[发明专利]一种基于轮载仪的沥青混合料疲劳性能试验方法

说明书

技术领域

本发明属于道路工程领域，具体涉及一种基于轮载仪的沥青混合料疲劳性能试验方法，用于测试沥青混合料的疲劳性能。 

背景技术

近些年来，公路交通特别是高等级公路建设的蓬勃发展，对道路材料的品质和功能也提出了更高的要求。道路材料的性能、质量和组成设计都对它的发展起了至关重要的作用，而通过合理的试验方法对道路材料的性能进行测试和了解是正确有效地使用道路材料的前提和基础。沥青混凝土路面由于具有诸多优点，在道路工程建设中得到广泛的应用，我国目前的高等级道路基本都采用沥青混凝土路面。 

疲劳开裂是沥青路面的主要破坏形式之一，疲劳裂缝的出现对沥青路面的行车舒适度和使用寿命都有直接影响。人们对沥青路面结构开裂破坏的认识是逐渐深入的，伴随着力学领域中破坏理论的研究和发展，关于沥青路面结构开裂破坏的研究经历了由经验性总结过渡到结合破坏力学的理论性的过程。随着传统的疲劳破坏理论的发展，人们认识到，路面的破坏是由于荷载在路面材料中引起的重复加载疲劳应力超过了其抗拉强度而发生的。传统的疲劳强度理论承认了由于荷载的循环作用而对材料造成的损坏的累积，但相关的分析是针对连续完整、无缺陷的结构体系进行的，并没有考虑沥青混合料、结构内部先天存在的缺陷或因使用期内逐渐出现的缺陷对路面结构造成的不利影响，这使得运用传统疲劳力学理论与方法对沥青路面结构进行的计算和分析结果与实际情况存在偏差，尽管引入了不同的修正系数或安全系数，但使得设计结果仍带有较大程度的不确定性。按照后来发展的断裂力学及其疲劳断裂力学观点，结构的破坏正是由于其内部的缺陷引起应力集中与内部损坏，当这种应力集中与损坏累积超过材料与结构抵抗破坏的容许值时，就造成了内部损伤的发展，并最终导致结构的破坏。 

沥青混合料本身的性质和沥青路面的结构都十分的复杂，由实际道路的受力情况可知，道路路面的柔性沥青混合料面层的基本力学性能是由在反复的车辆荷载作用下的拉伸变形 所决定的。如图1所示，当沥青路面在车辆荷载作用下，沥青面层的底部受到了拉应力的作用，在拉应力的反复作用下，裂缝通常在路面的底部开展，然后逐渐向上发展直至贯穿整个路面层而出现在道路表面。也有研究表明对于较厚的沥青路面，部分裂缝是从道路表面出现然后向下发展到路面底部的。即在车辆荷载作用下，路表靠近轮胎前侧和边缘位置产生了较高的水平拉应力，使得路表首先产生初始裂缝，然后在车辆荷载的剪切作用下，逐渐向下扩展，直至穿透整个面层。然而，道路表面产生裂缝的原因众多，而且往往伴随其它的路面破坏形式（比如温度应力、水破坏等）一同出现，并不完全是由于疲劳破坏所引起的。所以，大部分的研究学者还是认为沥青路面的疲劳破坏主要是由于沥青混合料在重复的弯拉应力的作用下微裂缝逐渐扩展，使材料超过了其自身的极限抵抗能力而造成的。 

沥青混合料的疲劳特性可以通过测试沥青混合料在一定应力水平或应变水平的周期荷载作用下的应变或应力响应而得到。目前，研究人员已经开发出了多种评价和测试沥青混合料疲劳特性的试验方法，这些试验方法包括在各种加载模式和测试条件下的足尺试验、大尺寸结构试验和室内的小尺寸试验。其中，室内的小尺寸试验由于可以考虑众多影响因素，并且操作简便，费用低而被广泛应用，主要包括弯曲拉伸、直接拉伸和压缩以及间接拉伸试验等等。目前，在欧洲使用较为广泛的试验方法有三点弯曲疲劳试验和两点弯曲(梯形梁)弯曲疲劳试验；而直接拉伸和四点梁弯曲疲劳试验则在美国和亚洲一些国家使用较多；另外，根据对试件的加载方式的不同还有间接拉伸和半圆弯曲疲劳试验等等。这些试验方法的加载方式和试件的形状都各不相同，但是所有这些试验都是通过对沥青混合料试件施加在拉伸状态下的周期性的正弦应力或应变来测定其疲劳特性的。 

直接拉伸疲劳试验中，虽然试件的受力方式简单直接，但是试件的准备和试验操作过程十分复杂，所以直接拉伸试验的可操作性差和效率低限制了它的推广应用。和直接拉伸试验相比，单轴压缩试验的操作相对简单、方便，但是其测试的是沥青混合料在压缩状态下的粘弹性特性，与实际道路路面沥青混合料的受力特点不相符，不能准确地放映沥青混合料在拉伸状态下的疲劳性能，所以目前已经使用不多。 

四点梁弯曲疲劳试验目前是美洲和亚洲范围内应用最为广泛的疲劳试验方法。它具有如下几方面的优点： 

(1)试件的应力状态与沥青混合料在实际路面上的受力情况相似； 

(2)试件受力条件简单，两个夹具间的试验梁受弯部分处于纯弯应力状态； 

(3)已有成熟的数据采集和处理系统，软件界面友好，操作简单、方便。 

虽然四点梁弯曲疲劳试验由于上述的优点而被广泛应用，但也存在如下一些缺点和不足：