CN116448591A - 沥青混凝土i型中低温断裂测试方法及评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沥青混凝土I型中低温断裂测试方法，包括确定沥青混凝土的级配方式；制作得到圆柱体双边切口试件；在试验要求的温度中保存设定的时间；进行预压处理；进行荷载‑位移试验直至试件破坏，记录试验数据，完成沥青混凝土的I型中低温断裂测试。本发明还公开了一种包括所述沥青混凝土I型中低温断裂测试方法的评价方法。本发明所采用的试件的制备过程简单，测试过程简单，适用于各类型沥青混凝土的I型中低温断裂测试，而且可靠性更高，准确性更好，效率更高。

Description

沥青混凝土I型中低温断裂测试方法及评价方法
技术领域
本发明属于土木工程领域，具体涉及一种沥青混凝土I型中低温断裂测试方法及评价方法。
背景技术
随着经济技术的发展，沥青混凝土逐渐成为了国内外路面应用最为广泛的材料。但是，在繁重的交通荷载和环境作用下，沥青混凝土路面极易产生裂缝，从而降低路面的服役寿命。因此，研究沥青混凝土的抗裂性能，就成为了现今研究人员的研究重点之一。
沥青混凝土路面的I型破坏，是目前最为常见的破坏形式。因此，针对沥青混凝土的I型断裂性能进行测试，就显得尤为重要。目前，根据现有规范的要求，沥青混凝土的断裂性能，常常采用半圆弯拉（Semi-Circular Bending Test，SCB）试验来进行评价。但是，进行SCB试验时，需要对压实好的沥青混凝土圆柱体进行非常多次的切割操作，切割程序极其繁琐，从而极大的降低了SCB试验的效率。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种可靠性高、准确性好且效率较高的沥青混凝土I型中低温断裂测试方法。
本发明的目的之二在于提供一种包括了所述沥青混凝土I型中低温断裂测试方法的评价方法。
本发明提供的这种沥青混凝土I型中低温断裂测试方法，包括如下步骤：
S1. 确定沥青混凝土的级配方式；
S2. 根据步骤S1确定的级配方式，将矿质集料进行混合、搅拌、压实后制作圆柱体试件；对圆柱体试件进行切割得到设定厚度的薄圆柱体试件；在薄圆柱体试件上沿任意直径方向，在试件两端分别切出设定长度的切缝，得到圆柱体双边切口试件；
S3. 将步骤S2得到的圆柱体双边切口试件，在试验要求的温度中保存设定的时间；
S4. 对步骤S3得到的圆柱体双边切口试件，确定加载面，保证加载面相互平行，同时保证切缝与加载头相互垂直；然后对圆柱体双边切口试件，按照试验要求的压力、时间和环境温度要求，进行预压处理；
S5. 对预压处理后的圆柱体双边切口试件，进行荷载-位移试验直至试件破坏，并记录试验开始至试件破坏期间的试验数据，完成沥青混凝土的I型中低温断裂测试。
所述的步骤S1，具体包括如下步骤：
沥青混凝土的级配方式包括密级配沥青混凝土和间断级配沥青混凝土。
所述的步骤S2，具体包括如下步骤：
按照步骤S1确定的级配方式，将不同粒径的矿质集料混合后加入沥青，并搅拌均匀；
通过旋转压实仪制作圆柱体试件；圆柱体试件的直径为150mm，高度为50~150mm，空隙率为3%~8%；
将得到的圆柱体试件切割得到厚度为30~50mm的薄圆柱体试件；
在薄圆柱体试件上，沿任意直径方向，在薄圆柱体试件的两端分别切出长度相等的切缝，切缝的长度为10~50mm，切缝的宽度为1~2mm，从而得到圆柱体双边切口试件。
所述的步骤S3，具体包括如下步骤：
根据试验要求，将步骤S2得到的圆柱体双边切口试件在低温或中温条件下保存2小时；所述的低温的温度范围为-30~5℃；所述的中温的温度范围为5~30℃。
所述的步骤S4，具体包括如下步骤：
对步骤S3得到在设定温度下保存后的圆柱体双边切口试件，确定加载面；
对加载面进行表面处理，保证加载面的光滑度达到设定要求且加载面相互平行，同时保证切缝与加载头相互垂直；
在加载面与加载头之间设置设定厚度、表面光滑度达到设定值的柔性夹具，并在柔性夹具和加载面之间设置设定厚度的聚四氟乙烯薄片；
将圆柱体双边切口试件、柔性夹具和加载机进行对中操作，避免偏心；
采用加载机，按照设定的压力和设定的时间，在设定的环境温度中，对圆柱体双边切口试件进行预压；所述的设定的环境温度，为低温条件或中温条件。
所述的步骤S5，具体包括如下步骤：
对预压处理后的圆柱体双边切口试件，进行荷载-位移试验；加载时，采用位移来控制加载，加载速率设定为50mm/min；
加载机对预压处理后的圆柱体双边切口试件施加压力，直至预压处理后的圆柱体双边切口试件破坏；
记录从实验开始到试件破坏期间的所有数据，完成沥青混凝土的I型中低温断裂测试。
本发明还提供了一种包括了所述沥青混凝土I型中低温断裂测试方法的评价方法，还包括如下步骤：
S6. 根据步骤S5记录的试验数据，采用应力强度因子或J积分对沥青混凝土的I型中低温断裂进行评价。
所述的步骤S6，具体包括如下步骤：
在低温条件下，采用应力强度因子表征沥青混凝土的I型中低温断裂；采用如下算式计算应力强度因子：/>式中F为加载的峰值荷载；R为圆柱体双边切口试件的半径；t为圆柱体双边切口试件的厚度；a为切缝的长度；/>为圆柱体双边切口试件的形态因子；
在中温条件下，采用J积分表征沥青混凝土的I型中低温断裂；对于两个裂缝长度分别为和/>的圆柱体双边切口试件，采用如下公式对J积分进行求解：式中J为J积分的值；/>为第一圆柱体双边切口试件从加载开始到试件开裂的断裂能；/>为第二圆柱体双边切口试件从加载开始到试件开裂的断裂能；为第一圆柱体双边切口试件的厚度；/>为第二圆柱体双边切口试件的厚度；/>为第一圆柱体双边切口试件的切缝长度；/>为第二圆柱体双边切口试件的切缝长度。
所述的圆柱体双边切口试件的形态因子，具体包括如下内容：
圆柱体双边切口试件的形态因子通过有限元计算得到。
所述的圆柱体双边切口试件的形态因子，具体采用如下步骤计算得到：
采用有限元计算的方式，计算得到如下典型的圆柱体双边切口试件的形态因子：
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
然后，对于除以上取值情况外的其他情况的/>值，基于以上取值采用插值的方式进行计算。
本发明提供的这种沥青混凝土I型中低温断裂测试方法及评价方法，所采用的试件的制备过程简单，测试过程简单，适用于各类型沥青混凝土的I型中低温断裂测试，而且可靠性更高，准确性更好，效率更高。
附图说明
图1为本发明测试方法的方法流程示意图。
图2为本发明测试方法的试件加载示意图。
图3为本发明评价方法的方法流程示意图。
图4为本发明评价方法的试件的受压荷载-位移曲线及断裂能示意图
图5为本发明评价方法与现有评价方法计算得到的应力强度因子的对比示意图。
图6为本发明评价方法与现有评价方法计算得到的J积分的对比示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明测试方法的方法流程示意图：本发明提供的这种沥青混凝土I型中低温断裂测试方法，包括如下步骤：
S1. 确定沥青混凝土的级配方式；具体包括如下步骤：
沥青混凝土的级配方式包括密级配沥青混凝土和间断级配沥青混凝土；
S2. 根据步骤S1确定的级配方式，将矿质集料进行混合、搅拌、压实后制作圆柱体试件；对圆柱体试件进行切割得到设定厚度的薄圆柱体试件；在薄圆柱体试件上沿任意直径方向，在试件两端分别切出设定长度的切缝，得到圆柱体双边切口试件；具体包括如下步骤：
按照步骤S1确定的级配方式，将不同粒径的矿质集料混合后加入沥青，并搅拌均匀；
通过旋转压实仪制作圆柱体试件；圆柱体试件的直径为150mm，高度为50~150mm，空隙率为3%~8%；
将得到的圆柱体试件切割得到厚度为30~50mm的薄圆柱体试件；
在薄圆柱体试件上，沿任意直径方向，在薄圆柱体试件的两端分别切出长度相等的切缝，切缝的长度为10~50mm，切缝的宽度为1~2mm，从而得到圆柱体双边切口试件；
S3. 将步骤S2得到的圆柱体双边切口试件，在试验要求的温度中保存设定的时间；具体包括如下步骤：
根据试验要求，将步骤S2得到的圆柱体双边切口试件在低温或中温条件下保存2小时；所述的低温的温度范围为-30~5℃；所述的中温的温度范围为5~30℃；
S4. 对步骤S3得到的圆柱体双边切口试件，确定加载面，保证加载面相互平行，同时保证切缝与加载头相互垂直；然后对圆柱体双边切口试件，按照试验要求的压力、时间和环境温度要求，进行预压处理；具体包括如下步骤：
对步骤S3得到在设定温度下保存后的圆柱体双边切口试件，确定加载面；
对加载面进行表面处理，保证加载面的光滑度达到设定要求（即要求足够光滑）且加载面相互平行，同时保证切缝与加载头相互垂直；
在加载面与加载头之间设置设定厚度、表面光滑度达到设定值的柔性夹具（如图2所示），并在柔性夹具和加载面之间设置设定厚度的聚四氟乙烯薄片；
将圆柱体双边切口试件、柔性夹具和加载机进行对中操作，避免偏心；
采用加载机，按照设定的压力和设定的时间，在设定的环境温度中，对圆柱体双边切口试件进行预压；所述的设定的环境温度，为低温条件或中温条件；
S5. 对预压处理后的圆柱体双边切口试件，进行荷载-位移试验直至试件破坏，并记录试验开始至试件破坏期间的试验数据，完成沥青混凝土的I型中低温断裂测试；具体包括如下步骤：
对预压处理后的圆柱体双边切口试件，进行荷载-位移试验；加载时，采用位移来控制加载，加载速率设定为50mm/min；
加载机对预压处理后的圆柱体双边切口试件施加压力，直至预压处理后的圆柱体双边切口试件破坏；
记录从实验开始到试件破坏期间的所有数据，完成沥青混凝土的I型中低温断裂测试。
如图3所示为本发明评价方法的方法流程示意图：本发明提供的这种包括了所述沥青混凝土I型中低温断裂测试方法的评价方法，还包括如下步骤：
S6. 根据步骤S5记录的试验数据，采用应力强度因子或J积分对沥青混凝土的I型中低温断裂进行评价；具体包括如下步骤：
在低温条件（-30~5℃）下，采用应力强度因子表征沥青混凝土的I型中低温断裂；采用如下算式计算应力强度因子：/>式中F为加载的峰值荷载；R为圆柱体双边切口试件的半径；t为圆柱体双边切口试件的厚度；a为切缝的长度；/>为圆柱体双边切口试件的形态因子；
具体实施时，圆柱体双边切口试件的形态因子通过有限元计算得到；同时，为了计算方便，采用有限元计算的方式，计算得到如下典型的圆柱体双边切口试件的形态因子：
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
然后，对于除以上取值情况外的其他情况的/>值，基于以上取值采用插值的方式进行计算；
在中温条件（5~30℃）下，采用J积分表征沥青混凝土的I型中低温断裂；对于两个裂缝长度分别为和/>的圆柱体双边切口试件，采用如下公式对J积分进行求解：式中J为J积分的值；/>为第一圆柱体双边切口试件从加载开始到试件开裂的断裂能（图4中的阴影部分的面积）；/>为第二圆柱体双边切口试件从加载开始到试件开裂的断裂能；/>为第一圆柱体双边切口试件的厚度；/>为第二圆柱体双边切口试件的厚度；/>为第一圆柱体双边切口试件的切缝长度；/>为第二圆柱体双边切口试件的切缝长度。
以下结合实施例，说明本发明方法的效果：
基本信息：一种沥青混合料，沥青为SBS改性沥青，沥青用量为6.2%。骨料为石灰岩；该混合料采用旋转压实仪压实，试件直径为150mm，厚度为50mm，沿直径方向预制两条等长度裂缝，两个不同的试件的裂缝分别为10mm和20mm；
加载试验：试验分别在-10℃和25℃条件下进行，分别模拟低温和中温条件，加载速率为50mm/min；
低温条件下，采用应力强度因子来表征断裂性能：当a分别为10mm和20mm时，/>分别为0.213和0.493。
然后，采用目前普遍采用SCB的方法来测试沥青混凝土I型断裂性能。SCB试件的厚度、直径、裂缝长度都与本发明的试件一致。
如图5所示为通过本发明的方法和SCB试验方法得出的-10℃时裂缝分别为10和20mm的试件的应力强度因子。
中温条件下，采用J积分来表征断裂性能：
采用本发明的方法和SCB方法分别来计算中温（25℃）情况下沥青混凝土的J积分，得到的数据结果如图6所示。
通过图5和图6可以看到，不论是低温还是中温，本发明方法与规范中要求的方法（SCB试验）所得到数据都极为接近，说明了本方法的有效性。但是，相比与现有的SCB试验，本方法的试件制作极为简单，测试过程简单，适用于各类型沥青混凝土的I型中低温断裂测试。

Claims (10)

1.一种沥青混凝土I型中低温断裂测试方法，其特征在于包括如下步骤：
S1. 确定沥青混凝土的级配方式；
S2. 根据步骤S1确定的级配方式，将矿质集料进行混合、搅拌、压实后制作圆柱体试件；对圆柱体试件进行切割得到设定厚度的薄圆柱体试件；在薄圆柱体试件上沿任意直径方向，在试件两端分别切出设定长度的切缝，得到圆柱体双边切口试件；
S3. 将步骤S2得到的圆柱体双边切口试件，在试验要求的温度中保存设定的时间；
S4. 对步骤S3得到的圆柱体双边切口试件，确定加载面，保证加载面相互平行，同时保证切缝与加载头相互垂直；然后对圆柱体双边切口试件，按照试验要求的压力、时间和环境温度要求，进行预压处理；
S5. 对预压处理后的圆柱体双边切口试件，进行荷载-位移试验直至试件破坏，并记录试验开始至试件破坏期间的试验数据，完成沥青混凝土的I型中低温断裂测试。
2.根据权利要求1所述的沥青混凝土I型中低温断裂测试方法，其特征在于所述的步骤S1，具体包括如下步骤：
沥青混凝土的级配方式包括密级配沥青混凝土和间断级配沥青混凝土。
3.根据权利要求2所述的沥青混凝土I型中低温断裂测试方法，其特征在于所述的步骤S2，具体包括如下步骤：
按照步骤S1确定的级配方式，将不同粒径的矿质集料混合后加入沥青，并搅拌均匀；
通过旋转压实仪制作圆柱体试件；圆柱体试件的直径为150mm，高度为50~150mm，空隙率为3%~8%；
将得到的圆柱体试件切割得到厚度为30~50mm的薄圆柱体试件；
在薄圆柱体试件上，沿任意直径方向，在薄圆柱体试件的两端分别切出长度相等的切缝，切缝的长度为10~50mm，切缝的宽度为1~2mm，从而得到圆柱体双边切口试件。
4.根据权利要求3所述的沥青混凝土I型中低温断裂测试方法，其特征在于所述的步骤S3，具体包括如下步骤：
根据试验要求，将步骤S2得到的圆柱体双边切口试件在低温或中温条件下保存2小时；所述的低温的温度范围为-30~5℃；所述的中温的温度范围为5~30℃。
5.根据权利要求4所述的沥青混凝土I型中低温断裂测试方法，其特征在于所述的步骤S4，具体包括如下步骤：
对步骤S3得到在设定温度下保存后的圆柱体双边切口试件，确定加载面；
对加载面进行表面处理，保证加载面的光滑度达到设定要求且加载面相互平行，同时保证切缝与加载头相互垂直；
在加载面与加载头之间设置设定厚度、表面光滑度达到设定值的柔性夹具，并在柔性夹具和加载面之间设置设定厚度的聚四氟乙烯薄片；
将圆柱体双边切口试件、柔性夹具和加载机进行对中操作，避免偏心；
采用加载机，按照设定的压力和设定的时间，在设定的环境温度中，对圆柱体双边切口试件进行预压；所述的设定的环境温度，为低温条件或中温条件。
6.根据权利要求5所述的沥青混凝土I型中低温断裂测试方法，其特征在于所述的步骤S5，具体包括如下步骤：
对预压处理后的圆柱体双边切口试件，进行荷载-位移试验；加载时，采用位移来控制加载，加载速率设定为50mm/min；
加载机对预压处理后的圆柱体双边切口试件施加压力，直至预压处理后的圆柱体双边切口试件破坏；
记录从实验开始到试件破坏期间的所有数据，完成沥青混凝土的I型中低温断裂测试。
7.一种包括了权利要求1~6之一所述的沥青混凝土I型中低温断裂测试方法的评价方法，其特征在于还包括如下步骤：
S6. 根据步骤S5记录的试验数据，采用应力强度因子或J积分对沥青混凝土的I型中低温断裂进行评价。
8.根据权利要求7所述的评价方法，其特征在于所述的步骤S6，具体包括如下步骤：
在低温条件下，采用应力强度因子表征沥青混凝土的I型中低温断裂；采用如下算式计算应力强度因子：/>式中F为加载的峰值荷载；R为圆柱体双边切口试件的半径；t为圆柱体双边切口试件的厚度；a为切缝的长度；/>为圆柱体双边切口试件的形态因子；
在中温条件下，采用J积分表征沥青混凝土的I型中低温断裂；对于两个裂缝长度分别为和/>的圆柱体双边切口试件，采用如下公式对J积分进行求解：式中J为J积分的值；/>为第一圆柱体双边切口试件从加载开始到试件开裂的断裂能；/>为第二圆柱体双边切口试件从加载开始到试件开裂的断裂能；为第一圆柱体双边切口试件的厚度；/>为第二圆柱体双边切口试件的厚度；/>为第一圆柱体双边切口试件的切缝长度；/>为第二圆柱体双边切口试件的切缝长度。
9.根据权利要求8所述的评价方法，其特征在于所述的圆柱体双边切口试件的形态因子，具体包括如下内容：
圆柱体双边切口试件的形态因子通过有限元计算得到。
10.根据权利要求9所述的评价方法，其特征在于所述的圆柱体双边切口试件的形态因子，具体采用如下步骤计算得到：
采用有限元计算的方式，计算得到如下典型的圆柱体双边切口试件的形态因子：
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
若，则/>；
然后，对于除以上取值情况外的其他情况的/>值，基于以上取值采用插值的方式进行计算。
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