CN108181450A - 一种沥青混合料水稳定性评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沥青混合料水稳定性评价方法，该方法包括选取沥青和石料，按要求制作获得沥青混合料试件；将所述沥青混合料试件切割成方形试件薄片；将所述试件薄片分为两组，其中一组按规定的环境条件进行饱水处理获得第一组试件；另一组室温空气条件保存获得第二组试件。本发明提供的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Bolzmann模型拟合复模量曲线得到沥青混合料高弹态服役温度区间变化，以浸水前后高弹态服役温度区间的变化率实现对沥青混合料水稳定性的有效评价。

Description

一种沥青混合料水稳定性评价方法
技术领域
本发明涉及公路材料性能评价方法技术领域，特别是涉及一种基于高弹态服役温度区间变化的沥青混合料水稳定性评价方法。
背景技术
相态转变是非晶态高分子材料固有的性质，是高分子运动形式转变的宏观体现，它直接影响到材料的使用性能和工艺性能，因此长期以来它都是高分子物理研究的主要内容。对于非晶聚物，对它施加恒定的力，观察它发生的形变与温度的关系，通常称为温度形变曲线或热机械曲线。非晶聚物有四种力学状态，它们是玻璃态、高弹态、粘弹态和粘流态。在温度较低时，材料为刚性固体状，与玻璃相似，在外力作用下只会发生非常小的形变，此状态即为玻璃态：当温度继续升高到一定范围后，材料的形变明显地增加，此状态即为高弹态；在随后的一定温度区间形变相对稳定，此状态即为粘弹态；温度继续升高形变量又逐渐增大，材料逐渐变成粘性的流体，此时形变不可能恢复，此状态即为粘流态。动态力学分析方法是研究粘弹性材料相态转化的重要手段，沥青混合料属于典型的粘弹性材料，在不同的环境和荷载的作用下，表现出不同力学特性。
水稳定性是指某种物质受水的影响程度，也叫物质的防水性能或抗水性能。拌沥青混合料是沥青与一定级配的矿物集料和矿粉经加热拌和后的混合材料，主要用于修筑沥青路面。一般沥青混合料路面的设计寿命为10～15年。然而，由于沥青混合料的水稳定性不足，我国很多沥青路面在使用几年内(甚至1～3年内)出现早期损坏，如坑槽、松散等病害，这已经成为我国高速公路沥青路面破坏的主要形式之一。因此，混合料的水稳定性直接影响沥青路面的使用年限。为了保证沥青路面具有较高的抗水损坏性能，提高沥青路面的耐久性，必须对组成沥青路面的材料进行水稳定性能的评价。
发明内容
本发明提供了一种沥青混合料水稳定性评价方法。
本发明提供了如下方案：
一种沥青混合料水稳定性评价方法，包括：
选取沥青和石料，按要求制作获得沥青混合料试件；
将所述沥青混合料试件切割成方形试件薄片；
将所述试件薄片分为两组，其中一组按规定的环境条件进行饱水处理获得第一组试件；另一组室温空气条件保存获得第二组试件；
使用动态力学分析仪分别对所述第一组试件以及所述第二组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，获得相应的第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线；
采用Bolzmann模型将所述第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线进行拟合，并由此计算出所述第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线各自在高温和低温条件下的拐点温度，各自的两个温度的差即为所述第一组试件以及第二组试件在高弹服役状态下的第一温度区间以及第二温度区间；
通过确定的所述第一温度区间以及第二温度区间，计算该混合料在两种条件下温度区间的变化率，作为评价这种沥青混合料水稳定性的指标。
优选的：所述动态力学分析仪为Dynamic Mechanical Analyzer分析仪，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。
优选的：所述Bolzmann模型将所述第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线进行拟合，包括：求得拟合曲线参数，从而得到曲线高温、低温渐近线以及中点切线，中点切线与高、低温渐近线的交点对应的温度即为拐点温度，用T1、T2表示，两个温度的差(T2-T1)即为沥青混合料在高弹服役状态下的温度区间。
优选的：第一组试件与第二组试件分别采用多个平行试件，温度区间采用多个平行试件的平均值。
优选的：所述温度区间的变化率为第一组试件与第二组试件温度区间的差值与第二组试件的温度区间的比值。
优选的：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，冷却至室温后既得所述第一组试件。
优选的：所述沥青混合料试件按照现场压实度水平成型。
优选的：所述沥青混合料试件为圆柱形试件，圆柱形试件尺寸为
优选的：所述圆柱形试件为按照2011版《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0702成型标准AC13制作而成的马歇尔试件圆柱体，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。
优选的：所述试件薄片尺寸为60±2mm×13±1mm×3.5±0.2mm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
通过本发明，可以实现一种沥青混合料水稳定性评价方法，在一种实现方式下，该方法可以包括选取沥青和石料，按要求制作获得沥青混合料试件；将所述沥青混合料试件切割成方形试件薄片；将所述试件薄片分为两组，其中一组按规定的环境条件进行饱水处理获得第一组试件；另一组室温空气条件保存获得第二组试件；使用动态力学分析仪分别对所述第一组试件以及所述第二组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，获得相应的第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线；采用Bolzmann模型将所述第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线进行拟合，并由此计算出所述第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线各自在高温和低温条件下的拐点温度，各自的两个温度的差即为所述第一组试件以及第二组试件在高弹服役状态下的第一温度区间以及第二温度区间；通过确定的所述第一温度区间以及第二温度区间，计算该混合料在两种条件下温度区间的变化率，作为评价这种沥青混合料水稳定性的指标；变化率越小，水稳定性越好。本发明提供的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Bolzmann模型拟合复模量曲线得到沥青混合料高弹态服役温度区间变化，以浸水前后高弹态服役温度区间的变化率实现对沥青混合料水稳定性的有效评价。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的马歇尔试件模型图；
图2是本发明实施例提供的试件薄片切割模型图；
图3是本发明实施例提供的复数模量随温度变化曲线图；
图4是本发明实施例提供的高弹态温度区间确定方法示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请提供了一种沥青混合料水稳定性评价方法，该方法包括：
选取沥青和石料，按要求制作获得沥青混合料试件；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
将所述沥青混合料试件切割成方形试件薄片；所述圆柱形试件为按照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制作而成的马歇尔试件圆柱体，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。
将所述试件薄片分为两组，其中一组按规定的环境条件进行饱水处理获得第一组试件；另一组室温空气条件保存获得第二组试件；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，冷却至室温后既得所述第一组试件。
使用动态力学分析仪分别对所述第一组试件以及所述第二组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，获得相应的第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线；所述动态力学分析仪为Dynamic Mechanical Analyzer分析仪，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Bolzmann模型将所述第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线进行拟合，并由此计算出所述第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线各自在高温和低温条件下的拐点温度，各自的两个温度的差即为所述第一组试件以及第二组试件在高弹服役状态下的第一温度区间以及第二温度区间；所述Bolzmann模型将所述第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线进行拟合，包括：求得拟合曲线参数，从而得到曲线高温、低温渐近线以及中点切线，中点切线与高、低温渐近线的交点对应的温度即为拐点温度，用T1、T2表示，两个温度的差(T2-T1)即为沥青混合料在高弹服役状态下的温度区间。第一组试件与第二组试件分别采用多个平行试件，温度区间采用多个平行试件的平均值。
通过确定的所述第一温度区间以及第二温度区间，计算该混合料在两种条件下温度区间的变化率，作为评价这种沥青混合料水稳定性的指标；变化率越小，水稳定性越好。所述温度区间的变化率为第一组试件与第二组试件温度区间的差值与第二组试件的温度区间的比值。
动态力学分析方法是研究粘弹性材料相态转化的重要手段，沥青混合料属于典型的粘弹性材料，在不同的环境和荷载的作用下，表现出不同力学特性。通过宽温度域内一定频率、应变的动态力学扫描可以得到沥青混合料的复模量、储能模量、损耗模量随温度的变化曲线，模量曲线的变化特征反应了沥青混合料的相态转变过程。而通过浸水前后相态温度转变的变化对比分析浸水作用对沥青混合料的粘弹特性的损伤程度，进而实现对沥青混合料的水稳定性评价。本发明运用动态力学分析方法，提出以浸水前后沥青混合料高弹态服役温度区间变化来评价沥青混合料的水稳定性的试验方法。
本发明提出了基于高弹态服役温度区间变化评价沥青混合料水稳定性的方法，包括实验步骤、实验参数、评价指标，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复模量随温度变化曲线，采用Bolzmann模型拟合复模量曲线得到沥青混合料高弹态服役温度区间变化，以浸水前后高弹态服役温度区间的变化率实现对沥青混合料水稳定性的有效评价。本发明中除对压实度提出了特殊要求外，对沥青、矿料、级配没有要求，因此该发明可以用于评价不同沥青、不同矿料、不同级配设计所成型沥青混合料水稳定性的好坏。
本发明提供的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Bolzmann模型拟合复模量曲线得到沥青混合料高弹态服役温度区间变化，以浸水前后高弹态服役温度区间的变化率实现对沥青混合料水稳定性的有效评价。
下面通过具体实施例对本申请提供的方案做详细介绍，其中所用试剂以及设备均采用市售产品即可。
实施例
具体实施步骤如下：
步骤1：选取沥青和石料，按规定要求成型沥青混合料
沥青选用70#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# 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，并按照最佳油石比状态下混合料干密度的98％成型AC13马歇尔试件圆柱体，实现现场压实度水平的混合料试件的成型，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、图2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/×106
-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3所示。
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，复数模量随温度变化的特征反映了混合料在不同温度下的粘弹特性，由动态力学扫描得到的沥青混合料复数模量随温度的变化曲线如图3所示。由图3可以看出，复数模量随温度的升高呈反S曲线变化关系。沥青混合料虽属于粘弹性材料，但其具有非均质、各向异性特点的复杂混合物材料，其复数模量随温度的变化曲线不同于一般的非晶聚合物材料，沥青混合料不具有典型的玻璃态、高弹态、粘弹态和粘流态四种物理状态的转变。如图3所示作沥青混合料复数模量曲线的相态转变划分，可以看出：沥青混合料在-30℃到80℃的温度区间内存在三个相态，即玻璃态、高弹态、粘弹态(引用非晶态高分子材料对物理相态的表述)。
步骤5：确定沥青混合料高弹服役状态温度区间
根据步骤4得到的复模量曲线，采用Bolzmann模型拟合复模量曲线，得到拟合方程参数，从而得到模量曲线在高温区间渐近线：y＝A2，低温区间渐近线：y＝A1，以及中点切线，中点切线与高、低温渐近线的交点对应的温度即为拐点温度(由T1、T2表示)，两个拐点温度(T2-T1)的差即为沥青混合料在高弹服役状态下的温度区间。沥青混合料高弹服役状态温度区间确定方法如图4所示。
本发明根据石灰岩、花岗岩与70#沥青成型的两种沥青混合料模量曲线Bolzmann拟合参数数据计算得到沥青混合料高低温拐点温度以及温度区间如表3所示，
表3沥青混合料相态转化温度数据
步骤6：确定温度区间变化率评价沥青混合料水稳定性
根据步骤5数据确定浸水与第二组试件的温度区间的平均值，A组第一组试件与B组第二组试件温度区间的差值与第二组试件的温度区间的比值即为高弹态温度区间变化率，作为评价这种沥青混合料水稳定性的指标。
本发明选取的两种沥青混合料高弹态温度区间变化率数据如表4所示。
表4沥青混合料高弹态服役温度区间数据
材料 未浸水温度区间/℃ 浸水温度区间/℃ 变化率/％
石灰岩-70# 40.1 37.8 -6.7
花岗岩-70# 41.5 34.5 -16.9
由表4中实验数据可得，石灰岩与70#沥青成型的沥青混合料浸水后高弹态服役温度区间变化率为-6.7％，花岗岩与70#沥青成型的沥青混合料浸水后高弹态服役温度区间变化率为-16.9％，即表明石灰岩与70#沥青成型的沥青混合料浸水后高弹态服役温度区间变化率要小于花岗岩，同样说明浸水作用对石灰岩沥青混合料损伤作用较小。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。这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相符，即石灰岩要比花岗岩沥青混合料水稳定性好。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种沥青混合料水稳定性评价方法，其特征在于，所述方法包括：选取沥青和石料，按要求制作获得沥青混合料试件；将所述沥青混合料试件切割成方形试件薄片；
将所述试件薄片分为两组，其中一组按规定的环境条件进行饱水处理获得第一组试件；另一组室温空气条件保存获得第二组试件；使用动态力学分析仪分别对所述第一组试件以及所述第二组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，获得相应的第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线；采用Bolzmann模型将所述第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线进行拟合，并由此计算出所述第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线各自在高温和低温条件下的拐点温度，各自的两个温度的差即为所述第一组试件以及第二组试件在高弹服役状态下的第一温度区间以及第二温度区间；通过确定的所述第一温度区间以及第二温度区间，计算该混合料在两种条件下温度区间的变化率，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，其特征在于，所述动态力学分析仪为DynamicMechanical Analyzer分析仪，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。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Bolzmann模型将所述第一温度－复模量试验曲线以及第二温度－复模量试验曲线进行拟合，包括：求得拟合曲线参数，从而得到曲线高温、低温渐近线以及中点切线，中点切线与高、低温渐近线的交点对应的温度即为拐点温度，用T1、T2表示，两个温度的差（T2-T1）即为沥青混合料在高弹服役状态下的温度区间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一组试件与第二组试件分别采用多个平行试件，温度区间采用多个平行试件的平均值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温度区间的变化率为第一组试件与第二组试件温度区间的差值与第二组试件的温度区间的比值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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，冷却至室温后既得所述第一组试件。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沥青混合料试件按照现场压实度水平成型。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述沥青混合料试件为圆柱形试件，圆柱形试件尺寸为Ø101.6mm×63.5mm。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述圆柱形试件为按照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制作而成的马歇尔试件圆柱体，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。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述试件薄片尺寸为60±2 mm×13±1mm×3.5±0.2mm。
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