CN110658079B - 沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内表征方法，基于沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内模拟装置，可实现在沥青面层材料试件中形成湿度梯度，温度梯度，氧气扩散梯度及紫外线辐射的多重环境梯度耦合作用。本发明提出了沥青路面在多重环境梯度耦合作用下的老化程度及水损害程度的力学评价指标，即特征弹性模量。并提出获取特征弹性模量的试验方法与计算方法，通过对试验数据的分析，获取沥青面层材料在不同层的特征弹性模量演变曲线，据此表征实际路面结构的力学性质随自然环境和深度的变化特点，真实地揭示路面结构中沥青面层在多重环境梯度耦合下力学性能的演变规律。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及一种沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内表征方法。
背景技术
随着我国交通行业的迅速发展，截止2018年底，我国公路养护里程超过467万公里，占公路总里程97.9％，其中沥青路面占有较大比重，但沥青面层长期暴露在空气中，遭受高温，雨水、氧气及紫外线等环境因素的直接作用，在多种环境因素(湿、热、氧气、紫外辐射)耦合效应的作用下，将会导致沥青的化学组成发生变化，促使沥青的物理化学性质产生劣化，因此沥青路面容易产生早期损坏和功能性退化，使得道路基础设施的使用寿命达不到预期使用寿命。对于沥青面层受到多种环境因素作用(如热-氧耦合效应、湿-热耦合效应、湿-热-氧-紫外辐射效应等)下的装置已有相关的专利，如沥青材料在热-养耦合作用下的旋转薄膜烘箱、压力老化仪等试验装置，(湿、热、氧气、紫外辐射)多因素耦合作用的装置等。此外，对于沥青混合料老化程度及水损害程度的评价力学指标主要包括针入度、软化点等常规评价指标和疲劳性能的力学指标。而对于力学指标，一般采用动态模量的演化来衡量沥青混合料的老化程度及水损害程度，根据现有的研究，沥青混合料的疲劳性能大多选取动态模量作为评价指标，动态模量的计算基于正矢波荷载，而实际的车辆荷载作用在路面结构上表现为半正矢波的荷载形式，为了改进动态模量作为沥青老化及水损害指标存在的缺陷，本发明人通过引入特征弹性模量这一力学指标替代现阶段广泛使用的动态模量指标，通过将半正矢波的荷载形式分解为正矢波荷载部分和恒定荷载部分，再根据应力应变响应获得特征弹性模量，这具有重大的现实意义。因此，本发明针对这一评价沥青混合料老化及水损害的力学指标，提出一种能够模拟实际路面结构中沥青面层材料老化及水损害的试验装置及特征弹性模量表征方法。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内表征方法。为研究沥青面层在多重环境梯度耦合下的评价指标，本发明将设计一套实现湿、热、氧气、紫外辐射耦合的试验装置及特征弹性模量表征方法，该室内试验模拟装置能够实现湿、热、氧气、紫外辐射共同作用，能够控制湿度梯度、温度梯度、氧气扩散和紫外辐射等路面环境因素，能够有效的模拟实际路面结构中沥青面层材料在多重环境梯度耦合下力学指标随面层结构深度变化的演变规律。
此外，通过对多重环境梯度作用后的沥青面层材料试件进行蠕变试验，并在试件的不同深度处(沥青面层材料试件顶部模拟沥青路面的上面层、中部模拟中面层及底部模拟下面层)设置直线位移传感器测定在蠕变荷载作用下该段的应变响应，获取湿-热-氧-紫外光照耦合下不同沥青面层厚度时的特征弹性模量，再获得不同路面结构处的特征弹性模量随沥青面层深度的演变曲线，从而揭示老化梯度和湿度梯度共存时力学性能的演变规律。
(一)多重环境梯度耦合作用下的室内模拟装置
一种沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内模拟装置，包括温控箱和湿度箱；所述的温控箱和湿度箱之间设有沥青面层材料试件，所述的沥青面层材料试件的一端伸入所述温控箱，所述的沥青面层材料试件的另一端伸入所述湿度箱；
所述的温控箱设有氧气进气口和氧气出气口，所述的温控箱内部设置有紫外灯，所述的紫外灯朝向所述沥青面层材料试件伸入所述温控箱的一端；
所述湿度箱设有水汽出气口和水汽进气口；
所述的沥青面层材料试件的外表面套设循环冷却水装置。
所述的沥青面层材料试件的外表面设有隔热密封层。
所述的沥青面层材料试件的表面不同位置设有多个温度计。所述的循环冷却水装置包括：套设在所述沥青面层材料试件上的冷凝管以及设置在所述冷凝管的进口和出口的两个温度计。
所述的氧气进气口位于所述温控箱的顶部。所述的氧气出气口位于所述温控箱的底部。
所述的水汽出气口位于所述湿度箱的顶部，所述的水汽进气口位于所述湿度箱的底部。
(二)沥青面层在多重环境梯度耦合下的特征弹性模量表征方法
结合本发明所设计的多重环境梯度耦合效应的室内试验装置，还设计了多重环境梯度耦合作用下的室内试验方法，此方法可用于模拟实际路面结构中力学性质随面层结构深度变化的情况。
一种沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内表征方法，采用实现沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内模拟装置来实现，并基于室内压缩蠕变实验，获取特征弹性模量随面层深度的演变曲线，包括以下步骤：
(1)多重环境梯度的耦合作用
将沥青面层材料试件的一端置于温控箱内，开启温控箱以模拟面层的温度作用，开启紫外灯以及从氧气进气口输入氧气模拟紫外线及氧化作用，设置于温控箱的一端模拟实际沥青路面的面层；沥青面层材料试件的另一端置于湿度箱内，从水汽进气口输入水汽，用于模拟实际沥青面层的湿度梯度，所述的温控箱与湿度箱之间的沥青面层材料试件部分则用隔热密封层包裹；开启循环冷却水装置，使得从温控箱到湿度箱之间的沥青面层材料试件形成温度梯度，并通过多个温度计测试沥青面层材料试件表面不同位置的温度；
(2)室内压缩蠕变试验
从沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内模拟装置中取出沥青面层材料试件，在沥青面层材料试件的不同深度段安装直线位移传感器，对沥青面层材料试件两端施加压缩荷载进行蠕变实验，记录试验测得的应力及直线位移传感器测得的应变；
(3)确定特征弹性模量演变曲线
利用步骤(2)得到的应力和应变计算沥青面层材料试件在不同深度处的蠕变柔量，并对蠕变柔量进行拉普拉斯变换得到松弛模量，再通过松弛模量计算沥青面层试件在施加多重环境因素作用后不同深度处的动态模量，再根据松弛模量和动态模量计算沥青面层试件在施加多重环境因素作用后不同深度处的特征弹性模量，根据计算所得的不同温度下的特征弹性模量，绘制特征弹性模量随沥青面层深度的变化曲线，揭示其演变规律。
所述的特征弹性模量通过以下公式得到，
公式
式中，Ere为特征弹性模量；E*为动态模量；E(t)为松弛模量；ω为荷载频率，tp为荷载周期时间；/>表示荷载频率/>时的动态模量，/>表示加载时间/>的松弛模量。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
现有技术一般采用动态模量的演化作为衡量沥青混合料的老化程度及水损害程度的力学评价指标，动态模量的计算基于正矢波荷载，而实际的车辆荷载作用在路面结构上表现为半正矢波的荷载形式，两者不一致，造成计算结果产生较大偏差。本发明人通过引入特征弹性模量这一力学指标替代现阶段广泛使用的动态模量指标，通过将半正矢波的荷载形式分解为正矢波荷载部分和恒定荷载部分，再根据应力应变获得特征弹性模量。
本发明可实现在沥青面层材料试件中形成湿度梯度、温度梯度、氧气扩散梯度和紫外辐射的多重环境梯度耦合作用，并且可获得沥青面层在多重环境梯度耦合作用后不同深度处的特征弹性模量力学指标及随面层深度的演变曲线，真实地揭示路面结构中沥青面层在多重环境梯度耦合下真实的力学性能演变规律，具有重大的现实意义。
附图说明
图1为沥青面层材料松弛模量主曲线及Prony级数拟合曲线；
图2为沥青面层材料特征弹性模量随温度及深度的变化曲线；
图3为本发明实现沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内模拟装置的结构示意图；
图4为本发明中在沥青面层材料试件的不同深度处安装直线位移传感器的结构示意图。
其中：1-温控箱；2-湿度箱；3-沥青面层材料试件；4-隔热密封材料；5-紫外灯；6-温度计；7-循环冷却水装置；8-循环冷却水；9-氧气进气口；10-氧气出气口；11-水汽出气口；12-水汽进气口；13-直线位移传感器。
具体实施方式
以下进一步阐释多重环境梯度(湿、热、氧气、紫外辐射)耦合效应作用下的室内模拟装置及沥青面层多重环境梯度耦合下的特征弹性模量表征方法的具体实施方式，包括：
(一)实现沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内模拟装置
如图3所示，本发明的实现沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内模拟装置，包括：温控箱1，湿度箱2；沥青面层材料试件3；隔热密封层4(采用隔热密封材料)；紫外灯5；温度计6；循环冷却水装置7；循环冷却水8；氧气进气口9；氧气出气口10；水汽出气口11；水汽进气口12。
一种实现沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内模拟装置，包括温控箱1和湿度箱2；温控箱1和湿度箱2之间设有沥青面层材料试件3，沥青面层材料试件3的一端伸入温控箱1，沥青面层材料试件3的另一端伸入所述湿度箱2；
温控箱1设有氧气进气口9和氧气出气口10，温控箱1内部设置有紫外灯5，紫外灯5朝向沥青面层材料试件3伸入温控箱1的一端；
湿度箱2设有水汽出气口11和水汽进气口12；
沥青面层材料试件3的外表面套设循环冷却水装置7。循环冷却水装置7包括：套设在沥青面层材料试件3上的冷凝管以及设置在冷凝管的进口和出口的两个温度计。
沥青面层材料试件3的外表面套设有隔热密封层4。
沥青面层材料试件3的表面不同位置设有多个温度计6。
氧气进气口9位于温控箱1的顶部。氧气出气口10位于温控箱1的底部。
水汽出气口11位于湿度箱2的顶部，水汽进气口12位于湿度箱2的底部。
沥青面层材料试件3为为圆柱或长方体结构，其两端分别连接温控箱1和湿度箱2。
温控箱1位于沥青面层材料试件3左端，温控箱1内可模拟沥青面层顶部的环境因素。温控箱1内部包含紫外灯5、氧气进气口9和氧气出气口10。紫外灯5用于模拟太阳紫外线辐射，氧气向试件内部扩散，模拟沥青面层材料试件3的氧化作用。温控箱1内可以实现热、氧、紫外辐射效应相互之间的多种耦合，且氧气进气口9和氧气出气口10的氧气进出速率可控。
湿度箱2位于沥青面层材料试件3右端，湿度箱2内可模拟沥青面层底部的环境因素。湿度箱2内部包含水汽出气口11、水汽进气口12，水汽从水汽出气口11、水汽进气口12进入湿度箱，并向试件内部扩散，模拟沥青面层的水汽扩散引起的水损害，湿度箱2可实现对湿度梯度的模拟。湿度箱2内可以实现湿度对沥青面层底部的作用，且水汽出气口11、水汽进气口12的水汽进出速率可控。
隔热密封层4布设于沥青面层材料试件3的除去试件两端的剩余部分，以隔绝外界湿、热、氧、紫外辐射的环境因素对沥青面层材料试件的影响。
温度计6等间距布设于沥青面层材料试件的上端，以测定由左端温控箱引起的沥青面层材料试件3等间距的温度梯度。
沥青面层材料试件3等间距缠绕循环冷却水装置7，且通过循环冷却水8的流通在沥青面层材料试件3中形成温度梯度，可模拟试件的温度梯度。
(二)沥青面层的特征弹性模量表征方法
(1)多重环境梯度耦合作用的具体实施方式
将沥青面层材料试件3的左端置于温控箱内，此部分直接受到温度梯度、氧气、紫外线的耦合作用，用于模拟实际沥青面层结构的顶部。右端置于湿度箱2内，此部分则直接受到水汽的直接作用，可用于模拟实际沥青面层的底部，其余部分则用隔热密封层包裹。为模拟沥青面层材料试件3在湿度梯度，温度梯度，氧气扩散梯度及紫外线辐射的耦合作用，可通过几个步骤实现：1)开启温控箱电源，使得温控箱恒温工作，且通过循环冷却水8的流通在沥青面层材料试件3中形成温度梯度，并通过温度计6记录沥青面层材料试件3的温度梯度；2)打开温控箱内部的紫外灯5，用于模拟紫外线辐射对沥青面层材料试件3的作用；3)打开温控箱内部的氧气进气口9和氧气出气口10，并控制氧气在温控箱内的进出速率；4)打开湿度箱内部的水汽进气口11和水汽出气口12，并控制水汽在湿度箱内的进出速率。这样湿度梯度，温度梯度，氧气扩散梯度及紫外线辐射耦合作用于沥青面层材料试件3，从而形成多重环境梯度的耦合作用环境。
(2)室内压缩蠕变试验的具体实施方式
在上述多重环境梯度耦合作用后，将沥青面层试件3从室内模拟装置中取出，在试件的不同深度处安装直线位移传感器，采用加载设备对试件两端施加压缩荷载进行蠕变实验，并记录加载设备的应力响应及直线位移传感器的应变响应。沥青面层试件上面层、中面层及下面层的加载及直线位移传感器13安装如图4所示。
(3)确定特征弹性模量的具体实施方式
利用室内压缩蠕变试验所得应力应变响应计算试件不同深度处的蠕变柔量及松弛模量，再通过松弛模量计算沥青面层试件3在施加多重环境梯度耦合作用后不同深度段的特征弹性模量。可通过下述步骤计算特征弹性模量，并绘制试件特征弹性模量随着面层深度的演变曲线。具体实施方式如下：
首先，根据蠕变试验获取沥青面层不同深度段的蠕变柔量，并对蠕变柔量进行拉普拉斯变换得到松弛模量，获取松弛模量对应的Prony级数中的松弛模量系数，沥青面层材料松弛模量主曲线及Prony级数拟合曲线如图1所示，Prony级数如下:
式中，E(t)为松弛模量，E∞为长期松弛模量，Ej为松弛模量系数，κj为松弛时间系数，t为松弛时间，M为Maxwell单元的总数目。
其次，采用松弛模量Prony级数中的系数来计算动态模量：
式中，E*(ω)为动态模量，ω为荷载频率。
最后，计算沥青面层不同深度段即上面层、中面层、下面层中部的特征弹性模量Ere：
通过上述步骤可以得到沥青面层材料在不同环境梯度作用下不同深度处的特征弹性模量演变曲线，从而真实地揭示路面结构中沥青面层在多重环境梯度耦合下真实的力学性能演变规律。具体的试验结果如1所示：
表1.沥青面层材料各层的动态模量、松弛模量及特征弹性模量
为了直观的体现特征弹性模量随面层深度的演变规律，将表1中对应的沥青面层材料试件上面层、中面层和下面层的特征弹性模量绘制于图2中，沥青面层材料特征弹性模量随温度及深度的变化曲线如图2所示。根据计算结果可知，沥青面层材料的特征弹性模量随着温度及沥青面层深度的增加而减少，这符合实际路面在多重环境梯度耦合下的力学性能演变规律。
Claims (7)
1.一种沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将沥青面层材料试件的一端置于温控箱内，开启温控箱以模拟面层的温度作用，开启紫外灯以及从氧气进气口输入氧气模拟紫外线及氧化作用，设置于温控箱的一端模拟实际沥青路面的面层；沥青面层材料试件的另一端置于湿度箱内，从水汽进气口输入水汽，用于模拟实际沥青面层的湿度梯度，所述的温控箱与湿度箱之间的沥青面层材料试件部分则用隔热密封层包裹；开启循环冷却水装置，使得从温控箱到湿度箱之间的沥青面层材料试件形成温度梯度，并通过多个温度计测试沥青面层材料试件表面不同位置的温度；
(2)从沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内模拟装置中取出沥青面层材料试件，在沥青面层材料试件的不同深度段安装直线位移传感器，对沥青面层材料试件两端施加压缩荷载进行蠕变实验，记录试验测得的应力及直线位移传感器测得的应变；
(3)利用步骤(2)得到的应力和应变计算沥青面层材料试件在不同深度处的蠕变柔量，并对蠕变柔量进行拉普拉斯变换得到松弛模量，再通过松弛模量计算沥青面层试件在施加多重环境因素作用后不同深度处的动态模量，再根据松弛模量和动态模量计算沥青面层材料试件在施加多重环境因素作用后不同深度处的特征弹性模量，根据计算所得的不同温度下的特征弹性模量，绘制特征弹性模量随沥青面层深度的变化曲线，揭示其演变规律；
所述的特征弹性模量通过以下公式得到，
公式
式中，Ere为特征弹性模量；E*为动态模量；E(t)为松弛模量；ω为荷载频率，tp为荷载周期时间；/>表示荷载频率/>时的动态模量，/>表示加载时间的松弛模量。
2.根据权利要求1所述的沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内表征方法，其特征在于，采用沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内模拟装置来实现，所述的沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内模拟装置，包括温控箱和湿度箱；所述的温控箱和湿度箱之间设有沥青面层材料试件，所述的沥青面层材料试件的一端伸入所述温控箱，所述的沥青面层材料试件的另一端伸入所述湿度箱；
所述的温控箱设有氧气进气口和氧气出气口，所述的温控箱内部设置有紫外灯，所述的紫外灯朝向所述沥青面层材料试件伸入所述温控箱的一端；
所述湿度箱设有水汽出气口和水汽进气口；
所述的沥青面层材料试件的外表面套设循环冷却水装置。
3.根据权利要求2所述的沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内表征方法，其特征在于，所述的沥青面层材料试件的外表面设有隔热密封层。
4.根据权利要求2所述的沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内表征方法，其特征在于，所述的沥青面层材料试件的表面不同位置设有多个温度计。
5.根据权利要求2所述的沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内表征方法，其特征在于，所述的循环冷却水装置包括：套设在所述沥青面层材料试件上的冷凝管以及设置在所述冷凝管的进口和出口的两个温度计。
6.根据权利要求2所述的沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内表征方法，其特征在于，所述的氧气进气口位于所述温控箱的顶部，所述的氧气出气口位于所述温控箱的底部。
7.根据权利要求2所述的沥青面层在多重环境梯度耦合下的室内表征方法，其特征在于，所述的水汽出气口位于所述湿度箱的顶部，所述的水汽进气口位于所述湿度箱的底部。
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