一种多年冻土地区沥青混合料冻融循环疲劳试验方法

摘要

本发明公开了一种多年冻土地区沥青混合料冻融循环疲劳试验方法，成型棱柱体梁式试件，对棱柱体梁式试件进行饱水后冻融模拟多年冻土地区昼夜温差大引发的冻融现象，在此基础上进行一定加载次数的疲劳试验模拟车辆荷载的反复作用，将前述的冻融试验和疲劳试验交叉反复进行直至棱柱体梁式试件发生疲劳破坏以综合反应气候条件和车辆荷载的综合疲劳作用。本发明方法由于重复了冻融循环和疲劳的反复过程，试验数据更有现实意义；考虑到冻融循环造成的小梁变形，设计不锈钢器具，减少它的变形，为冻融后的疲劳试验提供方便。本发明方法所需的试验设备较为简单，操作方便，便于试验推广。

说明书

技术领域

本发明涉及道路工程试验方法技术，具体涉及一种多年冻土地区沥青混合料冻融循 环疲劳试验方法。

背景技术

沥青混合料的疲劳是指材料在荷载重复作用下产生不可恢复的强度衰减积累所引 起的一种损伤现象，而沥青混合料的抗疲劳能力正是反映了它承受重复荷载而不断裂的 能力。根据荷载的不同分为交通荷载重复作用引起的疲劳和温度循环作用引起的温度疲 劳,前者是因为交通荷载的重复作用，使得路面结构内产生的微小变形得到累积，当这 种变形继续增大扩展时，将导致路面的破损发生；而后者是由于低温地区的沥青路面长 期暴露在强紫外线、大风、日差较大的环境中，气温较长周期性地变化引起温度场、温 度应力场的周期变化，当温度应力的累积超过沥青混合料的极限抗拉强度时，路面就将 发生疲劳破损。

多年冻土地区的沥青混凝土路面不但要经受交通荷载的重复作用，而且更多地要经 受较大的日夜温差交替作用，因而温度疲劳开裂、温度缩裂以及交通荷载疲劳开裂是路 面破损的主要形式，不仅如此，水分的存在还会导致沥青混合料和沥青路面因温度的高 低交替发生反复的冻融现象，反复冻融的发生会进一步加剧沥青混合料和沥青路面的疲 劳破坏。所以针对多年冻土地区的特殊地理气候环境，研究沥青混合料经过冻融循环后 的抗疲劳性能是很有必要的，能够更加实际的反应多年冻土地区路面结构的力学行为。

尽管现行沥青混合料试验规程中涉及到了沥青混合料的冻融劈裂试验和沥青混合 料疲劳试验，但是至今没有能够同时考虑沥青混合料冻融和疲劳的性能试验，更缺乏能 够反映沥青混合料重复冻融与疲劳荷载作用反复间隔作用的性能试验。这也是导致多年 冻土地区沥青混合料材料选择不合理，容易引发后期使用病害的重要原因之一。

发明内容

本发明目的是提供一种多年冻土地区沥青混合料冻融循环疲劳试验方法，综合考虑 温度影响和车辆荷载影响，更符合路面结构的实际使用条件，可以更准确地模拟沥青路 面在多年冻土地区的实际受力情况，得到符合实际使用情况的力学性能指标。

本发明采用以下技术方案：

一种多年冻土地区沥青混合料冻融循环疲劳试验方法，包括如下步骤：

步骤1、依据沥青混合料配合比设计，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 JTG E20-2011中T 0703-2011轮碾法，制作尺寸为400mm×300mm×50mm的沥青混合 料板块试件，将沥青混合料板块试件切割成381mm×63.5mm×50mm的棱柱体梁式试 件；

步骤2、室温下，将棱柱体梁式试件放入水槽中，水浸没棱柱体梁式试件，将装有 棱柱体梁式试件的水槽置于真空干燥箱中，在97.3kpa真空度下15min，之后使真空干 燥箱恢复常压状态，并使棱柱体梁式试件继续浸水1h，完成棱柱体梁式试件饱水；

步骤3、将饱水的棱柱体梁式试件从水槽中取出，用保鲜膜密实包裹，放入不锈钢 容器中，将装有棱柱体梁式试件的不锈钢容器放入恒温冰箱中，在-18℃下冰冻4h，之 后从不锈钢容器中取出棱柱体梁式试件，在室温下放入水槽中浸水30min，后将棱柱体 梁式试件从水槽中取出并将保鲜膜撕掉，融化4h以上，完成棱柱体梁式试件的冻融循 环；

步骤4、将冻融后的棱柱体梁式试件按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 JTG E20-2011中T0739-2011沥青混合料四点弯曲疲劳寿命试验，进行三分点加载疲劳 试验，采用半正弦应变控制模式，加载频率10Hz，试验温度15℃，应变水平400με， 设定N个加载循环，记录试验参数和试验结果；

步骤5、将加载完的棱柱体梁式试件重复步骤2至步骤4的冻融循环疲劳试验，直 至试件疲劳破坏。

步骤4中N个加载循环按照如下方法确定：将步骤1的棱柱体梁式试件，不经冻融， 直接进行三分点加载疲劳试验，采用半正弦应变控制模式，加载频率10Hz，试验温度 15℃，应变水平400με，直至棱柱体梁式试件疲劳破坏，获得棱柱体梁式试件的疲劳 加载循环总次数，取总次数的十分之一即为N。

步骤3所述不锈钢容器的内部尺寸为385mm×65mm×50mm。

本发明的有益效果：

1、本发明方法综合考虑温度影响和车辆荷载影响，重复了冻融循环和疲劳的反复 过程，可以更准确地模拟沥青路面在多年冻土地区的实际受力情况，得到符合实际使用 情况的力学性能指标，试验数据更有现实意义；其次，考虑到冻融循环造成的小梁变形， 设计不锈钢器具，减少它的变形，为冻融后的疲劳试验提供方便。

2、由于试件选用多年冻土区路面的沥青混合料的级配和油石比，饱水后的冻融循 环也符合冻土区的温度气候状况，可以模拟低温及温差较大的条件下沥青混合料所受温 度荷载的情况，使室内试验更具有合理性和有效性。

3、通过多次冻融循环和多次疲劳加载试验，可以得到沥青混合料低温疲劳试验后 的相关技术指标，反映沥青混合料在温差较大情况下的疲劳性能，为多年冻土区的沥青 混合料设计提供了依据。对不同的沥青混合料进行性能评价，就能够通过对比分析优选 适用于多年冻土地区的沥青混合料。

4、本发明方法所需的试验设备较为简单，操作方便，便于试验推广。

附图说明

图1为本发明提供的一种不锈钢容器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下述实施例不以任何形式限制 本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均处于本发明的保护范 围之中。

多年冻土地区的沥青混凝土路面不仅要经受车辆荷载的反复作用，同时要经受较大 的日夜温差交替作用，考虑到多年冻土地区特有的日夜温差大和冰冻气候条件，设计低 温下的沥青混合料冻融循环疲劳试验有助于多年冻土区的沥青混合料设计，因为以往的 沥青混合料设计仅仅照顾了低温性能，这样滞后于冻土区的施工修筑技术。本发明综合 考虑多年冻土区的特殊使用条件，提供一种多年冻土地区沥青混合料冻融循环疲劳试验 方法。

本发明提供的一种多年冻土地区沥青混合料冻融循环疲劳试验方法的设计思路是： 采用冻融循环试验模拟沥青混合料在多年冻土地区实际使用过程中由于日夜温差大所 经受的冰冻和化冻气候条件，采用疲劳试验模拟沥青混合料所经受的车辆荷载重复作 用，将冻融循环试验和疲劳试验进行交叉进行以模拟气候条件和车辆荷载作用的综合作 用，以期获得反应沥青混合料在多年冻土地区低温气候条件下的冻融循环疲劳性能，不 仅能够为沥青混合料的性能优化提供参考，同时能够用于对比不同沥青混合料的性能差 异性，优选适宜的路面材料。

实施例1

一种多年冻土地区沥青混合料冻融循环疲劳试验方法，包括如下步骤：

步骤1、依据沥青混合料配合比设计，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 JTG E20-2011中T 0703-2011轮碾法，室内拌和生产沥青混合料并成型沥青混合料板块 试件，尺寸为400mm(长)×300mm(宽)×50mm(高)，将沥青混合料板块试件切 割成381mm(长)×63.5mm(宽)×50mm(高)的棱柱体梁式试件；一个沥青混合料 板块试件可以切割出四个梁式试件，为保证重复试验精度，至少应成型两个板块试件， 切割出8个梁式试件。

步骤2、室温下，将棱柱体梁式试件放入水槽中，水浸没棱柱体梁式试件，将装有 棱柱体梁式试件的水槽置于真空干燥箱中，在97.3kpa真空度下15min，之后打开阀门 使真空干燥箱恢复常压状态，并使棱柱体梁式试件继续浸水1h，完成棱柱体梁式试件饱 水。

步骤3、将饱水的棱柱体梁式试件从水槽中取出，用保鲜膜密实包裹，放入不锈钢 容器中，将装有棱柱体梁式试件的不锈钢容器放入恒温冰箱中，在-18℃下冰冻4h，之 后从不锈钢容器中取出棱柱体梁式试件，在室温下放入水槽中浸水30min，后将棱柱体 梁式试件从水槽中取出并将保鲜膜撕掉，融化4h以上，完成棱柱体梁式试件的冻融循 环；不锈钢容器如图1所示，内部尺寸为385mm(长)×65mm(宽)×50mm(高)。 考虑到饱水的试件放入冰箱时会发生水分溢出，为了使试件整体冷冻效果均匀，在试件 饱水取出后，应采用保鲜膜密实包裹，同时为了防止试件在之后的冻融循环过程中发生 过大的变形，应将试件至于不锈钢容器中，使试件四周产生约束，保持其原有形状，以 便于后续的疲劳试验。

步骤4、将冻融后的棱柱体梁式试件按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 JTG E20-2011中T0739-2011沥青混合料四点弯曲疲劳寿命试验，进行三分点加载疲劳 试验，采用半正弦应变控制模式，加载频率10Hz，试验温度15℃，应变水平400με， 设定N个加载循环，记录试验参数和试验结果；N个加载循环按照如下方法确定：将 步骤1的棱柱体梁式试件，不经冻融，直接进行三分点加载疲劳试验，采用半正弦应变 控制模式，加载频率10Hz，试验温度15℃，应变水平400με，直至棱柱体梁式试件 疲劳破坏，获得棱柱体梁式试件的疲劳加载循环总次数，取总次数的十分之一即为N。

步骤5、将加载完的棱柱体梁式试件重复步骤2至步骤4的冻融循环疲劳试验，直 至试件疲劳破坏。

本发明成型棱柱体梁式试件，对棱柱体梁式试件进行饱水后冻融模拟多年冻土地区 昼夜温差大引发的冻融现象，在此基础上进行一定加载次数的疲劳试验模拟车辆荷载的 反复作用，将前述的冻融试验和疲劳试验交叉反复进行直至棱柱体梁式试件发生疲劳破 坏以综合反应气候条件和车辆荷载的综合疲劳作用。