网络出版时间：2014-07-11 15:09第34卷 第3期http://www.cnki.net/kcms/detail/43.1363.U.20140711.1509.008.html网络出版地址：
中 外 公 路
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() 文章编号:1671-2579201403-0221-06
声发射监控沥青混凝土的疲劳损伤及愈合
()东南大学交通学院,江苏南京 210096
和强度恢复特性。公称最大粒径为19mm的沥青混凝土在20℃下进行一系列的单轴拉伸循环试验,分有休息期和无休息期两种情况。在疲劳试验中,包括发射计数在内的AE关键参数由连接到高1直径750mm、5mm的圆筒试样中间的两个压电式传感器获取。试验结果)累计A表明:而且可量化休息1E能量和AE计数不仅可用于评价疲劳损伤的形成和扩展,)分析频率-振幅可知,期对沥青混凝土性能的有益性;裂缝形成与高频率时A2E振幅峰值有很高的相关性,而休息期的愈合情况最好用低频率时AE振幅峰值来表述;3)Kaiser效应不适用于沥青混凝土的疲劳问题。
关键词:疲劳;愈合;Kaiser效应;声发射;沥青,摘要:该文提出用声发射(简称A来描述沥青混凝土中损伤积累AcousticEmissionE)
王昊鹏,杨军 编译
,简称A技术作为 声发射(AcousticEmissionE)一种发展迅速的无损评价(工具,可用于探测由NDE)材料微损伤和塑性变形引起的声音。与其他无损评价方法相比,例AE具有两个方面独特的功能:1)能量(如,声发射能量)是从测试对象内部释放而不是由无损)A评价方法提供;2E法能够检测材料组成重排或结构退化的动态过程。因此,已经存在于物质中的缺陷或裂纹不能通过声发射方法检测。被广泛应用于许多材料和结构的状态评估和损伤检测,特别是对水泥混凝土和混凝土桥梁进行了大量的AE分析。然而,AE技术在表征沥青混凝土特性方面却尝试甚少。虽然沥青混凝土和水泥混凝土都是非均质的,并且都用集料作为主要材料成分,但由于沥青胶结料的粘弹特性,沥青混凝土的行为与水泥混凝土很不一样。Chang最近的一项研究采用声发射监控沥青混凝土的微损伤过程以及刚度变化。准备4个圆柱试,样(高4c直径4c在径向施加单轴压缩载荷(单m,m)。A次或循环荷载)E传感器放置在试样的两个底面上。其中一个发现是,AE可有效用于评价沥青混凝土的完整性,但在其研究中没有涉及休息时间对AE信号的影响。
众所周知,只有当应力水平超过之前材料受到的最大应力水平,才可以探测到声发射信号。这一现象也就是K意味着Aaiser效应,E活动与材料的应力历
收稿日期:2013-12-17
史密切相关。Kaiser效应广泛用于测定各个领域中结一些材料不具有K沥青aiser效应。Chang同时发现,混凝土试件在多次循环加载时,在每个周期中,AE只在此之前,累计AE能量没有本质的增加。
该文应用AE技术研究了沥青混凝土材料的损伤
构构件的原位应力水平。然而最近的试验研究表明,
有当应变达到以前加载周期中的最大应变时才产生。
自JosehKaiser的开创性工作以来,AE技术已p
和愈合特性。首先,对最大公称粒径为19mm的沥青混合料进行一系列有不同休息时间的单轴拉伸循环试验。在测试过程中,通过两个连接在试样上的传感器获取A通过对累计AE信号。然后,E能量的计算确
定沥青混凝土的疲劳和愈合特性。垂直应变的变化和同时对A可以AE计数相关,E频率-振幅进行分析,
进一步描述沥青混凝土的裂纹形成和愈合情况。其次,它可以判断Kaiser效应是否适用于沥青混凝土的损伤累计过程。最后,进行无休息期的循环测试直到试件损坏。
1 研究背景
1.1 沥青混凝土的损伤特性
沥青混凝土疲劳损伤通常开始于微裂纹(如微损,伤)后来不断致密、合并成细观和宏观裂缝。随着宏观裂缝的进一步发展,沥青路面的结构加速退化直至完全破坏。最近,来描Seo采用数字图像相关法(DIC)
);)基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:教育部博士点基金项目(编号:5107808920120092110053
中 外 公 路 第3 4卷 222述沥青混凝土中微损伤的形成。作为一种计算机视觉技术,提供了一DIC是一种非接触式的全域测量工具,系列的应变和位移轮廓图像。有了这个功能,DIC可以测量高度定位损坏区域中的应变情况,此损坏区域,称为裂纹尖端的断裂过程区(如图1所示。FPZ) 做试验,沥青混凝土在高温下(高于1的疲劳损伤5℃)是由触变效应主导的,即沥青粘结剂从溶胶变化到凝胶结构。因此,在高温下的愈合是沥青粘合剂从溶胶结构变化到凝胶结构的过程。在较低的温度(低于5下,沥青混凝土的结构损伤主要与疲劳断裂有关,℃)
休息时间不能使结构损伤完全恢复。
2 试验过程与材料2.1 材料和试样的制备该文选择S制备公称uerave混合料设计方法,pp最大粒径为19mm的试件。这种材料通常用于沥青路面的中面层。集料来源于美国北卡罗来纳州的
图1 在50mm×100mm中心区域上方的
系列力学试验,结果表明,不管加载频率和温度如何,图1中垂直宽度)均在4~5mm的范围内。FPZ尺寸(
在某种程度上受HMAFPZ的形成是一个随机现象,的集料骨架和最大公称粒径影响。由于LVDT传感器的接触特性,因此很难用传统的LVDT传感器测定FPZ应变。这使得LVDT应变不适用于表征沥青混凝土从FPZ开始产生的宏观裂纹的损伤特征。对公称最大粒径12.5mm的沥青混凝土进行一试件高7直径1FPZs的DIC图像(5mm,50mm)
混合料的目标集料Martin-MariettaGarner采石场,
级配列于表1。PG64-22沥青胶结料与0.5%的抗在1145℃。压实之前,35℃下进行4h的短期老化。
表1 19mmSuerave混合料的目标集料级配pp
通过百分率/%100998978432822
筛孔尺寸/0.60.3mm
筛孔尺寸/mm2519
通过百分率/%1610-85-
剥离剂共同使用。拌和与压实温度分别为158℃和
12.54.752.361.189.5
0.430.180.0750.15
1.2 愈合
尽管沥青混凝土路面的愈合机理仍不清楚,但在加载周期中引入休息时间能够延长沥青混凝土的疲劳寿命,已经在试验室的试验中得到证明。Castro进行了有、无休息时间的弯曲梁疲劳试验,结果表明:每加载0.可以使沥青1s休息1s时间与无休息时间相比,混凝土试样的疲劳寿命提高到原来10倍。
加载历史和胶结料的性能是影响沥青混凝土愈合的主要因素。Kim用力学方法对沥青混凝土的愈合潜力进行了认证。对有预置缺口的梁试件进行不同休息时间的循环加载试验发现:在休息期,沥青混凝土通过愈合和松弛提高了疲劳寿命。进一步,SEM图像分法国研究人员报道,由软沥青组成的沥青混凝土强度恢复性好,软沥青含量越高,休息时间对沥青混凝土强度恢复的影响越大。在沥青混合料中添加消石灰也可以提高其愈合潜力。
温度对愈合现象也有重要影响。如果在休息期间提高试验温度,模量会大大恢复。根据Verstraeten所析显示,沥青粘合剂的粘度对愈合程度有很大影响。
直径175mm,50mm的圆柱体试样。各个沥青混凝
土试件的空隙率使用自动真空密封法测定。试验中空2.2 声发射系统和数据采集
采用物理声学公司(制造的双频道MPAC)IS-/获取沥青混TRAS2001AEDSP-3216声发射系统,凝土试件中的AE。每个AE频道配置了一个信号放大器和预装在AEDSP板上的频率过滤器。AE传感器由压电材料制成,将敏感的表面位移通过频率过滤器转换为电器信号。在测试中每个声信号分配45dB。加载和的阈值。最大的数据采集速率设置为10Hz压实位移使用1相同的信6位的编程数据采集板记录,隙率控制在4%~5%之间。
过1制备8个高75mm旋转插头切割和取芯150mm,
,使用S澳大利亚)通uerave旋转压实仪(IPC,pp
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王昊鹏,等:声发射监控沥青混凝土的疲劳损伤及愈合
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号分配在声发射系统中,使荷载信息与AE参数同步。获得的关键A上升时间、持续时E参数包括到达时间、间、最大振幅和计数。数据文件通过ATASC功能提取,将AE特征转换为易于阅读的纯文本文件。服闭环加载试验机(进行单轴循环加载。UTM-25)温箱可以包围整个加载机器,以维持试件在目标温度)℃。下进行试验。目标温度为(20±0.5
试验11.331.561.782.002.222.452.672.893.113.343.563.784.004.234.455.346.237.12
试验2
为使沥青混凝土产生不同的疲劳损伤和愈合行为,进行如表2所示的4个单轴拉伸循环试验。对于以尽量减少任何的突然破坏。试验4使用恒0.3kN,
定的3加载期间的休息时间上升到.11kN荷载水平,的频率进行20个连续的半正矢荷载。每个试验有一(下至少保温3h。20℃)
试验3
试验1、荷载水平从1增量小于2和3,.33kN开始,第6组时下降。对于所有的试验,每个荷载组以1Hz组平行试件,在试验开始前所有试件在目标温度条件2.3 试验装置和试验程序
所有的试验室试验都是采用25kN加载液压伺
表2 用AE描述沥青混凝土破坏和愈合机理的试验室测试程序荷载/kN
试验4荷载/kN1.331.561.782.002.222.452.672.893.113.343.563.784.004.234.455.346.237.128.018.9010.689.79
休息时间/s
10101010101010101010101010101010101010101010
荷载/kN1.331.561.782.002.222.452.672.893.113.343.563.784.004.234.455.346.237.128.018.9010.689.79
休息时间/s10121417212530364352627410712815418522226631938346089
荷载/kN3.113.113.113.113.113.113.113.113.113.113.113.113.11
休息时间/s
1020401603206403201608040201080
3 结果与讨论
3.1 AE计数和AE耗散能获取所有超过阈值的AE活动进行分析。如图2所示,整个试样A和应力随着试件E数量(AE计数)
接近破坏而变大。最终的断裂主要是由于宏观裂纹产生并且在试件中部扩展引起的。在试验1中,第一个,宏观裂纹大约出现在1对应A30sE事件的峰值。在试验2中,保持恒定的休息时间,累计AE耗散能随加载时间变化的关系如图3所示。此处AE能量定义
为,并乘以一个常数取整AE振幅和持续时间的乘积,
中 外 公 路 第3 4卷 224后得到的一个数值。垂直应变从两个L平VDT获得,均值代表沥青混凝土试件内部疲劳损伤的发展。进行约4累计A20s的加载后,E能量由于宏观裂纹的形成急剧增加。垂直应变的非线性增加也证实了由于宏观裂缝造成的宏观破坏。因此,累计AE能量可以作为预测沥青混凝土疲劳寿命的合理手段。 806040200400 4000累计声发射能量/kJ3000200010000有恒定休息时间无休息时间05001000有增加的休息时间声发射计数声发射计数—应力微裂缝形成120015002000应力/kPa800时间/s（a）累计AE能量 10000累计声发射计数有恒定休息时间无休息时间00204060801001201401605000有增加的休息时间时间/s)图2 无休息期的疲劳测试A试验1E结果(00500100015002000 2.0E-021.5E-02垂直应变1000累计声发射能量/kJLVDT100mm1500累计声发射能量宏观裂缝形成5000时间/s（b）AE计数)图4 休息期对于疲劳破坏愈合的影响(试验1,2,31.0E-025.0E-030.0E+00 20000100200300400500600累计声发射能量/kJ时间/s3.2 沥青混凝土的疲劳损伤累积和愈合图4比较了试验1、2和3中累计AE能量和AE计数的行为。它清楚地表明,休息时间对疲劳寿命有明显的增益效果。试验1中无休息时间,试件疲劳寿命最短,因此发射在AE能量的早期水平就已停止。随着休息时间的增加,导致A的耗E能量(AE计数)散也变得很慢,意味着有较长的疲劳寿命。相对于无休息时间的试验,恒定的休息时间提高了沥青混凝土的抗疲劳损伤能力。试验4中,第一个重复试件的垂所示。发现应力和AE活动之间的时间延迟可以忽略,AE能量在加载周期很快耗散。随休息时间的增加,在休息期间的AE比在加载期间的频率更高。这就证明了用AE方法评估和量化愈合现象以及由于开裂和塑性变形造成的损伤行为的可行性。
试验4中,第二次重复试验的结果如图6所示,增直应力与相应的累计AE能量随时间变化过程如图5
)图3 累计A试验2E能量和垂直应变与时间关系(100050000100200300400声发射能量垂直应力时间/s5006001.0E+030.0E+00图5 AE信号随休息时间增加而增加(试验4第一次重复试验的部分结果)
对试验4中试件应用恒定荷载水平(2和3相比,3.11似乎太高了。值得注意的是,从应变测量得知,如kN)
),果休息时间足够长(约6在相对较高的温度(40s20。第三荷载下,试件可以完全恢复强度(例如愈合)℃)组后,由此可知在愈合的过AE计数的斜率变得缓和,程中更长的休息时间能延缓损坏进程。在最长的休息期后,这与开始的AAE计数突然急剧增加,E计数行为很类似。
为了进一步表征这种复杂的断裂愈合机制,进行振幅-频率分析。下文中记为AE信号的最大振幅(
在相对较高的荷载水平下,由AE计数迅速增加表明:
于早期裂纹导致损伤的快速累积。事实上,与试验1、
加和减少休息时间与恒加载周期有关。在试验开始时
单轴应力/kPa1500 2014年第3期
0.0040.003
王昊鹏,等:声发射监控沥青混凝土的疲劳损伤及愈合
3008060 该文提出一个新的参数即在随后的循环中发射开纹在60~130s之间进一步致密并合并成宏观裂纹。100200 80时间/s（b）测试2300400500600信号频率/dB4020001002003004000.0060.0040.0025006000时间/s（c）测试4图7 高低振幅频率的比较若P则Kercentae≤100%,aiser效应对沥青混g凝土无效。为此,进行一个无休息期的简单恒载循环试验。试验结果表明,在加载水平达到之前最大载荷如图8所示。然而,没有80%~90%时AE就开始了, 完善的模型来证明这个百分比是否随着周期数的变化增加或降低。与应力相比,同一AE在达到以前最大应变93%~106%时开始。应变模式比应力有更好的表现,且局限在一个相对狭窄的区域。 占历史最大应力/应变的百分比/% 130 1007040 始时应力占历史最大应力的百分比,来量化对Kaiser Ssubsequent()Percentae=×100%1gSm,reviousp式中:Sm,Ssrevious为历史最大应力水平;ubseuent为在随pq后循环中声发射出现时的应力。 峰值应力峰值应变 0 5 10 15 周期数 图8 在随后周期中有AE时应力/应变占历史 最大应力/应变水平百分比 垂直应变6060 andAirVoidVariationinAshaltConcreteSecimenspp:TransortationResearchRecordJournaloftheTrans-pStudorDirectTensionTestBasedonMechanicalTestsyfComactedbueraveGratoromactor[J].pySppyyCp 4 结论 基于该文研究中的A得出以下结论:E分析,1) 事实证明休息期存在愈合行为,即随着在加载期间的休息期增加,疲劳寿命变长,累计AE能量降低;2)试ser效应不适用于沥青混凝土;4)大多数AE信号的振幅-频率分析结果为,低Ama5~59dB范围变x在4化。此外,频率高于60dB时的Amax峰值可作为裂纹)与无休息期的试验相比,形成的指标;有休息期的5试验产生更多的A是休息期间材料内部复杂E信号,的迁移和内摩擦现象的证据。 该文是一个试验性研究的成果,可以进一步推广声发射技术,并应用于表征沥青混凝土路面性能。合理建立声发射活动与沥青混凝土路面损害(例如裂缝和永久变形)之间的关系,将使声发射技术在原位路面/测试中更实用,比如Q这一切都需要对CQA。当然,试验中各方面的声发射现象和数据分析进行深刻理解和验证。在以后的研究中,需要进行更多的重复试验(。例如,沥青含量、空隙率和温度)参考文献: []1 BonnaureF,HuibersA,BoondersA.EtudeenLabora-toiredeL'influencedesTemsdeReossurLesppREVGENROUTESAERODR,1983:595. ]CaractéRistiuesdeFatiuedesEnrobésbitumineux[J.qg []5 ChehabGR,SeoY,KimYR.ViscoelastolasticDam-p ]siniitalImaeCorrelation[J.InternationalJournalgDgg[],M6 ColomboISainIG,FordeMC.AssessinamaegDg ”AofReinforcedConcreteBeamUsinb-valuenalsisg“y]ofAcousticEmissionsinals[J.JournalofMaterialsing,():CivilEnineerin2003,153280-286.gg,():ofGeomechanics2007,72111-118. aeCharacterizationofAshalt-AreateMixturesU-gpggg ,():ortationResearchBoard2000,17231125-132.p 验表明累计A可以作为判断沥青E能量和AE计数,混凝土疲劳损伤和愈合行为的可行AE参数;3)Kai- []7 FranckenL,ClauwaertC.CharacterizationandStructur-alAssessmentofBoundMaterialsforFlexibleRoad[StructuresC].Proceedins6thInternationalConferenceg,bor1987:130-144. ,ontheStructuralDesinofAshaltPavementsAnnAr-gp[]8 TensiHM.TheKaiser-EffectandItsScientificBack-[]9 KimYR,LittleDN.One-DimensionalConstitutive []ModelinfAshaltconcreteJ.JournalofEnineeringopgg,():Mechanics1990,1164751-772. [],roundJ.Acoustic.Emission2004,22:S1-S16.g[]10 KimYR,LittleDN,BurhardtRC.SEManalsisongy 来实现这些目标。此外,在试验中应考虑更多的变量,:JournalofMaterialsinCivilEnineerin1991,3(2)gg[:11] AcousticEmissionCurrentPracticeandFuturedirec-[]12 SchechinerB,VoelT.AcousticEmissionforMonito-gg rinamaeAccumulationinReinforcedConcretegDg,,onAcousticEmissionTestinBerlin2004:101-109.g[,StructuresC].Proceedins26thEuroeanConferencegp[,tionsM].AstmInternational1991.140-153. ]FractureandHealinfSand-AshaltMixtures[J.gop []2 CastroM,SánchezJA.FatiueandHealinfAshaltggop ,:JournalofTransortationEnineerin2006,132(2)168pgg-174. []13 SeoY,KimYR,Schaeretal.AStudfpyRA,yo Crack-TieformationandCrackGrowthinAshaltpDp]ConcreteUsinractureMechanics[J.JournalofthegF697~730. ,AssociationofAshaltPavinechnoloists2004,73:pgTg :]MixturesDiscriminateAnalsisofFatiueCurves[J.yg []3 ChanlicationofAcousticEmissiontoStudgWV.Appy 1994. ,theCohesiveandAdhesiveStrenthofAshalt[R]gp [],14 DiBenedettoH,NuenQT,SauzéatC.Nonlinearitgyy []ofAshaltMixturesJ.RoadMaterialsandPavementp,():Desin2011,121129-158.g ,HeatinFatiueandThixotrourinclicLoadinggpyDgCyg []4 ChehabGR,O′QuinnE,KimYR.SecimenGeometrpy 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容