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user: 3. 就地热再生沥青混合料简介拉伸疲劳性能试验 3.1. 试验参数 3.1.1. 疲劳试验控制模式 疲劳试验荷载控制模式主要有控制应力或控制应变两种不同的加载模式。 控制应力方式是指在反复加载过程中所施加的荷载(或应力)的峰谷值始终保持不变，随着加载次数的增加最终导致试件断裂破坏，受力情况较为接近沥青混合料路面的车辆荷载作用的情况，这种控制方式以完全断裂作为疲劳损坏的标准。 应变控制方式是指在反复加载过程中始终保持挠度或试件底部应变峰谷值不变。由于在这种控制方式下，时间通常不会出现明显的断裂破坏，一般以混合料劲度下降到初始劲度的50%或更低作为疲劳破坏标准。 根据相关研究表明 [ 17 ]，控制应力模式适用于厚沥青层(约 > 15 cm)。在反复荷载作用下，应力变化较小的结构承重层中。本项目依托于高速公路路面结构4 cm AC-13 SBS改性沥青 + 6 cm AC-20 SBS改性沥青 + 6 cm AC-25普通沥青 + 12 cm冷再生层 + 20 cm水泥稳定碎石 + 32 cm级配碎石。采用应力控制模式能更准确的反应该路面结构的疲劳破坏过程；其次，控制应力模式，数据点分散程度较小，所需试件较少，疲劳寿命次数较短，这样就大大缩短了试验时间，并且所获取的数据较为准确；并且采用应力控制模式的破坏标准是以完全断裂作为疲劳损伤标准，试件破坏较容易确定。综上所述，故采用应力模式进行试验较为合适。 3.1.2. 加载频率与波形 对于就地热再生沥青混合料疲劳试验的加载波形，大量研究表明，移动的车轮荷载对路面产生接近正弦曲线的应力应变效应 [ 18 ]。相关研究表明 [ 19 ]，荷载波形(正弦波、半正矢波)对疲劳寿命的影响很小。参考SHRP-M-009标准，采用半正矢波荷载进行疲劳试验，为了避免长时间试验可能出现的时间脱空现象，从而对试件产生冲击作用，试验采用较小荷载进行预加载10 s，以使试件与夹具有良好的接触。 3.1.3. 间歇时间 对于实际路况而言，路面在承受车轮荷载时，前后轮的作用或前后两辆车载的作用之间都存在时间间歇。对于本次试验而言，由于试验设备的自身条件关系，其相应频率存在间歇时间。 3.1.4. 试验温度 根据葛折圣等人的研究 [ 20 ]，温度是影响沥青混合料的第二大影响因素。本试验所处地区气候温和，历年平均气温在17.1℃~17.8℃之间。气温变幅大，盛夏极端最高气温达40℃以上，隆冬极端最低气温低于−10℃。根据以上气候特点，为了更全面的研究温度对其疲劳性能的影响，设定试验温度为5℃，15℃，25℃。虽然根据SHRP的相关研究 [ 21 ]，建议不考虑高于20℃以上的疲劳破坏，但为了解高温条件下疲劳寿命状况，25℃的试验工况下的对比试验不可舍去。 3.1.5. 应力比 疲劳试验所采用的应力比需要根据试验目的来确定。选择的应力水平过低，那么进行疲劳试验所消耗的时间较长，并且不能正常的模拟实际路面荷载的作用情况；若应力水平过高，疲劳试件很容易发生破坏，试验数据结果离散性大，不能很好的反映材料的抗疲劳性能。本文为研究不同行车荷载对就地热再生沥青混合料的疲劳性能的影响，故采用0.3、0.35、0.4、0.45、0.5这五个应力比等级进行试验。 综上所述，就地热再生沥青混合料的间接拉伸疲劳试验设置如下表7所示： Table 7 Indirect tensile fatigue test progra 试验材料 试验频率与波形 间歇时间 试验温度(℃) 应力比 5 0.3、0.35、0.4、0.45、0.5 AC-13C 1 HZ半正矢波 有 15 0.3、0.35、0.4、0.45、0.5 25 0.3、0.35、0.4、0.45、0.5 表7. 间接拉伸疲劳试验方案 3.2. 间接拉伸疲劳试验结果 3.2.1. 空隙率对就地热再生沥青混合料疲劳寿命的影响 在15℃、0.45的应力水平工况下，空隙率的变化范围为4.3%~8.0%左右，能更好的反映空隙率对疲劳寿命的影响。在排除了误差数据点后，利用该组数据(如表8所示)建立了空隙率与就地热再生沥青混合料对数疲劳寿命之间的关系曲线，如图2所示。 Table 8 The influence of void ratio on HIR asphalt mixtures fatigue lif 15℃、0.45应力水平 空隙率 8.015% 6.512% 6.008% 5.012% 4.333% 疲劳寿命Nf 79 243 319 633 853 lgN f 1.898 2.386 2.504 2.801 2.931 降低1%空隙率疲劳寿命变化率 44.9% 47.3% 49.8% 38.0% / 变化率均值 45.0% 表8. 空隙率对就地热再生沥青混合料疲劳寿命的影响 图2. 空隙率与对数疲劳寿命关系图 通过表8和图2可以发现，空隙率与对数疲劳寿命有较好的线性相关关系。每升高1%空隙率再生混合料疲劳寿命会降低45%左右。 3.2.2. 应力比再生混合料疲劳寿命的影响 本次试验为了比较高、低应力比条件下的疲劳特性，所选择应力比水平为0.3~0.5，分别进行了不同温度(5℃、15℃、25℃ )下的相应应力比水平的间接拉伸疲劳试验的对比。试验结果如下表9所示。 Table 9 The fatigue test results at different temperature 试验温度(℃) 应力比 疲劳寿命(次) 平行试件数量 5 0.30 14，988 4 0.35 8442 0.40 3224 0.45 1005 0.50 466 15 0.30 11，160 4 0.35 4689 0.40 1058 0.45 398 0.50 172 25 0.30 2558 4 0.35 558 0.40 251 0.45 170 0.50 68 表9. 不同温度下疲劳试验结果 由表9，显然可以看出，随着应力比水平从0.3逐渐升高至0.5时，沥青混合料的疲劳寿命逐渐降低。 以单对数曲线方程为例，对上述不同试验温度下的试验结果进行线性拟合如下图3~5所示： 图3. 5℃的单对数疲劳曲线 图4. 15℃的单对数疲劳曲线 图5. 25℃的单对数疲劳曲线 将不同温度下的单对数疲劳曲线方程汇总于表10。 Table 1 0 The stress ratio—fatigue life equation of different temperature 试验温度(℃) 单对数疲劳方程 相关系数R 2 5 lgN f = 5.457 − 7.3339 S 0.9893 15 lgN f = 6.8721 − 9.3909 S 0.9904 25 lgN f = 5.457 − 7.3339 S 0.9532 表10. 不同温度下的应力比——疲劳寿命方程 根据以上的图表内容可以发现，对于不同温度下的单对数疲劳寿命方程表现出良好的线性特性。 3.2.3. 温度对再生沥青混合料疲劳寿命的影响 不同温度下的再生沥青混合料疲劳寿命如图6所示，对于本试验控制模式为应力加载控制。由图可以明显看出，对于相同的应力比作用下时，疲劳寿命随温度的降低而增长。这种温度疲劳寿命的影响可以用混合料的劲度来解释，温度在一定限度内下降时，沥青混合料的劲度增大，试件在承受一定应力的条件下所产生的应变就小，因而在控制应力加载模式的试验中导致有较长的寿命。 图6. 不同温度下的疲劳寿命 从图像斜率来分析，试件在较低试验温度时对应力比水平的敏感程度比较高试验温度时敏感程度更高。造成这种现象的原因是对于相同的应力比水平，较低试验温度增长幅度较大，而较高试验温度增长幅度较小。而温度对劲度模量的影响幅度相较与应力而言，增幅较小。那么就会出现增加相同的应力比水平，较低试验温度的疲劳寿命变化幅度较较高试验温度的疲劳寿命变化幅度大。