一种不同加载模式下沥青混合料疲劳性能的统一评价方法与流程

本发明属于道路工程技术领域，尤其涉及一种不同加载模式下沥青混合料疲劳性能的统一评价方法。

背景技术：

疲劳开裂是沥青路面的三大主要病害之一(疲劳开裂、低温开裂和车辙)。疲劳开裂主要是由于反复的交通荷载造成的，并且可能导致沥青路面的使用性能显著降低。沥青混合料的抗裂性能与沥青路面的疲劳性能直接相关。因此，多年来，沥青混合料的疲劳性能的实验室表征一直是一个值得深入研究的课题。

有人使用四点弯曲疲劳试验、两点梯形粱疲劳试验、overlaytester三种不同的试验方法评价工程上常用的七种沥青混合料的疲劳性能，发现七种沥青混合料的疲劳性能在三种不同的疲劳试验评价方法的排序具有一致性，但是不同试验方法的疲劳性能不能相互转化；有人通过小梁弯曲试验、半圆弯拉试验、间接拉伸试验3种方法，进行多因素影响下的沥青混合料疲劳试验的对比分析，发现在同一条件下，不同受力模式下的疲劳寿命由大至小依次为间接拉伸试验、小梁弯曲试验和半圆弯拉试验。

综上所述，实验室评价沥青混合料疲劳性能的试验方法主要有直接拉伸、单轴压缩、四点弯曲、劈裂、半圆弯拉，用以评价材料的拉、压、弯性能，但是不同试验方法得到的疲劳性能差别较大，难以进行比较，故亟需一种能够统一评价不同加载模式下沥青混合料疲劳性能的方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种不同加载模式下沥青混合料疲劳性能的统一评价方法。本发明公开的评价方法不仅能够提高沥青混合料的室内试验效率、节约试验成本，而且为准确评价不同加载模式下沥青混合料疲劳性能提供理论依据，进而为耐久性沥青路面设计提供参考。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种不同加载模式下沥青混合料疲劳性能的统一评价方法，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模式在不同加载速率下的强度试验；

(2)对沥青混合料进行不同加载模式在不同加载速率下的疲劳试验。

1)直接拉伸强度、疲劳试验方法

首先将经逐层筛分的矿料烘干，并加入沥青搅拌均匀得到沥青混合料，并按照《公路工程沥青及混合料试验规程》(jtge20-2011)的试验要求，直接拉伸试验研究采用振动压实机将所述沥青混合料碾压成尺寸为400mm×300mm×50mm的成型试板，然后将其切割成长为250±2mm、宽为50±2mm、高为50mm±2mm的梁式试件，备用。

然后将准备好的试件放在温度为15℃恒温箱保温4-5h，随后将其放在多功能材料测试系统(mts-landmark)的强度试验支座上，并调整使强度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。

再然后通过内置mpt编制运行程序并设置施加荷载和采集参数，将试件进行不同加载速率下的直接拉伸强度试验，且每个加载速率均进行五次有效的平行试验，取平均值即得不同加载速率下的直接拉伸强度值。

继而通过得到的不同加载速率的强度值，进行直接拉伸疲劳试验，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。

最后通过得到的速度相关应力比，建立不同加载速率下沥青混合料的疲劳方程，使沥青混合料直接拉伸强度和疲劳失效问题得到统一。

2)单轴压缩强度、疲劳试验方法

首先将经逐层筛分的矿料烘干，并加入沥青搅拌均匀得到沥青混合料，并按照《公路工程沥青及混合料试验规程》(jtge20-2011)的试验要求，采用sgc旋转压实仪将所述沥青混合料制成高度为100±2mm，直径为100±2mm的圆柱体沥青混合料试件，待试件成型后静置于平整桌面若干天，备用。

然后将准备好的试件放在温度为15℃的恒温箱保温4-5h，随后将其放在多功能材料测试系统(mts-landmark)的强度试验支座上，并调整使强度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。

再然后通过内置mpt编制运行程序并设置施加荷载和采集参数，将试件进行不同加载速率下的单轴压缩强度试验，且每个加载速率均进行五次有效的平行试验，取平均值即得不同加载速率下的单轴压缩强度值。

继而通过得到的不同加载速率的强度值，进行单轴压缩疲劳试验，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。

最后通过得到的速度相关应力比，建立不同加载速率下沥青混合料的疲劳方程，使沥青混合料单轴压缩强度和疲劳失效问题得到统一。

3)劈裂强度、疲劳试验方法

首先将经逐层筛分的矿料烘干，并加入沥青搅拌均匀得到沥青混合料，并按照《公路工程沥青及混合料试验规程》(jtge20-2011)的试验要求，采用sgc旋转压实仪将所述沥青混合料制成高度为100±2mm，直径为100±2mm的圆柱体沥青混合料试件，待试件成型后静置于平整桌面若干天，随后将符合要求的圆柱体沥青混合料试件切割成高度为60±2mm，直径为100±2mm的圆柱体试件，备用。

然后将准备好的试件放在温度为15℃的恒温箱保温4-5h，随后将其放在多功能材料测试系统(mts-landmark)的强度试验支座上，并调整使强度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。

再然后通过内置mpt编制运行程序并设置施加荷载和采集参数，将试件进行不同加载速率下的劈裂强度试验，且每个加载速率均进行五次有效的平行试验，取平均值即得不同加载速率下的劈裂强度值。

继而通过得到的不同加载速率的强度值，进行劈裂疲劳试验，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。

最后通过得到的速度相关应力比，建立不同加载速率下沥青混合料的疲劳方程，使沥青混合料劈裂强度和疲劳失效问题得到统一。

优选的，直接拉伸试验研究所用振动压实机采用英国著名的试验设备生产商cooperresearchtechnology有限公司所提供的rcenld-ii气动型压实机，方便用于调整振动方式、压实高度、压实速率等参数。

优选的，所述单轴压缩、劈裂试验设备均采用sgc旋转压实仪，所述sgc旋转压实仪的工作参数：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°。它具有自动测定试件高度、旋转次数及对应高度的记录和显示功能。

优选的，所述直接拉伸试验试件的尺寸：长为250±2mm，宽为50±2mm，高为50mm±2mm；所述单轴压缩试验圆柱形试件的尺寸：高度为100±2mm，直径为100±2mm；所述劈裂试验圆柱形试件的尺寸：高度为60±2mm，直径为100±2mm。

优选的，强度试验中，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，所述步骤三中的强度试验为直接拉伸试验、劈裂试验或单轴压缩试验。

优选的，所述直接拉伸强度试验和劈裂强度试验的加载速率为：5mpa/s,10mpa/s、20mpa/s、30mpa/s、40mpa/s、50mpa/s、60mpa/s、70mpa/s；所述单轴压缩强度试验的加载速率为：0.02mpa/s、0.05mpa/s、0.1mpa/s、0.5mpa/s、1mpa/s、2mpa/s。

优选的，疲劳试验中，加载频率与加载速率的换算公式为：

其中，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，不同加载模式的强度试验采用的控制模式为应力控制模式，试验温度为15℃。

优选的，不同加载模式的疲劳试验采用的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10hz，试验温度为15℃。

通过上述技术方案，本发明的技术效果：本发明提供了一种不同加载模式下沥青混合料疲劳性能的统一评价方法，通过利用多功能材料测试系统(mts-landmark)对试件进行不同加载速率条件下的直接拉伸、单轴压缩、劈裂强度试验，建立了不同加载模式下沥青混合料强度随加载速率变化模型；并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，实现了不同加载模式下沥青混合料疲劳性能的归一化，该评价方法不仅能够提高沥青混合料的室内试验效率、节约试验成本，而且为准确评价不同加载模式下沥青混合料疲劳性能提供理论依据，进而为耐久性沥青路面设计提供参考。

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为沥青混合料直接拉伸强度随加载速率变化曲线；

图2为直接拉伸疲劳寿命随速度相关应力比变化曲线；

图3为沥青混合料单轴压缩强度随加载速率变化曲线；

图4为单轴压缩疲劳寿命随速度相关应力比变化曲线；

图5为沥青混合料劈裂强度随加载速率变化曲线；

图6为劈裂疲劳寿命随速度相关应力比变化曲线；

图7为不同加载模式下沥青混合料疲劳性能统一表达模型。

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加载模式下沥青混合料疲劳性能的统一评价方法，该方法不仅能够提高沥青混合料的室内试验效率、节约试验成本，而且为准确评价不同加载模式下沥青混合料疲劳性能提供理论依据，进而为耐久性沥青路面设计提供参考。

实施例

1)直接拉伸强度、疲劳试验方法

将经逐层筛分的矿料烘干，并加入沥青搅拌均匀得到沥青混合料，并按照《公路工程沥青及混合料试验规程》(jtge20-2011)的试验要求，直接拉伸试验研究所用振动压实机采用英国著名的试验设备生产商cooperresearchtechnology有限公司所提供的rcenld-ii气动型压实机，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，然后将其切割成长250±2mm，宽50±2mm，高50mm±2mm的梁式试件用于直接拉伸强度试验，备用。

将准备好的试件放在温度为15℃的恒温箱保温4-5h，然后将其放在多功能材料测试系统(mts-landmark)的强度试验支座上，并调整使强度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。

通过内置mpt编制运行程序并设置施加荷载和采集参数，将试件进行不同加载速率下直接拉伸强度试验，且每个加载速率均进行五次有效的平行试验，取平均值即得不同加载速率下的直接拉伸强度值。

通过拟合不同加载速率下的直接拉伸强度值，可得拟合曲线如附图1，所示拟合方程为:

rd＝2.15852v^0.21307，r²＝0.952

其中，rd为直接拉伸强度值；v为强度试验的加载速率；r²为方程的相关系数。

按照《公路工程沥青及混合料试验规程》(jtge20-2011)的试验要求进行直接拉伸疲劳试验，剔除严重偏离疲劳曲线的试验点后，不同加载速率下沥青混合料直接拉伸疲劳试验结果拟合曲线如附图2所示，拟合方程为：

nf＝tv^-5.14，r²＝0.982

其中，nf为疲劳寿命；tv为强度试验的加载速率；r²为方程的相关系数。

2)单轴压缩强度、疲劳试验方法

将经逐层筛分的矿料烘干，并加入沥青搅拌均匀得到沥青混合料，并按照《公路工程沥青及混合料试验规程》(jtge20-2011)的试验要求，单轴压缩试验采用sgc旋转压实仪进行成型，可直接成型试件尺寸为高度100±2mm，直径为100±2mm的圆柱体沥青混合料试件，试件成型后静置于平整桌面若干天，备用。

将准备好的试件放在15℃的恒温箱保温4-5h，然后将其放在多功能材料测试系统(mts-landmark)的强度试验支座上，并调整使强度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。

通过内置mpt编制运行程序并设置施加荷载和采集参数，将试件进行不同加载速率下单轴压缩强度试验，且每个加载速率均进行五次有效的平行试验，取平均值即得不同加载速率下的单轴压缩强度值。

通过拟合不同加载速率下的压缩强度值，可得拟合曲线如附图3所示，拟合方程为:

rc＝9.81584v^0.22107，r²＝0.992

其中，nf为疲劳寿命；tv为强度试验的加载速率；r²为方程的相关系数。

按照《公路工程沥青及混合料试验规程》(jtge20-2011)的试验要求进行直接拉伸疲劳试验，剔除严重偏离疲劳曲线的试验点后，不同加载速率下沥青混合料单轴压缩疲劳试验结果拟合曲线如附图4所示，拟合方程为：

nf＝tv^-5.51，r²＝0.997

其中，nf为疲劳寿命；tv为强度试验的加载速率；r²为方程的相关系数。

3)劈裂强度、疲劳试验方法

将经逐层筛分的矿料烘干，并加入沥青搅拌均匀得到沥青混合料，并按照《公路工程沥青及混合料试验规程》(jtge20-2011)的试验要求，单轴压缩试验采用sgc旋转压实仪进行成型，成型试件尺寸为高度100±2mm，直径为100±2mm的圆柱体沥青混合料试件，试件成型后静置于平整桌面若干天，将符合要求的圆柱体沥青混合料试件切割成高度60±2mm，直径为100±2mm的圆柱体试件，备用。

将准备好的试件放在15℃的恒温箱保温4-5h，然后将其放在多功能材料测试系统(mts-landmark)的强度试验支座上，并调整使强度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。

通过内置mpt编制运行程序并设置施加荷载和采集参数，将试件进行不同加载速率下劈裂强度试验，且每个加载速率均进行五次有效的平行试验，取平均值即得不同加载速率下的劈裂强度值。

通过拟合不同加载速率下的劈裂强度值，可得拟合曲线如附图5所示，拟合方程为:

rt＝2.24289v^0.22571，r²＝0.957

其中，rt为直接拉伸强度值；v为强度试验的加载速率；r²为方程的相关系数。

按照《公路工程沥青及混合料试验规程》(jtge20-2011)的试验要求进行直接拉伸疲劳试验，剔除严重偏离疲劳曲线的试验点后，不同加载速率下沥青混合料单轴压缩疲劳试验结果拟合曲线如附图6所示，拟合方程为：

nf＝tv^-5.48，r²＝0.995

其中，nf为疲劳寿命；tv为强度试验的加载速率；r²为方程的相关系数。

4)根据不同加载模式在不同加载速率下的疲劳方程，拟合得到的疲劳寿命与速度相关应力比关系拟合曲线参数汇总，如表1所示：

表1不同加载模式下沥青混合料疲劳寿命与速度相关应力比关系拟合曲线参数

从表1能够看出基于速度相关应力比思想的不同加载模式下的s-n疲劳方程的材料参数k值均等于1，也就是说，当疲劳试验中的速度相关应力比等于1时，沥青混合料的疲劳寿命为1，故基于速度相关应力比思想的沥青混合料的疲劳预测模型使得强度失效和疲劳失效问题得到了统一，弥补了传统s-n疲劳模型的不足。

此外，从表1能够看出基于速度相关应力比思想的不同加载模式下的s-n疲劳方程的材料参数n值相差不大，故不同加载模式下的沥青混合料的疲劳性能得到了归一化，不同加载模式下疲劳性能的拟合曲线如附图7所示，本发明公开的评价方法不仅能够提高沥青混合料的室内试验效率、节约试验成本，而且为准确评价不同加载模式下沥青混合料疲劳性能提供理论依据，进而为耐久性沥青路面设计提供参考。

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。