T  0865—2024无机结合料稳定材料疲劳试验方法(B法 )

1  适用范围

本方法适用于采用三分点加载的方法进行无机结合料稳定材料在弯拉状态下的疲劳试验。

2 仪器设备及相关参数

2.1  试验机：气动或液压加载装置，能够为疲劳试验系统提供循环动力荷载，可根据试验要求输出不同频率、不同振幅的sine或 Haversine加载波形，要求荷载精度准确到5N。 应保证试验机能够施加稳定动态荷载。 Haversine 波的波形如图T 0856-1所示。

图T 0856-1 疲劳试验荷载曲线示意图

P_max—荷载(N);P_min—最小荷载(N);P_min=0.02×P_max;P₀—荷载振幅(N),P₀=P_max -P_min;T₀ —荷载周期，T₀ =1/f,  f 为荷载频率，标准频率为10Hz。

2.2  数据采集系统：包括荷载传感器，位移传感器。荷载计数器以及数据采集仪。位 移传感器用于测量跨中竖向变形，安装于试件跨中的两侧。

2.3  加载模具：试验夹持系统采用三等分间距布设夹头，相邻夹头中心间距为118. 5mm, 梁跨距为355.5mm。如图T  0865-1 和 图T  0865-2 所示。

          图T 0865-1   疲劳试验装置图(尺寸单位：mm)                                            图T  0865-2   实际装置图

2.4  标准养护室或可控温控湿的养护设备。

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

3  试件制备和养护

3.1  试件准备：按照轮碾成型方法成型无机结合料稳定材料板块试件，板块试件尺寸 为430mm×300mm×80mm。然后用高精度金刚石双面锯对板块试件进行切割，取碾压成型方向为试件长度方向制作梁试件，试件尺寸应符合长度为380mm±0.5mm 、厚度为 51mm±0.5mm 、 宽度为63.5mm±0.5mm   的要求。 一块430mm×300mm×80mm的无机结合料稳定材料板块可切制4根梁式试件。

 3.2 对于一种应力(应变)水平(或应力强度比水平)下，试验的样本量不宜小于6根。

为评价某种混合料的疲劳性能，得到相关的疲劳寿命曲线，应至少进行4个应力(应变)水平(或应力强度比水平)的试验。试验应准备足够的试件数量，并考虑一定量的备用件(不小于10%)。

3.3    对于水泥稳定类材料一般进行90d 龄期的疲劳试验，对于石灰或粉煤灰稳定类材 料一般进行180d 龄期的疲劳试验。

注①:由于疲劳试验的周期比较长，试件的成型准备应考虑疲劳试验时试件的实际龄期，同一组试 验的龄期误差不宜超过±3d。

3.4    按照本规程T0845 标准养生方法进行养生。养生应在试件切割之前进行。养生龄期的最后1d, 试件饱水24h 。试件饱水时水面应高于试件顶面约25mm。在饱水前，应再次称试件的质量。

3.5  饱水后，将试件表面水擦干，并按照3. 1的要求切割成规定尺寸的梁式试件。然后用油笔在试件的三分点位置作出标记，以便下步试验时准确放置夹具。

4  试验步骤

4.1     应变控制模式

4.1.1  将养生好的试件放入疲劳加载装置内，用夹具固定。使位移传感器滑轮接触 试件表面，调整位移传感器到试件中部并将位移传感器的读数调零。

4.1.2  选择正弦加载模式，在试验参数设定界面输入试验相关参数。

4.1.3      施加荷载为连续的sine 或 Haversine 波，荷载标准频率为10Hz。

4.1.4      试 验 终 止 条 件 为 弯 拉 模 量 降 低 到 初 始 弯 拉 模 量 5 0 % 对 应 的 加 载 循 环次数。

4.1.5   在目标试验应变水平(对于无机结合料稳定材料，推荐应变水平为60~140με)下预加载50个循环，记录第50个加载循环的试件弯拉模量为初始的弯拉模量， 作为确定试件疲劳失效判据的基准弯拉模量。

4.1.6  确定好初始弯拉模量后，试验机应在50个循环内自动调整并稳定到试验所 需要的目标拉应变水平，同时按选择的加载循环间隔监控和记录试验参数和试验结果，确保系统操作正确。当试件达到疲劳试验终止条件时，自动停止加载。

4.2 应力控制模式

4.2.1 检查试验的机械设备是否正常。由于疲劳试验的周期比较长，应着重检查试验系统的电力供应是否正常。计算机等控制系统的电源应备有延时电源，以防突然断电造成试验数据的丢失和对设备的损坏。选择合适的荷载传感器和位移(应变)传感器的量程，以确保测量结果精度的可靠性。

4.2.2 根据试验目的，编制有关的疲劳试验程序，并进行调试，可靠、稳定后方可进行正式试验。选择一个试件，检查荷载波形是否满足试验精度要求，位移(应变)信号接收是否正常。由于疲劳试验中试件的破坏存在偶然性，为了保护试验设备，疲劳程序中应 设定相关的终止试验的保护程序。

4.2.3     首行梁式试件的弯拉强度测定，以便确定疲劳试验的荷载水平。

4.2.4     根据疲劳试验要求，取4～6(K=σ/S) 个应力比(对于无机结合料，推荐应力强度比范围在0.5～0.85内)。

4.2.5 将试件安放在疲劳试验的模具上。注意疲劳试验的荷载方向应与试件成型时的压力方向平行一致。

4.2.6 预压：在施加正式试验荷载前，应取0.2倍应力强度比水平的荷载进行预压2min, 以减少接触不良造成的试验偏差。

4.2.7     施加荷载为连续的sine或 Haversine波，荷载标准频率为10Hz。

4.2.8     试验终止条件为试件断裂。

4.2.9 在疲劳试验过程中，有些试件的试验时间较长，试件产生风干。为此，需要用湿毛巾或塑料布覆盖，保持其湿润。

4.2.10     试验过程中，应时刻监测荷载波形和试件的响应变形波形。

4.2.11 试验过程中数据的采集内容有：荷载重复作用次数(即疲劳寿命),按对数级数规律采集一定荷载作用次数下的试件变形响应参数，及相应的滞回曲线。滞回曲线的采集应连续采集10个周期的数据，然后进行平均，作为该时刻试件的代表滞回曲线。

5  计算

5.1     应变控制模式

应变控制模式下的疲劳试验数据按式(T   0865-1)回归疲劳方程。

lgN=a+blgε                                                   (T   0865-1)

式中：N——荷载作用次数(次);

ε——应变水平(με);

a、b——回归系数。

5.2     应力控制模式

将所有有效的疲劳试验数据按式(T  0865-2) 、(T  0865-3)回归计算疲劳方程：

lg(N)=a+b(σ/S)    (T  0865-2) 

lg(N)=a'+b'lg(σ)   (T 0865-3)

式中： N——荷载作用次数(次);

σ——应力(MPa);     

σ/S——应力强度比；

S—— 梁式试件的弯拉强度(MPa); 

a、b、a'、b'——回归系数。

6  结果整理

疲劳试验的疲劳方程的相关系数R² 不宜小于0.5。

7  报告

报告应包括以下内容：

(1)集料的颗粒组成；

(2)水泥的种类和强度等级，或石灰的有效钙和氧化镁含量；

(3)无机结合料类型和剂量；

(4)含水率和干密度及其确定方法；

(5)试件干密度或压实度；

(6)试验设备；

(7)荷载频率，荷载级位；

(8)试验终止条件；

(9)疲劳方程及相关系数。

8  记录

8.1  应变控制模式下的试验记录格式见表T 0865-1。

表T 0865-1  无机结合料稳定材料疲劳方程试验记录

工程名称                                       试件尺寸                     

荷载频率                                         材料名称                       

试样编号                     

试验：                      校核：                         试验日期：

8.2     应力控制模式下的试验记录格式同表T0856-1。

条文说明

本试验方法参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20)以及AASHTO  Designation:T321-03编制 。 与A 法不同之处在于：一是，疲劳试验过程中，梁式试件跨中的底面和顶面会同时承受拉伸与压缩两种荷载模式的交变作用；二是，本试验方法可采用应力控制或应变控制两种模式。

图T 0865-3  无机结合料稳定材料疲劳试验(B法)

试件制备时采用的轮碾成型方法，与沥青混合料车辙试件的成型方法相同，试模需要 单独加工。也可采用山东省交通科学研究院的方法制备试件，即：首先根据本规程T 0844中的方法成型尺寸为150mm×150mm×550mm  的大梁试件，然后利用双面锯将其切割为 宽63.5mm的两条，之后对每条沿高度方向切割为高51mm 的上、下两根梁式试件，取其 中一根进行强度试验，另一根进行疲劳试验。 一个大梁试件一般可切制4根用于疲劳试 验的梁式试件。

龄期对无机结合料稳定材料的力学性能具有较大影响，由于疲劳试验的周期较长，在 试件制备时应根据应力水平或应变水平，合理安排试件制备时间，避免出现养生龄期已到 但因上一组疲劳试验尚未完成而无法开展试验的问题。

本试验方法的荷载控制模式有应力控制和应变控制两种，应选择哪种模式目前尚无 统一认识。南非在对无机结合料稳定类基层材料进行疲劳性能研究时，首先采用的是应 力控制模式，其原因是通过大量研究发现，对于水泥混凝土等脆性材料的力学行为主要取 决于应力状态，而无机结合料类稳定材料的力学特性与水泥混凝土类似，故无机结合料稳 定类材料的疲劳试验选用应力控制模式。有的研究也认为，如果无机结合料稳定类基层 较厚(大于15cm)且模量较大，面层疲劳破坏主要以拉应变破坏为主；基层疲劳破坏主要 以拉应力破坏为主，而无机结合料稳定类材料的极限弯拉应变与极限弯拉应力无关，因此 对于无机结合料稳定类基层材料采用应力控制模式。选择应变控制模式进行疲劳试验最 初是从保护设备的角度考虑，对于较为老旧的疲劳设备，在应力控制模式下试件发生断裂 时主轴会突然上升或下降，有可能造成设备的损坏，而在应变控制模式下能够较好的保护设备。

表T0865-2、表 T0865-3分别为某水泥稳定级配碎石(水泥剂量6 .5%)采用本试验方法进行的应力控制和应变控制下的疲劳试验结果，应力控制试验的终止条件为试件断裂，应变控制试验的终止条件为弯拉模量降低到初始弯拉模量的 5 0 % 。

表T 0865-2某水泥稳定级配碎石疲劳试验结果(应力控制)

表T 0865-3   某水泥稳定级配碎石疲劳试验结果(应变控制)

根据表T  0865-2 和表T  0865-3 中的试验结果回归疲劳方程，结果如下： 对于应力控制模式：lg(N)=6.7227-2.97981g(σ),R²=0.71。

对于应变控制模式：lg(N)=44.4363-19.5695lg(ε),R²=0.65。