疲劳试验及几种试验方法的比较

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现象学法
现象学法中,把材料出现破坏的重复应力值称作疲 劳强度,相应的应力重复作用次数称为疲劳寿命。
应力控制
施加荷载(应力)的峰谷值不变
应变控制
保持挠度或试件底 部应变峰谷值不变 劲度下降到初始劲 度的50%或更低 表征公式
试件完全断裂 表征公式
影响沥青路面疲劳寿命的因素
荷载条件
(1)荷载历史 (2)加载速率 (3)施加应力或应变波谱的形式 (4)荷载间歇时间 (5)试验方法和试件形状
20℃ 34,500 245,600 108,100
几种疲劳试验的比较
试验 方法
四点 弯曲
优点
①试验结果可直接用于设计 ②基本技术可用于其他方面 ③可选择加载方法 ④敏感程度相对较好
缺点
①耗时 ②成本高 ③需专用设备
模拟现 简便 综合 场状况 性 排序
接近
较简 便
1
梯形 悬臂 梁
①试验结果可直接用于设计 ②基本技术可用于其他方面 ③可选择加载方法
加载频率
试件尺寸 试件尺寸
• 美国ASTM 要求尺寸高径比1:2
• 我国现行测试方法使用高径比1:1
沥青混合料疲劳力学模型
综合目前的研究成果,沥青路面疲劳特性的研究方法基本可分 为三类:
现象学法
力学近似法
能量法
疲劳破坏的定义


按照传统的定义,材料疲劳破坏的最终结果 是断裂。 美国试验与材料协会(ASTM)公布的“疲 劳试验及数据统计分析术语”将其表述为“材料 某点或若干点承受扰动应力,且在足够多的循环 扰动后形成裂纹或者发生断裂,使得材料发生局 部的或者永久的结构变化的这一发展过程,称之 为疲劳

目前我国在通过试验取得材料参数和对沥青混合料 进行性能的研究时,材料试件的受力状态基本上是 静态的,没有考虑材料在动态荷载下的动态性能。 导致路面设计的两大问题:


试验所得性能与参数不能充分反映行驶中汽车荷载作用下 材料的真实性能 使得设计中的理论弯沉计算值与实测结果不符,从而不得 不在规范中引入一项综合系数来进行修正
疲劳试验及几种试验方法的比较
冉孟竺
内容摘要
1 概述 2 沥青混合料动态特性 3 沥青混合料疲劳力学模型
4 影响沥青路面疲劳寿命的因素
5 沥青混合料的疲劳试验方法
概述

路面疲劳破坏特征
裂缝是疲劳的表现,取决于 荷载水平(应力比或应变比) 重复次数
车辆驶过路面时的受力状况
沥青混合料动态特性
单轴向
四点弯曲疲劳试验方法

加载方式
四点弯曲疲劳试验方法
成型方法
采用振动轮碾成型设备进行 碾压成型 置于高精度金刚石双面剧内, 采用双面同步切割技术 300mm×50mm×50mm
沥青混合料小梁试件均在试验温度 下环境温控箱内养护4小时以上,控
试件尺寸
环境条件
温精度为0.1℃,控温范围为20℃~+60℃
合理性分析主要是评价各试验方法所获得的试验结果是否合理, 通过间接拉伸方式获得的平均劲 即试验结果是否与先前经验所期望的一致。 度模量要比四点弯曲高出
评价指标 0℃
60%~70% 四点弯曲 梯形悬臂梁
间接拉伸
平均劲 度模量
平均疲 劳寿命
2,454,700 1,978,100 3,712,400 四点弯曲疲劳试验结果获得的平 均疲劳寿命是间接拉伸疲劳的27 20℃ 梯形悬臂梁疲劳 425,100 1,063,100 1,211,300 倍 试验所得的劲度 0℃ 模量和疲劳寿命 5,834,000 488,800 214,900 对温度不太敏感
四点 弯曲
12.3 0.01 98.7 0.282
梯形 悬臂梁
11.4 0.014 171.8 1.696
间接 拉伸
19.7 0.015 65.5 0.213
不同试验方法影响可靠性分析结果
对于劲度模量 可靠性 分析
对于疲劳寿命
四点弯曲
梯形悬臂梁弯曲
间接拉伸
四点弯曲
梯形悬臂梁弯曲
间接拉伸
不同试验方法影响合理性分析结果
不接近
简便
3
关于疲劳试验的几个问题
如何选择比较适宜的疲劳试验
条件? 疲劳失效如何界定?
Thank You!
沥青混合料的疲劳试验方法

现象学法进行疲劳试验的方法归纳起来可 以分为四类:
◦ ◦ ◦ ◦
1、实际路面在真实汽车荷载下的疲劳破坏试验 2、路面结构在模拟汽车荷载作用下的疲劳试验 研究 3、试板试验 4、试验室小型试件的疲劳试验研究
疲劳试验方式汇总
试验 方法 加载形式 应力分布 加载波形 加载频率间 歇时间(次 /s) 应力 状态
①耗时 ②成本高 ③需专用设备 ④试件成型有一定难度
接近
不简 便
2
间接 拉伸
①试验方法简单 ②基本满足沥青路面疲劳设计 分析的要求,结果与实际路面 性能有一定的相关性 ③设备多用 ④所受拉应力作用较为均匀 ⑤能够评价路面芯样的疲劳性 能
①与路面受力状态有较大 差别 ②低估疲劳寿命 ③受力两端产生局部变形 影响受力模式 ④试件实际开裂模式与理 论开裂位置经常不一致
材料性质
[ Image information in product ] Image : www.openas.com (1)混合料劲度
环境条件
(1)温度 (2)湿度
(2)混合料沥青用量 Note to customers : This image has been licensed to be used within this PowerPoint template only. You may not extract the image for any other use. (3)沥青的种类和硬度 (4)沥青混合料的空隙率 (5)集料表面性状
不同试验方法影响因素敏感性分析结果
评价指标 影响因 素
沥青种类
沥青含量
四点弯 曲
51
0 11
梯形悬 臂梁
29
0 5
间接拉 伸
43
0 27
劲度模量 变化百分表
集料类型
空隙率
温 度 应力水平 沥青种类 沥青含量
33
84 8 56 50 67 85
24
44 4 58 0 49 80
18
67 0 53 0 45 67
加载方式
间接拉伸疲劳试验方法

试件尺寸


直径100mm 高63.5mm 1、沥青混合料小梁试件均在环境温控箱内在试验温度 下养护4小时以上 2、保温室控温范围为2℃-20℃,精度至少为±1℃。

环境条件:


三种试验方法的评价
影响因素 敏感性 试验 可靠性
合理性
方法 评价
美国SHRP研究计划对这三种试验方 法进行详细的评价,从三个角度
四点弯曲 中点弯曲 梯形悬臂 梁 旋转悬臂 10° 单轴 间接拉伸 支承梁 弯曲 同上
带间隙的半正 弦波
1~1.67
单轴向 单轴向 单轴向 单轴向 单轴向 双轴向
带间隙的正弦、 最大1/100 三角或方波 带间隙的正弦 三角波形 25或1/100 16.67 8.33~25.0 1.0
半正弦
0.75
疲劳寿命 变化百分表
集料类型 空隙率


99
88
98
80
99
76
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应力水平
不同试验方法影响敏感性分析结果
四点弯曲 间接拉伸
梯形悬臂梁弯曲
四点弯曲
梯形悬臂梁弯曲
间接拉伸
23
不同试验方法可靠性分析结果
试验可靠性分析主要用于评价试验方法在重复条件下的可靠程度, 即反映各试验方法的离散程度。
评价指标
变化系数(%) 劲度模量 采样方差(In psi) 变化系数(%) 疲劳寿命 采样方差(In Nf)
沥青混合料动态性能参数
表征沥青混合料动态性能参数主要有
回弹 模量
劲度
复合 模量
抗压 强度
影响沥青混合料动态模量因素
影响因素
试验温度
• 随温度升高,沥青混合料的劲度
呈降低趋势
试验温度的影响
加载力大小与加载 方式
加载频率
加载力与方式 • 荷载越大,动态模量越大
•采用的加载频率在1~20Hz • 动态模量随荷载频率的增加而增大
四点弯曲疲劳试验方法
梯形悬臂梁疲劳试验方法

加载方式
梯形悬臂梁疲劳试验方法

试件尺寸



粗端55mm×20mm 细端20mm×20mm 长度为250mm

环境条件:


1、沥青混合料小梁试件均在环境温控箱内在试验温度 下养护4小时以上 2、控温精度为0.1℃,控温范围为-20℃~+60℃
间接拉伸疲劳试验方法
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