【沥青试验系列】第十四章：——沥青混合料性能评价（第三篇）

疲劳试验（四点弯曲法）

标准：T0739 | AASHTO T321 | ASTM D7460/D8237

 |EN12697-24方法D

图22：独立式气压伺服四点弯曲疲劳试验机

图23：四点小梁弯曲试验夹具

（配套AsphaltQube系统的底部加载型）

最方便，最安静，性能最佳的是使用电动型Asphalt Qube（±15kN）配套四点弯曲试验夹具的方案，如图24所示。

建议这种方案的原因是：

- 电动试验系统，220V单相电，插电即可使用，运行安静无噪音，维护简单。

- 荷载范围是动态±15kN，不需要更换小量程的力传感器

- 采用两侧开门设计，安装和拆卸试件都方便操作。

- 内部集成了传感器快速接口，控制器内置与设备底部，没有外置的线缆，实验室布置整体非常简洁。

- 占地面积小（800×800mm），底部带有万向轮，可随便移动到实验室任意位置。

- 在不运行四点小梁弯曲疲劳试验时，还可以用于其他很多试验，利用效率高。

图24：在AsphaltQube中安装四点小梁弯曲试验夹具

如果用户预算非常有限，我们建议用户购买原装的独立伺服气动的四点小梁弯曲试验机和控制器，在国内购买环境箱，因为疲劳试验通常是在常温下运行，所以我们只需要购买空间足够的环境箱以及预留仪器线缆的进出口，而无需购买制冷能力达到零下几十度的环境箱，从而可以大幅度节约费用。

图25：独立式四点弯曲小梁试验机在环境箱中安装的效果图

图26：UTM-30中安装四点小梁弯曲试验夹具

如果预算有限且疲劳试验的任务量不算很大，可购买夹具式的四点弯曲试验夹具配合UTM系统或AsphaltQube PRO系统使用。

新的试验终止条件

在过去很长一段时间内，我们在运行四点小梁弯曲疲劳试验时，都是以弯拉模量衰减到初始模量的50%作为终止条件。但实际上，这个“50%”是一个经验值，随着目前材料科学的进步，添加了各种改性材料、纤维材料、自愈和材料等各种添加剂的沥青混合料的疲劳性能得到了很大的提升，按照这种试验终止条件可能低估了材料的疲劳性能。

以图27为例，蓝色曲线是模量vs加载次数曲线，红色曲线是模量×次数vs加载次数曲线，如果以模量衰减50%为终止条件，则疲劳终点发生在大约125万次时；但如果以新规范的终止条件作为疲劳终点，则试验停止在大约243万次时。可见，不同的终止条件对试验结果有着重大的影响。

图27：模量vs次数曲线&模量×次数vs次数曲线的对比

最新版本的AASHTO T321四点小梁弯曲疲劳试验规范已经将试验终止条件更改为弯拉模量×加载次数（S×n）的值下降15%后停止，此次修订T0739试验方法也与AASHTOT321保持一致。除此以外，我们还可以在终止条件中增加作动器运动达到限值（开裂）作为终止条件。在进行试验结果分析时，可自由切换左右坐标轴的单位进行对比。这些指标包括了过去的模量，现行的模量×次数，以及规范要求之外的最大峰峰值应力，耗散能，相位角，最大峰峰值应变等。

图28：四点小梁弯曲疲劳试验软件的更新

新版本的T0739中还增加了跨中挠度测量点的位置要求，要求在试件中性轴的中心粘贴一个M8螺母用于传感器定位。相比之下，2011年版本的规范中没有明确要求测量点的位置，因此，目前大多数试验设备的LVDT位移传感器都是直接定位到小梁试件的顶部中心位置。当然，这并不是说以前大家都做错了，而是希望通过统一规范来提高不同单位试验结果之间的可比较性。

图29：跨中挠度测量位置的两种选项（试件顶部或试件侧边）

疲劳试验（劈裂法）

标准：T0743 | EN 12697-24方法F

图30：间接拉伸疲劳试验效果

图31：间接拉伸疲劳试验曲线

裂纹扩展试验（半圆弯曲法）

标准：T0744 | AASHTO T393 SCB

图32：在UTM-130中进行常温SCB试验

裂纹扩展试验（劈裂法）

标准：T0774 | AASHTO T424

图34：AASHTO T424试验效果图

半圆弯曲试验方法在试验准备时，需要使用切割锯将其切成对称的两半，并在直径方向的底部中心用薄锯片切缝。这些工作需要专用的切割锯，以及试验人员额外的操作。为了进一步简化试件准备工作，美国的研究机构进一步开发了直接使用圆形试件劈裂加载，仍然使用荷载-变形曲线进行数据处理的方法来评价沥青混合料的开裂抗性。这种试验方法目前主要有2个规范，分别是：

- ASTMD8225平衡混合料设计体系选用Ideal-Cracking试验方法，计算指标Ideal-CT

- AASHTO T424，计算指标Nflex因子作为评价指标

新规范修订时选择了AASHTO T424作为标准试验方法，如果用户配备了间接拉伸试验模块，可以直接使用间接拉伸试验的小型双柱式反力架和压条来开展此试验，直接使用动态试验机主轴的荷载传感器和作动器内置的LVDT位移传感器完成数据采集工作。

表3：其他国外规范的疲劳和裂纹扩展试验方法和可选模块

重复压缩试验（三轴）

标准：T0745 | EN 12697-25方法B

三轴试验属于“力学法”的沥青路面抗车辙性能试验方法。新规程删除了原有的三轴剪切试验方法，依据欧盟标准EN 12697-25增加了三轴重复压缩试验方法。这种试验方法的传感器主要安装在试件顶面，测量试件轴向的整体变形，一般是配合UTM（或AsphaltQube）系列的动态试验机进行试验，如图35所示。

图35：UTM-30中安装三轴室

但在实践中发现：三轴实验因为操作相对复杂，对设备要求较高，而且三轴室搬运、安装和拆卸也是比较费力的工作，实际还是以科研应用为主。

我们建议希望开展三轴试验研究的科研单位在有条件的情况下使用AMPT这种形式的试验设备来进行试验，因为这种设计操作更加方便。试验方法可以参考美国专为此开发的几个试验标准：

- AASHTO T378带围压的流值次数试验

- AASHTO T410 iRLPD荷载逐级增加的重复加载永久变形试验

- AASHTO T422 SSR应力扫描车辙试验

图36：AMPT的三轴室环境舱

单轴贯入强度试验

标准：T0746

单轴贯入强度试验是2017年《JTG D50公路沥青路面设计规范》更新时加入的沥青混合料高温性能评价方法。该试验模块仅需配备2个不同尺寸的贯入头（内部带有螺纹，与加载杆连接）和底座即可操作。

图37：UTM-30中进行单轴贯入强度试验

单轴贯入强度试验是我国独创的试验方法，试验操作简单，指标明确。我们通常建议用户在购买试验机时配备该模块。图38是典型的试验结果，用户可以直接得到最大破坏应力σp，结合试件的修正系数fτ和取样系数f1即可计算贯入强度Rτ。

图38：单轴贯入试验典型结果

低温性能试验（半圆弯曲法）

标准：T0747 | EN 12697-44

专用于评价沥青混合料低温性能的半圆弯曲试验方法主要是美国AASHTO T394。但它需要使用1个高精度的CMOD开口裂缝计测量裂纹张开的速度进行反馈控制，2个高精度的引伸计测量裂缝上方局部的变形，硬件成本高，对试验机的精度要求高，操作也相对复杂。因此在修订规范时，选择了欧盟标准的EN 12697-44试验方法，并要求在-10℃时进行试验，来评价沥青混合料的低温抗裂性能。

EN 12697-44试验规范和AASHTO T393试验规范对于试件底部滚轴支撑的要求实际上是不同的，我们在进行规范修订时，在此方面进行了统一。

图39：EN 12697-44半圆弯曲试验效果

低温半圆弯曲试验的计算结果为断裂韧性KIC，欧盟标准EN 13108中对于断裂韧性的控制指标已有规定，用户可以根据软件的计算结果参考欧盟标准和结合国内实际情况来评价沥青混合料的低温抗裂性能。

图40：试验结果汇总计算界面

低温性能试验（TSRST法）

标准：T0748 | EN 12697-46 | AASHTO TP10

TSRST试验是目标替代T0715沥青混合料弯曲试验的两种方法之一。（另一个是T0747低温半圆弯曲试验法）但考虑到该试验对于试验设备的技术水平要求更高，同时成本也更高，所以目前主要用于科研。TSRST试验模块包括和多功能动态试验系统加载装置的连接装置，用于监测收缩变形的位移传感器以及试件表面粘贴的温度传感器，以及试件准备的对中粘贴工具和拉伸盘等。

图41：冻断试验安装效果

冻断试验软件在试验过程中可以实时生成温度，应力和应变随时间变化的曲线。试验结束后，可以在分析菜单中显示温度-应力曲线，自动计算断裂强度和断裂温度。

图42：TSRST试验的典型温度-应力曲线和斜率调整

表4：其他国外低温开裂试验方法和可选模块

备注：国际上用于评价沥青混合料低温性能的方法还有很多，例如：基于BBR弯曲梁流变仪的AASHTO T419试验方法，俄亥俄大学在沥青ABCD试验设备基础上对TSRST进行简化的ACCD试验方法（无规范），EN 12697-46规范中的UTST单轴拉伸应力试验，RT松弛试验，TCT拉伸蠕变试验和UCTST单轴循环拉伸应力试验等，如有这类特殊需求的用户请与我们联系。

层间剪切强度试验

标准：T0772 | EN 12697-48 SBT

剪切试验是以50mm/min的速度进行的破坏性试验，试验速度非常快，因此该试验既可以在具有环境箱的试验机中操作，也可在马歇尔稳定度仪等设备上进行试验。

图43：UTM环境箱中进行的剪切试验

剪切强度试验方法主要依据欧盟标准EN 12697-48的方法编写，我们提供夹具则具有多种形式的选择。既包括标准的EN 12697-48剪切夹具，也可以订制满足美国标准AASHTO T407标准的剪切夹具，或由国内中交一公局用户根据实践经验改进的剪切间隙间距可调的剪切试验夹具。

图44：可调至剪切间隙间距的剪切强度测试夹具

层间拉拔强度试验

标准：T0748 | EN 12697-48 TAT |

奥地利B 3639-2 | 德国FGSV 756/81

拉拔试验与剪切试验原理类似，同样可以通过带有环境箱的试验机中进行试验，或满足要求的马歇尔稳定度仪来进行试验。拉拔试验主要适用于上部结构厚度＜15mm的组合试件，例如目前应用很多的薄层罩面，这种试件是无法用剪切方法测试层间结构黏结强度的。

图45：拉拔夹具在UTM中测试高黏度沥青拉拔强度

与剪切试验相比，拉拔试验需对试件进行钻芯预处理，所以用户需要在实验室内配备实验室取芯机，在150mm直径的试件中间钻出内径100mm的环槽；同时，试件顶部需要和拉拔头用胶黏剂进行粘贴。

图46：拉拔试件效果