CN108956349A - 一种测量沥青混合料界面过渡区特征参数的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量沥青混合料界面过渡区特征参数的试验方法，该方法根据集料与沥青胶浆界面过渡区存在力学性能变化的现象，利用纳米压痕仪在沥青混合料样品中集料与胶浆界面处进行微观力学性能试验，从集料相向沥青胶浆相等距离设置测点，获得各点的荷载‑压入深度曲线，计算模量值，根据各测点的模量及压入深度变化趋势确定界面过渡区中的测点数量，再结合测点分布和间距估算界面过渡区的厚度，进而计算界面过渡区黏附系数，实现对集料‑沥青胶浆界面过渡区厚度、力学性能和相互作用强弱等特征参数的量化表征。
Description
技术领域
本发明涉及沥青混合料微观结构和力学性能技术领域，具体涉及一种测量沥青混合料界面过渡区特征参数的试验方法。
背景技术
沥青混合料界面过渡区：界面相或者说界面过渡区是复合多相材料的重要组成部分，对复合材料的性质有重要影响。沥青混合料作为一种由沥青、集料、矿粉等组成的典型复合材料，在集料相与沥青和矿粉组成的沥青胶浆相之间存在着界面过渡区。从微观机理上看，沥青混合料在温度、湿度与外荷载等综合作用下产生的破坏，一般可分为黏附破坏和内聚破坏两种，内聚破坏出现在远离集料的沥青胶浆内部，而作为主要破坏形式的黏附破坏则产生于集料与沥青胶浆的界面及其过渡区。因此沥青与集料在界面过渡区的黏附相互作用对沥青混合料的工作状态和破坏模式有着重要影响，直接关系到沥青混合料的强度构成和抵抗水损、疲劳、开裂等破坏的性能。
界面过渡区一直是沥青混合料研究领域的关键问题之一，其厚度、力学性能、相互作用强弱等特征参数对集料与沥青黏附性能评价、混合料强度组成、抗水损性能和计算机模拟等研究有重要意义。然而，现有研究中常用的宏观性能实验手段无法表征微观层面的界面过渡区及其相关特性，而且由于相似的组成和微观形貌，各种显微镜技术也难以区分界面过渡区与沥青胶浆相，严重阻碍了对界面过渡区的表征和探究，导致研究者们对沥青混合料界面过渡区的认识存在明显空白。考虑到在沥青与集料的相互作用下界面过渡区与沥青胶浆存在力学性能差异的现象，利用微观力学性能测试技术区分界面过渡区与沥青胶浆相，从而表征集料-沥青胶浆界面过渡区厚度、力学性能和相互作用强弱等特征参数的方法极具可行性。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量沥青混合料界面过渡区特征参数的试验方法，考虑到在沥青与集料的相互作用下界面过渡区与沥青胶浆存在力学性能差异的现象，利用纳米压痕微观力学性能测试技术即能区分界面过渡区，测量界面过渡区微观力学性能和厚度，进而计算界面过渡区黏附系数，实现界面过渡区特征参数的表征。
本发明公开了一种测量沥青混合料界面过渡区特征参数的试验方法，包括以下步骤：
步骤1、制备试件：采用沥青混合料小块制备试件，该试件包括集料-沥青胶浆界面区域；
步骤2：打磨试件：利用砂纸和打磨机对试件进行打磨平整，得到纳米压痕试件；
步骤3：纳米压痕试验：将纳米压痕试件固定在纳米压痕试验平台上，在纳米压痕仪的显微镜下选择清晰平整的集料与沥青胶浆的界面区域；从集料相边缘向沥青胶浆相方向设置测点点阵，进行纳米压痕试验，得到各测点的压入深度和模量数据；
步骤4：根据测点模量数量及压入深度的变化趋势，确定属于界面过渡区的测点及其编号，根据测点分布和点阵间距估算界面过渡区厚度；
步骤5：引入黏附系数，反映试件中集料-沥青胶浆界面过渡区的黏附相互作用强弱，该黏附系数＝界面过渡区中模量最高一列测点的模量均值/(沥青胶浆平均模量+界面过渡区厚度)。
步骤1中的沥青混合料小块由玄武岩集料、石灰岩矿粉在SMA-13级配下与基质沥青拌合制备得到，所述试件由环氧树脂胶包裹沥青混合料小块得到。
步骤2中采用不同目数的金相砂纸在冷水条件下对试件进行依次打磨。
其中，纳米压痕试验中点阵间距为5-20μm。
步骤4具体实现步骤：将所有测点绘于同一坐标系中，其中纵坐标为模量，横坐标为压入深度，首先区分模量高、深度小的集料相测点，随后对剩余测点进行拟合，沥青胶浆相测点应符合线性拟合，拟合直线应近似一条水平线，斜率k在0±0.0001之间，直线外剩余测点为界面过渡区的测点。
有益效果：本发明与现有技术相比，本发明利用纳米压痕技术测量沥青混合料微观各相的力学性能，根据界面过渡区与沥青胶浆相的力学性能差异估算界面过渡区的厚度，进而计算界面过渡区黏附系数，是一种实际可行的表征不同沥青混合料微观界面过渡区特征参数的试验方法。相比之下，目前传统宏观试验手段并不能实现界面过渡区的表征，经验公式法或者显微镜观察只能获取混合料两集料间沥青膜的厚度，与界面过渡区有显著区别。本发明估测了沥青混合料的界面过渡区厚度，并量化表征集料-沥青胶浆界面过渡区相互作用强弱，能为沥青混合料黏附、抗水损性能和整体强度评价提供新的依据，也能为计算机模拟和相关研究提供关键数据，有助于建立更准确、与实际混合料更相符的有限元或离散元模型。
附图说明
图1为本发明的纳米压痕试件和纳米压痕试验区域的示意图；
图2为微观显微镜下纳米压痕试验区域和点阵设置示意图；
图3为模量和压入深度数据分析及界面过渡区测点区分原理示意图；
其中，1—沥青混合料小块，2—环氧树脂胶，3—集料相，4—胶浆相，5—试验区域，6—界面过渡区，7—纳米压痕测点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。
本发明中的纳米压痕技术是一种测量材料微观力学性能的试验方法，其原理即采用纳米级的碳化硅压头触探平整的试样表面，通过记录压头压入材料时的荷载和深度，得到一条包含加载和卸载段的荷载-深度曲线，用相关计算模型分析该曲线即可得到材料力学性能指标，如硬度和杨氏模量等。借助于纳米压痕仪中的高清显微镜，探针可以实现对复合材料内部不同相材料力学性能的测试。所以纳米压痕技术适用于测量沥青混合料内微观各材料相的力学性能差异，从而区分界面过渡区，实现界面过渡区特征参数的表征。
实施例：
本实施例采用以下步骤测量沥青混合料界面过渡区特征参数：
制备试件：将玄武岩集料、石灰岩矿粉在SMA-13级配下与基质沥青拌合制备沥青混合料样品，随后将成型的沥青混合料切割成长宽1-1.5cm，高约1cm的沥青混合料小块1，要求沥青混合料小块1包含均匀平整的集料与沥青胶浆的试验区域5，用环氧树脂胶2在模具中固化成直径2-3cm的扁圆柱形试件，要求沥青混合料小块1被环氧树脂胶2完全包裹；
打磨试件：用金相打磨机配合150、400、800、1200、2000目金相砂纸在水冷条件下打磨试件至表面平整，要求首先用150目砂纸去除沥青混合料小块表面的树脂并初步磨平，随后用400-2000目砂纸逐张打磨表面至平整，其中每种目数砂纸打磨时间为2min，打磨清洗完成后得到纳米压痕试件；
纳米压痕试验：将纳米压痕试件固定在纳米压痕试验平台上，用纳米压痕仪自带的高倍显微镜选择清晰平整的集料与沥青胶浆的测试区域5，从集料相3边缘向沥青胶浆相4方向设置了4×12共计48个测点的点阵，进行纳米压痕试验，其中最大荷载为0.5mN，点阵间距为10μm，加载和卸载时间为10s，饱载时间为200s，试验完成后获得各测点的压入深度和模量数据；
界面过渡区厚度分析：将所有测点绘于同一坐标系中，其中纵坐标为模量(GPa)，横坐标为压入深度(nm)。区分模量高、深度小的集料相测点后，通过线形拟合区分沥青胶浆相测点，本实施例中沥青胶浆相测点拟合直线斜率为0.000026，接近水平线，则直线外测点为界面过渡区测点。最后根据测点分布和点阵间距估算界面过渡区厚度，在本实例中共有4列测点被划分为界面过渡区测点，因此该试件集料-胶浆界面过渡区厚度约为40μm；
界面过渡区黏附系数Cad计算：本实例界面过渡区中模量最高一列(行)测点的模量均值为5.38GPa，沥青胶浆相平均模量为0.48GPa。界面过渡区厚度为40μm，则黏附系数Cad＝5.38/(0.48×40)＝0.28μm-1，反映了该混合料样品中集料-沥青胶浆界面过渡区的黏附相互作用强弱。
Claims (5)
1.一种测量沥青混合料界面过渡区特征参数的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、制备试件：采用沥青混合料小块制备试件，该试件包括集料-沥青胶浆界面区域；
步骤2：打磨试件：利用砂纸和打磨机对试件进行打磨平整，得到纳米压痕试件；
步骤3：纳米压痕试验：将纳米压痕试件固定在纳米压痕试验平台上，在纳米压痕仪的显微镜下选择清晰平整的集料与沥青胶浆的界面区域；从集料相边缘向沥青胶浆相方向设置测点点阵，进行纳米压痕试验，得到各测点的压入深度和模量数据；
步骤4：根据测点模量数量及压入深度的变化趋势，确定属于界面过渡区的测点及其编号，根据测点分布和点阵间距估算界面过渡区厚度；
步骤5：引入黏附系数，反映试件中集料-沥青胶浆界面过渡区的黏附相互作用强弱，该黏附系数＝界面过渡区中模量最高一列测点的模量均值/(沥青胶浆平均模量+界面过渡区厚度)。
2.根据权利要求1所述的一种测量沥青混合料界面过渡区特征参数的试验方法，其特征在于：步骤1中的沥青混合料小块由玄武岩集料、石灰岩矿粉在SMA-13级配下与基质沥青拌合制备得到，所述试件由环氧树脂胶包裹沥青混合料小块得到。
3.根据权利要求1所述的一种测量沥青混合料界面过渡区特征参数的试验方法，其特征在于：步骤2中采用不同目数的金相砂纸在冷水条件下对试件进行依次打磨。
4.根据权利要求1所述的一种测量沥青混合料界面过渡区特征参数的试验方法，其特征在于：纳米压痕试验中点阵间距为5-20μm。
5.根据权利要求1所述的一种测量沥青混合料界面过渡区特征参数的试验方法，其特征在于：所述步骤4具体实现步骤：将所有测点绘于同一坐标系中，其中纵坐标为模量，横坐标为压入深度，首先区分模量高、深度小的集料相测点，随后对剩余测点进行拟合，沥青胶浆相测点应符合线性拟合，拟合直线应近似一条水平线，斜率k在0±0.0001之间，直线外剩余测点为界面过渡区的测点。
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|---|---|
| CN108956349B (zh) | 2021-01-05 |
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