一种基于轮载仪的沥青混合料粘弹性性能试验方法

摘要

一种基于轮载仪的沥青混合料粘弹性性能试验方法，包括轮载仪、试件、动态模量试验和蠕变试验，a、试验前，先在沥青混合料试件的底部安装应变传感器，并且通过力学方法或有限元分析法计算得到所述试件在移动荷载作用下的应力分布情况；b、试验中，动态模量试验：通过轮载仪对试件施加周期性的移动轮载；蠕变试验：通过轮载仪对试件跨中位置施加持续的大小不变的竖向轮载；c、试验后，通过轮载仪和变传感器得出所述试件的应力、应变量和轮载的作用时间。本发明具有简单易行，可操作性和应用性强的特点，使得试验时试件的受力特点与实际沥青混凝土路面相似，测试得到的粘弹性性能更加准确可靠。

说明书

技术领域

本发明属于道路工程领域，具体涉及一种基于轮载仪的沥青混合料粘弹性性能试验方法，用于测试沥青混合料的粘弹性性能。 

背景技术

近些年来，公路交通特别是高等级公路建设的蓬勃发展，对道路材料的品质和功能也提出了更高的要求。道路材料的性能、质量和组成设计都对它的发展起了至关重要的作用，而通过合理的试验方法对道路材料的性能进行测试和了解是正确有效地使用道路材料的前提和基础。沥青混凝土路面由于具有诸多优点，在道路工程建设中得到广泛的应用，我国目前的高等级道路基本都采用沥青混凝土路面。 

沥青混合料的粘弹性特性极其复杂，影响因素众多，并且各因素之间相互影响，通常可以通过其在粘弹性范围内的试验来进行测定和表征。按照试验评价指标不同，沥青混合料粘弹性性能试验主要包括动态模量试验、蠕变试验和应力松弛试验等。通过这些试验，可以了解沥青混合料在恒定或重复周期性荷载作用下的力学响应，且相应的试验结果可以定量地评价沥青混合料抵抗持续性或周期性荷载作用的能力。 

用于研究沥青混合料粘弹性性能的试验方法很多，这些试验主要是加载方式的不同，目前应用较广泛的试验方法包括直接拉伸试验、单轴压缩试验和间接拉伸试验等常规的试验方法。直接拉伸试验中，虽然试件的受力方式简单直接，但是试件的准备和试验操作过程十分复杂，所以直接拉伸试验的可操作性差和效率低限制了它的推广应用。和直接拉伸试验相比，单轴压缩试验的操作相对简单、方便，但是其测试的是沥青混合料在压缩状态下的粘弹性特性，与实际道路路面沥青混合料的受力特点不相符，不能准确地放映沥青混合料在拉伸状态下的粘弹性特性。间接拉伸试验虽然可以间接测试得到沥青混合料在拉伸状态下的粘弹性特性，但是与单轴(拉伸和压缩)试验中试件所处的简单应力状态相比，间接拉伸试验中试件所处的应力状态极为复杂，试验结果的准确性较差。另外，相对于本发明中提出的试验方法，直接拉伸试验、单轴压缩试验和间接拉伸试验的试件制作过程较为复杂，往往需要通过切割和取芯等加工处理，而这些加工工艺具有较强的技巧性而难于精确控制，而且这些过程对试 件的孔隙率也会产生较大的影响，不正当和不准确的操作会导致同一组试件之间的孔隙率差异较大，而影响试验结果。 

在重复交通荷载的作用下，路面的实际应力应变状态表明沥青混合料在拉伸状态下的粘弹性特性对其各种路用性能有着决定性的作用。而加载方式本身又对沥青混合料的测试结果有很重要的影响，所以采用不合适的加载方式进行试验可能会导致得出错误的结论和不合理的设计。因此，开发出一种沥青混合料粘弹性性能的测试方法，使其加载方式与路面沥青混合料的实际受力特点相符合，对于研究沥青混合料的粘弹性性能、评价其路用性能和进行合理的设计都具有重要的意义。 

LWT(loaded wheel tester)是一种普遍应用于测试道路材料性能的仪器(设备)，俗称轮载仪。LWT试验可以定义为利用移动车轮荷载评价道路在长期服务条件下的使用性能的试验。目前主要用于测试沥青混合料的抗车辙(永久变形)性能、水敏感(水稳定)性能和疲劳性能。其工作原理是在一定的环境条件下，对试件施加重复性的车轮荷载来测试试件在轮载作用下轮迹位置的车辙，在浸水条件下的破坏点，或者是疲劳寿命。因此，与其它试验方法相比，LWT试验能够更加真实地模拟实际道路受到的重复车辆荷载的作用以及道路所处的外界环境条件，使试件的内部应力状态更接近道路的真实情况。由此可见，在目前LWT在世界范围内被广泛应用的同时，利用其自身的特点和优势开发出新的有效的试验方法不失为一种合理利用资源，节约成本的好办法。 

发明内容

本发明的目的是根据轮载仪移动轮载的加载特点，克服现有试验方法和技术之不足而提供一套简单易行，便于推广，且使试验中的沥青混合料试件与实际沥青混凝土路面的受力状态相符的基于轮载仪的沥青混合料粘弹性性能试验方法，以评价沥青混合料的粘弹性性能。 

本发明的目的可以通过下述技术方案予以实现： 

一种测试基于轮载仪的沥青混合料粘弹性性能试验方法，包括轮载仪、试件、动态模量试验和蠕变试验，其特征在于包括如下步骤 

a、试验前，先在沥青混合料试件的底部安装应变传感器，并且根据移动轮载特点和试件尺寸通过力学方法或有限元分析法计算得到所述试件在移动荷载作用下的应力分布情况； 

b、试验中，动态模量试验：首先对试件进行预加载，确定出能使试件产生的变形在线性粘弹性范围之内的移动轮载，然后通过轮载仪对试件施加周期性的移动轮载，并通过所述应变传感器来测量所述试件产生的拉伸变形的应变量； 

蠕变试验：首先对试件进行预加载，得出能使试件产生的变形在线性粘弹性范围之内的竖向轮载，通过轮载仪对试件跨中位置施加持续的大小不变的竖向轮载，并通过所述应变传感器来测量所述试件产生的拉伸变形的应变量； 

c、试验后，通过轮载仪和应变传感器得出所述试件的应力、应变量和轮载的作用时间。 

本发明中，所述步骤b中通过调节轮载仪的轮载速度来控制试验的加载频率。 

本发明中，所述步骤a中的沥青混合料试件可以通过静压法、振动压实法和轮碾成型法成型，所述试件为梁形或板形试件。 

本发明中，所述试件的长宽高根据所述轮载仪的具体型号而定或者选取需要测量粘弹性性能的实际路面的厚度而定。 

本发明中，所述步骤a和b中，试件成型后和试验过程中可以将试件置于环境箱中或者轮载试验仪的测试箱中进行保温和测试。 

采用上述方法，本发明的试件形状和受力特点完全模拟真实路面的实际情况，而且利用试件上的应变传感器得到试验过程中的应变量，从而根据沥青混合料的粘弹性理论来评价其粘弹性性能，通过沥青混合料在受力过程中本身的性质的变化来评价其粘弹性特征。也就是说，本发明在模拟真实路面的情况下，利用目前常用的、较为成熟的测试仪器来测试沥青混合料的粘弹性性能，使试验过程更加方便可行，且能更好的模拟沥青混合料路面的实际受力情况。 

综上所述，本发明具有简单易行，可操作性和应用性强的特点，并且该实验方法可以利用目前所广泛使用的各种轮载试验仪来完成，试验时试件的受力特点也与实际沥青混凝土路面相似，所以测试得到的拉伸状态下的沥青混合料的粘弹性性能更加准确可靠。 

图1是本发明的LWT粘弹性试验示意图； 

图2是图1的仰视图； 

图3（a）是APA加载系统示意图的顶视图； 

图3（b）是APA加载系统示意图的侧视图； 

图4是APA加载轮的运动方程的建立的示意图； 

图5是试件应力分析的简化力学模型； 

图6是LWT动态模量试验中试件在不同加载频率下所受到的拉应力； 

图7是LWT动态模量试验中试件在不同加载频率下产生的拉应变； 

图8是LWT动态模量试验中试件的应力应变关系； 

图9是不同温度下LWT蠕变试验中试件变形随加载时间的变化情况； 

图10是不同沥青混合料LWT粘弹性试验的动态模量结果； 

图11是不同沥青混合料LWT粘弹性试验的相位角结果； 

图12是不同沥青混合料LWT粘弹性试验的蠕变柔量结果（10C）。 

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。 

实施例： 

如图1和图2和所示，试验前，先在沥青混合料试件的底部粘贴或安装应变传感器，以在试验中测试试件在重复的移动荷载作用下所产生的拉伸变形。动态模量试验中，利用LWT对试件施加的周期性的移动轮载，并通过安装在试件底部的应变传感器来量测试件产生的弯曲拉伸变形。根据试件受到的应力和量测得到的变形以及加载过程中的应力—应变关系便可计算得到试件的动态模量和相位角。蠕变试验中，利用LWT在试件跨中位置施加持续的大小不变的轮载，并通过安装在试件底部的应变传感器来量测试件产生的弯曲拉伸变形，通过试件受到的大小不变的应力和随时间变化的拉应变便可计算得到试件的蠕变柔量。通过动态模量、相位角和蠕变柔量便可根据沥青混合料的粘弹性理论来评价其粘弹性性能。 

本实施例以基于APA(沥青路面分析仪)的LWT轮载系统为例，运用本发明的试验方法对几种不同的沥青混合料进行了粘弹性性能试验。 

试验中共考虑了4种不同的沥青混合料，考虑了两种不同的集料(石灰石和花岗岩)和3种不同等级的沥青结合料(PG 64-22、PG 70-22和PG 76-22)对沥青混合料的粘弹性性能的影响，以评价LWT粘弹性试验对不同沥青混合料的粘弹性性能的敏感性。这四种沥青混合料的基本信息如表1所示，所采用的粘弹性试验的基本信息如表2所示。 

表1本实施例所采用的四种不同沥青混合料的基本信息 

  沥青混合料   骨料   沥青等级   沥青含量   GN-1   花岗岩   PG64-22   5.8％   LS-1   石灰石   PG64-22   5.0％   LS-2   石灰石   PG70-22   5.0％   LS-3   石灰石   PG76-22   5.0％

^*GN-花岗岩(granite)；LS-石灰石(limestone)；PG-性能分级(performance grade)。 

本实施例LWT粘弹性试验的基本信息如表2所示。 

表2试验试件基本信息 

本实施例的具体实施过程如下所示： 

1、根据所使用的LWT的移动轮载特点和沥青混合料试件尺寸利用材料力学分析方法或有限元分析方法来计算试件在LWT周期轮载作用下所受到的应力；具体的计算和分析方法如下： 

如果采用材料力学的方法，可以根据试件和轮载的大小将三维问题简化为二维平面应力以简化计算。如图3所示为APA的加载系统示意图，APA的加载系统是通过中心旋转轴8带动曲柄7做圆周运动，然后曲柄7又驱动传动杆6前后移动，连接杆5与加载轮3相连接，加载轮上设置加力装置和压力传感器4，从而对试件施加周期性移动的类车辆荷载。加载过程中加载轮3做周期运动的频率可以通过调整中心旋转轴8的转动速度来控制。 

根据APA加载系统的运动形式（如图4所示），APA通常具有三个同步运行的加载钢轮，加载钢轮移动过程的运动方程可以建立如下： 

S＝R·(1-cos αt)，$\omega =\frac{2\pi }{T_r}$

其中，S-加载轮的相对位置； 

R-曲柄做圆周运动的半径(等于钢轮加载的路径长度的1/2)； 

ω-中心旋转轴的角速度； 

T_r-曲柄做圆周运动的周期。 

根据上述加载钢轮的移动方程，试件在周期性的移动荷载作用下的力学模型可以简化为如图5所示的平面应力问题。 

其中，P-车辆荷载； 

l-加载路径长度； 

h-试件的高度； 

x-车轮荷载对于零点的相对位置。 

根据以上的简化力学模型，梁试件在LWT施加的连续移动轮载作用下，试件底部的应力随着轮载的位置和时间的变化可以用如下的公式来表示： 

$\left(\begin{array}{cc}\sigma (x,t)=\frac{3P·{\sin }^2(\frac{2\pi }{T}·t)·x}{{\mathrm{bh}}^2},& x\le \frac{l}{2}\\ \sigma (x,t)=\frac{3P·{\sin }^2(\frac{2\pi }{T}·t)·(l-x)}{{\mathrm{bh}}^2},& \frac{l}{2}<x\le l\end{array}\right)$

其中，b-试件的宽度； 

T-荷载周期； 

t-加载时间。 

如果采用有限元分析法，则是利用有限元软件建立梁形试件的整体模型，并对模型施加不同位置的应力，从而得到在移动荷载作用下梁形试件的应力分布。在此分析过程中，重点考虑的是当加载轮作用于试件跨中位置时，试件的受到的应力大小，即试件在移动加载轮周期性作用下受到的应力幅值。 

2、本实施例是利用沥青混合料振动压实仪采用振动法或静压法成型尺寸为300*125*50mm的梁型试件；该试件成型方法和试件尺寸与常规的APA沥青混合料性能试验相似。 

3、如图2所示，在试件2底部中心位置安装应变传感器1，用于测试加载过程中试件产生的拉伸变形；应变传感器1的测量方向应与试验时的轮载移动方向一致； 

4、将试件安放于试验盒中，置于APA的试验平台之上，并将应变传感器与数据采集系统连接起来； 

5、试验之前，将试件放入环境箱、温控设备或APA的测试箱中，在需要的试验温度(本实施例所采用的试验温度包括0，10，25和40℃)下保温使试件达到测试温度，一般为2-4小时； 

6、需要根据试验要求确定LWT的轮载大小。首先对试件进行预加载，保证LWT施加的轮载大小能使试件产生的变形在线性粘弹性范围之内，一般认为试件的应变在200微应变之内时，试件的变形处于线性粘弹性范围。本实施例以保证试件产生的拉应变在60到150个微应变的范围之内的原则来选定试验中LWT的轮载大小。 

7、进行LWT动态模量试验时，通过LWT对试件施加周期性的移动轮载，并通过调节LWT的轮载速度来控制试验的加载频率。图6和图7所示为LWT动态模量试验中试件在不同加载频率下受到的应力和产生的应变情况；图8为试验中试件的应力应变关系。 

进行LWT蠕变试验时，则是通过LWT对试件跨中位置施加持续的大小不变的竖向轮载。图9为LWT蠕变试验中试件的弯曲变形随加载时间的变化情况。 

8、针对不同试验，根据计算得到的应力和量测得到的应变，可以通过相应的计算公式计算得到试件的动态模量、相位角和蠕变柔量。根据动态模量试验结果，将不同温度、不同荷载频率(如表2中所列)下测定得到的动态模量和相位角进行时温换算，即可得到沥青混合料的动态模量和相位角主曲线，主曲线可以在全温全频范围内对沥青混合料的粘弹性性能进行动态描述。 

具体可根据以下的公式和定义来计算得到。 

在LWT动态模量试验中，试件在周期性的轮载作用下，试件底部跨中位置受到的拉应力c_c(t)可以表示为： 

${\sigma }_c\left(t\right)={\sigma }_{\mathrm{amp}}·{\sin }^2(\frac{2\pi }{T}·t)={\sigma }_{x=l/2}=\frac{3\mathrm{Pl}}{2{\mathrm{bh}}^2}·{\sin }^2(\frac{2\pi }{T}·t)$

其中，c_amp-试件受到的周期性应力的幅值。 

从而，试件的动态模量可以通过以下公式计算得到： 

$|E*|=\frac{c_{\mathrm{amp}}}{{ϵ}_{\mathrm{amp}}}=\frac{3\mathrm{Pl}}{2{\mathrm{bh}}^2·{ϵ}_{\mathrm{amp}}}$

其中，ε_amp-试件所产生的周期性拉应变的幅值。 

相位角可以根据试验中试件产生的应变滞后于应力的时间差由如下公式计算得到： 

其中，f-试验的加载频率； 

Δt-试件产生的应变滞后于应力的时间差。 

而在LWT蠕变试验中，试件在其跨中位置受到车轮施加的持续不变的竖向荷载作用，试件的蠕变柔量可按以下公式计算得到： 

$D\left(t\right)=\frac{ϵ\left(t\right)}{{\sigma }_c}=\frac{2·{\mathrm{bh}}^2}{3·P·l}ϵ\left(t\right)$

其中，ε(t)-拉应变随时间的变化函数； 

c_c-试件在跨中位置受力时底部中心位置产生的拉应力； 

通过上述试验得出图6至图12，图10、图11和图12分别为为本实施例中LWT粘弹性性能试验得到的不同沥青混合料的动态模量、相位角和蠕变柔量的试验结果。根据上述试验结果可以得出以下结论： 

本发明提出的沥青混合料LWT粘弹性试验方法可以有效地测试沥青混合料在拉伸应力作用下的粘弹性响应，用于表征沥青混合料的粘弹性特征；并且该试验方法可以反映出骨料类型、沥青含量和沥青等级对沥青混合料的粘弹性性能的影响，测试结果合理可靠。