一种不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法与流程
本发明涉及道路工程技术领域，更具体的说是涉及一种不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法。
背景技术
疲劳开裂是沥青路面结构最常见的破坏形式，为了保证沥青路面具有良好的耐久性和使用性，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，因此各国开展了多种耗资少、周期短的室内疲劳试验方法来研究沥青路面的抗疲劳特性。欧美多采用悬臂梯形试件或梁式试件，在其端部施加半正弦波荷载进行疲劳试验，受力模式为两点弯曲、三点弯曲和四点弯曲；日本多采用圆柱试件进行间接拉伸疲劳试验；中国多采用直接拉伸或间接拉伸疲劳试验,并通过分析模量的衰变规律，揭示材料的疲劳性能。结果发现不同的沥青混合料疲劳试验方法得到的试验结果是不同的，疲劳试验结果对其试件的几何形状与尺寸、疲劳加载方式具有较高的敏感性，且现有疲劳模型存在一定的局限性，因此，究竟沥青混合料的抗疲劳性能如何也就无从下结论，这无疑对沥青路面设计发展造成了很大的阻碍。
关于疲劳模型，国内外学者开展了诸多研究，有人在疲劳循环试验下，应用粘弹性连续损伤力学模型评估疲劳特性，得到不同的测试方法及设备的疲劳试验结果不同，原因可能是不同试验方法的损伤机制不同。还有人研究了11种不同的试验方法来评估沥青混合料的疲劳特性，包括单轴拉伸和单轴压缩，弯曲和间接拉伸试验。结果表明，使用经典疲劳方法获得的疲劳测试结果受测试类型和加载模式显著影响，很难从不同试验模式中比较疲劳试验结果。上述现象无疑阻碍了沥青道路耐久性的发展，主要原因是疲劳特性分析方法的不合理，现阶段被广泛使用的s-n疲劳方程具有局限性，无法对不同受力模式下的疲劳特性对比进行解释。因此，长沙理工大学有学者基于直接拉伸疲劳试验，建立了基于真实应力比的疲劳方程，弥补了采用传统s-n疲劳方程进行疲劳设计时的不足。
为了消除应力状态、试件形状及尺寸对疲劳特性分析评价的影响，有人开发了一系列的测试方法来研究沥青混合料的疲劳性能，研究了尺寸效应对疲劳寿命的影响，得到不同尺寸的拉压疲劳试验对疲劳行为的影响并不显著，同时对三种不同尺寸的梁进行四点弯曲疲劳试验，得到试件的尺寸显著影响测量的弯曲刚度，疲劳寿命和疲劳极限。同时，他还利用desai强度屈服面模型对不同应力状态下的沥青混合料疲劳特性进行归一，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归一，但是其认为不同加载速率下的抗拉强度是不变的，这与实际情况不相符合。
因此，如何提供一种不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法对不同应力状态下沥青混合料疲劳结果进行分析，达到了对不同应力状态下沥青混合料疲劳特性进行归一化的目的，实现了不同疲劳试验方法试验结果的统一，同时为实现从材料疲劳到结构疲劳的科学转化提供了理论、方法与技术依据。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法，包括：
(1)对沥青混合料进行不同加载速率的直接拉伸、间接拉伸和单轴压缩强度试验；
(2)对沥青混合料进行不同加载速率的直接拉伸、间接拉伸和单轴压缩疲劳试验。
1)直接拉伸疲劳试验方法
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；利用振动压实机方便用于调整振动方式、压实高度、压实速率等参数；碾压成型试板的尺寸为400mm×300mm×50mm；然后将其切割成250×50×50mm的梁式试件用于直接拉伸强度和疲劳试验；
试验采用mts-landmark材料试验系统，将直接拉伸试件在恒温箱15℃的条件下恒温4-5个小时，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，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、应变和模量值。
试验中，刻有同心圆的拉头和拉头两端的球形阀均有助于试件轴心受拉，试件与拉头的粘钢胶强度远大于试件强度且变形小，完全能够保证直接拉伸疲劳试验的进行。
2)单轴压缩疲劳试验方法
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)，试验采用试验室制备的高度100±2mm，直径为100±2mm的沥青混合料圆柱体试件。试件制备选用sgc旋转压实仪，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°。
单轴压缩疲劳试验在频率10hz，温度15℃的条件下进行，试验前将试件在恒温箱中保温4～5小时。压缩疲劳试验的大致步骤为：
(1)将两个lvdt位移传感器安放于试件侧面中部，且两端夹头与试件侧面垂直。调节位移传感器夹头，使其测量范围为试件中部60mm，离上下表面均20mm。
(2)将试件放置在试验装置上下加载板中心位置，且在试件与上下加载板之间各放一块聚四氟乙烯薄膜，以减小端部效应。
(3)将试件放入温度为15℃的恒温箱中，恒温4～5小时后进行疲劳试验，将上加载板与试件上表面轻微接触，微调使试件与上下加载板接触良好，以疲劳试验峰值的10％进行预压，预压后调节位移传感器并清零，开始疲劳试验，疲劳试验整个过程在恒温箱中进行。
3)间接拉伸疲劳试验方法
为了疲劳试验数据的良好监测，采用与单轴压缩试件相同的成型方式，试件尺寸为高度100±2mm，直径为100±2mm。试件成型后静置与平整桌面若干天，对符合要求的试件进行切割，将高度100±2mm，直径为100±2mm的圆柱体试件切割成高度60±2mm，直径为100±2mm的圆柱体试件。得到的试件上表面和下表面干净平整，方便水平垂直两个方向上的传感器连接，便于试验数据的采集。
在间接拉伸试件前、后面圆心位置处分别确定水平径向和竖直径向位置，并在该两处分别固定好lvdt位移传感器，保证传感器所辖长度中点要与前后面的圆心重合，以记录竖直径向的压变形和水平径向的拉变形，用于间接拉伸拉压双模量的计算。
间接拉伸需要采集的疲劳寿命由mts电脑控制系统直接采集，材料变形则由固定在试件两侧的位移传感器测定，连接好mts系统后试件需放在恒温箱15℃的条件下保温4-5个小时，且试验过程均在恒温箱中进行。
通过上述技术方案，本发明的技术效果：对不同应力状态下沥青混合料疲劳结果进行分析，达到了对不同应力状态下沥青混合料疲劳特性进行归一化的目的，实现了不同疲劳试验方法试验结果的统一，同时为实现从材料疲劳到结构疲劳的科学转化提供了理论、方法与技术依据。
优选的，在上述的一种不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法中，所述强度试验和所述疲劳试验的所述不同加载速率对应不同的应力水平，试验温度为15℃±1℃。
需要了解的是：在疲劳试验中，直接拉伸和间接拉伸疲劳试验时四个应力水平对应的加载速率分别为5mpa/s、10mpa/s、20mpa/s、30mpa/s，单轴压缩疲劳试验应力水平对应的加载速率为40mpa/s、50mpa/s、60mpa/s、70mpa/s，试验温度为15±1℃。
通过上述技术方案，本发明的技术效果：对不同应力状态下沥青混合料疲劳特性进行归一化，实现了不同疲劳试验方法试验结果的统一。
优选的，在上述的一种不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法中，所述强度试验中，将沥青混合料强度试验的试验结果，代入desai沥青混合料屈服面响应模型，得到直接拉伸、间接拉伸和单轴压缩三种不同应力状态下的屈服面模型坐标；将三种应力状态下的屈服面结合起来得到不同加载速率下的沥青混合料强度屈服面。
优选的，在上述的一种不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法中，不变量空间条件下，所述强度屈服面的表达式为：
式中：i1为第一应力张量不变量；j2分别为第二偏应力不变量，j3为第三偏应力不变量，
在
在
即：
通过上述技术方案，本发明的技术效果：三种应力状态下的屈服面结合起来得到不同加载速率下的沥青混合料强度屈服面。
优选的，在上述的一种不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法中，所述疲劳试验中，根据沥青混合料疲劳试验的试验结果，规定无施加任何荷载时的应力状态点为原点；疲劳试验无损状态时材料或结构内部的初始应力状态点；以及结合屈服面确定破坏点。
优选的，在上述的一种不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法中，所述初始应力状态点c和所述破坏点d到原点o的长度之比来表征所述沥青混合料的抗疲劳破坏的能力；同时，从剪应力出发，初始应力状态点c和破坏点d纵坐标之比也表示所述沥青混合料抗疲劳破坏能力。
优选的，在上述的一种不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法中，所述疲劳试验无损状态时材料或结构内部的初始应力状态点，材料或结构内部的损伤随着加载次数的增加也将逐渐增加，对于均质、各向同性假设，材料或结构内部各初始应力状态点的三个主应力也将随着该点损伤的增大而等比例增大；不同加载次数下的应力状态点
优选的，在上述的一种不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法中，所述抗疲劳破坏的能力表示：
上式表征疲劳试验时材料或结构所处的初始应力状态点与其对应的抗力的相对大小；疲劳试验时，每一个应力水平或应变水平对应于一个δ，不同的δ对应不同的疲劳寿命，通过建立δ与疲劳寿命nf的对应关系，即可建立不同应力状态下沥青混合料的疲劳方程：
优选的，在上述的一种不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法中，疲劳初始剪应力强度等于破坏点剪应力强度，疲劳试验时试件将一次性破坏；所述疲劳方程应满足δ＝1，nf＝1得到极端加载情况下，沥青混合料的疲劳方程
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法对不同应力状态下沥青混合料疲劳结果进行分析，达到了对不同应力状态下沥青混合料疲劳特性进行归一化的目的，实现了不同疲劳试验方法试验结果的统一，同时为实现从材料疲劳到结构疲劳的科学转化提供了理论、方法与技术依据。
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不同应力状态下沥青混合料疲劳试验结果曲线；
图2传统s-n疲劳方程拟合曲线；
图3不同应力状态下疲劳寿命与剪应力强度比在双对数坐标中拟合曲线；
图4实施例的归一化疲劳方程；
图5为本发明的流程图。
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不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化方法对不同应力状态下沥青混合料疲劳结果进行分析，达到了对不同应力状态下沥青混合料疲劳特性进行归一化的目的，实现了不同疲劳试验方法试验结果的统一，同时为实现从材料疲劳到结构疲劳的科学转化提供了理论、方法与技术依据。
实施例
1)直接拉伸疲劳试验方法
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。利用振动压实机，方便用于调整振动方式、压实高度、压实速率等参数。碾压成型试板的尺寸为400mm×300mm×50mm；然后将其切割成250×50×50mm的梁式试件用于直接拉伸强度和疲劳试验；
试验采用mts-landmark材料试验系统，将直接拉伸试件在恒温箱15℃的条件下恒温4-5个小时，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，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、应变和模量值。
试验中，刻有同心圆的拉头和拉头两端的球形阀均有助于试件轴心受拉，试件与拉头的粘钢胶强度远大于试件强度且变形小，完全能够保证直接拉伸疲劳试验的进行。
2)单轴压缩疲劳试验方法
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)，试验采用试验室制备的高度100±2mm，直径为100±2mm的沥青混合料圆柱体试件。试件制备选用sgc旋转压实仪，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°。
单轴压缩疲劳试验在频率10hz，温度15℃的条件下进行，试验前将试件在恒温箱中保温4～5小时。压缩疲劳试验的大致步骤为：
(1)将两个lvdt位移传感器安放于试件侧面中部，且两端夹头与试件侧面垂直。调节位移传感器夹头，使其测量范围为试件中部60mm，离上下表面均20mm。
(2)将试件放置在试验装置上下加载板中心位置，且在试件与上下加载板之间各放一块聚四氟乙烯薄膜，以减小端部效应。
(3)将试件放入温度为15℃的恒温箱中，恒温4～5小时后进行疲劳试验，将上加载板与试件上表面轻微接触，微调使试件与上下加载板接触良好，以疲劳试验峰值的10％进行预压，预压后调节位移传感器并清零，开始疲劳试验，疲劳试验整个过程在恒温箱中进行。
3)间接拉伸疲劳试验方法
为了疲劳试验数据的良好监测，本文采用与单轴压缩试件相同的成型方式，试件尺寸为高度100±2mm，直径为100±2mm。试件成型后静置与平整桌面若干天，对符合要求的试件进行切割，将高度100±2mm，直径为100±2mm的圆柱体试件切割成高度60±2mm，直径为100±2mm的圆柱体试件。得到的试件上表面和下表面干净平整，方便水平垂直两个方向上的传感器连接，便于试验数据的采集。
在间接拉伸试件前、后面圆心位置处分别确定水平径向和竖直径向位置，并在该两处分别固定好lvdt位移传感器，保证传感器所辖长度中点要与前后面的圆心重合，以记录竖直径向的压变形和水平径向的拉变形，用于间接拉伸拉压双模量的计算。
间接拉伸需要采集的疲劳寿命由mts电脑控制系统直接采集，材料变形则由固定在试件两侧的位移传感器测定，连接好mts系统后试件需放在恒温箱15℃的条件下保温4-5个小时，且试验过程均在恒温箱中进行。
4)根据试验结果，如图1-2和表1-2所示，基于传统疲劳试验方法，剔除严重偏离疲劳曲线的试验点后，不同应力状态下沥青混合料疲劳试验结果及根据传统s-n疲劳方程拟合结果。
表1基于应力水平的不同应力状态下疲劳方程拟合参数
表2基于应力比的不同应力状态下疲劳方程拟合参数
由试验结果及拟合结果可知：
①选取应力水平为1.5mpa开展直接拉伸疲劳试验时，很明显，该应力水平大于按规范方法测得的沥青混合料直接拉伸强度值，名义应力比为1.34，大于1。按传统应力比与疲劳寿命的关系分析，则在此应力比下，沥青混合料的拉伸疲劳寿命应小于1。然而实际试验结果是在此应力水平下，沥青混合料的平均拉伸疲劳寿命为993次。故传统的未考虑加载速度对强度影响的疲劳应力比的确定方式是不对的，会对疲劳寿命的预测带来很大的误差。当应力水平提高时，疲劳试验过程中的加载速度也相应提高，根据前面的研究成果可知，沥青混合料的强度随加载速度的增大而增大，故在应力水平为1.5mpa时开展直接拉伸应力水平，其真实应力水平并不是1.34，而约是0.33。
②s-n疲劳方程参数n表示疲劳性能对应力状态的敏感性，n值越大，疲劳寿性能对应力的变化越敏感。同种荷载模式下，两种s-n疲劳方程拟合得到的参数n值虽几乎相同，但不同应力状态下拟合的n值不同，均为单轴压缩＞间接拉伸＞直接拉伸，反映同种材料的疲劳性能对应力状态具有不同的敏感性，这与实际情况不符，且究竟是哪个参数值更能准确的表示疲劳性能对应力状态的敏感性无从得知。
③s-n疲劳方程参数k反映疲劳曲线的线位，由拟合结果可知，不同应力状态的k值各不相同，使得无法对沥青混合料在不同应力状态下的疲劳性能进行对比分析，进而对其疲劳性能进行准确的评价。而且，不同材料，不同加载频率和不同应力状态下的沥青混合料疲劳试验结果采用传统s-n疲劳方程进行拟合得到的k值也各不相同，无法对其疲劳性能进行比较。
综上所述，采用传统的s-n疲劳方程分析沥青混合料的疲劳性能存在明显的误差，且不同应力状态下沥青混合料的两种s-n疲劳方程均展现出较大的差异性，导致无法对不同试验方法所得的沥青混合料疲劳性能进行科学评价。故有必要建立一种考虑真实应力比的不同应力状态下沥青混合料疲劳特性的归一化模型，以准确的评价沥青混合料的疲劳性能。
5)沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，不同加载速度与试验温度下的沥青混合料具有不同的强度值，亦具有不同的屈服面。疲劳试验时，不同的应力水平对应于不同的疲劳加载速度，进而对应于不同加载速率下的强度屈服面，因此，需要通过确定不同应力状态的疲劳应力水平对应下的屈服面，进而建立δ与疲劳寿命nf的对应关系
如表3所示，将直接拉伸、间接拉伸及单轴压缩三种应力状态下疲劳初始点分别沿着对应应力状态下的疲劳应力路径分别交于对应加载速率下的强度屈服面，得到疲劳初始剪应力强度
表3不同应力状态下疲劳试验剪应力强度比δ
如图3所示，基于屈服准则思想的疲劳特性分析方法，将不同应力状态下疲劳寿命与剪应力强度比在双对数坐标中拟合曲线；不同应力状态下的沥青混合料疲劳试验结果在(δ～nf)双对数坐标系中均表现出很好的线性关系，拟合参数如表4所示。
表4不同应力状态下疲劳方程拟合参数
与传统s-n疲劳曲线对比，基于疲劳特性分析方法的不同应力状态下的疲劳曲线差异性已大大降低了，且把不同应力状态下的疲劳数据点作为一个整体来看，已很难区别开来，数据点非常接近，可以进行归一化处理。将不同应力状态下疲劳试验结果nf与δ在双对数坐标中同时进行拟合，得到一条归一化疲劳方程，如图4所示。
可以看出，不同应力状态下疲劳特性归一化方程nf＝(δ)-5.4591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，达到了将不同应力状态下疲劳特性归一化的目标。由于直接拉伸、单轴压缩与间接拉伸三种疲劳试验加载方式不同，且试件成型方式与形状也不同，所以与传统方法相比，新方法减小甚至消除了加载方式、试件形状、试件尺寸对疲劳试验结果的影响，实现了对不同疲劳试验结果的统一，进而为实现从材料疲劳到结构疲劳的科学转化提供了理论、方法与技术依据。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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。
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