一種評價瀝青膠砂疲勞性能的方法與流程
2023-06-14 13:48:21 2
本發明屬於道路工程
技術領域：
，具體涉及到一種評價瀝青膠砂疲勞性能的方法。
背景技術：
：疲勞破壞是瀝青路面最主要的破壞形式之一，早在1942年O.J.Porter就指出了瀝青路面在行車荷載作用下會產生疲勞破壞的現象。為了保證瀝青路面具有良好的使用性與耐久性，世界各國瀝青路面設計方法均以路面疲勞特性作為基本的設計原則，因此研究瀝青混合料的疲勞特性意義重大。國內外研究者採用不同途徑研究瀝青混合料的疲勞性能，這些方法可歸為三類：現象學方法、斷裂力學方法及能耗理論。現象學方法認為瀝青混合料的疲勞是在荷載重複作用下產生強度衰減累積引起的破壞現象。荷載作用下，路面承受的應力或應變越大，強度損傷越劇烈，則能夠承受的荷載重複作用次數越少，反之亦然。隨著損傷力學、粘彈性力學、彈塑性力學等力學分支的發展，應用斷裂力學的方法研究瀝青混合料得到不斷發展，研究人員提出了多種斷裂力學分析方法，但最後都與Paris的裂縫增長理論分不開。1975年，VanDijk等將能耗理論應用於分析瀝青混合料的疲勞問題，並得出累積耗散能與疲勞壽命間的關係與混合料有關，但與試驗方法(四點彎曲)，溫度(10～40℃)、加載模式(控制應力或控制應變)以及頻率(10～50Hz)無關。這樣通過能量模型，就可以將複雜的加載情況，通過簡單的室內試驗來分析。張肖寧、張婧娜、黃衛、鄧學鈞等人最早在國內應用能量模型分析瀝青混合料的疲勞問題。近幾年，鄭健龍等人在耗散能理論的基礎上基於累積耗散能建立瀝青混合料的疲勞模型。2000年，鄒桂蓮在能量模型與斷裂力學基礎上，提出了利用瀝青混合料在衝擊荷載下的衝擊韌性評價瀝青混合料抵抗疲勞能力的試驗方法。衝擊韌性代表材料在衝擊荷載作用下發生斷裂前積蓄的能量，是初始加載循環中積蓄的能量的函數。衝擊韌性值越大，材料疲勞性能越好。據研究表明，瀝青混合料的疲勞開裂主要集中在混合料的砂漿部分，該部分主要是瀝青膠結料和過1.1.8mm篩的集料。而瀝青膠砂中裂縫的引起和擴展主要依賴於材料的特性，包括蠕變柔性、裂縫擴展消耗能力及瀝青與集料之間的粘附功。現有技術中用於評價瀝青膠砂疲勞性能的試驗設備龐大、試驗投資高、非動態荷載不能夠代表路面實際受力狀態的缺陷，存在諸多不足。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種試驗投資小、試驗周期短、動態荷載下評價不同瀝青膠砂疲勞性能的方法，以克服現有技術試驗設備龐大、試驗投資高、非動態荷載不能夠代表路面實際受力狀態的缺陷。本發明的上述目的是通過下面的技術方案得以實現的：一種評價瀝青膠砂疲勞性能的方法，將瀝青膠結料和集料成型製成瀝青膠砂試件，通過瀝青膠砂試件在給定荷載循環次數N下的裂縫擴展指數ΔR(N)來評價瀝青膠砂的疲勞性能，裂縫擴展指數ΔR(N)通過如下公式計算：其中，N為任意給定的荷載循環次數，N＞1；其中，粘附功ΔGf、參考模量GR、鬆弛參數m、鬆弛模量E1、疲勞參數b為瀝青膠砂試件的性能參數，通過表面自由能試驗和動態力學分析方法試驗獲得，具體為：ΔGf為瀝青膠結料和集料的粘附功，通過表面自由能試驗獲得；GR為低應變周期荷載作用下未破壞的瀝青膠砂複數參考模量，通過動態力學分析方法試驗中低應變試驗獲得，且試件在循環過程中沒有發生損傷破壞；E1、m分別為低應變周期荷載作用下瀝青膠砂的鬆弛模量以及鬆弛參數，通過動態力學分析方法試驗中低振幅恆定應變鬆弛試驗獲得，二者與對應時間t滿足以下公式：E(t)＝E0+E1t-m其中，E0為常數；b為高應變周期荷載作用下瀝青膠砂的疲勞參數，通過如下公式計算得出：WR＝a+bln(N)其中，a為常數，N為給定荷載循環次數，N＞1；WR為耗散偽應變能，通過材料應力測量值-偽應變曲線的面積計算得出。優選地，評價瀝青膠砂疲勞性能的方法中，所述瀝青膠砂試件通過旋轉壓實儀成型，目標空隙率為8-12％；試件尺寸為45mm×10mm×10mm。優選地，評價瀝青膠砂疲勞性能的方法中，在獲取鬆弛參數m和鬆弛模量E1時，對膠砂試件施加0.0065％的應變進行300s的鬆弛試驗。優選地，評價瀝青膠砂疲勞性能的方法中，在獲取複數參考模量GR時，對膠砂試件施加0.0065％的應變，10Hz正弦波持續500個循環。優選地，評價瀝青膠砂疲勞性能的方法中，在獲取疲勞參數b時，在高應變下以10Hz正弦波循環加載到規定的加載循環次數或者直到膠砂試件破壞，獲得每個循環的應變，進而求得耗散偽應變能WR。更優選地，所述高應變為0.01％。上述方法在評價不同瀝青膠砂的疲勞性能中的應用。本發明對現有技術的貢獻：本發明提供的方法結合了表面自由能試驗和動態力學分析試驗方法，使用應力-偽應變曲線圍成的面積表徵疲勞試件發生破壞後耗散能且可以消除時間效應，用來評價瀝青膠砂的抗疲勞性能，預測瀝青膠砂及瀝青混合料的疲勞壽命。將瀝青與集料之間的粘附功與動態力學分析方法相結合，提出疲勞擴展指標，用來模擬和預測疲勞開裂的擴展，與其他疲勞試驗相比，本發明測試方法試驗投資小、試驗周期短、動態荷載下能夠代表路面的實際受力狀態。具體實施方式下面結合實施例具體介紹本發明的實質性內容，但並不以此限定本發明的保護範圍。實驗中未詳述的試驗操作均為本領域技術人員所熟知的常規試驗操作。為便於理解，下面結合實施例對本發明的具體實施過程作進一步說明：分別對按照設計級配，成型製備江蘇70#、林拉90#、塔河90#以及克拉瑪依90#四種瀝青(即瀝青膠結料)製備瀝青膠砂試件，按照本發明提供的方法比較不同瀝青膠砂的疲勞性能，同時利用傳統的四點彎曲試驗評價法來評價上述瀝青膠砂的疲勞性能以驗證本發明方法的可靠性。本發明評價方法的結束條件為1000次，或者膠砂試件破壞結束試驗，當達到任何一個條件時停止試驗。本實施中的材料均是執行到了加載循環次數1000次。其中實施例1～4以及對照例5中的瀝青膠砂所用的級配一樣，具體如下表1所示。其中所用的集料為石灰石巖礦料，各項指標均符合《公路工程集料試驗規程》規範要求。表1礦料的合成級配通過率本發明評價方法包括以下步驟：S1：按照旋轉壓實儀成型試件，目標空隙率控制在10％±0.5％，切成尺寸為45mm×10mm×10mm的試件；S2：低應變周期荷載作用下(粘彈性力學特性)確定瀝青膠砂的鬆弛模量E1以及鬆弛參數m；在獲取鬆弛參數m和鬆弛模量E1時，對膠砂試件施加0.0065％的應變進行300s的鬆弛試驗，通過動態力學分析方法試驗中低振幅恆定應變鬆弛試驗獲得，二者與對應時間t滿足以下公式：E(t)＝E0+E1t-m，其中，E0為常數。S3：確定低應變周期荷載作用下未破壞的瀝青膠砂複數參考模量GR；通過動態力學分析方法試驗中低應變試驗獲得，且試件在循環過程中沒有發生損傷破壞；具體地，對膠砂試件施加0.0065％的應變，10Hz正弦波持續500個循環；S4：建立高應變周期荷載作用下的疲勞損傷方程，利用最小二乘法確定疲勞參數b；疲勞損傷方程為WR＝a+bln(N)；其中，a為常數，N為給定荷載循環次數，N＞1；WR為耗散偽應變能，通過材料應力測量值-偽應變曲線的面積計算得出；在獲取疲勞參數b時，在0.01％應變下以10Hz正弦波循環加載到規定的加載循環次數或者直到膠砂試件破壞，獲得每個循環的應變，進而求得耗散偽應變能WR。S5：利用表面自由能試驗確定瀝青膠結料和集料的粘附功ΔGf；S6：建立疲勞荷載作用下的瀝青膠砂裂縫擴展指數方程，求出裂縫擴展指數ΔR(N)；其中，N為任意給定的荷載循環次數，N＞1。下述實施例中，集料和瀝青的粘附功由表面自由能試驗，採用視頻光學接觸角測量儀DSA100-Kruss來測得，動態力學分析方法試驗採用動態剪切流變儀DHR-2來測得。實施例1江蘇70#瀝青膠砂將符合要求的試件按照本發明的試驗方法按步驟進行。通過低應變周期荷載作用下確定江蘇70#瀝青膠砂的鬆弛模量E1以及鬆弛參數m。表2江蘇70#瀝青膠砂E1和m值瀝青膠砂類型E1m江蘇70#2.1E+080.4確定低應變周期荷載作用下未破壞的江蘇70#瀝青膠砂複數參考模量GR：通過計算江蘇70#瀝青膠砂參考模量GR為2.82E+09。建立高應變周期荷載作用下的疲勞損傷方程，確定疲勞參數b；通過計算江蘇70#瀝青膠砂的疲勞參數b為31.6967。利用表面自由能試驗確定瀝青膠結料和集料的粘附功ΔGf；江蘇70#瀝青膠結料和集料的粘附功ΔGf為53.35mJ/m2。建立疲勞荷載作用下的瀝青膠砂裂縫擴展指數方程，求出裂縫擴展指數ΔR(N)。經過計算江蘇70#瀝青膠砂的裂縫擴展指數ΔR(N)為6.2628。實施例2林拉90#瀝青膠砂將符合要求的試件按照本發明的試驗方法按步驟進行。通過低應變周期荷載作用下確定林拉90#瀝青膠砂的鬆弛模量E1以及鬆弛參數m。表3林拉90#瀝青膠砂E1和m值瀝青膠砂類型E1m林拉90#5.25E+080.23確定低應變周期荷載作用下未破壞的林拉90#瀝青膠砂複數參考模量GR。通過計算林拉90#瀝青膠砂參考模量GR為3.00E+09。建立高應變周期荷載作用下的疲勞損傷方程，確定疲勞參數b；通過計算林拉90#瀝青膠砂的疲勞參數b為100。利用表面自由能試驗確定瀝青膠結料和集料的粘附功ΔGf；林拉90#瀝青膠結料和集料的粘附功ΔGf為45.58mJ/m2。建立疲勞荷載作用下的瀝青膠砂裂縫擴展指數方程，求出裂縫擴展指數ΔR(N)，經過計算林拉90#瀝青膠砂的裂縫擴展指數ΔR(N)為6.8519。實施例3塔河90#瀝青膠砂將符合要求的試件按照本發明的試驗方法按步驟進行。通過低應變周期荷載作用下確定塔河90#瀝青膠砂的鬆弛模量E1以及鬆弛參數m。表4塔河90#瀝青膠砂E1和m值瀝青膠砂類型E1m塔河4.00E+080.28確定低應變周期荷載作用下未破壞的塔河90#瀝青膠砂複數參考模量GR：通過計算塔河90#瀝青膠砂參考模量GR為3.60E+09。建立高應變周期荷載作用下的疲勞損傷方程，確定塔河90#瀝青膠砂疲勞參數b；通過計算塔河90#瀝青膠砂的疲勞參數b為619.03。利用表面自由能試驗確定塔河瀝青膠砂瀝青膠結料和集料的粘附功ΔGf；塔河90#瀝青膠結料和集料的粘附功ΔGf為36.64mJ/m2。建立疲勞荷載作用下的瀝青膠砂裂縫擴展指數方程，求出塔河90#瀝青膠砂裂縫擴展指數ΔR(N)；經過計算塔河90#瀝青膠砂的裂縫擴展指數ΔR(N)為21.7056。實施例4克拉瑪依90#瀝青膠砂將符合要求的試件按照本發明的試驗方法按步驟進行。通過低應變周期荷載作用下確定克拉瑪依90#瀝青膠砂的鬆弛模量E1以及鬆弛參數m。表5瀝青膠砂E1和m值瀝青膠砂類型E1m克拉瑪依瀝青膠砂1.00E+090.39確定低應變周期荷載作用下未破壞的克拉瑪依瀝青膠砂複數參考模量GR：通過計算克拉瑪依90#瀝青膠砂參考模量GR為3.62E+09。建立高應變周期荷載作用下的疲勞損傷方程，確定克拉瑪依90#瀝青膠砂疲勞參數b；通過計算克拉瑪依90#瀝青膠砂的疲勞參數b為142.2067。利用表面自由能試驗確定克拉瑪依90#瀝青膠結料和集料的粘附功ΔGf；克拉瑪依90#瀝青膠結料和集料的粘附功ΔGf為45.03mJ/m2。建立疲勞荷載作用下的瀝青膠砂裂縫擴展指數方程，求出克拉瑪依90#瀝青膠砂裂縫擴展指數ΔR(N)；經過計算克拉瑪依90#瀝青膠砂的裂縫擴展指數ΔR(N)為7.2802。四種瀝青膠砂按照本發明試驗方法計算的疲勞擴展指數如下表6所示。表6裂縫擴展指數瀝青膠砂類型△R(N)江蘇70#6.2628林拉90#6.8519塔河90#21.7056克拉瑪依90#7.2802瀝青膠砂裂縫擴展指數△R(N)從大到小的排列次序為：塔河90#＞克拉瑪依90#＞林拉90#＞江蘇70#，即塔河砂漿試件經過1000次循環後，與初始開裂裂縫半徑相比，裂縫半徑變化最大，說明塔河90#膠砂抵抗疲勞破壞能力最差，克拉瑪依90#和林拉90#次之，江蘇70#抗疲勞性能最好。對照例5傳統四點彎曲試驗評價法按照四點疲勞試驗的條件，依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTGE20—2011，考慮到實驗周期，本實驗中以疲勞次數達到100萬次是的彎曲勁度模量的衰減率來評價其疲勞性能，衰減程度越小，其疲勞性能越好。對照組所用的試件的成型方式和尺寸和本實驗方法所用的尺寸不同，對照組所用的試件為輪碾成型的混合料板塊中切割，尺寸為長度為380mm±5mm厚度為50mm±5mm，寬度為63.5mm±5mm的小梁試件。實驗條件為溫度15℃±0.5℃，加載頻率為10Hz±0.5Hz，採用恆應變控制的連續偏正弦加載模式。試驗終止條件為疲勞次數達到100萬次循環。本對照組所測試的瀝青膠砂試件均達到100萬次的加載循環次數。對照組瀝青膠砂的空隙率與本發明所要求的空隙率一樣。具體的空隙率可通過碾壓次數來調節到目標空隙率。對照組四種瀝青膠砂疲勞試驗的試驗結果如下表7所示：表7瀝青膠砂的彎曲勁度模量的衰減率勁度模量衰減率(％)江蘇70#51％林拉90#54％塔河90#83％克拉瑪依90#67％通過實驗發現，瀝青膠砂的彎曲勁度模量的衰減率從大到小的排列次序為：塔河90#＞克拉瑪依90#＞林拉90#＞江蘇70#，與本發明的試驗方法得出的試驗結果一致，但本發明提供的評價方法試驗投資小、試驗周期短、動態荷載下能夠代表路面的實際受力狀態。所以，本發明的評價方法可作為評價瀝青膠砂疲勞性能的一種方法。以上實施例僅用於解釋本發明，對於本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下進行的任何顯而易見改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。當前第1頁1 2 3