CN109580360A - 一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，通过利用多功能材料试验系统(MTS‑Landmark)对试件进行不同加载速率条件下的劈裂强度和疲劳试验，且本发明基于速度相关应力比建立了不同加载速率条件下沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型，发现利用速度相关应力比思想可以使得沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到统一，并由此推导出沥青路面抗拉强度结构系数，从而建立了考虑加载速率影响的沥青路面疲劳强度校核新方法，使沥青路面的抗疲劳的设计更为科学，同时为耐久性沥青路面的设计提供理论依据。

Description

一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，尤其涉及一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法。
背景技术
沥青路面一直以来都是一种主要的路面类型，因为它有较好的行车舒适性、耐久性和抗水损害能力。截止2018年底，我国公路里程485.95万公里，高速公路里程14.25万公里，其中90％以上为沥青路面结构。我国现行规范中高速公路沥青路面的设计寿命为15年，但是通过调查可以发现，在役的高速公路沥青路面大多在使用8～10年后即出现明显的结构性破坏，须进行铣刨罩面或加铺。这说明我国沥青路面设计方法还存在一定的问题，易造成路面的早期破坏。疲劳开裂是沥青路面最主要的病害之一，世界大多数国家都以沥青路面的抗疲劳性能作为其设计的基本原则。因此，沥青路面的疲劳性能的研究一直以来都是道路工作者研究的重点，而疲劳强度作为沥青路面抗疲劳设计的一个重要指标，其准确性直接影响着沥青路面抗疲劳设计的科学性。
有人通过三轴试验，建立了复杂应力状态下的沥青混合料的破坏准则，提出了相应的沥青路面强度校核方法；有人通过沥青路面层间剪切疲劳试验，确定了层间抗剪强度结构系数，从而得到了沥青路面的层间容许剪应力；也有人采用应力控制模式下的劈裂试验，提出沥青路面常用沥青混合料的疲劳方程及强度结构系数，从而获得了相应的沥青路面强度校核方法。
虽然现有的研究对沥青路面抗疲劳设计的完善做出了一定的贡献，但是这些疲劳强度校核方法均没有考虑加载速率对沥青混合料疲劳性能的影响。而沥青混合料是一种粘弹性材料，其强度受加载速率的影响很大，从而影响其疲劳性能。因此，考虑加载速率的疲劳强度校核方法将有效提高沥青路面抗疲劳设计的科学性。
另外，由于施加压缩荷载在技术上可以比拉伸荷载更容易实现，所以劈裂疲劳试验方法已广泛用于测试土木工程材料(如岩石和混凝土)的拉伸特性。此外，由于其在试件内部产生的是双向应力状态，劈裂疲劳试验方法也比其他试验方法具有明显的优势。特别的，沥青路面结构中沥青层的底部分别在水平和垂直方向上受到拉应变和压应变，这就使得劈裂疲劳试验方法相比其他疲劳试验方法更适合评价沥青路面的疲劳性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法。通过对不同加载速率下沥青混合料劈裂疲劳结果进行分析，不仅达到了对不同加载速率下沥青混合料疲劳性能评价的目的，而且使沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到了统一，同时使沥青路面的抗疲劳设计的更为科学，为耐久性沥青路面的设计提供理论依据。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，所述评价方法具体包括如下步骤：
(1)对沥青混合料进行不同加载速率下的劈裂强度试验；
(2)对沥青混合料进行不同加载速率下的劈裂疲劳试验；
(3)对沥青路面疲劳强度进行校核。
具体包括如下步骤：
步骤一：采用经逐层筛分的矿料，并将称量好的矿料放在烘箱中预热4个小时以使矿料充分烘干，每次在搅拌锅添加矿料或沥青均搅拌90秒以使集料搅拌均匀得到沥青混合料；并按照JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的试验要求，采用SGC旋转压实仪将所述沥青混合料制作成高度为100±2mm，直径为100±2mm的实验室试件，待实验室试件成型后静置于平整桌面若干天，对符合要求的实验室试件切割成高度为60±2mm，直径为100±2mm的圆柱体试件，备用；
步骤二：强度、疲劳均试验采用多功能材料试验系统(MTS-Landmark)，将步骤一准备好的圆柱体试件放在温度为15℃的恒温箱中保温4-5h，然后放在多功能材料试验系统(MTS-Landmark)的劈裂强度试验支座上，并调整使劈裂疲劳试验的压头与圆柱体试件初步接触开始试验，且试验过程均在恒温箱中完成；
步骤三：通过内置MPT编制运行程序并设置施加荷载和采集参数，每个加载周期的力由数据采集系统自动测得、位移变形由位移传感器测得，将圆柱体试件在不同的加载速率下进行劈裂强度试验，且每个加载速率均进行了五次有效的平行测试，取平均值即得不同加载速率下的劈裂强度值；
步骤四：根据步骤三得到不同加载速率的强度值，进行劈裂疲劳试验，并将疲劳试验中某一加载速率的应力水平与强度试验中相同加载速率对应的强度值之比定义为速度相关应力比；
步骤五：基于步骤四得到的速度相关应力比，建立不同加载速率条件下沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型，并利用本发明的速度相关应力比思想使沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到统一；
步骤六：基于步骤五得到的沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型，推导了沥青路面抗拉强度结构系数，从而建立了考虑加载速率影响的沥青路面疲劳强度的校核新方法。
需要说明的是，沥青混合料的疲劳寿命受荷载控制模式的影响较大，根据荷载条件是否变化，将荷载分为简单荷载和复合荷载。简单荷载的特点为试验过程中荷载条件保持不变，而复合荷载与之相反。根据试验需求，本试验采用易行的简单荷载加载模式，其从试验性质上分为应力控制和应变控制，它们有着自己的特点。
应力控制即每次加载时荷载的限值和应力保持不变，沥青混合料的强度随荷载作用次数的增加而减小，在这种情况下虽然应力幅值稳定不变，但产生的应变会持续增大，最终小梁试件彻底破坏试验终止，整个过程所经过的循环荷载次数为疲劳寿命。
应变控制即每次加载时控制应变不变，沥青混合料的强度同样随着荷载作用次数的增加而减小，为了保持每次应变不变，所施加的荷载不断减小，应力变小，应变控制疲劳试验的终止条件为施加荷载对应的应力幅值降低到初始应力幅值的一半，此时试件所经过的循环荷载次数即为疲劳寿命。
从理论上对两种控制模式进行分析：第一，相同条件下应力控制的疲劳试验在结束时所需时间较短，再现性好。美国沥青混合料设计方法显示，在相同的条件下疲劳寿命的对比上，应变控制模式是应力控制模式的2.4倍。第二，由于沥青混合料中存在微裂隙，采用控制应力模式时，可使真正施加的荷载稍有增大，同时因为沥青混合料自身的不均匀性，不可避免的在试件内部存在不同程度的薄弱面，小梁试件的破坏较为迅速，对于试验结束的判断依据更加明了，而采用应变控制时疲劳破坏的标准较不明确，采用劲度降低到初始劲度的一半时作为试验终止的条件，随意性的缺点较为突出。第三，应力控制操作性强，离散程度相对较小，且破坏标准明确，所以试验量较小。
综合考虑，简单加载模式下的应力控制模式与我国沥青路面结构设计较为吻合，适用于沥青混合料疲劳耐久性研究。因此，本试验采用应力控制模式进行沥青混合料的疲劳性能研究。
优选的，所述实验室试件制备选用SGC旋转压实仪，且所述SGC旋转压实仪的工作参数：垂直加载压力为600kPa±18kPa，压实转速为30r/min±0.5r/min，有效内旋转角为1.16±0.02°。
本发明公开的SGC旋转压实仪具有自动测定试件高度、旋转次数及对应高度的记录和显示功能。
优选的，所述圆柱体试件的尺寸：高度为60±2mm，直径为100±2mm，且所述圆柱体试件可直接用于劈裂强度和疲劳试验。
优选的，所述步骤三中，每个加载周期的力由数据采集系统自动测得，位移变形由位移传感器测得。
优选的，所述步骤三劈裂强度试验中，选择的加载速率为5MPa/s、10MPa/s、20MPa/s、30MPa/s、40MPa/s、50MPa/s、60MPa/s、70MPa/s。
优选的，所述劈裂强度试验加载速率的原则是：为了得到强度随加载速率变化的全曲线，加载速率的选取尽可能的要多，故劈裂强度试验选取了7个加载速率，从强度随加载速率的变化曲线可以知道，强度随加载速率的变化率是逐渐减少的，当劈裂强度试验的加载速率为70MPa/s时，曲线已经非常平缓，从而得到了强度随加载速率变化的全曲线。
优选的，所述步骤四的劈裂疲劳试验中，采用控制模式为应力控制模式，加载波形为半正弦波；且试验频率为10Hz，试验温度为15℃。
优选的，所述步骤四的劈裂疲劳试验中，加载频率与加载速率的换算公式为：
其中，v是劈裂疲劳试验的加载速率，σ是劈裂疲劳试验的应力水平，T是劈裂疲劳试验的周期，f为劈裂疲劳试验的加载频率。
优选的，所述疲劳试验中加载频率所对应的加载速率为5MPa/s，10MPa/s，20MPa/s，30MPa/s。
优选的，所述劈裂强度试验中，将沥青混合料不同加载速率下劈裂强度试验的试验结果拟合，拟合曲线见附图1，所述不同加载速率下劈裂强度结果的拟合方程分别为：
Sv＝2.24289v0.22571，R2＝0.957
其中，Sv为沥青混合料与加载速率相对应的劈裂强度，v是劈裂疲劳试验的加载速率，R2是方程的相关系数。
由图1拟合结果可知，沥青混合料劈裂强度随加载速率呈幂函数规律变化，强度随加载速率的增大而增大，而且随着加载速率的增大强度增长的速率趋缓。
需要说明的是，一般来说疲劳试验中，首先要做强度试验，现行的强度试验中加载速率是固定的，而实际操作中加载速率对强度是有影响的，故规范是不科学的。
通过不同加载速率的强度试验，得到了强度随加载速率变化的一个规律，也就是说通过这个方程能够得到任意一个加载速率的强度。虽然疲劳试验中的加载速率和强度试验中的加载速率有对应的，但是如果通过试验结果拟合得到强度随加载速率变化的方程，那么就算强度与疲劳试验的加载速率不对应，也可以基于速度相关应力比建立不同加载速率条件下沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型。
优选的，所述抗拉强度结构系数的推导中，将一次荷载作用下的极限抗拉强度值与疲劳容许拉应力的比值定义为抗拉强度结构系数，其表达式为：
其中，Ks为抗拉强度结构系数，σ1为一次荷载作用下的极限抗拉强度值，σR为疲劳容许拉应力。
通过上述技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，具有如下优异效果：
(1)本发明基于速度相关应力比建立了不同加载速率条件下沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型，并利用速度相关应力比思想使得沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到了统一，由此推导了沥青路面强度结构系数，从而建立了考虑加载速率影响的沥青路面疲劳强度校核新方法。
(2)由于沥青混合料是一种粘弹性的材料，强度受加载速率的影响是很显著的，但是现行的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中疲劳试验的强度试验方法中的加载速率是固定不变的，故本发明中考虑加载速率影响的强度值更能反应沥青混合料的材料抗性，为沥青混合料劈裂疲劳性能的精确预测提供理论基础，同时使沥青路面强度校核方法更为科学，并为耐久性沥青路面的设计提供理论依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为沥青混合料劈裂强度随加载速率的变化规律。
图2为基于速度相关应力比思想的沥青混合料劈裂疲劳性能拟合曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了本发明提供了一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，通过对试件进行不同加载速率条件下的劈裂强度和疲劳试验，且基于速度相关应力比建立了不同加载速率条件下沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型，并利用速度相关应力比思想使得沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到了统一，由此推导了沥青路面强度结构系数，从而建立了考虑加载速率影响的沥青路面疲劳强度校核新方法，使沥青路面的抗疲劳设计的更为科学，同时为耐久性沥青路面的设计提供理论依据。
实施例
采用矿料经过逐层筛分，将称量好的矿料放在烘箱中预热4个小时以使矿料充分烘干，每次在搅拌锅添加矿料或沥青后搅拌90秒使集料搅拌均匀。
将经逐层筛分的矿料烘干，加入沥青搅拌均匀得到沥青混合料，并按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)的试验要求，采用SGC旋转压实仪进行试件成型，其垂直加载压力为600kPa±18kPa，压实转速为30r/min±0.5r/min，有效内旋转角为1.16±0.02°，试件成型后静置于平整桌面若干天，随后对符合要求的实验室试件切割成高度60±2mm，直径为100±2mm的圆柱体试件。
试验采用多功能材料试验系统(MTS-Landmark)，将圆柱体试件在15℃的恒温箱中恒温4-5个小时，通过内置MPT编制运行程序设置施加荷载和采集参数，每个加载周期的力由数据采集系统自动测得、位移变形由位移传感器测得。然后将圆柱体试件在不同的加载速率下进行劈裂强度试验，且每个加载速率均进行了五次有效的平行测试，取平均值即得不同加载速率下的劈裂强度值。
劈裂强度试验中，将沥青混合料不同加载速率下强度试验的试验结果拟合，拟合曲线见附图1，所述不同加载速率下劈裂强度结果的拟合方程为：
Sv＝2.24289v0.22571，R2＝0.957
其中，Sv为沥青混合料与加载速率相对应的强度，v是疲劳试验的加载速率，R2是方程的相关系数。
按照《公路工程沥青及混合料试验规程》(JTG E20-2011)的试验要求进行劈裂疲劳试验，并将疲劳试验中某一加载速率的应力水平与强度试验中相同加载速率对应的强度值之比定义为速度相关应力比，剔除严重偏离疲劳曲线的试验点后，不同加载速率下沥青混合料劈裂疲劳试验结果如表1所示。
表1基于速度相关应力比的沥青混合料劈裂疲劳试验结果
将表1中的疲劳寿命试验结果基于速度相关应力比在双对数坐标中进行回归，拟合曲线如附图2所示，从附图2可以看出，基于速度相关应力比的劈裂疲劳性能方程Nf＝(tv)-5.48在双对数坐标系中表现出很好的线性关系，且相关系数较高；并且该基于速度相关应力比的劈裂疲劳曲线通过疲劳破坏点(1,1)。因此，基于速度相关应力比的疲劳曲线揭示了强度失效与疲劳失效之间的内在关系。
根据速度相关应力比的定义，其为劈裂疲劳试验中某一加载速率的应力水平与劈裂强度试验中相同加载速率对应的强度值，通过与抗拉强度结构系数Ks定义的比较可知：二者互为倒数关系，即：
进而可以确定沥青路面的疲劳抗力为：
其中，Ks为抗拉强度结构系数，σs为疲劳抗力,σ1为一次荷载作用下的极限抗拉强度值，σR为疲劳容许拉应力，σ为疲劳试验中与加载速率相对应的应力水平，Sv为疲劳试验中与加载速率相对应的强度，Nf为疲劳寿命。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，其特征在于，所述评价方法具体包括如下步骤：
步骤一：将经逐层筛分的矿料烘干，加入沥青搅拌均匀得到沥青混合料，并按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的试验要求，将所述沥青混合料碾压成高度为100±2mm，直径为100±2mm的实验室试件，待实验室试件成型后静置于平整桌面若干天，对符合要求的实验室试件切割成圆柱体试件，备用；
步骤二：将步骤一准备好的圆柱体试件放在温度为15℃的恒温箱中保温4-5h，然后放在多功能材料试验系统(MTS-Landmark)的劈裂强度试验支座上，并调整使劈裂疲劳试验的压头与圆柱体试件初步接触开始试验，且试验过程均在恒温箱中完成；
步骤三：通过内置MPT编制运行程序设置施加荷载和采集参数，将圆柱体试件进行不同加载速率下劈裂强度试验，且每个加载速率均进行五次有效的平行测试，取平均值即得不同加载速率下的劈裂强度值；
步骤四：根据步骤三得到不同加载速率的强度值，并进行劈裂疲劳试验，同时将劈裂疲劳试验中某一加载速率的应力水平与劈裂强度试验中相同加载速率对应的强度值之比定义为速度相关应力比；
步骤五：基于步骤四得到的速度相关应力比，建立不同加载速率条件下沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型，并利用本发明的速度相关应力比思想使沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到统一；
步骤六：基于步骤五得到的沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型，推导了沥青路面抗拉强度结构系数，从而建立了考虑加载速率影响的沥青路面强度校核新方法。
2.根据权利要求1所述的一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，其特征在于，所述实验室试件制备选用SGC旋转压实仪，且所述SGC旋转压实仪的工作参数：垂直加载压力为600kPa±18kPa，压实转速为30r/min±0.5r/min，有效内旋转角为1.16±0.02°。
3.根据权利要求2所述的一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，其特征在于，所述圆柱体试件的尺寸：高度为60±2mm，直径为100±2mm，且所述圆柱体试件可直接用于劈裂强度和疲劳试验。
4.根据权利要求1所述的一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，其特征在于，所述步骤三中，每个加载周期的力由数据采集系统自动测得、位移变形由位移传感器测得。
5.根据权利要求1所述的一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，其特征在于，所述步骤三的劈裂强度试验中选择的加载速率为5MPa/s、10MPa/s、20MPa/s、30MPa/s、40MPa/s、50MPa/s、60MPa/s、70MPa/s。
6.根据权利要求1所述的一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，其特征在于，所述步骤四的劈裂疲劳试验中，采用控制模式为应力控制模式，加载波形为半正弦波；且试验频率为10Hz，试验温度为15℃。
7.根据权利要求6所述的一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，其特征在于，所述步骤四的劈裂疲劳试验中，加载频率与加载速率的换算公式为：
其中，v是劈裂疲劳试验的加载速率，σ是劈裂疲劳试验的应力水平，T是劈裂疲劳试验的周期，f为劈裂疲劳试验的加载频率。
8.根据权利要求7所述的一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，其特征在于，所述劈裂疲劳试验加载频率对应的加载速率为5MPa/s，10MPa/s，20MPa/s，30MPa/s。
9.根据权利要求1所述的一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，其特征在于，所述步骤三的劈裂强度试验中，将沥青混合料不同加载速率下劈裂强度试验的试验结果拟合，所述不同加载速率下劈裂强度结果的拟合方程分别为：
Sv＝2.24289v0.22571，R2＝0.957
其中，Sv为沥青混合料与加载速率相对应的劈裂强度，v是劈裂疲劳试验的加载速率，R2是方程的相关系数。
10.根据权利要求1所述的一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，其特征在于，所述步骤六的沥青路面抗拉强度结构系数推导中，将一次荷载作用下的极限抗拉强度值与疲劳容许拉应力的比值定义为抗拉强度结构系数，其表达式为：
其中Ks为抗拉强度结构系数，σ1为一次荷载作用下的极限抗拉强度值，σR为疲劳容许拉应力。
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