一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法技术

本发明专利技术公开了一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，通过利用多功能材料试验系统(MTS‑Landmark)对试件进行不同加载速率条件下的劈裂强度和疲劳试验，且本发明专利技术基于速度相关应力比建立了不同加载速率条件下沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型，发现利用速度相关应力比思想可以使得沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到统一，并由此推导出沥青路面抗拉强度结构系数，从而建立了考虑加载速率影响的沥青路面疲劳强度校核新方法，使沥青路面的抗疲劳的设计更为科学，同时为耐久性沥青路面的设计提供理论依据。

A Strength Checking Method for Asphalt Pavement under Simple Stress State

The invention discloses a method for checking the strength of asphalt pavement under simple stress state. The splitting strength and fatigue test of specimens under different loading rates are carried out by using MTS Landmark. The splitting fatigue performance prediction model of asphalt mixture under different loading rates is established based on the velocity-dependent stress ratio, and the utilization speed is found. The idea of degree-dependent stress ratio can unify the strength failure and fatigue failure of asphalt mixture, and deduce the structural coefficient of tensile strength of asphalt pavement, thus establishing a new method of checking the fatigue strength of asphalt pavement considering the influence of loading rate, making the fatigue design of asphalt pavement more scientific, and providing a theoretical basis for the design of durable asphalt pavement. \u3002

【技术实现步骤摘要】
一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法
本专利技术属于道路工程
，尤其涉及一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法。
技术介绍
沥青路面一直以来都是一种主要的路面类型，因为它有较好的行车舒适性、耐久性和抗水损害能力。截止2018年底，我国公路里程485.95万公里，高速公路里程14.25万公里，其中90％以上为沥青路面结构。我国现行规范中高速公路沥青路面的设计寿命为15年，但是通过调查可以发现，在役的高速公路沥青路面大多在使用8～10年后即出现明显的结构性破坏，须进行铣刨罩面或加铺。这说明我国沥青路面设计方法还存在一定的问题，易造成路面的早期破坏。疲劳开裂是沥青路面最主要的病害之一，世界大多数国家都以沥青路面的抗疲劳性能作为其设计的基本原则。因此，沥青路面的疲劳性能的研究一直以来都是道路工作者研究的重点，而疲劳强度作为沥青路面抗疲劳设计的一个重要指标，其准确性直接影响着沥青路面抗疲劳设计的科学性。有人通过三轴试验，建立了复杂应力状态下的沥青混合料的破坏准则，提出了相应的沥青路面强度校核方法；有人通过沥青路面层间剪切疲劳试验，确定了层间抗剪强度结构系数，从而得到了沥青路面的层间容许剪应力；也有人采用应力控制模式下的劈裂试验，提出沥青路面常用沥青混合料的疲劳方程及强度结构系数，从而获得了相应的沥青路面强度校核方法。虽然现有的研究对沥青路面抗疲劳设计的完善做出了一定的贡献，但是这些疲劳强度校核方法均没有考虑加载速率对沥青混合料疲劳性能的影响。而沥青混合料是一种粘弹性材料，其强度受加载速率的影响很大，从而影响其疲劳性能。因此，考虑加载速率的疲劳强度校核方法将有效提高沥青路面抗疲劳设计的科学性。另外，由于施加压缩荷载在技术上可以比拉伸荷载更容易实现，所以劈裂疲劳试验方法已广泛用于测试土木工程材料(如岩石和混凝土)的拉伸特性。此外，由于其在试件内部产生的是双向应力状态，劈裂疲劳试验方法也比其他试验方法具有明显的优势。特别的，沥青路面结构中沥青层的底部分别在水平和垂直方向上受到拉应变和压应变，这就使得劈裂疲劳试验方法相比其他疲劳试验方法更适合评价沥青路面的疲劳性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法。通过对不同加载速率下沥青混合料劈裂疲劳结果进行分析，不仅达到了对不同加载速率下沥青混合料疲劳性能评价的目的，而且使沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到了统一，同时使沥青路面的抗疲劳设计的更为科学，为耐久性沥青路面的设计提供理论依据。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，所述评价方法具体包括如下步骤：(1)对沥青混合料进行不同加载速率下的劈裂强度试验；(2)对沥青混合料进行不同加载速率下的劈裂疲劳试验；(3)对沥青路面疲劳强度进行校核。具体包括如下步骤：步骤一：采用经逐层筛分的矿料，并将称量好的矿料放在烘箱中预热4个小时以使矿料充分烘干，每次在搅拌锅添加矿料或沥青均搅拌90秒以使集料搅拌均匀得到沥青混合料；并按照JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的试验要求，采用SGC旋转压实仪将所述沥青混合料制作成高度为100±2mm，直径为100±2mm的实验室试件，待实验室试件成型后静置于平整桌面若干天，对符合要求的实验室试件切割成高度为60±2mm，直径为100±2mm的圆柱体试件，备用；步骤二：强度、疲劳均试验采用多功能材料试验系统(MTS-Landmark)，将步骤一准备好的圆柱体试件放在温度为15℃的恒温箱中保温4-5h，然后放在多功能材料试验系统(MTS-Landmark)的劈裂强度试验支座上，并调整使劈裂疲劳试验的压头与圆柱体试件初步接触开始试验，且试验过程均在恒温箱中完成；步骤三：通过内置MPT编制运行程序并设置施加荷载和采集参数，每个加载周期的力由数据采集系统自动测得、位移变形由位移传感器测得，将圆柱体试件在不同的加载速率下进行劈裂强度试验，且每个加载速率均进行了五次有效的平行测试，取平均值即得不同加载速率下的劈裂强度值；步骤四：根据步骤三得到不同加载速率的强度值，进行劈裂疲劳试验，并将疲劳试验中某一加载速率的应力水平与强度试验中相同加载速率对应的强度值之比定义为速度相关应力比；步骤五：基于步骤四得到的速度相关应力比，建立不同加载速率条件下沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型，并利用本专利技术的速度相关应力比思想使沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到统一；步骤六：基于步骤五得到的沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型，推导了沥青路面抗拉强度结构系数，从而建立了考虑加载速率影响的沥青路面疲劳强度的校核新方法。需要说明的是，沥青混合料的疲劳寿命受荷载控制模式的影响较大，根据荷载条件是否变化，将荷载分为简单荷载和复合荷载。简单荷载的特点为试验过程中荷载条件保持不变，而复合荷载与之相反。根据试验需求，本试验采用易行的简单荷载加载模式，其从试验性质上分为应力控制和应变控制，它们有着自己的特点。应力控制即每次加载时荷载的限值和应力保持不变，沥青混合料的强度随荷载作用次数的增加而减小，在这种情况下虽然应力幅值稳定不变，但产生的应变会持续增大，最终小梁试件彻底破坏试验终止，整个过程所经过的循环荷载次数为疲劳寿命。应变控制即每次加载时控制应变不变，沥青混合料的强度同样随着荷载作用次数的增加而减小，为了保持每次应变不变，所施加的荷载不断减小，应力变小，应变控制疲劳试验的终止条件为施加荷载对应的应力幅值降低到初始应力幅值的一半，此时试件所经过的循环荷载次数即为疲劳寿命。从理论上对两种控制模式进行分析：第一，相同条件下应力控制的疲劳试验在结束时所需时间较短，再现性好。美国沥青混合料设计方法显示，在相同的条件下疲劳寿命的对比上，应变控制模式是应力控制模式的2.4倍。第二，由于沥青混合料中存在微裂隙，采用控制应力模式时，可使真正施加的荷载稍有增大，同时因为沥青混合料自身的不均匀性，不可避免的在试件内部存在不同程度的薄弱面，小梁试件的破坏较为迅速，对于试验结束的判断依据更加明了，而采用应变控制时疲劳破坏的标准较不明确，采用劲度降低到初始劲度的一半时作为试验终止的条件，随意性的缺点较为突出。第三，应力控制操作性强，离散程度相对较小，且破坏标准明确，所以试验量较小。综合考虑，简单加载模式下的应力控制模式与我国沥青路面结构设计较为吻合，适用于沥青混合料疲劳耐久性研究。因此，本试验采用应力控制模式进行沥青混合料的疲劳性能研究。优选的，所述实验室试件制备选用SGC旋转压实仪，且所述SGC旋转压实仪的工作参数：垂直加载压力为600kPa±18kPa，压实转速为30r/min±0.5r/min，有效内旋转角为1.16±0.02°。本专利技术公开的SGC旋转压实仪具有自动测定试件高度、旋转次数及对应高度的记录和显示功能。优选的，所述圆柱体试件的尺寸：高度为60±2mm，直径为100±2mm，且所述圆柱体试件可直接用于劈裂强度和疲劳试验。优选的，所述步骤三中，每个加载周期的力由数据采集系统自动测得，位移变形由位移传感器测得。优选的，所述步骤三劈裂强度试验中，选择的加载速率为5MPa/s、10MPa/s、20MPa/s、30MPa/s、40MPa/s、50MPa/s本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，其特征在于，所述评价方法具体包括如下步骤：步骤一：将经逐层筛分的矿料烘干，加入沥青搅拌均匀得到沥青混合料，并按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20‑2011)的试验要求，将所述沥青混合料碾压成高度为100±2mm，直径为100±2mm的实验室试件，待实验室试件成型后静置于平整桌面若干天，对符合要求的实验室试件切割成圆柱体试件，备用；步骤二：将步骤一准备好的圆柱体试件放在温度为15℃的恒温箱中保温4‑5h，然后放在多功能材料试验系统(MTS‑Landmark)的劈裂强度试验支座上，并调整使劈裂疲劳试验的压头与圆柱体试件初步接触开始试验，且试验过程均在恒温箱中完成；步骤三：通过内置MPT编制运行程序设置施加荷载和采集参数，将圆柱体试件进行不同加载速率下劈裂强度试验，且每个加载速率均进行五次有效的平行测试，取平均值即得不同加载速率下的劈裂强度值；步骤四：根据步骤三得到不同加载速率的强度值，并进行劈裂疲劳试验，同时将劈裂疲劳试验中某一加载速率的应力水平与劈裂强度试验中相同加载速率对应的强度值之比定义为速度相关应力比；步骤五：基于步骤四得到的速度相关应力比，建立不同加载速率条件下沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型，并利用本专利技术的速度相关应力比思想使沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到统一；步骤六：基于步骤五得到的沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型，推导了沥青路面抗拉强度结构系数，从而建立了考虑加载速率影响的沥青路面强度校核新方法。...

【技术特征摘要】
1.一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，其特征在于，所述评价方法具体包括如下步骤：步骤一：将经逐层筛分的矿料烘干，加入沥青搅拌均匀得到沥青混合料，并按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)的试验要求，将所述沥青混合料碾压成高度为100±2mm，直径为100±2mm的实验室试件，待实验室试件成型后静置于平整桌面若干天，对符合要求的实验室试件切割成圆柱体试件，备用；步骤二：将步骤一准备好的圆柱体试件放在温度为15℃的恒温箱中保温4-5h，然后放在多功能材料试验系统(MTS-Landmark)的劈裂强度试验支座上，并调整使劈裂疲劳试验的压头与圆柱体试件初步接触开始试验，且试验过程均在恒温箱中完成；步骤三：通过内置MPT编制运行程序设置施加荷载和采集参数，将圆柱体试件进行不同加载速率下劈裂强度试验，且每个加载速率均进行五次有效的平行测试，取平均值即得不同加载速率下的劈裂强度值；步骤四：根据步骤三得到不同加载速率的强度值，并进行劈裂疲劳试验，同时将劈裂疲劳试验中某一加载速率的应力水平与劈裂强度试验中相同加载速率对应的强度值之比定义为速度相关应力比；步骤五：基于步骤四得到的速度相关应力比，建立不同加载速率条件下沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型，并利用本发明的速度相关应力比思想使沥青混合料强度失效和疲劳失效问题得到统一；步骤六：基于步骤五得到的沥青混合料的劈裂疲劳性能预测模型，推导了沥青路面抗拉强度结构系数，从而建立了考虑加载速率影响的沥青路面强度校核新方法。2.根据权利要求1所述的一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，其特征在于，所述实验室试件制备选用SGC旋转压实仪，且所述SGC旋转压实仪的工作参数：垂直加载压力为600kPa±18kPa，压实转速为30r/min±0.5r/min，有效内旋转角为1.16±0.02°。3.根据权利要求2所述的一种简单应力状态下沥青路面强度校核方法，其特征在于，所述圆柱体试件的尺寸：高度为60±2mm，直径为100±2mm，且所述圆柱...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕松涛，夏诚东，樊喜雁，刘超超，张超，陈东，郑健龙，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43