CN105136557A - 沥青动态剪切参数测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

沥青动态剪切参数测试装置及其测试方法，属于沥青性能测试用夹具领域。现有流变仪存在未考虑集料接触条件下的沥青胶结料服役过程中，全温度、全频率范围内对动态流变特性的影响的问题。沥青动态剪切参数测试装置，由下至上同轴心设置夹具基座(1)、内部安装A平行板基座(4)的可拆卸夹具(3)、B平行板基座(5)、内部安装B平行板基座(5)的夹具加载体(6)。沥青动态剪切参数测试装置的试验方法，将A平行板基座(4)、B平行板基座(5)分别安装在可拆卸夹具(3)和夹具加载体(6)内；启动DHR-II流变仪，在圆柱形A基柱(11)上涂刷环氧树脂层，将圆柱形集料(17)固定在环氧树脂层上，圆柱形集料(17)与圆柱形A基柱(11)同轴心后进行试验操作。本发明能在有集料接触条件下，准确对比分析温度频率因素对沥青胶结料动态粘弹参数的影响规律。

Description

沥青动态剪切参数测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种沥青动态剪切参数测试装置及其测试方法。

背景技术

沥青混合料是由具有复杂形状及表面特性的集料、复杂流变行为的沥青以及随机分布的空隙所组成的复合材料；其为温度时间依赖型材料，因加载速率及温度的不同，表现出典型的粘-弹-塑性特性。沥青路面由于其跨越地域范围广泛，沿线气候、地质水文条件变化复杂，且面层暴露于自然环境中，直接受车辆荷载与大气因素的影响。沥青路面的全年服役温度高低温波动幅度通常为60～70℃，局部地区可能达到80℃；而且随着社会经济的不断发展，公路运输车载特点向重载交通转换。由于沥青路面所处的自然与交通环境十分严苛，材料与结构设计往往无法满足外界作用日趋复杂的要求，大量沥青路面出现了拥抱、松散、坑槽、车辙等病害。

为了改进沥青道路的使用性能和耐久性，并提高道路的安全性，美国公路战略研究计划(SHRP)于1987年成立，研究者历时五年建立了一个全新的、内容广泛的沥青混合料设计和分析体系，称为高性能路面(SuperiorPerformingAsphaltPavement，简称Superpave)。该体系针对沥青胶结料常出现的车辙与疲劳损伤，采用动态剪切流变试验仪实现不同温度、不同频率条件下沥青动态参数的测试，提出车辙因子与疲劳因子作为其性能评价指标。Superpave设计体系现今被广泛用于沥青混合料材料设计中，并取得了大量实际工程应用实例。

虽然Superpave体系中沥青胶结料的动态剪切流变试验方法综合考虑了温度与加载频率的影响，但是由于流变仪所采用的加载夹具为金属平行板，其与沥青薄膜的粘接无法表征沥青混合料中集料与沥青界面间交互作用。集料-沥青界面区是沥青混合料材料组成结构中的薄弱区域，集料种类、集料表面粗糙度、沥青薄膜厚度等因素会影响混合料强度与稳定性。金属加载平行板的缺陷无法弥补。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有流变仪存在未考虑集料接触条件下的沥青胶结料服役过程中，全温度、全频率范围内对动态流变特性的影响的问题，而提出一种沥青动态剪切参数测试装置及其测试方法。

一种沥青动态剪切参数测试装置，其组成包括：夹具基座，所述夹具基座顶部通过螺栓连接可拆卸夹具，可拆卸夹具内部安装A平行板基座，A平行板基座的顶部相对应设置B平行板基座，B平行板基座安装于夹具加载体内部；夹具基座、可拆卸夹具、A平行板基座、B平行板基座以及夹具加载体同轴心设置；其中：

夹具基座包括矩形夹具基底座，矩形夹具基底座上表面连接夹具基柱，夹具基柱上表面连接夹片，夹片具有四个贯通的螺纹孔，矩形夹具基底座、夹具基柱与夹片为一体式结构；

A平行板基座包括矩形基座块，矩形基座块上表面固定连接A基柱；

可拆卸夹具包括两块挡板和一块垫片，每块挡板都具有螺栓孔，相对应的螺栓孔之间插装螺栓，将挡板和一块垫片固定连接形成槽；

B平行板基座包括矩形基座块，矩形基座块上表面固定连接B基柱；

夹具加载体包括两块加载挡板和一块加载垫片，每块加载挡板都具有螺栓孔，每块加载挡板都与加载垫片垂直，且相交于加载挡板和加载垫片的边缘，并形成直角槽。

一种沥青动态剪切参数测试装置的试验方法，所述试验方法通过以下步骤实现：

步骤一、将沥青加热至流动状态，浇注至硅胶模具制成直径分别为8mm和25mm的沥青薄膜；

步骤二、将金属材料制作的A平行板基座安装在挡板和垫片形成的直角槽内，将属材料制作的B平行板基座安装在加载挡板和加载垫片形成的直角槽内；

步骤三、启动DHR-II流变仪，将矩形夹具基底座通过磁力固定于流变仪底端，将圆柱形加载块通过螺丝固定在DHR-II流变仪加载顶端，之后在A平行板基座顶部的圆柱形A基柱上涂刷一层环氧树脂，然后将预先制取的圆柱形集料固定在环氧树脂上，并在归零模式下调整位置以确保圆柱形集料与圆柱形A基柱同轴心；环氧树脂层初步硬化一个小时后，将A平行板基座连同已固定的圆柱形集料取下，水平放置二十四个小时直至环氧树脂片完全固化；

步骤四、采用与步骤三的做法使圆柱形集料在B基柱表面固化；

步骤五、根据试验规范及试验温度的测试范围要求，选择直径为8mm或直径为25mm的圆柱形集料，连同步骤三和步骤四完全固定为一体的A平行板基座、B平行板基座分别安装到夹具基座以及夹具加载体上，并完成A平行板基座、B平行板基座的归零、惯性矩校正的一系列操作；

步骤六、使用手持加热设备将上下两端的圆柱形集料表面加热到165±5℃，之后将步骤一预先浇制的沥青薄膜添加至预热后的下端圆柱形集料上，并将上端圆柱形集料移动到试验规范规定位置，刮膜后下降至最终高度；

步骤七、关闭DHR-II流变仪环境箱，达到目标温度后维持二十分钟，之后进行频率扫描、松弛、蠕变、疲劳的一系列试验操作；

步骤八、通过对比DHR-II流变仪采集并计算得到的模量曲线、松弛曲线、疲劳曲线、蠕变曲线，评价不同集料类型、不同加载板尺寸、不同沥青膜厚度、不同温度、不同频率对沥青粘弹特性的影响规律。

本发明的有益效果为：

本发明考虑集料接触条件下的沥青胶结料服役过程中全温度、全频率范围内测试动态流变特性的流变仪夹具，集料加载平行板的夹具能弥补金属加载平行板的缺陷，本发明的集料加载平行板通过金属材料的A平行板基座安装到DHR-II流变仪矩形夹具中，并基于机械加工的精确控制，保证所发明的改进试验装置同心同轴，从而提高试验测试及数据采集的精确度。通过更换集料类型、集料表面微观形貌测试及改变沥青薄膜厚度，对比分析以上因素对沥青胶结料动态粘弹参数的影响规律。

本发明利用两种型号的A平行板基座配装大、小不同体积的圆柱形集料，满足了沥青路面服役温度范围波动的要求，实现了不同加载频率、不同集料类型、不同沥青薄膜厚度、不同加载方式条件下沥青的流变试验。因此，本装置合理的模拟了沥青混合料中集料-沥青-集料夹层的接触状态，从而弥补了传统金属加载平行板的不足。

基于沥青动态剪切参数测试装置所进行的测试方法，通过频率扫描、高温蠕变、中温疲劳、低温松弛等一系列试验结果对照分析，获得集料种类、沥青膜厚度及加载条件对沥青流变特性的影响规律。为沥青混合料设计过程中沥青与集料种类的选择提供了合理的评价方法。

附图说明

图1为本发明的剖面结构示意图；

图2为本发明加装圆柱形集料以及沥青薄膜后的结构示意图；

图3为本发明涉及的夹具基座的结构示意图；

图4是本发明涉及的A平行板基座的结构示意图；

图5是本发明涉及的夹具加载体的结构示意图；

图6是本发明涉及的不同圆柱形集料加载作用条件下的模量主曲线图；

图7是本发明涉及的不同圆柱形集料加载作用条件下的的低温松弛曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的沥青动态剪切参数测试装置，结合图1-图5所示，其组成包括：夹具基座1，所述夹具基座1顶部通过螺栓2连接可拆卸夹具3，可拆卸夹具3内部安装A平行板基座4，A平行板基座4的顶部相对应设置B平行板基座5，B平行板基座5安装于夹具加载体6内部；夹具基座1、可拆卸夹具3、A平行板基座4、B平行板基座5以及夹具加载体6同轴心设置；其中：

夹具基座1包括矩形夹具基底座7，矩形夹具基底座7上表面连接夹具基柱8，夹具基柱8上表面连接夹片9，夹片9具有四个贯通的螺纹孔，矩形夹具基底座7、夹具基柱8与夹片9为一体式结构；

A平行板基座4包括矩形基座块10，矩形基座块10上表面固定连接A基柱11；

可拆卸夹具3包括两块挡板12和一块垫片13，每块挡板12都具有螺栓孔，相对应的螺栓孔之间插装螺栓2，将挡板12和一块垫片13固定连接形成槽；

B平行板基座5包括矩形基座块10，矩形基座块10上表面固定连接B基柱14；

夹具加载体6包括两块加载挡板15和一块加载垫片16，加载挡板15和一块加载垫片16的竖边分别具有螺栓孔，相对应的螺栓孔之间插装螺栓2，将加载挡板15和一块加载垫片16固定连接形成槽。

将夹具基座1下部的矩形夹具基底座7放置在DHR-II流变仪上，进行试验。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的沥青动态剪切参数测试装置，所述A基柱11和B基柱14为圆柱形，且A基柱11和B基柱14的横截面直径为8mm。

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的沥青动态剪切参数测试装置，所述A基柱11和B基柱14的横截面直径为25mm。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的沥青动态剪切参数测试装置，所述夹片9的形状为矩形片状板。

具体实施方式五：

与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的沥青动态剪切参数测试装置，所述夹具基柱8为圆柱形。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的沥青动态剪切参数测试装置，所述A平行板基座4采用金属材料制作。

具体实施方式七：

与具体实施方式一、二、四或六不同的是，本实施方式的沥青动态剪切参数测试装置，所述B平行板基座5采用金属材料制作。

具体实施方式八：

与具体实施方式七不同的是，本实施方式的沥青动态剪切参数测试装置，其特征在于：所述加载垫片16的顶部还具有圆柱形加载块19。

具体实施方式九：

本实施方式的试验方法是利用具体实施方式一所述试验装置实现的，所述试验方法通过以下步骤实现：

步骤一、将沥青加热至流动状态，浇注至硅胶模具制成直径分别为8mm和25mm的沥青薄膜18；

步骤二、将金属材料制作的A平行板基座4安装在挡板12和垫片13形成的直角槽内，将属材料制作的B平行板基座5安装在加载挡板15和加载垫片16形成的直角槽内；

步骤三、启动DHR-II流变仪，将矩形夹具基底座7通过磁力固定于流变仪底端，将圆柱形加载块19通过螺丝固定在DHR-II流变仪加载顶端，之后在A平行板基座4顶部的圆柱形A基柱11上涂刷一层环氧树脂，然后将预先制取的圆柱形集料17固定在环氧树脂上，并在归零模式下调整位置以确保圆柱形集料17与圆柱形A基柱11同轴心；环氧树脂层初步硬化一个小时后，将A平行板基座4连同已固定的圆柱形集料17取下，水平放置二十四个小时直至环氧树脂片完全固化；

步骤四、采用与步骤三的做法使圆柱形集料17在B基柱14表面固化；

步骤五、根据试验规范及试验温度的测试范围要求，选择直径为8mm或直径为25mm的圆柱形集料17，连同步骤三和步骤四完全固定为一体的A平行板基座4、B平行板基座5分别安装到夹具基座1以及夹具加载体6上，并完成A平行板基座4、B平行板基座5的归零、惯性矩校正的一系列操作；

步骤六、使用手持加热设备将上下两端的圆柱形集料17表面加热到165±5℃，之后将步骤一预先浇制的沥青薄膜18添加至预热后的下端圆柱形集料17上，并将上端圆柱形集料17移动到试验规范规定位置，刮膜后下降至最终高度；

步骤七、关闭DHR-II流变仪环境箱，达到目标温度后维持二十分钟，之后进行频率扫描、松弛、蠕变、疲劳的一系列试验操作；

步骤八、通过对比DHR-II流变仪采集并计算得到的模量曲线(如图6所示)、松弛曲线(附图7所示)、疲劳曲线、蠕变曲线，评价不同集料类型、不同加载板尺寸、不同沥青膜厚度、不同温度、不同频率对沥青粘弹特性的影响规律。

工作原理：将金属材料制作的A平行板基座4安装在挡板12和垫片13形成的直角槽内，将属材料制作的B平行板基座5安装在加载挡板15和加载垫片16形成的直角槽内；启动DHR-II流变仪，将矩形夹具基底座7通过磁力固定于流变仪底端，将圆柱形加载块19通过螺丝固定在DHR-II流变仪加载顶端，之后在A平行板基座4顶部的圆柱形A基柱11上涂刷一层环氧树脂，然后将预先制取的圆柱形集料17固定在环氧树脂上，并在归零模式下调整位置以确保圆柱形集料17与圆柱形A基柱11同轴心。开始进行频率扫描、松弛、蠕变、疲劳的一系列试验操作。

Claims (9)

1.一种沥青动态剪切参数测试装置，其组成包括：夹具基座(1)，其特征在于：所述夹具基座(1)顶部通过螺栓(2)连接可拆卸夹具(3)，可拆卸夹具(3)内部安装A平行板基座(4)，A平行板基座(4)的顶部相对应设置B平行板基座(5)，B平行板基座(5)安装于夹具加载体(6)内部；夹具基座(1)、可拆卸夹具(3)、A平行板基座(4)、B平行板基座(5)以及夹具加载体(6)同轴心设置；其中：

夹具基座(1)包括矩形夹具基底座(7)，矩形夹具基底座(7)上表面连接夹具基柱(8)，夹具基柱(8)上表面连接夹片(9)，夹片(9)具有四个贯通的螺纹孔，矩形夹具基底座(7)、夹具基柱(8)与夹片(9)为一体式结构；

A平行板基座(4)包括矩形基座块(10)，矩形基座块(10)上表面固定连接A基柱(11)；

可拆卸夹具(3)包括两块挡板(12)和一块垫片(13)，每块挡板(12)都具有螺栓孔，每块挡板(12)都与垫片(13)垂直，且相交于挡板(12)和垫片(13)的边缘，并形成直角槽；

B平行板基座(5)包括矩形基座块(10)，矩形基座块(10)上表面固定连接B基柱(14)；

夹具加载体(6)包括两块加载挡板(15)和一块加载垫片(16)，每块加载挡板(15)都具有螺栓孔，每块加载挡板(15)都与加载垫片(16)垂直，且相交于加载挡板(15)和加载垫片(16)的边缘，并形成直角槽。

2.根据权利要求1所述沥青动态剪切参数测试装置，其特征在于：所述A基柱(11)和B基柱(14)为圆柱形，且A基柱(11)和B基柱(14)的横截面直径为8mm。

3.根据权利要求1或2所述沥青动态剪切参数测试装置，其特征在于：所述A基柱(11)和B基柱(14)的横截面直径为25mm。

4.根据权利要求3所述沥青动态剪切参数测试装置，其特征在于：所述夹片(9)的形状为矩形片状板。

5.根据权利要求1、2或4所述沥青动态剪切参数测试装置，其特征在于：所述夹具基柱(8)为圆柱形。

6.根据权利要求5所述沥青动态剪切参数测试装置，其特征在于：所述A平行板基座(4)采用金属材料制作。

7.根据权利要求1、2、4或6所述沥青动态剪切参数测试装置，其特征在于：所述B平行板基座(5)采用金属材料制作。

8.根据权利要求7所述沥青动态剪切参数测试装置，其特征在于：所述加载垫片(16)的顶部还具有圆柱形加载块(19)。

9.一种利用上述权利要求的装置进行的试验方法，其特征在于：所述试验方法通过以下步骤实现：

步骤一、将沥青加热至流动状态，浇注至硅胶模具制成直径分别为8mm和25mm的沥青薄膜(18)；

步骤二、将金属材料制作的A平行板基座(4)安装在挡板(12)和垫片(13)形成的直角槽内，将属材料制作的B平行板基座(5)安装在加载挡板(15)和加载垫片(16)形成的直角槽内；

步骤三、启动DHR-II流变仪，将矩形夹具基底座(7)通过磁力固定于流变仪底端，将圆柱形加载块(19)通过螺丝固定在DHR-II流变仪加载顶端，之后在A平行板基座(4)顶部的圆柱形A基柱(11)上涂刷一层环氧树脂，然后将预先制取的圆柱形集料(17)固定在环氧树脂上，并在归零模式下调整位置以确保圆柱形集料(17)与圆柱形A基柱(11)同轴心；环氧树脂层初步硬化一个小时后，将A平行板基座(4)连同已固定的圆柱形集料(17)取下，水平放置二十四个小时直至环氧树脂片完全固化；

步骤四、采用与步骤三的做法使圆柱形集料(17)在B基柱(14)表面固化；

步骤五、根据试验规范及试验温度的测试范围要求，选择直径为8mm或直径为25mm的圆柱形集料(17)，连同步骤三和步骤四完全固定为一体的A平行板基座(4)、B平行板基座(5)分别安装到夹具基座(1)以及夹具加载体(6)上，并完成A平行板基座(4)、B平行板基座(5)的归零、惯性矩校正的一系列操作；

步骤六、使用手持加热设备将上下两端的圆柱形集料(17)表面加热到165±5℃，之后将步骤一预先浇制的沥青薄膜(18)添加至预热后的下端圆柱形集料(17)上，并将上端圆柱形集料(17)移动到试验规范规定位置，刮膜后下降至最终高度；

步骤七、关闭DHR-II流变仪环境箱，达到目标温度后维持二十分钟，之后进行频率扫描、松弛、蠕变、疲劳的一系列试验操作；

步骤八、通过对比DHR-II流变仪采集并计算得到的模量曲线、松弛曲线、疲劳曲线、蠕变曲线，评价不同集料类型、不同加载板尺寸、不同沥青膜厚度、不同温度、不同频率对沥青粘弹特性的影响规律。