以混合料的粘塑性变形为主。根据路面轴载谱(图1),0.7MPa轴重对应的交通量占比最高,因此,选择0.7MPa作为预加载的应力峰值。
对直径和高度均为150mm的旋转压实试件(SMA-13,PG70-22改性沥青混合料,油石比5.9%,孔隙率4%),采用50mm压头进行了单一应力下(应力峰值为0.7MPa)的动态蠕变试验,如图2所示,试件由蠕变初期过渡至蠕变稳定期所需的加载次数在1000次左右。综上,预加载的应力确定为0.7MPa的半正弦波荷载,单个加载周期为1s,其中,加载0.1s(即半正弦波的波长),卸载0.9s,针对本例,总的重复加载次数设置为1000次。
由于混合料的沥青种类(采用普通沥青或改性沥青)或来源不同(选自路面芯样或室内成型),材料从蠕变初期过渡至稳定期所需的重复加载次数也有差别,总体而言,重复加载次数可在100-1000次之间进行调整。
6)确定多序列加载的应力循环次数及每个序列的加载次数;
沥青混合料蠕变变形较为复杂,相同大小应力的加载作用于混合料不同累积变形时期,材料产生的永久应变率具有差异。因此,采用对混合料施加多级别应力的循环重复加载,能够显现差异性,并可以通过差异大小来判断材料所处的蠕变变形阶段。
由于试验系统所采集到的数据具有一定的噪声干扰,若每个加载序列中的重复次数较少,则会导致后续计算得到的应变率的误差较大;若重复次数较多,则会出现全部加载序列未结束时材料便进入蠕变破坏阶段。因此,每个加载序列中的重复加载次数应控制在50-200次之间。此外,每个加载序列及应力循环之间均不设置等待或间歇时间,以保证试件累积永久变形的连续性。
如表4所示,在本例中,多序列加载阶段一共设定了五个应力循环,共计30个加载序列,每个加载序列均设置了100次重复加载。所有序列均采用半正弦波荷载,单次加载周期为1s,其中包含0.1s加载及0.9s卸载,不同应力级别对应的一个完整的半正弦波周期如图3所示。
表4多序列加载阶段的参数设置
7)多序列局部加载试验及试验结果处理
试验采用万能试验机对试件施加动态荷载,当设定的所有加载序列全部结束时,试验即终止。由于通过本试验获得的高温评价指标是试件在蠕变稳定期的永久应变率,因此,为保证试件不因累积变形过大而导致加速破坏,需要设置另一个试验终止条件,即累计永久应变不超过50000με。
图4所示的是不同PG分级(PG70及PG82)的改性沥青混合料SMA-13的多序列加载蠕变曲线。根据该蠕变曲线,可计算得到每个加载序列下累积应变与加载次数之间的斜率,即永久应变率,是被认为可有效衡量材料高温性能的指标,该值越小则材料的抗变形能力越好。
由于多序列加载中包括了六个不同级别的应力加载,因此便可以获得材料在六种应力下的永久应变率。而传统的动态蠕变试验,仅能在一次试验中获得某一代表应力(如标准胎压0.7MPa)下的永久应变率。将五个循环下相同应力级别的永久应变率取平均,可得到材料在六种应力下的平均永久应变率。如图5所示,PG70及PG82沥青混合料的平均永久应变率随应力级别的变化关系可分别用幂函数进行拟合,相关系数超过0.95;另外,PG82混合料在不同应力级别下的抗变形能力较PG70提升约35%左右,证明了本方法可有效区分不同改性沥青混合料的高温性能。
Claims (9)
1.一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
1)根据高速公路实际轴载谱确定试验中对试件施加的应力级别个数及应力大小;
2)成型圆柱体大型旋转压实试件;
3)根据材料所在层位确定其试验温度,并在相应温度下进行空气浴保温;
4)确定金属压头尺寸;
5)确定预加载的应力大小及次数;
6)确定多序列加载的应力循环次数及每个序列的加载次数;
7)多序列局部加载试验及试验结果处理。
2.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法,其特征在于:步骤1)中所述的对试件施加的应力级别共六个,对于应用于上面层的沥青混合料,分别为0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa、1.0MPa、1.1MPa;对于应用于中面层的沥青混合料,分别为0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa、0.9MPa、1.0MPa;对于应用于下面层的沥青混合料,分别为0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa。
3.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法,其特征在于:步骤2)中所述的圆柱体大型旋转压实试件,其高度和直径均为150mm。
4.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法,其特征在于:步骤3)中所述根据材料所在层位确定其试验温度,具体为:对于应用于上面层的沥青混合料,其高温性能试验温度应设定在60-65℃之间;对于应用于中面层的沥青混合料,其试验温度应设定在55-60℃之间;对于应用于下面层的沥青混合料,其试验温度应设定在50-55℃之间。
5.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法,其特征在于:步骤4)中所述的金属压头直径为50mm。
6.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法,其特征在于:步骤5)中所述的确定预加载的应力大小及次数为:预加载采用周期时长为1s的半正弦波荷载,包括0.1s加载时间和0.9s卸载时间,峰值应力大小为0.7MPa,重复加载次数为100-1000。
7.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法,其特征在于:步骤6)中所述的多序列加载的应力循环个数为3-20,每个序列设置的重复加载次数为50-200。
8.根据权利要求7所述的一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法,其特征在于:所述的多序列加载,每个加载序列有且仅有一种应力级别的重复加载;每个应力循环均包含应力由小至大排列的六个加载序列;不同加载序列采用相同周期但不同峰值的半正弦波荷载,周期时长1s,包含0.1s加载和0.9s卸载;除半正弦波的卸载时间外,加载序列之间、应力循环之间均不设置等待或间歇时间。
9.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列局部加载高温性能试验方法,其特征在于:步骤7)中所述的试验结果处理,是根据试验中得到的蠕变曲线,首先计算每一个加载序列下材料的永久应变率,然后将材料在多序列加载阶段中相同应力下的永久应变率取均值,最后得到材料的平均永久应变率随应力级别的变化关系。
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