CN104089829A - 一种沥青梁抗低温开裂性能的试验方法和试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青梁抗低温开裂性能的试验方法，包括以下步骤：将沥青梁试件降温至试验温度；将沥青梁试件放置在支架上，支架给沥青梁试件提供两点支撑；对沥青梁试件跨中部位持续施加恒定竖向荷载P；记录沥青梁试件屈服时跨中部位的挠度Δ；计算沥青劲度模量S；计算沥青应变速率m；通过沥青劲度模量S和应变速率m综合评价沥青抗低温开裂性能。该试验方法通过测得表征沥青抗低温开裂性能的关键指标，弥补了现有规范对沥青低温性能评价不充分的缺陷。本发明还公开了沥青梁抗低温开裂性能的试验装置，包括试验槽，试验槽内设置用于给沥青梁试件提供两点支撑的支架，试验槽上方设置加载装置。该试验装置能够有效测得表征抗低温开裂性能的关键指标。

Description

一种沥青梁抗低温开裂性能的试验方法和试验装置

技术领域

本发明属于沥青性能试验技术领域，具体涉及一种沥青梁抗低温开裂性能的试验方法和试验装置。

背景技术

我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTGE-20-2011》中针对沥青的抗低温开裂性能评价指标主要为低温延度，并且没有给出沥青在低温区间内的温度敏感性指标，仅通过针入度指数PI来预测沥青的感温性。但是，实际工程经验表明针入度指数PI并不能科学地评价沥青在低温区间的温度敏感性。美国SHRP计划研制出的低温弯曲梁流变仪能够测试沥青的低温性能(即抗低温开裂性能)，为分析沥青在低温区间的性质变化提供了一个有效的方法，其以流变学为基础，能够直接充分地反映温度、时间对于沥青低温流变性质的影响。但是，美国SHRP低温弯曲梁流变仪造价很高，目前并不适合在我国广泛推广使用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种沥青梁抗低温开裂性能的试验方法。该试验方法通过测得表征沥青抗低温开裂性能的关键指标，即劲度模量和应变速率，弥补了现有规范中对沥青低温性能评价不充分的缺陷，丰富了沥青的低温性能评价指标。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种沥青梁抗低温开裂性能的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将沥青梁试件降温至试验温度；

步骤二、将沥青梁试件放置在支架上，所述支架给沥青梁试件提供两点支撑；

步骤三、对沥青梁试件的跨中部位持续施加恒定的竖向荷载P；

步骤四、记录沥青梁试件屈服时跨中部位的挠度Δ；

步骤五、根据公式：计算沥青劲度模量S，单位为MPa，其中，竖向荷载P的单位为N；L为沥青梁试件的跨径，单位为mm；b为沥青梁试件的宽度，单位为mm；h为沥青梁试件的高度，单位为mm；挠度的单位为mm；

步骤六、根据公式：计算沥青应变速率m，其中，t为从开始加载到沥青梁试件屈服所用的时间，单位为s；

步骤七、通过沥青劲度模量S和沥青应变速率m综合评价沥青梁的抗低温开裂性能，沥青劲度模量S值越低说明沥青梁的抗低温开裂性能越好，沥青应变速率m值越高说明沥青梁的抗低温开裂性能越好。

上述的一种沥青梁抗低温开裂性能的试验方法，其特征在于：在进行步骤三之前，将用于对沥青梁试件的跨中部位施加恒定竖向荷载的加载压头与沥青梁试件紧密接触。

本发明还提供了一种沥青梁抗低温开裂性能的试验装置，该试验装置结构简单，能够有效地测得表征抗低温开裂性能的关键指标。

一种沥青梁抗低温开裂性能的试验装置，其特征在于：包括盛装有冷却液的试验槽，所述试验槽内设置有用于给沥青梁试件提供两点支撑的支架，所述试验槽的上方设置有用于向沥青梁试件持续施加恒定竖向荷载的加载装置，所述加载装置上设置有用于与沥青梁试件跨中部位相抵接的加载压头。

上述的试验装置，其特征在于：包括用于对试验槽内的冷却液进行循环制冷的制冷装置，所述制冷装置通过输出管与试验槽相连通，所述试验槽通过回流管与制冷装置相连通。

上述的试验装置，其特征在于：所述制冷装置为冷却液循环机。

上述的试验装置，其特征在于：所述支架包括底板、左支柱和右支柱，所述左支柱竖直设置在底板的左端，所述右支柱竖直设置在底板的右端。

上述的试验装置，其特征在于：所述左支柱的上端面和右支柱的上端面均开设有圆弧槽，所述圆弧槽内放置有用于与沥青梁试件相接触的圆柱体。

上述的试验装置，其特征在于：所述加载压头的下端为用于与沥青梁试件跨中部位相接触的圆弧形。

上述的试验装置，其特征在于：所述加载装置采用沥青针入度仪，所述加载压头安装在沥青针入度仪试针的下端。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明试验装置结构简单，设计新颖合理。

2、本发明试验装置支架左支柱的上端面和右支柱的上端面均开设有圆弧槽，所述圆弧槽内放置有用于与沥青梁试件相接触的圆柱体。这样能够在施加荷载时，沥青梁试件产生弯曲变形时，沥青梁试件与左支柱和右支柱上端的圆柱体产生相对滚动，避免沥青梁试件在弯曲变形时与左支柱和右支柱产生的摩擦阻力，影响沥青梁试件跨中部位的挠度值。

3、本发明试验装置通过对加载压头的特殊设计，确保在加载过程中，始终为三点加载的方式。即加载压头与沥青梁试件为线接触，且所述线接触部位处于加载压头的轴线方向。避免加载压头与沥青梁试件一开始为面接触，随着沥青梁试件的弯曲变形，出现两个线接触，破坏了三点加载的方式。

4、本发明试验方法通过简单有效地测得表征沥青抗低温开裂性能的关键指标，即劲度模量和应变速率，弥补了现有规范中对沥青低温性能评价不充分的缺陷，丰富了沥青的低温性能评价指标。另外，在不同温度下进行沥青抗低温开裂性能试验，试验结果可为在实际工程中选择沥青品种提供有益的参考。

综上所述，本发明试验方法有效，试验装置结构简单，便于实施，且使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明试验装置的结构示意图。

图2为本发明试验装置试验槽和支架的连接关系示意图。

图3为制作本发明所用沥青梁试件的试模的结构示意图。

附图标记说明:

1—制冷装置；   2—沥青针入度仪；  2-1—试针；

3—试验槽；     4—加载压头；      5—沥青梁试件；

6—输出管；     7—回流管；        8—支架；

8-1—底板；     8-2—左支柱；      8-3—右支柱；

8-4—圆柱体；   9—支座；          10—试模；

10-1—T型侧模； 10-2—长方形侧模； 10-3—长方形板。

具体实施方式

如图1和图2所示的一种沥青梁抗低温开裂性能的试验装置，包括盛装有冷却液的试验槽3，所述试验槽3内设置有用于承载沥青梁试件5的支架8，所述支架8与沥青梁试件5形成两点支撑，所述试验槽3的上方设置有用于向沥青梁试件5施加恒定竖向荷载的加载装置，所述加载装置上设置有用于与沥青梁试件5跨中部位相抵接的加载压头4。具体的，所述试验槽3内底壁上设置有支座9，所述支架8安装在支座9上。

该试验装置通过冷却液使沥青梁试件5降至试验温度，采用三点加载的方式使沥青梁试件5产生弯曲进而开始沥青梁抗低温开裂性能试验，其力学原理简单，支架8的加工简单方便，造价低，适于大面积推广使用。本实施例中，所述冷却液采用汽车用防冻冷却液。

如图1所示，该试验装置还包括用于对试验槽3内的冷却液进行循环制冷的制冷装置1，所述制冷装置1通过输出管6与试验槽3相连通，所述试验槽3通过回流管7与制冷装置1相连通。通过设置制冷装置1，能够对冷却液的温度保持恒定，使沥青梁试件5保持在一个恒定的温度。优选的做法是，所述制冷装置1为冷却液循环机。

如图2所示，所述支架8为U形支架，所述U形支架包括底板8-1、左支柱8-2和右支柱8-3，所述左支柱8-2竖直设置在底板8-1的左端，所述右支柱8-3竖直设置在底板8-1的右端。左支柱8-2和右支柱8-3之间的距离为102mm。所述支架8为三点加载的方式提供了结构上的支持。

如图2所示，所述左支柱8-2的上端面和右支柱8-3的上端面均开设有圆弧槽，所述圆弧槽内放置有用于与沥青梁试件5相接触的圆柱体8-4。这样能够在施加荷载时，沥青梁试件5产生弯曲变形时，沥青梁试件5与左支柱8-2和右支柱8-3上端的圆柱体8-4产生相对滚动，避免沥青梁试件5在弯曲变形时与左支柱8-2和右支柱8-3产生的摩擦阻力，影响沥青梁试件5跨中部位的挠度值。并且保证了沥青梁试件5受力均匀。

如图2所示，所述加载压头4的下端为用于与沥青梁试件5跨中部位相接触的圆弧形。通过对加载压头4的特殊设计，确保在加载过程中，始终为三点加载的方式。即加载压头4与沥青梁试件5为线接触，且所述线接触部位处于加载压头4的轴线方向。避免加载压头4与沥青梁试件5一开始为面接触，随着沥青梁试件5的弯曲变形，出现两个线接触，破坏了三点加载的方式。

如图1所示，所述加载装置采用沥青针入度仪2，所述加载压头4安装在沥青针入度仪2试针2-1的下端。加载装置采用针入度仪2，无须专门的加载设备，极大地节约了成本。

由于在低温条件下，沥青的劲度较常温时大，并且沥青会产生一定的收缩应变。若沥青受到约束而不能自由变形时，其内部便会产生温度应力，若温度应力逐渐累积并达到沥青的极限抗拉强度时，沥青就会发生开裂。温度应力可以通过沥青的粘弹流动得到释放，因此，沥青的抗低温开裂能力与沥青在低温下的劲度和应力释放速率有关。在低温下，低的劲度和高的应力释放速率对抗低温开裂是有利的。该试验装置通过测量劲度模量S和应变速率m来反映沥青的劲度和应力释放速率，并以此来评价沥青梁的抗低温开裂性能。

本实施例提供的一种沥青梁抗低温开裂性能的试验方法，结合图1和图2，其包括以下步骤：

步骤一、将沥青梁试件5降温至试验温度；具体的，将沥青梁试件5放入充满冷却液的试验槽3中，在试验温度下恒温60±5分钟以保证沥青梁试件5的温度满足规定的试验温度。

由于沥青梁试件5的厚度越大，在相同的荷载和加载时间下，沥青梁试件5的变形越小。为了保证检测结果的准确性以及方便操作，沥青梁试件5采用长方体试件，尺寸为：长127mm，高6.35mm，宽12.7mm。

实际中，试验温度应取当地路面最低温度以更好地模拟沥青所处的自然环境条件。但是，试验温度越低，沥青小梁试件达到破坏时的弯曲变形值越小，这不仅对数据采集设备的精度要求较高，并且变形值测量不准时将使试验误差加大。基于温度控制的难易程度和准确性，拟定的试验温度为-5℃、-10℃和-15℃。

其中，沥青梁试件5的制作步骤如下：

首先将沥青样品加热至可流动状态(但应保证沥青不发生老化)，从试模10的一端开始，采用横向移动的方式将沥青样品缓缓倒入试模10中并到达试模10的另一端，且应使沥青样品稍稍高出试模10顶端。

如图3所示，所述试模10包括长方形板10-3，所述长方形板10-3上的两端均设置有T型侧模10-1，两个T型侧模10-1之间设置有两个长方形侧模10-2，两个长方形侧模10-2以及两个T型侧模10-1之间构成用于盛装沥青样品的条形空间。

然后待沥青试样在室温下冷却45～60分钟后，用热刮刀将高出试模10顶端的样品刮掉，使得样品表面与试模10齐平。

接下来，将刮平的沥青试样放入-5℃～5℃的冰箱内冷冻5～10分钟后取出，并进行拆模，得到沥青梁试件5。

步骤二、将沥青梁试件5放置在支架8上，所述支架8给沥青梁试件5提供两点支撑；即沥青梁试件5的左端抵接在左支柱8-2上端的圆柱体8-4上，沥青梁试件5的右端抵接在右支柱8-3上端的圆柱体8-4上。

步骤三、对沥青梁试件5的跨中部位持续施加恒定的竖向荷载P；在其他试验条件不变时，施加的荷载越大，梁试件的变形就越大。拟定试验所用标准荷载为100g(即0.98N)。试验过程中保持试验槽3中冷却液在试验温度±0.1℃范围内。

在进行步骤三之前，将用于对沥青梁试件5的跨中部位施加恒定竖向荷载的加载压头4与沥青梁试件5紧密接触。由于沥青梁试件5尺寸较小，且在浇模和拆模过程中容易造成试件尺寸的变化，这使得肉眼难以判断半圆形压头是否和沥青梁试件5表面产生良好的接触。为了消除接触不均匀造成的误差，每次试验前应先进行1s的预压，使加载压头4和沥青梁试件5能够充分接触，然后将荷载装置读数归零，并按照规定的加载条件进行试验。

步骤四、记录沥青梁试件5屈服时跨中部位的挠度Δ；在竖向荷载的持续作用下，沥青梁试件5首先产生弹性变形，最后达到屈服状态，产生裂痕。

步骤五、根据公式：计算沥青劲度模量S，单位为MPa，其中，P为施加的恒定竖向荷载，单位为N，具体为0.98N；L为沥青梁试件的跨径，具体为102mm；b为沥青梁试件的宽度，单位为mm；h为沥青梁试件的高度，单位为mm；Δ为沥青梁试件屈服时的跨中部位的挠度，单位为mm；

步骤六、根据公式：计算沥青应变速率m，其中，t为从开始加载到沥青梁试件屈服所用的时间，单位为s；S为沥青劲度模量。

步骤七、通过沥青劲度模量S和沥青应变速率m综合评价沥青梁的抗低温开裂性能，沥青劲度模量S值越低说明沥青梁的抗低温开裂性能越好，沥青应变速率m值越高说明沥青梁的抗低温开裂性能越好。

该试验设备装置和试验方法简单有效地测得表征沥青抗低温开裂性能的关键指标，即沥青劲度模量和沥青应变速率，弥补了现有规范中对沥青低温性能评价不充分的缺陷，丰富了沥青的低温性能评价指标。另外，在不同温度下进行沥青抗低温开裂性能试验，试验结果可为在实际工程中选择沥青品种提供有益的参考。

以下举例对该试验装置和该试验方法进行详细说明：

利用该试验装置对道路工程中常用的三类六种改性沥青的低温性能进行评价。六种改性沥青分别是：SBS(I-B)改性沥青、SBS(I-A)改性沥青、SBR与SBS复合改性沥青B、SBR与SBS复合改性沥青A，SBR(II-B)改性沥青和SBR(II-A)改性沥青。为了记录方便，六种改性沥青依次取编号1#、2#、3#、4#、5#和6#。六种改性沥青梁的抗低温开裂性能试验结果见表1和表2。

表1不同温度下各沥青劲度模量S(MPa)

表2不同温度下各沥青应变速率m值

从以上试验结果可知：

-5℃时，六种改性沥青的劲度模量S的排序为1#>2#>3#>5#>6#>4#，应变速率m的排序为4#＞2#＞3#＞1#＞6#＞5#。通过这两相指标的综合分析可知，在该温度条件下，标记为4#的SBR与SBS复合改性沥青A的性能最佳，表明两种改性剂性能均得到了好的体现；SBS改性沥青的应变速率较大，这是由于SBS改性沥青具有良好的应力松弛能力；SBR改性沥青的劲度模量较小，这与SBR改性沥青良好的延展性能相关。

-10℃时，劲度模量S的排序为3#＞1#≥4#＞5#＞2#＞6#，应变速率m的排序为2#＞4#＞1#＞3#＞6#＞5#。在该温度条件下，标记为2#的SBS(I-A)改性沥青的劲度模量超过了6#，表明随着的温度降低，SBS改性沥青劲度模量与SBR改性沥青水平相近；在应变速率方面，同针入度下的SBS改性沥青较复合改性沥青性能更优。

-15℃时，劲度模量S的排序为5#＞6#＞3#＞4#＞1#＞2#，应变速率m的排序为2#＞4#＞1#＞3#＞6#＞5#。在该温度条件下，SBS改性沥青的性能优势比较明显，在劲度模量与应变速率两方面性能均为最佳；SBR改性沥青性能最差，这表明随着温度的降低，SBR改性沥青的低温延展性能受到抑制；复合改性沥青性能居中，说明在这一温度条件下，复合改性沥青的低温蠕变性能主要是由于其中的SBS改性剂决定的。

综合分析三类改性沥青在不同温度下的试验结果，可以得出：SBS改性沥青的低温性能随着温度的降低，优势越来越明显；SBR改性沥青在-5℃条件下有较大的蠕变劲度模量，但随着温度的降低，反而低于SBS改性沥青与复合改性沥青；复合改性沥青在-5℃有最好的低温蠕变性能，但随着温度的降低，其整体性能低于SBS改性沥青。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种沥青梁抗低温开裂性能的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将沥青梁试件(5)降温至试验温度；

步骤二、将沥青梁试件(5)放置在支架(8)上，所述支架(8)给沥青梁试件(5)提供两点支撑；

步骤三、对沥青梁试件(5)的跨中部位持续施加恒定的竖向荷载P；

步骤四、记录沥青梁试件(5)屈服时跨中部位的挠度Δ；

步骤五、根据公式：计算沥青劲度模量S，单位为MPa，其中，竖向荷载P的单位为N；L为沥青梁试件的跨径，单位为mm；b为沥青梁试件的宽度，单位为mm；h为沥青梁试件的高度，单位为mm；挠度Δ的单位为mm；

步骤六、根据公式：计算沥青应变速率m，其中，t为从开始加载到沥青梁试件屈服所用的时间，单位为s；

步骤七、通过沥青劲度模量S和沥青应变速率m综合评价沥青梁的抗低温开裂性能，沥青劲度模量S值越低说明沥青梁的抗低温开裂性能越好，沥青应变速率m值越高说明沥青梁的抗低温开裂性能越好。

2.根据权利要求1所述的一种沥青梁抗低温开裂性能的试验方法，其特征在于：在进行步骤三之前，将用于对沥青梁试件(5)的跨中部位施加恒定竖向荷载的加载压头(4)与沥青梁试件(5)紧密接触。

3.一种用于权利要求1所述沥青梁抗低温开裂性能试验方法的试验装置，其特征在于：包括盛装有冷却液的试验槽(3)，所述试验槽(3)内设置有用于给沥青梁试件(5)提供两点支撑的支架(8)，所述试验槽(3)的上方设置有用于向沥青梁试件(5)持续施加恒定竖向荷载的加载装置，所述加载装置上设置有用于与沥青梁试件(5)跨中部位相抵接的加载压头(4)。

4.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：包括用于对试验槽(3)内的冷却液进行循环制冷的制冷装置(1)，所述制冷装置(1)通过输出管(6)与试验槽(3)相连通，所述试验槽(3)通过回流管(7)与制冷装置(1)相连通。

5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于：所述制冷装置(1)为冷却液循环机。

6.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：所述支架(8)包括底板(8-1)、左支柱(8-2)和右支柱(8-3)，所述左支柱(8-2)竖直设置在底板(8-1)的左端，所述右支柱(8-3)竖直设置在底板(8-1)的右端。

7.根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于：所述左支柱(8-2)的上端面和右支柱(8-3)的上端面均开设有圆弧槽，所述圆弧槽内放置有用于与沥青梁试件(5)相接触的圆柱体(8-4)。

8.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：所述加载压头(4)的下端为用于与沥青梁试件(5)跨中部位相接触的圆弧形。

9.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：所述加载装置采用沥青针入度仪(2)，所述加载压头(4)安装在沥青针入度仪(2)试针(2-1)的下端。