一种沥青混合料的环形剪切疲劳测试方法与流程

本发明涉及一种沥青混合料性能的测试方法，尤其涉及一种沥青混合料的环形剪切疲劳测试方法。

背景技术：

公路沥青路面是我国当前较普遍的路面结构，路面在使用过程中，不仅受到车辆的反复作用，而且受到路面在环境温度交替变化时所产生的温度应力作用，长期处于应力应变反复变化的状态，材料的强度逐渐衰减。当荷载作用超过一定次数以后，路面出现疲劳破坏。路面产生这些病害的主要原因与沥青混合料剪切疲劳性能不足直接相关。由于沥青混合料的剪切疲劳性能没有统一的标准试验方法，导致在沥青混合料设计时没有考虑剪切疲劳性能这一性能指标。

目前大部分研究学者开发了不同沥青混合料剪切强度测试装置及方法，但对于剪切疲劳性能测试装置及方法的研究很少，如专利CN201010597761.1公开一种沥青混合料剪切疲劳性能测试方法，提出了固定同轴剪切试验装置中的外钢筒，对内钢柱施加控制应力的周期重复荷载以实现剪切疲劳的测试方法。但对试件尺寸要求较高，还要将试件钻芯成圆环状，制件过程中对试件破坏较大，导致实验结果不准确。

因此，设计一种操作简单，能够真实模拟试件剪切破坏的环境，且适用性较广，既可用于评价实验室成型的试件也可用于评价现场钻芯试件的剪切性能试验装置及方法，是当前急需解决的问题。

有鉴于上述现有的沥青混合料性能测试存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型一种沥青混合料的环形剪切疲劳测试方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于，克服现有的沥青混合料性能测试存在的缺陷，而提供一种新型一种沥青混合料的环形剪切疲劳测试方法，提高检测效果准确性，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的沥青混合料的环形剪切疲劳测试方法，包括如下操作步骤，

步骤一，用待测沥青混合料制备圆柱形试件；

步骤二，设定温度，将多个试件置于UTM材料试验机中保温，开启UTM材料试验机施加竖向荷载，记录每个试件的剪切破坏荷载F_s；

步骤三，以r×F_s作为疲劳峰值荷载，设定温度、荷载波形、加载频率、间歇时间试验参数，固定空心钢筒，对压头进行应力控制模式下的剪切疲劳试验，以试件破坏作为试验终止条件，获得r×F_s荷载下沥青混合料的剪切疲劳曲线，由此得到剪切疲劳寿命。

更进一步的，前述的沥青混合料的环形剪切疲劳测试方法，所述步骤二中的保温时间为2~8h。

更进一步的，前述的沥青混合料的环形剪切疲劳测试方法，所述步骤二中获得沥青混合料受到的剪切强度τ（MPa），根据公式（1）进行计算：

τ=n×F 公式（1）

F=峰值荷载，单位kN，当试件厚度为40mm时，压头为20mm，n=0.21；当试件厚度为20mm时，用35mm压头，n=0.40。。

更进一步的，前述的沥青混合料的环形剪切疲劳测试方法，所述步骤二中竖向荷载的施加速率为1~5mm/min。

更进一步的，前述的沥青混合料的环形剪切疲劳测试方法，所述步骤三中通过变化r×F作为疲劳峰值荷载，用于测定不同应力水平下的剪切疲劳寿命，并按照公式（2）拟合得到疲劳参数K₁和K₂，

N_f=K₁（1/τ）^K2 公式（2）

式中，N_f为沥青混合料的剪切疲劳寿命，τ为剪应力水平，K₁疲劳试验参数，K₂为对数坐标下疲劳曲线的斜率。

更进一步的，前述的沥青混合料的环形剪切疲劳测试方法，所述r为疲劳应力比，是0~1之间的任意数值。

更进一步的，前述的沥青混合料的环形剪切疲劳测试方法，所述剪切疲劳寿命是试件破坏时所对应的荷载作用次数。

借由上述技术方案，本发明的沥青混合料的环形剪切疲劳测试方法至少具有下列优点：

本发明的沥青混合料的环形剪切疲劳测试方法用于测定不同温度条件下的沥青混合料剪切疲劳性能，装置本身构造简单，适用的试件高度为20～40mm，既用于常规粒径沥青混合料（最大公称粒径13.2或19mm，如AC-13、SMA-13、AC-20等）室内成型或现场取芯试件，也可用于超薄铺装沥青混合料（最大公称粒径9.5mm，如AC-10、NovaChip-10、ECA-10等）室内成型或现场取芯试件，将试件连同装置置于沥青混合料性能测试系统中，设定至所需温度保温2~8h，通过圆柱形压头施加竖向荷载，得出混合料的剪切破坏时荷载力值，再通过UTM材料试验机，对不锈钢压头施加控制应力的一定频率重复荷载以实现剪切疲劳性能。测试过程中对试件的形状要求不高，避免了繁琐的制样步骤，并且能够保证获得准确可靠的测试数据，填补了目前这一实验数据检测的空白。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,对依据本发明提出的沥青混合料的环形剪切疲劳测试方法其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。

实施例1

图1为沥青混合料的环形剪切疲劳试验装置结构示意图；

图2为沥青混合料的环形剪切劈裂试验装置局部放大示意图；

图中标记含意：1：试件，2：空心钢筒，3：压头，4：底座，5：升降杆，6：压力杆，7：位移传感器，8：电脑，9.粘结剂。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,对依据本发明提出的沥青混合料的环形剪切疲劳试验测试方法其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。

如图1和图2所示本发明测试方法使用的测试仪器包括有空心钢筒2、压头3、底座4、升降杆5、压力杆6、位移传感器7、电脑8等部件。

在试件1的上表面固定有压头3，固定有压头3的试件1放置在空心钢筒2内，压头3为实心、圆柱形试件，空心钢筒2放置在底座4上，底座4由升降杆5支撑；在压头3的上方还设置有压力杆6，位移传感器7与电脑8相连接，用于检测所述试件1的变形。其中测试过程中压力杆6的轴线与压头3的轴线和空心钢筒2的轴线保持一致。在测试准备阶段，试件1的侧面和底面、与空心钢筒2接触的位置处涂抹有环氧树脂粘结剂9。

其中空心钢筒2和底座4总高度为90mm，上部筒壁部分高度为40mm，下部底座部分高度为50mm，外径117mm，内径107mm，筒壁厚5mm，中心圆孔直径为60mm。不锈钢实心圆柱形压头3的直径为20~35mm，高度为20mm。

实施例1

本发明沥青混合料的环形剪切疲劳试验测试方法，测试步骤如下：

一、采用实验室马歇尔击实成型沥青混合料试件1，直径为101.5mm，双面切割成高度为40mm的圆柱形试件，将试件置于空心钢筒2中，在试件1侧表面及底面涂上环氧树脂粘结剂9，使之与筒壁紧密结合，再将直径为20mm的压头3用环氧树脂粘在试件1中心，确保压头3和试件1中心线重合；

二、待环氧树脂粘结剂9固化后，将温度设定为目标温度15℃，将9个试件1连同装置置于UTM材料试验机的环境保温箱内保温4h，然后将试件1连同装置放置于UTM材料试验机底座4上，固定试件和装置，调节压力杆6，使得压力杆6与压头3接触，采用圆柱形压力杆6施加竖向荷载，加载速率为1mm/min，试验时应保证压力杆6的轴线与压头3、空心钢筒2、试件1的轴线保持一致，通过电脑8记录加载过程中的荷载F_s，通过测定3个试件的剪切破坏荷载F_s，当一组测定值中某个数据与平均值之差大于标准差的k倍时，该测定值应予舍弃，并以其余测定值的平均值作为试验结果，得到平均F_s，当试验数目为3、4、5、6时，k值分别为1.15、1.46、1.67、1.82。如需要获得沥青混合料收到的剪切强度τ（MPa）,可根据式（1）进行计算。

τ=n×F 公式（1）

F=峰值荷载，单位kN，n=0.21。三、将剩下的6个试件进行剪切疲劳试验，以r×F_s作为疲劳峰值荷载，并设定温度为目标温度、荷载采用正弦荷载波形、加载频率为10Hz，固定空心钢筒，调节压力杆6，使得压力杆6与压头3接触，将位移传感器LVDT滑轮接触试件表面，对压头进行应力控制模式下剪切疲劳试验，获得r×F_s荷载下沥青混合料的剪切疲劳曲线，剪切疲劳寿命是试件破坏时所对应的荷载作用次数，通过平行测定6个试件，当一组测定值中某个数据与平均值之差大于标准差的k倍时，该测定值应予舍弃，并以其余测定值的平均值作为疲劳寿命，当试验数目为3、4、5、6时，k值分别为1.15、1.46、1.67、1.82。

此外，可通过变化r×F_s作为疲劳峰值荷载，用于测定不同应力水平下的剪切疲劳寿命，并按照公式（1）拟合得到疲劳参数K₁和K₂。

N_f=K₁（1/τ）^K2 公式（2）

式中，N_f为沥青混合料的剪切疲劳寿命，τ为剪应力水平，K₁疲劳试验参数，K₂为对数坐标下疲劳曲线的斜率。

实施例1

本发明沥青混合料的环形剪切疲劳试验测试方法，测试步骤如下：

一、采用现场取芯试件1，直径为100mm，双面切割成高度为20mm的圆柱形试件1，将试件1置于空心钢筒2中，在试件1侧表面及底面涂上环氧树脂粘结剂9，使之与筒壁紧密结合，再将直径为35mm的压头3用环氧树脂粘在试件1中心，确保压头3和试件1中心线重合；

二、待环氧树脂粘结剂9固化后，将温度设定15℃，将9个试件1连同装置置于UTM材料试验机的环境保温箱内保温6h，然后将试件1连同装置放置于UTM材料试验机底座4上，固定试件和装置，调节压力杆6，使得压力杆6与压头3接触，采用圆柱形压力杆6施加竖向荷载，加载速率为2mm/min，试验时应保证压力杆6的轴线与压头3、空心钢筒2、试件1的轴线保持一致，通过电脑8记录加载过程中的荷载F_s，通过测定3个试件的剪切破坏荷载F_s，当一组测定值中某个数据与平均值之差大于标准差的k倍时，该测定值应予舍弃，并以其余测定值的平均值作为试验结果，得到平均F_s，当试验数目为3，k值分别为1.15，经计算，三个试验结果均满足要求。如需要获得沥青混合料收到的剪切强度τ（MPa）,可根据式（1）进行计算。

τ=n×F 公式（1）

F=峰值荷载，单位kN，n=0.40。

三、将剩下的6个试件进行剪切疲劳试验，以0.6×F_s作为疲劳峰值荷载，并设定温度为15℃、荷载采用正弦荷载波形、加载频率为10Hz，固定空心钢筒，调节压力杆6，使得压力杆6与压头3接触，将位移传感器LVDT滑轮接触试件表面，对压头进行应力控制模式下剪切疲劳试验，获得0.6F_s荷载下沥青混合料的剪切疲劳曲线，剪切疲劳寿命是试件破坏时所对应的荷载作用次数，通过平行测定6个试件，当一组测定值中某个数据与平均值之差大于标准差的k倍时，该测定值应予舍弃，并以其余测定值的平均值作为疲劳寿命，当试验数目为6时，k值为1.82，经计算，6个数据均符合要求。

此外，可通过变化r×F_s作为疲劳峰值荷载，用于测定不同应力水平下的剪切疲劳寿命，并按照公式（1）拟合得到疲劳参数K₁和K₂。

N_f=K₁（1/τ）^K2 公式（2）

式中，N_f为沥青混合料的剪切疲劳寿命，τ为剪应力水平，K₁疲劳试验参数，K₂为对数坐标下疲劳曲线的斜率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。