CN108801738A - 湿度对沥青混合料动态模量的影响分析方法 - Google Patents

湿度对沥青混合料动态模量的影响分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种湿度对沥青混合料动态模量的影响分析方法。制备旋转压实成型的沥青混合料圆柱体试件，阴凉处自然风干后粘好试验所用夹具，放入能够控制不同湿度的恒温恒湿箱养生备用；安装在MTS环境箱中养生，运用材料试验系统开展态模量试验；装置组装完成后在环境箱中养生；待高压内膜袋内部温、湿度达到稳定后，开展压缩动态模量试验；将试验中所获取的数据导入Matlab软件中进行傅里叶拟合，得出每个周期内应力、应变的最大最小值以及所对应的时间，计算动态模量，建立沥青混合料在不同恒定湿度下与动态模量的对应关系。

Description

湿度对沥青混合料动态模量的影响分析方法
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种湿度对沥青混合料动态模量的影响分析方法。
背景技术
近年来，由于沥青路面的广泛普及，对其的研究一直热度不减。沥青路面设计原则是基于静态弹性体系模型，但实际服役的路面不仅仅受到自身重力等荷载，同时还会受到与时间、频率等相关的动态行车荷载和温、湿度的共同作用。而沥青混合料作为一种典型的黏弹塑性综合体，其力学性质与多种因素相关。目前，许多国家已经将沥青混合料的动态模量作为沥青路面设计的重要参数。有理论研究表明，动态模量参数能够能好的表征路面的力学性质，较切合实际路面的工作状态。美国《路面结构设计指南》中引用动态模量试验来描述沥青混合料的性能，并制定了动态模量试验规范。规范中规定在五种温度(-10℃、4.4℃、21.1℃、37.8℃和54.4℃)和六个频率(0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz、10Hz和25Hz)下进行无损动态模量试验，依据得到的各个温度和频率下的数据，通过时温等效原理以及广泛采用的西格摩德模型进行拟合，可以得到更广温度和频率范围的黏弹性变量主曲线，从而表征沥青混合料的力学性质。
目前国内外主要研究温度和频率对沥青混合料力学性质的影响，考虑湿度条件下沥青混合料的力学性质研究甚少。主要原因是由于对水损害的认识还局限在液态水对沥青混合料造成的破坏，而实际上气态水对沥青混合料的破坏也不容忽视。通常认为刚铺筑的沥青路面内部湿度接近零的状态，由于湿度梯度的存在，来自地基和地表空气中的水气便会穿透或积聚在沥青路面中从而达到某一湿度平衡。在水气穿透或积聚在沥青混合料内部时会对其产生水损害，从而影响它的各种性能。因此，考虑不同湿度下沥青混合料的力学性质，建立湿度与混合料力学性质之间的关系，对研究水气对沥青混合料性质的影响具有很大的意义。
现阶段为了探究湿度条件下沥青混合料的力学性质，急需建立一种恒定湿度下测量沥青混合料动态模量的试验方法。通过该方法，能够反映混合料在不同湿度下的力学性质，为探究湿度与混合料力学性质之间的关系，进而研究气态水对沥青混合料造成的损伤提供理论基础。
发明内容
本发明目的在于测定某一湿度条件下沥青混合料的动态模量、相位角等参数，反映沥青混合料在某一湿度条件下的力学性质，通过对比不同湿度条件下沥青混合料的性质，侧面反映真实路面由于湿度变化而引起的性质改变。
湿度对沥青混合料动态模量的影响分析方法，包括以下步骤：
1)制备旋转压实成型的沥青混合料圆柱体试件，阴凉处自然风干后粘好试验所用夹具，放入能够控制不同湿度的恒温恒湿箱养生备用，养生时间一个月以上；
2)将养生好的试件用保鲜膜完全包围，安装在多功能电液伺服试验系统MaterialTesting System(简称MTS)环境箱中养生0.5h～1h，运用材MTS开展0％湿度下动态模量试验；
3)使用无孔高压内膜袋完全罩住MTS环境箱中加载部分，调整好内膜袋位置安装下部压头，将养生好的试件放于压头上，安装环向位移传感器，同时将盛有不同浓度饱和盐溶液的玻璃烧杯放于高压内膜袋内，放置上部压头，调整传力杆与上部压头接触，用束紧带将高压内膜袋开口束紧于传力杆上，装置组装完成后在环境箱中养生；
4)待高压内膜袋内部温、湿度达到稳定后，运用MTS开展压缩动态模量试验；试验温度为20℃，试验频率为25Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz和0.1Hz，试验采用应力控制模式；
5)将试验中所获取的数据导入Matlab软件中进行傅里叶拟合，得出每个周期内应力、应变的最大最小值以及所对应的时间；通过以下公式计算动态模量：
其中，|E|—动态模量，单位是MPa；σimax—第i个周期的应力最大值，单位是MPa；σimin—第i个周期的应力最小值,单位是MPa；εimax—第i个周期的应变最大值,单位是με；εimin—第i个周期的应变最小值，单位是με；
6)建立沥青混合料在不同恒定湿度下与动态模量的对应关系。
按上述方案，所述沥青混合料圆柱体试件直径为100mm，高为150mm。
本发明装置配合MTS环境箱的控温效果，以满足试验所需温度以及湿度。依照此装置，可以进行不同湿度下的动态模量试验，单个湿度条件下试验所需时间较短，一般耗时1～2天。通过对比干燥状态下试件的动态模量，探究湿度对沥青混合料造成的影响。
本发明有益效果如下：
本发明所制作的装置组装过程简单便捷，所用材料也都较容易获得。单一湿度、多组温度下的一组试验所需时间较短，一般耗时1～2天。试验装置密封效果较好，能够达到预期的稳定湿度。MTS环境箱能够较精确控制温度，温度变化为±0.3℃。本发明装置可以测定不同湿度、温度条件下沥青混合料的动态模量和相位角等黏弹性参数，并通过黏弹性参数主曲线探究更广区间内混合料试件的性质。
沥青路面铺筑时认为其处于完全干燥，即湿度为0％，铺筑完成后因与地基和表面空气存在湿度差而促使水气运动进入沥青路面，最终达到湿度平衡。因此本装置可以较好的模拟真实沥青路面由铺筑到服役整个过程中湿度的变化，通过试验探究湿度变化对沥青混合料动态模量和相位角等参数的影响，为研究水气对沥青混合料造成的水损害提供基础。
附图说明
图1：本发明测量沥青混合料动态模量的装置示意图；
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
1)制备沥青混合料圆柱体试件：
试验集料选自产于某石料加工厂的辉绿岩集料，沥青选用SBS改性沥青，经室内拌和、旋转压实成型HMA试件，再进行钻芯和切割后得到直径为100mm，高度为150mm的圆柱体试件，试件的空隙率控制在4.0％±0.3％，试件阴凉风干粘好夹具后，放入恒温恒湿箱(温度20℃)中养生备用(湿度0％采用真空干燥箱养生，实际控制的湿度保持在3％左右)。
2)装置内湿度的控制验证：
根据查阅的文献，饱和盐溶液能够控制密闭空间内湿度达到某一稳定的值，故因此做一次验证试验。将准备好的饱和溶液250ml置于干净的玻璃烧杯中，再将烧杯放于装有试件的高压内膜袋中扎紧带口，将此套装置放入20℃的生化培养箱中养生，每隔一段时间读取一次示数，待两次示数变化值相差很小时，即认为达到稳定，取出温湿度计读取实时存储的湿度数据。本次试验检测蒸馏水和NaBr饱和溶液所能达到的稳定湿度值依次为95％和62％。这些数据与文献中所记载的相差不大，但因为每次试验的独特性，因此试验最终以实测为准。
3)0％湿度下动态模量试验：
取恒温恒湿箱中养生好的试件，迅速使用保鲜膜将试件完全包围，尽量保持试件湿度变化不大。将试件放于环境箱中，安装好位移传感器后在MTS环境箱中继续温度养生0.5h～1h，使试件整体温度达到20℃，温度养生完成后即可开展试验。
4)组装控湿装置，参照附图1所示：
装置所使用的高压内膜袋宽为40cm，高为60cm，圆筒状，上部开口，表面无孔洞。MTS环境箱长为34cm，宽为54cm，高为43cm，可控温，不可控湿。具体安装步骤如下：a.选好位置放好高压内膜袋，安装下部压头，并将养生的试件取出放于下部压头上，安装三个环向位移传感器。b.将准备好的溶液250ml加入烧杯放于高压内膜袋空余的位置，调整位置确保烧杯不会影响位移传感器，不会倾倒导致溶液洒出。c.将上部压头放于试件顶端，通过控制传力杆下降使传力杆与上部压头接触，同时将温湿度计放于一个较显眼便于观察又不影响其他部件的地方，最后利用束紧带将高压内膜袋上部开口扎紧，关闭MTS环境箱箱门，装置养生。
5)开展动态模量试验：
待装置内湿度达到稳定后即可开展试验。试验以养生温度为20℃、养生湿度为100％的试件为例。试验采用的仪器是材料试验系统。湿度为0％作为一个参照试验，用来对比经过湿度养生后试件力学性质的改变。动态模量试验各参数设置如表1所示，采用应力控制模式。
表1
轴力 1200N 750N 600N 400N 250N 100N
频率 25Hz 10Hz 5Hz 1Hz 0.5Hz 0.1Hz
周期 600 600 300 150 100 50
6)处理试验数据，计算动态模量和相位角
将试验中所获取的数据导入Matlab软件中进行傅里叶拟合，得出每个周期内应力、应变的最大最小值以及所对应的时间。通过以下公式分别计算动态模量和相位角。
其中，|E|—动态模量，单位是MPa；σimax—第i个周期的应力最大值，单位是MPa；σimin—第i个周期的应力最小值,单位是MPa；εimax—第i个周期的应变最大值,单位是με；εimin—第i个周期的应变最小值，单位是με。
其中，—相位角，单位是度。f—频率，单位是Hz；—第i个周期应变最大值/最小值对应的时间，单位是s；—第i个周期应力最大值/最小值对应的时间，单位是s。
最终得到每个周期的动态模量和相位角数据，求平均值后结果分别如表2、表3所示。
表2
表3
由于试件本身的差异性，对试验结果造成了一定的影响。但从湿度0％和湿度100％的数据来看，试件的动态模量下降的幅度还是比较大的，说明湿度变化的确对试件造成了损害。

Claims (2)

1.湿度对沥青混合料动态模量的影响分析方法，其特征在于包括以下步骤：
1)制备旋转压实成型的沥青混合料圆柱体试件，阴凉处自然风干后粘好试验所用夹具，放入能够控制不同湿度的恒温恒湿箱养生备用；
2)将养生好的试件用保鲜膜完全包围，安装在材料试验系统MTS环境箱中养生0.5h～1h，运用材料试验系统开展0％湿度下动态模量试验；
3)使用无孔高压内膜袋完全罩住MTS环境箱中加载部分，调整好内膜袋位置安装下部压头，将养生好的试件放于压头上，安装环向位移传感器，同时将盛有不同浓度饱和盐溶液的玻璃烧杯放于高压内膜袋内，放置上部压头，调整传力杆与上部压头接触，用束紧带将高压内膜袋开口束紧于传力杆上，装置组装完成后在环境箱中养生；
4)待高压内膜袋内部温、湿度达到稳定后，运用MTS开展压缩动态模量试验；试验温度为20℃，试验频率为25Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz和0.1Hz，试验采用应力控制模式；
5)将试验中所获取的数据导入Matlab软件中进行傅里叶拟合，得出每个周期内应力、应变的最大最小值以及所对应的时间；通过以下公式计算动态模量：
其中，|E|—动态模量，单位是MPa；σimax—第i个周期的应力最大值，单位是MPa；σimin—第i个周期的应力最小值,单位是MPa；εimax—第i个周期的应变最大值,单位是με；εimin—第i个周期的应变最小值，单位是με；
6)建立沥青混合料在不同恒定湿度与动态模量的对应关系。
2.如权利要求1所述湿度对沥青混合料动态模量的影响分析方法，其特征在于所述沥青混合料圆柱体试件直径为100mm，高为150mm。
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