测试沥青混合料动态剪切蠕变性能的试验方法

摘要

本发明涉及一种测试沥青混合料动态剪切蠕变性能的试验方法，其首先制作沥青混合料同轴剪切试件，接着进行同轴剪切重复荷载试验，根据试验结果确定沥青混合料的塑性变形稳定期，最后计算塑性变形稳定期内的塑弹比和剪切回弹模量。本发明的试验操作简单，试验结果精确可信，评价指标力学意义明确，能够更好地揭示沥青混合料的动态剪切蠕变特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种本发明属于道路工程领域，涉及沥青混合料动态剪切蠕变性能的测试方 法。

背景技术

沥青混合料动态剪切蠕变性能主要反映了沥青混合料在车辆荷载重复作用下，抵抗永久 变形的能力，是沥青混合料路用性能设计中主要的性能指标之一。目前，用于评价沥青混合 料动态剪切性能的试验方法，主要是在沥青混合料剪切试验方法加入重复荷载条件转变而来， 如重复荷载三轴试验、重复荷载等高度剪切试验等常规试验方法，没有其他方法。这些试验 方法一般操作复杂，试验设备昂贵，且数据分析简单，无法揭示沥青混合料在动态荷载作用 下的变形实质。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种测试沥青混合料动态剪切蠕变性能的试验方法， 该方法试验操作简单，试验结果精确可信，平均指标力学意义明确。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种测试沥青混合料动态剪切蠕变性能的试验方 法，其特征在于包括以下步骤：

1)制作沥青混合料同轴剪切试件；

2)利用沥青混合料同轴剪切试件进行同轴剪切重复荷载试验，即在同轴剪切试件上施加 重复荷载，采用材料试验机记录若干组荷载和加载周期、变形和加载周期对应的试验 数据；

3)根据试验数据确定同轴剪切试件的塑性变形稳定期；

4)计算塑性变形稳定期内沥青混合料的平均塑弹比R和平均剪切回弹模量G，计算公式 如下：

$\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{\gamma {\left(i\right)}_v-\gamma {(i-1)}_v}{\gamma {\left(i\right)}_m-\gamma {\left(i\right)}_v}\times 100$

$G=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}(\frac{{F\left(i\right)}_{\max }\times C}{{\gamma \left(i\right)}_m-{\gamma \left(i\right)}_v}\times h)$

式中：R-塑性变形稳定期的平均塑弹比；

G-为塑性变形稳定期的平均剪切回弹模量；

γ(i)_v-第i周期轴向累积塑性变形；

γ(i-1)_v-第i-1周期的轴向累积塑性变形；

γ(i)_m-第i周期的轴向累积最大变形；

F(i)_max-第i周期最大荷载；

C-剪切强度系数；

n-塑性变形稳定期内加载周期个数；

h-沥青混合料试件高度。。

优选地，所述步骤4)中塑性变形稳定期的确定方法是，计算各加载周期的轴向累积塑性 变形一阶差商和二阶差商，以各加载周期轴向累积塑性变形二阶差商趋于零为判别条件，获 得塑性变形稳定期、破坏变形期之间的破坏拐点，然后计算破坏拐点的一阶差商，以稳定拐 点与破坏拐点的一阶差商相等计算出稳定拐点，稳定拐点和破坏拐点之间的区域即为塑性变 形稳定期。

优选地，在所述步骤2)中，沥青混合料的空隙率不大于7％。

优选地，在所述步骤2)中试验结束判定条件是：试件轴向累积塑性变形达到5mm或试 验时间达9000s。

优选地，在步骤2)之前，将同轴剪切试件保温于60℃的环境箱中至少6小时。

优选地，在步骤3)之前，根据试验数据绘制荷载和加载周期的关系图、轴向累积最大变 形和加载周期的关系图、轴向累积塑性变形和加载周期的关系图。

本发明的试验方法，根据试验结果确定沥青混合料的塑性变形稳定期，计算变形稳定期 内沥青混合料的塑弹比和剪切回弹模量，本发明的试验操作简单，试验结果精确可信，评价 指标力学意义明确，能够更好地揭示沥青混合料的动态剪切蠕变特性。

附图说明

图1是塑性变形稳定期内所施加荷载和加载周期的关系图。

图2是塑性变形稳定期内沥青混合料同轴剪切试件轴向累积最大变形γ(i)_m、轴向累积塑 性变形γ(i)_v和可回复弹性变形γ(i)_e的示意图，其中在每一个循环周期内，轴向累积最大变形 等于轴向累积塑性变形和可回复弹性变形之和。

图3是提取图2中的试验数据绘制的同轴剪切试件轴向累积最大变形与加载周期、轴向 累积塑性变形与加载周期的关系图。

图4是图3中的轴向累积塑性变形与加载周期的关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的方案进一步说明。

如图3所示，沥青混合料动态剪切蠕变试验得到的变形曲线分为三个阶段：压密变形期， 变形稳定期和破坏期。

本发明包括如下步骤：

1)成型沥青混合料试件：采用旋转压实成型至少3个平行试件，试件高度为110mm，直 径为150mm，沥青混合料试件空隙率不大于7％；

2)制作同轴剪切试件：将混合料试件三刀切割出高度均为50mm的两个圆饼状试件，对 试件中部钻孔，孔径为56mm，将试件采用胶粘剂(如环氧树脂)与钢柱和钢圈固定在一起， 形成同轴剪切试件；

3)保温：将同轴剪切试件保温于60℃的环境箱中至少6小时；

4)加载：预加载压力0.02kN，时间1min，而后施加重复轴向荷载，每周期轴向荷载的 加载时间和卸载时间比值为1∶9，加载波形为半正弦波，以此来模拟路面受车辆荷载的反复作 用，并绘制荷载和加载周期的关系图，如图1所示；

5)试验结束判定：当试件轴向累积塑性变形γ(i)_v达到5mm或试验时间达9000s，试验 结束。

6)数据记录：采用材料试验机MTS810，每0.01s取1个数据点，记录相应轴向荷载、 轴向位移与加载周期，其中在一个周期内挑选最大位移的数据值作为该周期的轴向累积最大 变形γ(i)_m(出现在加载阶段)，在一个周期内挑选最小位移的数据值作为该周期的轴向累积 塑性变形γ(i)_v(出现在卸载阶段结束时)，利用上述值绘制的曲线图如图3所示。

7)根据试验数据确定沥青混合料的塑性变形稳定期：在图2中提取每个加载周期结束时 的位移，得到图3所示变形稳定期内的轴向累积塑性变形γ(i)_v与加载周期的曲线图，在图2 中提取每个加载周期中的最大位移，得到图3所示变形稳定期内的轴向累积最大变形γ(i)_m与 加载周期的曲线图，利用式(1)和公式(2)计算各加载周期累积塑性变形的一阶差商、二 阶差商，然后以各周期累积塑性变形二阶差商趋于零作为判别条件，获得塑性变形稳定期、 破坏变形期之间的破坏拐点。计算破坏拐点的一阶差商，以稳定拐点与破坏拐点的一阶差商 相等计算出稳定拐点，破坏拐点和稳定拐点如图4所示。

f[γ(i-1)_v，γ(i)_v]＝γ(i)_v-γ(i-1)_v         (1)

f[γ(i-1)_v，γ(i)_v，γ(i+1)_v]＝γ(i+1)_v+γ(i-1)_v-2γ(i)_v    (2)

式中：γ(i-1)_v，γ(i)_v，γ(i+1)_v分别为第i-1、i、i+1个加载周期的轴向累积塑性变形；

f[γ(i-1)_v，γ(i)_v]为第i-1、i加载周期轴向累积塑性变形的一阶差商；

f[γ(i-1)_v，γ(i)_v，γ(i+1)_v]-第i-1、i、i+1加载周期轴向累积塑性变形的二阶差商。

8)计算塑性变形稳定期内沥青混合料的平均塑弹比R，即在塑性变形稳定期内，分别求 取各周期沥青混合料塑性变形增量与可回复弹性变形量的比值，以其均值作为沥青混合料的 平均塑弹比R，具体计算公式如下：

γ(i)_e＝γ(i)_m-γ(i)_v    (3)

$\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{\gamma {\left(i\right)}_v-\gamma {(i-1)}_v}{\gamma {\left(i\right)}_e}\times 100---\left(4\right)$

将公式(3)代入公式(4)中，得到以下公式(5)：

$\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{\gamma {\left(i\right)}_v-\gamma {(i-1)}_v}{\gamma {\left(i\right)}_m-\gamma {\left(i\right)}_v}\times 100---\left(5\right)$

式中：R-塑性变形稳定期的塑弹比，％；

γ(i)_m-第i周期的轴向累积最大变形，mm；

γ(i)_v-第i周期的轴向累积塑性变形，mm；

γ(i-1)_v-第i-1周期的轴向累积塑性变形，mm；

γ(i)_e-第i周期可回复弹性变形，mm；

n-塑性变形稳定期内加载周期个数。

其中，公式(3)和(5)中涉及到的参数含义参见图2。

9)计算塑性变形稳定期内平均剪切回弹模量G，即在塑性变形稳定期内，分别求取各周 期沥青混合料最大剪应力与可回复弹性剪应变的比值，以其均值作为沥青混合料的平均剪切 回弹模量G，具体计算公式如下：

τ(i)_max＝F(i)_max×C    (6)

$G=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}(\frac{{\tau \left(i\right)}_{\max }}{{\gamma \left(i\right)}_e}\times h)---\left(7\right)$

将公式(3)和公式(6)代入公式(7)中，得到以下公式(8)：

$G=\frac{1}{\text{n}}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}(\frac{{F\left(i\right)}_{\max }\times C}{{\gamma \left(i\right)}_m-{\gamma \left(i\right)}_v}\times h)---\left(8\right)$

式中：G-为塑性变形稳定期的剪切回弹模量，MPa；

τ(i)_max-第i周期最大剪应力，MPa；

F(i)_max-第i周期最大荷载；

γ(i)_e-第i周期可回复弹性变形，mm；

C-剪切强度系数；

n-塑性变形稳定期内加载周期个数；

h-沥青混合料试件高度，为50mm。

其中，最大剪应力τ(i)_max通过第i周期的最大荷载乘以剪切强度系数获得，即最大剪应力 ＝最大荷载×剪切强度系数，即公式(6)所示，最大荷载F(i)_max通过数据处理软件从图1中 直接提取，其中剪切强度系数为0.14MPa/kN；可回复弹性剪应变＝可回复弹性变形/试件高度， 试件高度为50mm，可回复弹性变形γ(i)_e由公式(3)计算获得，其中公式(3)中的γ(i)_m和 γ(i)_v均通过数据处理软件从图3变形稳定期中提取，最大剪应力与可回复弹性剪应变的比值 为剪切回弹模量G，于是得到公式(8)。

本发明的试验和数据处理方法，试验操作简单，试验结果精确可信，评价指标力学意义 明确，能够更好地揭示沥青混合料的动态剪切蠕变特性。

本发明首次采用同轴剪切重复荷载试验，对沥青混合料的动态剪切蠕变性能进行测试， 并提出塑弹比和剪切回弹模量对沥青混合料动态剪切蠕变性能进行评价，该试验方法较之传 统的重复荷载三轴试验方法有以下优越性：

一、设备简单便宜，测试过程简单；

二、测试结果稳定可靠；

三、能够更好地模拟路面受车辆荷载重复作用的情况；

四、试验结果能更加深入地揭示沥青混合料的剪切蠕变性能。

以上只是对本发明进行了示例性的说明，本发明的具体实现方式并不局限于此。任何采 用本发明的构思和技术方案进行的非实质性修改，均在本发明的保护范围之内。