一种沥青混合料动态泊松比的测试方法与流程

本发明属于道路工程沥青路面领域，尤其涉及一种沥青混合料动态泊松比的测试方法

背景技术：

沥青混合料的模量和泊松比是沥青路面设计与分析中的最主要材料参数，其取值大小直接影响沥青路面结构设计、力学分析及性能预测。沥青混合料作为一种典型的粘弹非线性材料，其动、静态材料力学参数差异巨大。由于动态参数更加接近沥青混合料在行车荷载作用下的力学响应状态，目前国际主流沥青路面设计体系正逐步从静态参数输入向动态参数输入转变。美国mepdg沥青路面设计方法及我国刚颁布的《公路沥青路面设计规范》(jtgd50-2017)中关于沥青混合料模量和泊松比等材料参数输入上，已采用侧面法动态压缩模量取代顶面法静态压缩模量；但在泊松比输入时并非采用沥青混合料的动态泊松比实测值，而依然采用静态泊松比经验定值0.25或0.35进行简化。大量研究已表明温度、频率、材料组成及应力状态等因素均对沥青混合料的泊松比具有较大影响，因此采用静态泊松比经验定值作为沥青路面设计分析的材料参数，显然将影响沥青路面结构力学计算及性能预测的准确性，并制约沥青路面静参数设计体系向动参数设计体系的真正转变。

“沥青混合料劈裂试验”(t0738-2011)可以测定沥青混合料的静态泊松比，该试验是《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)中测定泊松比的唯一方法。在劈裂状态下，沥青混合料试件处于非均布二维应力状态，试件侧面的应变分布较为复杂；且在压条加载部位试件容易出现明显的膨胀变形。而劈裂试验通过测定试件全尺寸的竖直和水平变形计算泊松比，显然存在有一定的局限性。国内外不少研究也已表明，劈裂试验测定的沥青混合料模量和泊松比具有较大误差和离散性。

除劈裂试验外，目前国内外其余关于沥青混合料的泊松比测试研究，都集中于静态压缩泊松比测试领域，还尚未见动态泊松比的测试方法研究。由于沥青混合料的弹、粘、塑特性，其在压缩荷载下产生的总应变包括可恢复粘弹性应变和不可恢复塑性永久应变两部分。目前的沥青混合料静态压缩泊松比测试方法，由于所施加的荷载应力远超过了材料的线粘弹性应力幅值范围，其测定的横向和纵向总应变中均包含了较大的不可恢复塑性永久应变，因此静态压缩泊松比往往会出现大于0.5的不合理现象。此外由于现有沥青混合料静态压缩泊松比测试中往往直接采用未钻芯、切割处理的径高比1:1试件，且所选用的小标距应变片并不适用于沥青混合料这类非均质材料，导致所测定静态压缩泊松比变异性较大，可靠性不高。

技术实现要素：

针对上述现有沥青混合料静态泊松比测试方法的诸多不足以及动态泊松比研究的滞后，本发明的目的在于提供一种沥青混合料动态泊松比的测试方法，旨在解决现有技术中解决现有技术中无法测定沥青混合料动态泊松比的不足。

一种沥青混合料动态泊松比的测试方法，包括如下步骤：

(1)准备沥青混合料圆柱体试件；

(2)在沥青混合料圆柱体试件侧表面的中部，按等间距贴置纵向、横向交替的若干应变片；

(3)把贴置好应变片的试件放置于加载设备的压缩夹具上，将应变片线路连接到应变采集仪；

(4)在规定的试验温度和频率下通过加载设备对试件施加正弦波或半正弦波轴向压应力，所述轴向压应力幅值处于沥青混合料的线粘弹性应力范围内；

(5)启动应变采集仪记录应变片应变响应曲线，根据每个应变片多个应变响应波形数据，建立每个应变片的实测总应变εt与加载时间t、可恢复粘弹性应变振幅ε0三者数学关系模型，得到每个应变片各自对应的可恢复粘弹性应变振幅ε0；

(6)根据各个应变片的可恢复粘弹性应变振幅ε0得到横向应变片的可恢复粘弹性应变振幅平均值和纵向应变片的可恢复粘弹性应变振幅均值按下式计算沥青混合料的动态泊松比μ；

所述步骤(1)采用旋转压实仪成型沥青混合料试件，通过钻芯及端面切割得到径高比1:1.5沥青混合料圆柱体试件。

所述步骤(1)的旋转压实仪成型的沥青混合料试件尺寸为：直径150mm，高度170mm，钻芯及端面切割后的沥青混合料圆柱体试件表面光洁平整，尺寸为：直径100mm，高度150mm。

所述步骤(2)中的应变片有6件，材质为纸基电阻型应变片，标距为70mm，横向和纵向应变片各3件，横、纵向相邻应变片中心点之间夹角为60°。

所述横、纵向应变片中心点恰好位于沥青混合料圆柱体试件的1/2高度的圆周线上。

所述步骤(3)中的加载设备为能施加正弦波或半正弦波的材料试验机。

所述步骤(4)之前将黏接固定完毕的沥青混合料圆柱试件放置在试验温度的环境箱内保温至少5小时。

所述步骤(4)中的沥青混合料的线粘弹性应力范围所对应的轴向压应变范围在50－150με之间。

所述步骤(5)中的实测总应变εt与加载时间t、可恢复粘弹性应变振幅ε0三者数学关系模型为：

式中：

a为回归系数；

b为不可恢复塑性永久应变斜率；

ω为试验加载角频率；

为相位角；

bt为不可恢复塑性永久应变；

为可恢复粘弹应变。

所述步骤(5)中的多个应变响应波形数据为最后五个应变响应波形数据。

本发明根据动态试验中的实测总应变与加载时间t、可恢复粘弹性应变振幅ε0三者间的数学相关系性，提出了一种排除不可恢复永久塑性应变因素影响的沥青混合料拉伸动态泊松比测试方法，从而有利于更加准确、全面的评价沥青混合料动态参数特性，为进一步完善沥青路面设计体系和性能预测奠定试验基础。

本发明的沥青混合料动态泊松比的测试方法，通过采用钻芯切割的径高比1:1.5试件、贴置大标距应变片和施加线粘弹性范围加载应力等技术措施，有效降低了了泊松比测试结果的变异水平。根据动态荷载下应变片实测总应变εt与加载时间t、可恢复粘弹性应变振幅ε0之间的关系建立三者间的数学模型，排除了不可恢复永久塑性应变对泊松比的影响，得到了横、纵向应变片的粘弹性可恢复粘弹应变振幅均值和从而计算沥青混合料动态泊松比，其结果可靠合理。本方法填补了沥青混合料沥青动态泊松比测试方法的空白，有利于进一步完善我国沥青路面动态参数设计体系。

附图说明

图1为沥青混合料圆柱体试件的状态图，

1—加载设备加载压头；2—压缩夹具金属垫块；3—纵向应变片；4—沥青混合料圆柱体试件；5—横向应变片；6—压缩夹具下金属底座。

图2为70#-ac20-1#试件纵向应变片实测应变εt与加载时间t、可恢复粘弹性应变振幅ε0三者数学关系模型曲线图(20℃，10hz)。

图3为70#-ac20-1#试件横向应变片实测应变εt与加载时间t、可恢复粘弹性应变振幅ε0三者数学关系模型曲线图(20℃，10hz)。

图4为30#-ac20-1#试件纵向应变片实测应变εt与加载时间t、可恢复粘弹性应变振幅ε0三者数学关系模型曲线图(20℃，10hz)。

图5为30#-ac20-1#试件横向应变片实测应变εt与加载时间t、可恢复粘弹性应变振幅ε0三者数学关系模型曲线图(20℃，10hz)。

图6为sbs-ac20-1#试件纵向应变片实测应变εt与加载时间t、可恢复粘弹性应变振幅ε0三者数学关系模型曲线图(20℃，10hz)。

图7为sbs-ac20-1#试件横向应变片实测应变εt与加载时间t、可恢复粘弹性应变振幅ε0三者数学关系模型曲线图(20℃，10hz)。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合一个实施例和附图进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于实施案例。

实施例1

选用70#高模量、30#高模量及sbs改性三种材料特征差异较大的ac20沥青混合料，其对应的沥青种类、矿料级配、最佳油石比及空隙率等配合比参数详见表1。试测定上述三种沥青混合料的动态泊松比。

表1三种ac20沥青混合料的配合比参数

具体实施步骤如下：

(1)试件的制备

在试验室内通过沥青混合料旋转压实仪，按表1的三种ac20沥青混合料配合比参数，每种分别成型4个直径为150mm，高度170mm的沥青混合料试件。先将成型后的旋转压实试件进行钻芯得到直径100mm，高170mm的试件；然后在试件两端面各切除10mm，得到直径100mm高150mm的沥青混合料圆柱体试件。钻芯切割试件表面光洁平整，有助于提高测试结果的稳定性；采用径高比1:1.5试件，可消除端部应变紊乱对试件中部应变测定的影响。

(2)应变片的贴置

如图1所示，在沥青混合料圆柱体试件4侧表面的中部，按等间距贴置纵向应变片3、横向应变片5交替的共6件应变片，其材质为纸基电阻型应变片，标距长度为70mm，相邻横、纵向应变片5、3中心点之间夹角为60°。各应变片中心点恰好位于沥青混合料圆柱体试件4的1/2高度的圆周线上。由于试件中部应变分布均匀易测，且所采用的70mm大标距应变片适合测定沥青混合料等非均质材料，因此该应变片贴置方法可保证应变测量结果准确可靠。

(3)试件的安装与应变片连接

把贴置好应变片的沥青混合料圆柱体试件4放置于utm材料试验机的压缩夹具下金属底座6上，试件顶部放置压缩夹具金属垫块2，压缩夹具金属垫块2的上方是加载设备加载压头1，通过加载设备加载压头1对沥青混合料圆柱体试件4进行加载。(见图1)将应变片线路连接到应变采集仪，核查每个应变片电路情况。

(4)动态荷载的施加

在0℃、20℃和40℃三个温度下开展动态泊松比测试，试件在utm环境箱内每个温度保温5小时，保证试件内部温度达到目标温度且保持稳定。在每个试验温度下分别以频率25，10，5，1，0.5及0.1hz，通过utm加载压头对试件施加正弦波或半正矢波轴向压应力。施加轴向压应力幅值处于沥青混合料的线粘弹性范围内，所对应的轴向压应变幅值在50～150με之间。在线弹性范围内施加荷载，可大幅降低试件的不可恢复塑性永久应变，保证测量结果的可靠性。

(5)应变片数据的采集与处理

在施加动态荷载的同时，启动应变采集仪记录应变片应变响应曲线，摘选每个应变片最后5个应变响应波形数据。利用origin等数据分析软件的自定义函数编辑功能，建立每个应变片的实测总应变εt与加载时间t、可恢复粘弹性应变振幅ε0三者数学关系模型：使用该模型对每个应变片最后5个应变波形数据进行拟合，得到每个应变片各自对应的可恢复粘弹性应变振幅ε0。(部分结果见图2～图7)

本关系模型可以有效描述沥青混合料在正弦波或偏正弦波荷载下的应变响应特性，它将沥青混合料在动态荷载下的实测总应变εt分为可恢复粘弹性应变和不可恢复塑性永久应变bt两部分，排除了不可恢复永久塑性应变对试验结果的影响。

(6)动态泊松比的计算

根据各个应变片的可恢复粘弹性应变振幅ε0，分别计算得到三件横向应变片的可恢复粘弹性应变振幅平均值和三件纵向应变片的可恢复粘弹性应变振幅均值按下式计算沥青混合料的动态泊松比μ；

按照本发明的方法对普通70#、30#高模量与sbs改性三种ac20沥青混合料进行动态泊松比试验，三种沥青混合料在不同温度、不同频率下的动态泊松比见表2-表4。由表2-表4可见，三种不同沥青混合料的动态泊松比结果变异系数小于9.1％，表明本发明的动态泊松比测试方法具有较高的可靠性。三种不同沥青混合料的动态泊松比均随着温度的升高和频率的降低而逐步增大，在高温低频条件下沥青混合料的泊松比较大但均未超过0.5。通过对比可发现，三种沥青混合料的动态泊松比之间存在显著差异，高模量30#-ac20混合料动态泊松比最小，改性沥青sbs-ac20混合料次之，普通沥青70#-ac20混合料动态泊松比最大。试验结果表明，本发明的沥青混合料动态泊松比测试方法能够有效区分不同沥青、温度及加载频率下混合料动态泊松比特性，其所测定的动态泊松比合理准确可靠。采用本发明方法开展沥青混合料动态泊松比试验，对进一步准确、全面评价沥青混合料动态力学特性具有重要意义。

表270#-ac20沥青混合料动态泊松比测试结果

表330#-ac20沥青混合料动态泊松比测试结果

表4sbs-ac20沥青混合料动态泊松比测试结果

本文中应用了具体个例对本原理和操作流程进行了阐述和说明，以上实施例的说明只是用于帮助阐明本发明的的核心思想和方法。应当指出，对于本专业领域的技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。