CN116165082A - 一种沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法 - Google Patents

一种沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法 Download PDF

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Abstract

一种沥青应变‑疲劳寿命曲线的快速获取方法，本发明的目的是为了解决沥青抗疲劳性能测试试验时间较长的问题。沥青应变‑疲劳寿命曲线的快速获取方法：一、对沥青试样进行正弦波荷载试验，以剪应变为横坐标，以剪应力为纵坐标，绘制剪应变‑剪应力曲线图，确定荷载水平；二、进行频率扫描试验，在对数坐标下绘制频率‑存储模量曲线图，确定损伤速率参数B；三、进行时间扫描试验，应变水平采用步骤一所确定的应变值，确定指前参数A；四、通过Nf(γ)＝AγB，以应变水平为横坐标，疲劳寿命为纵坐标，得到应变‑疲劳寿命曲线。本发明通过应变‑疲劳寿命曲线图能够准确预测不同应变水平下沥青的疲劳寿命，实现了沥青抗疲劳性能的快速评价。

Description

一种沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法
技术领域
本发明属于路面材料抗疲劳性能评价技术领域，具体涉及一种沥青应变-疲劳寿命曲线的获取方法。
背景技术
沥青是道路建设和养护中不可缺少的重要材料之一。其良好的抗疲劳性能对道路的安全和使用寿命具有重要意义。因此，对沥青抗疲劳性能的评价方法是道路工程领域的重要研究课题。
应变-疲劳寿命曲线是材料领域用于材料抗疲劳性能评价和表征的重要手段，同样适用于沥青抗疲劳性能的评价与分析。快速、准确获取沥青应变-疲劳寿命曲线对于长寿命路面的选材与设计具有十分重要的意义。
目前，应变-疲劳寿命曲线被广泛用于评价沥青在不同应变水平下的抗疲劳性能。获取应变-疲劳寿命曲线的基本步骤为：(1)在3～5个不同应变水平下开展时间扫描试验，得到不同应变水平下沥青的疲劳寿命；(2)以应变水平为横坐标，以疲劳寿命为纵坐标绘制应变-疲劳寿命曲线；(3)通过拟合确定应变-疲劳寿命曲线模型Nf＝ASB中的模型参数A和B。沥青的抗疲劳性能与试验时间是一对矛盾体。工程师和设计人员希望所选择或所生产的沥青具有优异的抗疲劳性能，但所对应的抗疲劳性能测试试验时间就会显著增加，耗费较大的人力和物力。因此，为了缩减试验时间，降低试验成本，亟待开发一种快速评价沥青在不同应变水平下的抗疲劳性能的方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决沥青抗疲劳性能测试试验时间较长，缺乏在广泛应变水平范围内快速、准确评价沥青抗疲劳性能的有效方法的问题，而提出一种沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法，用于评价沥青的抗疲劳性能。
本发明沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法按照以下步骤实现：
步骤一、确定荷载水平
采用动态剪切流变仪(DSR)对沥青试样进行正弦波荷载试验，采用应变控制模式，振幅由0.1％线性增加至30％，以剪应变γ为横坐标，以剪应力τ为纵坐标，绘制剪应变-剪应力曲线图，通过剪应变-剪应力曲线图确定剪应力峰值所对应的应变值γpeak，选取时间扫描试验的应变值γ0＝0.7γpeak；
步骤二、确定损伤速率参数B
采用动态剪切流变仪(DSR)对沥青试样进行频率扫描试验，采用应变控制模式，应变水平为0.1％，加载频率为0.1～30Hz，以加载频率为横坐标，存储模量为纵坐标，在对数坐标下绘制频率-存储模量曲线图；
利用下式(1)幂函数模型对频率-存储模量数据进行拟合，确定幂函数模型参数m和b：
lg G′＝m lg f+b (1)
式中：G′存储模量，单位为MPa；f为加载频率，单位为Hz；m，b为模型参数；
损伤速率参数B由下式(2)计算得到：
Figure BDA0004094963730000021
步骤三、确定应变-疲劳寿命曲线模型指前参数A
对步骤二中的沥青试样进行时间扫描试验，控制加载频率为10Hz，应变水平采用步骤一所确定的应变值γ0，当动态剪切模量降低至0.5|G*|50时结束试验，其中|G*|50为加载第50次时沥青试样的动态剪切模量值，试验结束时的加载次数即为应变水平γ0所对应的疲劳寿命
Figure BDA0004094963730000022
根据式(3)计算应变-疲劳寿命曲线模型指前参数A：
Figure BDA0004094963730000023
步骤四、绘制应变-疲劳寿命曲线
将步骤二确定的损伤速率参数B和步骤三确定的指前参数A代入下式(4)，
Nf(γ)＝AγB (4)
以应变水平为横坐标，疲劳寿命为纵坐标，得到应变-疲劳寿命曲线。
针对现阶段沥青抗疲劳性能评价及表征中缺乏快速、准确获取应变-疲劳寿命曲线的方法和途径而导致人力和物力巨大损耗的技术问题，本发明以黏弹性理论和黏弹性连续介质损伤理论为基础，通过分析应变-疲劳寿命曲线模型特征参数与线性黏弹性参数主曲线模型特征参数之间的关系提出快速、准确获取沥青应变-疲劳寿命曲线的试验方法和分析方法，实现沥青抗疲劳性能的快速评价，极大程度地节约时间成本和经济成本。
附图说明
图1为实施例步骤一中的剪应变-剪应力曲线图；
图2为实施例步骤二中的频率-存储模量曲线图；
图3为实施例步骤三中的动态剪切模量衰减曲线图；
图4为实施例步骤四中得到的应变-疲劳寿命曲线图；
图5为实施例中实测疲劳寿命与预测疲劳寿命测试图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法按照以下步骤实施：
步骤一、确定荷载水平
采用动态剪切流变仪(DSR)对沥青试样进行正弦波荷载试验，采用应变控制模式，振幅由0.1％线性增加至30％，以剪应变γ为横坐标，以剪应力τ为纵坐标，绘制剪应变-剪应力曲线图，通过剪应变-剪应力曲线图确定剪应力峰值所对应的应变值γpeak，选取时间扫描试验的应变值γ0＝0.7γpeak；
步骤二、确定损伤速率参数B
采用动态剪切流变仪(DSR)对沥青试样进行频率扫描试验，采用应变控制模式，应变水平为0.1％，加载频率为0.1～30Hz，以加载频率为横坐标，存储模量为纵坐标，在对数坐标下绘制频率-存储模量曲线图；
利用下式(1)幂函数模型对频率-存储模量数据进行拟合，确定幂函数模型参数m，b：
lg G′＝m lg f+b (1)
式中：G′存储模量，单位为MPa；f为加载频率，单位为Hz；m，b为模型参数；
损伤速率参数B由下式(2)计算得到：
Figure BDA0004094963730000031
步骤三、确定应变-疲劳寿命曲线模型指前参数A
对步骤二中的沥青试样进行时间扫描试验，控制加载频率为10Hz，应变水平采用步骤一所确定的应变值γ0，当动态剪切模量降低至0.5|G*|50时结束试验，其中|G*|50为加载第50次时沥青试样的动态剪切模量值，试验结束时的加载次数即为应变水平γ0所对应的疲劳寿命
Figure BDA0004094963730000032
根据式(3)计算应变-疲劳寿命曲线模型指前参数A：
Figure BDA0004094963730000033
步骤四、绘制应变-疲劳寿命曲线
将步骤二确定的损伤速率参数B和步骤三确定的指前参数A代入下式(4)，
Nf(γ)＝AγB (4)
以应变水平为横坐标，疲劳寿命为纵坐标，得到应变-疲劳寿命曲线。
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施加正弦波荷载的过程中振幅的增加速率为0.01％/s～0.5％/s。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中控制试验温度为10℃～30℃。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤一中控制荷载的加载频率为1Hz～30Hz。
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一中动态剪切流变仪的平行板的直径为8mm。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二中频率扫描试验的试验温度为10℃～30℃。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤二中频率扫描试验的试验温度为20℃。
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三中时间扫描试验的试验温度为10℃～30℃。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是步骤三中时间扫描试验的试验温度为20℃。
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步骤四中利用式(4)预测不同应变水平下沥青的疲劳寿命。
实施例：本实施例沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法按照以下步骤实施：
步骤一、确定荷载水平
采用动态剪切流变仪(DSR)对沥青试样进行正弦波荷载试验，动态剪切流变仪上的平行板直径为8mm，厚度为2mm，采用应变控制模式，振幅由0.1％线性增加至30％，振幅的增加速率为0.1％/s，试验温度为20℃，加载频率为10Hz，试验开始前试样需在试验温度下保温至少15min，以剪应变γ为横坐标，以剪应力τ为纵坐标，绘制剪应变-剪应力曲线图，如图1所示，通过剪应变-剪应力曲线图确定剪应力峰值所对应的应变值γpeak，选取时间扫描试验的应变值γ0＝0.7γpeak，本实施例中，γpeak＝10％，γ0＝7％；
步骤二、确定损伤速率参数B
采用动态剪切流变仪(DSR)对沥青试样进行频率扫描试验，试验温度为20℃，采用应变控制模式，应变水平为0.1％，加载频率为0.1～30Hz，试验开始前需对试样在试验温度下保温至少15min，以加载频率为横坐标，存储模量为纵坐标，在对数坐标下绘制频率-存储模量曲线图，如图2所示；
利用下式(1)幂函数模型对频率-存储模量数据进行拟合，确定幂函数模型参数m，b：
lg G′＝m lg f+b (1)
式中：G′存储模量，单位为MPa；f为加载频率，单位为Hz；m，b模型参数；本实施例中，m＝0.691，b＝2.72，如图2所示；
损伤速率参数B由下式(2)计算得到：
Figure BDA0004094963730000051
本实施例中，B＝-2.894；
步骤三、确定应变-疲劳寿命曲线模型指前参数A
对步骤二中的沥青试样(频率扫描试验后的试样)进行时间扫描试验，试验温度为20℃，控制加载频率为10Hz，应变水平采用步骤一所确定的应变值γ0，当动态剪切模量降低至0.5|G*|50时结束试验，其中|G*|50为加载第50次时沥青试样的动态剪切模量值，动态剪切模量随加载次数变化的情况如图3所示，试验结束时的加载次数即为应变水平γ0所对应的疲劳寿命
Figure BDA0004094963730000052
根据式(3)计算应变-疲劳寿命曲线(S-N曲线)模型指前参数A，本实施例中，/>
Figure BDA0004094963730000053
A＝1.579：
Figure BDA0004094963730000054
步骤四、绘制应变-疲劳寿命曲线
将步骤二确定的损伤速率参数B、步骤三确定的指前参数A代入式(4)，预测不同应变水平下沥青的疲劳寿命，以应变水平为横坐标、疲劳寿命为横坐标，得到应变-疲劳寿命曲线(S-N曲线)，如图4所示；
Nf(γ)＝AγB (4)。
本实施例所用的沥青试样的型号为90#基质沥青。
基于本实施例方法确定的应变-疲劳寿命曲线图预测不同应变水平下沥青的疲劳寿命。以沥青试样的疲劳寿命实测值为横坐标，以疲劳寿命的预测值为纵坐标，绘制如图5所示的实测疲劳寿命与预测疲劳寿命的对比图。由图5可知，数据点几乎与等值线重合，说明基于本实施例方法确定的应变-疲劳寿命曲线图能够准确预测不同应变水平下沥青的疲劳寿命，由此说明本方法的有效性。
此外，基于传统方法确定应变-疲劳寿命曲线时至少需要在3～5个应变水平下开展时间扫描试验，而本发明提出的方法只需要进行1个较大应变水平下的时间扫描试验即可。因此，本发明所需试验时间仅为传统方法试验时间的1/5～1/3。考虑到越小应变水平下所需试验时间越长，本发明节约的时间会更多。
由此可见，本发明所提出的沥青应变-疲劳寿命曲线快速获取方法在保证有效性的前提下较大程度地节约了时间，具有显著工程价值。

Claims (10)

1.沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法，其特征在于该沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法按照以下步骤实现：
步骤一、确定荷载水平
采用动态剪切流变仪对沥青试样进行正弦波荷载试验，采用应变控制模式，振幅由0.1％线性增加至30％，以剪应变γ为横坐标，以剪应力τ为纵坐标，绘制剪应变-剪应力曲线图，通过剪应变-剪应力曲线图确定剪应力峰值所对应的应变值γpeak，选取时间扫描试验的应变值γ0＝0.7γpeak；
步骤二、确定损伤速率参数B
采用动态剪切流变仪对沥青试样进行频率扫描试验，采用应变控制模式，应变水平为0.1％，加载频率为0.1～30Hz，以加载频率为横坐标，存储模量为纵坐标，在对数坐标下绘制频率-存储模量曲线图；
利用下式(1)幂函数模型对频率-存储模量数据进行拟合，确定幂函数模型参数m和b：
lg G′＝m lg f+b (1)
式中：G′存储模量，单位为MPa；f为加载频率，单位为Hz；m，b为模型参数；
损伤速率参数B由下式(2)计算得到：
Figure FDA0004094963720000011
步骤三、确定应变-疲劳寿命曲线模型指前参数A
对步骤二中的沥青试样进行时间扫描试验，控制加载频率为10Hz，应变水平采用步骤一所确定的应变值γ0，当动态剪切模量降低至0.5|G*|50时结束试验，其中|G*|50为加载第50次时沥青试样的动态剪切模量值，试验结束时的加载次数即为应变水平γ0所对应的疲劳寿命
Figure FDA0004094963720000012
根据式(3)计算应变-疲劳寿命曲线模型指前参数A：
Figure FDA0004094963720000013
步骤四、绘制应变-疲劳寿命曲线
将步骤二确定的损伤速率参数B和步骤三确定的指前参数A代入下式(4)，
Nf(γ)＝AγB (4)
以应变水平为横坐标，疲劳寿命为纵坐标，得到应变-疲劳寿命曲线。
2.根据权利要求1所述的沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法，其特征在于步骤一中施加正弦波荷载的过程中振幅的增加速率为0.01％/s～0.5％/s。
3.根据权利要求1所述的沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法，其特征在于步骤一中控制试验温度为10℃～30℃。
4.根据权利要求3所述的沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法，其特征在于步骤一中控制荷载的加载频率为1Hz～30Hz。
5.根据权利要求1所述的沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法，其特征在于步骤一中动态剪切流变仪的平行板的直径为8mm。
6.根据权利要求1所述的沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法，其特征在于步骤二中频率扫描试验的试验温度为10℃～30℃。
7.根据权利要求6所述的沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法，其特征在于步骤二中频率扫描试验的试验温度为20℃。
8.根据权利要求1所述的沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法，其特征在于步骤三中时间扫描试验的试验温度为10℃～30℃。
9.根据权利要求8所述的沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法，其特征在于步骤三中时间扫描试验的试验温度为20℃。
10.根据权利要求1所述的沥青应变-疲劳寿命曲线的快速获取方法，其特征在于步骤四中利用式(4)预测不同应变水平下沥青的疲劳寿命。
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