T  0865—2024無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料疲勞試驗(yàn)方法(B法 )

1  適用范圍

本方法適用于采用三分點(diǎn)加載的方法進(jìn)行無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料在彎拉狀態(tài)下的疲勞試驗(yàn)。

2 儀器設(shè)備及相關(guān)參數(shù)

2.1  試驗(yàn)機(jī)：氣動或液壓加載裝置，能夠為疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)提供循環(huán)動力荷載，可根據(jù)試驗(yàn)要求輸出不同頻率、不同振幅的sine或 Haversine加載波形，要求荷載精度準(zhǔn)確到5N。 應(yīng)保證試驗(yàn)機(jī)能夠施加穩(wěn)定動態(tài)荷載。 Haversine 波的波形如圖T 0856-1所示。

圖T 0856-1 疲勞試驗(yàn)荷載曲線示意圖

P_max—最大荷載(N);P_min—最小荷載(N);P_min=0.02×P_max;P₀—荷載振幅(N),P₀=P_max -P_min;T₀ —荷載周期，T₀ =1/f,  f 為荷載頻率，標(biāo)準(zhǔn)頻率為10Hz。

2.2  數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：包括荷載傳感器，位移傳感器。荷載計數(shù)器以及數(shù)據(jù)采集儀。位 移傳感器用于測量跨中豎向變形，安裝于試件跨中的兩側(cè)。

2.3  加載模具：試驗(yàn)夾持系統(tǒng)采用三等分間距布設(shè)夾頭，相鄰?qiáng)A頭中心間距為118. 5mm, 梁跨距為355.5mm。如圖T  0865-1 和 圖T  0865-2 所示。

          圖T 0865-1   疲勞試驗(yàn)裝置圖(尺寸單位：mm)                                            圖T  0865-2   實(shí)際裝置圖

2.4  標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室或可控溫控濕的養(yǎng)護(hù)設(shè)備。

2.5    電子天平：量程不小于15kg, 感量0.1g; 量程不小于4000g, 感量0.01g。

3  試件制備和養(yǎng)護(hù)

3.1  試件準(zhǔn)備：按照輪碾成型方法成型無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料板塊試件，板塊試件尺寸 為430mm×300mm×80mm。然后用高精度金剛石雙面鋸對板塊試件進(jìn)行切割，取碾壓成型方向?yàn)樵嚰L度方向制作梁試件，試件尺寸應(yīng)符合長度為380mm±0.5mm 、厚度為 51mm±0.5mm 、 寬度為63.5mm±0.5mm   的要求。 一塊430mm×300mm×80mm的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料板塊可切制4根梁式試件。

 3.2 對于一種應(yīng)力(應(yīng)變)水平(或應(yīng)力強(qiáng)度比水平)下，試驗(yàn)的樣本量不宜小于6根。

為評價某種混合料的疲勞性能，得到相關(guān)的疲勞壽命曲線，應(yīng)至少進(jìn)行4個應(yīng)力(應(yīng)變)水平(或應(yīng)力強(qiáng)度比水平)的試驗(yàn)。試驗(yàn)應(yīng)準(zhǔn)備足夠的試件數(shù)量，并考慮一定量的備用件(不小于10%)。

3.3    對于水泥穩(wěn)定類材料一般進(jìn)行90d 齡期的疲勞試驗(yàn)，對于石灰或粉煤灰穩(wěn)定類材 料一般進(jìn)行180d 齡期的疲勞試驗(yàn)。

注①:由于疲勞試驗(yàn)的周期比較長，試件的成型準(zhǔn)備應(yīng)考慮疲勞試驗(yàn)時試件的實(shí)際齡期，同一組試 驗(yàn)的齡期誤差不宜超過±3d。

3.4    按照本規(guī)程T0845 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方法進(jìn)行養(yǎng)生。養(yǎng)生應(yīng)在試件切割之前進(jìn)行。養(yǎng)生齡期的最后1d, 試件飽水24h 。試件飽水時水面應(yīng)高于試件頂面約25mm。在飽水前，應(yīng)再次稱試件的質(zhì)量。

3.5  飽水后，將試件表面水擦干，并按照3. 1的要求切割成規(guī)定尺寸的梁式試件。然后用油筆在試件的三分點(diǎn)位置作出標(biāo)記，以便下步試驗(yàn)時準(zhǔn)確放置夾具。

4  試驗(yàn)步驟

4.1     應(yīng)變控制模式

4.1.1  將養(yǎng)生好的試件放入疲勞加載裝置內(nèi)，用夾具固定。使位移傳感器滑輪接觸 試件表面，調(diào)整位移傳感器到試件中部并將位移傳感器的讀數(shù)調(diào)零。

4.1.2  選擇正弦加載模式，在試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定界面輸入試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)。

4.1.3      施加荷載為連續(xù)的sine 或 Haversine 波，荷載標(biāo)準(zhǔn)頻率為10Hz。

4.1.4      試 驗(yàn) 終 止 條 件 為 彎 拉 模 量 降 低 到 初 始 彎 拉 模 量 5 0 % 對 應(yīng) 的 加 載 循 環(huán)次數(shù)。

4.1.5   在目標(biāo)試驗(yàn)應(yīng)變水平(對于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料，推薦應(yīng)變水平為60~140με)下預(yù)加載50個循環(huán)，記錄第50個加載循環(huán)的試件彎拉模量為初始的彎拉模量， 作為確定試件疲勞失效判據(jù)的基準(zhǔn)彎拉模量。

4.1.6  確定好初始彎拉模量后，試驗(yàn)機(jī)應(yīng)在50個循環(huán)內(nèi)自動調(diào)整并穩(wěn)定到試驗(yàn)所 需要的目標(biāo)拉應(yīng)變水平，同時按選擇的加載循環(huán)間隔監(jiān)控和記錄試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果，確保系統(tǒng)操作正確。當(dāng)試件達(dá)到疲勞試驗(yàn)終止條件時，自動停止加載。

4.2 應(yīng)力控制模式

4.2.1 檢查試驗(yàn)的機(jī)械設(shè)備是否正常。由于疲勞試驗(yàn)的周期比較長，應(yīng)著重檢查試驗(yàn)系統(tǒng)的電力供應(yīng)是否正常。計算機(jī)等控制系統(tǒng)的電源應(yīng)備有延時電源，以防突然斷電造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的丟失和對設(shè)備的損壞。選擇合適的荷載傳感器和位移(應(yīng)變)傳感器的量程，以確保測量結(jié)果精度的可靠性。

4.2.2 根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，編制有關(guān)的疲勞試驗(yàn)程序，并進(jìn)行調(diào)試，可靠、穩(wěn)定后方可進(jìn)行正式試驗(yàn)。選擇一個試件，檢查荷載波形是否滿足試驗(yàn)精度要求，位移(應(yīng)變)信號接收是否正常。由于疲勞試驗(yàn)中試件的破壞存在偶然性，為了保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備，疲勞程序中應(yīng) 設(shè)定相關(guān)的終止試驗(yàn)的保護(hù)程序。

4.2.3     首先進(jìn)行梁式試件的彎拉強(qiáng)度測定，以便確定疲勞試驗(yàn)的荷載水平。

4.2.4     根據(jù)疲勞試驗(yàn)要求，取4～6(K=σ/S) 個應(yīng)力比(對于無機(jī)結(jié)合料，推薦應(yīng)力強(qiáng)度比范圍在0.5～0.85內(nèi))。

4.2.5 將試件安放在疲勞試驗(yàn)的模具上。注意疲勞試驗(yàn)的荷載方向應(yīng)與試件成型時的壓力方向平行一致。

4.2.6 預(yù)壓：在施加正式試驗(yàn)荷載前，應(yīng)取0.2倍應(yīng)力強(qiáng)度比水平的荷載進(jìn)行預(yù)壓2min, 以減少接觸不良造成的試驗(yàn)偏差。

4.2.7     施加荷載為連續(xù)的sine或 Haversine波，荷載標(biāo)準(zhǔn)頻率為10Hz。

4.2.8     試驗(yàn)終止條件為試件斷裂。

4.2.9 在疲勞試驗(yàn)過程中，有些試件的試驗(yàn)時間較長，試件產(chǎn)生風(fēng)干。為此，需要用濕毛巾或塑料布覆蓋，保持其濕潤。

4.2.10     試驗(yàn)過程中，應(yīng)時刻監(jiān)測荷載波形和試件的響應(yīng)變形波形。

4.2.11 試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的采集內(nèi)容有：荷載重復(fù)作用次數(shù)(即疲勞壽命),按對數(shù)級數(shù)規(guī)律采集一定荷載作用次數(shù)下的試件變形響應(yīng)參數(shù)，及相應(yīng)的滯回曲線。滯回曲線的采集應(yīng)連續(xù)采集10個周期的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行平均，作為該時刻試件的代表滯回曲線。

5  計算

5.1     應(yīng)變控制模式

應(yīng)變控制模式下的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)按式(T   0865-1)回歸疲勞方程。

lgN=a+blgε                                                   (T   0865-1)

式中：N——荷載作用次數(shù)(次);

ε——應(yīng)變水平(με);

a、b——回歸系數(shù)。

5.2     應(yīng)力控制模式

將所有有效的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)按式(T  0865-2) 、(T  0865-3)回歸計算疲勞方程：

lg(N)=a+b(σ/S)    (T  0865-2) 

lg(N)=a'+b'lg(σ)   (T 0865-3)

式中： N——荷載作用次數(shù)(次);

σ——應(yīng)力(MPa);     

σ/S——應(yīng)力強(qiáng)度比；

S—— 梁式試件的彎拉強(qiáng)度(MPa); 

a、b、a'、b'——回歸系數(shù)。

6  結(jié)果整理

疲勞試驗(yàn)的疲勞方程的相關(guān)系數(shù)R2 不宜小于0.5。

7  報告

報告應(yīng)包括以下內(nèi)容：

(1)集料的顆粒組成；

(2)水泥的種類和強(qiáng)度等級，或石灰的有效鈣和氧化鎂含量；

(3)無機(jī)結(jié)合料類型和劑量；

(4)最佳含水率和最大干密度及其確定方法；

(5)試件干密度或壓實(shí)度；

(6)試驗(yàn)設(shè)備；

(7)荷載頻率，荷載級位；

(8)試驗(yàn)終止條件；

(9)疲勞方程及相關(guān)系數(shù)。

8  記錄

8.1  應(yīng)變控制模式下的試驗(yàn)記錄格式見表T 0865-1。

表T 0865-1  無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料疲勞方程試驗(yàn)記錄

工程名稱                                       試件尺寸                     

荷載頻率                                         材料名稱                       

試樣編號                     

試驗(yàn)：                      校核：                         試驗(yàn)日期：

8.2     應(yīng)力控制模式下的試驗(yàn)記錄格式同表T0856-1。

條文說明

本試驗(yàn)方法參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20)以及AASHTO  Designation:T321-03編制 。 與A 法不同之處在于：一是，疲勞試驗(yàn)過程中，梁式試件跨中的底面和頂面會同時承受拉伸與壓縮兩種荷載模式的交變作用；二是，本試驗(yàn)方法可采用應(yīng)力控制或應(yīng)變控制兩種模式。

圖T 0865-3  無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料疲勞試驗(yàn)(B法)

試件制備時采用的輪碾成型方法，與瀝青混合料車轍試件的成型方法相同，試模需要 單獨(dú)加工。也可采用山東省交通科學(xué)研究院的方法制備試件，即：首先根據(jù)本規(guī)程T 0844中的方法成型尺寸為150mm×150mm×550mm  的大梁試件，然后利用雙面鋸將其切割為 寬63.5mm的兩條，之后對每條沿高度方向切割為高51mm 的上、下兩根梁式試件，取其 中一根進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，另一根進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。 一個大梁試件一般可切制4根用于疲勞試 驗(yàn)的梁式試件。

齡期對無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的力學(xué)性能具有較大影響，由于疲勞試驗(yàn)的周期較長，在 試件制備時應(yīng)根據(jù)應(yīng)力水平或應(yīng)變水平，合理安排試件制備時間，避免出現(xiàn)養(yǎng)生齡期已到 但因上一組疲勞試驗(yàn)尚未完成而無法開展試驗(yàn)的問題。

本試驗(yàn)方法的荷載控制模式有應(yīng)力控制和應(yīng)變控制兩種，應(yīng)選擇哪種模式目前尚無 統(tǒng)一認(rèn)識。南非在對無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層材料進(jìn)行疲勞性能研究時，首先采用的是應(yīng) 力控制模式，其原因是通過大量研究發(fā)現(xiàn)，對于水泥混凝土等脆性材料的力學(xué)行為主要取 決于應(yīng)力狀態(tài)，而無機(jī)結(jié)合料類穩(wěn)定材料的力學(xué)特性與水泥混凝土類似，故無機(jī)結(jié)合料穩(wěn) 定類材料的疲勞試驗(yàn)選用應(yīng)力控制模式。有的研究也認(rèn)為，如果無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層 較厚(大于15cm)且模量較大，面層疲勞破壞主要以拉應(yīng)變破壞為主；基層疲勞破壞主要 以拉應(yīng)力破壞為主，而無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料的極限彎拉應(yīng)變與極限彎拉應(yīng)力無關(guān)，因此 對于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層材料采用應(yīng)力控制模式。選擇應(yīng)變控制模式進(jìn)行疲勞試驗(yàn)最 初是從保護(hù)設(shè)備的角度考慮，對于較為老舊的疲勞設(shè)備，在應(yīng)力控制模式下試件發(fā)生斷裂 時主軸會突然上升或下降，有可能造成設(shè)備的損壞，而在應(yīng)變控制模式下能夠較好的保護(hù)設(shè)備。

表T0865-2、表 T0865-3分別為某水泥穩(wěn)定級配碎石(水泥劑量6 .5%)采用本試驗(yàn)方法進(jìn)行的應(yīng)力控制和應(yīng)變控制下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)力控制試驗(yàn)的終止條件為試件斷裂，應(yīng)變控制試驗(yàn)的終止條件為彎拉模量降低到初始彎拉模量的 5 0 % 。

表T 0865-2某水泥穩(wěn)定級配碎石疲勞試驗(yàn)結(jié)果(應(yīng)力控制)

表T 0865-3   某水泥穩(wěn)定級配碎石疲勞試驗(yàn)結(jié)果(應(yīng)變控制)

根據(jù)表T  0865-2 和表T  0865-3 中的試驗(yàn)結(jié)果回歸疲勞方程，結(jié)果如下： 對于應(yīng)力控制模式：lg(N)=6.7227-2.97981g(σ),R2=0.71。

對于應(yīng)變控制模式：lg(N)=44.4363-19.5695lg(ε),R2=0.65。