专利名称：沥青混合料低温抗裂性能评价方法
技术领域：
本发明属于浙青混合料力学性能评价的应用技术领域，具体涉及一种浙青混合料 低温抗裂性能的评价方法。
背景技术：
伴随着国民经济的快速增长，我国的高等级公路里程也与日俱增。截至2009年6 月，我国已建成的高速公路达到了 7. 5万公里左右，仅次于美国。在已建成的高速公路中， 绝大部分路面采用的是浙青路面。然而，浙青路面在使用过程中出现了各种各样的破坏，主 要包括开裂、车辙、沉陷和松散等。其中，由于温度降低引起的温度收缩裂缝是冬季寒冷地 区浙青路面的主要破坏方式之一。选择抗裂性能优良的浙青混合料是防止或者延缓开裂的 根本途径。因此，如何评价浙青混合料的低温抗裂性能是一个基本课题。现有的评价浙青 混合料低温抗裂性能的方法有一定的局限性，这里综述之。(1)低温弯曲破坏试验。低温弯曲破坏试验是国内外较常用的评价浙青混合料 低温抗裂性能的方法。我国《公路工程浙青及浙青混合料试验规程》(JTJ052-2000)中，采 用-10°C、加载速率为50mm/min的低温弯曲试验来评价浙青混合料的低温抗裂性能。小梁 试件的尺寸为长250mm，宽30mm，高35mm。试验时，在梁跨下缘正中央安放位移测定装置， 在梁中间施加集中荷载，仪器自动记录荷载和变形的值，可绘制荷载-变形或者应力-应变 曲线。我国规范根据上述试验，对浙青混合料的最大破坏应变做出了具体规定。这种方法 仅适用于密级配小粒径浙青混凝土，而且力学理论基础是弹性力学破坏理论。(2)低温弯曲蠕变试验。弯曲蠕变试验是测定浙青混合料试件在规定温度和加载 应力水平条件下弯曲蠕变的应变速率，以评价浙青混合料的变形性能。在我国“八五”攻关 课题中，提出使用o°c时的弯曲蠕变试验的应变速率来评价密级配浙青混凝土的低温抗裂 性能，并且提出了这个指标的建议值。但研究表明，对于o°c弯曲蠕变试验，规定的应力水 平(0°C，lMPa)不适用于一些级配和浙青品种，会得到错误的结论。而且，低温弯曲蠕变试 验是一种定性分析方法，与浙青路面的低温断裂没有直接联系，无法直接预测浙青混合料 的低温抗裂性能。(3)约束试件温度应力试验。约束试件温度应力试验，又称冻断试验，是美国公路 战略研究计划推荐的评价浙青混合料低温性能的试验方法。约束试件温度应力试验模拟浙 青路面在降温过程中产生的开裂。随着温度的降低，浙青混合料试件中的温度应力逐渐增 大，直至试件断裂。由此可以使用断裂温度、断裂强度、转折点温度和温度应力曲线的斜率 四个指标来反映浙青混合料的低温抗裂性能。从模拟路面实际使用状况来看，约束试件温 度应力试验能够模拟浙青路面温缩裂缝的受力过程。然而，约束试件温度应力试验设备昂 贵，方法复杂，不易推广使用。对于浙青混合料低温抗裂性能的评价，优良的评价方法应满足如下条件
(a)评价方法所依据的力学理论基础能正确反应浙青混合料的低温断裂特征；
(b)评价方法所使用的试验方法应该与浙青混合料的断裂过程直接相关，这样由试验
3获得的评价指标才能直接反应浙青混合料的抗裂能力；
(C)评价指标能全面反应浙青混合料的抗裂能力，而且评价过程简单适用，易于被工 程技术人员掌握。

发明内容
技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种浙青混合料低温抗裂性能的评价 方法，可以综合地评价浙青混合料的低温抗裂性能，方法力学意义清晰，简单适用。技术方案本发明使用与浙青混合料断裂过程直接相关的试验方法，采用直接反 映浙青混合料抗裂能力的评价指标，并且利用反映浙青混合料断裂区本构关系的曲线来直 观地评价浙青混合料的低温抗裂性能。已有的研究表明，在温度不高时(< 30°C )，浙青混合料在断裂过程中，裂纹尖端 附近会形成一个非线性变形区域，这个区域主要由软化区控制，塑性区相对较小。因此，在 温度不高时，浙青混合料属于准脆性材料，软化特性是浙青混合料在断裂过程中的重要特 征。内聚力模型(cohesive zone model，简称CZM)能很好地表征这种软化特性。CZM将物理断裂局限在内聚力区域内，这个区域是由两个假想的面来定义的，界面 上作用有内聚力。I型断裂模式下的内聚力模型示意图如

图1所示。裂缝尖端的内聚力为 零，内聚力最大的点称为内聚力区域尖端。内聚力区域就是材料裂缝尖端和内聚力区域尖 端之间的区域，在这个区域内将产生复杂的断裂行为(包括非线弹性断裂)。假想的面是通 过内聚力结合在一起的，而内聚力又取决于两个面的张开位移。外荷载的增加将导致界面 张开位移的增加，从而导致内聚力的变化，内聚力先是增加，然后达到最大值，最后减小直 到为零。内聚力达到最大值标志着裂缝的开始；内聚力减小为零标志着界面的张开位移达 到最大值，此时，材料失效，裂缝形成。CZM是由内聚力区域的本构关系来定义的，可以使用双线性内聚力-位移 ( )曲线来描述内聚力和位移 之间的关系。双线性CZMWp5曲线如图2所示。孓<5< 时，材料处于软化阶段，也称
为损伤阶段。双线性CZM有两个独立的模型参数，即断裂能Gc和开裂强度Tc。断裂能是指 裂缝面从位移为零直到完全分离所消耗的能量，亦即材料从完好到断裂所吸收的能量。理 论上，断裂能等于曲线下方的面积，对于双线性CZM，断裂能的表达式如式(1)。断裂能 用单位面积上的能量来表示，可以通过试验获得。开裂强度是指材料的力学强度，对于I型 断裂，浙青混合料的开裂强度等于材料的抗拉强度。
σ,
I=-TsSf(I)
^ (2)
B
>a
c
⑶
I
按线弹性断裂力学的观点，当裂纹尖端的应力强度增加到一定程度时，就会发生脆性断裂，此时的能量释放率最大，称为临界能量释放率Gic。在平面应力条件下，Gic可由式 (2)计算。其中，Iic是断裂韧性，A是弹性模量。根据以上概念，图3中阴影部分的面积可以认为等于^。曲线下方空白部分的面
积是软化阶段吸收的能量。根据现有研究成果，浙青混合料的断裂韧性的值在400-500
N/cmV2之间，这里取平均值450 N/cmV2，浙青混合料的模量取6500 MPa(低温时的模量)，
浙青混合料的断裂能取206. 4 J/m2。由式(2)计算得到Gjc为31. 2 J/m2，则软化阶段吸收
的能量为175. 2 J/m2。由这个计算结果可知，软化阶段吸收的能量是弹性阶段的5. 6倍，占 断裂过程中吸收的总能量的85%。因此，浙青混合料在断裂过程中吸收的能量主要是用于 材料的软化。根据上述计算结果，取Gjc = 31. 2 J/m2, Ge = 206. 4 J/m2, T1c= 3. 916MPa,由式(3)
分别计算孓和 ，其值分别为各=0.01593mm, ^ = 0.1054mm。由此得到孓/ = 0. 15。
由此可知，与4相比L的值很小。因此，= 的取值对双线性曲线的形 状影响很小。双线性ι —5曲线可以由开裂强度/；、失效位移 和断裂能G来定义其形状。而这
三个参数与浙青混合料的抗裂性能密切相关。断裂能反映了材料产生单位面积的裂缝所吸 收的能量；失效位移反映了材料的变形能力；而开裂强度反映了材料的强度特征。因此，具 有较大的断裂能、较大的失效位移和较高的开裂强度的浙青混合料具有较好的抗裂性能。 双线性 -5曲线直观地反映了上述三个参数的大小。因此，双线性 -5曲线可以直接用于 评价浙青混合料的抗裂性能。本发明所述的浙青混合料低温抗裂性能评价方法，具体包括如下步骤
步骤1 成型浙青混凝土梁，梁长30cm、高6cm、宽6cm，跨度即支座之间部分的长度 Mcm，切缝深度Icm ；在-10°C条件下，在梁顶中间截面施加集中荷载，加载速率为lmm/min， 记录荷载和跨中挠度直到梁断裂成两半，得到荷载-跨中挠度曲线，依据此曲线，计算浙青 混合料的断裂能；
步骤2:根据我国《公路工程浙青及浙青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)中的劈裂试 验测量浙青混合料的抗拉强度；试验温度为-10°C，加载速率为lmm/min ；
步骤3 根据断裂能和抗拉强度，依据公式
权利要求
1. 一种浙青混合料低温抗裂性能的评价方法，其特征在于该方法包括如下步骤 步骤1 成型浙青混凝土梁，梁长30cm、高6cm、宽6cm，跨度即支座之间部分的长度 Mcm，切缝深度Icm ；在-10°C条件下，在梁顶中间截面施加集中荷载，加载速率为lmm/min， 记录荷载和跨中挠度直到梁断裂成两半，得到荷载-跨中挠度曲线，依据此曲线，计算浙青 混合料的断裂能；步骤2:根据我国《公路工程浙青及浙青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)中的劈裂试 验测量浙青混合料的抗拉强度；试验温度为-10°C，加载速率为lmm/min ；步骤3 根据断裂能和抗拉强度，依据公式 ρ 2α+ = ^计算失效位移，并且假定弹性位移,，=0.13 绘制浙青混合料的双线性内iCaO聚力-位移曲线；其中Tc为抗拉强度，Gc为断裂能；步骤4 利用双线性内聚力-位移曲线直观地、综合地评价浙青混合料的低温抗裂性能。
全文摘要
本发明提供一种沥青混合料低温抗裂性能的评价方法。根据内聚力模型理论，提出采用抗拉强度、断裂能和失效位移综合地评价沥青混合料的低温抗裂性能，在实际评价过程中，直接使用双线性内聚力模型曲线直观地反映沥青混合料的抗裂能力。本发明提供的评价方法和评价指标与沥青混合料实际断裂过程直接相关，因而能准确反映沥青混合料的低温抗裂性能。本发明提供的评价方法，可以用于综合评价各种沥青混合料的低温抗裂性能，而且可以用于预测实际沥青路面的抗裂能力，深化了对沥青混合料低温抗力能力的理解，为研究沥青混合料的低温抗裂性能提供了一种综合评价方法。
文档编号G01N3/18GK102109441SQ20101059756
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年12月21日
发明者张东, 赵永利, 黄晓明 申请人:东南大学