基于間接拉伸試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)模量

基于間接拉伸試驗(yàn)中模式的瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量目錄1、相關(guān)定義

2、試驗(yàn)方法

3、結(jié)果與分析

4、總結(jié)1、相關(guān)定義

復(fù)數(shù)模量

complexmodulus黏彈材料經(jīng)受正弦負(fù)荷的應(yīng)力-應(yīng)變之比，M*=M′+iM〃，式中i為虛數(shù)單位。復(fù)數(shù)模量可分別由不同受力情況進(jìn)行測(cè)量:拉伸模量E*=E′+iE〃;剪切模量G*=G′+iG〃;體積壓縮模量K*=K′+iK〃;縱向壓縮模量L*=L′+iL〃。復(fù)數(shù)模量中的貯能模量(E′、G′、K′、L′)是和應(yīng)變同相的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變值之比。1、相關(guān)定義

動(dòng)態(tài)模量

材料在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，除了與在靜力作用下的影響因素有關(guān)，與荷載作用時(shí)間、大小、頻率及重復(fù)效應(yīng)等也有關(guān)，具有一定的應(yīng)力依賴性。彈性模量是表征材料力學(xué)強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)。在動(dòng)荷載作用上，材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)均為時(shí)間的函數(shù)，相應(yīng)地，彈性模量在外載作用過(guò)程中也不是一成不變的，材料動(dòng)態(tài)模量定義為應(yīng)力幅值的比值

，以表征材料在不同的外載作用下不同的響應(yīng)特性。1、相關(guān)定義

2、試驗(yàn)方法

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2、試驗(yàn)方法

間接拉伸試驗(yàn)，是指通過(guò)圓弧形加載壓條，按一定加載速率對(duì)規(guī)定尺寸的圓柱形試件施加荷載，測(cè)定試件的垂直、水平變形，從而獲得瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度和變形。

試件成型采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型,原始試件直徑150mm,高度為170mm,經(jīng)鉆取芯樣和進(jìn)口高精度雙面鋸切割成直徑100mm、高150mm的圓柱體試件,最后1個(gè)原始試件可以精確切割成兩個(gè)直徑100mm、高50mm的間接拉伸動(dòng)態(tài)模量試件.由于原始試件比切割成型的試驗(yàn)試件的孔隙率大0.5%～1.5%,高150mm的芯樣試件孔隙率按5%控制,最終成型的高度為50mm的間接拉伸試件，孔隙率在4.0%左右.注意保證最終成型的試件圓柱體周邊光滑,兩個(gè)切割面平行且表面平滑無(wú)溝紋.

2、試驗(yàn)方法

單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)是一個(gè)單軸的應(yīng)力狀態(tài),模量可以通過(guò)單軸方向的軸向應(yīng)力σy和軸向應(yīng)變?chǔ)舮

獲得:E=σy/εy2、試驗(yàn)方法

相比單軸壓縮試驗(yàn)?zāi)Ｊ较碌膯蜗驊?yīng)力狀態(tài)，在間接拉伸模式下，瀝青混合料試件呈現(xiàn)復(fù)雜的二維應(yīng)力狀態(tài)。由于間接拉伸動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)是一個(gè)二軸的應(yīng)力狀態(tài),不能僅僅根據(jù)水平方向的應(yīng)力σx

和水平方向的應(yīng)變?chǔ)舩

獲得模量;正確的決定材料模量的途徑是通過(guò)水平方向的應(yīng)變

εx以及材料的泊松比υ劃分二軸方向的應(yīng)力σx-υσy:E=1/εx(σx-υσy).間接拉伸動(dòng)態(tài)模量的測(cè)定采用應(yīng)力控制模式,荷載采用連續(xù)半正矢波荷載,荷載水平的確定考慮保持水平方向的應(yīng)變?cè)诓牧系木€彈性范圍內(nèi),可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制試件水平方向產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi)所對(duì)應(yīng)的荷載來(lái)確定.由于間接拉伸試驗(yàn)受力情況復(fù)雜,二維平面應(yīng)力假設(shè)存在局限;同時(shí),試驗(yàn)時(shí)加載金屬條附近的局部變形以及試件的膨脹都會(huì)對(duì)變形測(cè)量產(chǎn)生較為明顯的影響.2、試驗(yàn)方法

瀝青混合料的力學(xué)行為遠(yuǎn)比人們認(rèn)識(shí)到的復(fù)雜，其性能既受集料、砂膠和空隙的體積含量影響，也受這些因素的空間分布影響。利用X-rayCT對(duì)瀝青混合料試件掃描，考慮混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)及其演變的力學(xué)試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)模擬，即虛擬試驗(yàn)，可以最大程度地模擬試件受荷作用下的應(yīng)力行為。利用這一新興的技術(shù)手段，可以對(duì)瀝青混合料進(jìn)行間接拉伸虛擬試驗(yàn)仿真，得出間接拉伸模式下試件水平軸向和豎直軸向真實(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，并與傳統(tǒng)的二維應(yīng)力理論解進(jìn)行比較。實(shí)際試樣的真實(shí)三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)(不是模擬假設(shè)的二維或三維細(xì)觀結(jié)構(gòu))的數(shù)值表達(dá)被稱作虛擬試樣。2、試驗(yàn)方法

虛擬實(shí)驗(yàn)2、試驗(yàn)方法

受集料和空隙空間分布的影響，切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力分布并不均勻，最大拉應(yīng)力也不再出現(xiàn)在試件的中心處。這表明由于集料和空隙分布的不均勻，瀝青混合料件內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的初始位置并不在試件中心。這充分說(shuō)明了混合料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的空間分布位置對(duì)合料的力學(xué)性能有重要影響，這是以往基于均質(zhì)的數(shù)值模擬所忽視的。·為了闡釋瀝青混合料間接拉伸試驗(yàn)中馬歇爾試件對(duì)荷載的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律,利用離散元方法(二維)數(shù)值模擬了馬歇爾試件的間接拉伸試驗(yàn)過(guò)程。采用伺服控制機(jī)理對(duì)不同粒徑的試件施加荷載,給出了顆粒間的接觸力、顆粒的位移矢量及產(chǎn)生的裂縫數(shù),得到試件的劈裂強(qiáng)度;對(duì)不同加載速率下試件的響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬,得出加載速率與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系;選取一種粒徑范圍的試件,分析了試件中產(chǎn)生的裂縫隨時(shí)間的發(fā)育和分布,再現(xiàn)了裂縫延伸的動(dòng)態(tài)過(guò)程。數(shù)值模擬2、試驗(yàn)方法

2、試驗(yàn)方法

選取4檔粒徑范圍,分別為1.18～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～9.50mm及9.50～13.20mm,顆粒間的接觸方式為平行粘結(jié)。指定4檔粒徑材料的參數(shù)后,生成試樣的原始狀如下頁(yè)圖所示。2、試驗(yàn)方法

小粒徑顆粒間的接觸力分布較均勻,主要集中于沿加載方向的直徑兩側(cè),相應(yīng)地位移矢量沿直徑方向向兩側(cè)移動(dòng),圓周邊緣除加載處的接觸力及位移相對(duì)較小,因此裂縫主要集中于直徑方向;大粒徑顆粒間的接觸力分布較分散,較大的接觸力基本延伸至整個(gè)試件。2、試驗(yàn)方法

位移矢量(箭頭表示運(yùn)動(dòng)方向,線越長(zhǎng)表示位移越大)。2、試驗(yàn)方法

粒徑越小試件中接觸力分布越勻稱,位移矢量沿豎向直徑向兩側(cè)延伸,形成了主要集中于直徑方向的裂縫帶。隨著粒徑的增大,間接拉伸強(qiáng)度逐漸增大,9.50～13.20mm試件的增長(zhǎng)率最大,且產(chǎn)生的裂縫數(shù)逐漸減少。2、試驗(yàn)方法

為了反映裂縫在試件中產(chǎn)生的位置及方向,以粒徑4.75～9.50mm的試件為例,給出了4個(gè)加載時(shí)間點(diǎn)的裂縫分布,如圖8所示。以第1條裂縫的產(chǎn)生為起點(diǎn),監(jiān)測(cè)其位置,該裂縫的方向與加載方向一致。隨著時(shí)步的增大,試件中形成的裂縫急劇增多,至應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值時(shí)裂縫的增長(zhǎng)率最大,峰值后繼續(xù)施加荷載,則裂縫基本不再增加,僅表現(xiàn)為裂縫長(zhǎng)度的延伸及裂縫間的貫通,并且裂縫沿豎向直徑方向貫穿整個(gè)試件。3、結(jié)果與分析

3、結(jié)果與分析

圖5-4動(dòng)態(tài)模量為主曲線（一）S9.5A細(xì);（二）S9.5B-粗;（三）S9.5C細(xì);和（四）S9.5C粗。3、結(jié)果與分析

圖5-5動(dòng)態(tài)模量為主曲線（一）S12.5C細(xì);（二）S12.5D-粗;（三）I19.0B細(xì);和（d）I19.0C粗3、結(jié)果與分析

圖5-6動(dòng)態(tài)模量為主曲線（一）I19.0D細(xì)，（B）I19.0D粗，（C）B25.0B精，和（d）B25.0B粗。3、結(jié)果與分析

總結(jié)P-值和差異百分比基于IDT和軸向動(dòng)態(tài)模量壓縮試驗(yàn)3、結(jié)果與分析

據(jù)觀察，從軸向壓縮試驗(yàn)獲得的相位角通常在通過(guò)IDT檢測(cè)的水平和垂直應(yīng)變計(jì)算出的相位角之間。基于此觀察，從水平和垂直應(yīng)變算出的相位角進(jìn)行平均，并在左圖繪制。S9.5A的相位角主曲線S19.0A的相位角主曲線圖5-9泊松比是：（a）-10℃;（B）10℃;和（c）35℃。間接拉伸動(dòng)態(tài)模量和相位角隨溫度和加載頻率顯著變化.模量值隨加載頻率的降低(溫度的增加)而逐漸減小;而相位角隨荷載頻率(溫度)的變化所表現(xiàn)出的規(guī)律則有所不同:當(dāng)試驗(yàn)溫度小于或等于20℃時(shí),相位角隨加載頻率的減少(溫度的增加)而增加,這是由于在這一溫度和頻率范圍內(nèi),瀝青混合料所表現(xiàn)出的粘性特性隨加載頻率的減少(溫度的增加)而增加,故在低溫高頻作用下,瀝青膠結(jié)料特性對(duì)混合料性能影響更大.當(dāng)溫度升高到35℃以后,相位角隨加載頻率的減小先增大,而后呈現(xiàn)一個(gè)明顯減小的趨勢(shì),主要原因是在高溫低頻作用下,瀝青膠結(jié)料變軟,這時(shí)混合料中礦料骨架結(jié)構(gòu)起優(yōu)勢(shì)作用,故相位角會(huì)隨頻率降低而呈現(xiàn)下降趨勢(shì).

3、結(jié)果與分析

3、結(jié)果與分析

移位因子是溫度的函數(shù),它反映的是形成主曲線的每個(gè)溫度下模量曲線的平移量,那么這個(gè)平移量就反映了材料與溫度相關(guān)性.由表2可以看出:(1)通過(guò)兩種模型確定的移位因子,AC-13C的略大,表明AC-20的溫度依賴性較AC-13C小;(2)采用GlobalAging模型確定的移位因子大于Arrhenius模型確定的移位因子.4、總結(jié)4、總結(jié)瀝青混合料是一種典型的粘彈性材料,其力學(xué)行為對(duì)于溫度和荷載作用時(shí)間具有明顯的依賴性,具體表現(xiàn)為材料應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)關(guān)系分別依賴于溫度效應(yīng)與時(shí)間效應(yīng),同時(shí),材料力學(xué)行為中的時(shí)間效應(yīng)與溫度效應(yīng)具有等效性且能相互轉(zhuǎn)換,這就是通常所說(shuō)的時(shí)溫等效效應(yīng).根據(jù)粘彈性材料的時(shí)間-溫度轉(zhuǎn)換原理可知,瀝青混合料這種粘彈性材料在溫度和加載頻率下得到的力學(xué)性質(zhì)可以通過(guò)平移形成一條在參考溫度下的光滑曲線(即主曲線).利用主曲線,可以將一定時(shí)間、溫度范圍內(nèi)的試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果拓延到更加廣泛的時(shí)溫空間中去.這時(shí)所得到的主曲線特征函數(shù)的時(shí)間(頻率)歷程并非試驗(yàn)測(cè)定所經(jīng)歷的真實(shí)歷程,通常將其稱為換算時(shí)間(頻率).模量主曲線描述了加載頻率對(duì)材料性質(zhì)的影響,移位因子描述了溫度對(duì)材料性質(zhì)的影響,二者結(jié)合起來(lái)能描述瀝青混合料對(duì)溫度和頻率的敏感性,從而全面地描述瀝青混合料的粘彈特性。傳統(tǒng)的研究，它們將粘彈性連續(xù)損傷（VECD）模型應(yīng)用于瀝青材料，大多數(shù)都使用單軸試驗(yàn)，這些試驗(yàn)的試樣尺寸要求給那些取自薄瀝青層混合料帶來(lái)了困難。在本文中，提出了以下的一種分析方法，該方法用于確定瀝青混合料的偽應(yīng)變和破壞特性曲線，這些瀝青混合料試樣同時(shí)受到來(lái)自水平（張力）和垂直（壓縮）軸的間接張力（IDT）。為了驗(yàn)證這種方法，在IDT模式下，對(duì)瀝青試樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。考慮到一條動(dòng)態(tài)模量主曲線的組成，需要在不同的溫度和頻率下，進(jìn)行復(fù)合彈性模量試驗(yàn)，反過(guò)來(lái)，這條動(dòng)態(tài)模量主曲線又可以用于獲得松弛模量。此外，在兩種溫度（10和20℃）下，進(jìn)行恒定十字頭強(qiáng)度試驗(yàn)，用來(lái)評(píng)價(jià)那些損傷不斷增長(zhǎng)的瀝青試樣的行為。實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果表明，壓縮所得到的損傷特性曲線位于張力所得到的曲線之上。實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果也表明，不論是在張力還是壓縮情況下，該材料在10℃比在20℃下表現(xiàn)出更為有利的破壞特性，而且損傷特性曲線服從時(shí)間-溫度疊加原理，這是與單軸測(cè)試結(jié)果相一致的。這些結(jié)果表明，該VECD模型可以應(yīng)用于雙軸IDT測(cè)試，而這些測(cè)試用于同時(shí)表征拉伸和壓縮破壞特性曲線。Fig.1.(a)SchematicillustrationofIDTtest;(b)plane-stressdistributions疲勞開(kāi)裂是瀝青路面的主要問(wèn)題。無(wú)論是在設(shè)計(jì)階段和路面的操作階段，以最小的工作量和時(shí)間做出的瀝青混合物有益于其疲勞壽命的預(yù)測(cè)。對(duì)于實(shí)用性，間接張力（IDT）試驗(yàn)已廣泛用于測(cè)試實(shí)驗(yàn)室自制和現(xiàn)場(chǎng)取樣混合物;然而，使用上述IDT測(cè)試疲勞試驗(yàn)需要在應(yīng)力控制模式下，而不是在應(yīng)變控制模式下進(jìn)行。結(jié)果未必比得上那些用其他方法的測(cè)試結(jié)果，例如彎曲梁疲勞或單軸拉伸測(cè)試，所以本研究采用了粘彈性連續(xù)損傷（VECD）模型。所謂的C1-S1曲線，它是VECD模型得到的最終結(jié)果，稱之為瀝青混合物的單層特性曲線，并且與荷載類型相獨(dú)立。從兩個(gè)疲勞試驗(yàn)和采用IDT試驗(yàn)方法的單調(diào)強(qiáng)度試驗(yàn)所獲得的3個(gè)C1-S1曲線，當(dāng)其疊加到一條單一的C1-S1曲線上，可以看出它們很接近，這表明VECD模型