CN107741367A - 一种双悬臂模式下的沥青混合料切片高频疲劳试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双悬臂模式下的沥青混合料切片高频疲劳试验方法，该方法将沥青混合料切片固定到动态力学分析仪器双悬臂夹具上，DMA活动轴在电机驱动的带动下在试件中部施加高频率的动态正弦荷载，试验过程中采集相应的应力应变，并计算沥青混合料复数模量、储能模量、损耗模量和相外角。本发明使用沥青混合料切片试件，通过在试件中部施加高频率荷载，使试件在弯拉受力模式下进行疲劳试验。该试验方法能够有效提高加载效率，在更长服役周期内考察沥青混合料的疲劳性能。试验原理简便、试验操作简单，便于推广。

Description

一种双悬臂模式下的沥青混合料切片高频疲劳试验方法

技术领域

本发明涉及道路工程沥青路面领域，涉及一种对沥青混合料进行疲劳试验的新方法。

背景技术

沥青混凝土在服役期间受重复交通荷载及温度作用，路面强度逐渐降低，当荷载作用超过一定次数，下降后的路面结构强度不足以抵抗路面内部产生的应力，致使路面出现裂缝，最终导致路面的疲劳破坏。疲劳破坏是目前沥青混凝土路面破坏的主要形式之一。因此多年以来沥青与沥青混合料的疲劳性能一直是路面工程的研究重点。

目前世界各国的疲劳试验分为两类：一类是测试实际路面在真实汽车荷载作用下的特性或用足尺路面结构试验模拟汽车荷载对路面的疲劳作用；二是室内小型试件的疲劳试验。第一类方法能够较好的反应路面的实际疲劳性能，但是该方法耗资巨大、周期长，且试验结果受当地环境及路面结构影响较大，普及度不高。而多采用周期短、成本小操作减简便的室内小比例疲劳试验。

沥青混合料室内疲劳试验方法较多，根据试验受力方式的不同主要包括以下几种(1)简弯曲试验，(2)直接单轴拉伸，(3)间接拉伸试验，(4)三轴试验，(5)断裂力学试验等，不同的研究人员根据其研究需要选择不同的试验方法。但是上述试验方法受试验设备限制，试验频率较低，导致疲劳试验周期还是较长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沥青混合料疲劳性能试验的新方法，克服现有技术方法无法在较短试验时间内考察沥青混合料长期疲劳性能的局限。

一种双悬臂模式下的沥青混合料切片高频疲劳试验方法，包括以下步骤：

1)使用旋转压实仪成型旋转压实试件，然后采用切割机将试件切割成固定尺寸的沥青混合料切片；

2)将沥青混合料切片固定到动态力学分析仪器的双悬臂夹具上；

3)动态力学分析仪器的活动轴在电机驱动的带动下在试件中部施加高频率的动态正弦荷载；

4)试验过程中通过设备自带传感器采集试件的粘弹参数。

所述步骤3中的活动轴通过传动装置与空气驱动相连，从而对试件进行不同频率和不同应变水平下的加载。

为提高加载效率，试验荷载频率40≤f≤200Hz

所述沥青混合料切片为长60±5mm、宽15±1mm、厚3±0.2mm。

所述旋转压实试件尺寸为φ150mm×170mm，成型方法为试件所受垂直压力为600kPa，旋转角度为1.25°，旋转速度为每分钟30转。

所述试件切割方法为首先使用一般切割机在试件中部取出若干块长60mm，宽45mm，高15mm的长方体试块；然后采用切割精度为10μm的高精度切割机将试件切割成长60±5mm、宽15±1mm、厚3±0.2mm的沥青混合料切片。

所述切割后的切片在避光通风条件下放置24h以上，待试件干燥后才能用于下一步试验。

所述旋转压实试件成型需进行密度检则，所述密度检测采用塑封法，每一试件的密度与同批次所有试件的平均密度相差不能超过10％，否则该试件作废。

所述步骤2中将沥青混合料切片试件固定在双悬臂夹具上后，关闭工作炉，使沥青混合料切片试件在试验温度下恒温15min，工作炉内的热电偶实时采集中的环境温度。

所述步骤2中的沥青混合料试件通过拧紧固定部和运动部的夹紧中心螺丝钉使试件固定在固定支座上。

本发明采用其它领域中的动态力学分析仪器(DMA设备)，选择双悬臂梁进行沥青混合料切片疲劳性能试验，不仅能够准确模拟路面内部的现实受力状况，而且有效提高了加载效率，能够考察较长服役周期内沥青混合料的疲劳性能。另外采用沥青混合料切片进行疲劳试验重点考察了沥青与沥青、沥青与集料粘附性对沥青混合料疲劳的影响。

有益效果：本发明的沥青混合料切片高频疲劳试验，采用DMA设备，通过双悬臂具夹在弯拉受力模式下对沥青混合料试件进行高频疲劳试验。该方法能很好的模拟路面结构内部的现实受力状况；同时创造性的采用较小尺寸的沥青混合料切片试件进行高频疲劳试验，不仅有效提高了加载效率缩短了试验周期，而且突出了沥青品质和沥青与集料的粘附性对材料疲劳寿命的影响。原理先进，操作简单，便于推广。

附图说明

图1为沥青混合料切片试件成型过程，

图2为沥青混合料切片试件，

图3为DMA双悬臂夹具示意图，

其中各标号列示如下：

1－夹紧中心螺丝钉，2－支持棒，3－活动爪，4－切片，5－固定夹具，6－固定螺丝钉；

图4为DMA试件受力示意图，

其中：A－固定夹具，B－荷载作用点；

图5为实施案例中沥青混合料切片试件按照不同的试验方法得到的疲劳曲线。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实例和附图进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的案例。

本发明提供一种沥青混合料高频疲劳性能的测试方法，包含以下步骤：

步骤1：使用旋转压实仪成型旋转压实试件；然后采用高精度切割机将试件切割成固定尺寸的沥青混合料切片，见图1、图2；

步骤2：调节动态力学分析仪器(DMA设备)的固定夹具5上的固定螺丝钉5，将沥青混合料切片4***到活动爪3下方，通过穿过支持棒2的夹紧中心螺丝钉1，将切片4固定于到动态力学分析仪器双悬臂夹具上(见图3，图4)，关闭工作炉，使试件在试验温度下恒温15min。

步骤3：待恒温完成后开始试验，DMA活动轴在电机驱动的带动下在试件中部施加高频率的动态正弦荷载。

步骤4：试验过程中通过设备自带传感器采集试件的粘弹参数。

1试件的制备

该案例采用AC25-30#沥青混合料进行疲劳试验，沥青混合料的具体信息如表1所示。试件的成型采用旋转压实仪，试件成型完成后采用塑封法测试件密度，每一试件的密度与同批次所有试件的平均密度相差不能超过10％，否则该试件作废。

表1沥青混合料矿料级配与油石比

试件的切割分两步进行：首先采用使用一般切割机在试件中部取出若干块长60mm，宽45mm，高15mm的长方体试块；然后采用高精度切割机(切割精度10μm)将试件切割成长60±5mm、宽15±1mm、厚3±0.2mm的沥青混合料切片。将切好的沥青混合料切片放置在阴凉、避光处通风24h以上。待试件完全干燥后进行试验。

2试件保温

将沥青混合料切片试件固定在双悬臂夹具上，关闭工作炉，确保试件在试验温度15℃下保温15min，工作炉内的温度通过氮气进行调节，炉内设有热电偶负责采集和测量工作炉内的温度。

3疲劳性能试验

保温结束后，在规定温度下对试件中部施加连续动态正弦荷载。疲劳试验采用控制应变方式，应变水平分别为200、300、600、1000、1500με，仪器按照0.01s的时间间隔记录试件在不同应变水平下的粘弹参数变化趋势。试验频率为80Hz。

4疲劳失效判据

疲劳寿命指试件达到破坏或失效时荷载重复作用次数。疲劳失效判据直接决定了疲劳试验的终止条件。此处采用SHRP提出的疲劳失效判据—材料劲度模量衰减至初始劲度模量的50％。

5可靠性验证试验

为进一步验证上述试验方法的可靠性以及其优良性，采用同种沥青混合料进行两点疲劳弯曲试验，试验频率为25Hz，试验应变水平50、100、200、300、500με。仍采用材料劲度模量衰减至初始劲度模量的50％为疲劳失效判据。

6疲劳试验数据

按照上述沥青混合料疲劳失效判据得到了AC25-30#沥青混合料在不同试验方法、不同应变水平下的疲劳寿命(如表2、3所示)。按照表2、3中的数据，以应变水平的对数值为横坐标、疲劳寿命N的对数值为纵坐标可绘制如图5所示的AC25-30#沥青混合料的疲劳曲线。

表2沥青混合料DMA疲劳试验疲劳寿命汇总表

表3沥青混合料两点疲劳试验疲劳寿命汇总表

通过图5可发现两种不同的试验方法得到的同种材料的疲劳曲线走势一致，应变水平越大材料的疲劳寿命越小，且在双对数坐标下拟合得到的疲劳曲线其斜率较为接近。即采用DMA设备对材料进行高频疲劳试验的方法是可行的。将两种试验方法绘制得到沥青混合料疲劳曲线所用时间、总作用次数进行汇总如表4所示。通过表中数据可以发现DMA高频疲劳试验在较短时间内完成了更多次加载，即其单位时间内荷载作用次数远高于两点疲劳试验，加载效率越约为两点疲劳试验方法的3倍，因此可以认为DMA高频疲劳试验方法较大幅度的提高了疲劳试验的加载效率，缩短了试验周期。

表4不同试验方法试验参数汇总表

Claims (10)

1.一种双悬臂模式下的沥青混合料切片高频疲劳试验方法，包括以下步骤：

1)使用旋转压实仪成型旋转压实试件，然后采用切割机将试件切割成固定尺寸的沥青混合料切片；

2)将沥青混合料切片固定到动态力学分析仪器的双悬臂夹具上；

3)动态力学分析仪器的活动轴在电机驱动的带动下在试件中部施加高频率的动态正弦荷载；

4)试验过程中通过设备自带传感器采集试件的粘弹参数。

2.根据权利要求1所述的方法，所述步骤3中的活动轴通过传动装置与空气驱动相连，从而对试件进行不同频率和不同应变水平下的加载。

3.根据权利要求2所述的方法，所述试验荷载频率40≤f≤200Hz。

4.根据权利要求1所述的方法，所述沥青混合料切片为长60±5mm、宽15±1mm、厚3±0.2mm。

5.根据权利要求4所述的方法，所述旋转压实试件尺寸为φ150mm×170mm，成型方法为试件所受垂直压力为600kPa，旋转角度为1.25°，旋转速度为每分钟30转。

6.根据权利要求5所述的方法，所述试件切割方法为首先使用切割机在试件中部取出若干块长60mm，宽45mm，高15mm的长方体试块；然后采用切割精度为10μm的高精度切割机将试件切割成长60±5mm、宽15±1mm、厚3±0.2mm的沥青混合料切片。

7.根据权利要求6所述的方法，所述切割后的切片在避光通风条件下放置24h以上，待试件干燥后才能用于下一步试验。

8.根据权利要求1所述的方法，所述旋转压实试件成型需进行密度检则，所述密度检测采用塑封法，每一试件的密度与同批次所有试件的平均密度相差不能超过10％，否则该试件作废。

9.根据权利要求1所述的方法，所述步骤2中将沥青混合料切片试件固定在双悬臂夹具上后，关闭工作炉，使沥青混合料切片试件在试验温度下恒温15min，工作炉内的热电偶实时采集中的环境温度。

10.根据权利要求9所述的方法，所述步骤2中的沥青混合料试件通过拧紧固定部和运动部的夹紧中心螺丝钉使试件固定在固定支座上，工作炉内的环境温度采用氮气进行控制。