CN107607574B - 基于损耗模量峰值的相态转化温度变化评价沥青混合料水稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于损耗模量峰值的相态转化温度变化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，采用三次曲线模型拟合损耗模量曲线，并确定损耗模量的最大值及其相应的温度，该温度为沥青混合料的相态转化温度，以浸水前后相态转化温度的变化率实现对沥青混合料水稳定性的有效评价，变化率越小，水稳定性越好。
Description
技术领域
本发明是一种基于损耗模量峰值的相态转化温度变化评价沥青混合料水稳定性的方法，即通过动态力学试验得到沥青混合料切片试件浸水前后损耗模量变化曲线，以浸水前后损耗模量峰值对应温度的变化率来评价沥青混合料水稳定性的试验方法。
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。水损害对沥青混合料粘弹特性的损伤是使其路用性能下降的重要原因。沥青混合料属于典型的热粘弹性材料，在不同的温度下表现出不同力学特性，即存在不同的相态，而通过动态力学的实验方法可以实现对沥青混合料粘弹特性及相态转变的研究。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。通过动态力学试验可以得到沥青混合料的复模量、弹性模量、损耗模量随温度变化的曲线，模量曲线的特征反映了沥青混合料粘弹特性。损耗模量又称粘性模量，其大小代表沥青混合料发生形变时，由于粘性形变(不可逆)而损耗的能量大小，反映材料粘性大小。在一定温度范围内，损耗模量曲线存在峰值点，峰值点温度可表征沥青混合料的相态转变温度，以此来研究沥青混合料在一定温度范围内的相态转变特性。因此本发明基于动态力学理论，提出浸水前后损耗模量峰值点温度变化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
本发明是运用动态力学的实验方法得到沥青混合料一定温度范围内损耗模量曲线，根据损耗模量峰值点温度确定沥青混合料的相态转变温度，通过比较浸水前后量峰值点温度变化，评价沥青混合料水稳定性的高低。
基于损耗模量峰值的相态转化温度变化，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)采用三次曲线模型拟合损耗模量曲线，并确定损耗模量的最大值及其相应的温度，该温度为沥青混合料的相态转化温度；
(6)根据统计分析，确定浸水与未浸水试件的相态转化温度的差值，该差值与未浸水试件的相态转化温度的比值称为变化率，作为评价这种沥青混合料水稳定性的指标，变化率较小，该沥青混合料水稳定性更好。
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。
所述沥青混合料的相态转化温度的确定方法为根据模量曲线，选取峰值点附近一定温度范围内的模量数据进行三次曲线模型拟合，根据曲线方程确定沥青损耗模量最大值及其相应的温度，该温度为沥青混合料的相态转化温度。
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。
所述变化率为A组浸水试件与B组未浸水试件相态转化温度的差值与B组未浸水试件的相态转化温度比值即为变化率，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，相态转化温度采用多个平行试件的平均值。优选4个平行试件。
所述沥青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
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。
本发明提出了采用损耗模量曲线的峰值点作为沥青混合料的相态转化温度，并采用规定的试验条件，确定相态转化温度在不同浸水条件下的变化指标，并采用相态转化温度的变化率评价沥青混合料水稳定性，变化率越小，水稳定性越好。实验表明，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，与本发明实施例中的评价结果相符，即石灰岩要比花岗岩沥青混合料水稳定性好。
附图说明
图1沥青混合料切片试件，
A：试件薄片与1元硬币大小比较，B：马歇尔试件与试件薄片切割模型图，
图2损耗模量随温度变化曲线，
图3沥青混合料损耗模量拟合曲线。
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#基质沥青，沥青的性能指标如下表1；矿料选取海南福岭石灰岩、海南大圆花岗岩，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# | 72.3 | 55.5 | ＞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力学试验
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损耗模量曲线图如图2所示。
损耗模量值先增大后减小且存在峰值点，对于具有较高温度敏感性的沥青混合料而言，随着温度的升高，其中沥青所含有的高分子组分热运动加强，材料不可逆形变明显增强，即表现为损耗模量的增大；而随着温度的进一步升高，在达到同等应变的情况下所受应力水平减小，即损耗模量值(包括复数模量和弹性模量)迅速减小。浸水作用对沥青沥青混合料产生损伤作用后，表现在损耗模量随温度变化的曲线上即是峰值点的变化，本发明以浸水前后两组沥青混合料损耗模量峰值点对应温度的差值作为评价沥青混合料水稳定性的指标。
步骤5：采用三次曲线模型拟合损耗模量曲线，并确定混合料相态转化温度。
根据动态力学试验的到的损耗模量曲线，选取峰值点温度一定范围内的损耗模量数据进行三次曲线拟合，根据曲线拟合方程，确定损耗模量峰值点及对应的相态转化温度。以石灰岩与70#沥青成型的混合料未浸水试件中的平行试件2为例，曲线拟合如图3所示。
由三次曲线拟合得到的一定温度范围内损耗模量与温度的关系方程为：
y＝2199.4+71.70χ+0.50χ2-011χ3
根据方程可以确定曲线极大值点坐标，即得到损耗模量的峰值为3024.6MPa，峰值点对应的相态转化温度为16.33℃。
步骤6：计算浸水和未浸水混合料相态转化温度的差值并评价混合料水稳定性
采用步骤5的方法到其它混合料的相态转化温度如表3所示。
表3 沥青混合料相态转化温度数据
根据步骤4确定的沥青混合料评价指标，得到本发明的试验材料的沥青混合料损耗模量峰值点温度数据如表4所示。
表4 沥青混合料损耗模量峰值点温度数据
根据表4中数据，石灰岩与70#沥青成型的沥青混合料浸水后峰值点对应相态转化温度差值为2.69℃，变化率为15.2％，花岗岩与70#沥青成型的沥青混合料浸水后峰值点对应相态转化温度差值为7.85℃，变化率为52.7％，浸水作用对石灰岩沥青混合料相态转化温度影响较小，即根据本发明确定的沥青混合料水稳定性评价指标，石灰岩沥青混合料的水稳定性要好于花岗岩。
Claims (6)
1.基于损耗模量峰值的相态转化温度变化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)采用三次曲线模型拟合损耗模量曲线，并确定损耗模量的最大值及其相应的温度，该温度为沥青混合料的相态转化温度；
(6)根据统计分析，确定浸水与未浸水试件的相态转化温度的差值，该差值与未浸水试件的相态转化温度的比值称为变化率，作为评价这种沥青混合料水稳定性的指标，变化率较小，该沥青混合料水稳定性更好；
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；
所述变化率为A组浸水试件与B组未浸水试件相态转化温度的差值与B组未浸水试件的相态转化温度比值即为变化率，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；
所述沥青混合料的相态转化温度的确定方法为根据模量曲线，选取峰值点附近一定温度范围内的模量数据进行三次曲线模型拟合，根据曲线方程确定沥青损耗模量最大值及其相应的温度，该温度为沥青混合料的相态转化温度。
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，相态转化温度采用多个平行试件的平均值。
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，所述沥青混合料试件为圆柱形试件，圆柱形试件尺寸为
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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