CN109765127A - 基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法，通过测定不同应力水平下改性沥青的耗散能变化，计算耗散能敏感系数，并以此为指标对改性沥青应力敏感性大小进行评价。该法前期准备工作简单，测试时间短，物理力学理论明确，不同应力水平下耗散能敏感系数更加精准地表征了改性沥青对应力的依赖程度，克服了多应力蠕变恢复试验中，改性沥青应变无法在短时间内得到完全恢复，从而导致蠕变柔量相对差异和蠕变恢复率精确度下降的缺陷；同时，该法数据处理较为简单，变异系数低，再现性好，可以对改性沥青应力敏感性进行有效评价，同时为我国沥青应力敏感性的评价提供新的思路。

Description

基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法
技术领域
本发明属于改性沥青的应力敏感性评价技术领域，尤其涉及一种基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法。
背景技术
随着我国重载交通的不断增加，这对我国沥青路面的使用寿命和服务质量带来了严重的损坏，导致许多沥青路面未达到设计的使用寿命就提前发生破坏，给国家带到了巨大的经济损失。目前，国内外学者对改性沥青的应力敏感性进行了大量的研究，主要是通过多应力蠕变恢复试验，以蠕变柔量相对差异和蠕变恢复率为指标进行研究，其中美国制定了ASTM D7405-15Standard Test Method for Multiple Stress Creep and Recovery(MSCR)of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer规范，对改性沥青的应力敏感性进行限制，防止应力敏感性过大，对重载交通环境下的沥青路面产生不利影响，而我国对改性沥青的应力敏感性还未形成相关的规范，而超载、重载情况却日益严重，对我国的道路使用寿命带来了巨大的威胁，
能量耗散理论是一种研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的理论。沥青是一种十分复杂的黏弹性材料，可以看作一个远离平衡态的开放系统，通过施加不同的应力可以改变这个系统的能量损耗和恢复。沥青的耗散能是指在固定温度、频率下沥青的黏性流动产生的能量损耗，其值可用循环加载作用下应力应变围成的滞后环面积表示。耗散能代表沥青在受到外力作用时能量的耗散大小，耗散能越小，代表沥青分子链间黏性流动越困难，抵抗荷载变形的能力越强。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种科学合理、准确有效的基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法，通过测定不同应力水平下改性沥青的耗散能变化，计算耗散能敏感系数，并以此为指标对改性沥青应力敏感性大小进行评价。
上述基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法，首先将沥青制成扁平圆形试样，然后进行循环加载的滞后环试验，在固定频率和温度下，对试样分别施加不同应力峰值的正弦波应力，获得应力-应变曲线，计算出不同应力峰值下的滞后环面积，最后计算耗散能敏感系数，并以此作为评价改性沥青应力敏感性大小的指标。
上述基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法，按以下步骤操作进行：
(1)将待测原样改性沥青加热至融化状态，然后浇制25mm扁平圆形试样；
(2)将25mm扁平圆形试样分成A组和B组，分别施加不同大小峰值的正弦波应力；
(3)在两种不同应力水平下，固定频率和温度，分别对浇制的两组试样进行滞后环试验，获得循环加载作用下应力应变的数据；
(4)将步骤(3)得到的应力应变数据导出，绘制应变-应力图形，并分别计算出不同应力水平下应变-应力包围成的图形面积，即W100和W3200；
(5)根据步骤(4)得到的参数，计算出耗散能敏感系数。
步骤(1)中沥青加热的温度不超过160℃。
步骤(2)中A组和B组试样分别施加峰值为100Pa和3200Pa的正弦应力。
步骤(3)中的滞后环试验使用动态剪切流变仪对改性沥青进行分析，转子选用25mm，间隙1mm，采用应力控制模式，进行100次循环加载试验，试验取第49次和50次的滞后环试验数据，试验参数设置为温度60℃、频率10rad/s。
步骤(5)中耗散能敏感系数的计算公式为Wf＝(W3200-W100)/W100。
针对目前改性沥青的应力敏感性评价存在的问题，发明人运用能量耗散理论建立了一种基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法，通过测定不同应力水平下改性沥青的耗散能变化，计算耗散能敏感系数，并以此为指标对改性沥青应力敏感性大小进行评价。该法前期准备工作简单，测试时间短，物理力学理论明确，不同应力水平下耗散能敏感系数更加精准地表征了改性沥青对应力的依赖程度，克服了多应力蠕变恢复试验中，改性沥青应变无法在短时间内得到完全恢复，从而导致蠕变柔量相对差异和蠕变恢复率精确度下降的缺陷；同时，该法数据处理较为简单，变异系数低，再现性好，可以对改性沥青应力敏感性进行有效评价，同时为我国沥青应力敏感性的评价提供新的思路。
附图说明
图1是25mm扁平圆形试样图。
图2是施加的正弦应力波形图。
图3是应变响应图。
图4是改性沥青滞后环应力-应变图(100Pa峰值应力下第50次加载循环)。
图5是改性沥青滞后环应力-应变图(3200Pa峰值应力下第50次加载循环)。
具体实施方式
应用例
(1)将待测沥青加热至融化状态，然后浇制25mm扁平圆形试样；
选用三种常用改性沥青进行试验，分别为SBS改性沥青、橡胶改性沥青及高黏改性沥青，改性沥青常规性能指标如下表1所示，并且相关性能指标均符合相关规范要求。
把三种改性沥青放入160℃(加热的温度不宜超过160℃，以防止沥青老化))烘箱中1个小时，待沥青完全融化之后，用玻璃棒将沥青充分搅拌，赶走沥青中的气泡，然后浇制25mm扁平圆形试样，如图1所示。
表1三种改性沥青基本指标
改性沥青 针入度/0.1mm 软化点/℃ 5℃延度/cm
SBS改性沥青 57 85.4 27.6
橡胶改性沥青 47 63.3 7.3
高黏改性沥青 50 83.7 36.6
(2)将25mm扁平圆形试样分成A组和B组，分别施加不同大小峰值的正弦波应力；
将每种改性沥青的25mm扁平圆形试样分成A组和B组。其中A组和B组沥青试样施加峰值分别为100Pa、3200Pa的正弦应力，应力形式如图2所示；相应的应变响应如图3所示。
(3)在两种不同应力水平下，固定频率和温度，分别对浇制的两组25mm沥青试样进行滞后环试验，获得循环加载作用下应力应变的数据；
本发明采用动态剪切流变仪(Dynamic shear rheometer，DSR)对这三种改性沥青进行滞后环试验，转子选用25mm，间隙1mm，采用应力控制模式，进行100次循环加载试验，试验取第49次和50次的滞后环试验数据，试验参数设置如下：温度：60℃；频率10rad/s。
(4)将步骤(3)得到的应力应变数据导出，绘制应变-应力图形，并分别计算出不同应力水平下应变-应力包围成的图形面积，即W100和W3200。
将滞后环试验数据导出，采用Origin8.0(或Matlab)绘制出每种改性沥青的第49次和第50次的应变-应力包围成的图形，以第50次为例，如图4和图5所示；并计算出围成的图形面积，即耗散能。计算结果精确至小数点后两位。若两者的误差值小于2％，则采用两者的平均值作为此组单个试样的耗散能；若两者的误差值大于2％，则需要检查试验步骤，重新进行试验。计算结果如表2所示。通过计算分析可知，两者的误差值小于2％，符合试验要求，故采用两者的平均值作为此组单个试样的耗散能，精确至小数点后两位。
表2三种改性沥青耗散能
(5)根据步骤(4)得到的参数，利用耗散能敏感系数公式即可计算出耗散能敏感系数，沥青耗散能敏感系数越大，则代表沥青的应力敏感性越大，对重载交通越不利。
根据耗散能敏感系数可按公式Wf＝(W3200-W100)/W100进行计算，计算结果四舍五入取整，并以Wf值作为评价改性沥青应力敏感性的大小。计算结果如表3所示。耗散能敏感系数Wf值越大，说明改性沥青的应力敏感性越大；耗散能敏感系数Wf值越小，说明改性沥青的应力敏感性越小。本发明评价的3种改性沥青中橡胶改性沥青的应力敏感性最高，耗散能敏感系数为1045，其次为高黏改性沥青，耗散能敏感系数为937，最后为SBS改性沥青应力敏感性最低，耗散能敏感系数为518。
表3三种改性沥青耗散能敏感系数
改性沥青种类 SBS改性沥青 橡胶改性沥青 高黏改性沥青
耗散能敏感系数 518 1045 937

Claims (7)

1.一种基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法，其特征在于：通过测定不同应力水平下改性沥青的耗散能变化，计算耗散能敏感系数，并以此为指标对改性沥青应力敏感性大小进行评价。
2.根据权利要求1所述的基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法，其特征在于：首先将沥青制成扁平圆形试样，然后进行循环加载的滞后环试验，在固定频率和温度下，对试样分别施加不同应力峰值的正弦波应力，获得应力-应变曲线，计算出不同应力峰值下的滞后环面积，最后计算耗散能敏感系数，并以此作为评价改性沥青应力敏感性大小的指标。
3.根据权利要求1所述的基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法，其特征在于按以下步骤操作进行：
(1)将待测原样改性沥青加热至融化状态，然后浇制25mm扁平圆形试样；
(2)将25mm扁平圆形试样分成A组和B组，分别施加不同大小峰值的正弦波应力；
(3)在两种不同应力水平下，固定频率和温度，分别对浇制的两组试样进行滞后环试验，获得循环加载作用下应力应变的数据；
(4)将步骤(3)得到的应力应变数据导出，绘制应变-应力图形，并分别计算出不同应力水平下应变-应力包围成的图形面积，即W100和W3200；
(5)根据步骤(4)得到的参数，计算出耗散能敏感系数。
4.根据权利要求1所述的基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法，其特征在于步骤(1)中沥青加热的温度不超过160℃。
5.根据权利要求1所述的基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法，其特征在于步骤(2)中A组和B组试样分别施加峰值为100Pa和3200Pa的正弦应力。
6.根据权利要求1所述的基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法，其特征在于步骤(3)中的滞后环试验使用动态剪切流变仪对改性沥青进行分析，转子选用25mm，间隙1mm，采用应力控制模式，进行100次循环加载试验，试验取第49次和50次的滞后环试验数据，试验参数设置为温度60℃、频率10rad/s。
7.根据权利要求1所述的基于能量耗散理论的改性沥青应力敏感性评价方法，其特征在于步骤(5)中耗散能敏感系数的计算公式为Wf＝(W3200-W100)/W100。
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