半刚性基层材料疲劳试验概述

文章编号:100926825(2005)1920147202半刚性基层材料疲劳试验概述收稿日期:2005206207作者简介:李小刚(19792),男,长安大学道路与铁道工程专业在读硕士研究生,陕西西安　710054宋　曼(19792),女,1999年毕业于河南交通学校汽车应用工程专业,助工,河南新野县县乡公路管理所,河南新野　473500熊小新(19762),女,1997年毕业于河南交通学校交通工程专业,助工,河南新野县县乡公路管理所,河南新野　473500李小刚　宋　曼　熊小新摘　要:结合半刚性基层疲劳研究的现状,总结概述了半刚性基层材料疲劳试验的方法,并提出试验中应注意的要点,为半刚性基层材料疲劳试验和疲劳特性的研究提供指导。

关键词:半刚性,疲劳,试验中图分类号:U414文献标识码:A 在我国高等级公路中,半刚性基层沥青路面占90%以上,而半刚性基层材料的疲劳寿命是半刚性基层沥青路面设计的主要控制因素,疲劳试验又是研究疲劳寿命的主要手段,因此有必要对半刚性基层材料的疲劳试验加以研究概括。

1　疲劳的基本概念1)疲劳:对于弹性状态的路面材料承受重复应力作用时,可能在低于静载一次作用下的极限应力值时出现破坏,同时导致材料强度降低[1]。

2)疲劳破坏:在循环荷载的作用下,结构或者构件发生破坏的现象叫疲劳破坏[2]。

3)疲劳寿命:在循环荷载作用下,结构或者构件产生疲劳破坏的应力循环次数或者应变循环次数。

疲劳寿命的大小取决于应力水平的大小。

4)应力水平(应力比):重复应力与一次加载得出的极限应力之比。

5)高低应力比(荷载循环特征值):作用在试件中最小荷载和最大荷载的比值。

2　疲劳试验2.1　试验方法室内小型疲劳试验方法主要有:重复弯曲试验、直接拉伸试验、间接拉伸试验、支撑弯曲试验、耗散能试验、断裂力学试验、重复拉伸和拉压试验、重复三轴拉压试验、弹性基础上的弯曲试验、室内轮辙试验、室内轮载试验等等。

各种试验方法各有利弊,得出的结果也相差很大。

因此做疲劳试验前应该根据试验目的和对现场情况的模拟情况、试验结果的可应用性、试验方法的简单可行性等选择一种试验方法,现在应用比较多的是间接拉伸疲劳试验和重复弯曲疲劳试验[3]。

2.2　试件成型疲劳试验试件成型的方法主要有:静压成型、马歇尔击实成型、搓揉压实成型、旋转压实成型、轮碾压实成型等,可以说每种方国有抗冻要求的地区,可以掺用适量的粉煤灰、矿渣粉料代替水泥,但同时应掺用引气剂提高混凝土的抗冻性能。

粉煤灰或矿渣粉料掺量较多时,对引气作用的负面影响过大。

经验表明,粉煤灰的掺量低于胶结材料总量的30%时,对抗冻性影响不大。

因而从耐久性等多方面考虑,单独粉煤灰掺量不宜多于胶结材料总量的30%。

矿渣微粉的作用类似粉煤灰,因而单独矿渣微粉的掺量也不宜多于30%。

同时掺入粉煤灰、矿渣微粉时,掺合料的掺量同样不宜多于30%。

5.5　有抗冻要求的混凝土还应掺入适量的引气剂拌和新混凝土,从抗冻性能方面考虑,在掺粉煤灰或矿渣微粉的同时,应掺入适量的引气剂。

因为引气作用可以显著地提高混凝土的抗冻性,用引气作用补偿因掺粉煤灰或矿渣微粉对混凝土抗冻性的不利影响。

5.6　粉煤灰的质量要求配制耐久混凝土的粉煤灰,可选用Ⅰ,Ⅱ级低钙粉煤灰,对于预应力混凝土和引气混凝土,应选用Ⅰ级粉煤灰。

6　在新拌混凝土中加减水剂在保持混凝土和易性的前提下加减水剂,可减少拌合水,降低水灰比。

减水剂可以改善混凝土的孔结构,增高混凝土的密实度,降低透水性,从而提高了混凝土的抗渗、抗冻、抗腐蚀能力。

7　在新拌混凝土中加膨胀剂加入膨胀剂的目的是使龄期短、强度较小时的混凝土膨胀,并使混凝土不产生拉应力。

这种混凝土的抗渗性、耐久性都较好。

8　开发利用海砂我国河砂资源已近枯竭,开发利用海砂应列入研究之中。

对于耐久性混凝土,海砂不能直接使用,但经过处理后的海砂是可以使用的。

预应力混凝土一般不得使用海砂。

参考文献:[1]高琼英.建筑材料[M ].武汉:武汉理工大学出版社,2002.[2]谭家利.大掺量粉煤灰混凝土的试验研究[J ].中外建筑,2001(3):78279.Major means on compounding durable concreteDING Yu 2pingAbstract :It illustrates major measures on compounding durable concrete from selecting good durability cement 、limiting quantities of cement 、selecting reasonable coarse aggregate 、compounding air 2leading concrete ,which is based on summarizing experiences and research.K ey w ords :concrete ,durability ,coarse aggregate・741・ 第31卷第19期2005年10月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.31No.19Oct.　2005法都有其可取之处。

静压成型的压实方法简单,但是骨料的排列和现场不一样;马歇尔击实成型,试件成型装置简单,成本低,携带方便,较容易在现场和试验室使用,但击实时骨料可能破损,击实释放的能量容易使膜破裂;搓揉成型被应用于梁式试件,试件在物理和力学方面都和现场钻取的岩芯试件大体相当;轮碾成型能很好地模拟现场的情况,其混合料中骨料的排列方向和混合料的密度和现场大体吻合,但是该方法需要专门的设备,成本较高。

目前应用比较广泛的是马歇尔击实成型和轮碾成型[4]。

2.3　试件的养生对于半刚性基层材料来说,养生非常关键,直接关系到试件将来的性质。

养生主要考虑的是养生条件和养生龄期。

半刚性基层材料疲劳试验试件的养生条件一般是湿热养护(湿度对疲劳试验的影响比较大,应采取必要的保湿措施),养生龄期主要考虑试验期间内试件强度的变化,为减少试件强度的变化对疲劳试验结果的影响,一般试件的养生时间最好长一些,使试件的强度趋向稳定。

水泥稳定粒料的养生期一般为3个月,二灰类稳定粒料的养生期一般为6个月。

2.4　荷载控制模式选择荷载控制模式主要有应力控制模式和应变控制模式。

应力控制试验就是试验过程中保持荷载或者应力值始终不变,而应变量的增长速率不断增加。

应变控制试验是在试验过程中不断调节所施加的荷载或者应力值,使应变量始终保持不变,但试验过程中混合料的劲度不断下降。

在条件相同的试验中,由应力控制的疲劳试验得到的疲劳寿命要比应变控制的疲劳试验得到的疲劳寿命小得多。

选用何种荷载控制模式进行疲劳试验主要考虑以下两个因素:1)路面结构中的应力应变状态更接近于哪类荷载控制模式的疲劳试验工作状态。

2)何种荷载控制模式的疲劳试验结果更便于应用[5]。

2.5　疲劳破坏的判断标准对于应力控制模式,试件的疲劳破坏以试件出现断裂为标志。

对于应变控制模式,试件并不会出现断裂,一般以试件劲度模量下降到初始模量的50%作为疲劳破坏标准[6]。

2.6　荷载频率和荷载波形的选择加载频率和波形的选择应根据实际路面的受荷频率波形而定,在行驶车辆的作用下,路面中产生变动的应力(应变)反应。

基层底部的应力(应变)一般接近于时间的半正弦函数,车轮对路面作用一次的时间以应力(应变)的反应时间来表示,这种反应时间的长短主要取决于轮重、车速、交通类型和车辆的行驶序列,也一定程度取决于路面的性质(材料和厚度等)。

对于室内小型试验,车轮加载时间可以根据Van der Poel 公式来确定:τ=1/2πf 。

当加载频率f 为10Hz 时,加载时间τ为0.016s ,对沥青混合料路面相当于60km/h ～65km/h 的行车速度。

进行疲劳试验时采用较多的波形是单向作用的矩形波、三角形波和半矢形波或者交变正弦波。

试验表明波谱的形状对疲劳试验的结果影响不显著,但是应力和应变是单向作用还是交变作用对结果影响就比较大。

通常认为正弦波形比较接近实际路面所受荷载的波形。

由于荷载波形全部处于压力一侧,也称为半正矢波。

常用的波形为连续式半矢正弦波[7]。

2.7　试验温度对于半刚性基层材料来说,温度对于疲劳性质的影响比较小。

对沥青混合料来说影响就比较大(如果试验温度过高,则试件会产生变形累积,而变形累积不是疲劳)。

目前常用的温度为15℃或者20℃。

2.8　应力比的选择疲劳试验的关键就是应力比的选择,应力比直接关系到疲劳作用次数的大小、分散性等。

应力比如果选的太小,试件就可能不会发生疲劳断裂;应力比如果选的太大,疲劳数据的分散性就大,而且最终疲劳方程可能不处于直线段。

2.9　试验数据的收集和处理试验过程中一般采用计算机自动记录数据,最后对记录的数据进行整理,剔除分散性比较大的数据(疲劳试验过程中,降低疲劳数据分散性是一个重要问题,如果数据分散性大,可能就得不到结论。

影响分散性的主要因素有:1)试验设备的精确度;2)试验材料的均匀性;3)试件尺寸和形状的统一性;4)试件加工过程的一致性;5)试验环境的影响。

对疲劳试验数据利用概率论知识进行线性回归可以获得σ—N 曲线、σ/S —N 曲线以及P —σ—N 曲线和P —σ/S —N 曲线,这也是疲劳试验常用的几种曲线。

2.10　试验结果分析对半刚性基层材料来说,可以根据疲劳方程或者疲劳曲线来分析不同结构或者不同材料组成的疲劳性能的优劣。

对于单对数方程和双对数方程,n 值越大,疲劳曲线越陡,疲劳寿命对应力水平或者应力变化越敏感,k 值表示疲劳曲线线位的高低,它的值越大,疲劳曲线的线位越高,抗疲劳性能越好。

参考文献:[1]姚祖康.对我国沥青路面现行设计指标的评述[J ].公路,2003(2):50252.[2]葛折圣.沥青稳定基层疲劳性能研究[J ].华东公路,2001(3):36238.[3]杨　群.沥青稳定基层与半刚性基层疲劳设计分析[J ].公路交通科技,2001(4):18220.[4]魏昌俊.半刚性基层的弯拉和劈裂疲劳特性[J ].重庆交通学院学报,1998(3):40244.[5]武和平.高等级公路路面结构设计方法[M ].北京:人民交通出版社,2001.1022118.[6]沙爱民,张登良,许永明.无机结合料稳定级配砂砾的疲劳特性研究[J ].土木工程学报,1993(2):53255.[7]许志鸿,李淑明,高　英,等.沥青混合料疲劳性能研究[J ].交通运输工程学报,2001(3):26228.[8]王旭东,李晓松.水泥颗粒级配集料疲劳特性的研究[J ].公路交通科技,1993(4):39241.Endurance test of semi 2rigid base materialL I Xiao 2gang SONG Man XIONG Xiao 2xinAbstract :Combined with present research situations of endurance test of semi 2rigid base material practical test method and points for attention in test process are summarized ,which provide good references for endurance test and study of endurance characters of semi 2rigid base material.K ey w ords :semi 2rigid base material ,endurance ,test・841・第31卷第19期2005年10月山西建筑 。