专利名称：一种基于轮载仪的沥青混合料疲劳性能试验方法
技术领域：
本发明属于道路工程领域，具体涉及ー种基于轮载仪的浙青混合料疲劳性能试验方法，用于测试浙青混合料的疲劳性能。
背景技术：
近些年来，公路交通特别是高等级公路建设的蓬勃发展，对道路材料的品质和功能也提出了更高的要求。道路材料的性能、质量和组成设计都对它的发展起了至关重要的作用，而通过合理的试验方法对道路材料的性能进行测试和了解是正确有效地使用道路材料的前提和基础。浙青混凝土路面由于具有诸多优点，在道路工程建设中得到广泛的应用，我国目前的高等级道路基本都采用浙青混凝土路面。疲劳开裂是浙青路面的主要破坏形式之一，疲劳裂缝的出现对浙青路面的行车舒适度和使用寿命都有直接影响。人们对浙青路面结构开裂破坏的认识是逐渐深入的，伴随着力学领域中破坏理论的研究和发展，关于浙青路面结构开裂破坏的研究经历了由经验性总结过渡到结合破坏力学的理论性的过程。随着传统的疲劳破坏理论的发展，人们认识到，路面的破坏是由于荷载在路面材料中引起的重复加载疲劳应力超过了其抗拉强度而发生的。传统的疲劳强度理论承认了由于荷载的循环作用而对材料造成的损坏的累积，但相关的分析是针对连续完整、无缺陷的结构体系进行的，并没有考虑浙青混合料、结构内部先天存在的缺陷或因使用期内逐渐出现的缺陷对路面结构造成的不利影响，这使得运用传统疲劳力学理论与方法对浙青路面结构进行的计算和分析结果与实际情况存在偏差，尽管引入了不同的修正系数或安全系数，但使得设计结果仍带有较大程度的不确定性。按照后来发展的断裂力学及其疲劳断裂力学观点，结构的破坏正是由于其内部的缺陷引起应カ集中与内部损坏，当这种应力集中与损坏累积超过材料与结构抵抗破坏的容许值时，就造成了内部损伤的发展，并最终导致结构的破坏。浙青混合料本身的性质和浙青路面的结构都十分的复杂，由实际道路的受カ情况可知，道路路面的柔性浙青混合料面层的基本力学性能是由在反复的车辆荷载作用下的拉伸变形所決定的。如图I所示，当浙青路面在车辆荷载作用下，浙青面层的底部受到了拉应カ的作用，在拉应カ的反复作用下，裂缝通常在路面的底部开展，然后逐渐向上发展直至贯穿整个路面层而出现在道路表面。也有研究表明对于较厚的浙青路面，部分裂缝是从道路表面出现然后向下发展到路面底部的。即在车辆荷载作用下，路表靠近轮胎前侧和边缘位置产生了较高的水平拉应力，使得路表首先产生初始裂缝，然后在车辆荷载的剪切作用 下，逐渐向下扩展，直至穿透整个面层。然而，道路表面产生裂缝的原因众多，而且往往伴随其它的路面破坏形式(比如温度应力、水破坏等)一同出现，并不完全是由于疲劳破坏所引起的。所以，大部分的研究学者还是认为浙青路面的疲劳破坏主要是由于浙青混合料在重复的弯拉应カ的作用下微裂缝逐渐扩展，使材料超过了其自身的极限抵抗能力而造成的。浙青混合料的疲劳特性可以通过测试浙青混合料在一定应カ水平或应变水平的周期荷载作用下的应变或应カ响应而得到。目前，研究人员已经开发出了多种评价和测试浙青混合料疲劳特性的试验方法，这些试验方法包括在各种加载模式和测试条件下的足尺试验、大尺寸结构试验和室内的小尺寸试验。其中，室内的小尺寸试验由于可以考虑众多影响因素，并且操作简便，费用低而被广泛应用，主要包括弯曲拉伸、直接拉伸和压缩以及间接拉伸试验等等。目前，在欧洲使用较为广泛的试验方法有三点弯曲疲劳试验和两点弯曲(梯形梁)弯曲疲劳试验；而直接拉伸和四点梁弯曲疲劳试验则在美国和亚洲ー些国家使用较多；另外，根据对试件的加载方式的不同还有间接拉伸和半圆弯曲疲劳试验等等。这些试验方法的加载方式和试件的形状都各不相同，但是所有这些试验都是通过对浙青混合料试件施加在拉伸状态下的周期性的正弦应カ或应变来測定其疲劳特性的。直接拉伸疲劳试验中，虽然试件的受カ方式简单直接，但是试件的准备和试验操作过程十分复杂，所以直接拉伸试验的可操作性差和效率低限制了它的推广应用。和直接拉伸试验相比，单轴压缩试验的操作相对简单、方便，但是其测试的是浙青混合料在压缩状态下的粘弾性特性，与实际道路路面浙青混合料的受カ特点不相符，不能准确地放映浙青混合料在拉伸状态下的疲劳性能，所以目前已经使用不多。四点梁弯曲疲劳试验目前是美洲和亚洲范围内应用最为广泛的疲劳试验方法。它具有如下几方面的优点(I)试件的应カ状态与浙青混合料在实际路面上的受カ情况相似；(2)试件受力条件简单，两个夹具间的试验梁受弯部分处于纯弯应カ状态；(3)已有成熟的数据采集和处理系统，软件界面友好，操作简单、方便。虽然四点梁弯曲疲劳试验由于上述的优点而被广泛应用，但也存在如下一些缺点和不足(I)试件制作过程复杂。在利用浙青试件振动压实仪成型大梁试件后，还需要进行切割得到小梁试件。试件制作过程的操作复杂，可控制性不强，得到的试件的变异性较大，可能会使试验结果产生较大误差。而且试验本身对试件尺寸要求严格，有时候甚至难以达到；(2)试验需要另外的环境控制系统来控制试验的测试环境(温度)；(3)试件尺寸较小，对于使用大骨料的浙青混合料会由于试件均匀性的影响而导致试验精度下降。LffT (loaded wheel tester)是ー种普遍应用于测试道路材料性能的仪器(设备)，俗称轮载仪。LWT试验可以定义为利用移动车轮荷载评价道路在长期服务条件下的使用性能的试验。目前主要用于测试浙青混合料的抗车辙(永久变形)性能、水敏感(水稳定)性能和疲劳性能。其工作原理是在一定的环境条件下，对试件施加重复性的车轮荷载来测试试件在轮载作用下轮迹位置的车辙，在浸水条件下的破坏点，或者是疲劳寿命。因此，与其它试验方法相比，LWT试验能够更加真实地模拟实际道路受到的重复车辆荷载的作用以及道路所处的外界环境条件，使试件的内部应カ状态更接近道路的真实情況。由此可见，在目前LWT在世界范围内被广泛应用的同时，利用其自身的特点和优势开发出新的有效的试验方法不失为ー种合理利用资源，节约成本的好办法。由于浙青道路分析仪(APA)的多功能化和高智能化等优点目前已经成为北美和亚 洲国家应用最广的浙青材料LWT试验仪器。原有的APA疲劳试验方法是通过在试件底部粘贴ー根电线9，试验时给电线9通电，当试件2疲劳断裂吋，电线9被拉断切断电流而使试验自动停止(如图2和 图3所示)。原有的APA疲劳试验方法是采用给定试件的最大竖向变形或竖向变形率来评价浙青混合料的疲劳寿命，或者将试件断裂的时刻定义为疲劳破坏点。这些疲劳破坏准则在进行一些比较均匀和刚性的结构分析时在一定程度上是可以接受的(比如水泥混凝土)，然而对于粘弹性的浙青混合料，则这些评价标准都是不准确的。大量的研究表明材料(不仅仅是浙青混合料)在重复荷载作用下而完全断裂或在产生较大变形和可见裂缝之前(如图4所示)，试件就已经达到其相应的疲劳寿命。特别是对于浙青混合料这种粘弾性材料，往往在粘度比较大的情况下可以出现很大的变形而不出现断裂，但是实际上材料此时已经无法正常工作或者说失效了。图5所示为ー个试件在疲劳试验中所产生的拉伸变形与加载次数之间的关系曲线。结合图示曲线，若以刚度下降为初始刚度的50%为疲劳准则，则该试件的疲劳寿命约为27000次，而试件最终发生断裂破坏的荷载次数却超过40000次。从图5可以看出，根据原有的APA疲劳试验得到的疲劳寿命与浙青混合料疲劳分析理论判断的疲劳寿命有一定的差距，因此，将浙青混合料完全断裂的时刻定义为其疲劳寿命是不准确的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有试验方法和技术之不足而提供一套简单易行，便于推广，且使试验中的浙青混合料试件与实际浙青混凝土路面的受カ状态相符的基于轮载仪的浙青混合料疲劳性能试验方法。本发明的目的可以通过下述技术方案予以实现一种基于轮载仪的浙青混合料疲劳性能试验方法，包括轮载仪和试件，其特征在于包括如下步骤a、试验前，先在浙青混合料试件的底部安装应变传感器，并且根据移动轮载特点和试件尺寸通过力学方法或有限元分析计算得到所述试件在移动荷载作用下的应カ分布情况；b、试验中，首先对试件进行预加载，根据试件产生的应变量的值，得出需施加的移动轮载的大小，然后通过轮载仪对所述试件施加周期性的固定的移动轮载，并通过所述应变传感器来測量所述试件产生的拉伸变形的应变量；C、试验后，通过轮载仪和应变传感器得出所述试件的应力、应变量和周期性移动轮载的施加时间。本发明中，所述步骤a中的浙青混合料试件通过静压法、振动压实法和轮碾成型法成型，所述试件为梁形或板形试件。本发明中，所述步骤a中试件成型后和步骤b试验过程中将试件置于环境箱、温控箱中或者轮载试验仪中进行保温以达到试验需要的温度。根据上述方法，本发明对试件施加周期性的移动轮载，此种载荷完全模拟真实路面的情况，而且利用试件上的应变传感器得到试验过程中的应变量，从而根据基于应力-应变的疲劳理论来进行疲劳分析，通过浙青混合料在疲劳过程中本身的性质的变化来评价其疲劳状态。也就是说，本发明在模拟真实路面的情况下，利用目前常用的、较为成熟的破坏或失效准则来分析浙青混合料的疲劳性能，所以得出的结论更加准确可靠。综上所述，本发明具有简单易行，可操作性和应用性强的特点，并且该实验方法可以利用目前所广泛使用的各种轮载试验仪来完成，试验时试件的受カ特点也与实际浙青混凝土路面相似，所以测试得到的拉伸状态下的浙青混合料的疲劳性能更加准确可靠。
图I是原有的APA疲劳试验示意图；图2是图I的仰视图；图3 Ca)是浙青混合料的断裂情况示意图；
图3 (b)是浙青混合料的疲劳破坏情况示意图；图4是疲劳试验中试件的变形随加载次数的变化曲线；图5是本发明的LWT疲劳试验示意图；图6是图5的仰视图；图7 (a)是APA加载系统不意图的顶视图；图7 (b)是APA加载系统示意图的侧视图；图8是APA加载轮的运动方程的建立的示意图；图9是试件应カ分析的简化力学模型；图10 Ca)是本发明200-202次加载循环的应カ_应变情况图；图10 (b)是本发明1000-1002次加载循环的应カ_应变情况图；图10 (C)是本发明6000-6002次加载循环的应カ_应变情况图；图10 Cd)是本发明14000-14002次加载循环的应カ_应变情况图；图11是本发明的LWT疲劳试验中应力-应变滞回曲线随加载次数的变化情况；图12是本说明书实施例中所采用的疲劳试验方法加载周期-弯曲刚度情况图；图13是不同疲劳试验方法下不同浙青混合料的疲劳寿命結果。
具体实施例方式下面结合附图，说明本发明的具体实施方式
。实施例如图5和图6所示，试验前，先在浙青混合料试件的底部粘贴或安装应变传感器，以在试验中测试试件在重复的移动荷载作用下所产生的拉伸变形。试验中，利用LWT对试件施加的反复移动轮载，并通过安装在试件底部的应变传感器来量测试件产生的拉伸变形。根据试件受到的应カ和量测得到的变形便可通过疲劳原理来评价试件的疲劳状态从而反映浙青混合料的疲劳性能。本实施例以基于APA (Asphalt Pavement Analyzer,即浙青路面分析仪)的LWT轮载系统为例，运用本发明的试验方法对几种不同的浙青混合料进行了疲劳试验。试验中共考虑了 4种不同的浙青混合料，考虑了 2种不同的集料(石灰石和花岗岩)和3种不同等级的浙青结合料(PG 64-22、PG 70-22和PG 76-22)对浙青混合料的疲劳性能的影响，以评价LWT疲劳试验对不同浙青混合料的疲劳性能的敏感性。这四种浙青混合料的基本信息如表I所示，试验所采用的浙青混合料试件的尺寸如表2所示。表I本试验所采用的四种不同浙青混合料的基本信息
权利要求
1.一种基于轮载仪的浙青混合料疲劳性能试验方法，包括轮载仪和试件，其特征在于包括如下步骤 a、试验前，先在浙青混合料试件的底部安装应变传感器，并且根据移动轮载特点和试件尺寸通过力学方法或有限元分析计算得到所述试件在移动荷载作用下的应力分布情况； b、试验中，首先对试件进行预加载，根据试件产生的应变量的值，得出需施加的移动轮载的大小，然后通过轮载仪对所述试件施加周期性的移动轮载，并通过所述应变传感器来测量所述试件产生的拉伸变形的应变量； C、试验后，通过轮载仪和应变传感器得出所述试件的应力、应变量和周期性移动轮载的施加时间。
2.根据权利要求I所述的基于轮载仪的浙青混合料疲劳性能试验方法，其特征在于所述步骤a中的浙青混合料试件通过静压法、振动压实法和轮碾成型法成型，所述试件为梁形或板形试件。
3.根据权利要求2所述的基于轮载仪的浙青混合料疲劳性能试验方法，其特征在于所述步骤a中试件成型后和步骤b试验过程中将试件置于环境箱、温控箱中或者轮载试验仪中进行保温以达到试验需要的温度。
全文摘要
一种基于轮载仪的沥青混合料疲劳性能试验方法，包括轮载仪和试件，a、试验前，先在沥青混合料试件的底部安装应变传感器，并且根据移动轮载特点和试件尺寸通过力学方法或有限元分析计算得到所述试件在移动荷载作用下的应力分布情况；b、试验中，首先对试件进行预加载，根据试件产生的应变量的值，得出需施加的移动轮载的大小，然后通过轮载仪对所述试件施加周期性的固定的移动轮载，并通过所述应变传感器来测量所述试件产生的拉伸变形的应变量；c、试验后，通过轮载仪和应变传感器得出所述试件的应力、应变量和周期性移动轮载的施加时间。本发明简单易行，便于推广，且使试验中的沥青混合料试件与实际沥青混凝土路面的受力状态相符。
文档编号G01N3/32GK102636400SQ20121008857
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者吴昊, 舒翔, 黄宝山 申请人:中南大学, 长沙理工大学