基于间接拉伸试验的动态模量

基于间接拉伸试验中模式的沥青混合料动态模量目录1、相关定义

2、试验方法

3、结果与分析

4、总结1、相关定义

复数模量

complexmodulus黏弹材料经受正弦负荷的应力-应变之比，M*=M′+iM〃，式中i为虚数单位。复数模量可分别由不同受力情况进行测量:拉伸模量E*=E′+iE〃;剪切模量G*=G′+iG〃;体积压缩模量K*=K′+iK〃;纵向压缩模量L*=L′+iL〃。复数模量中的贮能模量(E′、G′、K′、L′)是和应变同相的稳态应力与应变值之比。1、相关定义

动态模量

材料在荷载作用下的力学响应，除了与在静力作用下的影响因素有关，与荷载作用时间、大小、频率及重复效应等也有关，具有一定的应力依赖性。弹性模量是表征材料力学强度的一个重要参数。在动荷载作用上，材料内部产生的应力、应变响应均为时间的函数，相应地，弹性模量在外载作用过程中也不是一成不变的，材料动态模量定义为应力幅值的比值

，以表征材料在不同的外载作用下不同的响应特性。1、相关定义

2、试验方法

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2、试验方法

间接拉伸试验，是指通过圆弧形加载压条，按一定加载速率对规定尺寸的圆柱形试件施加荷载，测定试件的垂直、水平变形，从而获得沥青混合料的劈裂强度和变形。

试件成型采用旋转压实成型,原始试件直径150mm,高度为170mm,经钻取芯样和进口高精度双面锯切割成直径100mm、高150mm的圆柱体试件,最后1个原始试件可以精确切割成两个直径100mm、高50mm的间接拉伸动态模量试件.由于原始试件比切割成型的试验试件的孔隙率大0.5%～1.5%,高150mm的芯样试件孔隙率按5%控制,最终成型的高度为50mm的间接拉伸试件，孔隙率在4.0%左右.注意保证最终成型的试件圆柱体周边光滑,两个切割面平行且表面平滑无沟纹.

2、试验方法

单轴压缩动态模量试验是一个单轴的应力状态,模量可以通过单轴方向的轴向应力σy和轴向应变εy

获得:E=σy/εy2、试验方法

相比单轴压缩试验模式下的单向应力状态，在间接拉伸模式下，沥青混合料试件呈现复杂的二维应力状态。由于间接拉伸动态模量试验是一个二轴的应力状态,不能仅仅根据水平方向的应力σx

和水平方向的应变εx

获得模量;正确的决定材料模量的途径是通过水平方向的应变

εx以及材料的泊松比υ划分二轴方向的应力σx-υσy:E=1/εx(σx-υσy).间接拉伸动态模量的测定采用应力控制模式,荷载采用连续半正矢波荷载,荷载水平的确定考虑保持水平方向的应变在材料的线弹性范围内,可以通过调节控制试件水平方向产生的应变在一定范围内所对应的荷载来确定.由于间接拉伸试验受力情况复杂,二维平面应力假设存在局限;同时,试验时加载金属条附近的局部变形以及试件的膨胀都会对变形测量产生较为明显的影响.2、试验方法

沥青混合料的力学行为远比人们认识到的复杂，其性能既受集料、砂胶和空隙的体积含量影响，也受这些因素的空间分布影响。利用X-rayCT对沥青混合料试件扫描，考虑混合料细观结构的细节及其演变的力学试验的计算机模拟，即虚拟试验，可以最大程度地模拟试件受荷作用下的应力行为。利用这一新兴的技术手段，可以对沥青混合料进行间接拉伸虚拟试验仿真，得出间接拉伸模式下试件水平轴向和竖直轴向真实的应力状态，并与传统的二维应力理论解进行比较。实际试样的真实三维细观结构(不是模拟假设的二维或三维细观结构)的数值表达被称作虚拟试样。2、试验方法

虚拟实验2、试验方法

受集料和空隙空间分布的影响，切向应力和径向应力分布并不均匀，最大拉应力也不再出现在试件的中心处。这表明由于集料和空隙分布的不均匀，沥青混合料件内部裂纹产生的初始位置并不在试件中心。这充分说明了混合料内部细观结构的空间分布位置对合料的力学性能有重要影响，这是以往基于均质的数值模拟所忽视的。·为了阐释沥青混合料间接拉伸试验中马歇尔试件对荷载的动态响应规律,利用离散元方法(二维)数值模拟了马歇尔试件的间接拉伸试验过程。采用伺服控制机理对不同粒径的试件施加荷载,给出了颗粒间的接触力、颗粒的位移矢量及产生的裂缝数,得到试件的劈裂强度;对不同加载速率下试件的响应进行数值模拟,得出加载速率与劈裂强度的关系;选取一种粒径范围的试件,分析了试件中产生的裂缝随时间的发育和分布,再现了裂缝延伸的动态过程。数值模拟2、试验方法

2、试验方法

选取4档粒径范围,分别为1.18～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～9.50mm及9.50～13.20mm,颗粒间的接触方式为平行粘结。指定4档粒径材料的参数后,生成试样的原始状如下页图所示。2、试验方法

小粒径颗粒间的接触力分布较均匀,主要集中于沿加载方向的直径两侧,相应地位移矢量沿直径方向向两侧移动,圆周边缘除加载处的接触力及位移相对较小,因此裂缝主要集中于直径方向;大粒径颗粒间的接触力分布较分散,较大的接触力基本延伸至整个试件。2、试验方法

位移矢量(箭头表示运动方向,线越长表示位移越大)。2、试验方法

粒径越小试件中接触力分布越匀称,位移矢量沿竖向直径向两侧延伸,形成了主要集中于直径方向的裂缝带。随着粒径的增大,间接拉伸强度逐渐增大,9.50～13.20mm试件的增长率最大,且产生的裂缝数逐渐减少。2、试验方法

为了反映裂缝在试件中产生的位置及方向,以粒径4.75～9.50mm的试件为例,给出了4个加载时间点的裂缝分布,如图8所示。以第1条裂缝的产生为起点,监测其位置,该裂缝的方向与加载方向一致。随着时步的增大,试件中形成的裂缝急剧增多,至应力-应变曲线达到峰值时裂缝的增长率最大,峰值后继续施加荷载,则裂缝基本不再增加,仅表现为裂缝长度的延伸及裂缝间的贯通,并且裂缝沿竖向直径方向贯穿整个试件。3、结果与分析

3、结果与分析

图5-4动态模量为主曲线（一）S9.5A细;（二）S9.5B-粗;（三）S9.5C细;和（四）S9.5C粗。3、结果与分析

图5-5动态模量为主曲线（一）S12.5C细;（二）S12.5D-粗;（三）I19.0B细;和（d）I19.0C粗3、结果与分析

图5-6动态模量为主曲线（一）I19.0D细，（B）I19.0D粗，（C）B25.0B精，和（d）B25.0B粗。3、结果与分析

总结P-值和差异百分比基于IDT和轴向动态模量压缩试验3、结果与分析

据观察，从轴向压缩试验获得的相位角通常在通过IDT检测的水平和垂直应变计算出的相位角之间。基于此观察，从水平和垂直应变算出的相位角进行平均，并在左图绘制。S9.5A的相位角主曲线S19.0A的相位角主曲线图5-9泊松比是：（a）-10℃;（B）10℃;和（c）35℃。间接拉伸动态模量和相位角随温度和加载频率显著变化.模量值随加载频率的降低(温度的增加)而逐渐减小;而相位角随荷载频率(温度)的变化所表现出的规律则有所不同:当试验温度小于或等于20℃时,相位角随加载频率的减少(温度的增加)而增加,这是由于在这一温度和频率范围内,沥青混合料所表现出的粘性特性随加载频率的减少(温度的增加)而增加,故在低温高频作用下,沥青胶结料特性对混合料性能影响更大.当温度升高到35℃以后,相位角随加载频率的减小先增大,而后呈现一个明显减小的趋势,主要原因是在高温低频作用下,沥青胶结料变软,这时混合料中矿料骨架结构起优势作用,故相位角会随频率降低而呈现下降趋势.

3、结果与分析

3、结果与分析

移位因子是温度的函数,它反映的是形成主曲线的每个温度下模量曲线的平移量,那么这个平移量就反映了材料与温度相关性.由表2可以看出:(1)通过两种模型确定的移位因子,AC-13C的略大,表明AC-20的温度依赖性较AC-13C小;(2)采用GlobalAging模型确定的移位因子大于Arrhenius模型确定的移位因子.4、总结4、总结沥青混合料是一种典型的粘弹性材料,其力学行为对于温度和荷载作用时间具有明显的依赖性,具体表现为材料应力-应变响应关系分别依赖于温度效应与时间效应,同时,材料力学行为中的时间效应与温度效应具有等效性且能相互转换,这就是通常所说的时温等效效应.根据粘弹性材料的时间-温度转换原理可知,沥青混合料这种粘弹性材料在温度和加载频率下得到的力学性质可以通过平移形成一条在参考温度下的光滑曲线(即主曲线).利用主曲线,可以将一定时间、温度范围内的试验测定结果拓延到更加广泛的时温空间中去.这时所得到的主曲线特征函数的时间(频率)历程并非试验测定所经历的真实历程,通常将其称为换算时间(频率).模量主曲线描述了加载频率对材料性质的影响,移位因子描述了温度对材料性质的影响,二者结合起来能描述沥青混合料对温度和频率的敏感性,从而全面地描述沥青混合料的粘弹特性。传统的研究，它们将粘弹性连续损伤（VECD）模型应用于沥青材料，大多数都使用单轴试验，这些试验的试样尺寸要求给那些取自薄沥青层混合料带来了困难。在本文中，提出了以下的一种分析方法，该方法用于确定沥青混合料的伪应变和破坏特性曲线，这些沥青混合料试样同时受到来自水平（张力）和垂直（压缩）轴的间接张力（IDT）。为了验证这种方法，在IDT模式下，对沥青试样进行了实验室测试。考虑到一条动态模量主曲线的组成，需要在不同的温度和频率下，进行复合弹性模量试验，反过来，这条动态模量主曲线又可以用于获得松弛模量。此外，在两种温度（10和20℃）下，进行恒定十字头强度试验，用来评价那些损伤不断增长的沥青试样的行为。实验室研究结果表明，压缩所得到的损伤特性曲线位于张力所得到的曲线之上。实验室研究结果也表明，不论是在张力还是压缩情况下，该材料在10℃比在20℃下表现出更为有利的破坏特性，而且损伤特性曲线服从时间-温度叠加原理，这是与单轴测试结果相一致的。这些结果表明，该VECD模型可以应用于双轴IDT测试，而这些测试用于同时表征拉伸和压缩破坏特性曲线。Fig.1.(a)SchematicillustrationofIDTtest;(b)plane-stressdistributions疲劳开裂是沥青路面的主要问题。无论是在设计阶段和路面的操作阶段，以最小的工作量和时间做出的沥青混合物有益于其疲劳寿命的预测。对于实用性，间接张力（IDT）试验已广泛用于测试实验室自制和现场取样混合物;然而，使用上述IDT测试疲劳试验需要在应力控制模式下，而不是在应变控制模式下进行。结果未必比得上那些用其他方法的测试结果，例如弯曲梁疲劳或单轴拉伸测试，所以本研究采用了粘弹性连续损伤（VECD）模型。所谓的C1-S1曲线，它是VECD模型得到的最终结果，称之为沥青混合物的单层特性曲线，并且与荷载类型相独立。从两个疲劳试验和采用IDT试验方法的单调强度试验所获得的3个C1-S1曲线，当其叠加到一条单一的C1-S1曲线上，可以看出它们很接近，这表明VECD模型