CN108776213A - 一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法，包括如下步骤：步骤一：对高分子聚合物混合料进行配合比设计；步骤二：确定集料碎石、高分子粘结剂的胶石比；步骤三：取集料碎石、高分子粘结剂按照配合比拌和，成型试件，对其进行劈裂试验确定其养护期龄；步骤四：根据确定好的级配与胶石比用轮碾成型车辙试验板；步骤五：待到达养护时间后，将其切割成梁式试件；步骤六：对成型好的试件进行四点加载的小梁疲劳试验。本申请通过控制大应变，提出了适用于高分子聚合物混凝土的评价方法。与普通沥青混合料的疲劳寿命不同，高分子聚合物混凝土疲劳寿命能达到百万级别，所以普通针对沥青混合料的疲劳寿命方法并不适用。
Description
技术领域
本发明属于道路材料工程技术领域，涉及一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法。
背景技术
沥青路面使用期间在气温环境影响下经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复超过一定次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面出现裂纹，最终会产生疲劳断裂破坏。
钢桥面板由于在加荷条件下其纵肋和主梁腹板产生大的变形，往往会引起开裂，所以钢桥面板铺装所使用的材料必须能够承受这种变形的反复出现。在车轮荷载作用下，正交异性板上的钢桥面铺装位于网格状的肋条部位，将形成较大拉应力的反复作用，容易导致铺装层的疲劳开裂。加之大跨径钢桥桥面大变形的特性，要求桥面铺装具有优良的柔韧性和适应变形的能力，以避免铺装层早期疲劳开裂。大量的研究和观察分析认为，抗疲劳开裂和抗永久变形是钢桥桥面铺装结构的两个重要性能。
混合料的抗疲劳性能直接影响桥面铺装层的使用寿命，是铺装材料选择中的一个重要指标。钢桥面铺装在行车荷载作用下容易产生两种疲劳破坏形式，即在纵向加劲肋顶部或在纵向腹板顶部出现纵向开裂和铺装层与钢板之间粘结力丧失出现脱层现象。目前评价疲劳的方法是针对与通常的沥青混合料所设计的，一般是控制应力或者应变的大小，但是由于沥青混合料本身的性质和强度不同于高分子聚合物混凝土，评价沥青类材料疲劳寿命的方法可能无法满足高分子聚合物混凝土的要求，所以，对高分子聚合物混凝土疲劳性能的研究尤为重要。
专利申请号为201410027525.4的发明专利公开了一种沥青砂和改性沥青砂桥面铺装防水粘结层抗剪切性能的评价方法，采用如下方法实现：首先制备剪切复合试件，在室温条件下，取出养生28天并晾干的尺寸为300mm×300mm×50mm的设计标号的水泥混凝土试件，表面刮浆处理后，在其表面涂抹粘层油，再按设计厚度在其上加铺桥面铺装层沥青混合料，碾压成型剪切复合试件，沿轮碾方向切割成规定尺寸的试件，进行冻融循环试验，一组试件不真空饱水，将另一组试件真空饱水后放入塑料袋中，加入约15mL水，在-18℃下冻16h后，立即放入60℃恒温水槽中，保温24h，两组试件均浸入60℃的恒温水槽中不少于2h；进行剪切试验，计算冻融循环抗剪强度比RSR，要求RSR≥85％，但是该专利并没有涉及基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法。鉴于现有钢桥面铺装材料的不足和高分子聚合物的性能特点，为提高钢桥面铺装层的使用寿命，本发明开发一种高分子聚合物混凝土作为钢桥面新型铺装材料。混合料的抗疲劳性能直接影响桥面铺装层的使用寿命，是铺装材料选择中的一个重要指标。钢桥面铺装在行车荷载作用下容易产生两种疲劳破坏形式，即在纵向加劲肋顶部或在纵向腹板顶部出现纵向开裂和铺装层与钢板之间粘结力丧失出现脱层现象。根据高分子聚合物的固有性质，因此采用控制大应变参数的方法评价其疲劳寿命。
本发明提供了如下的技术方案：
一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法，包括如下步骤：
步骤一：对高分子聚合物混合料进行配合比设计；
步骤二：确定集料碎石、高分子粘结剂胶石比；
步骤三：取集料碎石、高分子粘结剂按照配合比拌和，成型试件，对其进行劈裂试验确定其养护期龄；
步骤四：根据确定好的级配与胶石比用轮碾成型车辙试验板；
步骤五：待到达养护时间后，将其切割成梁式试件；
步骤六：对成型好的试件进行四点加载的小梁疲劳试验。
优选的是，高分子聚合物的种类包括多种如聚乙烯树脂等。
优选的是，步骤一中配合比设计采用连续型密集配混凝土。
上述任一方案优选的是，步骤二中根据马歇尔配合比设计方法确定胶石比。
上述任一方案优选的是，平衡设计方法基于高温稳定性，水稳定性，低温抗裂性和疲劳性能。
上述任一方案优选的是，步骤三中集料碎石、聚氨酯胶按照配合比拌和的具体方法为：先对集料碎石进行20秒初拌让粗细集料充分混合，之后加入拌合好的聚氨酯粘合剂，在常温下进行两次90秒拌合。具体操作如下：先对集料碎石进行20秒初拌让粗细集料充分混合，其中包括0-5粒径集料53％，5-10粒径集料41％，之后加入拌合好的8％的聚氨酯粘合剂，在常温下进行两次90秒拌合。拌和锅设定是拌和一次90秒，进行2次拌和是为了观察拌和状态，使集料和聚氨酯粘合剂更加充分，均匀的混合在一起。
上述任一方案优选的是，步骤三中通过马歇尔击实法成型试件。
上述任一方案优选的是，步骤三中混合料拌和后需静置时间为1.5h，养护时间为3天。
上述任一方案优选的是，步骤五中梁式试件大小为50mm×63.5mm×380mm。
上述任一方案优选的是，步骤六中采用应变控制方法，用UTM伺服液压试验机对成型好的试件进行四点加载的小梁疲劳试验。
上述任一方案优选的是，步骤三中对采用不同成型方法及成型后不同养护时间的试件分别进行劈裂试验。
上述任一方案优选的是，在进行不同成型方法试验时，控制拌合后静置时间为1.5小时，养护时间为三天，击实次数分别为25次、50次、75次。
上述任一方案优选的是，在对试件成型后不同养护时间进行劈裂试验时，击实次数为50次，拌合后静置时间为1.5小时，养护时间分别为一天、两天、三天、五天、七天。
上述任一方案优选的是，步骤六中采用大应变控制方式，设置微应变参数为1200με，对试件进行四点加载小梁疲劳试验。
上述任一方案优选的是，步骤三中高分子粘结剂为聚氨酯胶。
上述任一方案优选的是，选用AC-10型沥青混凝土作为高分子聚合物混凝土级配。
上述任一方案优选的是，AC-10级配为6.5％-8.5％。本文中的AC-10即为AC‐10型高分子聚合物混凝土。
上述任一方案优选的是，AC-10级配为6.5％。
上述任一方案优选的是，AC-10级配为7.0％。
上述任一方案优选的是，AC-10级配为7.5％。
上述任一方案优选的是，AC-10级配为8.0％。
上述任一方案优选的是，AC-10级配为8.5％。
上述任一方案优选的是，高分子聚合物由多元醇与异氰酸酯合成聚合物。高分子聚合物树脂胶结材料中的—NCO基团在固化后形成较好的网状铰链结构，可以形成较好的硬度和强度。其主要成分为多元醇与异氰酸酯，合成时添加量的比例为多元醇：异氰酸酯为1:3，合成时的拌和反应时间约为10分钟，合成时需要控制空气中的湿度，要求空气中的湿度不大于40％，相对湿度不大于70％。
通过马歇尔试验方法击实成型试件，对不同成型方法及不同时间成型后养护时间分别进行劈裂试验。
有益效果：
本发明提供一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法，包括如下步骤：
步骤一：对高分子聚合物混合料进行配合比设计；
步骤二：确定集料碎石、高分子粘结剂的胶石比；
步骤三：取集料碎石、高分子粘结剂按照配合比拌和，成型试件，对其进行劈裂试验确定其养护期龄；
步骤四：根据确定好的级配与胶石比用轮碾成型车辙试验板；
步骤五：待到达养护时间后，将其切割成梁式试件；
步骤六：对成型好的试件进行四点加载的小梁疲劳试验。
本申请通过控制大应变，提出了适用于高分子聚合物混凝土的评价方法。与普通沥青混合料的疲劳寿命不同，高分子聚合物混凝土疲劳寿命能达到百万级别，所以普通针对沥青混合料的疲劳寿命方法并不适用。
附图说明：
图1为本发明基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法的AC-10型混合料合成级配曲线图；
图2为UTM伺服液压试验机。
图3为高分子聚合物胶结料的合成路线。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的技术特征，下面结合具体实施例对本发明进行详细地阐述。实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员在本发明的基础上做出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。
实施例1
一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法，包括如下步骤：
步骤一：对高分子聚合物混合料进行配合比设计；
步骤二：确定集料碎石、高分子粘结剂胶石比；
步骤三：取集料碎石、高分子粘结剂按照配合比拌和，成型试件，对其进行劈裂试验确定其养护期龄；
步骤四：根据确定好的级配与胶石比用轮碾成型车辙试验板；
步骤五：待到达养护时间后，将其切割成梁式试件；
步骤六：对成型好的试件进行四点加载的小梁疲劳试验。
本实验中采用的桥面铺装层厚度为2-5cm，根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40－2004)中关于沥青面层厚度与公称最大粒径之间关系的要求：对于热拌热铺密级配沥青混合料，沥青层一层的压实厚度不宜小于集料公称最大粒径的2.5～3.0倍，所以沥青层最佳公称粒径为15mm。
AC型沥青混凝土是我国典型的路面结构形式是连续级配，即各档料的用量是连续的，逐级填隙，其混合料属于悬浮密实型骨架，混合料中存在大量细集料，粗集料含量相对较少，细集料占53％，粗集料占41％，矿粉占6％。粗集料之间距离较大，悬浮于细集料中，没有形成接触，相互之间没有支撑，AC沥青混凝土强度构成中，内摩阻力较小，粘结力较高，对温度变化反应敏感，在高温环境下容易产生变形。但由于混合料空隙率小，十分密实，可以有效的防止水的渗透，具有较好的水稳定性，因此本实验选取AC-10型沥青混凝土作为高分子聚合物混凝土级配。图1为AC-10型混合料合成级配曲线图。
AC-10型沥青混凝土级配设计，首先根据公路沥青路面施工技术规范汇出级配曲线的上限值，下限值和中值。然后根据筛分集料的通过率，将我们所绘制的级配曲线尽可能是往中值曲线上靠近，并保持在级配要求的上限与下限中间，与合成级配曲线的圆滑。
目前对高分子聚合物混凝土钢桥面铺装材料的研究较少，尚没有针对高分子聚合物混凝土钢桥铺装材料单独开发的配合比设计方法。因此，此处初步采用热拌沥青混合料常用的马歇尔设计方法对聚合物混凝土进行配合比设计。针对所设计级配，初选6.5％，7％，7.5％，8％，8.5％五种胶石比。对其空隙率、矿料间隙率等相关指标进行检测，试验结果如下。表1为AC-10级配不同高分子粘结剂用量下的马歇尔试验结果。
表1AC-10级配不同高分子粘结剂用量下的马歇尔试验结果
根据马歇尔各项指标的试验结果，最终确定本文中AC‐10型高分子聚合物混凝土的最佳胶石比为8.0％。高分子粘结剂为聚氨酯胶，取集料碎石，聚氨酯胶，按照配合比细集料占了53％，粗集料占了41％，矿粉占6％，高分子粘结剂用料为石料的8.0％，进行拌合。先对集料碎石进行20秒初拌让粗细集料充分混合，之后加入拌合好的聚氨酯粘合剂，在常温下进行两次90秒拌合，通过马歇尔试验方法击实成型试件，对不同成型方法及不同时间成型后养护时间分别进行劈裂试验。在进行不同成型方法试验时，控制拌合后静置时间为1.5小时，养护时间为三天，击实次数分别为25次、50次、75次；在对试件成型后不同养护时间进行劈裂强度测试时，击实次数为50次，拌合后静置时间为1.5小时，养护时间分别为一天、两天、三天、五天、七天。击实次数对劈裂强度的影响试验结果见下表2。养护时间对劈裂强度的影响试验结果见下表3。
表2击实次数对劈裂强度的影响
表3养护时间对劈裂强度的影响
本实验所研究的新型桥面铺装所需要的铺装层比较薄，故根据根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40‐2004)的要求,采用最大粒径比较小的AC‐10级配设计方法进行级配设计。但是当加入胶的比例达到过高时，击实成型后表面泛胶，显然，当加入超量的聚氨酯胶时，高分子聚合物混凝土结构内部的空隙已经被粘合料填充满，而泛胶会造成路面抗滑下降，故而胶石比选择AC‐10级配为8％。聚氨酯混合料试件成型时，击实次数为50次，养护时间为3天，拌合后静置时间为1.5小时，并以此作为实验室内制作聚氨酯混合料的标准条件。
用聚氨酯为结合料成型车辙试验板，待高分子聚合物混凝土完全固化后，将其切割成50mm×50mm×380mm的梁式试件，实验前应将试件底部处理光滑并清洗干净。采用应变控制方式，用UTM伺服液压试验机，如图2所示的机型，(即万能试验仪，为购买的成品机器)对其进行四点加载的小梁疲劳试验，结果如表4所示。
表4疲劳试验
根据表4的实验数据可知，聚氨酯高分子聚合物混凝土抗疲劳能力非常强，与浇筑式沥青混凝土相比是数量级的提升，当应变水平在1200με时依然可以达到百万级，若应变水平为300με时基本可以认为不会出现疲劳破坏。
实施例2
和实施例1不同的是，本发明中的高分子聚合物主要是由多元醇与异氰酸酯合成聚合物。高分子聚合物树脂胶结材料中的—NCO基团在固化后形成较好的网状铰链结构，可以形成较好的硬度和强度。其主要成分为多元醇与异氰酸酯，合成时添加量的比例为多元醇：异氰酸酯为1:3，合成时的拌和反应时间为10‐15分钟，合成时需要控制空气中的湿度，要求空气中的湿度不大于40％，相对湿度不大于70％。高分子聚合物具体合成路线如图3所示。
实施例3
和实施例2不同的是，合成时添加量的比例为多元醇：异氰酸酯为1:2。
实施例4
和实施例3不同的是，合成时添加量的比例为多元醇：异氰酸酯为1:4。
以上所述，仅为本申请的较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：对高分子聚合物混合料进行配合比设计；
步骤二：确定集料碎石、高分子粘结剂的胶石比；
步骤三：取集料碎石、高分子粘结剂按照配合比拌和，成型试件，对其进行劈裂试验确定其养护期龄；
步骤四：根据确定好的级配与胶石比用轮碾成型车辙试验板；
步骤五：待到达养护时间后，将其切割成梁式试件；
步骤六：对成型好的试件进行四点加载的小梁疲劳试验。
2.如权利要求1所述的一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法，其特征在于：步骤一中配合比设计采用连续型密集配混凝土。
3.如权利要求1所述的一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法，其特征在于：步骤二中根据马歇尔配合比设计方法确定胶石比。
4.如权利要求1所述的一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法，其特征在于：步骤三中集料碎石、聚氨酯胶按照配合比拌和的具体方法为：先对集料碎石进行20秒初拌让粗细集料充分混合，之后加入拌合好的聚氨酯粘合剂，在常温下进行两次90秒拌合。
5.如权利要求1所述的一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法，其特征在于：步骤三中通过马歇尔击实法成型试件。
6.如权利要求1所述的一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法，其特征在于：步骤三中混合料拌和后需静置时间为1.5h，养护时间为3天。
7.如权利要求1所述的一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法，其特征在于：步骤五中梁式试件大小为50mm×63.5mm×380mm。
8.如权利要求1所述的一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法，其特征在于：步骤六中采用应变控制方法，用UTM伺服液压试验机对成型好的试件进行四点加载的小梁疲劳试验。
9.如权利要求1所述的一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法，其特征在于：步骤六中采用大应变控制方式，设置微应变参数为1200με，对试件进行四点加载小梁疲劳试验。
10.如权利要求1所述的一种基于大应变的高分子聚合物混凝土疲劳寿命评价方法，其特征在于：步骤三中对采用不同成型方法及成型后不同养护时间的试件分别进行劈裂试验。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181109 |