一种沥青混合料温度疲劳性能的评价方法与流程

本发明属于道路工程技术领域，尤其涉及一种沥青混合料温度疲劳性能的评价方法。

背景技术：

沥青路面以其优异的性能已成为世界各地主要的路面结构类型，近90％的道路采用沥青混合料作为主要建筑材料。疲劳损伤是沥青路面中最主要的病害之一，它包括周期性交通荷载下的疲劳损伤和周期性温度变化引起的疲劳损伤。由于疲劳损伤，沥青路面的使用寿命缩短，便加速了路面服务质量的下降，严重威胁着交通的安全。通过提高沥青路面的抗疲劳性能，延长路面使用寿命一直是道路工作者关注的焦点，近几十年来，它在世界范围内受到广泛关注。

用于沥青路面的沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，其刚度，强度和抗疲劳性能受加载频率和温度的影响显著。有人在应力控制模式的疲劳试验下，发现通过降低沥青混合料的温度可以提高疲劳寿命。有人在相同的应力水平下，发现小梁试样的疲劳寿命会随着温度的升高而降低，当温度较高时，沥青路面的疲劳发展寿命占整个疲劳寿命的比例较高。有人在20℃和30℃的温度条件下，基于应力控制模式，发现沥青混合料的疲劳寿命随着加载频率呈指数增加。也有人使用应变控制加载模式进行了四点弯曲梁疲劳试验，发现加载频率的增加导致沥青混合料的疲劳寿命缩短。

虽然现有的研究在提高沥青混合料的抗疲劳性能方面，为沥青路面设计的发展做出了重要贡献，但是大多数沥青混合料的疲劳特性研究是在高加载频率(1-25hz等)下实施的。然而，高加载频率的室内试验即便可以用于模拟交通荷载作用下沥青路面的疲劳特性，但温度循环荷载作用下的周期是非常长的，并且一天内的平均温度较低，特别是我国北方地区的温度更低，因此用于模拟对沥青路面温度疲劳的频率是非常低的，温度也是比较低的。

另外，针对沥青混合料的温度疲劳特性研究易被研究者们忽视，相应的研究鲜有人报告。温度疲劳的加载频率远低于交通荷载作用的疲劳，它的特点是低频率(长周期)，这是温度疲劳和交通荷载疲劳之间的明显差异。据文献报告，低加载频率对沥青材料的疲劳寿命有很大影响，因此有必要研究沥青混合料的温度疲劳性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种沥青混合料温度疲劳性能的评价方法。通过对沥青混合料温度疲劳结果进行分析，不仅达到了对沥青混合料温度疲劳特性评价的目的，而且实现了低温低频条件下沥青混合料温度疲劳性能的归一化，同时为准确预测沥青混合料的温度疲劳性能提供了理论基础。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种沥青混合料温度疲劳性能的评价方法，所述评价方法具体包括如下步骤：

(1)对沥青混合料进行不同加载速率、不同温度的弯曲强度试验；

(2)对沥青混合料进行不同加载速率、不同温度的弯曲疲劳试验。

需要说明的是，美国公路战略研究计划(shrp)比较分析了采用不同疲劳试验方法评价沥青混合料疲劳性能的试验结果，并认为四点弯曲疲劳试验在评估疲劳性能方面优于其他试验方法，建议作为疲劳试验的标准试验方法来评价沥青混合料的疲劳性能，故本发明采用的疲劳性能试验方法为四点弯曲疲劳试验。其中强度、疲劳试验方法，具体包括如下步骤：

步骤一：采用经逐层筛分的矿料，并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均搅拌90秒以使集料搅拌均匀得到沥青混合料；并采用实验室轮碾法将所述沥青混合料碾压成尺寸为400mm×300mm×50mm的车辙板，并按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)的试验要求，将所述车辙板切割成弯曲小梁试件，备用。

其中，实验室轮碾法可使拌和均匀的沥青混合料在成型时能较好的模拟现场施工条件，从而使沥青混合料中粗骨料的压实和排列方向与现场基本一致，且振动可增大压实的密度，所以本试验采用英国著名试验设备生产商cooperresearchtechnology有限公司所提供的振动轮碾成型机，其方便用于调整振动方式、压实高度、压实速率等参数，具体参数见表1。

表1振动轮碾成型法试件控制条件

将振动轮碾成型后的车辙板冷却一天后脱模，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)的试验要求，将其切割成标准的四点弯曲小梁试件，尺寸为长380mm×宽63.5mm×高50mm。(标准要求试件尺寸范围为：长度380±5mm，宽度63.5±5mm，高度50±5mm)。

步骤二：试验采用多功能材料试验系统(mts-landmark)，将弯曲小梁试件在恒温箱下恒温24h，然后将其放在多功能材料试验系统(mts-landmark)的四点弯曲试验支座上，并调整使四点弯曲试验的压头与试件初步接触开始试验，且试验过程均在恒温箱中完成。

步骤三：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，将弯曲小梁试件在16种不同的加载速率和0℃，-10℃，-20℃的不同温度下进行弯曲强度试验，且每个温度和加载速率均进行了五次有效的平行试验，取平均值即得不同加载速率的强度值。

步骤四：根据步骤(3)得到的不同加载速率的强度值，进行了四点弯曲疲劳试验，并将疲劳试验中某一加载速率的应力水平与强度试验中相同加载速率对应的强度值之比定义为速度相关应力比。

步骤五：基于步骤四得到的速度相关应力比，建立低温低频条件下沥青混合料的疲劳方程，并发现利用本发明的速度相关应力比思想使沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到统一。

需要说明的是，沥青混合料的疲劳寿命受荷载控制模式的影响较大，根据荷载条件是否变化，将荷载分为简单荷载和复合荷载。简单荷载的特点为试验过程中荷载条件保持不变，而复合荷载与之相反。根据试验需求，本试验采用易行的简单荷载加载模式，其从试验性质上分为应力控制和应变控制，它们有着自己的特点。

应力控制即每次加载时荷载的限值和应力保持不变，沥青混合料的强度随荷载作用次数的增加而减小，在这种情况下虽然应力幅值稳定不变，但产生的应变会持续增大，最终小梁试件彻底破坏试验终止，整个过程所经过的循环荷载次数为疲劳寿命。

应变控制即每次加载时控制应变不变，沥青混合料的强度同样随着荷载作用次数的增加而减小，为了保持每次应变不变，所施加的荷载不断减小，应力变小，应变控制疲劳试验的终止条件为施加荷载对应的应力幅值降低到初始应力幅值的一半，此时试件所经过的循环荷载次数即为疲劳寿命。

从理论上对两种控制模式进行分析：第一，相同条件下应力控制的疲劳试验在结束时所需时间较短，再现性较好；美国沥青混合料设计方法显示，在相同条件下疲劳寿命的对比上，应变控制模式时应力控制模式的2.4倍。第二，由于沥青混合料中存在微裂隙，采用控制应力模式时，可使真正施加的荷载稍有增大，同时因为沥青混合料自身的不均匀性，不可避免的在试件内部存在不同程度的薄弱面，小梁试件的破坏较为迅速，对于试验结束的判断依据更加明了，而采用应变控制时疲劳破坏的标准较不明确，采用劲度降低到初始劲度的一半时作为试验终止的条件，随意性的缺点较为突出。第三，应力控制操作性强，离散程度相对较小，且破坏标准明确，所以试验量较小。

综合考虑，简单加载模式下的应力控制模式与我国沥青路面结构设计较为吻合，适用于沥青混合料疲劳耐久性研究。因此，本发明采用应力控制模式进行沥青混合料的疲劳性能研究。

优选的，所述实验室轮碾法采用cooperresearchtechnology有限公司的振动轮碾成型机，其方便用于调整振动方式、压实高度、压实速率等参数。

优选的，所述四点弯曲小梁试件的尺寸范围为：长度380±5mm，宽度63.5±5mm，高度50±5mm，该四点弯曲小梁试件可直接用于弯曲强度和疲劳试验。

优选的，所述步骤三中，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。

优选的，所述步骤四的疲劳试验中，采用控制模式为应力控制模式，加载波形为半正弦波；且试验频率为0.001hz、0.01hz、0.1hz、1hz，试验温度为0℃、-10℃、-20℃。

需要说明的是，由于沥青混合料的温度疲劳是温度的循环变化引起的疲劳，因温度的循环变化的频率是非常缓慢的，且直接测试温度疲劳是非常困难的，故本方法选取的加载频率为低加载频率：1hz、0.1hz、0.01hz、0.001hz，所述低加载频率的选择是为了模拟沥青混合料温度疲劳的温度循环的周期。

优选的，加载频率与加载速率的换算公式为：

v是疲劳试验的加载速率，σ是疲劳试验的应力水平，t是疲劳试验的周期，f为疲劳试验的加载频率

优选的，所述步骤四的疲劳试验中，将疲劳试验中某一加载速率的应力水平与强度试验中相同加载速率对应的强度值之比定义为速度相关应力比。

优选的，所述强度试验中的加载速率为0.003mpa/s，0.006mpa/s，0.009mpa/s，0.03mpa/s，0.06mpa/s，0.09mpa/s，0.3mpa/s，0.6mpa/s，0.9mpa/s，3mpa/s，6mpa/s，9mpa/s，13mpa/s，16mpa/s，19mpa/s，23mpa/s。

优选的，所述强度试验中，将沥青混合料不同温度下不同加载速率下强度试验的试验结果拟合，拟合曲线见附图1，所述不同温度条件下不同加载速率强度结果的拟合方程分别为：

sv＝22.806ν^0.320，r²＝0.991(0℃条件下)

sv＝23.572ν^0.313，r²＝0.987(-10℃条件下)

sv＝24.312ν^0.305，r²＝0.990(-20℃条件下)

sv为沥青混合料与加载速率相对应的强度，v是疲劳试验的加载速率，r²是方程的相关系数。

另外，由于沥青混合料是一种粘弹性的材料，强度受加载速率的影响是很显著的，但是现行的《公路工程沥青及混合料试验规程》(jtge20-2011)中疲劳试验的强度试验方法中的加载速率是固定不变的，故本方法中考虑加载速率影响的强度值更能反应沥青混合料的材料抗性，从而为沥青混合料温度疲劳性能的准确预测提供理论基础。

通过上述技术方案，本发明的技术效果：本发明提供了一种沥青混合料温度疲劳性能的评价方法，通过对低温条件下沥青混合料温度疲劳结果进行分析，不仅达到了对沥青混合料温度疲劳性能评价的目的，而且实现了低温低频条件下沥青混合料温度疲劳性能的归一化，使沥青混合料的强度失效和疲劳失效问题得到了统一，从而为准确预测沥青混合料的温度疲劳性能提供了理论基础。

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为不同温度条件下弯曲强度随加载速率的变化规律；

图2为在0℃条件下基于速度相关应力比的沥青混合料的温度疲劳性能拟合曲线；

图3为在-10℃条件下基于速度相关应力比的沥青混合料的温度疲劳性能拟合曲线；

图4为在-20℃条件下基于速度相关应力比的沥青混合料的温度疲劳性能拟合曲线。

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沥青混合料温度疲劳性能的评价方法，通过对低温低频条件下沥青混合料疲劳结果进行分析，不仅达到了对低温低频条件下沥青混合料疲劳特性进行评价的目的，而且发现利用本发明的速度相关应力比思想使得沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到了统一，实现了低温低频条件下沥青混合料疲劳性能的归一化，同时为准确预测沥青混合料的温度疲劳性能提供了理论基础。

实施例

1)四点弯曲疲劳试验方法

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380mm×63.5mm×50mm的梁式试件用于弯曲强度和疲劳试验。

试验采用多功能材料试验系统(mts-landmark)，将四点弯曲试件分别在恒温箱0℃、-10℃、-20℃的条件下恒温24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，然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、应变和强度值。

强度试验中，将沥青混合料不同温度下不同加载速率下强度试验的试验结果拟合，拟合曲线见附图1，所述不同温度条件下不同加载速率强度结果的拟合方程分别为：

sv＝22.806ν^0.320，r²＝0.991(0℃条件下)

sv＝23.572ν^0.313，r²＝0.987(-10℃条件下)

sv＝24.312ν^0.305，r²＝0.990(-20℃条件下)

sv为沥青混合料与加载速率相对应的强度，v是疲劳试验的加载速率，r²是方程的相关系数。

根据试验结果，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，不同温度和不同加载频率条件下沥青混合料疲劳试验结果根据传统s-n疲劳方程拟合的参数如表2-表4所示。

表2基于速度相关应力比的疲劳参数的拟合结果在0℃条件下

表3基于速度相关应力比的疲劳参数的拟合结果在-10℃条件下

表4基于速度相关应力比的疲劳参数的拟合结果在-20℃条件下

表5不同温度条件下归一化疲劳方程的n值

从表2～表4可以看出，在相同温度下，疲劳方程的n值相差不大，n值表示双对数坐标中的疲劳曲线的斜率。通过本发明的速度相关应力比思想可以将不同频率下的疲劳试验结果用一条曲线表征，实现了低温低频条件下沥青混合料温度疲劳性能的归一化，其中在0℃，-10℃，-20℃的不同温度条件下的拟合结果如图2～图4所示。

从附图2～附图4可以看出，基于不同温度条件下速度相关应力比思想的疲劳曲线均通过疲劳破坏点(1,1)，且从式(1)和式(3)可以看出k在0℃，-10℃和-20℃的不同温度下均等于1。并且nf＝1表示沥青混合料疲劳寿命为1的疲劳失效，也就是说当疲劳试验中速度相关应力比为1时，沥青混合料的疲劳寿命为1，因此，基于速度相关应力比思想的沥青混合料疲劳性能预估模型统一了强度失效与疲劳失效问题。

需要说明的是，从表2～表4可以看出，由基于速度相关应力比的不同加载频率的疲劳方程的k值非常接近1。一些k值大于或小于1，这可能是由于试验误差导致的。

此外，从表5可以看出，在不同温度条件下，随着温度的降低，基于速度相关应力比的归一化疲劳方程的n值略有增加并呈现线性增长趋势。疲劳方程中的n值表示疲劳曲线的斜率，它表示疲劳寿命随温度的敏感性，这表明温度越低，沥青混合料疲劳寿命的敏感性越大。

基于速度相关应力比，沥青混合料在0℃，-10℃和-20℃不同温度下的归一化疲劳方程分别为：

nf＝(1/tv)^2.596，r²＝0.994式(1)

nf＝(1/tv)^3.114，r²＝0.997式(2)

nf＝(1/tv)^3.241，r²＝0.995式(3)

其中，nf是疲劳寿命；k，n与材料性质有关的试验参数；tv是速度相关应力比；sv是与速度相关的强度。

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。