一种评价沥青混合料压缩疲劳性能的方法与流程

本发明属于道路工程技术领域，尤其涉及一种评价沥青混合料压缩疲劳性能的方法。

背景技术：

截止2017年底，公路通车总里程477万公里，其中高速公路13.6万公里，因其沥青路面独特的优势相比其他路面类型，例如具有优越的工程性能、行车的舒适性和开放交通时间早等，所以我国乃至全世界公路90％以上采用的路面类型为沥青路面。但我们也应清楚地认识到，按现行设计方法修筑的沥青路面其预期结构行为响应特性、性能演变规律等与实际情况存在较大的出入，导致铺筑的高等级公路路面结构存在种种问题，甚至某些路段通车几年就发生了疲劳开裂现象。疲劳开裂是沥青路面结构的最常见的破坏形式之一，为了保证沥青路面具有良好的耐久性，世界各国沥青路面设计方法均以路面材料的抗疲劳特性作为确定设计寿命的依据，因此道路工作者们对提高沥青路面的抗疲劳特性作了大量的研究。

有人对含预制缺口的直接拉伸试件进行疲劳试验，并采用疲劳力学与断裂力学方法进行试验结果的回归分析，讨论了裂纹扩展速率的模型及其参数的有效性，得到了基于疲劳损伤有限元和paris公式的沥青混合料两种直接拉伸疲劳试验结果基本一致；有人采用三种不同进口沥青制作七种不同粒径沥青混合料进行间接拉伸及弯拉疲劳试验研究，现场修正了间歇时间、荷载分布及不利季节天数对室内疲劳模型的影响，为沥青路面结构的设计提供了参考；还有人对比分析了应力控制和应变控制两种模式下的疲劳试验结果，得到应力、应变两种控制模式下的疲劳特性均可以统一。

虽然现有的研究对沥青路面结构设计的发展做出了较大的贡献，但是这些研究均没有考虑加载速率对沥青混合料疲劳性能的影响，沥青混合料是一种粘弹性材料，加载速率对其强度的影响很大，从而影响其疲劳性能。因此，考虑加载速率的疲劳模型将大大提高预测其疲劳寿命的准确性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种评价沥青混合料压缩疲劳性能的方法。通过对不同加载速率下沥青混合料单轴压缩疲劳结果进行分析，不仅达到了对不同加载速率下沥青混合料疲劳特性评价的目的，而且使沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到了统一，弥补了采用传统的疲劳性能评价方法无法准确评价沥青混合料疲劳性能的不足，从而提高沥青路面疲劳性能评价的科学性和可靠性，同时为耐久性沥青路面的设计提供理论依据。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种评价沥青混合料压缩疲劳性能的方法，所述评价方法具体包括如下步骤：

(1)对沥青混合料进行不同加载速率下的单轴压缩强度试验；

(2)对沥青混合料进行不同加载速率下的单轴压缩疲劳试验。

需要说明的是，因《公路沥青路面设计规范》(jtgd50-2017)中以沥青混合料的动态压缩模量作为沥青路面结构设计参数，为使沥青路面结构设计时力学响应参数试验方法的一致性，故本发明采用的疲劳性能试验方法为单轴压缩疲劳试验。强度、疲劳试验方法，具体包括如下步骤：

步骤一：采用经逐层筛分的矿料，并将称量好的矿料放在烘箱中预热4个小时以使矿料充分烘干，每次在搅拌锅添加矿料或沥青均搅拌90秒以使集料搅拌均匀得到沥青混合料；并按照jtge20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的试验要求，将所述沥青混合料压缩成圆柱体沥青混合料试件，待试件成型后静置于平整桌面若干天，备用。

步骤二：强度、疲劳试验均采用多功能材料试验系统(mts-landmark)，将步骤一准备好的圆柱体试件放在温度为15℃的恒温箱中保温4-5h，然后放在多功能材料试验系统(mts-landmark)的单轴压缩疲劳试验支座上，并调整使单轴压缩疲劳试验的压头与试件初步接触开始试验，且试验过程均在恒温箱中完成；

步骤三：通过内置mpt编制运行程序并设置施加荷载和采集参数，每个加载周期的力由数据采集系统自动测得、位移变形由位移传感器测得，将圆柱体试件在不同的加载速率下进行单轴压缩强度试验，且每个加载速率均进行了五次有效的平行试验，取平均值即得不同加载速率下的单轴压缩强度值；

步骤四：根据步骤三得到不同加载速率的强度值，进行了单轴压缩疲劳试验，并将疲劳试验中某一加载速率的应力水平与强度试验中相同加载速率对应的强度值之比定义为速度相关应力比；

步骤五：基于步骤四得到的速度相关应力比，建立不同加载速率条件下沥青混合料的单轴压缩疲劳性能预测模型，并发现利用本发明的速度相关应力比思想使沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到统一。

需要说明的是，沥青混合料的疲劳寿命受荷载控制模式的影响较大，根据荷载条件是否变化，将荷载分为简单荷载和复合荷载。简单荷载的特点为试验过程中荷载条件保持不变，而复合荷载与之相反。根据试验需求，本试验采用易行的简单荷载加载模式，其从试验性质上分为应力控制和应变控制，它们有着自己的特点。

应力控制即每次加载时荷载的限值和应力保持不变，沥青混合料的强度随荷载作用次数的增加而减小，在这种情况下虽然应力幅值稳定不变，但产生的应变会持续增大，最终小梁试件彻底破坏试验终止，整个过程所经过的循环荷载次数为疲劳寿命。

应变控制即每次加载时控制应变不变，沥青混合料的强度同样随着荷载作用次数的增加而减小，为了保持每次应变不变，所施加的荷载不断减小，应力变小，应变控制疲劳试验的终止条件为施加荷载对应的应力幅值降低到初始应力幅值的一半，此时试件所经过的循环荷载次数即为疲劳寿命。

从理论上对两种控制模式进行分析：第一，相同条件下应力控制的疲劳试验在结束时所需时间较短，再现性较好。美国沥青混合料设计方法显示，在相同的条件下疲劳寿命的对比上，应变控制模式是应力控制模式的2.4倍。第二，由于沥青混合料中存在微裂隙，采用控制应力模式时，可使真正施加的荷载稍有增大，同时因为沥青混合料自身的不均匀性，不可避免的在试件内部存在不同程度的薄弱面，小梁试件的破坏较为迅速，对于试验结束的判断依据更加明了，而采用应变控制时疲劳破坏的标准较不明确，采用劲度降低到初始劲度的一半时作为试验终止的条件，随意性的缺点较为突出。第三，应力控制操作性强，离散程度相对较小，且破坏标准明确，所以试验量较小。

综合考虑，简单加载模式下的应力控制模式与我国沥青路面结构设计较为吻合，适用于沥青混合料疲劳耐久性研究。因此，本试验采用应力控制模式进行沥青混合料的疲劳性能研究。

优选的，所述实验室试件制备选用sgc旋转压实仪，且所述sgc旋转压实仪的工作参数：垂直加载压力为600kpa±18kpa，压实转速为30r/min±0.5r/min，有效内旋转角为1.16±0.02°。

本发明公开的sgc旋转压实仪具有自动测定试件高度、旋转次数及对应高度的记录和显示功能。

优选的，所述圆柱体试件的尺寸：高度为100±2mm，直径为100±2mm，且所述圆柱体试件可直接用于单轴压缩强度和疲劳试验。

优选的，所述步骤三中，每个加载周期的力由数据采集系统自动测得，位移变形由位移传感器测得。

优选的，所述步骤三单轴压缩强度试验中，由于室内试验设备多功能材料试验系统(mts-landmark)最大量程为100kn，通过试验发现加载速率大于3mpa/s时单轴压缩破坏荷载值超过100kn，为了试验的安全性和可操作性，本发明采用后延预测的方式得到其他加载速率下的强度值，故其单轴压缩强度试验中选择的加载速率为0.02mpa/s，0.05mpa/s，0.1mpa/s，0.5mpa/s，1mpa/s，2mpa/s。

优选的，所述步骤三单轴压缩强度试验中，由拟合结果可知，沥青混合料单轴压缩强度随加载速率呈幂函数规律变化。通过得到的拟合方程后延预测5mpa/s、10mpa/s、20mpa/s、30mpa/s、40mpa/s、50mpa/s、60mpa/s、70mpa/s这8个加载速率下强度值分别为14.01mpa、16.33mpa、19.035mpa、20.82mpa、22.187mpa、23.309mpa、24.267mpa、25.109mpa。

优选的，所述步骤四的单轴压缩疲劳试验中，采用控制模式为应力控制模式，加载波形为半正弦波；且试验频率为10hz，试验温度为15℃。

而加载频率与加载速率的换算公式为：

v是疲劳试验的加载速率，σ是疲劳试验的应力水平，t是疲劳试验的周期，f为疲劳试验的加载频率。

优选的，所述疲劳试验中加载频率所对应的加载速率为40mpa/s，50mpa/s，60mpa/s，70mpa/s。

优选的，所述强度试验中，将沥青混合料不同加载速率下强度试验的试验结果拟合，拟合曲线见附图1，所述不同加载速率下强度结果的拟合方程分别为：

sv＝9.816v^0.221，r²＝0.992

sv为沥青混合料与加载速率相对应的强度，v是疲劳试验的加载速率，r²是方程的相关系数。

由拟合结果可知，沥青混合料单轴压缩强度随加载速率呈幂函数规律变化，强度随加载速率的增大而增大，而且随着加载速率的增大强度增长的速率趋缓。

需要说明的是，一般来说疲劳试验中，首先要做强度试验，现行的强度试验中加载速率是固定的，而实际操作中加载速率对强度是有影响的，故规范是不科学的。

通过不同加载速率的强度试验，得到了强度随加载速率变化的一个规律，也就是说通过这个方程能够得到任意一个加载速率的强度。虽然疲劳试验中的加载速率和强度试验中的加载速率有对应的，但是如果通过试验结果拟合得到强度随加载速率变化的方程，那么就算强度与疲劳试验的加载速率不对应，也可以基于速度相关应力比建立不同加载速率条件下沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型。

另外，由于沥青混合料是一种粘弹性的材料，强度受加载速率的影响是很显著的，但是现行的《公路工程沥青及混合料试验规程》(jtge20-2011)中疲劳试验的强度试验方法中的加载速率是固定不变的，故本发明中考虑加载速率影响的强度值更能反应沥青混合料的材料抗性，从而为沥青混合料单轴压缩疲劳性能的精确预测提供理论基础。

进一步地，将单轴压缩疲劳试验的某一加载速率的应力水平与单轴压缩强度试验中相同加载速率对应的强度值的比值作为本次试验的应力比，所述应力比称为速度相关应力比。

通过上述技术方案，本发明的技术效果：本发明提供了一种评价沥青混合料单轴压缩疲劳性能的方法，通过利用多功能材料试验系统(mts-landmark)对试件进行不同加载速率条件下的单轴压缩强度和疲劳试验，得到了强度随加载速率的变化规律，且基于速度相关应力比建立了不同加载速率条件下沥青混合料的单轴压缩疲劳性能预测模型，并发现利用速度相关应力比思想使得沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到了统一，不仅弥补了采用传统的疲劳性能评价方法无法准确评价沥青混合料疲劳性能的不足，还提高沥青路面疲劳性能评价的科学性和可靠性，为耐久性沥青路面的设计提供理论依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为沥青混合料单轴压缩强度随加载速率的变化规律。

图2为基于速度相关应力比思想的沥青混合料单轴压缩疲劳性能拟合曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种评价沥青混合料压缩疲劳性能的方法，通过对不同加载下沥青混合料单轴压缩疲劳试验结果进行分析，不仅达到了对不同加载速率下沥青混合料疲劳性能评价的目的，而且发现利用本发明的速度相关应力比思想使得沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到了统一，同时为耐久性沥青路面的设计提供理论依据。

实施例

单轴压缩疲劳试验方法

采用矿料经过逐层筛分，将称量好的矿料放在烘箱中预热4个小时以使矿料充分烘干，每次在搅拌锅添加矿料或沥青后搅拌90秒使集料搅拌均匀。

将经逐层筛分的矿料烘干，加入沥青搅拌均匀得到沥青混合料，并按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)的试验要求，采用sgc旋转压实仪将沥青混合料压缩成高度为100±2mm，直径为100±2mm的圆柱体试件，其中sgc旋转压实仪的工作参数：垂直加载压力为600kpa±18kpa，压实转速为30r/min±0.5r/min，有效内旋转角为1.16±0.02°，试件成型后静置于平整桌面若干天，备用。

试验采用多功能材料试验系统(mts-landmark)，将圆柱体试件在恒温箱在15℃的条件下恒温4-5个小时，通过内置mpt编制运行程序设置施加荷载和采集参数，每个加载周期的力由数据采集系统自动测得、位移变形由位移传感器测得，后开始试验且试验过程均在恒温箱中完成，试验数据通过matlab编程软件处理可计算出每个周期的应力、应变和强度值。

强度试验中，将沥青混合料不同加载速率下强度试验的试验结果拟合，拟合曲线见附图1，所述不同加载速率下强度结果的拟合方程分别为：

sv＝9.816v^0.221，r²＝0.992

sv为沥青混合料与加载速率相对应的强度，v是疲劳试验的加载速率，r²是方程的相关系数。

按照《公路工程沥青及混合料试验规程》(jtge20-2011)的试验要求进行单轴压缩疲劳试验，剔除严重偏离疲劳曲线的试验点后，不同加载速率下沥青混合料单轴压缩疲劳试验结果如表1所示。

表1基于速度相关应力比的沥青混合料单轴压缩疲劳试验结果

将表1中的疲劳寿命试验结果基于速度相关应力比在双对数坐标中进行回归，拟合曲线如附图2所示，从附图2可以看出，基于速度相关应力比的单轴压缩疲劳性能方程nf＝(tv)^-5.51在双对数坐标系中表现出很好的线性关系，且相关系数较高；并且该基于速度相关应力比的单轴压缩疲劳曲线通过疲劳破坏点(1,1)。因此，基于速度相关应力比的疲劳曲线揭示了强度失效与疲劳失效之间的内在关系。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。