CN114813339A - 一种基于能量法测定沥青混凝土ii型断裂韧度的方法 - Google Patents

一种基于能量法测定沥青混凝土ii型断裂韧度的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114813339A
CN114813339A CN202210379050.XA CN202210379050A CN114813339A CN 114813339 A CN114813339 A CN 114813339A CN 202210379050 A CN202210379050 A CN 202210379050A CN 114813339 A CN114813339 A CN 114813339A
Authority
CN
China
Prior art keywords
test piece
type
fracture toughness
load
test
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210379050.XA
Other languages
English (en)
Inventor
宋卫民
吴昊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN202210379050.XA priority Critical patent/CN114813339A/zh
Publication of CN114813339A publication Critical patent/CN114813339A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/24—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady shearing forces

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明专利公开了一种基于能量法测定沥青混凝土II型断裂韧度的方法，具体涉及公路工程技术领域。包括如下步骤：制作试件一和试件二，试件一上对称设有切口；对试件一进行单边对称加载试验；对试件二进行抗压强度试验；获取荷载‑位移曲线：对试件一和试件二的加载试验均为位移控制，通过试验机记录试件一和试件二的荷载和位移数据；II型断裂韧度的求解；根据获取的荷载‑位移曲线，件一和试件二的耗散能之差即为试件一Ⅱ型断裂的剪切耗散能；根据剪切耗散能等效的原理，可以确定对应的荷载，进而求得Ⅱ型断裂韧度。采用本发明技术方案解决了现有技术缺乏对沥青混凝土II型断裂进行有效测定的问题，可用于测定计算沥青混凝土II型断裂的耗散能。

Description

一种基于能量法测定沥青混凝土II型断裂韧度的方法
技术领域
本发明涉及公路工程技术领域，特别涉及一种基于能量法测定沥青混凝土II型断裂韧度的方法。
背景技术
沥青混凝土路面在我国的高等级路面中占据90％以上，是我国高等级公路路面的主要形式。沥青混凝土在荷载与环境耦合作用下性能会产生劣化，易产生各种各样的裂缝；其中低温开裂已成为沥青混凝土路面的一种主要病害。断裂力学是一门研究材料和结构的断裂性能、损伤破坏的学科，其从裂缝尖端应力场出发对裂纹的发生和发展规律进行研究；利用断裂力学来研究沥青混凝土的开裂行为是一种可行的手段。
按照引起沥青路面开裂原因的不同，路面裂缝一般分为拉伸破坏(Ⅰ型断裂)、剪切破坏(Ⅱ型断裂)、扭剪破坏(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。目前对I型断裂和I-II型复合断裂的研究较多，纯II型断裂的研究目前还较少。设计一种原理可靠、方法简单的测试方法有利于明确沥青混凝土II型断裂的性质。
发明内容
本发明意在提供一种基于能量法测定沥青混凝土II型断裂韧度的方法，解决了现有技术缺乏对沥青混凝土II型断裂进行有效测定的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于能量法测定沥青混凝土II型断裂韧度的方法，包括如下步骤：
S1、试件制备：按照沥青混凝土的配合比制作试件一和试件二，试件一的宽度(2w)、高度(2h)、厚度(t)分别是150mm、80mm、40mm，试件一沿宽度方向上对称设有切口，切口的宽度、长度、半韧带长度(2a)分别为1.5mm、20mm、40mm，试件二的宽度(w)、高度(2h)、厚度(t)分别是75mm、80mm、40mm；
S2、试件加载试验：对试件一进行单边对称加载试验；对试件二进行抗压强度试验；
S3、获取荷载-位移曲线：对试件一和试件二的加载试验均为位移控制，加载速率为0.5mm/min，通过试验机能够记录试件一和试件二的荷载和位移数据，直至试件一或试件二破坏；
S4、II型断裂韧度的求解：
Figure BDA0003591510790000021
其中，KII为II型应力强度因子，代表了II型断裂的韧度；σ为裂缝II型开裂时试件一所施加的荷载；h、w和a的含义与步骤S1相同；试件一的破坏包括剪切破坏和受压破坏，试件二只有受压破坏，根据步骤S3获取的荷载-位移曲线，试件一和试件二的耗散能之差即为试件一Ⅱ型断裂的剪切耗散能；根据剪切耗散能等效的原理，可以确定对应的荷载，进而求得Ⅱ型断裂韧度。
进一步的，所述Ⅱ型断裂韧度的计算方法如下：在步骤S3获取的荷载-位移曲线找到与试件一和试件二的耗散能之差相同耗散能的对应点A，并如下计算公式得出Ⅱ型断裂韧度：
Figure BDA0003591510790000022
其中FA为点位A为对应的荷载，σ为断裂韧度，w和t的含义与步骤S1相同。
进一步的，步骤S1中试件一和试件二尺寸满足如下关系：2h≥80mm、w≥40mm、30mm≤t≤60mm，h≥a。
通过上述设置，试件的尺寸满足以上条件可提高结果的准确性。
进一步的，步骤S2中试件一或试件二分别与对应试验装置的输出端之间放置两块表面光滑的钢块。
通过上述设置，借助钢块可消除试件一或试件二表面不平整，保证了荷载的均匀性，提高了测定结果的准确性。
进一步的，步骤S2中试件一或试件二分别与对应试验装置的输出端之间放置两块表面光滑的钢块。
通过上述设置，消除了试件一或试件二与钢块之间的摩擦力，进一步提高了测定结果的准确性。
与现有技术相比，本方案的有益效果：
本方案基于断裂力学的耗散能原理，将沥青混凝土的剪切破坏能从整体的耗散能中分离了出来，提出了一种原理清晰、测试简单的沥青混凝土Ⅱ型断裂韧度评定方法，适用于评价沥青混合料的抗Ⅱ型断裂性能，可以用来指导沥青混合料的抗裂耐久性设计。
附图说明
图1是本实施例中试件一的结构示意图；
图2是本实施例中试件二的结构示意图；
图3是本实施例中试件一进行单边对称加载试验的示意图；
图4是本实施例中试件二进行抗压强度试验的示意图；
图5是本实施例中试件一和试件二的荷载-位移曲线图；
图6是本实施例中试件一的II型断裂韧度的求解示意图；
图7是本实施例中试件A的荷载-位移曲线图；
图8是本实施例中试件B的荷载-位移曲线图；
图9是本实施例中试件C的荷载-位移曲线图；
图10是本实施例中试件A、试件B和试件C的II型断裂韧度图；
图11是本实施例中试件A、试件B和试件C的进行SCB试验的示意图；
图12是本实施例中试件A、试件B和试件C的II型断裂韧度图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
说明书附图中的附图标记包括：试件一1、试件二2、试验机3、钢块4、聚四氟乙烯(PTFE)薄片5。
实施例
一种基于能量法测定沥青混凝土II型断裂韧度的方法，包括如下步骤：
S1、试件制备：如附图1和图2所示，按照沥青混凝土的配合比制作两种不同尺寸的试件一1和试件二2，试件一1和试件二2可以采用密级配的沥青混凝土，也可以是沥青玛蹄脂碎石(SMA)；孔隙率在3-7％之间。本实施例中试件一1的宽度(2w)、高度(2h)、厚度(t)分别是150mm、80mm、40mm，试件一1沿宽度方向上对称设有切口，切口的宽度、长度、半韧带长度(2a)分别为1.5mm、20mm、40mm，试件二2的宽度(w)、高度(2h)、厚度(t)分别是75mm、80mm、40mm。本方案中试件一1和试件二2的尺寸不限于本实施例，满足如下条件即可：2h≥80mm、w≥40mm、30mm≤t≤60mm，h≥a。
S2、试件加载试验：如附图3所示，对试件一1进行单边对称加载试验，对其表面进行处理，消除表面不平整。为了保证荷载的均匀性，在试件一1和试验机3的压头之间放置两块具有一定厚度且表面光滑的钢块4。为了进一步消除钢块4和试件一1之间的摩擦力，在钢块4与试件一1之间添加聚四氟乙烯(PTFE)薄片5。然后，试件一1、钢块4和试验机3进行对中避免偏心。使用MTS或者UTM试验机3试件1进行加载。如附图4所示，对试件二2进行抗压强度试验，对其表面进行处理，消除表面不平整。为了保证荷载的均匀性，在试件二2和试验机3的压头之间放置两块具有一定厚度且表面光滑的钢块4。为了进一步消除钢块4和试件二2之间的摩擦力，在钢块4与试件二2之间添加聚四氟乙烯(PTFE)薄片5。然后，试件二2、钢块4和试验机3进行对中避免偏心。
S3、获取荷载-位移曲线：对试件一1和试件二2的加载试验均为位移控制，加载速率为0.5mm/min，通过试验机3能够记录试件一1和试件二2的荷载和位移数据，直至试件一1或试件二2破坏，从而得到如附图5所示的荷载-位移曲线图。
S4、II型断裂韧度的求解：针对双边切口单边对称加载试验(试件一1)而言，II型断裂韧度可以通过如下公式进行求解：
Figure BDA0003591510790000041
其中，KII为II型应力强度因子，代表了II型断裂的韧度；σ为裂缝II型开裂时试件一1所施加的荷载；h、w和a的含义与步骤S1相同。通过上述求解公式得到如附图6所示的II型断裂韧度的求解示意图，试件一1的破坏包括剪切破坏和受压破坏，试件二2只有受压破坏，图6中P1为试件一1的峰值荷载，C点为试件一1峰值荷载对应的变形。图6中OP1P2O所包围的面积为OP1CO和OP2CO的差值，代表了试件一1剪切破坏的耗散能。在试件一1的荷载-位移曲线上选择一点A，使OABO的面积等于OP1P2O的面积，则OABO也代表试件一1由于剪切作用产生的耗散能。那么A点所对应的荷载就可以当做试件一剪切断裂对应的荷载，对应的应力就可以通过如下计算公式如下：
Figure BDA0003591510790000042
其中FA为点位A为对应的荷载，σ为断裂韧度，w和t的含义与步骤S1相同。
通过如下的算例对本方案进行进一步解释说明：
制备三组混凝土试件(分别是试件A、试件B、试件C)，试件A、试件B和试件C的骨料级配相同，沥青含量为6.2％，不同之处在于试件A中没有加入再生沥青骨料(RAP)、试件B和C分别加入了25％和50％的RAP。RAP上的沥青含量为4.3％。这三组沥青混凝土的配合比设计参数不同。试件A的宽度、高度和厚度分别为130mm(2w)、80mm(2h)、40mm(t)，双边切口的宽度均为1.5mm，长度均为20mm，半韧带长度为20mm(2a)；试件B的宽度、高度和厚度分别为65mm(w)、80mm(2h)、40mm(t)。对试件A和试件B分别加载，得到如附图7所示的试件A的荷载-位移曲线图、如附图8所示的试件B的荷载-位移曲线图、如附图9所示的试件C的荷载-位移曲线图。通过II型断裂韧度的求解公式求解得到三种不同试件的断裂韧度图如附图11所示。
沥青混凝土的II型断裂韧度也可以通过带切口的半圆弯曲试验来测定。半径R为75mm，S1为50mm，S2为9mm，切口长度a为20mm，采用该尺寸进行的SCB试验可以形成单独的II型断裂。加载示意图如图9所示，加载速率为5mm/min。
II型应力强度因子和断裂能的求解通过下列公式求得：
Figure BDA0003591510790000051
其中，P为加载破坏时的荷载峰值；R为试件半径；t为试件裂缝长度；c为试件裂缝长度；YII为试件形状因子，查表为1.179。
通过SCB试验测得的试件A、试件B、试件C的沥青混凝土II型断裂韧度图(如附图12所示)，通过图10和图12可知，三种沥青混凝土的II型断裂韧度的变化规律与本方法得出的结论一致；并且，每一种配合比的沥青混凝土的II型断裂韧度的误差都较小。说明本方法能够准确测试得到沥青混合土的II型断裂韧度。
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (5)

1.一种基于能量法测定沥青混凝土II型断裂韧度的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、试件制备：按照沥青混凝土的配合比制作试件一和试件二，试件一的宽度(2w)、高度(2h)、厚度(t)分别是150mm、80mm、40mm，试件一沿宽度方向上对称设有切口，切口的宽度、长度、半韧带长度(2a)分别为1.5mm、20mm、40mm，试件二的宽度(w)、高度(2h)、厚度(t)分别是75mm、80mm、40mm；
S2、试件加载试验：对试件一进行单边对称加载试验；对试件二进行抗压强度试验；
S3、获取荷载-位移曲线：对试件一和试件二的加载试验均为位移控制，加载速率为0.5mm/min，通过试验机能够记录试件一和试件二的荷载和位移数据，直至试件一或试件二破坏；
S4、II型断裂韧度的求解：
Figure FDA0003591510780000011
其中，KII为II型应力强度因子，代表了II型断裂的韧度；σ为裂缝II型开裂时试件一所施加的荷载；h、w和a的含义与步骤S1相同；试件一的破坏包括剪切破坏和受压破坏，试件二只有受压破坏，根据步骤S3获取的荷载-位移曲线，试件一和试件二的耗散能之差即为试件一Ⅱ型断裂的剪切耗散能；根据剪切耗散能等效的原理，可以确定对应的荷载，进而求得Ⅱ型断裂韧度。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量法测定沥青混凝土II型断裂韧度的方法，其特征在于：所述Ⅱ型断裂韧度的计算方法如下：在步骤S3获取的荷载-位移曲线找到与试件一和试件二的耗散能之差相同耗散能的对应点A，并如下计算公式得出Ⅱ型断裂韧度：
Figure FDA0003591510780000012
其中FA为点位A为对应的荷载，σ为断裂韧度，w和t的含义与步骤S1相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于能量法测定沥青混凝土II型断裂韧度的方法，其特征在于：步骤S1中试件一和试件二尺寸满足如下关系：2h≥80mm、w≥40mm、30mm≤t≤60mm，h≥a。
4.根据权利要求1所述的一种基于能量法测定沥青混凝土II型断裂韧度的方法，其特征在于：步骤S2中试件一或试件二分别与对应试验装置的输出端之间放置两块表面光滑的钢块。
5.根据权利要求3所述的一种基于能量法测定沥青混凝土II型断裂韧度的方法，其特征在于：每块所述钢块与试件一或试件二之间均设有聚四氟乙烯薄片。
CN202210379050.XA 2022-04-12 2022-04-12 一种基于能量法测定沥青混凝土ii型断裂韧度的方法 Pending CN114813339A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210379050.XA CN114813339A (zh) 2022-04-12 2022-04-12 一种基于能量法测定沥青混凝土ii型断裂韧度的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210379050.XA CN114813339A (zh) 2022-04-12 2022-04-12 一种基于能量法测定沥青混凝土ii型断裂韧度的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114813339A true CN114813339A (zh) 2022-07-29

Family

ID=82534657

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210379050.XA Pending CN114813339A (zh) 2022-04-12 2022-04-12 一种基于能量法测定沥青混凝土ii型断裂韧度的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114813339A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Biligiri et al. Rational modeling of tertiary flow for asphalt mixtures
Hou Fatigue performance prediction of North Carolina mixtures using simplified viscoelastic continuum damage model
Aliha On predicting mode II fracture toughness (KIIc) of hot mix asphalt mixtures using the strain energy density criterion
Velasquez et al. Low temperature cracking characterization of asphalt binders by means of the single-edge notch bending (SENB) test
Braham et al. Laboratory mixed-mode cracking of asphalt concrete using the single-edge notch beam
Zeiada Endurance limit for HMA based on healing phenomenon using viscoelastic continuum damage analysis
Buttlar et al. Automated procedure for generation of creep compliance master curve for asphalt mixtures
Ahmed et al. Review of techniques, approaches and criteria of hot-mix asphalt fatigue
Li et al. A practical dynamic modulus testing protocol
Garcia et al. Assessing crack susceptibility of asphalt concrete mixtures with overlay tester
Lee et al. Comparison of fracture cracking parameters from monotonic loading tests: indirect tension and monotonic overlay tester tests
Wen et al. Toward development of a new thermal cracking test using the dynamic shear rheometer
Gražulytė et al. Methods and criteria for evaluation of asphalt mixture resistance to low temperature cracking
Luo et al. Mechanistic composition–specific fatigue life of asphalt pavements
Pszczoła et al. Evaluation of thermal stresses in asphalt layers incomparison with TSRST test results
Vacková et al. What information can be provided by the asphalt crack propagation test done on semicylindric specimens?
CN114813339A (zh) 一种基于能量法测定沥青混凝土ii型断裂韧度的方法
Saghafi et al. Considering Pavement Structure in Laboratory Fatigue Cracking Assessment
López-Montero et al. Obtaining the fatigue laws of bituminous mixtures from a strain sweep test: Effect of temperature and aging
Tozzo et al. Dilatancy in the analysis of interlayer cyclic shear test results
Bhasin et al. Evaluation of selected laboratory procedures and development of databases for HMA
Agredo Chavez et al. Available Tests to evaluate Residual Prestressing Forces in Concrete Bridges
Alavi et al. Effect of cooling rate on the thermo-volumetric, thermo-viscoelastic, and fracture properties of asphalt mixtures
Velásquez et al. Effect of beam size on the creep stiffness of asphalt mixtures at low temperatures
Delaporte et al. Linear viscoelastic properties of mastics: results from a new annular shearing rheometer, and modelling.

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination