CN101281107A - 沥青胶结料测力延度试验方法 - Google Patents

Abstract

沥青胶结料测力延度试验方法是一种沥青胶结料低温性能试验的方法，该方法包括如下步骤：步骤1：取沥青样品，加热至流动状态，沥青浇注于试模侧模(1)与端模(2)之间的间隙中，形成环形沥青试件(3)；步骤2：在空气中冷却，切除沥青试件(3)高于试模的部分；步骤3：把试件放入目标测试温度的水浴内，把试件的侧模(1)取下，将试模两端的孔分别套在滑板(4)及槽端固定板(5)的金属柱上；步骤4：设定测力延度试验的参数，读取测力延度曲线。本发明为沥青低温指标的提出和标准的建立提供测试的合理操作步骤和必要的试验方法。

Description

沥青胶结料测力延度试验方法

技术领域

本发明属于沥青胶结料低温性能的试验技术领域。

背景技术

随着国民经济的持续高速发展，交通量迅速增长，车辆大型化、超载严重、交通渠化等现象，使沥青混凝土路面面临严峻的考验，许多公路沥青路面建成不久就不能适应交通量需要，车辙、开裂、坑槽等早期破坏的情况时有发生，许多路面远在设计使用年限之前，便不得不大规模维修罩面，使得路面的养护费用大大增加。

在沥青路面的各类病害型式中，低温条件下的路面开裂是世界各国普遍关注的路面损坏形式之一。导致路面开裂的因素虽然很多，但作为沥青混合料重要组成部分的沥青胶结料对此有着重要的影响。为此，沥青胶结料低温性能的评价一直以来都是道路工作者研究的热点。

目前，沥青低温评价指标主要有沥青针入度、劲度、针入度指数PI、低温延度、低温粘度、弗拉斯脆点、当量脆点等。但研究表明，对于蜡含量较高的沥青，测量得到的弗拉斯脆点经常出现假象，并不能真实的反映沥青的低温性能，甚至出现了沥青脆点虽低，但冬天开裂情况仍相当严重的情况，因此弗拉斯脆点失去了评价沥青低温抗裂性能的作用。当量脆点T_1.2实质是用针入度指数PPI来反映沥青的性能。由于测试温度区间的不同以及试验误差的影响，均会使PI的计算结果产生较大的变异性，且PI是利用沥青在5℃～30℃范围内的针入度计算得到的，将其外推到低温区并不适合，T_1.2却是建立在线性关系上的。同时对于当量脆点本身来说，假设的沥青在弗拉斯脆点时的针入度为1.2也仅仅是一个概数，因此当量脆点评价沥青低温性能的可靠度较低。延度因其测试方法简单，指标物理意义直观明确等优点，一直为众多的国家所采用，但是，按照延度判断得出的沥青低温性能，在不同温度下常常出现不一致的情形。SHRP试验中的小梁弯曲蠕变试验是一种简便的沥青劲度的直接测量方法，在科研工作中起到了重要作用，但试验仪器价格昂贵，不利于低温劲度指标的大面积推广。总之，现阶段评价沥青低温性能指标都存在不足。

针对常规低温指标的缺点，国外有学者提出采用沥青低温拉伸过程中的应力和功的变化反映其低温抗裂性能，并在沥青延度测试仪的基础上，研发了沥青测力延度仪。考虑到测力延度试验的优势，我国的道路科研机构也进行了相关研究，其中东南大学联合河南省高远公路养护技术有限公司参照国外研究成果和沥青延度的物理意义，于2002年在国内首先研发了沥青测力延度仪，为沥青低温性能的研究奠定了基础。在沥青测力延度仪的使用之初，主要是参照国外的操作方法进行试验，在我国尚未形成标准的试验方法。但是，由于测力延度仪是我国自行研制，在硬件和软件等方面与国外设备不尽相同，采用与国外相同的试验方法显然是不合理的，因此，有必要研究适合我国沥青测力延度仪的测试方法。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种沥青胶结料测力延度试验方法，设定沥青胶结料测力延度测试的合理操作步骤，建立测力延度的试验方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的沥青胶结料测力延度试验方法是：

步骤1：取一定质量沥青样品，加热至流动状态，在100℃～150℃温度下将沥青浇注于试模侧模与端模之间的间隙中，形成环形试件沥青；

步骤2：在空气中冷却，切除试件高于试模的部分；

步骤3：把试件放入目标测试温度的水浴内，把试件的侧模取下，将试模两端的孔分别套在滑板及槽端固定板的金属柱上；

步骤4：设定测力延度试验的参数，开动测试仪，读取测力延度曲线。

所述步骤1的沥青样品分别在100℃～150℃温度中的多个温度点浇注试模。对于改性沥青选用“8”字模，基质沥青选用直线模。

具体的方法为：

1.沥青测力延度曲线的获取

(1)沥青试模的选择

在沥青稠度测试仪研发时，研发人员设计了两种尺寸的试模作为标准模，称为“8”字模和直线模，如图1所示。对多种沥青在5℃分别采用“8”字模和直线模进行测力延度试验，通过试验分析试模类型对测试结果的影响，从而对不同的沥青材料选择合适的试模类型。

(2)沥青浇模温度的确定

选择多种基质沥青和改性沥青样品，在100℃、120℃、135℃、150℃温度下浇注“8”字模，浇注冷却后，于5℃水浴中恒温60分钟，在50mm/min拉伸速度下进行测力延度试验，根据试验结果对浇模温度的敏感性选择基质沥青和改性沥青合理的浇模温度。

(3)试件平行个数的确定

测力延度的结果不应只由一个试件的试验结果确定，应该以一定数量的平行试验综合确定。可根据一组平行试件的试验结果呈现正态分布的规律，运用概率理论，建立一定保证率下平行试件的最少个数。

2.沥青低温评价指标的确定

(1)基质沥青和SBR改性沥青低温评价指标

典型的基质沥青测力延度曲线，如图2所示，其中纵坐标为沥青拉伸过程中的拉力，横坐标为拉伸位移。通过分析测力延度曲线中拉力与位移的变化情况，待选的沥青低温评价指标有：拉力峰值、拉力峰值处的延度、有效拉伸柔量和拉伸柔量，如图3所示。图中，峰值力为F₀，对应延度为D₀，总延度为D，K₀＝F₀/D₀表示达到拉力峰值前拉力随延度的变化率，K₁为峰值力之后拉力随延度的变化率，下降段延长线与横坐标的交点D₁定义为有效延度。W₁为延度为D₁时所对应的功。

通过这四个指标与SHRP试验中小梁弯曲蠕变试验中低温劲度指标的比较分析，选择合适的沥青低温评价指标。

(2)SBS改性沥青低温评价指标

典型的改性沥青测力延度曲线，如图4所示，其中纵坐标为沥青拉伸过程中的拉力，横坐标为拉伸位移。由于改性沥青测力延度曲线与基质沥青测力延度曲线的差异，可能作为改性沥青低温评价指标的有：曲线拐点拉力、柔量、能量比、总延度等，如图5所示。图中，曲线第一个峰值时的拉力为F₀，对应延度为D₀，达到第二个峰值时为F₁，对应延度为D₁，总延度为D。以K₀＝F₀/D₀表示达到拉力峰值前拉力随延度的变化率，以K₁表示第一个峰值力之后拉力随延度的变化率，以K₂作为第二个峰值力之前拉力随延度的变化率，曲线转折点的力为F_Z。W₁为K₁直线和左边曲线所围面积这部分的功，W₂为K₁直线和右边曲线所围面积这部分的功。

通过这四个指标与SHRP试验中小梁弯曲蠕变试验中低温劲度指标的比较分析，选择合适的沥青低温评价指标。

有益效果：本发明是保证测力延度试验能顺利进行和对沥青低温性能评价的重要前提。与沥青常规低温性能试验相比，发明在以下几方面具有明显的优势。

(1)测力延度仪的操作方法相对简单，除了评价指标有别于延度试验外，操作过程与延度试验相类似，易被广大试验人员接受。

(2)通过沥青测力延度试验，可以获取拉伸过程中拉力和位移的变化关系曲线，从而为计算低温评价新指标提供了条件。

(3)试验过程中能在一定的范围内设定拉伸速率，方便分析沥青材料在不同拉伸速率下流动特性。

附图说明

图1为测力延度仪所用试模中的“8”字模的二维示意图，

图2为测力延度仪所用试模中的直线模的二维示意图，

图3是由直线模成型的试样安装固定示意图，

以上的图中包括：试模侧模1、端模2、环形试件沥青3、滑板4、槽端固定板5。

图4为基质沥青或SBR类改性沥青典型的测力延度曲线，拉伸位移S，拉伸荷载F。

图5为基质沥青或SBR类改性沥青低温评价指标物理意义的示意图，拉伸位移S，拉伸荷载F，峰值力为F₀，对应延度为D₀，总延度为D，K₀＝F₀/D₀表示达到拉力峰值前拉力随延度的变化率，K₁为峰值力之后拉力随延度的变化率，下降段延长线与横坐标的交点D₁定义为有效延度。W₁为延度为D₁时所对应的功。

图6为SBS改性沥青低温评价指标物理意义的示意图，拉伸位移S，拉伸荷载F。

图7为SBS类改性沥青低温评价指标物理意义的示意图，拉伸位移S，拉伸荷载F，曲线第一个峰值时的拉力为F₀，对应延度为D₀，达到第二个峰值时为F₁，对应延度为D₁，总延度为D。以K₀＝F₀/D₀表示达到拉力峰值前拉力随延度的变化率，以K₁表示第一个峰值力之后拉力随延度的变化率，以K₂作为第二个峰值力之前拉力随延度的变化率，曲线转折点处的拉力为F_Z。W₁为斜率为K₁的直线和左边曲线所围面积这部分的功，W₂为斜率为K₁的直线和右边曲线所围面积这部分的功。

具体实施方式

1.目的与适用范围

本方法适用于测定道路石油沥青、改性沥青稠度测试以及液体石油沥青蒸馏或者乳化沥青蒸发后残留物的测力延度测试。

基质沥青、改性沥青通常的测试温度范围为0℃～10℃，拉伸速度为50mm/min，试验时应当根据沥青材料的具体使用场合，选择合适的试验温度。测力延度测试所得的拉力、拉伸位移和功的测试值，应当注明所采用的试模类型、试验温度和拉伸速度。

2.仪具与材料

(1)测力延度仪，由下列部分组成：

①传动系统和模具，传感系统控制的拉伸速度为1mm/min～100mm/min，模具包括“8”字模和直线模；

②传感系统，包括测力传感器和位移传感器。测力传感器精度应小于0.1％，位移传感器测试精度小于0.05mm；

③温度控制系统，包括带有阻尼板的水箱和温度传感器，传感器精度小于0.1℃；

④数据采集系统和显示设备。

(2)烘箱：温度范围为300℃，控温准确度为1℃。

(3)标准温度计，分度为0.1℃。

(4)平直刮刀。

(5)甘油滑石粉隔离剂(甘油与滑石粉的比例为质量比2∶1)。

3.方法与步骤

(1)准备工作

①试模的选择。改性沥青选用“8”字模，基质沥青选用直线模。制备隔离剂，以甘油∶滑石粉＝2∶1配置，充分搅动其混合物，直至均匀为止。

②在一水平玻璃板或不锈钢板表面涂抹一薄层隔离剂，把试模水平放置于玻璃板或不锈钢板表面上，并在试模的两侧模内侧均匀涂抹薄层隔离剂。

③沥青试样的加热。取一定质量的沥青，加热至较好的流动状态，并充分搅动沥青试样，彻底排除水分和空气，保证试样的均匀。

④沥青试样的浇注。把加热后的沥青试样立即注入试模内，应只从一点倒入沥青，避免空气进入，直至注满环形间隙、上表形成一个凸面为止。将未用完的沥青放入烘箱内保持恒温。

⑤把样品模放入空气中冷却30min，观察环形间隙内沥青形状，当上表形成凹面，且凹面底部低于模上表面时，从烘箱内取出未用完的沥青试样，注入凹面内至注满、上表面为凸面为止。

⑥把制作完成的样品模在23℃±3℃的空气中冷却至少2h。

⑦取出冷却后的样品模，用刮刀刮除样品模上多余的沥青，确保沥青试样的高度与试模高度一致。刮刀可以适当的加热，但温度不宜过高。

⑧向测力延度仪水箱内加入质量m₀的水(饮用水)，加入m₁＝0.3m₀的食盐，形成密度为1.03g/cm³的混合物水浴。

(2)试验步骤

①把在室温中冷却的样品模直接放入测力延度仪测试温度的水浴中恒温，恒温时间宜长于60min。

②达到恒温时间后，将盛有试样的试模自玻璃板或不锈钢板上取下，将试模两端的孔分别套在滑板及槽端固定板的金属柱上，并取下侧模。水面距试件表面不应小于25mm。

③开动延度仪，并注意观察试样的延伸情况。此时，应注意在试验过程中，水温应始终保持在试验温度规定范围内，且仪器不得出现振动。试验时关闭水循环，使水面不出现晃动。

④在试件的拉伸过程中，密切观察各个试样的拉伸状态，当某个试件拉断时，立即摁下记录该试件拉伸位移的按钮，直至所有试件拉断为止。

⑤拉伸结束后，记录各试件延度、最大拉力和功，并保存测力延度曲线。

⑥分析沥青测力延度的曲线，以有效拉伸柔量作为基质沥青和SBR改性沥青的低温指标，以能量比、柔量作为SBS改性沥青低温性能的评价指标。

(3)计算

沥青的有效拉伸柔量f_e按式(1)计算。

$f_e=\frac{D_1}{F_0}---\left(1\right)$

式中：D₁——有效延度，曲线出现峰值后下降段延长线与横坐标交点处的延度值；

F₀——沥青拉伸过程中的最大拉力。

改性沥青拉伸过程中的能量比n按式(2)计算。

$n=\frac{W_2}{W_1}---\left(2\right)$

式中：W₁——斜率为K₁的直线和左边曲线所围面积这部分的功；

W₂——斜率为K₁的直线和右边曲线所围面积这部分的功。

改性沥青拉伸过程中的柔量f按式(3)计算。

$f=\frac{D}{F_Z}---\left(3\right)$

式中：D——沥青延度；

F_Z——沥青测力延度曲线的拐点力。

4.报告

同一试样平行试件为3个，若延度的最大值或最小值与平均值之差满足重复性试验精密度要求，则以低温评价指标计算值的均值作为试验结果，否则，重新进行试验。对于测试结果，应注明试验条件，包括试验温度、拉伸速度、试模类型等。

Claims (3)

1、一种沥青胶结料测力延度试验方法，其特征在于该试验方法包括如下步骤：

步骤1：取一定质量沥青样品，加热至流动状态，在100℃～150℃温度下将沥青浇注于试模侧模(1)与端模(2)之间的间隙中，形成环形试件沥青(3)；

步骤2：在空气中冷却，切除试件(3)高于试模的部分；

步骤3：把试件放入目标测试温度的水浴内，把试件的侧模(1)取下，将试模两端的孔分别套在滑板(4)及槽端固定板(5)的金属柱上；

步骤4：设定测力延度试验的参数，开动测试仪，读取测力延度曲线。

2、如权利要求1所述的沥青胶结料测力延度试验方法，其特征在于，所述步骤1的沥青样品分别在100℃～150℃温度中的多个温度点浇注试模。

3、如权利要求1所述的沥青胶结料测力延度试验方法，其特征在于，所述步骤1中对于改性沥青选用“8”字模，基质沥青选用直线模。

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