CN114252358A - 一种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法，包括以下步骤：步骤一：根据半圆弯曲强度测试确定预加载疲劳测试的应力幅值，计算疲劳方程；步骤二：根据疲劳方程确定双应力幅值，加载次序及初应力的作用次数；步骤三：双应力重复加载半圆弯曲疲劳试验；步骤四：根据双应力作用次数计算损伤参数。本发明方法充分考虑了再生沥青混合料对高低应力加载历史的敏感性以及对不同大小重复作用应力的触变性；充分考虑实际路面的受力特点，优化加载模式和条件，该方法简单易行，可为再生沥青混合料中温疲劳性能的表征及评价方面提供新路径。

Description

一种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳 测试方法

技术领域

本发明属于道路养护技术领域，具体涉及一种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法。

背景技术

近年来，随着我国很多沥青路面逐步达到使用年限，为恢复其使用性能，需对其进行大规模的养护和修复。沥青路面再生技术由于可以有效提高沥青混合料的高效再生利用效率、减少固体废弃物的环境污染危害、降低养护维修费用以及提升沥青路面的全寿命周期效益，得到了广泛的推广和应用。但是，由于回收沥青路面材料中有大量的老化沥青，而老化沥青既增加了混合料的强度也显著降低了混合料在开裂过程中的柔韧性，容易引发大应变条件下的疲劳破坏及低温脆裂。因此，旧料掺量的增加在理论上会增加沥青路面疲劳裂缝及低温断裂的风险。然而现阶段室内常规疲劳试验并不能很好地反映旧料在这方面的影响。现阶段常规的室内疲劳试验方法包括：四点弯曲梁疲劳试验，间接拉伸疲劳试验和半圆弯曲疲劳试验等。这类试验方法的加载模式时单一荷载的半正弦波加载，与实际路面所承受的复杂轴载和应变状况不符。常规试验方法容易夸大旧沥青对模量增大的影响，导致掺加旧料的沥青混合料在低应力比条件下具有更高的疲劳寿命，这与实际情况有较大出入。

因此，考虑到实际路面复杂的变幅受力条件，本发明设计一种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法，用于研究再生沥青混合料在不同大小应力作用下的疲劳开裂特性，完善再生沥青混合料疲劳性能评价体系。该方法可有效反映再生沥青路面材料对高低荷载以及荷载次序的敏感程度，可综合评价再生沥青路面材料的添加对混合料在复杂受力状况下抗疲劳性能的影响。同时，为更准确的指导再生沥青路面材料设计和公路养护维修工程决策提供技术支持。

发明内容

本发明的目的为解决现有室内试验测试方法评价再生沥青混合料中温抗疲劳性能的不足，设计开发一种考虑双应力重复加载模式的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法，可以充分考虑高低应力作用以及应力作用次序的影响，为再生沥青材料的中温抗疲劳性能的评价提供新路径。采用半圆弯曲测试模式的原因是为了考虑到样品制备的可重复性及试验方法的可操作性，以及在路面芯样评价中的延展性。该试验方法对再生沥青路面材料的循环利用工作具有指导意义，将在沥青路面养护维修设计及施工工作中发挥积极作用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据半圆弯曲强度测试确定预加载疲劳测试的应力幅值，计算疲劳方程；

步骤二：根据疲劳方程确定双应力幅值，加载次序及初应力的作用次数；

步骤三：双应力重复加载半圆弯曲疲劳试验；

步骤四：根据双应力作用次数计算损伤参数。

进一步的，所述步骤一中根据半圆弯曲强度测试确定预加载疲劳测试的应力幅值，计算疲劳方程的方法如下：

1)采用单向加载模式，对保温完毕的沥青混合料试件施加一个恒定速率的竖向力，加载速率设置为50±1.0mm/min，试验温度为15±0.5℃，记录加载过程中的力-位移曲线，获取样本的峰值力F_max，kN；

2)根据峰值力的大小，计算四个不同应力比σ₁，σ₂，σ₃和σ₄(其中σ₁<σ₂<σ₃<σ₄)所对应的应力幅值F₁，F₂，F₃和F₄。其中，F₁＝σ₁*F_max，F₂＝σ₂*F_max，F₃＝σ₃*F_max和F₄＝σ₄*F_max，kN。

优选地，σ₁，σ₂，σ₃和σ₄的取值范围为0.1-0.5。

3)通过传统单幅疲劳加载获取沥青混合料在四个应力比下疲劳寿命N_f1，N_f2，N_f3，和N_f4。在双对数坐标轴中拟合疲劳寿命与应力比之间的关系，获取疲劳方程，疲劳方程的形式为lg(N_f)＝a*lg(σ)+b，其中N_f为疲劳寿命，σ为应力比，a和b为拟合参数。

该方法中，单向加载半圆弯曲强度试验以及半圆弯曲疲劳预加载方法均为现有的成熟技术。本发明利用现有测试方法来确定沥青混合料的基本疲劳特性和疲劳方程，为之后的双应力重复加载条件的设定奠定基础。

进一步，所述步骤二中根据疲劳方程确定双应力幅值，加载次序及初应力的作用次数的方法如下：

1)利用疲劳方程反算疲劳寿命为30万次所对应的低应力比σ_L，其中

反算疲劳寿命为1万次所对应的高应力比σ_H，其中

进一步计算低高应力比所对应的竖向力幅值F_L和F_H，其中F_L＝σ_L*F_max，F_H＝σ_H*F_max，kN。

2)设计两种加载次序，分别是低-高应力次序(F_L→F_H)和高-低应力次序(F_H→F_L)。

3)对于低-高应力次序(F_L→F_H)，初应力加载次数为应力比σ_L对应的疲劳寿命的k倍；对于高-低应力次序(F_H→F_L)，初应力加载次数为应力比σ_H对应的疲劳寿命的k倍。

优选地，考虑试验的可靠性及可重复性，k值范围为5％-20％；

进一步，所述步骤三中的双应力重复加载半圆弯曲疲劳试验采用的沥青混合料样本为半圆试件，需将样本分为两个平行组，一组用于低-高应力次序(F_L→F_H)加载，一组用于高-低应力次序(F_H→F_L)加载，每一次作用的时间为0.1s，荷载波形为半正弦波。加载终止条件为样本完全断裂。

优选地，半圆弯曲试件的尺寸为直径150±1.0mm，厚度50±1.0mm。两个平行组分别需准备3-4个平行样本。

进一步，所述步骤四中根据双应力作用次数计算损伤参数的方法如下：

1)通过步骤三所述双应力重复加载模式下的沥青混合料半圆弯曲疲劳测试获取样本低-高应力次序(F_L→F_H)加载条件下低高应力所对应的加载次数N_fL1和N_fH1，高-低应力次序(F_H→F_L)加载条件下低高应力所对应的加载次数N_fL2和N_fH2；

2)损伤参数D定义为双应力作用下沥青混合料的损伤比例之和，则对于低-高应力次序(F_L→F_H)加载条件，

对于高-低应力次序(F_H→F_L)加载条件，

与现有技术相比，本发明设计的试验方法充分考虑了沥青路面实际服役状态下复杂的应力应变状态，考虑高低应力作用和应力作用次序的影响，充分评估再生沥青路面材料的抗疲劳特性。该试验方法简单易行，具有较强的可重复性，试验条件控制合理，试验结果稳定可靠。

通过这种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法，可以获取再生沥青路面材料在不同应力大小和次序下的损伤过程和疲劳寿命，进而可以分析再生路面材料的添加对混合料应力大小及加载历史的敏感性，揭示再生沥青路面材料对混合料疲劳性能的影响机制，该试验方法对研究再生沥青路面材料的中温抗疲劳机理研究提供新途径，同时可以为再生沥青路面材料疲劳性能表征和评价提供指导，对路面养护方案决策具有指导意义。

附图说明

图1为基于半圆弯曲测试模式的沥青砂浆低温断裂性能测试方法的流程图；

图2为双对数坐标系下疲劳寿命与应力比的关系；

图3为双应力重复加载模式下疲劳曲线形式示意图。

具体实施方式

本发明的一种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法适用于测定再生沥青混合料在中温条件下高低应力水平不同顺序叠加作用下的疲劳性质，亦可用来评价新建或养护路面芯样在复杂应力作用下的疲劳性能。

(1)试验方法原理

本发明一种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法是结合道路实际轴载状况复杂历史及沥青混合料半圆弯曲试验装置，选取合适的双应力大小、次序以及试验指标，实现对再生沥青混合料在不同加载历史条件下的疲劳寿命及损伤过程的室内测试及模拟。利用预加载试验，可以有针对性的设定双应力重复加载模式下的加载模式，应力水平及其组合，从而实现对不同材料设计的再生沥青混合料在复杂应力条件下疲劳性能的评价和预测，指导养护实践。

(2)试验所需设备

再生沥青混合料双应力重复加载模式下半圆弯曲疲劳测试需要使用沥青混合料半圆弯曲试验夹具在UTM万能试验机里进行。UTM万能试验机需要能够提供要求的试验温度与固定频率的压缩荷载，并且记录试验过程中的竖向变形-作用次数曲线。

(3)试验方法步骤

如图1所示，一种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法，其特征在于，包括：根据半圆弯曲强度测试确定预加载疲劳测试的应力幅值，计算疲劳方程；根据疲劳方程确定双应力幅值，加载次序及初应力的作用次数；双应力重复加载半圆弯曲疲劳试验；根据双应力作用次数计算损伤参数。

步骤一：根据半圆弯曲强度测试确定预加载疲劳测试的应力幅值，计算疲劳方程；

选取一种常用再生沥青混合料，旧料掺量为30％，级配类型为AC-13。利用旋转压实仪在室内成型直径150mm高度180mm的圆柱体试件，再将每个整体试件通过一系列切割等操作，先切割成3个直径150mm高度50mm的圆盘，再分割成6个直径150mm高度50mm的半圆试件。本案例共需25个半圆试件。

选择其中三个平行试件(#1，#2，#3)进行单向加载模式的半圆弯曲试验。试验开始前，将切割好的再生沥青混合料半圆弯曲样本放置在15℃的恒温箱中保温不少于4h，直至试件内部温度达到试验温度±0.5℃为止，保温时，样本需水平放置，样品距离不少于10mm。设置UTM试验机的加载参数，环境箱温度为15±0.5℃，试验机的竖向加载频率为50±1.0mm/min。将数据记录仪与荷载及位移传感器链接，开动试验机，试验过程中记录再生沥青混合料的竖向力随竖向位移的变化曲线。试验终止条件为样品完全断裂破坏。通过力位移曲线可以读取三个样本的峰值力如表1所示，并计算平均值F_max等于11.70kN。

表1单向加载半圆弯曲预加载测试结果

设定四个不同应力比σ₁，σ₂，σ₃和σ₄分别为0.11，0.27，0.23，0.34，那么通过公式F₁＝σ₁*F_max，F₂＝σ₂*F_max，F₃＝σ₃*F_max和F₄＝σ₄*F_max，可以计算四个应力比所对应的应力幅值F₁，F₂，F₃和F₄，分别为2kN，3kN，4kN和6kN。

再采用UTM试验机进行传统单幅半圆弯曲疲劳加载测试，每种应力比选择4个平行样本，试验开始前，将切割好的再生沥青混合料半圆弯曲样本放置在15℃的恒温箱中保温不少于4h，直至试件内部温度达到试验温度±0.5℃为止，保温时，样本需水平放置，样品距离不少于10mm。设置UTM试验机的加载参数，环境箱温度为15±0.5℃，试验机的压缩加载频率为10Hz，波形为半正弦波，四种应力比的波峰值分别为2kN，4kN，5kN和6kN。通过重复加载获取再生沥青混合料在四个应力比下疲劳寿命N_f1，N_f2，N_f3，和N_f4，如表2所示。在双对数坐标轴中拟合疲劳寿命与应力比之间的关系如图2所示，获取疲劳方程形式为lg(N_f)＝-3.4165*lg(σ)+1.689，其中N_f为疲劳寿命，σ为应力比，-3.4165和1.689为拟合参数。

表2单幅半圆弯曲疲劳预加载测试结果

进一步，根据疲劳方程确定双应力幅值，加载次序及初应力的作用次数：

利用疲劳方程反算疲劳寿命为30万次所对应的低应力比σ_L，其中

反算疲劳寿命为1万次所对应的高应力比σ_H，其中

进一步计算低高应力比所对应的竖向力幅值F_L和F_H，其中F_L＝σ_L*F_max，F_H＝σ_H*F_max，kN，计算结果如表3所示。

表3双应力幅值计算结果

a	b	σ<sub>L</sub>	σ<sub>H</sub>	F<sub>L</sub>(kN)	F<sub>H</sub>(kN)
						-3.4165	1.689	0.0778	0.211	1.37	3.72

设计两种加载次序，分别是低-高应力次序(F_L→F_H)和高-低应力次序(F_H→F_L)，对于低-高应力次序(F_L→F_H)，初应力加载次数为应力比σ_L对应的疲劳寿命的k倍；对于高-低应力次序(F_H→F_L)，初应力加载次数为应力比σ_H对应的疲劳寿命的k倍。优选地，考虑试验的可靠性及可重复性，k值范围为5％-20％。本案例k值选取10％。则两种加载次序相关参数如表4所示。

表4两种加载次序参数确定

加载次序	幅值变化设置(kN)	初应力加载次数
			F<sub>L</sub>→F<sub>H</sub>	1.37→3.72	30000
F<sub>H</sub>→F<sub>L</sub>	3.72→1.37	1000

进一步，双应力重复加载半圆弯曲疲劳试验采用的沥青混合料样本为半圆试件，需将样本分为两个平行组，一组用于低-高应力次序(1.37→3.72)加载，一组用于高-低应力次序(3.72→1.37)加载，每一次作用的时间为0.1s，荷载波形为半正弦波。加载终止条件为样本完全断裂。每种应力比选择3个平行样本，试验开始前，将切割好的再生沥青混合料半圆弯曲样本放置在15℃的恒温箱中保温不少于4h，直至试件内部温度达到试验温度±0.5℃为止，保温时，样本需水平放置，样品距离不少于10mm。通过双应力重复加载获取再生沥青混合料在两种加载次序下的疲劳变形曲线，如图3所示。根据拐点计算获取两种加载次序下高低应力的加载次数。

根据双应力作用次数计算损伤参数的方法如下：

3)通过步骤三所述双应力重复加载模式下的沥青混合料半圆弯曲疲劳测试获取样本低-高应力次序(F_L→F_H)加载条件下低高应力所对应的加载次数N_fL1和N_fH1，高-低应力次序(F_H→F_L)加载条件下低高应力所对应的加载次数N_fL2和N_fH2；

4)损伤参数D定义为双应力作用下沥青混合料的损伤比例之和，则对于低-高应力次序(F_L→F_H)加载条件，

对于高-低应力次序(F_H→F_L)加载条件，

计算结果如表5和6所示。

表5低-高应力次序加载条件下损伤参数计算结果

表6高-低应力次序加载条件下损伤参数计算结果

本发明通过采用双应力重复加载模式，充分考虑再生沥青混合料对加载历史的敏感性以及荷载大小的触变性，优化加载条件，结合半圆弯曲加载模式，记录并分析再生沥青混合料在复杂荷载重复作用下的疲劳曲线，并计算损伤指标。从表5和6的计算结果可以看出，该测试方法可以成功获取再生沥青混合料在不同加载次序下抗疲劳损伤的能力，且试验结果稳定，具有较好的可重复性。本发明弥补了现阶段对再生沥青混合料疲劳性能室内评价的不足，为再生沥青路面材料高性能可持续循环利用提供技术支持。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据半圆弯曲强度测试确定预加载疲劳测试的应力幅值，计算疲劳方程；

步骤二：根据疲劳方程确定双应力幅值，加载次序及初应力的作用次数；

步骤三：双应力重复加载半圆弯曲疲劳试验；

步骤四：根据双应力作用次数计算损伤参数。

2.一种如权利要求1所述的一种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法，其特征在于，

所述步骤一中根据半圆弯曲强度测试确定预加载疲劳测试的应力幅值，计算疲劳方程的方法如下：

1)采用单向加载模式，对保温完毕的沥青混合料试件施加一个恒定速率的竖向力，加载速率设置为50±1.0mm/min，试验温度为15±0.5℃，记录加载过程中的力-位移曲线，获取样本的峰值力F_max，单位kN；

2)根据峰值力的大小，计算四个不同应力比σ₁，σ₂，σ₃和σ₄(其中σ₁<σ₂<σ₃<σ₄)所对应的应力幅值F₁，F₂，F₃和F₄，其中，F₁＝σ₁*F_max，F₂＝σ₂*F_max，F₃＝σ₃*F_max和F₄＝σ₄*F_max，单位kN；

σ₁，σ₂，σ₃和σ₄的取值范围为0.1-0.5；

3)通过传统单幅疲劳加载获取沥青混合料在四个应力比下疲劳寿命N_f1，N_f2，N_f3，和N_f4，在双对数坐标轴中拟合疲劳寿命与应力比之间的关系，获取疲劳方程，疲劳方程的形式为lg(N_f)＝a*lg(σ)+b，其中N_f为疲劳寿命，σ为应力比，a和b为拟合参数。

3.一种如权利要求1所述的一种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法，其特征在于，

所述步骤二中根据疲劳方程确定双应力幅值，加载次序及初应力的作用次数的方法如下：

1)利用疲劳方程反算疲劳寿命为30万次所对应的低应力比σ_L，其中

反算疲劳寿命为1万次所对应的高应力比σ_H，其中

进一步计算低高应力比所对应的竖向力幅值F_L和F_H，其中F_L＝σ_L*F_max，F_H＝σ_H*F_max，单位kN；

2)设计两种加载次序，分别是低-高应力次序F_L→F_H和高-低应力次序F_H→F_L；

3)对于低-高应力次序F_L→F_H，初应力加载次数为应力比σ_L对应的疲劳寿命的k倍；对于高-低应力次序F_H→F_L，初应力加载次数为应力比σ_H对应的疲劳寿命的k倍；

考虑试验的可靠性及可重复性，k值范围为5％-20％。

4.一种如权利要求1所述的一种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法，其特征在于，所述步骤三中的双应力重复加载半圆弯曲疲劳试验采用的沥青混合料样本为半圆试件，需将样本分为两个平行组，一组用于低-高应力次序F_L→F_H加载，一组用于高-低应力次序F_H→F_L加载，每一次作用的时间为0.1s，荷载波形为半正弦波，加载终止条件为样本完全断裂。

5.一种如权利要求3所述的一种双应力重复加载模式下的再生沥青混合料半圆弯曲疲劳测试方法，其特征在于，

所述步骤四中根据双应力作用次数计算损伤参数的方法如下：

1)通过步骤三所述双应力重复加载模式下的沥青混合料半圆弯曲疲劳测试获取样本低-高应力次序F_L→F_H加载条件下低高应力所对应的加载次数N_fL1和N_fH1，高-低应力次序F_H→F_L加载条件下低高应力所对应的加载次数N_fL2和N_fH2；

2)损伤参数D定义为双应力作用下沥青混合料的损伤比例之和，则对于低-高应力次序F_L→F_H加载条件

对于高-低应力次序F_H→F_L加载条件

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