动态剪切荷载作用下沥青发生疲劳失效的识别方法

摘要

动态剪切荷载作用下沥青发生疲劳失效的识别方法，它涉及一种应用动态剪切流变仪测试道路沥青疲劳性能的试验方法。它解决了目前沥青加速疲劳试验中关于疲劳失效临界点的判别问题，完善并提高了该试验数据分析过程的科学有效性。本发明在虚应变坐标下对沥青的加速疲劳试验数据进行分析，通过计算试验过程中材料存储的虚应变能来定量分析疲劳损伤的产生和积累，最后提出将存储虚应变能的峰值点作为沥青发生疲劳失效的临界点判据。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料领域，它涉及一种判断道路沥青在动态剪切荷载作用下发生疲 劳失效的识别方法。

背景技术

沥青路面由于行车轮载的反复作用会发生疲劳开裂，路面上的疲劳裂缝严重影响着 道路行车的舒适和安全。沥青抗疲劳性能的优劣对于沥青路面抵抗疲劳裂缝的能力有着 重要的贡献，因此需要科学、有效的对不同沥青材料的抗疲劳性能进行评价和区分。控 制应变的线性振幅扫描试验(即线性应变扫描试验)是目前国际上常用的沥青加速疲劳 规范试验方法^[1]，该方法自2010年提出后，关于试验过程中沥青发生疲劳失效的临界点 判别问题一直处于研究状态，还没有很好的指标和参数来表征和区分不同沥青抗疲劳性 能的优劣。

发明内容

本发明的目的是对沥青加速疲劳试验过程中材料发生疲劳失效的临界点进行判断和 识别，从而定量的比较不同沥青材料在动态剪切荷载作用下的疲劳寿命。本发明的具体 实施过程和分析方法如下。

动态剪切荷载作用下沥青发生疲劳失效的识别方法，其特征在于应用动态剪切流变 仪对平行板沥青试样在5℃～30℃任一温度下，完成控制应变的线性振幅扫描试验，动 态应变振幅的扫描范围从0.1％线性增大至30％，动态加载频率为10Hz，扫描时间设计 为5-15分钟；而后依据试验中所采集到的剪切应力τ和剪切应变γ数据，计算虚剪切应 变γ^R指标和试验过程中材料所存储的虚应变能指标W^R_s；最后，将试验过程中存储虚应 变能W^R_s的峰值点作为沥青疲劳失效的临界点，该特征点所对应的循环加载次数N即为 沥青在此温度、加载频率和加载速率下的疲劳寿命N_f。

进一步，通过改变线性应变扫描试验的扫描时间产生不同的加载速率，相同应变扫 描范围、试验温度和加载频率条件下，不同加载速率下所识别的沥青疲劳寿命也将不 同。

进一步，扫描时间设计为5分钟。

进一步，扫描时间设计为10分钟或15分钟。

更为具体的：

(1)应用动态剪切流变仪对平行板沥青试样进行线性应变扫描试验，按照该试验 的规范要求^[1]，剪切应变从0.1％线性增长至30％，试验加载频率固定为10Hz，试验温 度可选5℃～30℃任一温度，扫描时间设计为5分钟。

(2)通过控制扫描时间可以改变试验过程中所施加的动态剪切加载速率，在保持 应变扫描范围、试验温度和和加载频率不变的条件下，本发明还进行了扫描时间为10 分钟和15分钟的对比试验。

(2)试验完成后，对试验数据按照如下程序进行分析；

i.根据动态剪切流变仪采集到的剪切应变(γ)数据按照公式(1)计算虚剪切 应变(γ^R)指标，其中|G^*|₀为在此特定温度和加载频率下沥青试样无损伤状 态的线粘弹性动态剪切模量，可通过线性应变扫描试验前的一个小应变单点 动态试验测试而得；

γ^R＝γ·|G^*|₀

(1)

ii.对动态剪切流变仪采集到的剪切应力(τ)数据在虚剪切应变(γ^R)坐标下进 行分析，见附图1所示；按照公式(2)对每个数据点计算试验过程中材料 存储的虚应变能(W^R_s)指标，即附图1中虚线部分面积；

${W^R}_s=\frac{1}{2}·\tau ·{\gamma }^R---\left(2\right)$

iii.以计算得到的存储虚应变能(W^R_s)数值为纵坐标，对沥青试样施加的循环 加载次数(N)为横坐标作图，见附图2所示，取W^R_s峰值点作为沥青发生 疲劳失效的临界点，即可确定在此特定温度、加载频率和加载速率下沥青试 样的疲劳寿命(N_f)。

(3)在动态剪切流变仪采集到的剪切应力(τ)和循环加载次数(N)关系图中将 确定的疲劳寿命(N_f)进行标注，见附图3所示。

参考文献

[1]Standard Method of Test for Estimating Damage Tolerance of Asphalt Binders Using  the Linear Amplitude Sweep[S].American Association of State Highway and  Transportation Officials(AASHTO)TP 101-14.

附图说明

图1是沥青加速疲劳试验数据在虚应变坐标下的分析和存储虚应变能的表征

图2是沥青加速疲劳试验过程中存储虚应变能的演化分析

图3是加速疲劳试验过程中沥青疲劳失效临界点的典型识别结果

图4是扫描时间为5分钟时基质沥青和SBS改性沥青发生疲劳失效的识别对比

图5是扫描时间为10分钟时基质沥青和SBS改性沥青发生疲劳失效的识别对比

图6是扫描时间为15分钟时基质沥青和SBS改性沥青发生疲劳失效的识别对比

图7是沥青加速疲劳试验所确定的疲劳寿命和沥青实际疲劳寿命之间的对比

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式中，采用基质沥青和SBS改性沥青(简称SBS沥 青)进行控制应变的加速疲劳试验，试验温度19℃，试验频率10Hz，线性应变扫描范 围为0.1％～30％，扫描时间设计为5分钟完成。试验结束后，按照上述数据分析的流程 识别两种沥青在此工况下各自的疲劳寿命，识别结果见附图4所示。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同是线性应变扫描的扫描时间 设计为10分钟，其它与具体实施方式一相同。识别结果见附图5所示。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同是线性应变扫描的扫描时间 设计为15分钟，其它与具体实施方式一相同。识别结果见附图6所示。

具体实施方式四：本实施方式与实施方式一至实施方式三的不同是，所用沥青材料 为TP聚合物改性沥青(简称TP沥青)和橡胶粉试改性沥青(简称橡胶沥青)，试验温 度、应变扫描范围和加载频率与实施方式一至三相同，分别进行了扫描时间为5分钟、 10分钟和15分钟的加速疲劳试验。

将上述实施方式中四种沥青在不同加载速率下的加速疲劳试验识别结果和沥青实际 的疲劳寿命(疲劳应变水平为5％和7％)在附图7中进行对比，可以看出，不同加载速 率下沥青加速疲劳试验所识别的疲劳寿命和实际的疲劳寿命(5％疲劳应变和7％疲劳应 变)有着很好的关联性，不同加载条件下沥青的抗疲劳性能排序保持了一致，证明了本 发明针对加速疲劳试验所提出的沥青疲劳失效识别方法的科学有效性。