CN113916665A - 一种测量沥青混凝土ⅱ型断裂的方法 - Google Patents

一种测量沥青混凝土ⅱ型断裂的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种测量沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法，包括：沥青混合料Ⅱ型断裂试验和Ⅱ型断裂性能指标的计算；Ⅱ型断裂试验包括：试件制备、加载装置的布置和采用压力机进行荷载位移试验；采用Ⅱ型应力强度因子和Ⅱ型断裂能来作为评价沥青混凝土Ⅱ型断裂的指标。本发明基于断裂力学的原理，提出一种试件制备便捷，试验测试简单的沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法，适用于评价所有沥青混合料的抗Ⅱ型断裂性能，指导沥青混合料的级配组成设计。

Description

一种测量沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法
技术领域
本发明属于公路工程技术领域，尤其涉及一种测量沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法。
背景技术
沥青混合料作为一种常见的路面建筑材料，广泛应用于全国各等级公路路面上。沥青混凝土路面是我国高速公路的主要路面形式，在荷载和环境因素的共同作用下，沥青路面处在一种很复杂的应力状态，很容易发生开裂。沥青路面开裂的现象是普遍存在的，不同的只是裂缝类型、开裂早晚、严重程度而已。从断裂力学的角度研究沥青混凝土的开裂是一种常用的力学手段，从断裂力学的角度考虑，按照引起沥青路面开裂的原因的不同，路面裂缝一般分为Ⅰ型断裂、Ⅱ型断裂、Ⅲ型断裂；I型、II型以及I-II复合断裂是路面断裂的主要形式。目前针对单纯的I型断裂或者I-II型复合断裂的研究较多，单独的II型断裂的研究还较少。沥青路面的使用性能直接受沥青混合料抗剪切断裂性能的影响，在评价沥青混合料的Ⅱ型断裂性能的时候，选择一种试件制作简便，结果稳定性好的试验方法和准确的评价指标是很重要的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种测量沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法，本发明基于断裂力学的原理，提出一种试件制备便捷，试验测试简单的沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法，适用于评价所有沥青混合料的抗Ⅱ型断裂性能，指导沥青混合料的级配组成设计。
本发明提供了一种测量沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法，包括：
试件制备、预压成型、加载试验、抗压强度试验、断裂参数求解。
优选的，所述试件制备的方法包括：
将矿质集料混合后和沥青混合，然后成型，再进行切割，制备得到第一试件和第二试件。
优选的，所述第一试件的宽度为125~135mm，高度为75~85mm，厚度为35~45mm，双边切缝宽度为1~2mm，切缝长度为15~25mm，韧带长度为30~50mm。
优选的，所述第二试件的宽度为60~70mm，高度为75~85mm，厚度为35~45mm。
优选的，所述预压成型过程中在试件和压力机的压头之间分别放置两块表面光滑的钢块。
优选的，所述预压成型过程中在钢块和试件之间分别加入两片聚四氟乙烯薄片。
优选的，所述加载试验过程中的加载速度为0.3~0.7mm/min。
优选的，所述抗压强度试验过程中的加载速率为0.3~0.7mm/min。
优选的，所述断裂参数求解的方法包括：
Ⅱ型应力强度因子计算和Ⅱ型断裂能计算；
所述Ⅱ型应力强度因子计算的公式为：
Figure 846298DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 343138DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure 118196DEST_PATH_IMAGE003
为第一次双边切口对称加载破坏时的荷载峰值；
Figure 42290DEST_PATH_IMAGE004
为第二次单轴竖向受压加载破坏时的应力峰值；
w为第二试件的宽度；
t为第二试件的厚度；
a为第一试件的半韧带长度。
优选的，所述Ⅱ型断裂能计算的公式为：
Figure 502965DEST_PATH_IMAGE005
；
c为第一试件的切缝长度；
t为第一试件的厚度；
δP为第一试件荷载峰值处对应位移；
F1(δ)为第一试件加载的载荷-位移曲线函数；
F2(δ)为第二试件加载的载荷-位移曲线函数；
δ为试件的变形。
本发明提供了一种测量沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法，包括：沥青混合料Ⅱ型断裂试验和Ⅱ型断裂性能指标的计算；Ⅱ型断裂试验包括：试件制备、加载装置的布置和采用压力机进行荷载位移试验；采用Ⅱ型应力强度因子和Ⅱ型断裂能来作为评价沥青混凝土Ⅱ型断裂的指标。本发明基于断裂力学的原理，提出一种试件制备便捷，试验测试简单的沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法，适用于评价所有沥青混合料的抗Ⅱ型断裂性能，指导沥青混合料的级配组成设计。
附图说明
图1为本发明实施例1中第一试件结构示意图；
图2为本发明实施例1中第二试件结构示意图；
图3为本发明实施例1中双边切口对称加载试验示意图；
图4为本发明实施例1中单轴竖向受压加载试验示意图；
图5为本发明实施例1中计算P1、P2的两次加载曲线示意图；
图6为本发明实施例1中计算P1、P2的双边对称加载和单轴压缩试验的载荷-位移曲线数据图；
图7为本发明比较例1中SCB试验示意图；
图8为本发明比较例1中测试得到的载荷-位移曲线。
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。
本发明提供了一种测量沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法，包括：
试件制备、试件预压、加载试验、抗压强度试验、断裂参数求解。
在本发明中，所述试件制备的方法优选包括：
将矿质集料混合后和沥青混合，然后成型，再进行切割，制备得到第一试件和第二试件。
在本发明中，所述矿质集料优选包括骨料和矿粉，所述骨料可以是玄武岩骨料，也可以是石灰岩骨料；所述矿粉一般为石灰岩磨细后制备的不大于0.075mm的细颗粒。
在本发明中，所述试件的成分（矿质集料的成分、粒度以及矿质集料与沥青的混合比例）与待检测的沥青混凝土的成分一致。
在本发明中，所述混合料优选为搅拌均匀。
在本发明中，所述成型优选通过车辙板成型。
在本发明中，所述第一试件的结构示意图如图1所示，具有双边切缝，宽度2w优选为125~135mm，更优选为128~132mm，最优选为130mm；高度2h优选为75~85mm，更优选为78~82mm，最优选为80mm；厚度t优选为35~45mm，更优选为38~42mm，最优选为40mm；双边切缝宽度（裂缝宽度，在顶面和底面各有一条裂缝）优选为1~2mm，更优选为1.3~1.7mm，最优选为1.5mm；切缝长度c优选为15~25mm，更优选为18~22mm，最优选为20mm；韧带长度（试件高度和裂缝长度的差值）2a优选为30~50mm，更优选为35~45mm，最优选为40mm。
在本发明中，所述第一试件的宽度为第二试件的两倍；第一试件的高度与第二试件的高度一致；第一试件的厚度与第二试件的厚度一致。
在本发明中，所述第二试件的结构示意图如图2所示，无双边切缝，宽度w优选为60~70mm，更优选为63~67mm，最优选为65mm；高度2h优选为75~85mm，更优选为78~82mm，最优选为80mm；厚度t优选为35~45mm，更优选为38~42mm，最优选为40mm。
在本发明中，试验前优选对试件进行表面处理，使试件的两加载面光滑且互相平行，进行试件预压，以保证加载板与试件充分接触。
在本发明中，所述预压成型的方法优选包括：
将第一试件和第二试件在压力机中进行预压。
在本发明中，所述预压的时间优选为25~35s，更优选为28~32s，最优选为30s；所述预压的压力优选为180~220N，更优选为190~210N，最优选为200N。
在本发明中，为了保证载荷的均匀性，优选在试件和压力机的压头之间分别放置两块表面光滑的钢块；所述钢块的厚度优选为10~20mm，更优选为13~17mm，最优选为15mm。
在本发明中，为了进一步消除钢块和试件之间的摩擦力，优选在钢块和试件之间分别加入两片聚四氟乙烯（PTFE）薄片；所述PTFE薄片的厚度优选为1~2mm，更优选为1.5mm。
在本发明中，所述预压过程中优选将试件、钢块和压力机进行对中，避免偏心。
在本发明中，所述加载试验的方法优选包括：
对预压成型后的第一试件进行双边对称加载试验，得到载荷-位移曲线。
在本发明中，所述双边对称加载试验的示意图如图3所示，对于第一试件优选采用双边切口对称加载的方式，采用位移来控制加载，加载速度为一固定值。
在本发明中，为了使加载试验的整个加载过程稳定，试验机优选具有足够的刚度。
在本发明中，所述加载试验过程中的加载速度优选为0.3~0.7mm/min，更优选为0.4~0.6mm/min，最优选为0.5mm/min。
在本发明中，所述加载试验过程中的试验机优选为压力机，所述压力机优选与上述技术方案所述预压的压力机为相同的压力机结构，即在加载试验过程中同样在试样和压力机之间设置有钢块和PTFE薄片。
在本发明中，所述加载试验过程中优选压力机按照加载速度对预压成型后的第一试件施加压力，直至载荷位移曲线达到峰值，记录力与变形的变化曲线；所述记录优选为压力机自动记录，进一步得到载荷-位移曲线。
在本发明中，所述抗压强度试验的方法优选包括：
对预压成型后的第二试件进行抗压强度试验，得到载荷-位移曲线。
在本发明中，所述抗压强度试验优选采用位移来控制加载；所述抗压强度试验过程中的加载速率优选为0.3~0.7mm/min，更优选为0.4~0.6mm/min，最优选为0.5mm/min。
在本发明中，所述抗压强度试验的示意图如图4所示，优选为对预压后的第二试件进行单轴竖向受压加载：将试件安放在试验机的下压板或垫板上，试件的承压面与成型时的顶面垂直；试件的中心应与试验机下压板中心对准，开动试验机，当上压板与试件或钢垫板接近时，调整球座，使接触均衡；采用位移控制的方法，即保证每分钟加载速度一定；当试件接近破坏开始急剧变形时，应停止调整试验机油门，直至破坏；然后记录破坏荷载。
在本发明中，所述抗压强度试验优选采用压力机进行；所述压力机优选与上述技术方案所述预压的压力机为相同的压力机结构，即在抗压强度试验过程中同样在试样和压力机之间设置有钢块和PTFE薄片。
在本发明中，所述抗压强度试验过程中优选压力机按照加载速率对预压后的第二试件施加压力，直至载荷位移曲线达到峰值，记录加载力与加载速度的变化曲线；所述记录优选为压力机自动记录，进一步得到载荷-位移曲线。
在本发明中，所述断裂参数求解的方法优选包括：
Ⅱ型应力强度因子计算和Ⅱ型断裂能计算。
在本发明中，所述Ⅱ型应力强度因子计算的公式为：
Figure 724867DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 495377DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure 449427DEST_PATH_IMAGE003
为加载试验（第一次双边切口对称加载）破坏时的荷载峰值；
Figure 305387DEST_PATH_IMAGE004
为抗压强度试验（第二次单轴竖向受压加载）破坏时的应力峰值；
w为第一试件宽度的一半或第二试件的宽度；
t为第一试件或第二试件的厚度；
a为第一试件的半韧带长度（韧带长度的一半）；
在本发明中，所述P1和P2能够通过上述加载试验和抗压强度试验获得的载荷-位移曲线得到，如图5所示。
在本发明中，所述Ⅱ型断裂能计算的公式为：
Figure 770129DEST_PATH_IMAGE005
其中，c为第一试件的切缝长度,；
t为第一试件或第二试件的厚度；
δP为第一试件荷载峰值处对应位移；
F1(δ)为双边切口对称加载（第一试件）的载荷-位移曲线；
F2(δ)为单轴竖向受压加载（第二试件）的载荷-位移曲线；
δ为试件的变形。
在本发明中，ΔW为图5中所示，可由图5获得。
本发明提供了一种测量沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法，包括：沥青混合料Ⅱ型断裂试验和Ⅱ型断裂性能指标的计算；Ⅱ型断裂试验包括：试件制备、加载装置的布置和采用压力机进行荷载位移试验；采用Ⅱ型应力强度因子和Ⅱ型断裂能来作为评价沥青混凝土Ⅱ型断裂的指标。本发明基于断裂力学的原理，提出一种试件制备便捷，试验测试简单的沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法，适用于评价所有沥青混合料的抗Ⅱ型断裂性能，指导沥青混合料的级配组成设计。
实施例1
分别制备第一试件和第二试件，将石灰岩集料、矿粉（石灰岩）和SBS改性沥青（市售商品）混合，得到混合料；所述矿粉在石灰岩集料和矿粉总质量中的质量含量为5.6%；所述SBS改性沥青在混合料中的质量含量为5.2%。
集料采用石灰岩，包括粗集料、细集料；将粗集料、细集料和矿粉按比例混合得到满足要求的合成级配，其中1#料级配为9.5mm~16mm，占比为10%，2#料级配为2.36mm~9.5mm占比37%，3#集料级配为0.075mm~2.36mm，占比47.4%；合成级配如下：
沥青混合料设计级配
Figure 457462DEST_PATH_IMAGE006
SBS沥青基本性能
Figure 723359DEST_PATH_IMAGE007
第一试件的制备：将上述得到的混合料通过车辙成型仪制备成长宽厚为300mm×300mm×50mm的试件，用切割机切为130mm×80mm×40mm的试件，对试件进行预切缝，在试件底部、顶部中心位置处分别切出一条垂直切缝，切缝宽度为1.5mm，切缝深度为20mm；第一试件的宽度、高度和厚度分别为130mm（2w）、80mm（2h）、40mm（t），双边切缝宽度为1.5mm，切缝长度c为20mm，韧带长度为40mm（2a），如图1所示。
第二试件的制备：将上述得到的混合料通过车辙成型仪制备成长宽厚为300mm×300mm×50mm的试件，用切割机切为65mm×80mm×40mm的试件；第二试件的宽度、高度和厚度分别为65mm（w）、80mm（2h）、40mm（t），如图2所示。
对第一试件进行双边对称加载试验，具体方法为：将第一试件经过表面处理，加载面光滑平行，在UTM试验机和试件中间放置两块厚度为15mm的钢块，中间加设PTFE层（1.5mm），然后将试件一侧、钢块与UTM试验机进行对中避免偏心，如图3所示，先进行预压（时间为30s，压力为200N），然后采用位移来控制加载，加载速度为0.5mm/min。
对第二试件进行单轴竖向受压加载的抗压强度试验，具体方法为：试验前将第二试件经过表面处理，加载面光滑平行，在UTM试验机和试件中间放置两块厚度一定的钢块（15mm），中间加设PTFE层（1.5mm），然后将试件、钢块与UTM试验机进行对中避免偏心，如图4所示；先进行预压（时间为30s，压力为200N），然后采用位移来控制加载，加载速度为0.5mm/min。
通过上述两个试验获得的载荷-位移曲线如图6所示；
通过图6所示的载荷-位移曲线数据计算由剪切带引起的剪切应力为：
Figure 925670DEST_PATH_IMAGE008
计算II型应力强度因子为：
Figure 833583DEST_PATH_IMAGE009
计算II型断裂能为：
Figure 437740DEST_PATH_IMAGE010
。
比较例1
II型断裂性能也可以通过带切口的半圆弯曲试验（SCB）来测定：
SCB试件制备：通过通用旋转压实仪制备旋转压实试件，制备过程中，试件密度可以根据所用材料计算得到，制备时压力为600kPa；用切割机将旋转压实试件切割成中间带切口的半圆试件，切缝长度为20mm，S1为加载时，试件一侧支撑点到试件切缝处的较大距离，S2为试件一侧支撑点到试件切缝处的较小距离，试件形状如图7所示：半径R为75mm，S1为50mm，S2为7.5mm，试件厚度t为40mm，切缝长度a为20mm，切缝宽度c为1.5mm。
采用该尺寸结构的试样进行的SCB试验可以形成单独的II型断裂；SCB加载示意图如图7所示，加载速率为5mm/min，得到的II型断裂载荷-位移曲线如图８所示。
II型应力强度因子和断裂能的求解通过下列公式求得：
Figure 874537DEST_PATH_IMAGE011
Figure 62680DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 571021DEST_PATH_IMAGE013
为加载破坏时的荷载峰值；
Figure 905051DEST_PATH_IMAGE014
为试件半径；
Figure 637383DEST_PATH_IMAGE015
为试件厚度，a为切缝长度；
Figure 689653DEST_PATH_IMAGE016
为试件形状因子，查表为1.872；
Figure 798423DEST_PATH_IMAGE017
为切缝宽度，b为试件厚度，ΔW为带切口的半圆弯曲试验（SCB）达到荷载最高值（试件断裂时）做的外力功。
Figure 252538DEST_PATH_IMAGE018
Figure 657237DEST_PATH_IMAGE019
采用比较例1中的方法获得的II型断裂应力强度因子和II型断裂能的数据与实施例1中的方法接近，证明本发明实施例提供的方法能够准确测试得到沥青混合土的II型断裂应力强度因子和II型断裂能。
本发明提供了一种测量沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法，包括：沥青混合料Ⅱ型断裂试验和Ⅱ型断裂性能指标的计算；Ⅱ型断裂试验包括：试件制备、加载装置的布置和采用压力机进行荷载位移试验；采用Ⅱ型应力强度因子和Ⅱ型断裂能来作为评价沥青混凝土Ⅱ型断裂的指标。本发明基于断裂力学的原理，提出一种试件制备便捷，试验测试简单的沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法，适用于评价所有沥青混合料的抗Ⅱ型断裂性能，指导沥青混合料的级配组成设计。
虽然已参考本发明的特定实施例描述并说明本发明，但是这些描述和说明并不限制本发明。所属领域的技术人员可清晰地理解，在不脱离如由所附权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，可进行各种改变，以使特定情形、材料、物质组成、物质、方法或过程适宜于本申请的目标、精神和范围。所有此类修改都意图在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并非本申请的限制。

Claims (7)

1.一种测量沥青混凝土Ⅱ型断裂的方法，包括：
试件制备、预压成型、加载试验、抗压强度试验、断裂参数求解；
所述试件制备的方法包括：
将矿质集料混合后和沥青混合，然后成型，再进行切割，制备得到第一试件和第二试件；所述第一试件具有双边切缝；所述第二试件无双边切缝；所述第一试件的宽度为第二试件的两倍；所述第一试件的高度与第二试件的高度一致；所述第一试件的厚度与第二试件的厚度一致；
所述预压成型的方法包括：
将所述第一试件和第二试件在压力机中进行预压；
所述加载试验的方法包括：
对预压成型后的第一试件进行双边对称加载试验，得到载荷-位移曲线；
所述抗压强度试验的方法包括：
对预压成型后的第二试件进行抗压强度试验，得到载荷-位移曲线；
所述断裂参数求解的方法包括：
Ⅱ型应力强度因子计算和Ⅱ型断裂能计算；
所述Ⅱ型应力强度因子计算的公式为：
Figure 880737DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 868284DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure 686068DEST_PATH_IMAGE003
为加载试验破坏时的荷载峰值；
Figure 216406DEST_PATH_IMAGE004
为抗压强度试验破坏时的应力峰值；
w为第一试件宽度的一半；
t为第一试件的厚度；
a为第一试件的半韧带长度；
所述Ⅱ型断裂能计算的公式为：
Figure 359811DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，c为第一试件的切缝长度；
t为第一试件的厚度；
δP为第一试件荷载峰值处对应位移；
F1(δ)为第一试件的载荷-位移曲线；
F2(δ)为第二试件的载荷-位移曲线；
δ为试件的变形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一试件的宽度为125~135mm，高度为75~85mm，厚度为35~45mm，双边切缝宽度为1~2mm，切缝长度为15~25mm，韧带长度为30~50mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二试件的宽度为60~70mm，高度为75~85mm，厚度为35~45mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预压成型过程中在试件和压力机的压头之间分别放置两块表面光滑的钢块。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预压成型过程中在钢块和试件之间分别加入两片聚四氟乙烯薄片。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加载试验过程中的加载速度为0.3~0.7mm/min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述抗压强度试验过程中的加载速率为0.3~0.7mm/min。
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