一种小应变条件下沥青混凝土长期蠕变性能加速试验方法技术

本发明专利技术涉及土木工程领域的一种新型试验方法，尤其是小应变条件下沥青混凝土长期蠕变性能加速试验方法。所述的小应变条件下沥青混凝土长期蠕变性能加速试验方法基于沥青混凝土粘弹性力学特性，充分利用粘弹性材料的时间‑温度等效原理和时间‑应力等效原理，通过短期蠕变试验预测沥青混凝土在小应变条件下的长期蠕变性能。该方法能够有效克服传统试验方法在小应变条件下对试验进度要求高、试验时间长等缺点，仅通过短期试验即可准确预测沥青混凝土在小应变条件下的长期蠕变性能。

【技术实现步骤摘要】
一种小应变条件下沥青混凝土长期蠕变性能加速试验方法
本专利技术涉及一种新型沥青混凝土试验技术,属于铁路

技术介绍
粘弹性体在应力保持不变的情况下，应变随加载时间的延长而增加的现象称为蠕变。沥青混凝土是典型的粘弹性材料，具有显著的蠕变特性。蠕变行为是影响沥青混凝土结构长期稳定性的关键因素。近年来，沥青混凝土基床表层作为一种新的沥青混凝土结构形式，在我国高速铁路无砟轨道中取得了较好的应用效果。沥青混凝土基床表层铺设于无砟轨道结构中底座板下方作为支承层和防水层，能够显著增强无砟轨道结构的防水性能，提高路基稳定性，降低维护费用。与传统沥青路面结构不同，沥青混凝土基床表层在服役期间同时承受上部结构自重荷载的持续作用和列车动荷载的不间断作用。这两种荷载形式都将引起沥青混凝土的蠕变行为，进而产生永久变形，影响无砟轨道结构的平顺性和稳定性。由于无砟轨道结构设计使用寿命长，需要对寿命周期内沥青混凝土基床表层的长期蠕变行为进行预测和控制，才能保障无砟轨道结构的稳定性和列车运行安全。沥青混凝土材料在荷载长期作用下的蠕变行为，一直是道路工程领域的研究热点和研究难题。目前，道路工程研究中一般采用经验公式预估、加速加载试验、动态蠕变试验和有限元数值模拟等方法预测沥青混凝土路面的永久变形。然而，沥青混凝土材料的蠕变行为受到应力水平、温度条件、材料老化等多种因素的影响，在不同应力水平及环境条件下表现出不同的蠕变柔量，具有显著的非线性特性。由于轨道结构的特殊性，沥青混凝土基床表层在无砟轨道中的服役环境与沥青路面具有明显的不同，其设计使用寿命长，服役应力水平低，蠕变速率非常小，但累积效应显著。针对小应变条件这一特殊服役环境，由于测试精度、电脑计算资源和计算时间等因素的限制，包括长期蠕变试验、有限元数值模拟等常用的沥青混凝土蠕变行为评价方法的适用性较差，不能很好地评价和预测沥青混凝土在轨道结构服役环境下的蠕变行为。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服传统试验方法中试验时间长和对试验进度要求高等不足，提供一种小应变条件下沥青混凝土长期蠕变性能加速试验方法，利用粘弹性材料的时间-温度-应力等效原则，通过短期内的蠕变试验来对沥青混凝土在小应变条件下的长期蠕变性能进行准确预测。为高速铁路沥青混凝土基床表层的工程应用提供参考。为了解决上述技术问题，本专利技术通过以下技术方案实现：一种小应变条件下沥青混凝土长期蠕变性能加速试验方法，包括以下步骤：(1)在等应力条件、不同温度水平下开展蠕变试验，利用试验得到的蠕变柔量曲线族求解时间-温度移位因子，得到沥青混合料蠕变柔量主曲线；(2)在等温度条件、不同应力水平下开展蠕变试验，利用试验得到的蠕变柔量曲线族求解时间-应力移位因子，得到沥青混合料蠕变柔量主曲线。(3)在同一个温度和应力水平下对步骤(1)和步骤(2)中的沥青混合料蠕变柔量主曲线进行校核；(4)结合假设自由体积同时受温度条件和应力水平的影响，最终推导出时间-温度-应力等效方程。作为本专利技术的一种改进，所述的步骤(1)中具体为：(1-1)首先由蠕变试验结果计算蠕变柔量，在对数坐标系绘制等应力水平、不同温度条件下的时间-蠕变柔量曲线族；(1-2)在时间-蠕变柔量曲线图中，选取参考温度水平，通过手动平移，沿着时间轴水平移动其余温度水平下的蠕变柔量曲线，使各曲线段平滑搭接，从而得到水平移位因子预估值；(1-3)基于时间-温度等效原理，对得到的水平移位因子预估值进行回归分析，得到WLF(Williams-Landel-Ferry)公式中的C1、C2参数值，时间-温度等效方程转换中时间轴上的水平位移αT满足以下关系：式中，αT为位移因子，τ和τr分别为粘弹性材料在温度为T和Tr时的松弛时间，C1、C2为经验参数，T为转换温度，Tr为参考温度；(1-4)利用C1、C2参数重新计算不同温度水平对应的水平移位因子，并在半对数坐标中进行移位，得到该应力条件下的蠕变柔量主曲线。作为本专利技术的一种改进，所述的步骤(2)中具体为：(2-1)首先由蠕变试验结果计算蠕变柔量，在对数坐标系绘制等温度条件下、不同应力条件下的时间-蠕变柔量曲线族；(2-2)通过手动搭接及回归分析得到时间-应力等效表达式中的D1、D2参数值，时间-应力等效方程为：式中，ασ为位移因子，D1、D2为经验参数，σ为转换温度，σr为参考温度。(2-3)利用D1、D2参数值重新计算不同应力竖向对应的竖向移位因子，并在半对数坐标中进行移位，得到该温度条件下的蠕变柔量主曲线。与时间-温度等效效应以及时间-应力等效效应的推导过程类似，假设自由体积同时受温度条件和应力水平的影响，最终推导出时间-温度-应力等效方程(式3)。因此只要获得时间-温度蠕变主曲线或者时间-应力主曲线，即可利用时间-温度-应力联合移位因子获得任意应力水平或温度条件下的蠕变主曲线。式中，φT,σ为温度-应力联合移位因子；f(Tr,σr)为参考温度Tr、参考应力σr条件下的自由体积分数，αT、ασ分别为自由体积热膨胀系数和应力膨胀系数；B为常数，且大量实验结果表明，对几乎所有材料而言B≈1。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：该加速试验方法充分利用粘弹性材料的时温等效原理，通过短期蠕变试验预测沥青混凝土在小应变条件下的长期蠕变性能。该方法能够有效克服传统试验方法在小应变条件下对试验进度要求高、试验时间长等不足之处，仅通过短期内的蠕变试验即可准确预测沥青混凝土在小应变条件下的长期蠕变性能,更加有效地评价沥青混凝土的抗变形损伤性能。本专利技术可为高速铁路无砟轨道沥青混凝土基床表层抗变形损伤性能评价及优化设计提供一定的参考。附图说明图1是本专利技术中等应力条件不同温度水平下某种沥青混合料在静态加载条件下的蠕变柔量主曲线拟合结果。图2是本专利技术中等温度条件不同应力水平下某种沥青混合料在静态加载条件下的蠕变柔量主曲线拟合结果。具体实施方式首先将拌合好的沥青混合料用旋转压实仪成型直径15cm，高17cm的圆柱形试件，采用高度控制法，将沥青混合料空隙率控制在3％。然后采用钻芯机从15cm×17cm圆柱形试件钻取10cm×17cm的芯样。最后采用自动沥青混凝土切割机在两端分别切除1cm，最终得到10cm×15cm圆柱体试件，用于开展蠕变试验。采用澳大利亚IPCGlobal公司生产的UTM-130型多功能沥青混合料测试系统开展蠕变试验。分别开展等应力不同温度条件以及等温度不同应力水平下的蠕变试验。利用试验获取的沥青混凝土在不同温度、应力水平下的蠕变曲线族进行拟合，最终得到沥青混凝土蠕变主曲线。首先由蠕变试验结果计算蠕变柔量，在对数坐标系绘制等应力水平(0.5MPa)、不同温度条件下的时间-蠕变柔量曲线族。在时间-蠕变柔量曲线图中，选取参考温度水平，通过手动平移，沿着时间轴水平移动其余温度水平下的蠕变柔量曲线，使各曲线段平滑搭接，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小应变条件下沥青混凝土长期蠕变性能加速试验方法，其特征在于：包括以下步骤：/n(1)在等应力条件、不同温度水平下开展蠕变试验，利用试验得到的蠕变柔量曲线族求解时间-温度移位因子，得到沥青混合料蠕变柔量主曲线；/n(2)在等温度条件、不同应力水平下开展蠕变试验，利用试验得到的蠕变柔量曲线族求解时间-应力移位因子，得到沥青混合料蠕变柔量主曲线。/n(3)在同一个温度和应力水平下对步骤(1)和步骤(2)中的沥青混合料蠕变柔量主曲线进行校核；/n(4)结合假设自由体积同时受温度条件和应力水平的影响，最终推导出时间-温度-应力等效方程。/n

【技术特征摘要】
1.一种小应变条件下沥青混凝土长期蠕变性能加速试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在等应力条件、不同温度水平下开展蠕变试验，利用试验得到的蠕变柔量曲线族求解时间-温度移位因子，得到沥青混合料蠕变柔量主曲线；
(2)在等温度条件、不同应力水平下开展蠕变试验，利用试验得到的蠕变柔量曲线族求解时间-应力移位因子，得到沥青混合料蠕变柔量主曲线。
(3)在同一个温度和应力水平下对步骤(1)和步骤(2)中的沥青混合料蠕变柔量主曲线进行校核；
(4)结合假设自由体积同时受温度条件和应力水平的影响，最终推导出时间-温度-应力等效方程。


2.根据权利要求1所述的一种小应变条件下沥青混凝土长期蠕变性能加速试验方法，其特征在于：所述的步骤(1)中具体为：
(1-1)首先由蠕变试验结果计算蠕变柔量，在对数坐标系绘制等应力水平、不同温度条件下的时间-蠕变柔量曲线族；
(1-2)在时间-蠕变柔量曲线图中，选取参考温度水平，通过手动平移，沿着时间轴水平移动其余温度水平下的蠕变柔量曲线，使各曲线段平滑搭接，从而得到水平移位因子预估值；
(1-3)基于时间-温度等效原理，对得到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨军，刘嵩，孙肖寅，陈先华，石晨光，张泓，王添令，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32