CN107132114B - 一种沥青类材料蠕变柔量参数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青类材料蠕变柔量参数的测试方法，通过MTS疲劳试验机向试件的中心孔内注入液压油施加均匀荷载，利用压力传感器记录试件承受均匀压强q(t)，MTI‑3D非接触变形测量系统拍摄试件表面中心点挠度ω(t)，然后将q(t)和ω(t)代入n元一次方程组求解得到各时刻t的蠕变柔量J(t)，再根据各时刻的蠕变柔量散点图拟合得到蠕变柔量方程的系数J_i和τ_i，从而得到蠕变柔量方程，完成沥青类材料蠕变柔量参数的测试。本方法通用于测试各种沥青材料蠕变柔量，解决了以往仪器试验对象受限的问题，大大节约仪器耗费。

Description

一种沥青类材料蠕变柔量参数测试方法

技术领域

本发明属于粘弹性材料力学参数测试方法技术领域，具体涉及一种沥青类材料蠕变柔量参数的测试方法。

背景技术

沥青作为一种胶粘材料在路面工程中得到广泛应用，就我国而言，95％以上的高速公路路面类型为沥青路面。沥青如此广泛的应用促使人们对其研究不断深化，其中包括沥青在内沥青类材料(基质沥青、改性沥青、沥青胶浆、沥青砂浆以及沥青混合料)的粘弹特性是沥青路面结构、材料研究和设计领域关注的焦点，随着沥青类材料的粘弹性理论的发展和粘弹性模型的不断完善，粘弹性参数(如蠕变柔量、松弛模量、动态模量)间的转化关系逐渐明确，而且针对沥青类材料粘弹性参数测试已然形成了很多成熟的试验方法。如对于沥青和沥青胶浆在常温、高温区域的粘弹性质可以通过动态剪切流变仪(DSR)进行测试，沥青和沥青胶浆在低温区域的粘弹参数可通过弯曲梁流变仪(BBR)进行测试，沥青砂浆和沥青混合料的粘弹参数可应用万能材料试验机(UTM)测试得到。

综上所述，测试沥青类材料粘弹性参数十分必要，而且当前的测试方法也较为全面，但从中也不难看出目前的测试方法体系存在很大的局限性：

(1)单个试验方法的适用性受限。每种测试方法都有其局限性，用于测试沥青和沥青砂浆的DSR和BBR不能用于测试沥青砂浆和混合料，万能材料试验机由于荷载量程较大、精度不足，难以用于测试沥青和沥青胶浆的粘弹参数；DSR和BBR虽然都可用于测试沥青和沥青胶浆材料，但适用的温度范围又有所不同；所以当前的测试体系中每种试验方法的适用性都存在有一定限制。

(2)新型材料不断涌现，现有测试体系面临挑战。近年来，对沥青进行改性的新材料层出不穷，虽然相关研究应用DSR和BBR对这些改性沥青或改性沥青胶浆的粘弹性参数进行了大量测试工作，但是这些测试往往忽略了试件尺寸的限制，造成所得结果准确性大打折扣。如DSR和BBR试验都要求标准试样尺寸，但加入新改性材料(比如橡胶颗粒、纤维)后原试件尺寸不足以涵盖一个代表元，这就使得测试结果仅反映了材料部分组成的粘弹性能。

(3)仪器费用高昂。我国目前沥青材料领域内粘弹性测试方法均是依照美国国家公路与运输协会(AASHTO)的试验标准，仪器商也以国外厂家为主。近年来，虽然国产仪器也在发展，但是费用仍然较高，尤其是根据沥青材料类型和测试温度范围的不同，需要多种试验方法，这就要求大量的试验仪器的投入，显然实验室将产生巨额的消耗。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种沥青类材料蠕变柔量参数的测试方法，能够通用于测试沥青、沥青胶浆、沥青砂浆和沥青混合料的蠕变柔量，大大扩展当前试验仪器的适用性，节约试验成本。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括以下步骤：

1)将带有中心孔的试件固定在密闭的环境箱内，并设定环境箱内的温度对试件进行保温，直至达到设定的温度；

2)通过MTS疲劳试验机向试件的中心孔内注入液压油对沥青材料施加均匀荷载，以0.1s作为时间间隔单元，利用压力传感器记录不同时刻t时试件中心孔内的压强q(t)，并利用MTI-3D非接触变形测量系统拍摄试件表面的变形，记录不同时刻t时试件中心点挠度ω(t)；

3)根据下列n元一次方程组求解试件分别在时刻0.05s、0.15s、0.25s…t-0.05s的n个蠕变柔量J(0.05)、J(0.15)、J(0.25)…J(t-0.05)，n＝10t：

其中，a为试件设置的非粘区域半径，δ为沥青材料厚度，υ为沥青材料的泊松比；

4)根据步骤3)求解的沥青材料各个时刻的蠕变柔量得到蠕变柔量时间散点图，根据蠕变柔量时间散点图，按下列蠕变柔量方程形式拟合得到方程中的Prony表达式系数J_i和延迟时间系数τ_i，得到蠕变柔量方程J(t)表达式，完成沥青类材料蠕变柔量参数的测试：

其中，m为项数，一般取值2～4的整数，J₀为初始蠕变柔量。

所述步骤1)中试件的制备方法包括：首先将50mm厚的钢板打磨喷漆，在钢板的中心位置钻半径为2.5mm的中心通孔；然后用半径为2.5mm圆柱体将钢板中心通孔堵住，在钢板表面以钢板中心位置为圆心，a为半径的区域内均匀涂抹薄层沥青隔离剂，形成非粘区域；最后在钢板上铺设厚度为δ的沥青材料，待沥青材料冷却形成强度后将钢板中心通孔中圆柱体缓慢取出；最后在钢板上铺设厚度为δ的沥青材料，待沥青材料冷却形成强度后将钢板中心通孔中圆柱体缓慢取出。

所述试件非粘区域半径a和试件厚度δ的比值a/δ大于5。

所述沥青材料为基质沥青、改性沥青、沥青胶浆、沥青砂浆以及空隙率在2.5％以下的沥青混合料。

所述步骤1)中在试件放入环境箱前先在试件表面喷白色哑光漆，然后喷黑色哑光漆，在试件的表面形成散斑。

所述步骤3)中试件中心点挠度ω(t)的计算过程如下：

首先，由经典的圆薄板小挠度板的位移弹性解可知沥青材料中心点挠度计算公式如下：

其中，E为弹性模量，q为压强；

设泊松比υ为常量，根据Alfrey对应原理，将上式写成拉普拉斯域的表达：

由于E(s)J(s)＝1/s²，s为拉普拉斯变换参量，J为蠕变柔量，则：

对上式进行拉普拉斯逆变换，得到位移函数的时域表达：

ξ是积分变量，代表荷载变化时刻。

以每0.1s作为时间间隔单元，以每0.1s内的中间时刻的蠕变柔量值代表该时段的蠕变柔量值，则有：

试验初始时刻q₀＝0，根据试验不同时刻记录的挠度值ω(t)，则建立步骤3)的n元一次方程组。

所述步骤4)中利用最小二乘法在蠕变柔量-时间散点图中拟合得到Prony表达式系数J_i和延迟时间系数τ_i。

与现有技术相比，本发明利用MTS疲劳试验机向试件的中心孔内注入液压油对沥青材料施加均匀荷载，并利用压力传感器记录不同时刻t对应的试件中心孔内的压强q(t)，利用MTI-3D非接触变形测量系统拍摄试件表面的变形，记录不同时刻t对应的试件中心点挠度ω(t)，然后根据试件中心孔内的压强q(t)和件中心点挠度ω(t)求解n元一次方程组得到各时刻的蠕变柔量，根据计算得到各时刻的蠕变柔量散点图拟合得到蠕变柔量方程中系数J_i和τ_i，从而得到蠕变柔量表达式，完成沥青类材料蠕变柔量参数的测试。本发明不受沥青材料类型、测试温度、试件尺寸的限制，同时MTS加载系统在本领域实验室应用广泛，无需开发独立的加载系统，便于本发明装置的推广应用，同时本发明的测试方法可用于测试新型改性沥青材料的粘弹参数，解决当前方法在测试橡胶改性沥青、纤维改性沥青胶浆等新材料时不准确的问题，最为重要的是本发明的测试装置可以代替DSR、BBR、UTM这些昂贵的测试仪器，可通用于测试各类沥青材料的蠕变柔量，大大节约了仪器的费用。

附图说明

图1为本发明使用的试验装置的结构示意图；

图2为试验装置的加压油缸的俯视图；

图3为试验装置的环境箱的俯视图；

图4为试验装置的压板的俯视图；

图5为试验装置的上连接杆的侧视图；

其中，1-支撑架、2-环境箱、3-试件固定架、4-加压油缸、5-MTI-3D非接触变形测量系统、6-相机、7-支撑架螺栓、8-底板、9-输油孔、10-密封圈、11-侧向钢板、12-后钢板、13-顶板、14-门、15-温湿度产生控制器、16-固定杆、17-固定杆螺栓、18-压板、19-圆孔、20-油缸壁、21-上连接杆、22-下连接杆、23-限位器、24-连接孔、25-螺纹、26-输入油管、27-储油箱、28-输出油管、29-单向阀、30-进出油孔、31-压力传感器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。

本发明包括以下步骤：

1)在带中心孔的试件表面喷白色哑光漆，后喷黑色哑光漆，在试件的表面形成散斑，然后将试件固定在密闭的环境箱(2)内，并设定环境箱(2)内的温度；

2)利用MTS疲劳试验机向试件的中心孔内施加荷载，以0.1s作为时间间隔单元，利用压力传感器记录不同时刻t对应的试件中心孔内的压强q(t)，并利用MTI-3D非接触变形测量系统拍摄试件表面的变形，记录不同时刻t对应的试件中心点挠度ω(t)；

3)根据下列n元一次方程组公式求解试件分别在时刻0.05s、0.15s、0.25s…t-0.05s的n个蠕变柔量J(0.05)、J(0.15)、J(0.25)…J(t-0.05)，n＝10t：

其中，a为试件非粘区域半径，δ为试件厚度，υ为试件的泊松比；

4)根据步骤3)求解的试件各个时刻的蠕变柔量得到蠕变柔量时间散点图，根据蠕变柔量时间散点图利用最小二乘法拟合得到Prony表达式系数J_i和延迟时间系数τ_i，从而得到下列蠕变柔量方程，完成沥青类材料蠕变柔量参数的测试：

其中，m为项数，J₀为初始蠕变柔量。

试件的制备方法包括：首先将50mm厚的钢板打磨喷漆，在钢板的中心位置钻半径为2.5mm的中心通孔；然后将半径为2.5mm圆柱体将钢板中心通孔堵住，在钢板表面以钢板中心位置为圆心，a为半径的区域内均匀涂抹薄层沥青隔离剂，形成非粘区域；最后在钢板上铺设厚度为δ的沥青材料，待沥青材料冷却形成强度后将钢板中心通孔中圆柱体缓慢取出。试件非粘区域半径a和试件厚度δ的比值a/δ大于5。沥青材料为基质沥青、改性沥青、沥青胶浆、沥青砂浆以及空隙率在2.5％以下的沥青混合料。

所述步骤3)中试件中心点挠度ω(t)的计算过程如下：

首先，由经典的圆薄板小挠度板的位移弹性解可知沥青材料中心点挠度计算公式如下：

其中，E为弹性模量，q为压强；

设泊松比υ为常量，根据Alfrey对应原理，将上式写成拉普拉斯域的表达：

由于E(s)J(s)＝1/s²，s为拉普拉斯变换参量，J为蠕变柔量，则：

对上式进行拉普拉斯逆变换，得到位移函数的时域表达：

ξ是积分变量，代表荷载变化时刻。

以每0.1s作为时间间隔单元，以每0.1s内的中间时刻的蠕变柔量值代表该时段的蠕变柔量值，则有：

试验初始时刻q₀＝0，根据试验不同时刻记录的挠度值ω(t)，则建立步骤3)的n元一次方程组。

本发明具体包括以下步骤：

1.制备试件并进行试验，测试得到试件的压强-挠度曲线(q-w)：

(1)制作带有中心孔的试件：

将50mm厚的钢板打磨、喷漆作防锈处理，以便重复使用，然后在其中心位置钻半径为2.5mm的中心孔；使用半径为2.5mm的圆柱体将钢板中心孔堵住，然后以钢板中心位置为圆心，a为半径的区域内均匀涂抹薄层沥青隔离剂，形成非粘区域；在钢板上铺设厚度为δ的沥青材料，而且沥青材料的厚度与非粘区域半径的比值a/δ应该大于5，以满足薄板的条件，待沥青材料冷却形成强度后将钢板中心孔内的圆柱体缓慢取出。

(2)在试件的表面先喷白色哑光漆，再喷黑色哑光漆，以形成散斑；

(3)将试件放于环境箱内，使试件的中心孔与密封圈中心位置对中，固定在试件固定架上；

(4)设定环境箱内的温度，对试件保温达到试验设定值；

(5)调整相机6的位置和角度，开启MTI-3D结构变形测量系统5并使用标定板对MTI-3D仪器进行标定，然后连续铺拍摄4～6张试件表面图片，由系统自行误差补偿；

(6)开启MTS疲劳试验机，设置恒定位移速率加载模式，加压油缸4推动液压油作用于试件；压力传感器31采集压强q(t)随时间的变化曲线，同时MTI-3D非接触变形测量系统5拍摄试件表面变形变化，计算得到试件表面中心点挠度ω(t)随时间的变化曲线；

2.其次根据测试得到的q-w曲线计算各时刻的蠕变柔量：

由经典的圆薄板小挠度板的位移弹性解可知距板中心点距离ρ的各点的挠度按下式计算，

可知中心点(ρ＝0)处挠度表达如下：

应用弹性-粘弹性对应原理求解薄板小挠度问题力学响应的粘弹性解。假定泊松比为常量，不随时间变化，则根据Alfrey对应原理，可将上式写成拉普拉斯域的表达：

由应力、应变的玻尔兹曼叠加方程(卷积分形式)的拉普拉斯转换可知E(s)J(s)＝1/s²，所以可进一步推出：

对上式进行拉普拉斯逆变换，得到位移函数的时域表达可知：

蠕变柔量J(t)虽然是一个关于时间t的连续函数，但是所有的试验仪器都不可能实现连续测量，均会存在一定的间隔，只是根据仪器的精密程度这种间隔的大小有所不同。按每0.1s采集一次数据，间隔已经非常短，在0.1s的时间间隔内蠕变柔量变化很小，可以使用某一恒定值代表对应0.1s时间段内的蠕变柔量，所以可用数值方法对上式进行求解，选择每0.1s内的中间时段的蠕变柔量值作为该时段的蠕变柔量的代表值，则

又因为试验初始时刻q₀＝0，所以根据试验不同时刻记录的位移值ω(t)，可建立如下方程组：

则以上方程组为n个方程组成的多元一次方程组，其中n个未知数分别为J(0.05)、J(0.15)、J(0.25)…J(n-0.05)；

3.最后根据计算得到各时刻的蠕变柔量散点图，并拟合得到蠕变柔量方程的系数J_i和τ_i，得到下列蠕变柔量方程，完成沥青类材料蠕变柔量参数的测试：

其中，m为项数，J₀为初始蠕变柔量。

参见图1，本发明的试验装置主要包括：支撑架1、环境箱2、试件固定架3、加压油缸4、MTI-3D非接触变形测量系统5等组件。支撑架1放置于平整地面上，作用是支撑整个装置的上部组件，上部组件包括环境箱2、试件固定架3。支撑架1由四个刚性圆柱体组成，圆柱体顶端设有螺纹槽，通过支撑架螺栓7和螺纹槽的连接作用实现支撑架1与环境箱2的底板8固定，进而实现支撑架对上部组件的支撑作用。

参见图3，环境箱2为正方体框架，其主要作用是在试验过程提供一定条件下的温度环境。环境箱底板8四角留有圆孔，支撑架螺栓7通过圆孔与支撑架1相连，起到固定环境箱底板8的作用，环境箱底板8可起到试验操作台和封闭环境箱的作用。

环境箱底板8中部位置留有四个圆孔以连接试件固定架3的固定杆16。环境箱底板8放置固定架对应位置的中心处开有输油孔9，液压油以输油孔9为通道在MTS疲劳试验机设置荷载作用下对试件的桥面铺装层施加荷载以模拟实际桥面上铺装层内部气体膨胀对铺装材料产生的荷载作用。环境箱底板8上输油孔9位置周围粘有橡胶密封圈10，其作用是提供一个密封环境，使液压油通过输油孔9后，能进入试件中部开的孔内。

环境箱2的两侧向钢板11和后钢板12通过环境箱底板8上的密封槽上与底板8紧密相连。环境箱顶板13为高透射率的钢化玻璃，提供一个相机6可拍摄的窗口，相机6拍摄时在环境箱正上方，镜头正对试件。环境箱前侧开有门14，以方便取放试件，环境箱前门14通过铰链与环境箱左侧钢板11连接。

试件固定架3作用为保证试件在试验过程中固定不动，相机6能够稳定拍摄到试件表面变形过程，而不受试件整体刚体位移的影响。试件固定架3由四个固定杆16，八个固定杆螺栓17和一块钢制的压板18组成。

试件固定架3通过四个固定杆16与环境箱底板8相连，固定杆16可竖直插入环境箱底板8上预制好的孔洞。

参见图4，压板18的四角设置有圆孔19，压板18通过圆孔19可与固定杆16连接，压板18中部为便于试件鼓泡变形的圆形空心，压板18平放于试件之上，通过固定杆16上下两端的固定杆螺栓17实现压板固定试件。压板中部圆形空心的半径为a，与试件钢板设置的非粘区域半径值相等。

参见图2，加压油缸4依托于MTS疲劳试验机在一定荷载作用下将液压油压入试件的圆孔，对沥青材料产生荷载作用。加压油缸4主要由油缸壁20、上连接杆21、下连接杆22和限位器23组成。

油缸壁20具有一定厚度，能够承受较高的压强。油缸壁20上设有进出油孔30，是油缸内液压油进出的通道。参见图5，上连接杆21通过连接孔24与油缸壁连接，通过螺纹25与MTS疲劳机平衡梁相连。下连接杆22与MTS疲劳机加载轴相连，疲劳机加载推动油缸内的油进入试件。

加压油缸4通过输入油管26与储油箱27连通，每次试验加压油缸中的液压油使用后，可以通过储油箱27进行补充。加压油缸4通过输出油管28与输油孔9连通。输入油管26和输出油管28均设有单向阀29，保证输入油管26和输出油管28油的流向均为单向。

MTI-3D结构变形测量系统5用于拍摄、处理、分析环境箱中试件表面变形。该设备基于数字图像相关技术对试件表面全场位移进行非接触测量，由比利时MTI公司生产。主要附件包括照明设备(为大功率的LED灯)、工业相机和计算机控制系统(包含软件)。相机拍摄时在环境箱正上方，镜头正对试件表面，拍摄频率10HZ。

本发明以测试沥青类材料蠕变柔量为目标，适用各种基质沥青、改性沥青、沥青胶浆、沥青砂浆以及空隙率在2.5％以下的沥青混合料：本发明采用MTS加载系统对试件可施加恒位移速率的简单荷载，根据帕斯卡原理通过压力传感器测试试件承受压强。是因为MTS加载系统在本领域实验室应用广泛，这就使得本专利无需开发独立的加载系统，便于推广应用。本发明通过MTI-3D非接触全场位移测量系统，可以克服以往对试件表面位移测量时传感器产生干扰的问题，同时还可以监测试件鼓泡范围内各点随时间的变形过程，克服了以往单点变形测量的缺点，保证了测试结果准确性。本发明通过环境箱中的温度设置功能，可以测试沥青类材料在不同的温度状况下的蠕变柔量。本发明试验再现性好，其可以对同一沥青材料进行多次重复试验。而且本发明中试验装置便于拆卸移动，可在不同实验室快速组装使用，易于推广应用。

Claims (7)

1.一种沥青类材料蠕变柔量参数的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将带有中心孔的试件固定在密闭的环境箱(2)内，并设定环境箱(2)内的温度对试件进行保温，直至达到设定的温度；

2)通过MTS疲劳试验机向试件的中心孔内注入液压油对沥青类材料施加均匀荷载，以0.1s作为时间间隔单元，利用压力传感器(31)记录不同时刻t时试件中心孔内的压强q(t)，并利用MTI-3D非接触变形测量系统拍摄试件表面的变形，记录不同时刻t时试件中心点挠度ω(t)；

3)根据下列n元一次方程组求解试件分别在时刻0.05s、0.15s、0.25s…t-0.05s的n个蠕变柔量J(0.05)、J(0.15)、J(0.25)…J(t-0.05)，n＝10t：

其中，a为试件设置的非粘区域半径，δ为沥青类材料厚度，υ为沥青类材料的泊松比；

4)根据步骤3)求解的沥青类材料各个时刻的蠕变柔量得到蠕变柔量时间散点图，根据蠕变柔量时间散点图，按下列蠕变柔量方程形式拟合得到方程中的Prony表达式系数J_i和延迟时间系数τ_i，得到蠕变柔量方程J(t)表达式，完成沥青类材料蠕变柔量参数的测试：

其中，m为项数，J₀为初始蠕变柔量。

2.根据权利要求1所述的一种沥青类材料蠕变柔量参数的测试方法，其特征在于，所述步骤1)中试件的制备方法包括：首先将50mm厚的钢板打磨喷漆，在钢板的中心位置钻半径为2.5mm的中心通孔；然后用半径为2.5mm圆柱体将钢板中心通孔堵住，在钢板表面以钢板中心位置为圆心，a为半径的区域内均匀涂抹薄层沥青隔离剂，形成非粘区域；最后在钢板上铺设厚度为δ的沥青类材料，待沥青类材料冷却形成强度后将钢板中心通孔中圆柱体缓慢取出。

3.根据权利要求2所述的一种沥青类材料蠕变柔量参数的测试方法，其特征在于，所述试件非粘区域半径a和试件厚度δ的比值a/δ大于5。

4.根据权利要求2所述的一种沥青类材料蠕变柔量参数的测试方法，其特征在于，所述沥青类材料为基质沥青、改性沥青、沥青胶浆、沥青砂浆或空隙率在2.5％以下的沥青混合料。

5.根据权利要求1所述的一种沥青类材料蠕变柔量参数的测试方法，其特征在于，所述步骤1)中在试件放入环境箱(2)前先在试件表面喷白色哑光漆，然后喷黑色哑光漆，在试件的表面形成散斑。

6.根据权利要求1所述的一种沥青类材料蠕变柔量参数的测试方法，其特征在于，所述步骤3)中试件中心点挠度ω(t)的计算过程如下：

首先，由经典的圆薄板小挠度板的位移弹性解可知沥青类材料中心点挠度计算公式如下：

其中，E为弹性模量，q为压强；

设泊松比υ为常量，根据Alfrey对应原理，将上式写成拉普拉斯域的表达：

由于E(s)J(s)＝1/s²，s为拉普拉斯变换参量，J为蠕变柔量，则：

对上式进行拉普拉斯逆变换，得到位移函数的时域表达：

ξ是积分变量，代表荷载变化时刻；

以每0.1s作为时间间隔单元，以每0.1s内的中间时刻的蠕变柔量值代表该时段的蠕变柔量值，则有：

试验初始时刻q₀＝0，根据试验不同时刻记录的挠度值ω(t)，则建立步骤3)的n元一次方程组。

7.根据权利要求1所述的一种沥青类材料蠕变柔量参数的测试方法，其特征在于，所述步骤4)中利用最小二乘法在蠕变柔量时间散点图中拟合得蠕变柔量方程中的到Prony表达式系数J_i和延迟时间系数τ_i。