CN114166665B - 一种水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于道路工程材料技术领域,具体涉及一种水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法。利用两种或两种以上混合材料制备试验所需的水泥稳定碎石混合料试件,同一种混合料所制备的水泥稳定碎石混合料试件至少12个;通过两种评价得到抗裂性能最优的水泥稳定碎石混合料试件组。本发明提供的评价方法更好地符合路用性能的需求,其中,拉伸强度下限的设置是为了强调材料的抗裂能力;拉伸强度上限的设置则是考虑到结构层刚度协调的问题,防止基层承受的交通荷载过大;疲劳寿命界限的提出则是与水泥稳定碎石基层是半刚性基层沥青路面结构主要疲劳层的需求。以上界限需要根据当地工程实践及理论计算给出。
Description
技术领域
本发明属于道路工程材料技术领域,具体涉及一种水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法。
背景技术
水泥稳定碎石基层是我国沥青路面结构中最为常见的基层形式,这类基层由于具有较高的刚度,能够在很大程度上缓解由于路基的不均匀沉降对面层结构带来的不利影响。然而,反射裂缝是水泥稳定碎石基层沥青路面不可避免的病害,其主要由于基层在养护期间的干燥收缩或服役期间的温度应力、车辆荷载作用下产生的。反射裂缝的存在会引起沥青面层、基层顶面的水损害,进而导致一系列的次生病害。因此,控制水泥稳定碎石基层的收缩开裂是目前道路材料、结构设计与研发的主要工作之一。
目前关于抗开裂水泥稳定碎石材料的优化方案主要分为以下两类:
(1)控制材料的收缩程度:该类方法通过降低水泥与水的剂量、减少细料用量、添加减水剂、膨胀剂、构建骨架空隙结构等途径,降低水泥稳定碎石材料在养生期间的水分流失与收缩程度,从而减少由于收缩产生的附加应力;
(2)控制裂缝开裂:该类方法主要通过添加各类纤维材料,将材料内部的微裂缝控制在一定程度而不易贯穿为主裂缝,从而控制收缩裂缝的形成。
以上方法在实践中已被证实具有一定控制开裂的能力,然而却没有指标或试验方法来评价某一种材料的抗开裂性能到底如何。此外,对于第一类方法,在减小材料收缩程度的同时,材料的强度也随之下降,这就意味着其所能承受的拉应力或材料的抗疲劳能力是有所减少的。因此,在评价水泥稳定碎石材料抗裂性能的过程中同时考虑附加应力与材料的承载能力,对于该类基层的设计与使用具有重要的意义。
发明内容
本发明针对上述不足提供了一种水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法。
本发明采用如下技术方案:
本发明所述的一种水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法,包括如下步骤:
步骤1:采用至少两种或两种以上混合材料制备试验所需的水泥稳定碎石混合料试件,同一种混合料所制备的水泥稳定碎石混合料试件至少12个,同一种混合料中的水泥稳定碎石混合料试件为6个一组;
步骤2:将所有所制备的水泥稳定碎石混合料试件进行养生后,测量所有水泥稳定碎石混合料试件的高度及直径;
步骤3:将测量后的水泥稳定碎石混合料试件的顶部、底部分别与夹具粘连,待粘合剂形成强度后,使用限位器固定于水泥稳定碎石混合料试件两端的夹具之间;
步骤4:将装配好夹具的所有水泥稳定碎石混合料试件放置于干缩设备内养护;
步骤5:将步骤4中的水泥稳定碎石混合料试件转移至试验机中,通过试验机中对水泥稳定碎石混合料试件施加0.05kN的拉力后停止,此时取下限位器;
将完成步骤4后的水泥稳定碎石混合料试件移至试验机中,使用螺栓将试件顶部、底部的夹具分别与加载夹具、试验台固定;调整试验机主轴,使其施加0.05kN的拉力后停止,取下限位器;
步骤6:对步骤5中的同种类水泥稳定碎石混合料试件的其中一组水泥稳定碎石混合料试件施加拉伸荷载直至试件破坏,记录该组水泥稳定碎石混合料试件破坏时的峰值强度及其对应的拉伸应变;得到该组水泥稳定碎石混合料试件的平均峰值强度或其对应的拉伸应变;
步骤7:对步骤5中的同种类水泥稳定碎石混合料试件的另一组水泥稳定碎石混合料试件进行疲劳加载试验,以试件的拉伸模量下降为初始模量的50%为终止条件,记录试验加载次数;依照同样的步骤测试同组的其他试件,将试验结果平均后,得到该组水泥稳定碎石混合料试件的平均疲劳作用次数;
步骤8:按步骤1至步骤5所完成的另一种类混合材料所制备的的水泥稳定碎石混合料试件一招步骤6、步骤7依次进行试验,得到该种类混合材料所制备的的水泥稳定碎石混合料试件的平均峰值强度或其对应的拉伸应变及平均疲劳作用次数;
将不同混合材料所制备的多组水泥稳定碎石混合料试件组以平均峰值强度或其对应的拉伸应变进行比较评价,
将不同混合材料所制备的多组水泥稳定碎石混合料试件组以平均疲劳作用次数进行评价;通过上述两种评价得到抗裂性能最优的水泥稳定碎石混合料试件组。
本发明所述的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法,其特征在于:所述的步骤7疲劳加载试验,其荷载形式为:控制应力加载或控制应变加载;在多组试件中采用多组试件不同荷载大小、多组试件不同加载形式或多组试件不同加载速率的加载试验;通过多组试件的试验结果形成S-N疲劳曲线用于对比分析。
本发明所述的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法,所述的步骤8中的多组试件在受约束作用下测试极限拉伸强度及拉伸疲劳性能;若多组试件拉伸强度介于强度下限与上限之间,测得的疲劳寿命大于目标寿命,则可该试件所选用的材料的抗裂性能满足要求。
本发明所述的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法,所述的步骤8两种或两种以上不同混合材料所制备的水泥稳定碎石混合料试件组评价中,先进行疲劳作用次数评价即两种或两种以上不同混合材料之间差距大于20%选用最大疲劳作用次数的混合材料为最优材料;
若两种或两种以上不同混合材料之间差距小于20%,则通过拉伸强度对比评价即两种或两种以上不同混合材料其中的拉伸强度越小的混合材料为最优材料。
本发明所述的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法,所述步骤1中多组试件为2组,每组试件均在20℃±2℃、相对湿度95%以上的环境中养生7天。
本发明所述的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法,所述的步骤4中夹具固定后的试件的两侧分别设有限位器,且限位器位于顶部夹具、底部夹具之间。
本发明所述的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法,所述的步骤4装配夹具及限位的试件放在干缩设备养护时大于90天以上;养护条件为温度:20℃±1℃、相对湿度60%±5℃。
有益效果
本发明提供的试验方法解决了传统干燥收缩试验只能测量混合料收缩程度,而不能评价其内部附加应力水平的弊端。本发明提供的试验方法本质上将水泥稳定碎石混合料的干燥收缩试验与直接拉伸试验进行融合,在步骤3中使用夹具和限位器,阻止其收缩,从而可以模拟现场条件下的附加应力作用。
本发明提供的试验方法能够模拟路面结构同时承受环境荷载与交通荷载作用的情况,因此在步骤5中提出在主轴具有一定拉应力后,才可卸下限位器。而步骤6、步骤7中所进行的试验也是为了测量在环境荷载作用下材料的极限拉伸强度和疲劳寿命。
本发明提供的评价方法更好地符合路用性能的需求,其中,拉伸强度下限的设置是为了强调材料的抗裂能力;拉伸强度上限的设置则是考虑到结构层刚度协调的问题,防止基层承受的交通荷载过大;疲劳寿命界限的提出则是与水泥稳定碎石基层是半刚性基层沥青路面结构主要疲劳层的需求。以上界限需要根据当地工程实践及理论计算给出。
附图说明
图1是本发明的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法的试件装配示意图;
图2是本发明的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法的试件装配夹具结构示意图;
图3是本发明的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法评价判断流程示意图;
图4是本发明的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法评价判断曲线示意图。
图中1、夹具;2、限位器;3、试件;4、开孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚,下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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:
一种评价水泥稳定碎石混合料抗裂性能的试验过程,具体包括如下步骤:
步骤1:所选用的水泥稳定碎石混合料,其级配如表1所示;根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E-51-2009中水泥稳定碎石混合料试件的成型方法,成型直径与高均为150mm的圆柱体试件两组,每组6个,并在20℃±2℃、相对湿度95%以上的标准条件下养生7天;
表1:待测试混合料的级配
步骤2:取出养生后的试件,选取3个及以上不同的位置测量其高度与直径,并将试件用毛巾擦干;所测量的试件尺寸如表2所示:
表2:试件尺寸
试件编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
高度(mm) | 149.9 | 150.2 | 150.4 | 150.1 | 149.9 | 150.0 |
直径(mm) | 150.1 | 150.0 | 150.0 | 150.0 | 150.1 | 149.9 |
试件编号 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
高度(mm) | 150.1 | 149.8 | 150.0 | 150.1 | 150.2 | 150.0 |
直径(mm) | 150.0 | 150.0 | 150.1 | 150.1 | 150.0 | 150.0 |
步骤3:使用AB胶或其他高强度粘合剂将试件的顶部、底部分别与夹具充分粘连,待粘合剂形成强度后,使用限位器固定于试件两端的夹具之间;本步骤中采用的限位器的使用能够限制试件的收缩位移。与传统的干燥收缩试验相比,试验过程中,试件的内部将会产生附加的收缩应力,使得其在无荷载作用下的应力状态更接近于实际路面中的情况。
如图1所示:夹具1分为上夹具、下夹具之间布置试件3及限位器2,夹具1与试件3之间采用AB胶或其他高强度粘合剂粘连,夹具1中为螺栓预留的开孔4,用以与加载夹具固定。
步骤4:将上述安装好夹具的试件放置在温度为20℃±1℃、相对湿度60%±5℃的干缩室(箱)内养护90天;
步骤5:将完成步骤4后的试件移至UTM试验机中,使用螺栓将试件顶部、底部的夹具分别与加载夹具、试验台固定;调整试验机主轴,使其施加0.05kN的拉力后停止,取下限位器;一般力学实验的试件在试验开始时都是处于“零应力”状态,而由于本方法的目标是评价混合料的综合抗裂性能,因此希望在测试传统力学性能的同时,引入混合料收缩能力对于开裂的影响。
本发明在该步骤中在将试件放置于试验机中时,并没有直接取下限位器,否则试件内部的收缩应力将直接消失。相反在步骤5要求对试件施加一个极小的荷载,使得加载系统能够将试件拉紧,这时候再取下限位器后,原先限位器中承担的荷载就会转移到试验机中,由其保持这种初始的应力状态。
本发明与传统的试验方法相比,在传统的力学性能测试中耦合了环境荷载对于材料服役性能的影响,模拟了实际路面的复杂荷载状态。同时,一般的收缩试验也只能测试混合料的收缩程度,并不能评估由于收缩所带来的损伤和对材料开裂的影响。
步骤6:使用1mm/min的加载速率,对试件施加拉伸荷载直至试件破坏,记录试件破坏时的峰值强度及其对应的拉伸应变;依照同样的步骤测试同组的其他试件,得到结果如表3所示;
步骤7:使用大小10kN、作用频率为1Hz的重复拉伸荷载,对步骤5中的试件进行疲劳加载,以试件的拉伸模量下降为初始模量的50%为终止条件,记录试验加载次数;依照同样的步骤测试同组的其他试件,得到结果如表3所示;
表3:试验结果
试件编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 平均值 |
峰值荷载(kN) | 17.8 | 16.23 | 18.1 | 16.56 | 16.87 | 17.42 | - |
峰值应力(MPa) | 1.01 | 0.92 | 1.02 | 0.94 | 0.95 | 0.99 | 0.97 |
试件编号 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | - |
疲劳寿命(次) | 12069 | 9853 | 14211 | 11896 | 11754 | 15297 | 12513 |
疲劳加载试验,其荷载形式可以为控制应力或控制应变加载,也可以进行多组不同荷载大小、不同加载形式或不同加载速率的加载试验,其记录的结果也可以整理为典型的S-N疲劳曲线用于对比分析;
结合图4所示:步骤8:本评价中所选定的拉伸强度上下限分别为1.5MPa及0.5MPa,疲劳作用次数要求大于10000次,可以得出待评价的混合料级配满足本发明所提出指标的要求。传统的方法只关注于材料的收缩程度,以其收缩量的大小来评价抗裂性能的好坏。然而,收缩程度并不是决定材料开裂的唯一因素。本方法从力学性能的角度出发,以受约束作用下的极限拉伸强度和该状态下的拉伸疲劳性能两个指标来同时表征材料的抗裂性能,相当于同时评估材料抵挡单次极限荷载和重复荷载作用下开裂的能力,更符合路面力学设计的常识。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:采用至少两种或两种以上混合材料制备试验所需的水泥稳定碎石混合料试件,同一种混合料所制备的水泥稳定碎石混合料试件至少12个,同一种混合料中的水泥稳定碎石混合料试件为6个一组;
步骤2:将所有所制备的水泥稳定碎石混合料试件进行养生后,测量所有水泥稳定碎石混合料试件的高度及直径;
步骤3:将测量后的水泥稳定碎石混合料试件的顶部、底部分别与夹具粘连,待粘合剂形成强度后,使用限位器固定于水泥稳定碎石混合料试件两端的夹具之间;
步骤4:将装配好夹具的所有水泥稳定碎石混合料试件放置于干缩设备内养护;
步骤5:将步骤4中的水泥稳定碎石混合料试件转移至试验机中,通过试验机中对水泥稳定碎石混合料试件施加0.05kN的拉力后停止,此时取下限位器;
步骤6:对步骤5中的同种类水泥稳定碎石混合料试件的其中一组水泥稳定碎石混合料试件施加拉伸荷载直至试件破坏,记录该组水泥稳定碎石混合料试件破坏时的峰值强度及其对应的拉伸应变;得到该组水泥稳定碎石混合料试件的平均峰值强度或其对应的拉伸应变;
步骤7:对步骤5中的同种类水泥稳定碎石混合料试件的另一组水泥稳定碎石混合料试件进行疲劳加载试验,以试件的拉伸模量下降为初始模量的50%为终止条件,记录试验加载次数;依照同样的步骤测试同组的其他试件,将试验结果平均后,得到该组水泥稳定碎石混合料试件的平均疲劳作用次数;
步骤8:按步骤1至步骤5所完成的另一种类混合材料所制备的水泥稳定碎石混合料试件依照步骤6、步骤7依次进行试验,得到该种类混合材料所制备的水泥稳定碎石混合料试件的平均峰值强度或其对应的拉伸应变及平均疲劳作用次数;
将不同混合材料所制备的多组水泥稳定碎石混合料试件组以平均峰值强度或其对应的拉伸应变进行比较评价,
将不同混合材料所制备的多组水泥稳定碎石混合料试件组以平均疲劳作用次数进行评价;通过上述两种评价得到抗裂性能最优的水泥稳定碎石混合料试件组。
2.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法,其特征在于:所述的步骤7疲劳加载试验,其荷载形式为:控制应力加载或控制应变加载。
3.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法,其特征在于:所述的步骤8中的多组试件在受约束作用下测试极限拉伸强度及拉伸疲劳性能;若多组试件拉伸强度介于强度下限与上限之间,测得的疲劳寿命大于目标寿命,则可该试件所选用的材料的抗裂性能满足要求。
4.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法,其特征在于:所述的步骤8两种或两种以上不同混合材料所制备的水泥稳定碎石混合料试件组评价中,先进行疲劳作用次数评价即两种或两种以上不同混合材料之间差距大于20%选用最大疲劳作用次数的混合材料为最优材料;
若两种或两种以上不同混合材料之间差距小于20%,则通过拉伸强度对比评价即两种或两种以上不同混合材料其中的拉伸强度越小的混合材料为最优材料。
5.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法,其特征在于:所述步骤1中多组试件为2组,每组试件均在20℃±2℃、相对湿度95%以上的环境中养生7天。
6.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法,其特征在于:所述的步骤4中夹具固定后的试件的两侧分别设有限位器,且限位器位于顶部夹具、底部夹具之间。
7.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石混合料抗裂性能评价的试验方法,其特征在于:所述的步骤4装配夹具及限位的试件放在干缩设备养护时大于90天以上;养护条件为温度:20℃±1℃、相对湿度60%±5℃ 。
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2021
- 2021-10-29 CN CN202111269333.0A patent/CN114166665B/zh active Active
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混杂废旧纤维对乳化沥青冷再生混合料的性能优化研究;张庆;侯德华;史纪村;尚波;刘廷国;;硅酸盐通报(第08期);全文 * |
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