CN109765128A - 基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法 - Google Patents

基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法，通过测定沥青老化前后耗散能的变化，计算短期老化耗散能比、长期老化耗散能比及老化程度比，并以此为指标对沥青抗老化能力强弱进行评价。该法测试时间短、精度高、物理力学理论明确、指标与沥青老化组分变化密切相关，同时考虑了抗老化能力衰减过程，避免了现行规范中从宏观层次上评价沥青抗老化性能受人为因素干扰大、力学理论不明确等因素的影响或采用微观评价手段时，使用的仪器昂贵、专业水平要求高，制样水平对试验结果影响大等不利影响。因此应用本发明采用耗散能比和老化程度比作为评价指标可以更好、更准确地评价出不同沥青的抗老化能力，为沥青路面耐久性评价提供新的方法和参数。

Description

基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法
技术领域
本发明属于沥青抗老化性能评价技术领域，尤其涉及一种基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法。
背景技术
近年来，随着我国经济的高速发展，全国各省在高速公路的建设领域取得了长足的发展，全国高速公路网基本建成，其中沥青路面占了大部分。良好的沥青路面不但具有合理的路面结构设置和材料组成设计，而且还必须具备良好的沥青性能，其中，沥青的抗老化能力是其中最重要的性能之一，有关沥青的老化特性研究一直是道路建筑材料领域内的热点问题之一。沥青老化是指沥青从炼油厂出厂后，在存储、运输、施工的过程中，由于长时间受到周围环境因素(如紫外线、水、氧气等)作用的影响发生一系列的挥发、氧化等物理化学过程，导致沥青的路用性能下降。沥青老化是一个缓慢发生的过程，它决定沥青路面的使用寿命和沥青路面的耐久性。沥青老化分为短期老化和长期老化，短期老化是指沥青在运输、施工拌合、铺筑过程中的老化，长期老化是指沥青路面在长期使用过程中，受到水分、紫外线、氧气的长期作用，引起沥青性质发生根本的变化，直接影响到路面的耐久性。
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应力、温度及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，代表沥青黏性流动越困难。这与沥青老化过程中的轻质组分减少，沥青质含量增加密切相关。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种科学合理、准确有效的基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术问题：
基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法，通过测定沥青老化前后耗散能的变化，计算短期老化耗散能比、长期老化耗散能比及老化程度比，并以此为指标对沥青抗老化能力强弱进行评价。
上述基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法，首先将沥青分别进行短期老化试验和长期老化试验，然后分别浇制原样、短期老化、长期老化后的扁平圆形试样进行循环加载的滞后环试验，在固定应力峰值、频率及温度水平下，对试样施加正弦波应力，获得应力-应变曲线，计算出不同老化状态下的滞后环面积；最后分别计算短期老化耗散能比、长期老化耗散能比及老化程度比，并以此作为评价沥青抗老化能力强弱的指标。
上述基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法，按以下步骤操作进行：
(1)将待测的原样沥青分别进行旋转薄膜烘箱试验和压力老化试验；
(2)将步骤(1)中得到不同老化程度的沥青融化，分别浇制原样、短期老化、长期老化后的25mm和8mm扁平圆形试样，分成A组、B组及C组；
(3)在固定的应力峰值、频率及温度水平下，分别对浇制的三组不同老化程度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；
(4)将步骤(3)得到的应力应变数据导出，绘制应变-应力图形，并分别计算出不同老化程度沥青试样的应变-应力包围成的图形面积，即WO、WR、WP；
(5)根据步骤(4)得到的参数计算短期老化耗散能比、长期老化耗散能比及老化程度比。
步骤(2)中沥青融化时，基质沥青的加热温度不超过135℃，改性沥青的加热温度不超过160℃。
步骤(3)中的滞后环试验使用动态剪切流变仪分别对不同老化程度的A、B、C三组沥青试样进行试验，原样沥青和经过旋转薄膜烘箱试验后的短期老化沥青，转子选用25mm，间隙1mm；长期压力老化试验后的老化沥青，转子选用8mm，间隙2mm；采用应力控制模式，应力峰值为100Pa，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)中短期老化耗散能比、长期老化耗散能比及老化程度比的计算公式分别为RDER＝WR/WO、PDER＝WP/WO、AD＝(WO-WR)/(WO-WP)*100。
针对目前沥青抗老化评价存在的问题，发明人运用能量耗散理论建立了一种基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法，通过测定沥青老化前后耗散能的变化，计算短期老化耗散能比、长期老化耗散能比及老化程度比，并以此为指标对沥青抗老化能力强弱进行评价。该法测试时间短、精度高、物理力学理论明确、指标与沥青老化组分变化密切相关，同时考虑了抗老化能力衰减过程，避免了现行规范中从宏观层次上评价沥青抗老化性能受人为因素干扰大、力学理论不明确等因素的影响或采用微观评价手段时，使用的仪器昂贵、专业水平要求高，制样水平对试验结果影响大等不利影响。因此应用本发明采用耗散能比和老化程度比作为评价指标可以更好、更准确地评价出不同沥青的抗老化能力，为沥青路面耐久性评价提供新的方法和参数。
附图说明
图1是8mm和25mm扁平圆形试样图。
图2是正弦应力波形图。
图3是应变响应图。
图4是基质沥青滞后环应力-应变图。
具体实施方式
应用例
(1)将待测的原样沥青分别进行旋转薄膜烘箱试验(RTFO)和压力老化试验(PAV)，以模拟施工拌合过程中的短期老化状态和路面长期使用后的老化状态；
选用70号基质沥青和100目橡胶改性沥青进行试验，两种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。然后按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的沥青旋转薄膜加热试验(T0610-2011)、压力老化容器加速沥青老化试验(T0630-2011)分别对每种沥青进行短期老化试验和长期老化试验。
表1两种沥青基本指标
沥青种类 针入度/0.1mm 软化点/℃ 5℃延度/cm
70号基质沥青 66 49.2 —
橡胶改性沥青 47 63.3 7.3
(2)将步骤(1)中得到不同老化程度的沥青融化，分别浇制原样、短期老化、长期老化后的25mm和8mm扁平圆形试样，分成A组、B组及C组；
将经过老化后的基质沥青试样和橡胶改性沥青分别放入135℃和160℃的烘箱中加热0.5个小时和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，然后分别浇制8mm和25mm扁平圆形试样，如图1所示。同时把70号基质沥青和橡胶改性沥青的扁平圆形试样分别分成A组(25mm)、B组(25mm)及C组(8mm)。
沥青融化时，基质沥青的加热温度不宜超过135℃，改性沥青的加热温度不宜超过160℃，以防止沥青过度老化。
(3)在固定的应力峰值、频率及温度水平下，分别对浇制的三组不同老化程度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；
采用动态剪切流变仪(Dynamic shear rheometer，DSR)分别对两种不同老化程度的A(25mm)、B(25mm)、C(8mm)三组沥青试验进行滞后环试验，原样沥青和RTFO短期老化沥青，转子选用25mm，间隙1mm；PAV老化沥青，转子选用8mm，间隙2mm。采用应力控制模式，应力峰值为100Pa，进行100次循环加载试验，应力施加形式如图2所示，相应的应变响应如图3所示。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，并分别计算出不同老化程度沥青试样的应变-应力包围成的图形面积，即WO、WR、WP。
将滞后环试验数据导出，采用Origin8.0绘制出每种沥青不同老化程度的第49次和第50次的应变-应力包围成的图形，以基质沥青为例，如图4所示；并计算出围成的图形面积，即耗散能，使用Origin数据绘图软件(或者Matlab)进行计算，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。由表2可知，两种沥青的耗散能误差值均在2％的范围内，满足精度要求，故不需要重新进行试验。
表2两种沥青耗散能
(5)将步骤(4)得到的参数，利用短期老化耗散能比、长期老化耗散能比及老化程度比公式即可计算出短期老化耗散能比、长期老化耗散能比及老化程度比，沥青短期老化耗散能比越小，则代表沥青短期老化越严重，抗短期老化能力越弱；沥青长期老化耗散能比越小，则代表沥青长期老化越严重，抗长期老化能力越弱；沥青老化程度比越大，则代表沥青老化速率越快，沥青耐久性越差。
根据公式定义，短期老化耗散能比(RDER)、长期老化耗散能比(PDER)及老化程度比(AD)可分别按公式RDER＝WR/WO、PDER＝WP/WO、AD＝(WO-WR)/(WO-WP)*100进行计算，并以RDER、PDER及AD作为评价沥青抗老化能力强弱的指标，其中RDER和PDER计算结果精确至小数点后两位，AD计算结果精确至小数点后一位。计算结果见表3。
表3耗散能老化指标计算结果
沥青种类 RDER PDER AD
基质沥青 0.54 0.17 55.9％
橡胶改性沥青 0.93 0.76 30.4％
该例评价的两种沥青中，橡胶改性沥青的抗老化能力比基质沥青强，其中橡胶沥青的短期老化耗散能比和长期老化耗散能比均比基质沥青的大，分别是基质沥青的1.7倍、4.5倍。这表明橡胶改性沥青的抗短期老化能力和抗长期老化分别是基质沥青的1.7倍、4.5倍。从表3还可得，橡胶改性沥青的老化程度比比基质沥青的小，这表明橡胶改性沥青的老化速率比基质沥青的小。综上所述，橡胶改性沥青的抗老化能力比基质沥青的强。

Claims (6)

1.一种基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法，其特征在于通过测定沥青老化前后耗散能的变化，计算短期老化耗散能比、长期老化耗散能比及老化程度比，并以此为指标对沥青抗老化能力强弱进行评价。
2.根据权利要求1所述的基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法，其特征在于：首先将沥青分别进行短期老化试验和长期老化试验，然后分别浇制原样、短期老化、长期老化后的扁平圆形试样进行循环加载的滞后环试验，在固定应力峰值、频率及温度水平下，对试样施加正弦波应力，获得应力-应变曲线，计算出不同老化状态下的滞后环面积；最后分别计算短期老化耗散能比、长期老化耗散能比及老化程度比，并以此作为评价沥青抗老化能力强弱的指标。
3.根据权利要求1所述的基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法，其特征在于按以下步骤操作进行：
(1)将待测的原样沥青分别进行旋转薄膜烘箱试验和压力老化试验；
(2)将步骤(1)中得到不同老化程度的沥青融化，分别浇制原样、短期老化、长期老化后的25mm和8mm扁平圆形试样，分成A组、B组及C组；
(3)在固定的应力峰值、频率及温度水平下，分别对浇制的三组不同老化程度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；
(4)将步骤(3)得到的应力应变数据导出，绘制应变-应力图形，并分别计算出不同老化程度沥青试样的应变-应力包围成的图形面积，即WO、WR、WP；
(5)根据步骤(4)得到的参数计算短期老化耗散能比、长期老化耗散能比及老化程度比。
4.根据权利要求1所述的基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法，其特征在于步骤(2)中沥青融化时，基质沥青的加热温度不超过135℃，改性沥青的加热温度不超过160℃。
5.根据权利要求1所述的基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法，其特征在于：步骤(3)中的滞后环试验使用动态剪切流变仪分别对不同老化程度的A、B、C三组沥青试样进行试验，原样沥青和经过旋转薄膜烘箱试验后的短期老化沥青，转子选用25mm，间隙1mm；长期压力老化试验后的老化沥青，转子选用8mm，间隙2mm；采用应力控制模式，应力峰值为100Pa，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。
6.根据权利要求1所述的基于耗散能的沥青抗老化性能评价方法，其特征在于步骤(5)中短期老化耗散能比、长期老化耗散能比及老化程度比的计算公式分别为RDER＝WR/WO、PDER＝WP/WO、AD＝(WO-WR)/(WO-WP)*100。
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