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要點回顧:基于AMPT的瀝青混合料黏彈性連續介質損傷力學模型及應用高級培訓班紀實
發布時間:2023-07-17 瀏覽次數:16433 來源:歐美大地

2023年7月10-11日,歐美大地儀器設備中國有限公司繼參展第13屆道路與機場路面技術國際會議(ICPT)后,又與第13屆道路與機場路面技術國際會議(13th ICPT)組委會在北京工業大學聯合主辦了“基于AMPT的瀝青混合料黏彈性連續介質損傷力學模型及應用高級培訓班”。此次培訓班我們有幸在北京工業大學王超教授的幫助下,邀請了美國北卡羅來納州立大學的Y. Richard Kim教授在2天的時間內,從理論到應用,全面的介紹了基于AMPT的瀝青混合料性能評價體系。并邀請長安大學吳永暢老師進行了專業的翻譯,讓所有學員能夠完整、準確的接收Kim教授傳授的知識。

此次活動是歐美大地自2019年在廣州推廣BMD平衡混合料設計與性能評價方法活動后,時隔3年疫情,再次舉辦的,面向未來的新一代瀝青路面技術的學術推廣活動。此次會議共有全國各地50名左右學員參加,在2天的培訓中,再一次為中國道路工程研究水平的進步撒下了希望的種子。


圖1:培訓班會后合影


在Kim教授的講授中,讓我們體會最深的是:整套“基于AMPT”的瀝青混合料性能評價體系是非常務實的,創建這套體系的目標就是在工程中能夠應用。制件盡可能簡單,試驗時間盡可能短,所需要的設備盡可能少、價格盡可能低,操作盡可能簡單,并有基于同一個理論的體系的,從設計,到評價,以及最終工程驗收的指標體系。為了達到這種目標,目前已經開發了AMPT瀝青混合料性能試驗儀的硬件,FlexTM軟件套裝(包括FlexMATTM指標計算工具,FlexPAVETM分析工具和FlexMIXTM配合比設計工具)以及AASHTO試驗方法。



圖2:PASSFlexTM系統流程

在整套體系中,AMPT是其中的核心設備。目前,我國已引進AMPT瀝青混合料試驗儀30套左右,但仍停留在研究領域,試驗功能多數只使用了動態模量和流值試驗功能。(這是由于早期設備功能,及試驗方法不完善所導致的)如今,在完整的體系框架中,AMPT可以更完整的瀝青混合料的性能進行評價,完成表1中的工作。


表1:AMPT在性能規范體系中的應用范圍



這其中,有幾點是值得我們關注的:

循環直接拉伸疲勞試驗(或S-VECD試驗,即簡單黏彈性循環損傷試驗)。

目前,我國在評價瀝青混合料的疲勞壽命時,首選的試驗方法是棱柱體小梁四點彎曲疲勞試驗(JTG E20-2011 T0739)。這種基于應變的疲勞性能模型獲得一條完整的疲勞曲線應選擇3個或以上的試驗水平,且疲勞壽命次數宜覆蓋幾千次到幾百萬次的范圍。由于這種試驗方法所需的時間實在太長了,所以在實際的工程中是幾乎很少實用的,多數情況下用于比較不同材料的疲勞性能,證明新材料的耐疲勞性能比原有的更好。(一個類似的情況是法國標準的瀝青混合料設計方法也由于試驗時間太長而推廣困難)

注釋:

① 基于應變的疲勞性能模型:


k1,k2k3是需要通過試驗求解的。


相比之下,基于S-VECD模型的循環疲勞試驗只需要在3個溫度條件下測量混合料的動態模量,選用1個測試溫度,1個試驗頻率以3種應變幅值來進行疲勞試驗,整套試驗只需6次試驗,可以在2天內完成,加上2-3天的試驗準備(混合料拌和,成型,鉆芯,切割,粘貼等工作)以及1-2個小時的數據處理和分析,所有工作可以在5天內完成,是真正有前途在工程上進行應用的疲勞壽命試驗方法。


表2:傳統疲勞試驗方法與循環直接拉伸疲勞試驗的比較


注釋:

② 輪碾壓實儀需要能夠成型長邊400mm甚至更長(切割)的車轍板試件,這意味著一般實驗室中原有的輪碾壓實儀無法滿足要求。(國內傳統輪碾壓實儀專為成型300mm×300mm車轍板設計)

小尺寸試件試驗。

以往,我們在開展動態模量和直接拉伸疲勞試驗研究時,通常選用的試件尺寸是直徑100mm,高度150mm(130mm)的圓柱體試件。但根據代表性體積單元研究的結果,我們在集料最大公稱粒徑≤19.0mm時,可以選擇使用小試件來進行動態模量和直接拉伸疲勞試驗。因此,國內各單位可以借鑒,并開展小試件試驗的相關研究。


表3:大小試件的試驗效率對比


注釋:

③ S-VECD試件為進一步提高試件在不同高度上平均空隙率的一致性,要比動態模量試件的高度更小。

④ 能夠代表材料性能的試驗最小尺寸要求。


應力掃描車轍試驗

我們評價瀝青混合料的抗車轍性能一般都是使用車轍試驗。但車轍試驗是一種經驗試驗方法,與我們發展基于力學模型的試驗方法發展思路相悖;同時,在某些情況下,這種經驗性的試驗方法可能會得到與實際情況相反的試驗結果,對工作產生錯誤的指導。例如:SMA是具有非常好的抗車轍性能的,但在進行國標車轍試驗時,車轍深度反而會變大。因此,Kim等人開發了基于力學模型(如圖14)的應力掃描車轍(SSR)試驗方法,通過改變應力水平和溫度來模擬不同層位的變形,并累計得到總的永久變形量。該方法目前已經形成了美國的暫行試驗標準AASHTO TP134。



圖3:應力掃描車轍試驗原理

試驗分別在兩種試驗溫度下進行,使用加載-松弛的波形進行循環加載。加載時間為0.4s,變形恢復時間在高溫時選用3.6秒,低溫時選用1.6秒。圍壓選用69kPa,軸向偏應力分別選用483kPa,689kPa和896kPa三種,通過記錄軸向應變來進行計算分析。


圖4:應力掃描車轍試驗的加載形式


CONTROLS

關于AMPT瀝青混合料性能試驗儀

AMPT瀝青混合料性能試驗儀最早由澳大利亞IPC公司在2002年開始研發,最初的名稱為SPT簡單性能試驗機,在開發完成后,更名為AMPT瀝青混合料性能試驗儀并沿用至今。意大利CONTROLS集團在2014年收購澳大利亞IPC后,繼承了AMPT的產品線并進行了進一步發展,目前形成AMPTPRO(液壓)和AMPTQUBE(電動)兩種型號。(AMPTQUBE旨在通過更低的價格覆蓋更多的用戶群體)



圖5:AMPT的發展歷程

目前,全美已有AMPT近200臺,美國FHWA,FAA,北卡,NCAT,TTI等路面研究的權威機構,絕大多數的交通部都是CONTROLS-IPC的AMPT用戶。NCHRP,AASHTO等相關課題研究,試驗規范,技術標準的編寫,以及軟件的開發幾乎都是以CONTROLS-IPC的AMPT為基礎的。AMPT的試驗數據可以存儲為符合FlexMATTM計算程序要求的格式,直接導入進行計算分析。后續直接與FlexPAVETM設計軟件和FlexMIXTM配合比設計軟件對接。因此,可以說:選用CONTROLS-IPC的AMPT,可以保證時刻與美國的最新研究成果對接,保持先進的研究水平。


目前兩個版本的AMPT主要技術規格如下:

型號

AMPTPRO

AMPTQUBE

圖片



動力

液壓

電動

加載能力

靜態 19kN

動態 17kN

靜態 10kN<0.1Hz

動態 15kN≥0.1Hz

控溫范圍

-10℃~+70℃

+2℃~+60℃

圍壓大小

0~225kPa

試驗方法

AASHTO T378 動態模量和流值

AASHTO T400 S-VECD 簡單黏彈性循環損傷疲勞

AASHTO TP132 動態模量(小試件)

AASHTO T411 S-VECD 簡單黏彈性循環損傷疲勞(小試件)

AASHTO TP134 SSR應力掃描車轍

AASHTO T393 SCB常溫半圓彎曲

AASHTO TP131 IDT間接拉伸動態模量

ASTM WK26816/Tex-248-F Overlay罩面層反射裂縫

AASHTO TP116 iRLPD遞增荷載永久變形

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結語

此次AMPT的技術培訓活動得到了所有學員的一致高度認可。我們也非常高興能夠幫助國內用戶提高專業水平,充分挖掘設備潛能,促進行業技術標準和地方技術標準的更新。同時,與用戶共同舉辦此類技術推廣活動也是我們的興趣所在,希望有機會與其他用戶再次開展類似的技術推廣活動。



圖6:AMPT技術培訓班授課中

注明:

  1. 本文的圖片素材來自于Y. Richard Kim教授的授課教材,NCHRP研究報告,AASHTO試驗規范,以及CONTROLS-IPC的產品宣傳材料。

  2. 如需了解更多技術文件的詳細內容,請與歐美大地聯系。

  3. 有關AMPT的更多資料,視頻,技術規格等材料可以在歐美大地官網進行下載。


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