CN106093106A - 一种沥青低温环裂冻断圆盘结构和沥青低温环裂试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青低温环裂冻断圆盘结构和沥青低温环裂试验仪，环裂冻断圆盘结构包括底座、不胀圆环，底座中间具有一环形槽，不胀圆环紧密套在环形槽的内环壁上，不胀圆环的外壁与环形槽之间形成一放置沥青的环形容置空间，环形槽的外环壁上设有一突触；将沥青加热后浇入环形区域内，控制环境温度持续下降，沥青圆环收缩，而不胀圆环收缩量非常小，使沥青圆环试样内部产生温度应力，由于设置了突触，将沥青圆环在低温下断裂的点控制在突触处，并通过检测温度变化值和突触处的应变，最终求得沥青圆环的环裂温度和环裂强度，将圆盘结构用于沥青低温环裂试验仪，可近似模拟路面断裂时对应的最大断裂应变，与路面混合料实际低温状况建立关联。

Description

一种沥青低温环裂冻断圆盘结构和沥青低温环裂试验仪

技术领域

本发明涉及沥青性能评价技术领域，尤其涉及一种沥青环裂冻断圆盘结构和沥青低温环裂试验仪。

背景技术

沥青路面的开裂是国内外道路界普遍关注的问题，其危害在于使水分沿裂隙浸入路面结构内部，从而使路面基层和路基发软，路面结构承载力下降，在行车荷载作用下产生唧泥、冲刷，界面层出现局部脱空，最终导致路面发生网裂与坑槽，严重地影响车辆的行驶质量，大大地降低了路面的使用寿命。

沥青路面的裂缝包括荷载裂缝与非荷载裂缝。由荷载产生的裂缝在我国一些超载严重的高等级公路行车道经常遇见，现多以控制疲劳破坏为核心内容。而另一类裂缝，即非荷载型的低温收缩裂缝和半刚性基层所引起的反射裂缝却普遍存在，已引起了相当的关注，众所周知，这两种裂缝与沥青及沥青混合料的抗裂性能密切相关。近年来，国内外开展了较多的研究工作，其中，很多研究主要以沥青面层低温开裂为主要研究目标。

自20世纪60年代加拿大率先对沥青面层的低温缩裂进行系统调查研究以来，路面抗裂与材料低温性能指标一直是国际道路学界的重要研究内容，近20年来在研究与应用领域更是取得了突破性的进展。已取得共识的是：控制沥青与沥青混合料的低温性能，建立相关低温性能指标与容许值，是沥青面层低温开裂设计的关键措施。而沥青路面的低温抗裂性能主要取决于沥青结合料的低温拉伸特性，沥青结合料的性能起着特别重要的作用，相关文献表明，其贡献率达到90％，因此对沥青面层低温开裂的研究应以沥青低温性能指标的控制为主。

通过对国内外沥青低温评价指标的分析，当前的常规低温指标在力学机理、试验结果区分度及与路面相关度等方面仍存在一定的不足，很多方面不尽合理；SHRP指标能较好的评价基质沥青的低温性能，而对改性沥青却不能作出很好的评价，并且SHRP指标采用蠕变特性来分级，认为蠕变性能可以替代破坏性能，但研究表明蠕变性能和破坏性能的相关性不是很好。在现阶段，当前现有的低温指标不能对沥青的低温性能作出比较明确的表征，很有必要提出一个更加简便直观的指标对沥青性能进行评价。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种沥青环裂冻断圆盘结构和沥青低温环裂试验仪。

本发明所采取的技术方案是：

一种沥青环裂冻断圆盘结构，包括底座和不胀圆环，所述底座中间具有一环形槽，所述不胀圆环紧密套在所述环形槽的内环壁上，所述不胀圆环的外壁与所述环形槽之间形成一环形容置空间，所述环形容置空间用于放置沥青，所述底座在所述环形槽的外环壁上设有一突触，所述突触为水平设置于所述环形槽的外环壁上的圆柱体形突触。

在一些具体的实施方式中，所述圆柱体形突触的直径可根据公式(I)确定：

$S=H-\frac{(d-R_1)\·H}{h}---\left(I\right)$

式中，S表示所述圆柱形突触的直径，h表示所述圆柱形突触的高度；R₁表示所述不胀圆环的外环半径；所述H表示所述沥青圆环的高度；d根据公式(II)确定：

式中，α_沥为沥青的线膨胀系数；α_NECR为不胀圆环的线膨胀系数；ΔT为降温幅度；R₁为所述不胀圆环的外环半径；R₂为所述沥青圆环的外环半径；式中，参数ε_A通过公式(III)确定：

ε_A＝(α_沥+M·α_集)·△T﹣M·ε_集 (III)

式中，ΔT为降温幅度；α_沥为沥青的线膨胀系数；M为集料与沥青一维的长度比；α_集为集料的线膨胀系数；ε_集为集料的应变。

在一些具体的实施方式中，所述圆柱体形突触的高度等于所述环形槽的外环半径与所述不胀圆环的外环半径之差。

在一些具体的实施方式中，所述底座的中间设有一圆形凹陷，所述圆形凹陷与所述环形槽同心，所述圆形凹陷的半径等于所述环形槽的内环壁半径，所述圆形凹陷的深度小于所述环形槽的深度。

在一些具体的实施方式中，所述不胀圆环和所述底座的线膨胀系数≤5×10^-6mm/mm/℃。

在一些具体的实施方式中，所述不胀圆环的材料为石英玻璃、因瓦合金、陶瓷和钢中的任一种。

在进一步优选的实施方式中，所述不胀圆环的材料为石英玻璃。

在一些具体的实施方式中，所述底座的材料为钢、铁、铝中的任一种。

在一些具体的实施方式中，所述环形槽的底部为水平的。

在一些具体的实施方式中，所述不胀圆环的宽度等于所述环形槽的深度。

本发明还提供了一种沥青低温环裂试验仪，包括如上所述的沥青环裂冻断圆盘结构，所述沥青低温环裂试验仪还包括降温装置、温度采集仪和应变采集仪，所述降温装置具有一个能够容纳所述沥青低温性能评价结构的封闭容置空间，所述温度采集仪包括相连接的温度传感器和温度采集处理器，所述温度传感器设于所述沥青环裂冻断圆盘结构的底座上，所述应变采集仪包括相连接的应变传感器和应变采集处理器，应变传感器设于不胀圆环的与所述突触相对的内壁上。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种沥青环裂冻断圆盘结构和包括该沥青环裂冻断圆盘结构的沥青低温环裂试验仪，所述沥青环裂冻断圆盘结构包括底座和不胀圆环，所述底座中间具有一环形槽，所述不胀圆环紧密套在所述环形槽的内环壁上，所述不胀圆环的外壁与所述环形槽之间形成一环形容置空间，所述环形容置空间用于放置沥青，所述底座在所述环形槽的外环壁上设有一突触；将沥青加热后浇入所述不胀圆环和所述环形槽的外环壁之间的环形区域内，随着环境控制温度的持续下降，沥青圆环不断降温收缩，而不胀圆环随温度收缩量非常小，几乎保持不变，以使沥青圆环试样内部产生温度应力，并随持续降温而不断增大，直至温度降至某值时，沥青圆环断裂，由于在环形槽的外环壁上设置了突触，使沥青圆环在突触处横截面面积最小，突触处所受应力最大，所以可以将沥青圆环在低温下断裂的点控制在突触处，实现定点断裂，并通过检测温度变化值和突触处的应变，最终求得沥青圆环的环裂温度和环裂强度。该沥青低温环裂试验仪，主要有以下几个优点：1)通过近似模拟路面断裂时对应的最大断裂应变，与路面实际低温状况建立关联；2)可实现定点断裂，在沥青圆环上的圆柱突触点，即在沥青所受应力最大处，控制断裂在此处发生(此点与实际路面断裂相对应)，而常规冻断试验，试验前一般不明确断裂点位置，这不仅提高了对试验的有效控制，也有针对性的方便了对此处断裂强度值的测量；3)针对不同混合料的类型和组成比例，结合底座的尺寸可以模拟计算，调整圆柱状突触的横截面面积(通过更换不同的圆柱突触类型)，可以有针对性地对路面不同类型混合料进行低温性能测试，以做到与路面实际状况更加接近，这一点目前任何沥青低温抗裂性能评价都无法做到；4)测试出环裂温度T_Frac(沥青圆环断裂)的同时，也测出了所对应的断裂强度σ_Frac；5)采用所述沥青低温性能评价结构监测到的环裂温度与TSRST断裂温度具有较好的相关性，且本发明所述评价方法准确性和重复性好。

附图说明

图1为底座的俯视图；

图2为图1中A-A截面剖视图；

图3为不同材质和不同尺寸的不胀圆环的实物图；

图4为不同尺寸的突触的实物图；

图5为沥青环裂冻断圆盘结构俯视图；

图6为图5中B-B截面剖视图；

图7为沥青低温环裂试验仪结构示意图。

图8为沥青路面模型示意图；

图9为路面沥青混合料方格模型图；

图10为路面开裂应变示意图；

图11为沥青圆环与不胀圆环平衡受力示意图；

图12为沥青圆环与不胀圆环降温前后应变变化示意图；

图13为非均匀截面沥青圆环等效示意图；

图14为石英玻璃不胀圆环所得环裂温度与TSRST断裂温度的相关性分析图；

图15为因瓦合金不胀圆环所得环裂温度与TSRST断裂温度的相关性分析图；

图16为陶瓷不胀圆环所得环裂温度与TSRST断裂温度的相关性分析图；

图17为一种不胀圆环材料所受应变随温度变化曲线；

图18为不同沥青材料对应降温速率与环裂温度关系图。

附图标记说明：

1-底座；2-环形槽；3-内环壁；4-外环壁；5-突触；6-不胀圆环；7-沥青圆环；8-圆形凹陷；9-应变传感器；10-温度传感器；11-封闭容置空间；12-温度采集处理器；13-应变采集处理器；14-液氮降温系统；15-材料高低温试验仪。

具体实施方式

本发明涉及一个环裂冻断圆盘结构和一个沥青低温环裂试验仪。一种沥青环裂冻断圆盘结构，包括底座1和不胀圆环6。参照图1，图1为底座的俯视图，所述底座1中间具有一环形槽2，所述底座1在所述环形槽2的外环壁4上设有一突触5，参照图2，图2为图1中A-A截面剖视图，所述突触5为水平设置于所述环形槽2的外环壁4上的圆柱体形突触。所述底座1的中间设有一圆形凹陷8，所述圆形凹陷8与所述环形槽2同心，所述圆形凹陷8的半径等于所述环形槽2的内环壁3半径，所述圆形凹陷8的深度小于所述环形槽2的深度。所述不胀圆环6的材料需随温度变化而体积变化很小，所述不胀圆环6的线膨胀系数≤5×10^-6mm/mm/℃。在优选的实施例中，所述不胀圆环6的材料为石英玻璃。所述底座1的材料为钢、铁、铝中的任一种。

参照图3，图3a从左至右分别为使用石英玻璃、陶瓷、因瓦合金、普通钢四种不同材质制作的不胀圆环，图3b为不同尺寸的石英玻璃材质的不胀圆环。

参照图4，图4为不同尺寸的突触的实物图，所述突触5包括第一端和第二端，所述第一端为圆柱体形，所述第一端的圆柱体的尺寸可以调节，以针对性地模拟对路面不同类型混合料的进行低温性能测试，可以做到与路面实际状况更加接近，所述第二端内嵌于所述环形槽2的外环壁4内。

参照图5，所述不胀圆环6紧密套在所述环形槽2的内环壁3上，所述不胀圆环6的外壁与所述环形槽2之间形成一环形容置空间，所述环形容置空间用于放置沥青，在测试过程中，先将沥青加热，然后将其浇入所述环形容置空间，冷却成型，得到沥青圆环7，所述温度采集仪包括温度传感器10和温度采集处理器12两部分，所述温度传感器10置于所述圆形凹陷8的中心处，所述底座1的温度即可认为是所述沥青圆环7的温度，所述温度传感器10用于测试环裂冻断圆盘内沥青环的温度。所述圆柱体形突触的高度等于所述环形槽2的外环4半径与所述不胀圆环6的外环半径之差。所述应变采集仪包括应变传感器9和和应变采集处理器13两部分，所述应变传感器9设于所述突触5相对的所述不胀圆环6的内壁上，由于所述底座1存在所述圆形凹陷8，所以方便所述应变传感器9的设置。

参照图6，所述环形槽2的底部为水平的。所述不胀圆环6的宽度等于所述环形槽2的深度。

参照图7，本发明还提供了一种沥青低温环裂试验仪，包括如上所述的沥青环裂冻断圆盘结构，所述沥青低温环裂试验仪还包括降温装置、温度采集仪和应变采集仪，所述降温装置具有一个能够容纳所述沥青低温性能评价结构的封闭容置空间，所述温度采集仪包括相连接的温度传感器10和温度采集处理器12，所述温度传感器10设于所述沥青环裂冻断圆盘结构的底座1上，所述应变采集仪包括相连接的应变传感器9和应变采集处理器13，应变传感器9设于不胀圆环6的与所述突触5相对的内壁上。在本实施例中，沥青低温环裂试验仪包括沥青环裂冻断圆盘结构、材料高低温试验仪15、温度采集仪(由温度传感器10和温度采集处理器12两部分组成，两者通过数据线连接)、应变采集仪(应变传感器9和和应变采集处理器13两部分组成，通过数据线连接)、液氮降温系统14五部分组成。材料高低温试验仪15安装有单级降温压缩装置，且材料高低温试验仪15具有封闭容置空间11。液氮降温系统14的主要作用是在材料高低温试验仪15的单级压缩降温装置的基础上，采取液氮降温措施对试验进行进一步降温强化。

本发明提供了一种沥青低温抗裂性能的评价方法，包括以下步骤：S1：取或制备底座1和不胀圆环2(No Expansion Circle Ring，简称NECR)，所述底座1和所述不胀圆环2结构如上述环裂冻断圆盘结构中所述底座1和所述不胀圆环2，所述不胀圆环2几乎不随温度变化而发生体积变化，所述底座1的形状可以是任意形状，如矩形、圆形、椭圆形等，在优选的实施例中所述底座1的形状为圆形，所述底座1中间具有一环形槽2，所述不胀圆环6嵌套所述环形槽2的内环壁3上，所述底座1在所述环形槽2的外环壁4上设有一突触5，所述突触5为水平设置于所述环形槽2的外环壁4上的圆柱体形突触；S2：在所述不胀圆环6的外侧壁和所述环形槽2的内侧壁均匀涂抹润滑剂，以使在降温过程中沥青不会粘附于不胀圆环，避免产生异常应变读数，影响试验数据；S3：加热沥青，将其浇入所述不胀圆环6与所述环形槽2的外环壁4之间的环形空间，冷却成型，得到沥青圆环7；S4：在与所述突触5相对的所述不胀圆环6的内侧壁上设置应变传感器9，在底座1上设置温度传感器10，将底座1、不胀圆环6连同所述沥青圆环7一起放入材料高低温试验仪15的封闭容置空间11中，0℃预热30min，然后控制降温装置以稳定速率进行降温，降温速率范围为1-30℃/h，直至所述沥青圆环7断裂，检测并记录温度值和不胀圆环6在对应突触5的位置的瞬时应变值；S5：绘制检测得到的瞬时应变值随温度变化曲线，瞬时应变值发生跳跃时，对应的应变值即为沥青断裂时不胀圆环在突触对应位置的应变值，由于沥青圆环与不胀圆环在降温收缩过程中产生的相互挤压是作用力与反作用力，即F_不胀圆环＝F_沥，通过试验得到的参数ε_{应变跳跃值}和应力应变公式F＝ε·E·A_截面积，可求出F_不胀圆环,即得沥青圆环所受作用力F_沥。然后通过F_沥＝σ_沥·A_沥，求出沥青材料的环裂强度σ_沥，即σ_Frac。而在此时断裂所对应的温度值即为所述沥青圆环7断裂时的温度，即环裂温度T_Frac。在优选的实施例中，降温速度可为10℃/h。所述不胀圆环2的线膨胀系数≤5×10^-6mm/mm/℃。所述不胀圆环2的材料为石英玻璃、因瓦合金、陶瓷和钢中的任一种。所述底座的材料为钢、铁、铝中的任一种。

工作原理分析：

下面对环裂试验的机理进行分析。在试验过程中，环形冻断圆盘作为环裂试验的重要组成部件，其内部组成如图5所示。内环为不胀圆环(No Expansion Circle Ring，简称NECR，线收缩系数很小，一般为(0～5)×10^-6mm/mm/℃)，外环为沥青环(线收缩系数α一般大于200×10^-6mm/mm/℃)，两种材料α相差较大，大约为两个数量级。在进行试验降温过程中，沥青与不胀圆环受温度影响产生收缩，因沥青环受温度变化在单位时间产生的长度缩减量要比不胀圆环大，使沥青材料与不胀圆环直接在圆环切线方向和垂直切线方向均产生了相互的挤压作用力，随着温度的不断下降，沥青材料在应力的作用下不断收缩，当沥青环(沥青材料本身)所受拉应力达到其断裂的抗拉强度时，沥青环断裂(故称环裂试验)。

一、路面实际状态分析

该试验方法的设计基于材料的弹性力学和强度破坏理论。

参照图8，沥青路面实际情况如图8所示，该图为沥青路面模型示意图，取其中一个小块沥青混合料进行分析，路面中沥青混合料方格模型图如图9，常规的路面沥青混合料由沥青、集料和空隙组成，集料约占总体积的83～85％，沥青占总体积的10～12％，空隙体积占4～5％。

假定集料占体积的85％，沥青占总体积的15％，两者体积比为5.7:1，研究先暂不考虑空隙的体积，上图的立方体方格d_集料＝0.9473，d_沥青＝1-d_集料＝0.0527，集料与沥青一维的长度比为18:1，比例系数用M表示，即M＝18。

如图10所示，图10为路面开裂应变示意图，处于低温气候条件下，沥青路面便开始低温收缩，而由于路面纵向的约束作用，限制了路面的长度变化，加上路面低温条件下近似为弹性体，路面便出现了弹性收缩变形，以此来平衡所产生的温度应力。

此时，尚未开裂的路面满足如式(1.1)所示的应变关系式：

(α_沥+M·α_集)·△T＝ε_沥(路面)+M·ε_集 (1.1)

二、本发明所述评价方法的室内模拟及力学分析

参照图11，图11为沥青圆环与不胀圆环平衡受力示意图，在进行室内试验降温过程中，沥青圆环与不胀圆环受温度影响产生收缩，因沥青圆环受温度变化在单位时间产生的长度缩减量要比不胀圆环大，使沥青材料与不胀圆环直接在圆环切线方向和垂直切线方向均产生了相互的挤压作用力，即此过程中沥青圆环尚未断裂之前一直保持受力的平衡状态，满足如式(2.1)、(2.2)所示的平衡关系：

P_沥＝P_NECR (2.1)

P＇_沥＝P＇_NECR (2.2)式中，P_沥为沥青圆环所受切线方向的相互作用力；P_NECR为不胀圆环所受切线方向的相互作用力；P＇_沥为沥青圆环所受垂直于切线方向的相互作用力、P＇_NECR为不胀圆环所受垂直于切线方向的相互作用力。

由图11可知，沥青圆环与不胀圆环在收缩过程中，沥青圆环收缩长度在单位时间要大于不胀圆环，而要保持平衡状态，需要靠沥青与不胀圆环的弹性应变来支撑。如图7所示，图7为沥青圆环与不胀圆环降温前后应变变化示意图，如果所述沥青圆环为均匀截面，沥青圆环与不胀圆环的应变满足以如式(2.3)所示关系式：

(α_沥﹣α_NECR)·△T＝ε_沥(室内)+ε_NECR (2.3)

式中，α_沥为沥青的线膨胀系数；α_NECR为不胀圆环的线膨胀系数；ΔT为降温幅度；ε_沥(室内)为试验中沥青的应变；ε_NECR为不胀圆环的应变。

将室内的环裂试验来模拟路面低温断裂状况，选择σ_沥(室内)＝σ_沥(路面)或ε_沥(室内)＝ε_沥(路面)，其中，σ_沥(室内)为试验中沥青所受应力，σ_沥(路面)为实际路面中沥青所受应力，ε_沥(室内)为试验中沥青的应变，ε_沥(路面)为实际路面中沥青的应变，即相当于将该环裂试验仪与实际路面一起置于同样的降温环境中，使一起种沥青的断裂最大程度的与路面状况保持一致。

本发明在所述环形槽的外环壁上设有一突触，所述突触为水平设置于所述环形槽的外环壁上的圆柱体形突触，通过设置此突触，使得沥青圆环在突触处的横截面面积缩小，因沥青圆环上所受压力(即与不胀圆环直接的相互作用力)保持不变，所以在此突触处沥青所受应力应变最大，使沥青圆环固定在此处发生断裂，实现定点断裂，从而可以定点检测断裂处应变值。

本发明还可以通过调整圆柱突触的尺寸，如图4所示，以使此沥青圆环内部所受的断裂应变与路面实际混合料的断裂应变保持近似的一致。将突触处沥青圆环横截面面积变小等效为如图13所示的非均匀截面，将突触处位置等效于图13中沥青圆环横截面面积最小处，即AD线段处。选择非均匀截面沥青圆环上的A点(应变最大值点)作为研究对象，使其与路面应变建立关系ε_A＝ε_沥(路面)，其中ε_A为A点沥青的应变，ε_沥(路面)为实际路面中沥青的应变。

则在非均匀截面条件下，式(2.3)可转化为式(2.4)

(α_沥﹣α_NECR)·△T＝ε_{沥(非均匀截面)}+ε_NECR (2.4)

其中，ε_{沥(非均匀截面)}为非均匀截面沥青圆环整体所产生的应变量。

假设图13中的截面长度d在不断变化，R₁为所述不胀圆环的外环半径；R₂为所述沥青圆环的外环半径；角度变化值为θ。

因不胀圆环选择的材料模量极大，产生的ε_NECR很小，先假设ε_NECR≈0。

如图13所示，如此可以认为在相同降温状况下，不断调整沥青圆环尺寸以期能使ε_A满足ε_A＝ε_沥(路面)的同时，整个沥青圆环因温度变化所产生的的总应变量保持不变，即

式中：ε₁为角度内沥青圆环的内部应变；

ε₂为角度内沥青圆环的内部应变；

且

${\mathrm{\ϵ}}_2={\mathrm{\ϵ}}_A\·\frac{(d-R_1)\·h}{(R_2-R_1)\·h}={\mathrm{\ϵ}}_A\·\frac{d-R_1}{R_2-R_1}$

则

式中：R₁为所述不胀圆环的外环半径，mm；R₂为所述沥青圆环的外环半径，mm；α_沥为沥青的线膨胀系数；α_NECR为不胀圆环的线膨胀系数，mm/mm/℃；α_集为集料的线膨胀系数；ΔT为降温幅度，℃；M为集料与沥青一维的长度比；均为已知。

通过式(2.7)的计算，对式(2.6)进行简化，式(2.6)可转化为式(2.8)，

其中，

上文已提到，使沥青圆环有选择的在A处断裂的同时，也使通过调整圆柱突触的尺寸以使此沥青圆环内部所受的断裂应变(取点ε_A)与路面实际混合料的断裂应变ε_沥(路面)(式(1.1)所示)保持近似的一致，即如下式(2.9)所示。

ε_A＝ε_沥(路面)＝(α_沥+M·α_集)·△T﹣M·ε_集 (2.9)

通过联立式(2.8)、式(2.9)进行计算，即可得到公式(II)：

式中，α_沥为沥青的线膨胀系数；α_NECR为不胀圆环的线膨胀系数；ΔT为降温幅度；R₁为所述不胀圆环的外环半径；R₂为所述沥青圆环的外环半径；式中，参数ε_A通过公式(III)确定：

ε_A＝(α_沥+M·α_集)·△T﹣M·ε_集 (III)

式中，ΔT为降温幅度；α_沥为沥青的线膨胀系数；M为集料与沥青一维的长度比；α_集为集料的线膨胀系数；ε_集为集料的应变。通过公式(II)和公式(III)即可算出d。综上，采用本发明所述评价方法可以针对不同混合料的类型和组成比例，结合底座的尺寸可以模拟计算，调整圆柱状突触的横截面面积，可以有针对性地对路面不同类型混合料进行低温性能测试，以做到与路面实际状况更加接近，这一点目前任何沥青低温抗裂性能评价都无法做到。

求出长度d后，即可得图13中线段AD所对应的沥青圆环横截面面积，然后根据此面积确定所用圆柱状突触的尺寸，可根据式(I)可以得到圆柱形突触的直径S，

$S=H-\frac{(d-R_1)\·H}{h}---\left(I\right)$

式中，h表示所述圆柱形突触的高度；R₁表示所述不胀圆环的外环半径；所述H表示所述沥青圆环的高度。在优选的实施例中，所述圆柱体形突触的高度h等于所述环形槽的外环半径与所述不胀圆环的外环半径之差。

将突触安装在所述底座的环形槽的外环壁上进行试验，以此求出沥青圆环在环裂破坏时所对应的环裂温度T_Frac和环裂强度σ_Frac。

本文使用试模尺寸R₁＝30mm，R₂＝36mm，线收缩系数计算假设α_沥＝200×10^-6，α_集＝5×10^-6，α_NECR＝0.5×10^-6，通过联立公式(2.8)、(2.9)，可求得d＝32.2mm。最后通过计算确定圆柱状突触尺寸为Φ8mm×6mm(h)。

对实际路面的受力过程作一假定：P_沥＝P_集，沥青与集料的相互作用力相等，而该环裂试验亦满足P_沥＝P_NECR，即沥青和不胀圆环的相互作用力相等，则得式(2.10)和(2.11)：

σ_沥·A_沥＝σ_集·A_集＝σ_NECR·A_NECR (2.10)

即ε_沥·E_沥·A_沥＝ε_集·E_集·A_集＝ε_NECR·E_NECR·A_NECR (2.11)

式中，E_沥为沥青的弹性模量；E_集为集料的弹性模量；E_NECR为不胀圆环的弹性模量。

假设路面上集料产生的弹性的应变与不胀圆环产生的微应变相等，即ε_NECR＝M·ε_集。

通过联立该方程，求出A_NECR，即不胀圆环的横截面面积，对应圆环高度求出试验所对应不胀圆环的厚度。

通过以上分析，最终确定该环形试模的不胀圆环环厚尺寸为2mm，圆柱状突触的尺寸为Φ8mm×6mm(h)。

综上所述，本发明通过检测降温过程沥青的温度变化值和突触处的应变，最终可得到沥青圆环的环裂应变和环裂温度，而该环裂应变可以模拟路面断裂时对应的最大断裂应变，还可以根据环裂应变得到对应的沥青的断裂强度，与路面混合料实际低温状况建立关联，实现路面混合料的低温抗裂性能的评价；针对不同的混合料类型和组成比例，可以调整突触的轴向截面面积以针对性的模拟路面不同混合料的低温性能测试，可以做到与路面实际状况更加接近。

三、不同材料的不胀圆环环裂试验的对比：

制备如上所述的底座和不胀圆环，在本实施例中，分别选用石英玻璃、因瓦合金和陶瓷作为不胀圆环的材料，在所述不胀圆环的外侧壁和所述环形槽的内侧壁均匀涂抹润滑剂；选用8种不同的沥青，按照不同不胀圆环的材料分成三组进行试验，分别加热沥青一小时，分别浇入如上所述的底座和不胀圆环形成的环形空间内，冷却成型，得到8种不同沥青材料得到的沥青圆环，在与所述突触相对的所述不胀圆环的内侧壁上设置应变传感器，在底座的圆形中心处设置温度传感器，然后将沥青圆环、不胀圆环和底座组成的沥青低温抗裂性能评价结构放入材料高低温试验仪中，在0℃保持30min，然后以10℃/h的速度降温直至沥青圆环断裂，测试并记录各沥青圆环的环裂温度，分别与8种沥青材料的TSRST断裂温度进行相关性分析，得到实验结果如图14、图15和图16，不同材料的不胀圆环实物图如图3，分别所得三种材料的沥青试样环裂温度与TSRST断裂温度的相关性分析结果。根据图14、图15和图16的分析结果，本发明提供的评价方法所得环裂温度与TSRST断裂温度具有较好的相关性，且使用石英玻璃材料所得相关性最好，并且相比陶瓷、因瓦合金材料，石英玻璃的线膨胀系数α最小，能更快地使沥青材料发生断裂，试验误差低。最终对比确定，最优先选择使用石英玻璃不胀圆环进行试验。根据试验得到的断裂温度和应变数据，绘制应变随温度变化曲线，如图17，图中的跳跃应变值即为沥青试样断裂时不胀圆环所承受的瞬时应变，由式(3.1)应力应变关系式可得，

F_不胀圆环＝ε_{应变跳跃值}×E_不胀圆环×A_不胀圆环 (3.1)

式中：F_不胀圆环为断裂瞬间不胀圆环上所受温度作用力，单位为N；

ε_{应变跳跃值}为因沥青材料断裂而使不胀圆环产生的跳跃应变值，单位为με；

E_不胀圆环为不胀圆环的弹性模量(石英玻璃材质，取E＝7.5×10¹⁰Pa)，单位为Pa；

A_不胀圆环为不胀圆环的横截面面积(试验中A＝6.0×10^-5m²)，单位为m²。

由于沥青试样与不胀圆环之间试验前润滑剂的涂抹润滑作用，沥青试样产生的拉力等同于不胀圆环所受压力，两者为作用力与反作用力，即F_不胀圆环＝F_沥。因此，沥青试样的断裂应力被计算如下：

式中：F_沥为不胀圆环上所受温度作用力，单位为N；

A_沥为沥青结合料试样突触处的横截面面积(试验中A＝1.2×10^-4m²)，单位为m²。

σ_沥即为所求环裂强度σ_Frac，对应应变突起的温度即为环裂温度指标T_Frac。

四、不同沥青不同降温速率下的环裂温度试验：

分别选用110#+5％SBS、110#、90#+5％SBS、90#、70#这五种沥青材料分别按照不同的降温速度(1℃/h、5℃/h、10℃/h、20℃/h、30℃/h)进行本发明所述的环裂评价，选用石英玻璃作为不胀圆环材料，选用钢制底座材料，得到环裂温度T_Frac及其标准差SD的实验结果如表1和图18所示。由表1的实验结果可以看出，对五种沥青分别以1℃/h、5℃/h、10℃/h、20℃/h、30℃/h的速率进行降温，同种沥青不同降温速率最大温差3.6℃(90#+5％)，最小温度2.1℃(70#)，测出的环裂温度值之间的差别较小；对5种降温速率的标准差比较，10℃/h的降温速率的SD均值相对较小，有较好的试验可重复性。

表1不同沥青不同降温速率下的环裂温度试验结果

Claims (10)

1.一种沥青环裂冻断圆盘结构，其特征在于，包括底座和不胀圆环，所述底座中间具有一环形槽，所述不胀圆环紧密套在所述环形槽的内环壁上，所述不胀圆环的外壁与所述环形槽之间形成一环形容置空间，所述环形容置空间用于放置沥青，所述底座在所述环形槽的外环壁上设有一突触，所述突触为水平设置于所述环形槽的外环壁上的圆柱体形突触。

2.根据权利要求1所述的沥青环裂冻断圆盘结构，其特征在于，所述圆柱体形突触的直径可根据公式(I)确定：

$S=H-\frac{(d-R_1)\·H}{h}---\left(I\right)$

式中，S表示所述圆柱形突触的直径，h表示所述圆柱形突触的高度；R₁表示所述不胀圆环的外环半径；所述H表示所述沥青圆环的高度；d根据公式(II)确定：

式中，α_沥为沥青的线膨胀系数；α_NECR为不胀圆环的线膨胀系数；ΔT为降温幅度；R₁为所述不胀圆环的外环半径；R₂为所述沥青圆环的外环半径；式中，参数ε_A通过公式(III)确定：

ε_A＝(α_沥+M·α_集)·ΔT﹣M·ε_集 (III)

式中，ΔT为降温幅度；α_沥为沥青的线膨胀系数；M为集料与沥青一维的长度比；α_集为集料的线膨胀系数；ε_集为集料的应变。

3.根据权利要求1所述的沥青环裂冻断圆盘结构，其特征在于，所述圆柱体形突触的高度等于所述环形槽的外环半径与所述不胀圆环的外环半径之差。

4.根据权利要求1所述的沥青环裂冻断圆盘结构，其特征在于，所述底座的中间设有一圆形凹陷，所述圆形凹陷与所述环形槽同心，所述圆形凹陷的半径等于所述环形槽的内环壁半径，所述圆形凹陷的深度小于所述环形槽的深度。

5.根据权利要求1所述的沥青环裂冻断圆盘结构，其特征在于，所述不胀圆环的线膨胀系数≤5×10^-6mm/mm/℃。

6.根据权利要求5所述的沥青环裂冻断圆盘结构，其特征在于，所述不胀圆环的材料为石英玻璃、因瓦合金、陶瓷和钢中的任一种。

7.根据权利要求1所述的沥青环裂冻断圆盘结构，其特征在于，所述底座的材料为钢、铁、铝中的任一种。

8.根据权利要求1所述的沥青环裂冻断圆盘结构，其特征在于，所述环形槽的底部为水平的。

9.根据权利要求1所述的沥青环裂冻断圆盘结构，其特征在于，所述不胀圆环的宽度等于所述环形槽的深度。

10.一种沥青低温环裂试验仪，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的沥青环裂冻断圆盘结构，所述沥青低温环裂试验仪还包括降温装置、温度采集仪和应变采集仪，所述降温装置具有一个能够容纳所述沥青低温性能评价结构的封闭容置空间，所述温度采集仪包括相连接的温度传感器和温度采集处理器，所述温度传感器设于所述沥青环裂冻断圆盘结构的底座上；所述应变采集仪包括相连接的应变传感器和应变采集处理器，应变传感器设于不胀圆环的与所述突触相对的内壁上。