CN113686707A - 分离触变性和非线性影响的沥青疲劳性能测试及评价方法 - Google Patents
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Abstract
分离触变性和非线性影响的沥青疲劳性能测试及评价方法,它为了解决现有基于动态剪切模量的沥青疲劳损伤性能测试方法由于触变性和非线性的影响而无法准确表征沥青损伤程度的问题。测试及评价方法:一、确定线性粘弹性范围的临界值;二、在t‑R|G*|曲线上设置n个低应变水平扫描测试节点;三、进行改进的时间扫描试验;四、基于第1个测试节点得到的相位角和动态剪切模量数据,对δ‑|G*|关系模型进行拟合,得到沥青触变性特征关系模型;五、计算损伤度。本发明提出的分离触变性和非线性影响的沥青疲劳性能测试及评价方法能够有效剔除由触变性和非线性对模量的影响,准确量化沥青真实的损伤程度,有利于分析沥青疲劳损伤的演化规律。
Description
技术领域
本发明属于沥青损伤识别领域,具体涉及一种沥青疲劳性能测试及评价方法。
背景技术
沥青是沥青路面的重要组成材料,在沥青路面的抗疲劳性能中发挥关键作用,深入研究沥青的疲劳损伤机理,准确表征沥青的疲劳损伤程度对于沥青路面的建设和养护具有非常重要的意义。
目前,时间扫描试验是评价沥青疲劳性能所采用的最主要的测试方法。试验得到的加载时间-动态剪切模量曲线图被广泛用于沥青疲劳性能的分析。基于动态剪切模量的沥青疲劳损伤程度的表征是研究沥青疲劳损伤演化规律的重要手段。然而,在该测试方法中,由于实际施加的荷载值已经超出了沥青材料的线性粘弹性范围,测试得到的模量值和相位角值受到非线性、触变性以及损伤的影响,疲劳损伤并不是导致动态剪切模量衰减的唯一来源,模量的变化并无法与实际损伤情况一一对应。因此,直接将高应变水平的时间扫描试验得到的动态剪切模量值作为疲劳损伤的评价指标将会高估实际疲劳损伤的程度。针对目前在沥青疲劳损伤研究中,缺乏考虑触变性影响和非线性影响的疲劳损伤评价方法,本发明提出一种分离触变性和非线性影响的沥青疲劳性能测试及评价方法。
发明内容
本发明是为了解决现有沥青疲劳损伤性能的评价方法受到触变性和非线性的影响而无法准确表征沥青损伤程度的问题,提供一种分离触变性和非线性影响的沥青疲劳性能测试及评价方法,用于研究沥青的疲劳损伤演化规律。
本发明分离触变性和非线性影响的沥青疲劳性能测试及评价方法按照以下步骤实现:
步骤一、确定荷载水平
利用动态剪切流变仪(DSR)对沥青试样进行应变扫描试验,以应变水平ε为横坐标,以动态剪切模量比其中为第k个应变水平对应的动态剪切模量值,为第1个荷载水平对应的动态剪切模量值)为纵坐标,得到应变-动态剪切模量比曲线,通过应变-动态剪切模量比曲线获取动态剪切模量降低至初始值的90%所对应的应变值εt,应变值εt即为线性粘弹性范围的临界值,然后选取εL和εS作为高应变水平时间扫描和低应变水平时间扫描的荷载值,其中εL>εt,εS<εt;
步骤二、确定测试节点
对(新的)沥青试样进行应变控制模式的高应变水平时间扫描试验,加载波形为正弦波,荷载水平为εL,以相位角比其中为第l个加载周期测得的相位角值,为第1个加载周期测得的相位角值)为横坐标,以动态模量比(其中为第l个加载周期测得的动态剪切模量值,为第1个加载周期测得的动态剪切模量值)为纵坐标,绘制曲线图,将曲线中开始偏离直线的点A0所对应的动态剪切模量比作为触变性特征值;然后以加载时间t为横坐标,以动态模量比为纵坐标绘制曲线图,根据曲线设置n个测试节点,其中测试节点的起点其余测试节点的动态模量比逐渐减小;
步骤三、改进的时间扫描试验
对(新的)沥青试样进行改进的时间扫描试验,改进的时间扫描试验过程如下:
b、对沥青试样进行应变水平为εL的高应变水平的时间扫描试验,当进行到第1个测试节点时,施加应变水平为εS低应变水平的时间扫描试验,加载时长为60s,测得低应变相位角和低应变动态剪切模量用于分析沥青的触变性特征规律;
c、然后继续对沥青试样进行应变水平为εL的高应变水平时间扫描试验,当试验进行到第2~n个测试节点时,分别施加应变水平为εS的低应变水平时间扫描试验,加载时长均为1s;其中,测试节点处高应变水平时间扫描试验得到的动态剪切模量和相位角值为和低应变水平时间扫描试验得到的相位角均值和动态剪切模量均值为和
步骤四、确定触变性特征关系
步骤五、计算损伤度
利用传统的时间扫描试验进行沥青疲劳损伤分析时,所采用的应变水平大于沥青线性粘弹性应变临界值,沥青的疲劳损伤程度由测试得到的模量衰减程度值直接计算得到。然而,在高荷载水平的时间扫描试验中,沥青试样的性能会受到触变性和非线性的影响,疲劳损伤并不是导致动态剪切模量衰减的唯一来源,模量的变化并无法与实际损伤情况一一对应,这样的测试和分析方法将会高估实际疲劳损伤的程度。改进的时间扫描试验中,通过在加载的过程设置低应变水平测试节点,所测得的模量值和相位角值只受到触变性和损伤的影响,排除了非线性的影响。然后再利用本发明提出的触变行特征关系可以有效分离触变性对模量的影响,进而计算得到沥青试样的实际损伤程度。
损伤程度的有效表征是研究沥青疲劳损伤演化规律、判断沥青是否发生疲劳损伤的基础,对于揭示沥青疲劳损伤机理具有十分重要的意义。针对现阶段沥青疲劳试验过程中,对沥青疲劳损伤程度的分析时忽视了触变性和非线性的影响而导致损伤程度的测量结果不准确的技术问题,以损伤力学理论和流变学理论为基础,通过分离触变性和非线性对模量降低的影响进而构建能够准确表征沥青疲劳损伤的表征指标和方法,实现更加准确描述沥青疲劳损伤程度和目的。
本发明提出的分离触变性和非线性影响的沥青疲劳性能测试及评价方法能够有效剔除由触变性和非线性对模量的影响,准确量化沥青真实的损伤程度,有利于分析沥青疲劳损伤的演化规律,对沥青的疲劳损伤性能评价具有十分重要的意义。
附图说明
图1为实施例步骤一中得到的应变-动态剪切模量比曲线图;
图2为实施例步骤二中得到的相位角比-动态剪切模量比曲线图;
图3为实施例步骤二中改进的时间扫描试验中得到测试节点示意图;
图4为实施例步骤二中改进的时间扫描试验中加载过程示意图;
图5为实施例步骤四中得到的δ-|G*|关系图,其中○代表测量值,—代表拟合值;
图6为实施例步骤五中计算得到的沥青损伤度测试图,其中○代表分离触变性和非线性,—代表未分离触变性和非线性;
图7为实施例中各因素导致的剪切模量衰减值测试图,其中○代表非线性,×代表触变性,◇代表损伤,△代表总衰减量。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式分离触变性和非线性影响的沥青疲劳性能测试及评价方法按照以下步骤实施:
步骤一、确定荷载水平
利用动态剪切流变仪(DSR)对沥青试样进行应变扫描试验,以应变水平ε为横坐标,以动态剪切模量比为纵坐标,得到应变-动态剪切模量比曲线,通过应变-动态剪切模量比曲线获取动态剪切模量降低至初始值的90%所对应的应变值εt,应变值εt即为线性粘弹性范围的临界值,然后选取εL和εS作为高应变水平时间扫描和低应变水平时间扫描的荷载值,其中εL>εt,εS<εt;
步骤二、确定测试节点
对(新的)沥青试样进行应变控制模式的高应变水平时间扫描试验,加载波形为正弦波,荷载水平为εL,以相位角比Rδ为横坐标,以动态模量比为纵坐标,绘制曲线图,将曲线中开始偏离直线的点A0所对应的动态剪切模量比作为触变性特征值;然后以加载时间t为横坐标,以动态模量比为纵坐标绘制曲线图,根据曲线设置n个测试节点,其中测试节点的起点其余测试节点的动态模量比逐渐减小;
步骤三、改进的时间扫描试验
对(新的)沥青试样进行改进的时间扫描试验,改进的时间扫描试验过程如下:
a、对沥青试样施加时长为10s,应变水平为εS的低应变水平的时间扫描试验,并计算得到动态剪切模量的均值|G*|0和相位角均值θ0,|G*|0和θ0是沥青试样无损状态时的特征值,不受触变性、非线性和损伤的影响;
b、对沥青试样进行应变水平为εL的高应变水平的时间扫描试验,当进行到第1个测试节点时,施加应变水平为εS低应变水平的时间扫描试验,加载时长为60s,测得低应变相位角和低应变动态剪切模量用于分析沥青的触变性特征规律;
c、然后继续对沥青试样进行应变水平为εL的高应变水平时间扫描试验,当试验进行到第2~n个测试节点时,分别施加应变水平为εS的低应变水平时间扫描试验,加载时长均为1s;其中,测试节点处高应变水平时间扫描试验得到的动态剪切模量和相位角值为和低应变水平时间扫描试验得到的相位角均值和动态剪切模量均值为和
步骤四、确定触变性特征关系
步骤五、计算损伤度
利用传统的时间扫描试验进行沥青疲劳损伤分析时,所采用的应变水平大于沥青线性粘弹性应变临界值,沥青的疲劳损伤程度由测试得到的模量衰减程度值直接计算得到。然而,在高荷载水平的时间扫描试验中,沥青试样的性能会受到触变性和非线性的影响,疲劳损伤并不是导致动态剪切模量衰减的唯一来源,模量的变化并无法与实际损伤情况一一对应,这样的测试和分析方法将会高估实际疲劳损伤的程度。改进的时间扫描试验中,通过在加载的过程设置低应变水平测试节点,所测得的模量值和相位角值只受到触变性和损伤的影响,排除了非线性的影响。然后再利用本发明提出的触变行特征关系可以有效分离触变性对模量的影响,进而计算得到沥青试样的实际损伤程度。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中应变扫描试验中使用的平行板直径为8mm,平行板间距为2mm,试验温度为25℃,加载频率为10Hz。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中εL=1.5-2倍的εt,εS=1/30-1/20倍的εt。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中相位角比其中为第l个加载周期测得的相位角值,为第1个加载周期测得的相位角值;动态模量比其中为第l个加载周期测得的动态剪切模量值,为第1个加载周期测得的动态剪切模量值。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三中时间扫描试验,试验的温度、频率、平行板的直径和平行板间距均与步骤一的应变扫描试验相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四得到的沥青触变性特征关系模型如下:
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤五中计算沥青的损伤度Dj的公式如下:
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是分别计算由非线性、触变性和损伤导致的动态剪切模量衰减值;
非线性导致的动态剪切模量降低值计算公式如下:
触变性导致的动态剪切模量降低值计算公式如下:
损伤导致的动态剪切模量降低值计算公式如下:
实施例:本实施例分离触变性和非线性影响的沥青疲劳性能测试及评价方法按照以下步骤实施:
步骤一、确定荷载水平
利用动态剪切流变仪(DSR)对沥青试样进行应变扫描试验,应变扫描试验中使用的平行板直径为8mm,平行板间距为2mm,试验温度为25℃,加载频率为10Hz,以应变水平ε为横坐标,以动态剪切模量比其中为第k个应变水平对应的动态剪切模量值,为第1个荷载水平对应的动态剪切模量值)为纵坐标,得到应变-动态剪切模量比曲线,通过应变-动态剪切模量比曲线获取动态剪切模量降低至初始值的90%所对应的应变值εt,应变值εt即为线性粘弹性范围的临界值,然后选取εL和εS作为高应变水平时间扫描和低应变水平时间扫描的荷载值,本实施例中,εt=2.9%,εL=6%,εS=0.1%;
步骤二、确定测试节点
对新的沥青试样进行应变控制模式的高应变水平时间扫描试验,加载波形为正弦波,荷载水平为εL,试验的温度、频率、平行板的直径和平行板间距均与步骤一中的应变扫描试验相同,以相位角比其中为第l个加载周期测得的相位角值,为第1个加载周期测得的相位角值)为横坐标,以动态模量比其中为第l个加载周期测得的动态剪切模量值,为第1个加载周期测得的动态剪切模量值)为纵坐标,绘制曲线图,将曲线中开始偏离直线的点A0所对应的动态剪切模量比作为触变性特征值,本实施例中然后以加载时间t为横坐标,以动态模量比为纵坐标绘制曲线图,根据曲线设置n(n=12)个测试节点,其中测试节点的起点测试点设置的原则为在能有效描述动态剪切模量的变化规律的前提下尽可能采用较少的测试点个数,本实施例中低应变水平扫描试验的测试节点设置为0.75,0.73,0.71,0.69,0.59,0.49,0.39,0.29,0.19,0.09,0.04;
步骤三、改进的时间扫描试验
对新的沥青试样进行改进的时间扫描试验,改进的时间扫描试验过程如下:
对(新的)沥青试样进行改进的时间扫描试验,改进的时间扫描试验过程如下:
a、对沥青试样施加时长为10s,应变水平为εS的低应变水平的时间扫描试验,并计算得到动态剪切模量的均值|G*|0和相位角均值θ0,|G*|0和θ0是沥青试样无损状态时的特征值,不受触变性、非线性和损伤的影响;
b、对沥青试样进行应变水平为εL的高应变水平的时间扫描试验,当进行到第1个测试节点时,施加应变水平为εS低应变水平的时间扫描试验,加载时长为60s,测得低应变相位角和低应变动态剪切模量用于分析沥青的触变性特征规律;
c、然后继续对沥青试样进行应变水平为εL的高应变水平时间扫描试验,当试验进行到第2~n个测试节点时,分别施加应变水平为εS的低应变水平时间扫描试验,加载时长均为1s;其中,测试节点处高应变水平时间扫描试验得到的动态剪切模量和相位角值为和低应变水平时间扫描试验得到的相位角均值和动态剪切模量的均值为和
步骤四、确定触变性特征关系
基于第1个测试节点得到的相位角和动态剪切模量数据,以相位角为横坐标,以动态剪切模量为纵坐标,得到δ-|G*|关系模型,对δ-|G*|关系模型进行拟合,得到沥青触变性特征关系模型,本实施例中,a=-1.04,b=67.97;
步骤五、计算损伤度
步骤六、分别计算由非线性、触变性和损伤导致的模量衰减值;
非线性导致的动态剪切模量降低值计算公式如下:
触变性导致的动态剪切模量降低值计算公式如下:
损伤导致的动态剪切模量降低值计算公式如下:
从而完成沥青疲劳性能测试及评价。
对比图6中的两条曲线可以发现,未分离触变性和非线性影响时所计算得到的损伤度偏大。特别是在试验的初始阶段,模量下降并非损伤所造成,主要是由非线性和触变性因素导致。基于本发明提出的分离触变性和非线性影响的沥青疲劳性能测试及评价方法能够有效剔除由触变性和非线性对模量的影响,准确量化沥青真实的损伤程度,有利于分析沥青疲劳损伤的演化规律,对沥青的疲劳损伤性能评价具有十分重要的意义。
Claims (10)
1.分离触变性和非线性影响的沥青疲劳性能测试及评价方法,其特征在于该沥青疲劳性能测试及评价方法按照以下步骤实现:
步骤一、确定荷载水平
利用动态剪切流变仪对沥青试样进行应变扫描试验,以应变水平ε为横坐标,以动态剪切模量比为纵坐标,得到应变-动态剪切模量比曲线,通过应变-动态剪切模量比曲线获取动态剪切模量降低至初始值的90%所对应的应变值εt,应变值εt即为线性粘弹性范围的临界值,然后选取εL和εS作为高应变水平时间扫描和低应变水平时间扫描的荷载值,其中εL>εt,εS<εt;
步骤二、确定测试节点
对沥青试样进行应变控制模式的高应变水平时间扫描试验,加载波形为正弦波,荷载水平为εL,以相位角比Rδ为横坐标,以动态模量比纵坐标,绘制曲线图,将曲线中开始偏离直线的点A0所对应的动态剪切模量比作为触变性特征值;然后以加载时间t为横坐标,以动态模量比为纵坐标绘制曲线图,根据曲线设置n个测试节点,其中测试节点的起点其余测试节点的动态剪切模量比逐渐减小;
步骤三、改进的时间扫描试验
对沥青试样进行改进的时间扫描试验,改进的时间扫描试验过程如下:
a、对沥青试样施加时长为10s,应变水平为εS的低应变水平的时间扫描试验,并计算得到动态剪切模量的均值|G*|0和相位角均值θ0;
c、然后继续对沥青试样进行应变水平为εL的高应变水平时间扫描试验,当试验进行到第2~n个测试节点时,分别施加应变水平为εS的低应变水平时间扫描试验,加载时长均为1s;其中,测试节点处高应变水平时间扫描试验得到的动态剪切模量和相位角值为和低应变水平时间扫描试验得到的相位角均值和动态剪切模量的均值为和
步骤四、确定触变性特征关系
步骤五、计算损伤度
2.根据权利要求1所述的分离触变性和非线性影响的沥青疲劳性能测试及评价方法,其特征在于步骤一中应变扫描试验中使用的平行板直径为8mm,平行板间距为2mm,试验温度为25℃,加载频率为10Hz。
4.根据权利要求1所述的分离触变性和非线性影响的沥青疲劳性能测试及评价方法,其特征在于步骤一中εL=1.5-2倍的εt,εS=1/30-1/20倍的εt。
7.根据权利要求1所述的分离触变性和非线性影响的沥青疲劳性能测试及评价方法,其特征在于步骤三中时间扫描试验,试验的温度、频率、平行板的直径和平行板间距均与步骤一的应变扫描试验相同。
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