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要点回顾:基于AMPT的沥青混合料黏弹性连续介质损伤力学模型及应用高级培训班纪实
发布时间:2023-07-17 浏览次数:16245 来源:欧美大地

2023年7月10-11日,欧美大地仪器设备中国有限公司继参展第13届道路与机场路面技术国际会议(ICPT)后,又与第13届道路与机场路面技术国际会议(13th ICPT)组委会在北京工业大学联合主办了“基于AMPT的沥青混合料黏弹性连续介质损伤力学模型及应用高级培训班”。此次培训班我们有幸在北京工业大学王超教授的帮助下,邀请了美国北卡罗来纳州立大学的Y. Richard Kim教授在2天的时间内,从理论到应用,全面的介绍了基于AMPT的沥青混合料性能评价体系。并邀请长安大学吴永畅老师进行了专业的翻译,让所有学员能够完整、准确的接收Kim教授传授的知识。

此次活动是欧美大地自2019年在广州推广BMD平衡混合料设计与性能评价方法活动后,时隔3年疫情,再次举办的,面向未来的新一代沥青路面技术的学术推广活动。此次会议共有全国各地50名左右学员参加,在2天的培训中,再一次为中国道路工程研究水平的进步撒下了希望的种子。


图1:培训班会后合影


在Kim教授的讲授中,让我们体会最深的是:整套“基于AMPT”的沥青混合料性能评价体系是非常务实的,创建这套体系的目标就是在工程中能够应用。制件尽可能简单,试验时间尽可能短,所需要的设备尽可能少、价格尽可能低,操作尽可能简单,并有基于同一个理论的体系的,从设计,到评价,以及最终工程验收的指标体系。为了达到这种目标,目前已经开发了AMPT沥青混合料性能试验仪的硬件,FlexTM软件套装(包括FlexMATTM指标计算工具,FlexPAVETM分析工具和FlexMIXTM配合比设计工具)以及AASHTO试验方法。



图2:PASSFlexTM系统流程

在整套体系中,AMPT是其中的核心设备。目前,我国已引进AMPT沥青混合料试验仪30套左右,但仍停留在研究领域,试验功能多数只使用了动态模量和流值试验功能。(这是由于早期设备功能,及试验方法不完善所导致的)如今,在完整的体系框架中,AMPT可以更完整的沥青混合料的性能进行评价,完成表1中的工作。


表1:AMPT在性能规范体系中的应用范围



这其中,有几点是值得我们关注的:

循环直接拉伸疲劳试验(或S-VECD试验,即简单黏弹性循环损伤试验)。

目前,我国在评价沥青混合料的疲劳寿命时,首选的试验方法是棱柱体小梁四点弯曲疲劳试验(JTG E20-2011 T0739)。这种基于应变的疲劳性能模型获得一条完整的疲劳曲线应选择3个或以上的试验水平,且疲劳寿命次数宜覆盖几千次到几百万次的范围。由于这种试验方法所需的时间实在太长了,所以在实际的工程中是几乎很少实用的,多数情况下用于比较不同材料的疲劳性能,证明新材料的耐疲劳性能比原有的更好。(一个类似的情况是法国标准的沥青混合料设计方法也由于试验时间太长而推广困难)

注释:

① 基于应变的疲劳性能模型:


k1k2k3是需要通过试验求解的。


相比之下,基于S-VECD模型的循环疲劳试验只需要在3个温度条件下测量混合料的动态模量,选用1个测试温度,1个试验频率以3种应变幅值来进行疲劳试验,整套试验只需6次试验,可以在2天内完成,加上2-3天的试验准备(混合料拌和,成型,钻芯,切割,粘贴等工作)以及1-2个小时的数据处理和分析,所有工作可以在5天内完成,是真正有前途在工程上进行应用的疲劳寿命试验方法。


表2:传统疲劳试验方法与循环直接拉伸疲劳试验的比较


注释:

② 轮碾压实仪需要能够成型长边400mm甚至更长(切割)的车辙板试件,这意味着一般实验室中原有的轮碾压实仪无法满足要求。(国内传统轮碾压实仪专为成型300mm×300mm车辙板设计)

小尺寸试件试验。

以往,我们在开展动态模量和直接拉伸疲劳试验研究时,通常选用的试件尺寸是直径100mm,高度150mm(130mm)的圆柱体试件。但根据代表性体积单元研究的结果,我们在集料最大公称粒径≤19.0mm时,可以选择使用小试件来进行动态模量和直接拉伸疲劳试验。因此,国内各单位可以借鉴,并开展小试件试验的相关研究。


表3:大小试件的试验效率对比


注释:

③ S-VECD试件为进一步提高试件在不同高度上平均空隙率的一致性,要比动态模量试件的高度更小。

④ 能够代表材料性能的试验最小尺寸要求。


应力扫描车辙试验

我们评价沥青混合料的抗车辙性能一般都是使用车辙试验。但车辙试验是一种经验试验方法,与我们发展基于力学模型的试验方法发展思路相悖;同时,在某些情况下,这种经验性的试验方法可能会得到与实际情况相反的试验结果,对工作产生错误的指导。例如:SMA是具有非常好的抗车辙性能的,但在进行国标车辙试验时,车辙深度反而会变大。因此,Kim等人开发了基于力学模型(如图14)的应力扫描车辙(SSR)试验方法,通过改变应力水平和温度来模拟不同层位的变形,并累计得到总的永久变形量。该方法目前已经形成了美国的暂行试验标准AASHTO TP134。



图3:应力扫描车辙试验原理

试验分别在两种试验温度下进行,使用加载-松弛的波形进行循环加载。加载时间为0.4s,变形恢复时间在高温时选用3.6秒,低温时选用1.6秒。围压选用69kPa,轴向偏应力分别选用483kPa,689kPa和896kPa三种,通过记录轴向应变来进行计算分析。


图4:应力扫描车辙试验的加载形式


CONTROLS

关于AMPT沥青混合料性能试验仪

AMPT沥青混合料性能试验仪最早由澳大利亚IPC公司在2002年开始研发,最初的名称为SPT简单性能试验机,在开发完成后,更名为AMPT沥青混合料性能试验仪并沿用至今。意大利CONTROLS集团在2014年收购澳大利亚IPC后,继承了AMPT的产品线并进行了进一步发展,目前形成AMPTPRO(液压)和AMPTQUBE(电动)两种型号。(AMPTQUBE旨在通过更低的价格覆盖更多的用户群体)



图5:AMPT的发展历程

目前,全美已有AMPT近200台,美国FHWA,FAA,北卡,NCAT,TTI等路面研究的权威机构,绝大多数的交通部都是CONTROLS-IPC的AMPT用户。NCHRP,AASHTO等相关课题研究,试验规范,技术标准的编写,以及软件的开发几乎都是以CONTROLS-IPC的AMPT为基础的。AMPT的试验数据可以存储为符合FlexMATTM计算程序要求的格式,直接导入进行计算分析。后续直接与FlexPAVETM设计软件和FlexMIXTM配合比设计软件对接。因此,可以说:选用CONTROLS-IPC的AMPT,可以保证时刻与美国的最新研究成果对接,保持先进的研究水平。


目前两个版本的AMPT主要技术规格如下:

型号

AMPTPRO

AMPTQUBE

图片



动力

液压

电动

加载能力

静态 19kN

动态 17kN

静态 10kN<0.1Hz

动态 15kN≥0.1Hz

控温范围

-10℃~+70℃

+2℃~+60℃

围压大小

0~225kPa

试验方法

AASHTO T378 动态模量和流值

AASHTO T400 S-VECD 简单黏弹性循环损伤疲劳

AASHTO TP132 动态模量(小试件)

AASHTO T411 S-VECD 简单黏弹性循环损伤疲劳(小试件)

AASHTO TP134 SSR应力扫描车辙

AASHTO T393 SCB常温半圆弯曲

AASHTO TP131 IDT间接拉伸动态模量

ASTM WK26816/Tex-248-F Overlay罩面层反射裂缝

AASHTO TP116 iRLPD递增荷载永久变形

产品彩页下载


结语

此次AMPT的技术培训活动得到了所有学员的一致高度认可。我们也非常高兴能够帮助国内用户提高专业水平,充分挖掘设备潜能,促进行业技术标准和地方技术标准的更新。同时,与用户共同举办此类技术推广活动也是我们的兴趣所在,希望有机会与其他用户再次开展类似的技术推广活动。



图6:AMPT技术培训班授课中

注明:

  1. 本文的图片素材来自于Y. Richard Kim教授的授课教材,NCHRP研究报告,AASHTO试验规范,以及CONTROLS-IPC的产品宣传材料。

  2. 如需了解更多技术文件的详细内容,请与欧美大地联系。

  3. 有关AMPT的更多资料,视频,技术规格等材料可以在欧美大地官网进行下载。