CN116577221A - 一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及沥青混合料试验相关技术领域，具体为一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法，一、利用SGC制作圆柱体试件；二、对圆柱体试件进行切割加工；三、黏贴应变片；四、将试件和应变片放置在环境箱中按照设定的试验温度进行保温；五、设置试验条件；六、试件安放；七、进行疲劳试验；八、试验数据分析。本发明的试验方法可以实现试件圆心处首先开裂，使试件破坏现象与劈裂试验的力学模型一致；解决了常规劈裂疲劳试验方法根据MTS采集的变形数据人工判断疲劳破坏点而导致疲劳寿命同时包含起裂阶段和扩展阶段重复作用次数的问题，本发明可以准确得到疲劳起裂寿命，而且该起裂寿命远小于常规方法所得疲劳寿命，试验结果精度更高。
Description
技术领域
本发明涉及沥青混合料试验相关技术领域，具体为一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法。
背景技术
沥青路面裂缝是一种常见的病害，裂缝的形成有两种方式：自下而上和自上而下，后者也被称为Top-Down开裂。Top-Down开裂常出现在轮胎外边缘，而力学分析发现轮胎外边缘点所处应力状态类似二维拉压应力状态，劈裂强度试验过程中圆柱体试件正好也处于二维拉压应力状态。
我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定了劈裂强度试验，也称间接拉伸强度试验，即认为圆柱体试件圆心处会因为拉应力过大而导致破坏；规定采用弧形压条(弧度与圆周相同)对试件施加压力，并利用破坏荷载计算圆心点的拉应力，以此作为试件的劈裂强度。
劈裂疲劳试验是在上述劈裂强度试验的基础上，施加重复荷载直至试件破坏，破坏时对应的重复加载次数即为劈裂疲劳寿命。劈裂疲劳试验仅加载方式与劈裂强度试验不同，因而劈裂强度试验存在的问题，劈裂疲劳试验仍然存在。
按照常规方法进行劈裂试验，发现圆柱体试件对应弧形压条边缘的位置会因为应力集中效应而首先起裂，如图5所示。但是劈裂试验对应的力学模型是试件端面圆心处应力最大从而首先起裂，这种试验现象与力学模型的不一致问题会极大地影响劈裂试验结果的精度。常规劈裂疲劳试验方法还需要预先设定试验终止条件，比如竖向最大位移，在试验结束后通过分析MTS试验设备记录的重复加载次数和竖向变形数据，找到竖向变形数据的突变点，利用其对应的重复加载次数来作为疲劳寿命，这种人工确定疲劳寿命的方法也会产生比较大的误差，而且该疲劳寿命往往同时包含起裂阶段和裂缝扩散阶段的寿命。因此，需要一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法，用于解决背景技术中指出的发现圆柱体试件的圆心并不是首先起裂之处，而是弧形压条边缘的圆柱体试件会因为应力集中效应导致起裂，然后裂缝向圆心扩展直至试件完全破裂，实验人员再通过分析MTS记录的荷载和变形数据，找到数据突变点，来判断疲劳寿命，这种试验方法会产生比较大的误差问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
步骤一、利用SGC制作圆柱体试件；将待测的沥青混合料试件切割成直径d＝100mm,厚度h＝35mm的圆柱体试件。
步骤二、将圆柱体试件水平固定在切割机上，在厚度方向进行切割，以获得光滑的加载面，再将圆柱体试件竖直固定，在圆周方向切割得到两个平行的加载平面，得到异型试件。
步骤三、将准备好的应变片和异型试件放入环境箱中保温。
步骤四、从环境箱中取出异型试件，在异型试件厚度方向的两端面的圆心处贴应变片。
步骤五、将劈裂夹具和压头安装到MTS试验机上，将异型试件放于劈裂夹具上，并置于环境箱中；下降MTS压头对异型试件进行预压，使异型试件与MTS压头之间存在一定的压力。
步骤六、将压力清零，并将异型试件表面的应变片与应变采集仪通过屏蔽线连接，准备试验；应变采集仪用于记录应变片数据。
步骤七、在MTS试验机的试验参数设定窗口中输入试件编号、试验所需的加载波形、加载频率、加载幅值、试验终止判定标准及输出文件内容等各项参数。
步骤八、按照前面设定的试验参数进行重复加载；观察应变采集仪采集到的数据，当应变片失效时，停止疲劳试验，保存MTS的数据文件。
步骤九、当采用动态应变采集仪时，分析应变采集仪所记录数据，失效时刻对应的重复加载次数即为疲劳起裂寿命；当采用静态应变采集仪时，利用应变片失效时刻数据，在MTS记录的数据中找到与应变片失效时刻对应的重复加载次数，作为疲劳起裂寿命。
与现有技术相比，本发明的技术效果为：本发明的试验方法可以实现试件圆心处首先开裂，使试件破坏现象与劈裂试验的力学模型一致；解决了常规劈裂疲劳试验方法根据MTS采集的变形数据人工判断疲劳破坏点而导致疲劳寿命同时包含起裂阶段和扩展阶段重复作用次数的问题，本发明可以准确得到疲劳起裂寿命，而且该起裂寿命远小于常规方法所得疲劳寿命，试验结果精度更高。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤二中的异型试件包括加载平面，加载平面的宽度为34mm。
上述改进的技术效果为：加载平面实现圆柱体试件的形状改变，切割后得到的异型试件能避免常规劈裂疲劳试验方法中弧形压条导致的应力集中起裂。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤三中异型试件的保温时间不少于5h；保持应变片与异型试件的温度同步。
上述改进的技术效果为：将应变片和异型试件同时放入保温箱小时以上，保证达到试验所需的温度，而且可以消除疲劳试验过程中应变片与试件的温差而导致的误差。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤四中的应变片的方向水平，应变片位于异型试件端面的圆心处。
上述改进的技术效果为：异型试件开裂方向垂直于应变片，能实时检测到异型试件圆心处的开裂时刻。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤五中异劈裂夹具和压头与异型试件的接触面为水平面。
上述改进的技术效果为：可以消除常规劈裂疲劳试验方法中加载部位的应力集中而导致的非圆心处首先开裂的问题。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤七中的加载幅值要根据设定的应力水平进行确定，应力水平可以在0.1～0.7之间进行取值，加载幅值＝应力水平*异形试件静载强度试验得到的破坏荷载。
上述改进的技术效果为：疲劳试验之前确定的劈裂静载强度为试件圆心处首先开裂状态下的强度，与本发明疲劳试验方法的开裂状态一致，能更好地得出准确的疲劳起裂寿命。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤八中应变片失效时即可停止试验。
上述改进的技术效果为：此时即为裂缝刚刚产生还没有来得及扩展，物理意义明确，试验结果不包含裂缝扩展寿命，能得到精准的起裂寿命。
作为上述技术方案的进一步改进，应变片失效时刻的重复加载次数为沥青混合料试件的劈裂疲劳起裂寿命。
上述改进的技术效果为：通过疲劳试验数据分析得到的疲劳起裂寿命远小于常规方法所得疲劳寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中圆心裂缝的结构示意图。
图3为图2中A处的放大示意图。
图4为图1中异型试件沿厚度方向和沿圆周方向的切割示意图。
图5为实验改进前边缘裂缝破坏的结构示意图。
图6为常规劈裂疲劳试验方法由MTS自动采集所得数据。
图中：1、MTS压头；2、劈裂夹具；3、异型试件；301、加载平面；302、圆心裂缝；4、应变片；5、弧形压条；6、圆柱体试件；601、边缘裂缝。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
实施案例1：
如图1-图6所示，一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法，步骤一、利用SGC制作圆柱体试件6；将待测的沥青混合料试件切割成直径d＝100mm,厚度h＝35mm的圆柱体试件6。
步骤二、将圆柱体试件6水平固定在切割机上，在厚度方向进行切割，以获得光滑的加载面，再将圆柱体试件6竖直固定，在圆周方向切割得到两个平行的加载平面301，得到试件3。
步骤三、将准备好的应变片4和异型试件3放入环境箱中保温。
步骤四、从环境箱中取出异型试件3，在异型试件3厚度方向的两端面的圆心处贴应变片4。
步骤五、将劈裂夹具2和压头1安装到MTS试验机上，将异型试件3放于劈裂夹具2上，并置于环境箱中；下降MTS压头1对异型试件3进行预压，使异型试件3与MTS压头1之间存在一定的压力。
步骤六、将压力清零，并将异型试件3表面的应变片4与应变采集仪通过屏蔽线连接，准备试验；应变采集仪用于记录应变片4数据。
步骤七、在MTS试验机的试验参数设定窗口中输入试件编号、试验所需的加载波形、加载频率、加载幅值、试验终止判定标准及输出文件内容等各项参数。
步骤八、按照前面设定的试验参数进行重复加载；观察应变采集仪采集到的数据，当应变片4失效时，停止疲劳试验，保存MTS的数据文件。
步骤九、当采用动态应变采集仪时，分析应变采集仪所记录数据，失效时刻对应的重复加载次数即为疲劳起裂寿命；当采用静态应变采集仪时，利用应变片4失效时刻数据，在MTS记录的数据中找到与应变片4失效时刻对应的重复加载次数，作为疲劳起裂寿命。
作为上述实施例的进一步优化，作为上述实施例的优选方式，步骤二中的异型试件3包括加载平面301，加载平面301的宽度为34mm。
作为上述实施例的优选方式，步骤三中异型试件3的保温时间不少于5h，保持应变片4与异型试件3的温度同步。
作为上述实施例的优选方式，步骤四中的应变片4的方向水平，应变片4位于异型试件3端面的圆心处。
作为上述实施例的优选方式，步骤五中劈裂夹具2和压头1与异型试件3的接触面为水平面。
作为上述实施例的优选方式，步骤六中应变采集仪用于记录应变片4数据。
作为上述实施例的优选方式，步骤七中的加载幅值要根据设定的应力水平进行确定，应力水平可以在0.1～0.7之间进行取值，加载幅值＝应力水平*异形试件静载强度试验得到的破坏荷载。
作为上述实施例的优选方式，步骤八中应变片4失效时即可停止试验。
作为上述实施例的优选方式，应变片4失效时刻的重复加载次数为沥青混合料试件的劈裂疲劳起裂寿命。
常规劈裂疲劳试验方法中为圆柱体试件6不需要切割；圆柱体试件6的两侧不需要贴应变片4；常规劈裂疲劳试验方法只依赖MTS采集的数据；常规方法采用的是圆柱体试件6静载劈裂强度试验时的破坏荷载；常规方法采用的是MTS采集的竖向变形达到预先设定的变形数值时才终止试验。
本发明具体工作原理：先将待测的沥青混合料试件切割成直径d＝100mm,厚度h＝35mm的圆柱体试件6，沿厚度方向进行切割，再将圆柱体试件6竖直固定，如图3和图4，在圆周方向切割得到两个平行的加载平面301，再采用砂纸对侧面进行打磨，用酒精布擦拭干净，在两侧加载面圆心处水平贴上应变片4，把异型试件3放入劈裂夹具2夹紧再置于MTS试验机中，MTS试验机施加预应力，将应变片4与应变采集仪连接，圆心处首先开裂，导致该处的应变片4断裂失效。根据应变片4的失效时刻，准确地获得异型试件3的劈裂起裂疲劳寿命；如图5所示为按照我国规范的方法进行劈裂试验，弧形压条5的边缘因为应力集中首先起裂，然后边缘裂缝601向圆心扩展直至试件完全破裂，通过分析MTS记录的荷载和变形数据，找到数据突变点，来判断疲劳寿命；改进后，圆心处首先开裂，导致该处的应变片4断裂失效，根据应变片4的失效时刻，我们可以准确地获得异型试件3的劈裂起裂疲劳寿命。本发明的试验方法可以实现试件圆心处首先开裂，使试件破坏现象与劈裂试验的力学模型一致,而常规劈裂疲劳试验方法首先开裂位置在弧形压条5的边缘，然后裂缝向圆心处扩展直至贯穿整个圆柱体试件6，所得劈裂疲劳寿命包含起裂和裂缝扩展两个阶段的寿命。本发明是试验方法解决了常规劈裂疲劳试验方法根据MTS采集的变形数据人工判断疲劳破坏点而导致疲劳寿命同时包含起裂阶段和扩展阶段重复作用次数的问题，本发明可以准确得到疲劳起裂寿命，而且该起裂寿命远小于常规方法所得疲劳寿命，试验结果精度更高。
本发明明确了试验得到的是起裂寿命，因为经过切割加工后的试件形状可以确保圆心处首先开裂，如图2和图3所示，表现为该处的应变片4断裂失效，此时的重复加载次数即为疲劳起裂寿命，对应裂缝刚刚产生还没有来得及扩展，物理意义明确，试验结果不包含裂缝扩展寿命，为精准的起裂寿命。
实施案例2:
常规劈裂疲劳试验方法因为弧形压条5边缘始终存在应力集中，首先开裂点也出现在该位置，而应力集中的计算分析难度很大，疲劳过程中的损伤演化分析更加难上加难，导致常规方法得到的疲劳寿命的力学含义解释不清。本发明的方法可以确保疲劳过程中异型试件3圆心处的应力始终是试件所有点中最大的，而且该处不存在应力集中，可以采用经典疲劳损伤理论分析其损伤演化，所得疲劳寿命的概念清晰明确。
本发明的方法所得劈裂疲劳起裂寿命试验结果与常规劈裂疲劳试验结果如表1：
表1
| 应力水平 | 本发明所得起裂寿命 | 常规方法所得疲劳寿命 |
| 0.3 | 7103 | 39576 |
| 0.4 | 4008 | 9832 |
| 0.5 | 1395 | 3374 |
| 0.6 | 328 | 1092 |
本发明试验方法在异型试件3圆心处黏贴了应变片4，根据应变片4失效时刻可以确定疲劳起裂寿命；而常规的劈裂疲劳试验方法需要人工判断疲劳寿命，往往同时包含起裂寿命和裂缝扩展阶段的寿命。因此，表1中显示出本发明所得起裂寿命远小于常规方法所得疲劳寿命。
图6是常规劈裂疲劳试验方法由MTS自动采集所得数据。常规劈裂疲劳试验的试验中止条件通常是根据经验设定一个比较大的竖向变形值，再根据MTS设备采集的竖向变形-重复加载次数曲线。如图6所示，分析曲线的突变点，来确定疲劳寿命，但是这个寿命通常包括两阶段的重复加载次数，即起裂阶段和裂缝扩展阶段；其原因在于：一是无法准确界定起裂对应曲线上什么样的位置；二是在判断曲线突变点时往往偏向于靠后取值，导致既包含起裂寿命也包含裂缝扩展寿命，需要人工判断图中曲线的突变点，不仅费时，而且存在人为误差。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法，其特征在于，其具体步骤如下：
步骤一、利用SGC制作圆柱体试件(6)；将待测的沥青混合料试件切割成直径d＝100mm,厚度h＝35mm的圆柱体试件(6)。
步骤二、将圆柱体试件(6)水平固定在切割机上，在厚度方向进行切割，以获得光滑的加载面，再将圆柱体试件(6)竖直固定，在圆周方向切割得到两个平行的加载平面(301)，得到异型试件(3)。
步骤三、将准备好的应变片(4)和异型试件(3)放入环境箱中保温。
步骤四、从环境箱中取出异型试件(3)，在异型试件(3)厚度方向的两端面的圆心处贴应变片(4)。
步骤五、将劈裂夹具(2)和压头(1)安装到MTS试验机上，将异型试件(3)放于劈裂夹具(2)上，并置于环境箱中；下降MTS压头(1)对异型试件(3)进行预压，使异型试件(3)与MTS压头(1)之间存在一定的压力。
步骤六、将压力清零，并将异型试件(3)表面的应变片(4)与应变采集仪通过屏蔽线连接，准备试验。
步骤七、在MTS试验机的试验参数设定窗口中输入试件编号、试验所需的加载波形、加载频率、加载幅值、试验终止判定标准及输出文件内容等各项参数。
步骤八、按照前面设定的试验参数进行重复加载；观察应变采集仪采集到的数据，当应变片(4)失效时，停止疲劳试验，保存MTS的数据文件。
步骤九、当采用动态应变采集仪时，分析应变采集仪所记录数据，失效时刻对应的重复加载次数即为疲劳起裂寿命；当采用静态应变采集仪时，利用应变片(4)失效时刻数据，在MTS记录的数据中找到与应变片(4)失效时刻对应的重复加载次数，作为疲劳起裂寿命。
2.根据权利要求1所述的一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法，其特征在于，步骤二中的异型试件(3)包括加载平面(301)，加载平面(301)的宽度为34mm。
3.根据权利要求1所述的一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法，其特征在于，步骤三中异型试件(3)的保温时间不少于5h,保持应变片(4)与异型试件(3)的温度同步。
4.根据权利要求1所述的一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法，其特征在于，步骤四中的应变片(4)的方向水平，应变片(4)位于异型试件(3)端面的圆心处。
5.根据权利要求1所述的一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法，其特征在于，步骤五中劈裂夹具(2)和压头(1)与异型试件(3)的接触面为水平面。
6.根据权利要求1所述的一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法，其特征在于，步骤六中应变采集仪用于记录应变片(4)数据。
7.根据权利要求1所述的一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法，其特征在于，步骤七中的加载幅值要根据设定的应力水平进行确定，应力水平可以在0.1～0.7之间进行取值，加载幅值＝应力水平*异型试件(3)静载强度试验得到的破坏荷载。
8.据权利要求1所述的一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法，其特征在于，步骤八中应变片(4)失效时即可停止试验。
9.据权利要求1所述的一种确保圆心处首先开裂的沥青混合料劈裂疲劳试验方法，其特征在于，步骤九中应变片(4)失效时刻的重复加载次数为沥青混合料试件的劈裂疲劳起裂寿命。
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