CN105758765A - 一种沥青最佳自愈合温度和最短愈合时间的测试与计算方法 - Google Patents

一种沥青最佳自愈合温度和最短愈合时间的测试与计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明属建筑材料领域，具体涉及沥青最佳自愈合温度和最短愈合时间的测试与计算方法。一种沥青最佳自愈合温度和最短愈合时间的测试与计算方法，其特征在于包括如下步骤：1）首先利用动态流变剪切仪在不同温度下对沥青进行频率?粘度扫描实验，分析得到沥青的最佳自愈合温度；2）然后利用疲劳?愈合?再疲劳实验测试沥青在该自愈合温度下三个不同修复时间的修复率，分析计算沥青疲劳寿命恢复率达到100%时所需的自愈合时间。该方法可确定沥青自愈合的最佳愈合温度和最短愈合时间，提高愈合效率，节约加热修复沥青所产生的能耗。

Description

一种沥青最佳自愈合温度和最短愈合时间的测试与计算方法
技术领域
本发明属建筑材料领域，具体涉及沥青最佳自愈合温度和最短愈合时间的测试与计算方法。
背景技术
沥青属一种粘弹性材料，本身具有一定的自愈合性能。在载荷间歇，裂纹界面的沥青分子为降低表面能会自发地进行界面浸润，裂缝界面分子的范德华力、氢键等形成的吸附作用，可使沥青中的微裂纹自动愈合。沥青的这种自愈合能力与多种因素有关，其中愈合温度和愈合时间对其自修复水平的影响最大。当温度过低时，沥青分子的浸润、扩散等热力学运动受阻，沥青的自愈合速率缓慢，所需要的愈合时间很长。一般来说，温度越高越有利于沥青的快速愈合，但能耗也越大，加热温度过高会造成能源的浪费。因此，确定沥青的最佳愈合温度以及在该温度下的最短愈合时间是道路工程领域一直关心并亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种沥青最佳自愈合温度和最短愈合时间的测试与计算方法，该方法可确定沥青自愈合的最佳愈合温度和最短愈合时间，提高愈合效率，节约加热修复沥青所产生的能耗。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种沥青最佳自愈合温度和最短愈合时间的测试与计算方法，其特征在于包括如下步骤：1)利用动态流变剪切仪在不同温度下对沥青进行频率-粘度扫描实验，分析得到沥青的最佳自愈合温度；2)利用疲劳-愈合-再疲劳实验测试沥青在该自愈合温度下三个不同修复时间的修复率，分析计算沥青疲劳寿命恢复率达到100％时所需的自愈合时间。
步骤1)具体为：利用动态流变剪切仪(DSR)在不同温度下对沥青进行频率-粘度扫描实验，获得沥青在不同温度下的粘度与频率的关系曲线，根据公式η*＝a·|ω|n-1(式中ω为频率；η*为复数粘度，单位为Pa·s；a为修正常数)，可直接拟合出沥青在不同温度下的流动行为因子n和修正常数a，求得沥青在不同温度下的流动行为因子n；当n＝1时，沥青处于牛顿流体状态；当n＜1时，沥青具有高程度的假塑性流体性质；当0.9≤n＜1时，沥青表现出近牛顿流体行为；绘制不同温度与相应流动行为因子n的关系曲线，求得当n＝0.9时所对应 的温度，该温度为沥青从假塑性流体转变为近牛顿流体的转化温度，是沥青具有较好流动性的临界温度，即沥青所需要的最佳愈合温度。
步骤2)具体为：定义沥青的愈合率HI＝(N2/N1)，其N1为愈合前沥青疲劳寿命次数，N2为愈合后沥青疲劳寿命次数；通过疲劳-愈合-再疲劳实验，测试沥青在最佳自愈合温度T下不同愈合时间对应的愈合率(三个不同修复时间的沥青愈合率)，根据式中HI0为瞬时愈合率；K为愈合速率因子，是反映愈合过程快慢的参数；R为理想气体常数，R＝8.314J.mol-1.K-1；t为愈合时间，单位为s；Ea为活化能，单位为KJ/mol；绘制愈合率HI(T，t)与愈合时间t0.25的关系曲线，将作为整体线性回归，得到HI(T，t)函数，令HI(T，t)＝100％，解得t为沥青达到完全愈合所需要的最短时间(利用回归法计算，求解得到沥青在该最佳自愈合温度下疲劳寿命愈合率达到100％所需要的最短自愈合时间)。
所述疲劳-愈合-再疲劳实验为：让沥青的复数模量下降到初始值的一半，得到疲劳沥青，在上述最佳自愈合温度下对疲劳沥青进行三种不同愈合时间的修复，之后再次进行疲劳试验，此过程简称为疲劳-愈合-再疲劳实验。
本发明的有益效果为：
1)本发明利用沥青的疲劳寿命恢复率定义了其在不同愈合温度、不同愈合时间下的愈合率，能确切地反映沥青愈合后性能恢复的程度。
2)本发明所述方法，确定了沥青自愈合的最佳温度，计算了沥青性能恢复率达到100％时所需要的(最短)愈合时间，有利于提高沥青的愈合效率，从而避免因加热温度过高或加热时间太长所带来的愈合效果差和浪费能源的问题。
附图说明
图1a是实施例1中90#基质沥青的复数粘度-频率图。
图1b是实施例1中90#基质沥青的流动行为因子-温度图。
图1c是实施例1中90#基质沥青在40℃下愈合时间与愈合率的关系曲线。
图2a是实施例2中70#基质沥青的复数粘度-频率图。
图2b是实施例2中70#基质沥青的流动行为因子-温度图。
图2c是实施例2中70#基质沥青的愈合时间与愈合率关系曲线。
具体实施方式
为了清晰说明本发明的目的、技术方案及其优点，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细介绍。这里所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种沥青最佳自愈合温度和最短愈合时间的测试与计算方法，包括如下步骤：
1)采用90#基质沥青，利用动态流变剪切仪(DSR)进行不同温度下的频率-复数粘度扫描实验，拟合各个温度下的粘度与频率的关系曲线，如图1a所示。根据公式η*＝a·|ω|n-1(式中ω为频率；η*为复数粘度，单位为Pa·s；a为修正常数；n为流动行为因子)，得到每个温度下的修正参数流动行为因子n，在10℃时，n＝0.646，a＝2000000；15℃时，n＝0.682，a＝672828；20℃时，n＝0.729，a＝259700；25℃时，n＝0.774，a＝96165；30℃时，n＝0.819，a＝35076；35℃时，n＝0.860，a＝13024；40℃时，n＝0.899，a＝5211.6；45℃时，n＝0.917，a＝2164；50℃时，n＝0.939，a＝9321.46；55℃时，n＝0.959，a＝523.12；60℃时，n＝0.974，a＝207.6。绘制流动行为因子-温度关系曲线，如图1b所示，从图1b可以得到流动因子n＝0.9时的温度为40℃，该温度即为90#沥青的最佳愈合温度。
2)定义沥青的愈合率HI＝(N2/N1)，其N1为愈合前沥青疲劳寿命次数，N2为愈合后沥青疲劳寿命次数；通过疲劳-愈合-再疲劳实验，测试90#基质沥青在最佳自愈合温度T为40℃下三个不同修复时间(300s，600s和900s)的沥青愈合率，得到愈合前后的疲劳寿命和愈合率，如表1所示：
表1：疲劳的90#基质沥青在40℃时修复300s，600s和900s后的愈合率
愈合时间t(s) 愈合前的疲劳寿命(N1) 愈合后的疲劳寿命(N2) 愈合率(％)
300 34390 500 1.5％
600 28750 27500 72.7％
900 47040 34180 95.7％
根据式中HI0为瞬时愈合率；K为愈合速率因子；R为理想气体常数，R＝8.314J.mol-1.K-1；t为愈合时间，单位为s；Ea为活化能，单位为KJ/mol；利用表1中的数据，绘制HI与t0.25的关系曲线，如图1c所示，将看作为整体回归得到HI(T，t)＝-2.987+0.7307t0.25，令HI＝100％，解得t＝886.4s，该时间即为90#基质沥青在40℃下达到100％愈合时所需要的最短愈合时间。
实施例2
一种沥青最佳自愈合温度和最短愈合时间的测试与计算方法，包括如下步骤：
1)采用70#基质沥青，利用动态流变剪切仪(DSR)进行不同温度下的频率-复数粘度扫描实验，拟合各个温度下的粘度与频率的关系曲线，如图2a所示。根据η*＝a·|ω|n-1(式中ω为频率；η*为复数粘度；a为修正常数)，得到每个温度下的流动行为因子n：10℃时，n＝0.619，a＝2000000；15℃时，n＝0.666，a＝962883；20℃时，n＝0.713，a＝368812；25℃时，n＝0.774，a＝136094；30℃时，n＝0.823，a＝48957；35℃时，n＝0.856，a＝18010；40℃时，n＝0.884，a＝6818.5；45℃时，n＝0.914，a＝2757；50℃时，n＝0.943，a＝1215.9；55℃时，n＝0.960，a＝564.64；60℃时，n＝0.972，a＝274.36。绘制流动行为因子-温度关系曲线，如图2b所示，得到流动因子n＝0.9时的温度为44℃，此为70#沥青的最佳愈合温度。
2)定义沥青的愈合率HI＝(N2/N1)，其N1为愈合前沥青疲劳寿命次数，N2为愈合后沥青疲劳寿命次数；通过疲劳-愈合-再疲劳实验，测试70#基质沥青在最佳自愈合温度T为44℃下三个不同修复时间(300s，600s和900s)的沥青愈合率，得到愈合前后的疲劳寿命和愈合率，如表2所示。
表2：疲劳的70#基质沥青在44℃时修复300s，600s和900s后的愈合率
愈合时间t(s) 愈合前的疲劳寿命(N1) 愈合后的疲劳寿命(N2) 愈合率(％)
300 31050 620 2.00％
600 33410 25110 75.16％
900 29980 29110 97.10％
根据式中HI0为瞬时愈合率；K为愈合速率因子；R为理想气体常数，R＝8.314J.mol-1.K-1；t为愈合时间，单位为s；Ea为活化能，单位为KJ/mol；利用表2中的数据，绘制HI与t0.25的关系曲线，如图2c所示，将看作为整体回归得到HI(T，t)＝0.739t0.25-3.0126，令HI＝100％，解得t＝869.2s，该时间即为70#基质沥青在44℃下的性能恢复率达到100％时所需要的最短愈合时间。

Claims (3)

1.一种沥青最佳自愈合温度和最短愈合时间的测试与计算方法，其特征在于包括如下步骤：1)利用动态流变剪切仪在不同温度下对沥青进行频率-粘度扫描实验，分析得到沥青的最佳自愈合温度；2)利用疲劳-愈合-再疲劳实验测试沥青在该自愈合温度下三个不同修复时间的修复率，分析计算沥青疲劳寿命恢复率达到100％时所需的自愈合时间。
2.根据权利要求1所述的一种沥青最佳自愈合温度和最短愈合时间的测试与计算方法，其特征在于，步骤1)具体为：利用动态流变剪切仪(DSR)在不同温度下对沥青进行频率-粘度扫描实验，获得沥青在不同温度下的粘度与频率的关系曲线，根据公式η*＝a·|ω|n-1(式中ω为频率；η*为复数粘度，单位为Pa·s；a为修正常数)，可直接拟合出沥青在不同温度下的流动行为因子n和修正常数a；绘制不同温度与相应流动行为因子n的关系曲线，求得当流动行为因子n＝0.9时所对应的温度，该温度为沥青从假塑性流体转变为近牛顿流体的转化温度，是沥青具有较好流动性的临界温度，即沥青所需要的最佳愈合温度。
3.根据权利要求1所述的一种沥青最佳自愈合温度和最短愈合时间的测试与计算方法，其特征在于，步骤2)具体为：定义沥青的愈合率HI＝(N2/N1)％，其N1为愈合前沥青疲劳寿命次数，N2为愈合后沥青疲劳寿命次数；通过疲劳-愈合-再疲劳实验，测试沥青在最佳自愈合温度T下不同愈合时间对应的愈合率，根据式中HI0为瞬时愈合率；K为愈合速率因子；R为理想气体常数，R＝8.314J.mol-1.K-1；t为愈合时间，单位为s；Ea为活化能，单位为KJ/mol；绘制愈合率HI(T，t)与愈合时间t0.25的关系曲线，得到HI(T，t)函数，令HI(T，t)＝100％，解得t为沥青达到完全愈合所需要的最短时间。
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