沥青材料的温度疲劳性能以及SHRP疲劳性能测试方法

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1.所采用基质基质沥青的质量
2改性剂的改性效果 3.试验温度
试验温度
14 12 10 8 6 4 2 0 0
老化前 老化后
400
G*(KP
G*（KPa)
300 200 100 0 老化前 老化后 0 0.05 掺量 0.1 0.15 0.2
0.05
0.1 掺量
0.15
0.2
60℃时G*与硅藻土掺量的关系
四. 实验步骤及其影响因素
动态剪切流变仪实验步骤：将沥青（直径为25mm、厚 度为1mm）试样夹在一个固定和一个能左右振荡的板之 间（原理图），振荡板从A点开始移动到B点，又从B点 返回经A点到C点，然后再从C点回到A点，形成一个循环 周期。试验角速度为10 rad／s，约相当于3.183Hz。试验 采用两块φ25mm或φ8mm的平行板，间距对应为1mm或 2mm。 • 所施加的荷载为正弦荷载，其应力应变波形图。复数 剪切模量G*＝τmax／γmax，作用应力和由此而产生的应 变之间的时间滞后称之为相位角δ。
二. 温度疲劳性能的试验方法和设备
• 温度疲劳的研究方法一直处在研究之中,目 前主要通过对疲劳裂缝进行疲劳研究，裂缝 扩展规律研究方法主要有以下两种：
•1、现象法 •2、力学近似法
1、现象法
• 现象法就是采用疲劳曲线表征材料的疲劳性质， 即通过确定造成疲劳损坏的温度循环次数，判定 沥青温度疲劳特性。
• b 该方法确定的疲劳寿命被定义为一种应力状态 下，材料损坏按照裂缝扩展定律，从初始状态增 加到危险状态或临界状态的时间。
力学近似法裂缝扩展规律公式 • 根据对已有的裂缝扩展规律公式对比研究， 认为Pairs P C的裂缝扩展公式最适合沥青混合 料。
裂缝扩展规律公式分析
• 该公式以线弹性力学模型分析了分析了裂缝的形 成、开展到最终断裂的过程，并提出疲劳寿命的 过程。 • 实际上，该模型只考虑了裂缝的开展和最终断裂， 而为考虑裂缝的形成。无法对整个裂缝的扩展过 程系统的考虑。
低温低频疲劳试验
• 研究思路：由于温度应力周期长，频率低。所以研究者开始 尝试通过将温度应力转变为低频荷载下产生的应力--低温低频疲 劳试验。 • 实验设备：依据以上实验思路，研究者开发出低温低频实验 仪用以研究沥青混合料温度疲劳性能。 试验方法流程，实验设备：
一、
成型矩 形梁试 件
二、
低频重 复弯曲 试验
两种裂缝扩展规律研究方法评价
• 区别：前者的疲劳寿命包括裂缝的形成和扩展阶段， 研究裂缝的形成机理，以及应力、应变与疲劳寿命 的关系和各种因素对疲劳寿命的影响。后者只考虑 裂缝扩展阶段而不考虑裂缝形成阶段，主要研究裂 缝断裂机理以及裂缝扩展规律。 不足：以上研究方法一般把热疲劳和低温开裂疲劳 联系在一起，而在考察该种破坏机理时，无法评价 必须两者分开研究后的作用效果。
不同，但是要求G*≥1.0Kpa。当目前实验温度满足 要求时，可以升高试验温度，进一步确定沥青材料 温度适用范围。
• δ--对于绝对弹性材料，荷载作用时，应力与应变
是完全同步的，其相位角δ等于0；粘性材料应力和 应变响应不能保持同步，时间上有较大的滞后，相 位角δ接近90°。
3.2 动态剪切实验影响因素
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• 在现象法中,通常把材料出现疲劳破坏的重 • 复应力值称作疲劳强度,相应的应力重复作用次 • 数称为疲劳寿命。
损伤函数
• 不同的温度循环和初始温度条件下,根据多次试验 结果来计算损伤函数,该函数与一般的(即荷载作用 下的)沥青混凝土疲劳开裂函数类似,即:
2、力学近似法
• a 力学近似法,即应用断裂力学原理分析疲劳 • 裂缝扩展规律以确定材料疲劳寿命的方法。
试验方法
• 目前国内温度疲劳研究实验方法主要有两类： • 1、试件温度应力实验。 • 2、低温低频疲劳试验。
试件温度应力实验
• 实验介绍：1965年，Monismith等人开发了一种热应力测试装
置，该装置主要由温度控制箱、恒温箱，应力应变接受测试系 统组成。 • 试件要求：实验中采用通过成型2.54×2.54×30.48（单位：cm） 的沥青混凝土矩形试件。 • 实验过程：通过实时监测试件位移，测得混合料试件热收缩系 数，并以此作为评价沥青的温度疲劳性能。 • 实验设备：沥青混合料温度疲劳试验机
3.动态剪切实验可以有效评价沥青结合料的疲劳特性 ，通过引进动态剪切实验，弥补了我国在这方面研 究的不足之处，是的对疲劳研究也进入了趋于定量 化、精准化的时代。 4.动态剪切实验疲劳指标考虑了两个因素：复数剪 切模量和相位角，疲劳性能较好的沥青即使在经过 老化后仍然具有较大的柔性，及附属模量越小，相 位角越大的沥青结合料，耐疲劳性能更好。
五. 小结
• 1.之前我国国内沥青温度疲劳试验实验方法偏向于定性
分析，未形成定量化评价指标体系，很难保证实验结果 与沥青抗疲劳路用性能相关性。 • 2.无论是温度应力试验或者是低温低频实验都是通过沥 青混合疲劳性能进行分析评价沥青抗疲劳性能，实验过 程中的控制因素增加，无法直接进行沥青材料的疲劳性 能分析，使得结论可靠性不足。 •
DSR实验结果指标
• SHRP沥青路用规范中，采用疲劳评价指标见式：
•
G ' ' G * Sin
G' ' G *'成为损失模量（反映内部摩擦以热的形式散失的能量） G*复数剪切模量
•
δ相位角
损失模量-剪切模量-相位角三者关系图
复数剪切模量 和相位角
• G*--剪切模量的大小以温度来衡量，不同温度下G*
三、
测得试 件疲劳 寿命
计算机处 理系统
三. 沥青结合料的SHRP疲劳性能测试 方法
• 虽然我国对沥青疲劳方面的研究较少，但在欧洲等发达国家早 已开始对沥青的疲劳性能进行研究。如英国、澳大利亚等国家 公路科研所包括像壳牌等公司均采用了动态剪切方法展开沥青 疲劳研究。 • 但是我国缺乏类似的实验仪器，直到美国SHRP引进动态剪切 实验用于测试沥青结合料疲劳性能，并将指标列夫 SUPERPAVE 的沥青路用规范，我国也开始引进动态剪切流变仪(DSR-dynamic shear rheometer )
沥青材料的温度疲劳性能以及 SHRP疲劳性能测试方法
目录
一. 温度疲劳性能的含义和工程意义 二. 温度疲劳性能的试验方法和设备 三. 沥青结合料的SHRP疲劳性能测试方法 四. 各自的实验步骤及其影响因素 五. 小结
一.温度疲劳性能的含义和工程意义
• 研究背景：
国内：对温度疲劳开裂研究较少，目前规范上也未提 及。 • 国外：a 对热疲劳开裂可能性的研究始于20世纪70年 代美国西部德克萨斯州。针对处于冻融循环环境下的基 层材料路面由材料性质估计开裂间距的预测模型进行温 度疲劳机理研究。 • b后来美国开展了shrp计划，通过shrp疲劳试验 对沥青路面温度疲劳展开研究。
•
沥青温度疲劳性能的含义
• 沥青路面在温度变化、热辐射等工程应用环境 下，使得沥青路面材料在温度反复变化的条件下 产生温度应力，加上沥青老化导致沥青应力松弛 性能降低，温度应力小于抗拉强度时，产生温度 疲劳。长期疲劳作用下，沥青路面产生疲劳开裂。
温度疲劳作用机理过程分析
引起因素
作用过程
温度反复变化长 生温度应力是结 合料极限拉伸应 变减小；加上沥 青老化，劲度升 高，应力松弛性 能降低
25℃时G*与硅藻土掺量的关系
实验结果分析
• 从表中数据可以看出，由常温25℃到高温60℃，G*值 迅速下降，25℃时G*范围在150～400KPa，60℃时降至 15KPa以下，说明沥青胶浆与基质沥青一样具有温度敏 感性， G*受温度影响很大。
• δ值随温度升高而增大，即粘性成分和弹性成分的比例 增大，说明由常温到高温，沥青逐渐由弹性向粘性转化。
作用结果
大气温度 热辐射 · · ·
当温度应力小 于抗拉强度时， 产生温度疲劳
工程意义
• • 1.路面疲劳疲劳主要由荷载应力疲劳和温度应力疲劳， 目前，对温度应力疲劳研究较少。 2.产生疲劳裂缝后，如果路面上有水,水进入裂缝会 进一步造成水损害,这些因素都将影响行车质量和路面 寿命。
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所以，研究温度疲劳具有重要意义。
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DSR原理图
剪应力 最大t
4动态剪切流变仪工作原理
最大y
振荡板 沥青 固定板
载荷时间t
应变 应力 相位滞后
4动态剪切流变仪工作原理
粘弹性材料应力－应变波形图
DSR试样要求
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SHRP沥青胶结料规范中规定：原始沥青的抗车 辙因子G*/sinδ≥1.0Kpa，旋转薄膜老化后沥青的抗 车辙因子G*/sinδ≥2.2Kpa，经压力老化后的沥青的 粘性分量G*·sinδ≤5000Kpa。