CN113567269B - 一种考虑自愈合的沥青疲劳寿命评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑自愈合的沥青疲劳寿命评价方法，属于道路工程材料技术领域，该方法包括：对沥青试样进行应力扫描试验，获得沥青试样线弹性范围内最大应力；对沥青试样进行重复疲劳‑愈合试验，获得每个疲劳‑愈合循环下的恢复寿命；利用指数模型对恢复寿命随疲劳愈合循环次数变化规律进行回归，对回归模型求和求极限，获得沥青恢复寿命极限值，以此作为评价沥青长期疲劳损伤寿命指标。本发明提供的评价方法将沥青自愈合特性考虑到沥青疲劳性能评价中，预估了沥青疲劳愈合极限寿命，有利于精确评价沥青长期疲劳寿命。

Description

一种考虑自愈合的沥青疲劳寿命评价方法
技术领域
本发明涉及道路工程材料技术领域，具体涉及一种考虑自愈合的沥青疲劳寿命评价方法。
背景技术
沥青路面是我国较为普遍的路面结构之一，在长期的使用过程中，沥青路面受到周围复杂环境(温度、湿度变化等)和交通荷载的影响，产生疲劳损伤、老化等问题。若微损伤未获得及时有效的修复和处理，最终产生宏观裂纹，破坏路面结构的整体稳定性，使路面丧失承载能力。现有研究表明，沥青在一定条件下具有自愈合特性，其自愈合行为可分为两个阶段：(1)微裂缝的愈合，即裂缝表面润湿过程，沥青分子为降低表面能进行自发界面浸润作用，使微裂纹愈合；(2)愈合界面沥青强度的恢复，即固有愈合过程。其中，固有愈合过程包含因沥青自身粘聚性或表面能作用而获得的瞬时强度，以及分子在界面上逐渐重组而产生的强度。因此，沥青独有的自愈合特性也为沥青路面自我修复带来可能。
现有评价沥青结合料疲劳性能的试验方法主要基于动态剪切流变仪，评价指标包括疲劳寿命Nf50、能量比ER、累计耗散能量变化率DER、疲劳因子等。然而上述评价指标并未将沥青在疲劳过程中的愈合行为考虑其中，仅以不同加载方式对疲劳过程进行模拟，缺乏对疲劳损伤后愈合过程的模拟与评价，这与实际情况相差较大。因此，如何对路用沥青的疲劳损伤-愈合全过程进行有效评价，更为实际地对沥青愈合行为进行模拟，具有十分重要的现实意义。
发明内容
为了解决现有沥青材料疲劳寿命评价方法未考虑沥青自愈合行为、准确度差的问题，本发明提供了一种考虑自愈合的沥青疲劳寿命评价方法，具体包括如下步骤：
步骤101、利用动态剪切流变仪对沥青试样进行应力扫描试验，得到沥青试样线弹性范围内的最大应力；
步骤102、利用动态剪切流变仪对沥青试样进行重复疲劳-愈合试验，获得第i次疲劳-愈合循环下的恢复寿命N(i)，
步骤103、利用数学模型对恢复寿命随疲劳愈合循环次数变化进行回归，得到恢复寿命N(i)与疲劳愈合循环次数i的代数关系，
步骤104、根据恢复寿命N(i)计算沥青的自愈性恢复寿命Nh(i)，对沥青的自愈性恢复寿命Nh(i)求和求极限，得到沥青恢复寿命极限值Nh，limit，其计算公式为：
Figure BDA0003174699790000021
进一步地，所述步骤101具体为：
根据实际需求，确定应力扫描试验参数，所述应力扫描试验参数包括应力扫描范围、扫描频率和以及试验温度；定义沥青试样的初始复数剪切模量为
Figure BDA0003174699790000022
以复数剪切模量G*衰减至
Figure BDA0003174699790000023
时对应的扫描应力作为所述沥青试样在线弹性范围内的最大应力。
进一步地，所述步骤102具体为：
根据设定的疲劳损伤参数进行时间扫描试验，得到复数剪切模量G*随时间的变化关系，所述疲劳损伤参数包括最大应力、扫描频率和实验温度；
待沥青复数剪切模量G*降低至
Figure BDA0003174699790000031
时，停止试验，根据设定的愈合参数进行愈合过程，所述愈合参数包括愈合温度和愈合时间；
重复上述试验过程，直至相邻3-4次疲劳-愈合循环下所得疲劳恢复寿命差异性小于20％。
进一步地，所述步骤103中的数学模型为指数模型。
更进一步地，所述步骤103中的数学模型为：
N(i)＝aexp(-bi)+c
式中a、b、c为拟合参数；
事实上，沥青的恢复寿命N(i)由自愈性恢复寿命Nh(i)和触变性恢复寿命Nt(i)组成，即
N(i)＝Nh(i)+Nt(i)
在相同的试验参数下，沥青的触变性恢复寿命Nt(i)可近似认为是定值，因此触变性恢复寿命Nt(i)就等于恢复寿命N(i)计算公式中的常数项c，Nh(i)＝N(i)-Nt(i)＝aexp(-bi)，对Nh(i)求和求极限，得到沥青恢复寿命极限值Nh，limit，
Figure BDA0003174699790000032
进一步地，所述沥青包括基质沥青、改性沥青、沥青混合料、沥青胶浆等。
本发明与现有技术相比具有以下突出的有益效果：
1.本发明提出的沥青疲劳性能评价方法考虑了沥青材料的自愈合特性，采用重复疲劳-愈合的试验方法对沥青疲劳损伤愈合过程进行研究和模拟，可以准确地反映了沥青在载荷作用下的寿命变化。
2.本发明提出的沥青疲劳性能评价方法涉及一种考虑自愈合的沥青疲劳寿命预测模型，可以根据该模型计算得到沥青的疲劳愈合极限寿命，有利于精确评价沥青长期疲劳寿命。
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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的考虑自愈合的沥青疲劳寿命评价方法的流程图；
图2为90#基质沥青应力扫描试验结果；
图3为90#基质沥青的恢复寿命随疲劳-愈合循环次数变化图；
图4为90#RTFOT老化沥青应力扫描试验结果；
图5为90#RTFOT老化沥青的恢复寿命随疲劳-愈合循环次数变化图；
图6为70#基质沥青应力扫描试验结果；
图7为70#基质沥青的恢复寿命随疲劳-愈合循环次数变化图；
图8为90#基质沥青的累计自愈性恢复寿命随疲劳-愈合循环次数变化图；
图9为90#老化沥青的累计自愈性恢复寿命随疲劳-愈合循环次数变化图；
图10为70#基质沥青的累计自愈性恢复寿命随疲劳-愈合循环次数变化图。
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。
实施例1
一种考虑自愈合的沥青疲劳寿命评价方法，包括如下步骤：
步骤1：选用90#基质沥青作为待测样品，采用动态剪切流变仪进行应力扫描试验，应力扫描范围为0.001MPa*1Mpa，扫描频率为10rad/s，试验温度25℃。试验获得复数剪切模量G*随应力变化曲线如图2所示，复数剪切模量G*衰减至
Figure BDA0003174699790000051
时对应的应力为0.15MPa，选定0.15MPa作为步骤2试验中的加载应力。
步骤2：进行时间扫描试验，加载应力为0.15MPa，扫描频率为10rad/s，试验温度25℃。待沥青复数剪切模量G*降低至初始复数剪切模量
Figure BDA0003174699790000052
的60％时，停止试验进行愈合过程，愈合温度为25℃，愈合时间为30min。重复上述试验过程15次后，可知最后4次疲劳-愈合循环下的疲劳恢复寿命的差异性小于20％，此时停止试验，获得恢复寿命随疲劳-愈合循环次数的变化情况，如图3所示。
步骤3：利用指数模型N(i)＝aexp(-bi)+c对步骤2中恢复寿命随疲劳-愈合循环次数的变化规律进行回归，模型中表达式aexp(-bi)为自愈性恢复寿命ΔNh(i)，c为触变性恢复寿命ΔNh(i)(式中a、b为拟合参数；i为第i个疲劳-愈合循环)。沥青疲劳愈合极限寿命通过式
Figure BDA0003174699790000053
进行计算，以此评价沥青长期疲劳寿命。计算结果见表1。
实施例2
一种考虑自愈合的沥青疲劳寿命评价方法，包括如下步骤：
步骤1：选用90#RTFOT老化沥青，采用动态剪切流变仪进行应力扫描试验。应力扫描范围为0.001MPa～1MPa，扫描频率为10rad/s，试验温度25℃。试验获得复数剪切模量G*随应力变化曲线如图4所示，选定复数剪切模量G*衰减至
Figure BDA0003174699790000061
时对应的应力，即0.2MPa作为步骤2试验中加载应力。
步骤2：进行时间扫描试验，加载应力为0.2MPa，扫描频率为10rad/s，试验温度25℃。待沥青复数剪切模量G*降低至初始复数剪切模量
Figure BDA0003174699790000062
的60％时，停止试验进行愈合过程，愈合温度为25℃，愈合时间为30min。重复上述试验过程15次后，可知最后3次疲劳-愈合循环下的疲劳恢复寿命的差异性小于20％，此时停止试验。获得恢复寿命随疲劳-愈合循环次数的变化，如图5所示。
步骤3：利用指数模型y＝aexp(-bi)+c对步骤2中恢复寿命随疲劳-愈合循环次数的变化规律进行回归，模型中表达式aexp(-bi)为自愈性恢复寿命ΔNh(i)，c为触变性恢复寿命ΔNh(i)(式中a、b为拟合参数；i为第i个疲劳-愈合循环)。沥青疲劳愈合极限寿命通过式
Figure BDA0003174699790000063
进行计算，以此评价沥青长期疲劳寿命。计算结果见表1。
实施例3
一种考虑自愈合的沥青疲劳寿命评价方法，包括如下步骤：
步骤1：选用70#基质沥青，采用动态剪切流变仪进行应力扫描试验。应力扫描范围为0.01MPa～1MPa，扫描频率为10rad/s，试验温度25℃。试验获得复数剪切模量G*随应力变化曲线如图6所示，复数剪切模量G*衰减至90％
Figure BDA0003174699790000064
时对应的应力为0.28MPa，选定0.28MPa作为步骤2试验中加载应力。
步骤2：进行时间扫描试验，加载应力为0.28MPa，扫描频率为10rad/s，试验温度25℃。待沥青复数剪切模量G*降低至初始复数剪切模量
Figure BDA0003174699790000065
的60％时，停止试验进行愈合过程，愈合温度为25℃，愈合时间为30min。重复上述试验过程12次后，可知最后4次疲劳-愈合循环下的疲劳恢复寿命的差异性小于20％，此时停止试验。获得恢复寿命随疲劳-愈合循环次数的变化，如图7所示。
步骤3：利用指数模型y＝aexp(-bi)+c对步骤2中恢复寿命随疲劳-愈合循环次数的变化规律进行回归，模型中表达式aexp(-bi)为自愈性恢复寿命ΔNh(i)，c为触变性恢复寿命ΔNt(i)(式中a、b为拟合参数；i为第i个疲劳-愈合循环)。沥青疲劳愈合极限寿命通过式
Figure BDA0003174699790000071
进行计算，以此评价沥青长期疲劳寿命。计算结果见表1。
表1三种沥青的疲劳愈合极限寿命及拟合结果
沥青类型 N<sub>h，limit</sub> a b c(＝ΔN<sub>t</sub>) R<sup>2</sup>
90#基质 2176 737.83 0.292 1146 0.989
90#RTFOT老化 2012 685.01 0.293 1477 0.984
70#基质 1973 650.68 0.285 1533 0.989
综合实施例1-3的试验结果，可以看出上述实施例使用的指数模型y＝aexp(-bi)+c拟合度均在0.98以上，表明本申请提供的评价指标可以准确预测沥青试样的老化。
实施例4
根据附图3、5、7可知，随着疲劳-愈合循环次数的增加，沥青试样的恢复寿命值波动逐渐减小，当i＞15时相邻两点的N(i)值变化率小于2％，此时可近似认为沥青试样的自愈合能力已完全丧失，此时N(i)可近似认为等于Nt(i)。据此对实施例1-3的数据做进一步处理，具体的，令Nt(i)＝N(15)，则Nh(i)＝N(i)-N(15)，对Nh(i)进行求和运算得到
Figure BDA0003174699790000081
并绘制出
Figure BDA0003174699790000082
随疲劳-愈合循环次数i的变化关系图，结果如图8、9、10所示。可以看出当i等于15时，90#基质沥青试样、90#RTFOT老化沥青试样和70#基质沥青试样的累计自愈性恢复寿命分别为2360次、2180次、2090次，对比回归模型中Nh，limit值非常接近，变化率均小于9％，表明本申请对沥青恢复寿命极限值的预估具备一定的合理性和正确性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种考虑自愈合的沥青疲劳寿命评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤101、利用动态剪切流变仪对沥青试样进行应力扫描试验，得到沥青试样线弹性范围内的最大应力；
步骤102、利用动态剪切流变仪对沥青试样进行重复疲劳-愈合试验，获得第i次疲劳-愈合循环下的恢复寿命N(i)，
步骤103、利用数学模型对恢复寿命随疲劳愈合循环次数变化进行回归，得到恢复寿命N(i)与疲劳愈合循环次数i的代数关系，所述数学模型为：
N(i)＝aexp(-bi)+c
其中：aexp(-bi)为自愈性恢复寿命Nh(i)；
c为触变性恢复寿命Nt(i)；
a、b为拟合参数；
i为第i个疲劳-愈合循环；
步骤104、根据恢复寿命N(i)计算沥青的自愈性恢复寿命Nh(i)，对沥青的自愈性恢复寿命Nh(i)求和求极限，得到沥青自愈性恢复寿命极限值Nh,limit，Nh,limit的计算公式为：
Figure FDA0003618946930000011
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤101具体为：
根据实际需求，确定应力扫描试验参数，所述应力扫描试验参数包括应力扫描范围、扫描频率和以及试验温度；定义沥青试样的初始复数剪切模量为
Figure FDA0003618946930000021
以复数剪切模量G*衰减至90％
Figure FDA0003618946930000022
时对应的扫描应力作为所述沥青试样在线弹性范围内的最大应力。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤102具体为：
根据设定的疲劳损伤参数进行时间扫描试验，得到复数剪切模量G*随时间的变化关系，所述疲劳损伤参数包括最大应力、扫描频率和实验温度；
定义沥青试样的初始复数剪切模量为
Figure FDA0003618946930000023
待沥青复数剪切模量G*降低至60％
Figure FDA0003618946930000024
时，停止试验，根据设定的愈合参数进行愈合过程，所述愈合参数包括愈合温度和愈合时间；
重复上述试验过程，直至相邻3-4次疲劳-愈合循环下所得恢复寿命差异性小于20％。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述沥青包括基质沥青、改性沥青、沥青混合料、沥青胶浆。
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GR01 Patent grant
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