英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

利用图像分析评定沥青混合料四点弯曲疲劳

A. M. Hartmansup1; and M. D. Gilchristsup2;

摘要:沥青路面结构破坏的主要形式之一是由于交通诱导应力的反复作用而引起的疲劳开裂。本文讨论了确定沥青混合料矩形梁试件(305times;45times;50mm)动态力学性能的四点弯曲试验装置的研制。该系统允许在疲劳试验过程中对梁试件的裂纹损伤表面进行原位检测和监测。该测试夹具与闭环伺服液压反馈系统集成，采用恒夹紧机构，采用位移和加载相结合的控制方式。对两种标准爱尔兰沥青混合料：热轧沥青和密实基层碎石试件进行了一系列四点弯曲疲劳试验。利用疲劳裂纹的数字成像信息，测量损伤程度，描述线弹性断裂力学模型。

DOI:10.1061/(ASCE)0899-1561(2004)16:1(60)

CE数据库标题:沥青混合料；疲劳；弯曲；断裂力学；图像分析；材料失效。

导言

沥青层疲劳开裂是柔性路面材料体系中的一种主要结构破坏模式，随着世界公路荷载的不断增加，以及采用集中标准和试验程序的全球趋势，使得使用基本的、非经验性的力学试验来表征材料的疲劳行为变得更加重要。在设计和预测沥青路面混合料的使用性能时，这一点尤为重要。

在过去的40年中，许多不同的测试几何学被开发出来，以模拟沥青路面建筑材料的疲劳行为，并取得了不同的成功(Rao Tangella等人，1990年)。这些设备可以分为简单的挠曲(两点、三点和四点弯曲)、支持弯曲(Ma-jidzadeh等人，1971年；Ali等人,1999年)，单轴固定器(Jacobs 1995,Sulaiman and Stock 1996)，三轴固定器(FWA等人，1995年；Di Benedetto等人，1997年)，直径固定装置(Read 1996年；Said 1998)和轮对装置(Rowe 1996;Hartman等人，1999，2001a,b；Gilchrit等人，2001年；Owende 等人，2001年)。

简单的弯曲试验是获得疲劳数据最常用的方法。在这种加载方法中，试件内产生了单轴拉伸弯曲状态，这似乎是模拟沥青层底部的疲劳损伤最合适的方法。

sup1;材料工程师，南非比勒陀利亚非洲工程国际公司。

sup2;系教授大学机械工程专业。都柏林学院，贝尔菲尔德，都柏林4，爱尔兰(相应作者)。

注。副编辑：玛丽·斯特鲁普-加德纳。讨论开放至2004年7月1日。单独的讨论必须提交给个别的保证人。若要将截止日期延长一个月，必须向ASCE总编辑提出书面请求。这篇论文的手稿于2002年3月27日提交审查并可能出版；美联社于2003年4月23日证实。这篇论文是《土木工程材料学报》2004年2月1日第16卷第1期的一部分。copy;ASCE，ISSN 0899-1561/2004/1-60-68/18.00。

早期的设备使用旋转悬臂(Pell，1967)和梯形悬臂固定装置(Van Dijk 1975；Bonnot 1986)，由电动机和电磁执行机构提供动力。随着伺服液压和计算机控制气动加载系统的进步，三点(3PB)和四点弯曲(4PB)固定装置在矩形梁试件中的应用越来越流行。四点弯曲是有利的，因为故障可以在两个中心载荷之间的均匀应力范围内启动。这种加载方法也被认为是比较敏感的混合变量，如结合料类型或集料级配[战略公路研究计划(SHRP)1992]。试样的夹紧仍然是一种微妙的操作，但使用恒转矩电机施加恒定的夹紧力，提高了该方法的精度。

建立疲劳寿命的不同试验结构可以通过不同的分析程序加以补充，它们的应用取决于疲劳的定义和损伤的量化方法。这些模型扫描中的绝大多数都与标准初始应变相对于失败关系的循环有关。这些关系描述了疲劳直至裂纹萌生点，并要求对施加的载荷和规范人员的变形进行监测。然而，据报道，疲劳裂纹扩展的时间是裂纹萌生阶段(Pell，1967；Brunton，1983)的20倍，其扩展采用了断裂力学方法 (Molenaar 1983；Sulaiman 1990；Jacobs，1995)。这一阶段通常与可见的疲劳裂纹扩展有关，用于描述这一阶段疲劳损伤的已建立的模型利用了从物理上监测疲劳损伤的数据。

近年来，利用先进的数字成像技术研究土木工程材料的行为和状况变得越来越普遍(Oren等人，1994年；Groenendiijk等人，1997年；Kuo和Freeman，1998年；Hartman等人，1999年，2001年a)。Read(1996)使用这些技术来测量沥青梁试件中的实验强制反射裂缝。图像分析使监测裂纹长度的增加成为可能，从而确定裂纹路径的总长度，而不是由机械或电气设备(如裂纹张开位移计和裂纹箔电路)间接测量的等效裂纹深度。

本文介绍了一种利用数字成像监测4PB梁疲劳试验的新方法。研制了一种专用的4PB夹具，并与ANINSTRON 8501计算机控制伺服液压加载系统集成，对两种爱尔兰沥青混合料，即热轧沥青和稠密沥青混合料进行了一系列试验，以评价其疲劳强度。利用捕捉到的数字图像描述了线性弹性断裂力学模型，并定量地评价了所考虑的混合物的相对疲劳性能。

疲劳试验夹具的设计

在设计夹具时，一个具体的要求是在试验过程中对疲劳损伤进行监测。在测量裂纹扩展时，考虑了各种不同的技术，即裂纹箔测量、裂纹张开位移测量、通过测量试件的受力变化、试件的放置或柔度，并通过有限元分析对裂纹扩展进行标定，以及用移动显微镜进行间接测量。初步试验。对于3PB和4PB的夹具，疲劳损伤的测量尤其困难。在沥青混合料内部，裂缝往往形成网状结构，在多个点点开始，消失在集料后面，或在集料周围形成分隔级。Read(1996)指出，由于裂纹沿着集料周围的弯曲路径，直线裂纹长度与裂纹深度有很大的不同，这对于具有更连续级配或具有更大集料的混合物尤其如此。适应这种裂缝行为的一种技术是在目前的研究中发展起来的，它涉及到拍摄受损区域，然后分析破裂的图像。由于4PB的两个中心点之间存在均匀的最大应力状态，预计该区域将发生破坏。因此，这一区域在不同的疲劳强度下被数码摄影记录下来。稍后将描述图像捕获过程，但重要的是要认识到，梁的侧面必须保持所有的夹紧障碍物，以适应在测试期间的现场摄影。夹具的最终设计有一个完全开放的正面，这不仅使摄影成为可能，而且简化了夹具内标本的放置和放置。这比SHRP A-003A项目（SHRP 1992）之后开发的任何一种产品（ELE 2000；MTS 2000）更简单、更方便地进行原位损伤检测。

由于沥青材料的粘弹性特性，导致梁试件在自重作用下产生凹陷，因此，对沥青梁试件的4PB夹具设计一般采用比较复杂的夹紧机构。Monismith和Deacon(1969)使用弹簧螺旋夹，而Airey(1995)以特定的扭矩将标本固定在夹具上。最近，SHRP 4PB夹具(Tayebali等人，1996)和MATTA疲劳测试仪(Austroads 1998)在测试过程中依靠精确的扭矩电机在试验过程中自动重新调整夹具。因此，在夹具设计中加入了转矩控制直流电机的自动夹紧机构。带有阶梯式齿轮箱的直流电动机由单独的伺服控制器控制。

图1 根据伺服液压机试验室设计的动态四点弯曲夹具原理图

电机控制器被设置为一个截止电流，以实现对标本的钳紧锁定。夹具的基本设计如图1所示。双中心加载夹安装在框架上，外部反作用夹具通过铝框架和导杆连接到十字头上的称重传感器，导杆通过环境室中的检修口延伸。

试件夹紧机构如图2所示。直流电动机固定在导向板上，导向板上装有直线轴承，直线轴承沿着从夹具顶部伸出的导向杆运行。电机的旋转轴连接在横杆上，横杆拧入夹具框架，将灯面压在试件上。夹钳通过一组滚柱轴承与上下铝框相连，允许绕x轴自由转动。三个夹具上的自由移动是通过沿y轴运行的两个线性支承实现的。第四个卡箍固定在y方向上，以稳定系统。夹紧过程是将底部夹紧面对准，将底部夹紧面向下插入横梁专用件，然后在夹紧内装料点之前先将外夹紧。夹紧在整个测试过程中应用，并在试样发生变形时自动调整。完整的4PB试验装置如图3所示。

图2 详细介绍了四点弯曲疲劳夹具中试样的夹紧方式

图3 四点弯曲测试系统总体布局:(a) Instron控制台;(b)环境室温度控制单元;(d)环境舱;(e)校正有机玻璃梁的动态四点弯曲夹具;(f)通过微型计算机进行试验控制和数据采集

实验测试设置

采用Instron 8501伺服液压加载系统，将不同的静、动试验夹具置于加载系统中，对疲劳试验进行加载和控制。本机采用电液反馈闭环伺服系统，负载由安装在加载架上的伺服控制液压执行机构施加。梁试件上的载荷和驱动器的位移由位于十字头上的载荷传感器和运行在驱动器上的内部LVDT传感器感知。在动态试验中，安装了外部LVDT来测量中心梁试样的挠度。来自负载和位移传感器的信号通过位于控制台上的接口和数据采集板进行调节和控制。目的设计用于疲劳测试的软件，允许输入传感器的反馈信息由微机监控和调整。定制软件(MAX version 5.2，Instron Ltd.，HighWycombe，英格兰，1995年)用于控制疲劳试验，在此试验中，试件在低于其预期静态强度的水平上循环加载，直至失效。由于控制台中数据采集板的容量有限，在综合控制模式下，可以达到4hz的最大循环频率。使用了一个标准的Instron环境箱，在-73到315℃的温度范围内，温度稳定在 0.5C以内。

疲劳试验在20C温度下进行，使用频率为4hz的正弦负载波形，没有休息周期。为了确保疲劳损伤能够被观察和监测，这些试验特意采用了一种组合载荷和位移控制模式。无反转的载荷控制导致过渡的永久变形和快速的裂纹扩展，而位移控制则抑制了完全断裂的发展。这种联合控制包括一个周期，在这个周期中，梁从基准位置加载到目标位置，并将其移回零位移位置。在这种组合加载方式下，荷载和挠度的典型变化如图4所示。

当加载幅值增大，需要附加载荷将试件压回零挠度位置时，产生了试件的初始凹陷。随着疲劳循环次数的增加，材料的恢复载荷逐渐减小，总挠度随着材料结构完整性的恶化而增大。图5提供了对试验过程中材料行为和控制方式的进一步了解。该模型显示了组合控制模式下模态因子(MF)随负载循环次数的典型变化。模态因子由Monismith和Deacon(1969)定义为

（1）

式中:MF=模态因子;，=应变和应力的百分比变化，分别为一个任意固定的刚度减少。

在大部分试验过程中，位移控制是主要的控制方式，因为载荷的降低率和变形率的增加保持稳定。但是，在试验的后一阶段，挠度增加的速度更快，控制方式也随之改变。

图4 弯曲疲劳试验中载荷和挠度的典型变化

图5 联合模式试验中控制模式的典型变化

沥青混合料研究

本研究中关注的混合物包括两种标准的爱尔兰沥青混合料，即30%的14毫米热轧沥青混合料(HRA)和20毫米厚基层(DBC)碎石混合料。选择这两种混合体是因为它们的广泛使用和不同的骨料结构，HRA是间隙分级，DBC是连续的。

热轧沥青是BS 594:Part 1(BS 1992)规定的一种基于配方的混合料，广泛用于铺面。HRA混合料本质上是一种沙子基质，是一种精细的填充材料。粗骨料 (通常是14毫米),沥青粘结剂(6-8%按重量)。因为粗集料通常是悬浮的(即在基体中，混合料的稳定性主要取决于填料/粘结剂砂浆的刚度。混合料的机械性能主要是由于粘合剂所达到的粘聚力，因此使用高粘合剂粘度（50 pen）和填料含量是主要原因。

在爱尔兰，碎石用于建造耐磨层、基层和路基，它们是根据BS 4987:Part 1(BS 1993)规定的。混合料的力学性能主要来自于由于集料颗粒间的连锁而引起的内部摩擦和粘结剂的内聚力。

本研究中使用的两种混合物的组成见表1和表2。对于这两种混合剂，粘结剂的含量在设计谱的低端被有目的的选择，以获得容易疲劳的混合物。然而，这导致了混合物在压实过程中的差异，从而导致孔隙含量相对较高。

样品制备

如Hartman(2000)和Hartman等人(2001c)在其他地方所述，对原材料进行取样、调理和混合。

表1 混合组分:密实的基层碎石 (过筛重量百分比)

20 mm 14 mm 10 mm 6.3 mm 3.35 mm 300 micro;m 75 micro;m

98 82 66 52 40 16 4.5

注:沥青含量4.2%(100pen);目标空隙含量，6%(按体积)。

表2 混合成分:热轧沥青(重量筛分)

注:沥青含量7.3%(50笔);目标空隙率，4%(按体积)

标准Cooper研究技术(2002)使用滚柱压实机将松散的材料压实，使聚合颗粒相对移动，并以与材料相似的方式定向。板的精确深度可以预先设定，使目标密度得以实现。生产出来的板材经过305times;305times;50毫米的测试，需要大约11公斤的混合料。在此之前，梁(305毫米长，50毫米宽，45毫米深)从这些厚板上

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[239961]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word