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1、疲劳试验及几种试验方法的比较 冉孟竺 内容摘要内容摘要 概述 沥青混合料动态特性 沥青混合料疲劳力学模型 影响沥青路面疲劳寿命的因素 4 1 2 3 5 沥青混合料的疲劳试验方法 概述概述 路面疲劳破坏特征 裂缝是疲劳的表现，取决于 荷载水平（应力比或应变比） 重复次数 车辆驶过路面时的受力状况 沥青混合料动态特性沥青混合料动态特性 目前我国在通过试验取得材料参数和对沥青混合料 进行性能的研究时，材料试件的受力状态基本上是 静态的，没有考虑材料在动态荷载下的动态性能。 导致路面设计的两大问题： 试验所得性能与参数不能充分反映行驶中汽车荷载作用下 材料的真实性能 使得设计中的理论弯沉计算值与实测
2、结果不符，从而不得 不在规范中引入一项综合系数来进行修正 沥青混合料动态性能参数 劲度 复合 模量 抗压 强度 表征沥青混合料动态性能参数主要有 回弹 模量 影响沥青混合料动态模量因素 影响因素 试验温度 加载力与方式 加载频率 试件尺寸 随温度升高，沥青混合料的劲度 呈降低趋势 采用的加载频率在120Hz 动态模量随荷载频率的增加而增大 试件尺寸 加载频率 加载力大小与加载 方式 试验温度的影响 荷载越大，动态模量越大 美国ASTM 要求尺寸高径比1:2 我国现行测试方法使用高径比1:1 沥青混合料疲劳力学模型沥青混合料疲劳力学模型 现象学法能量法 综合目前的研究成果，沥青路面疲劳特性的研究
3、方法基本可分 为三类： 力学近似法 疲劳破坏的定义 按照传统的定义，材料疲劳破坏的最终结果 是断裂。 美国试验与材料协会（ASTM）公布的“疲劳 试验及数据统计分析术语”将其表述为“材料某点 或若干点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动 后形成裂纹或者发生断裂，使得材料发生局部的 或者永久的结构变化的这一发展过程，称之为疲 劳 现象学法 应力控制应变控制 保持挠度或试件底 部应变峰谷值不变 表征公式表征公式 施加荷载（应力）的峰谷值不变 试件完全断裂 现象学法中，把材料出现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。 劲度下降到初始劲 度的50%或更低 影响沥青路面疲劳寿
4、命的因素影响沥青路面疲劳寿命的因素 Image information in product Image : Note to customers : This image has been licensed to be used within this PowerPoint template only. You may not extract the image for any other use. （1）荷载历史 （2）加载速率 （3）施加应力或应变波谱的形式 （4）荷载间歇时间 （5）试验方法和试件形状 荷载条件 材料性质 环境条件 （1）混合料劲度 （2）混合料沥青用量 （3）沥青的种类
5、和硬度 （4）沥青混合料的空隙率 （5）集料表面性状 （1）温度 （2）湿度 沥青混合料的疲劳试验方法沥青混合料的疲劳试验方法 现象学法进行疲劳试验的方法归纳起来可 以分为四类： 1、实际路面在真实汽车荷载下的疲劳破坏试验 2、路面结构在模拟汽车荷载作用下的疲劳试验 研究 3、试板试验 4、试验室小型试件的疲劳试验研究 疲劳试验方式汇总 试验 方法 加载形式应力分布加载波形 加载频率间 歇时间（次 /s） 应力 状态 四点弯曲 带间 隙的半正 弦波 11.67单轴 向 中点弯曲同上 带间 隙的正 弦、三角或方 波 最大1/100单轴 向 梯形悬悬 臂梁 带间 隙的正弦 三角波形 25或1/10
6、0单轴 向 旋转悬 臂10 16.67单轴 向 单轴8.3325.0单轴 向 间间接拉 伸 1.0双轴向 支承梁 弯曲 半正弦0.75单轴 向 四点弯曲疲劳试验方法 加载方式 四点弯曲疲劳试验方法 采用振动轮碾成型设备进行碾 压成型 置于高精度金刚石双面剧内， 采用双面同步切割技术 300mm50mm50mm 沥青混合料小梁试件均在试验温度 下环境温控箱内养护4小时以上,控 温精度为0.1，控温范围为- 20+60 成型方法 试件尺寸 环境条件 四点弯曲疲劳试验方法 梯形悬臂梁疲劳试验方法 加载方式 梯形悬臂梁疲劳试验方法 试件尺寸 粗端55mm20mm 细端20mm20mm 长度为250mm
7、 环境条件： 1、沥青混合料小梁试件均在环境温控箱内在试验温度 下养护4小时以上 2、控温精度为0.1，控温范围为-20+60 间接拉伸疲劳试验方法 加载方式 间接拉伸疲劳试验方法 试件尺寸 直径100mm 高63.5mm 环境条件： 1、沥青混合料小梁试件均在环境温控箱内在试验温度 下养护4小时以上 2、保温室控温范围为2-20，精度至少为1。 三种试验方法的评价 影响因素 敏感性 试验 可靠性 合理性 美国SHRP研究计划对这三种试验方 法进行详细的评价，从三个角度 方法 评价 不同试验方法影响因素敏感性分析结果 评价指标影响因 素 四点弯 曲 梯形悬 臂梁 间接拉 伸 劲度模量 变化百分
8、表 沥青种类512943 沥青含量000 集料类型11527 空 隙 率332418 温 度844467 应力水平840 疲劳寿命 变化百分表 沥青种类565853 沥青含量5000 集料类型674945 空 隙 率858067 温 度999899 应力水平888076 23 不同试验方法影响敏感性分析结果 四点弯曲 间接拉伸 梯形悬臂梁弯曲 四点弯曲 梯形悬臂梁弯曲 间接拉伸 对沥青类型的敏感程度对沥青类型的敏感程度对沥青类型的敏感程度对沥青类型的敏感程度 对其他因素的敏感程度对其他因素的敏感程度对其他因素的敏感程度对其他因素的敏感程度 不同试验方法可靠性分析结果 评价指标四点 弯曲 梯形
9、悬臂梁 间接 拉伸 劲度模量变化系数（% ） 12.311.419.7 采样方差（In psi) 0.010.0140.015 疲劳寿命变化系数（% ） 98.7171.865.5 采样方差（In Nf) 0.2821.6960.213 试验可靠性分析主要用于评价试验方法在重复条件下的可靠程度 ，即反映各试验方法的离散程度。 不同试验方法影响可靠性分析结果 对于疲劳寿命对于劲度模量 间接拉伸四点弯曲 四点弯曲 梯形悬臂梁弯曲 梯形悬臂梁弯曲 间接拉伸 可靠性 分析 不同试验方法影响合理性分析结果 评价指标四点弯曲梯形悬臂梁间接拉伸 平均劲 度模量 0 2,454,7001,978,1003,7
10、12,400 20 425,1001,063,1001,211,300 平均疲 劳寿命 0 5,834,000488,800214,900 20 34,500245,600108,100 合理性分析主要是评价各试验方法所获得的试验结果是否合理， 即试验结果是否与先前经验所期望的一致。 通过间接拉伸方式获得的平均劲 度模量要比四点弯曲高出 60%70% 四点弯曲疲劳试验结果获得的平 均疲劳寿命是间接拉伸疲劳的27 倍 梯形悬臂梁疲劳 试验所得的劲度 模量和疲劳寿命 对温度不太敏感 几种疲劳试验的比较 试验 方法 优点缺点 模拟现 场状况 简便 性 综合 排序 四点 弯曲 试验结果可直接用于设计
11、基本技术可用于其他方面 可选择加载方法 敏感程度相对较好 耗时 成本高 需专用设备 接近 较简 便 1 梯形 悬臂 梁 试验结果可直接用于设计 基本技术可用于其他方面 可选择加载方法 耗时 成本高 需专用设备 试件成型有一定难度 接近 不简 便 2 间接 拉伸 试验方法简单 基本满足沥青路面疲劳设计 分析的要求，结果与实际路面 性能有一定的相关性 设备多用 所受拉应力作用较为均匀 能够评价路面芯样的疲劳性 能 与路面受力状态有较大 差别 低估疲劳寿命 受力两端产生局部变形 影响受力模式 试件实际开裂模式与理 论开裂位置经常不一致 不接近简便 3 关于疲劳试验的几个问题 如何选择比较适宜的疲劳试验 条件？ 疲劳失效如何界定？ Thank You!