CN109827837A - 一种热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法，包括以下步骤：道路面层钻芯取样，细观材料试验试件制备；纳米压痕、划痕试验识别热再生沥青混合料混溶区域；纳米压痕、划痕试验获取不同材料、界面区域力学参数；微观尺度下热再生沥青砂浆拉压试验测试与观测；裂尖区微裂纹局部密度与结构损伤力学特性拟合，获取宏观裂纹萌生、扩展判据；拉压断裂判据、材料参数输入离散元软件内，热再生沥青混合料I型裂纹模拟预测。
Description
技术领域
本发明涉及一种热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法，属于道路工程技术领域。
背景技术
在道路工程领域，热再生技术应用相当广泛，但相对于普通沥青混合料，热再生沥青混合料主要以“黑石”理论为主，在结构组成设计中，一般以RAP颗粒上老化沥青完全混溶为假设，新沥青添加量为最佳油石比确定的总沥青含量减去老化沥青含量，这种假设造成了实际热再生沥青混合料中实际有效沥青含量偏少，极大地影响了热再生沥青混合料的水稳、低温、疲劳等性能。同时热再生沥青混合料中，由于新老沥青的部分混溶，造成了热再生沥青混合料界面存在一定的界面薄弱区，这种界面薄弱区对于整体结构的力学性能具有较为明显、不可忽视的影响，当前有关热再生界面薄弱区的研究还相当不足，尤其以其界面力学性能的忽视尤为明显。
发明内容
解决的技术问题：本申请主要是提出一种热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法，解决现有技术中存在材料拉压状态下损伤断裂参数难以检测等技术问题，提供了一种热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法。
技术方案：一种热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法，包括以下步骤：
第一步：道路面层钻芯取样，细观材料试验试件制备；
第二步：纳米压痕、划痕试验识别热再生沥青混合料混溶区域；
第三步：纳米压痕、划痕试验获取不同材料、界面区域力学参数；
第四步：微观尺度下热再生沥青混合料拉压试验测试；
第五步：裂尖区微裂纹局部密度与结构损伤力学特性拟合，获取宏观裂纹萌生、扩展判据；
第六步：拉压断裂判据、材料参数输入离散元软件，热再生沥青混合料I型裂纹数值模拟预测。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第一步中，首先对热再生道路面层进行钻芯取样，分别进行两次切割，首先通过粗切割获取热再生沥青混合料小梁试件，尺寸应限定在长≤1100mm、宽≤ 630mm、高 ≤1500mm，将切割的小梁进行二次切割，切割尺寸限定为长35mm、宽10mm、高4mm，对热再生沥青混合料小梁试件左、中、右三位置处分别取上、中、下三点进行切割，共计获取9块细观试验试件，切割位置分为不同的9点以消除混合料变异性影响，最终细观试件尺寸限定为上述值是根据热再生沥青混合料特性经过反复试验所最终确定的最佳尺寸值，利于微观拉压观测操作的同时便于后期细观试件预处理。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第二步中，针对精细化切割后细观材料试件，选取内部不同粒径RAP颗粒为测试对象，沿着RAP边界进行纳米压痕、纳米划痕试验，测试模型选择“线模式”，获得距RAP表面0-400μm长度范围内的一系列测试点力学特性，每隔10μm测试一点位，每个RAP共计40测试点位，获取的力学特征包括纳米压痕获得的RAP混溶区域的微观尺度下模量与硬度、纳米划痕下微观尺度的摩擦力，根据线模式下测得的不同点位下的模量、硬度、摩擦力曲线，识别不同粒径的新老沥青混溶范围，计算并拟合得到RAP粒径大小与新老沥青混溶比例的非线性关系。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第三步中，通过纳米压痕、划痕试验获取9块试件内不同材料、界面区域力学参数，包括集料微观弹性模量、集料微观摩擦系数、新老沥青混溶区域微观粘弹曲线、新老沥青混溶区域微观摩擦系数；
作为本发明的一种优选技术方案：所述第四步中，进行微观尺度下热再生沥青混合料拉压试验测试，基于SEM—Servo拉压设备实现微观尺度下沥青混合料拉压试验，拉压工况包括单次拉伸、单次压缩、周期性拉压，通过单次拉伸、单次压缩测量材料极限破坏荷载，通过周期性拉压获得测试结构刚度演化曲线。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第五步中，基于SEM—Servo拉压设备实时在线的观测单次、周期性拉压测试过程中裂尖微裂纹微观形态与演化分布、宏观裂纹扩展速率，借助于图像处理技术获得不同工况下材料裂尖微区的微裂纹局部密度演化，建立单次拉压下裂尖微裂纹密度与极限破坏荷载关系，获得单次拉压状态下的极限破坏强度，周期性拉压下裂尖微裂纹密度演化与结构刚度演化非线性拟合关系，确定疲劳作用下的裂纹萌生、扩展时刻的损伤量。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第六步中，基于离散元软件PFC建立沥青混合料I型裂纹扩展行为预测方法体系，选取任意沥青混合料小梁，在小梁下底面中部预制裂缝，裂缝长度不超过小梁整体厚度的三分之一；将小梁经过CT扫描获取三维断层图像集合，并在软件PFC内成型虚拟形态一致的沥青混合料数值模型；所建立的虚拟混合料数值模型内，分别针对不同的对象赋予不同的力学本构关系，对象包括虚拟集料、虚拟混溶界面、虚拟砂浆，根据纳米压痕、划痕试验测得的集料微观模量、摩擦系数确定数值试验内集料线性接触模型、滑动模型的参数，根据纳米压痕、划痕试验测得并拟合的混溶区域粘弹力学特征、摩擦系数与RAP表面距离的关系，分别赋予虚拟沥青混合料内混溶区域不同范围内粘弹本构、滑动模型的参数，根据SEM—Servo单次拉压试验赋予虚拟混溶界面内单次拉压断裂判据，根据SEM—Servo周期性拉压试验获得的裂尖微裂纹密度演化与结构刚度演化非线性拟合关系，将疲劳作用下确定的裂纹萌生、扩展的损伤量作为疲劳判据输入到虚拟混溶界面内；进行离散元PFC软件内沥青混合料预制裂缝的四点小梁弯曲试验，模拟小梁层底所预制的I型裂纹扩展行为，测量并预测材料断裂韧性。
有益效果：本申请所述一种热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、通过纳米压痕、划痕试验，精确区别热再生沥青混合料混溶范围及其相关力学参数。
2、基于SEM—Servo测试，获得裂尖微裂纹局部密度演化过程，并与实际测试结构整体刚度衰减建立拟合关系，获得精确的裂纹萌生、扩展判据。
3、通过建立精确的离散元虚拟数值模型，配合精确的界面力学参数、界面断裂判据，通过虚拟预制裂缝试验精准预测热再生沥青混合料的断裂韧性。
附图说明：
图1为本申请所述热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法的流程图；
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
实施例1
如图1所示，一种热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法，包括以下步骤：
（1）道路面层钻芯取样，细观材料试验试件制备，首先对热再生道路面层进行钻芯取样，分别进行两次切割，首先通过粗切割获取热再生沥青混合料小梁试件，尺寸应限定在长≤1100mm、宽≤ 630mm、高 ≤1500mm，将切割的小梁进行二次切割，切割尺寸限定为长35mm、宽10mm、高4mm，对热再生沥青混合料小梁试件左、中、右三位置处分别取上、中、下三点进行切割，共计获取9块细观试验试件，切割位置分为不同的9点以消除混合料变异性影响，最终细观试件尺寸限定为上述值是根据热再生沥青混合料特性经过反复试验所最终确定的最佳尺寸值，利于微观拉压观测操作的同时便于后期细观试件预处理；
（2）纳米压痕、划痕试验识别热再生沥青混合料混溶区域，针对精细化切割后的细观材料试件，选取内部不同粒径RAP颗粒为测试对象，沿着RAP边界进行纳米压痕、纳米划痕试验，测试模型选择“线模式”，获得距RAP表面0-400μm长度范围内的一系列测试点力学特性，每隔10μm测试一点位，每个RAP共计40测试点位，获取的力学特征包括纳米压痕获得的RAP混溶区域的微观尺度下模量与硬度、纳米划痕下微观尺度的摩擦力，根据线模式下测得的不同点位下的模量、硬度、摩擦力曲线，识别不同粒径的新老沥青混溶范围，计算并拟合得到RAP粒径大小与新老沥青混溶比例的非线性关系；
（3）通过纳米压痕、划痕试验获取9块试件内不同材料、界面区域力学参数，包括集料微观弹性模量、集料微观摩擦系数、新老沥青混溶区域微观粘弹曲线、新老沥青混溶区域微观摩擦系数，在测量时，集料的微观弹性模量、微观摩擦系数为一恒定测试值，而混溶区域微观粘弹曲线、微观摩擦系数应根据不同点位分别测试，最后进行混溶区域微观粘弹参数、微观摩擦系数与测试点距RAP表面距离的非线性拟合，获得各微观力学特性参数与新老沥青混溶区域距RAP表面距离的非线性拟合关系；
（4）进行微观尺度下热再生沥青混合料拉压试验测试，基于SEM—Servo拉压设备实现微观尺度下沥青混合料拉压试验，拉压工况包括单次拉伸、单次压缩、周期性拉压，单次拉伸、单次拉压为应变控制模式，加载速率限定为1mm/min，周期性拉压采用半正弦波加载，幅值1mm，频率10HZ。所进行的沥青混合料微观尺度下拉压试验，通过单次拉伸、单次压缩测量材料极限破坏荷载，通过周期性拉压获得测试结构刚度演化曲线；
（5）裂尖区微裂纹局部密度与结构损伤力学特性拟合，获取宏观裂纹萌生、扩展判据，基于SEM—Servo拉压设备实时在线的观测单次、周期性拉压测试过程中裂尖微裂纹微观形态与演化分布、宏观裂纹扩展速率，借助于图像处理技术获得不同工况下材料裂尖微区的微裂纹局部密度演化，建立单次拉压下裂尖微裂纹密度与极限破坏荷载关系，获得单次拉压状态下的极限破坏强度，周期性拉压下裂尖微裂纹密度演化与结构刚度演化非线性拟合关系，确定疲劳作用下的裂纹萌生、扩展时刻的损伤量；
（6）拉压断裂判据、材料参数输入离散元软件，热再生沥青混合料I型裂纹数值模拟预测，基于离散元软件PFC建立沥青混合料I型裂纹扩展行为预测方法体系，选取任意沥青混合料小梁，在小梁下底面中部预制裂缝，裂缝长度不超过小梁整体厚度的三分之一。将小梁经过CT扫描获取三维断层图像集合，并在软件PFC内成型虚拟形态一致的沥青混合料数值模型。所建立的虚拟混合料数值模型内，分别针对不同的对象赋予不同的力学本构关系，对象包括虚拟集料、虚拟混溶界面、虚拟砂浆，根据纳米压痕、划痕试验测得的集料微观模量、摩擦系数确定数值试验内集料线性接触模型、滑动模型的参数，根据纳米压痕、划痕试验测得并拟合的混溶区域粘弹力学特征、摩擦系数与RAP表面距离的关系，分别赋予虚拟沥青混合料内混溶区域不同范围内粘弹本构、滑动模型的参数，根据SEM—Servo单次拉压试验赋予虚拟混溶界面内单次拉压断裂判据，根据SEM—Servo周期性拉压试验获得的裂尖微裂纹密度演化与结构刚度演化非线性拟合关系，将疲劳作用下确定的裂纹萌生、扩展的损伤量作为疲劳判据输入到虚拟混溶界面内。进行离散元PFC软件内沥青混合料预制裂缝的四点小梁弯曲试验，模拟小梁层底所预制的I型裂纹扩展行为，测量并预测材料断裂韧性。
以上为热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法的整个试验、模拟、参数分化确定过程，热再生工艺、成型方式、材料组成种类繁多，均适用于本发明所提出的方法，故任何热再生材料运用本方法的应均在本发明的保护范围之内。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (7)
1.一种热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：道路面层钻芯取样，细观材料试验试件制备；
第二步：纳米压痕、划痕试验识别热再生沥青混合料混溶区域；
第三步：纳米压痕、划痕试验获取不同材料、界面区域力学参数；
第四步：微观尺度下热再生沥青混合料拉压试验测试；
第五步：裂尖区微裂纹局部密度与结构损伤力学特性拟合，获取宏观裂纹萌生、扩展判据；
第六步：拉压断裂判据、材料参数输入离散元软件，热再生沥青混合料I型裂纹数值模拟预测。
2.根据权利要求1所述的热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法，其特征在于：所述第一步中，首先对热再生道路面层进行钻芯取样，分别进行两次切割，首先通过粗切割获取热再生沥青混合料小梁试件，尺寸应限定在长≤1100mm、宽≤ 630mm、高 ≤1500mm，将切割的小梁进行二次切割，切割尺寸限定为长35mm、宽10mm、高4mm，对热再生沥青混合料小梁试件左、中、右三位置处分别取上、中、下三点进行切割，共计获取9块细观试验试件，切割位置分为不同的9点以消除混合料变异性影响，最终细观试件尺寸限定为上述值是根据热再生沥青混合料特性经过反复试验所最终确定的最佳尺寸值，利于微观拉压观测操作的同时便于后期细观试件预处理。
3.根据权利要求1所述的热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法，其特征在于：所述第二步中，针对精细化切割后的细观材料试件，选取内部不同粒径RAP颗粒为测试对象，沿着RAP边界进行纳米压痕、纳米划痕试验，测试模型选择“线模式”，获得距RAP表面0-400μm长度范围内的一系列测试点力学特性，每隔10μm测试一点位，每个RAP共计40测试点位，获取的力学特征包括纳米压痕获得的RAP混溶区域的微观尺度下模量与硬度、纳米划痕下微观尺度的摩擦力，根据线模式下测得的不同点位下的模量、硬度、摩擦力曲线，识别不同粒径的新老沥青混溶范围，计算并拟合得到RAP粒径大小与新老沥青混溶比例的非线性关系。
4.根据权利要求1所述的热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法，其特征在于：所述第三步中，通过纳米压痕、划痕试验获取9块试件内不同材料、界面区域力学参数，包括集料微观弹性模量、集料微观摩擦系数、新老沥青混溶区域微观粘弹曲线、新老沥青混溶区域微观摩擦系数，在测量时，集料的微观弹性模量、微观摩擦系数为一恒定测试值，而混溶区域微观粘弹曲线、微观摩擦系数应根据不同点位分别测试，最后进行混溶区域微观粘弹参数、微观摩擦系数与测试点距RAP表面距离的非线性拟合，获得各微观力学特性参数与新老沥青混溶区域距RAP表面距离的非线性拟合关系。
5.根据权利要求1所述的热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法，其特征在于：所述第四步中，进行微观尺度下热再生沥青混合料拉压试验测试，基于SEM—Servo拉压设备实现微观尺度下沥青混合料拉压试验，拉压工况包括单次拉伸、单次压缩、周期性拉压，单次拉伸、单次拉压为应变控制模式，加载速率限定为1mm/min，周期性拉压采用半正弦波加载，幅值1mm，频率10HZ；所进行的沥青混合料微观尺度下拉压试验，通过单次拉伸、单次压缩测量材料极限破坏荷载，通过周期性拉压获得测试结构刚度演化曲线。
6.根据权利要求1所述的热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法，其特征在于：所述第五步中，基于SEM—Servo拉压设备实时在线的观测单次、周期性拉压测试过程中裂尖微裂纹微观形态与演化分布、宏观裂纹扩展速率，借助于图像处理技术获得不同工况下材料裂尖微区的微裂纹局部密度演化，建立单次拉压下裂尖微裂纹密度与极限破坏荷载关系，获得单次拉压状态下的极限破坏强度，周期性拉压下裂尖微裂纹密度演化与结构刚度演化非线性拟合关系，确定疲劳作用下的裂纹萌生、扩展时刻的损伤量。
7.根据权利要求1所述的热再生沥青混合料拉压状态下损伤断裂性能数值试验预估方法，其特征在于：所述第六步中，基于离散元软件PFC建立沥青混合料I型裂纹扩展行为预测方法体系，选取任意沥青混合料小梁，在小梁下底面中部预制裂缝，裂缝长度不超过小梁整体厚度的三分之一，将小梁经过CT扫描获取三维断层图像集合，并在软件PFC内成型虚拟形态一致的沥青混合料数值模型；所建立的虚拟混合料数值模型内，分别针对不同的对象赋予不同的力学本构关系，对象包括虚拟集料、虚拟混溶界面、虚拟砂浆，根据纳米压痕、划痕试验测得的集料微观模量、摩擦系数确定数值试验内集料线性接触模型、滑动模型的参数，根据纳米压痕、划痕试验测得并拟合的混溶区域粘弹力学特征、摩擦系数与RAP表面距离的关系，分别赋予虚拟沥青混合料内混溶区域不同范围内粘弹本构、滑动模型的参数，根据SEM—Servo单次拉压试验赋予虚拟混溶界面内单次拉压断裂判据，根据SEM—Servo周期性拉压试验获得的裂尖微裂纹密度演化与结构刚度演化非线性拟合关系，将疲劳作用下确定的裂纹萌生、扩展的损伤量作为疲劳判据输入到虚拟混溶界面内；进行离散元PFC软件内沥青混合料预制裂缝的四点小梁弯曲试验，模拟小梁层底所预制的I型裂纹扩展行为，测量并预测材料断裂韧性。
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