CN107462471B - 基于切片试件复模量损伤评价沥青混合料水稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于切片试件复模量损伤评价沥青混合料水稳定性的方法，属于公路材料性能评价方法领域。本发明方法将沥青混合料切成薄片，分为浸水与未浸水两种实验，通过动态力学试验，在固定应变、频率在宽温域范围内变化，获得相应的温度－复模量试验曲线，绘制不同温度条件下混合料残留复模量的变化曲线，并采用BiGaussian曲线拟合，得到每种沥青混合料最小残留复模量，并作为评价这种沥青混合料水稳定性的指标。

Description

基于切片试件复模量损伤评价沥青混合料水稳定性的方法
技术领域
本发明是一种基于切片试件复数模量损伤来评价沥青混合料水稳定性的方法，即通过测定沥青混合料切片试件浸水前后粘弹性能变化，以复数模量的损伤程度为指标，评价沥青混合料水稳定性的方法。
背景技术
水损害问题严重影响了沥青路面的使用功能及服役寿命，是沥青路面早期病害的主要形式，给国家带来了巨大的经济损失。国内外的专家学者针对沥青路面的水损害问题已经做了大量的研究工作，从微细观的角度研究沥青与集料的粘附机理到对沥青混合料试件水稳定性能的评价等各方面的研究，取得了一定的研究成果。其中对沥青混合料试件水稳定性的研究，即浸水后沥青混合料的性能研究是对沥青混合料抗水损害性能研究的重要方法。
动态力学分析是在程序控温下，粘弹性材料在动态荷载作用下其动态模量和阻尼系数与温度关系的一种分析方法，沥青混合料属于典型的热粘弹性材料，沥青混合料的粘弹特性是影响沥青路面使用性能的重要因素。复数模量代表沥青混合料在受到外力作用时抵抗形变的能量大小，复数模量越大，表明材料抵抗形变的能力越强。而浸水前后沥青混合料复数模量的变化表征了浸水作用对混合料粘弹性能的损害程度，因此本发明基于动态力学理论，提出沥青混合料切片试件复模量损伤评价混合料水稳定性的实验方法，实现对沥青混合料抗水损害性能的有效评价。
发明内容
本发明的目的是运用动态力学分析理论，通过切片试件浸水前后复模量损伤来评价沥青混合料水稳定性的方法。
基于切片试件复模量损伤评价沥青混合料水稳定性的试验方法，包括如下步骤：
(1)选取沥青和石料，按要求成型沥青混合料试件；
(2)将沥青混合料试件切割成方形试件薄片；
(3)将试件薄片分为两组，其中一组按规定的环境条件进行饱水处理；另一组常温空气条件；
(4)对浸水和未浸水试件进行动态力学试验，固定应变、频率在宽温域范围内变化，获得相应的温度－复模量试验曲线；
(5)根据试验得到的复模量与温度关系曲线，按照统计方法，计算得到不同温度条件下混合料残留复模量，所述混合料残留复模量为浸水后薄片试件的复模量与未浸水薄片试件复模量百分比值；
(6)绘制不同温度条件下混合料残留复模量的变化曲线，并采用BiGaussian曲线拟合，得到每种沥青混合料最小残留复模量，并作为评价这种沥青混合料水稳定性的指标；最小残留复模量越大，水稳定性越好。
所述动态力学试验为使用动态力学分析仪Dynamic Mechanical Analyzer对沥青混合料进行分析，夹具选用双悬臂，受力形式为三点弯拉模式，两端固定中心加载，试验参数如下：扫描温度范围：-30～80℃；升温速率：2℃/min；频率：1Hz；应变：25με。
采用BiGaussian曲线拟合温度与混合料残留复模量曲线，求得拟合曲线参数，得到y0和H参数，H+y0就是这种沥青混合料最小残留复模量，并作为评价这种沥青混合料水稳定性的指标。
所述饱水处理为将沥青混合料试件薄片浸入恒温60℃的水箱中，浸水时间为48h，取出后擦干试件表面水分，冷却至室温后立即进行动态力学分析试验，称为A组试件；另一组试件室温状态保存，称为B组试件。
所述残留复模量为A组浸水试件与B组未浸水试件的复模量比值，以最小残留复模量作为评价这种沥青混合料水稳定性的指标。
所述A组浸水试件与B组未浸水试件采用多个平行试件，复模量取平行试件的均值。优选4个平行试件。
所述沥清混合料试件按照现场压实度水平成型。
所述沥青混合料试件为圆柱形试件，圆柱形试件尺寸为
Figure GDA0002625697500000021
所述步骤(1)按照2011版《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0702成型标准AC13马歇尔试件圆柱体，所述切割为采用竖式切割的方式，马歇尔试件的高度成为试件薄片的长，马歇尔试件的直径或直径平行方向成为试件薄片的宽。
所述试件薄片尺寸为60±2mm×13±1mm×3.5±0.2mm。
本发明研究提出了切片试件复模量损伤评价沥青混合料水稳定性的方法，通过运用动态力学分析方法，得到浸水和未浸水沥青混合料的残留复模量，以模量损伤最大时对应的最小残留复模量为指标实现了对沥青混合料的水稳定性的有效评价。
实验表明，本发明评价的3种沥青混合料中石灰岩与70#-1基质沥青水稳定性最好，最小残留复模量为73.0％；花岗岩与70#-1沥青成型的沥青混合料水稳定性最差，最小残留复模量值为29.8％。本发明的方法与工程实际应用中普遍认为石灰岩沥青混合料水稳定性更好，即石灰岩要比花岗岩沥青混合料水稳定性好的结论相符。
附图说明
图1沥青混合料切片试件
图2沥青混合料复模量曲线
图3 BiGaussian曲线模型及参数
图4不同温度下复模量残留复模量变化曲线
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步的详细说明。
根据本发明的内容，具体实施步骤如下：
步骤1：选取沥青和石料，按一定要求成型沥青混合料试件
沥青选用70#-1、70#-2两种基质沥青，沥青的性能指标如下表1；矿料选取石灰岩、花岗岩，其性能指标满足所使用的实体工程的要求或按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的要求。
表1：沥青性能指标
沥青种类 针入度/(0.1mm) 软化点/℃ 延度/(15℃)(cm)
70#-1 71.4 54 ＞100
70#-2 74.4 53.8 ＞100
根据选取的原材料，本发明以成型AC13沥青混合料为例，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(2011版)T 0702成型方法，确定沥青混合料的最佳油石比，并按照最佳油石比状态下混合料毛体积密度的98％进行现场压实度水平的混合料试件的成型(成型方法可以是静压法或者旋转压实法)，并以此压实度水平的试件进行水稳定性评价。
步骤2：按试验要求，将混合料试件切割成若干规定尺寸的薄片
试验使用精密切割仪对步骤1成型的沥青混合料试件进行切割，试件切割尺寸为60±2mm×13±1mm×3.5±0.2mm，如图1所示。
步骤3：将试件薄片分为两组，一组按规定的环境条件进行饱水处理
为能考察沥青混合料浸水后的粘弹性能变化，本发明将上一步骤切割的试件分两组，其中一组进行浸水处理，即将沥青混合料切片试件浸入恒温60℃的水箱中，浸水时间为48h，取出后擦干试件表面水分，冷却至室温后立即进行动态力学分析试验，成为A组试件；另一组试件室温状态保存，称为B组试件
步骤4：沥青混合料切片试件动态复模量试验
本发明使用动态力学分析仪Dynamic Mechanical Analyzer(DMA)对沥青混合料进行分析，夹具选用双悬臂，受力形式为三点弯拉模式，两端固定中心加载，加载方式为固定应变、频率在宽温域范围内的动态力学扫描，每种混合料平行做4组试验，扫描参数如表2所示：
表2动态力学扫描参数
扫描温度范围 升温速率/(℃/min) 频率/Hz 应变/×10<sup>6</sup>
-30～80℃ 2 1 25
对于浸水后的沥青混合料试件采取同样的动态力学分析扫描方法，每种沥青混合料做4组平行试验。
由动态力学扫描得到的混合料复数模量曲线图如图2所示。
步骤5：计算得到不同温度条件下混合料的残留复模量
复数模量代表沥青混合料在受到外力作用时抵抗形变的能量大小，复数模量越大，表明材料抵抗形变的能力越强，本发明以沥青混合料复模量曲线为分析对象，根据混合料复模量随温度的变化曲线得到在温度为10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃时的复模量值，浸水和未浸水混合料四组试件平均值如表3所示。
表3浸水和未浸水混合料复模量数值
Figure GDA0002625697500000041
Figure GDA0002625697500000051
根据表3中数据得到三种材料不同温度下的复模量数值平均值，并将浸水后A组试件的复模量除以未浸水B组试件复模量数值，得到不同温度条件下混合料复模量的残留复模量，其数值如表4所示。
表4沥青混合料复模量数值
Figure GDA0002625697500000052
注：花岗岩-70#-1沥青混合料浸水试件平行1数据异常，去除。
步骤6：确定最小残留复模量评价沥青混合料水稳定性
作不同温度下残留复模量曲线，并采用BiGaussian曲线拟合，得到y0和H参数，H+y0就是这种沥青混合料模量最小残留复模量。BiGaussian曲线模型如图3所示。
根据表4中数据作3种沥青混合料在不同温度下复模量残留复模量曲线，采用BiGaussian曲线拟合结果如图4所示。根据BiGaussian曲线拟合得到y0和H参数，并计算H+y0得到沥青混合料模量最小残留复模量，如表5所示。
表5 BiGaussian曲线拟合参数
Figure GDA0002625697500000053
由表5中数据可得到3种沥青混合料复模量最小残留复模量，本发明以最小残留复模量作为评价沥青混合料水稳定性的指标，最小残留复模量越大说明浸水作用对沥青混合料粘弹性能损伤程度越小，沥青混合料水稳定性越好。本发明评价的3种沥青混合料中石灰岩与70#-1基质沥青水稳定性最好，最小残留复模量为73.0％；花岗岩与70#-1沥青成型的沥青混合料水稳定性最差，最小残留复模量值为29.8％。

Claims (6)

1.基于切片试件复模量损伤评价沥青混合料水稳定性的方法，包括如下步骤：
(1)选取沥青和石料，按要求成型沥青混合料试件；
(2)将沥青混合料试件切割成方形试件薄片；
(3)将试件薄片分为两组，其中一组按规定的环境条件进行饱水处理；另一组常温空气条件；
(4)对浸水和未浸水试件进行动态力学试验，固定应变、频率在宽温域范围内变化，获得相应的温度－复模量试验曲线；
(5)根据试验得到的复模量与温度关系曲线，按照统计方法，计算得到不同温度条件下混合料残留复模量，所述混合料残留复模量为浸水后薄片试件的复模量与未浸水薄片试件复模量百分比值；
(6)绘制不同温度条件下混合料残留复模量的变化曲线，并采用BiGaussian曲线拟合，得到每种沥青混合料最小残留复模量，并作为评价这种沥青混合料水稳定性的指标；最小残留复模量越大，水稳定性越好；
所述饱水处理为将沥青混合料试件薄片浸入恒温60℃的水箱中，浸水时间为48h，取出后擦干试件表面水分，冷却至室温后立即进行动态力学分析试验，称为A组试件；另一组试件室温状态保存，称为B组试件；
所述残留复模量为A组浸水试件与B组未浸水试件的复模量比值，以最小残留复模量作为评价这种沥青混合料水稳定性的指标；
所述动态力学试验为使用动态力学分析仪Dynamic Mechanical Analyzer对沥青混合料进行分析，夹具选用双悬臂，受力形式为三点弯拉模式，两端固定中心加载，试验参数如下：扫描温度范围：-30～80℃；升温速率：2℃/min；频率：1Hz；应变：25με；
所述采用BiGaussian曲线拟合得到温度与混合料残留复模量曲线，求得拟合曲线参数，得到y0和H参数，H+y0就是这种沥青混合料最小残留复模量，并作为评价这种沥青混合料水稳定性的指标。
2.根据权利要求1所述的方法，所述A组浸水试件与B组未浸水试件采用多个平行试件，复模量取平行试件的均值。
3.根据权利要求1所述的方法，所述沥青 混合料试件按照现场压实度水平成型。
4.根据权利要求3所述的方法，沥青混合料试件为圆柱形试件，圆柱形试件尺寸为
Figure FDA0002443058530000011
5.根据权利要求4所述的方法，所述步骤(1)按照2011版《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0702成型标准AC13马歇尔试件圆柱体，所述切割为采用竖式切割的方式，马歇尔试件的高度成为试件薄片的长，马歇尔试件的直径或直径平行方向成为试件薄片的宽。
6.根据权利要求5所述的方法，所述试件薄片尺寸为60±2mm×13±1mm×3.5±0.2mm。
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