一种沥青路面表面层荷载疲劳损伤程度的测试方法与流程

本发明涉及道路工程测试技术领域，尤其涉及沥青路面表面层荷载疲劳损伤程度的测试方法。

背景技术：

在交通荷载、自然环境等综合因素的反复作用下，构造沥青路面的材料会逐步产生疲劳损伤，导致路面出现各类病害，其中疲劳开裂是沥青路面的主要病害类型之一。沥青路面出现疲劳开裂会影响路面的结构稳定性，不利于路面结构的长期保存，在沥青路面的管养过程中，需要在沥青路面出现疲劳开裂前采取必要的方案进行预防性养护，在方案制定时，其养护时机的选择尤为重要，如果养护时机选择较晚，表面层疲劳裂缝已经出现，导致大气降雨、地表水等渗入路面结构中，在交通荷载作用下，水分的作用将加剧路面下层结构甚至路基出现结构性破坏，但养护时机选择过早，路面材料还没有充分发挥其结构强度，又将造成养护经费的浪费，因此，有必要掌握沥青路面的疲劳开裂发展规律，以便于选择合适的路面养护维修时机。

对于我国的半刚性基层沥青路面而言，表面层沥青混凝土在车轮荷载的作用范围内(轮迹带)会呈现受拉状态，是最易产生疲劳开裂的层位，因此，要掌握沥青路面的疲劳开裂规律，首先应该掌握表面层的疲劳开裂规律。路面使用期间，在气候环境因素和车轮荷载的重复作用下，损伤逐渐累积，路面结构强度逐渐下降，当荷载作用超过一定次数之后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过下降后的结构抗力，使路面出现裂纹、产生疲劳开裂，疲劳的实质都是随着循环次数的增加，损伤逐步积累的过程，因此，可以依据沥青混凝土的疲劳损伤程度表征其疲劳开裂规律。对于损伤变量d，目前道路工程界广泛以miner线形疲劳损伤模型来表示：

式中：n为荷载循环作用次数；nf为疲劳寿命。

基于上式可知，掌握沥青路面表面层荷载疲劳损伤程度的关键是准确获取表面层在荷载作用后的疲劳寿命和未作用荷载时的疲劳寿命，疲劳寿命的衰减程度即为疲劳损伤程度，疲劳寿命衰减越大，疲劳损伤程度越严重，反之亦然。

当前关于沥青混合料疲劳损伤的研究大多数是针对室内成型的沥青混合料，与实体工程实际采用的材料组成设计上有所区别，也不能考虑实际荷载及自然环境对其疲劳特性的影响，即使少数研究基于芯样对沥青路面的疲劳特性进行研究，但均未考虑表面层的实际受荷状态来设计测试方法，导致试验结果可靠性不强，因此，有必要发明一种考虑实体沥青路面表面层实际受荷状态，评价沥青路面表面层荷载疲劳损伤的测试方法。

本发明所要解决的技术问题在于我国尚未有成熟的技术标准以评价沥青路面表面层荷载疲劳损伤程度，提供一种考虑实体沥青路面表面层实际受荷状态，评价沥青路面表面层荷载疲劳损伤程度的测试方法，能够全面、准确、客观地评价沥青路面表面层荷载疲劳损伤程度，且操作简单。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种沥青路面表面层荷载疲劳损伤程度的测试方法，其特征在于，在所测试沥青路面表面层的轮迹带和紧急停靠带处各取直径为15cm的表面层芯样；首先将所取芯样切割成表面边长为10cm正方形的立方体试件，再将该立方体平均分割为两个表面为10cm×5cm的立方体试件；将试件置于万能试验机上进行三分点加载的疲劳试验，获取试件的疲劳寿命；以两处区域的试件的疲劳寿命之差与紧急停靠带上试件疲劳寿命的比值作为所测试沥青路面表面层荷载疲劳损伤程度的评价指标，比值越大，表明沥青路面表面层荷载疲劳损伤程度越严重。本发明能够准确、可靠、客观地评价沥青路面表面层荷载疲劳损伤程度，且方法简单易行。

优选地，取芯时标明行车方向，使得5cm的边与行车方向一致，即10cm的边垂直于行车方向。

优选地，在进行应力控制的疲劳试验时，须将试件的路面表面置于下方。这使得表面层沿着行车方向处于受拉状态，与实际路面情况相同。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明采用取芯进行疲劳试验的方式来测试评价沥青路面表面层荷载疲劳损伤程度，比起现有室内成型试件的测试方法更为准确可靠，试验结果更为客观真实；

本发明取芯过程中标注芯样的受荷方向，并在疲劳试验过程中使得试件的受荷状态与实际沥青路面表面层的受荷状态一致，试验结果更加可靠；

本发明在所测试沥青路面表面层的轮迹带和紧急停靠带处各取直径为15cm的面层芯样，并两处区域的试件的疲劳寿命的平均值之差与紧急停靠带上试件的疲劳寿命的平均值的比值作为所测试沥青路面表面层疲劳损伤程度的测试方法，测试结果更准确；

本发明测试方法简单易行。

附图说明

图1为取芯得到标注行车方向的沥青路面表面层圆形芯样平面图

图2为切割得到表面为正方形的芯样平面图

图3为切割得到疲劳试验两个平行试件的平面图

图4为三分点加载疲劳试验的示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

针对现有技术的不足，本发明的思路是模拟表面层实际受力状态，通过使用万能材料试件机对试件进行三分点加载的疲劳试验评价沥青路面表面层疲劳损伤的严重程度。实践中发现，表面层沿着行车方向处于受拉状态，因此可将试件的路面表面层朝下放置于万能材料试验机中进行弯拉疲劳试验，比较位于轮迹带处的试件和位于紧急停靠带处试件的疲劳寿命平均值，用损伤因子来评价各轮迹带表面层疲劳损伤的严重程度。

具体地，在所测试沥青路面表面层的轮迹带和紧急停靠带处各取直径为15cm的表面层芯样；首先将所取芯样切割成表面边长为10cm正方形的立方体试件，再将该立方体平均分割为两个表面为10cm×5cm的立方体试件；将试件置于万能试验机上进行应力控制的疲劳试验，获取试件的疲劳寿命；以两处区域的试件的疲劳寿命之差与紧急停靠带上试件疲劳寿命的比值作为所测试沥青路面表面层荷载疲劳损伤程度的评价指标，比值越大，表明沥青路面表面层荷载疲劳损伤程度越严重。本发明能够准确、可靠、客观地评价沥青路面表面层荷载疲劳损伤程度，且方法简单易行。

优选地，取芯时标明行车方向，使得疲劳试验试件的5cm边与行车方向一致，即10cm边垂直于行车方向。

优选地，在进行三分点加载的疲劳试验时，须将试件的路面表面置于下方。这使得表面沿着行车方向处于受拉状态，与实际路面情况相同。

优选地，为了保证室内试验时试件的受荷大小与实际路面表面层受荷大小一致，本发明基于室内试验施加荷载应使紧急停靠带试件底部弯拉应变与标准轴载在实际路面上行驶时对表面层所产生的弯拉应变相等的思路，在采用有限元方法理论分析结果和大量室内试验结果比较分析的基础上，提出了两种常用的上面层沥青混合料所施加的荷载值：sma-13沥青混合料施加荷载为2.8kn；ac-13沥青混合料施加荷载为3.2kn。

为了便于公众理解，下面以一个具体实施例来对本发明技术方案进行说明。

对于待测试的沥青路面，首先在拟取芯的地点用记号笔标注行车方向，如图1中箭头所示；然后采用路面取芯机从作用荷载的沥青路面表面层轮迹带和未作用荷载的紧急停靠带处各取直径为15cm的圆形面层芯样；

将现场所取的芯样表面切割成10cm的正方形，厚度保持不变，为路面表面层实际厚度d，注意切割时正方形的边应与行车方向平行或垂直，如图2所示；

将切割后的芯样垂直行车方向平均切割，一分为二得到两个试件，所得试件表面为5cm×10cm的长方形，其中5cm的边与行车方向一致，10cm的边与行车方向垂直，如图3所示；

将试件置于万能材料试验机上进行三分点加载的疲劳试验，芯样表面在下、底面在上，模具中两支点间的间距为8cm，试验温度控制在15℃，对于sma-13沥青混合料所施加的荷载n为2.8kn，对于ac-13沥青混合料所施加的荷载n为3.2kn，如图4所示。

分别对两个试件进行疲劳试验获取其疲劳寿命，假定n1为紧急停靠带两个试件的疲劳寿命平均值、n2为轮迹带两个试件的疲劳寿命平均值，借助于损伤力学的基本理论，将疲劳寿命作为损伤变量，则损伤因子d的计算公式如下：

无损伤状态下，则轮迹带疲劳寿命n1和紧急停靠带疲劳寿命n2相等，d＝0；完全损伤状态下则轮迹带疲劳寿命n2为0，d＝1；轮迹带疲劳寿命越小，d越大，沥青路面表面层荷载疲劳损伤越大。

综上可知，本发明提出的测试方法充分考虑沥青路面表面层的实际受荷状态，使得室内试验结果能够准确、可靠的反映实体工程中沥青路面受荷表面层的疲劳寿命，从而与未受荷载作用的紧急停靠带沥青路面表面层的疲劳寿命进行对比分析，准确、可靠的掌握沥青路面表面层荷载疲劳损伤状况。