CN110929940A - 一种沥青混合料的动态模量的预测方法及其应用 - Google Patents

一种沥青混合料的动态模量的预测方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种沥青混合料的动态模量的预测方法及其应用。对经不同老化程度后的试样进行动态频率扫描试验，测得其在不同测试温度和加载频率下的复数剪切模量，相位角，储能模量和损失模量，得到不同老化状态下交叉模量、交叉频率和流变参数等指标，从而对沥青复数剪切模量、相位角主曲线进行旋转、平移，建立在较宽的老化温度和老化时间范围内的沥青复数剪切模量和相位角主曲线；进而能够预测沥青混合料的动态模量E*，进而为沥青路面预防性养护时机确定提供依据。

Description

一种沥青混合料的动态模量的预测方法及其应用
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种沥青混合料的动态模量的预测方法及其应用。
背景技术
在路面自然环境下，沥青热氧老化引起的流变性能衰变，是影响沥青混合料力学性能的重要因素之一，直接影响沥青在路面使用效率，因此提出评价与预测沥青老化流变性能的方法具有重要意义。已有的评价沥青老化性能指标多集中在既定温度或频率(时间)下的测定结果，如针入度、软化点和延度等，其无法真实反映沥青在非等温环境下流变力学性能演变过程，也无法精确反映沥青老化程度和老化速率。沥青是一种粘弹性材料，其性能是在广泛的温度和频率范围内随温度或频率连续变化的，因此基于流变学的沥青复数剪切模量与相位角主曲线对评价沥青老化性能有较好的理论基础和明显的优势。在热氧老化过程中，影响沥青流变性能衰变的两个主要因素为老化温度和老化时间，然而沥青复数剪切模量与相位角主曲线仅体现了沥青在测试温度和加载频率范围内的变化规律，无法有效的表征老化温度和老化时间对复数剪切模量与相位角的影响，更无法预测沥青老化流变性能。
鉴于此本发明提出的一种沥青老化流变主曲线的预测方法，可在较宽的老化温度和老化时间范围内预测沥青复数剪切模量和相位角，由此可进一步预测沥青混合料动态模量E*，最终实现沥青路面的抗车辙性能、疲劳性能和抗低温开裂性能的精确预测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种沥青混合料的动态模量的预测方法及其应用。
本发明的另一目的在于提供一种沥青混合料的动态模量的预测方法的应用。
本申请的方案如下：
一种沥青混合料的动态模量的预测方法，包括以下步骤：
①试验：将未老化的原样罐装沥青加热后制备成沥青薄膜试样，将薄膜试样放入热氧老化试验装置中进行老化温度TA(A＝1，2，3……a)和老化时间 tB(B＝1，2，3……b)的热氧老化；
②获取数据：将不同热氧老化程度TA,tB条件下的沥青试样取出，利用动态剪切流变仪进行动态频率扫描试验，测定在不同测试温度和加载频率条件下的沥青复数剪切模量G*，相位角δ，储能模量G”和损失模量G’；
③建立G*，δ，G”和G’的主曲线，进而计算不同热氧老化程度TA,tB条件下沥青试样的交叉模量Gc(TA,tB)，交叉频率ωc(TA,tB)和流变参数
Figure RE-GDA0002371844630000021
④绘制在老化温度TA，流变参数
Figure RE-GDA0002371844630000022
与tB的曲线，建立参考老化状态(T0, t0)下流变参数R0与TA,tB条件下流变参数
Figure RE-GDA0002371844630000023
的关系式；
⑤基于TA,tB条件下沥青试样的交叉频率ωc(TA,tB)与参考老化状态(T0,t0) 下的R0，根据Christensen-Anderson模型,将TA,tB条件下的沥青复数剪切模量 G*主曲线和相位角δ主曲线进行旋转；
⑥建立平移因子αt，T的方程，对TA,tB条件下旋转后G*，δ主曲线进行平移，可得到参考老化温度T0和参考老化时间t0下的沥青G*，δ主曲线，进而可预测任意老化温度TA和老化时间tB条件下的沥青G*，δ；
⑦基于预测得到的沥青复数剪切模量，来预测沥青混合料的动态模量E*。
进一步，所述步骤①中，将未老化的原样罐装沥青加热后制备成厚度为1mm±0.1mm的沥青薄膜试样。对沥青进行不同老化温度TA和老化时间tB的热氧老化，其中TA为55℃,70℃和85℃，在每种老化温度下的老化时间tB为0 天，5天，10天，20天和30天。
进一步，所述步骤②中，动态频率扫描试验的测试温度为5℃、15℃、25℃、 35℃和45℃，加载频率范围为0.1rad/s-100rad/s。
进一步，所述步骤③中，根据时温等效原理，采用非线性最小二乘法和西格摩德(Sigmoidal)函数如下式，建立G*，δ，G”和G’的主曲线(主曲线的详细建立过程见文献，Bayane B M,Yang E,Qiu Y.(2017).Dynamic Modulus Master Curve ConstructionUsing Christensen-Anderson-Marasteanu(CAM)model.International Journal ofEngineering Research and Applications)：
Figure RE-GDA0002371844630000024
Figure RE-GDA0002371844630000031
logfγ＝logf+logαT (3)
式中a,b,c,d为拟合参数；fγ(rad/s)为参考频率；f为加载频率；αT时- 温转化因子；
进而计算不同热氧老化程度TA,tB条件下沥青试样的交叉模量Gc(TA,tB)，交叉频率ωc(TA,tB)和流变参数
Figure RE-GDA0002371844630000032
其中储能模量等于损失模量即G’＝G”时所对应的频率为交叉频率ωc，该交叉频率所对应的复数剪切模量即为交叉模量Gc，进而可计算不同热氧老化程度 TA,tB条件下沥青试样的交叉模量Gc(TA,tB)，交叉频率ωc(TA,tB)，流变参数的计算依据为，
R＝logGg-logGc* (4)
式中Gg为玻璃化模量，对于大多数沥青为常数即1GPa。
据此，能够计算不同热氧老化程度TA,tB条件下沥青流变参数
Figure RE-GDA0002371844630000033
进一步，所述步骤④中，参考老化状态下(T0,t0)流变参数R0与TA,tB条件下流变参数
Figure RE-GDA0002371844630000034
的关系式的依据为，
Figure RE-GDA0002371844630000035
式中，n为拟合参数，A为频率因子；E为活化能，kJ/mol；R为摩尔气体常数，J/(mol*K)。
进一步，所述步骤⑤中，建立沥青复数剪切模量G*主曲线和相位角δ旋转主曲线的计算依据为Christensen-Anderson模型，如下式，
Figure RE-GDA0002371844630000036
Figure RE-GDA0002371844630000037
进一步，所述步骤⑥中，建立平移因子αt，T的程的计算依据为，
Figure RE-GDA0002371844630000041
式中，m为拟合参数，A’为频率因子；E’为活化能，kJ/mol；
进一步，所述步骤⑦中，建立沥青混合料的动态模量E*的计算依据为 Al-Khateeb等提出的，如下式，
Figure RE-GDA0002371844630000042
式中，VMA为沥青混合料矿料间隙率，％。
一种沥青路面预防性养护时机的确定方法，其特征在于，
第一，根据前述的沥青老化流变主曲线进行的预测方法，具体而言，通过步骤①-⑥，建立沥青复数模量G*、相位角δ老化流变主曲线；
其中，沥青采用该路段新建时所采用的沥青，将上述沥青进行不同温度、不同时间条件下的老化，接着将老化后的试样进行动态频率扫描试验，测定其复数剪切模量G*，相位角δ，储能模量G”和损失模量G’；
第二，查询当地历年气象资料，得到该路面的年平均温度T，根据沥青复数模量G*、相位角δ老化流变主曲线，能够求得不同年份下的沥青复数模量G*、相位角δ，进而得到当前时间下的沥青车辙因子G*/sinδ，疲劳因子G*sinδ，松弛模量G(t)以及松弛速率mr还可根据公式(9)得到当前时间下的沥青混合料的动态模量E*；
其中，沥青混合料动态模量E*更能真实的反映出道面的实际工作状态，在沥青道面新的设计体系中已经把动态模量输入到性能模型可以预测沥青混合料的抗车辙性能、疲劳性能和抗低温开裂性能；
第三，当车辙因子G*/sinδ<2.2kPa或疲劳因子G*sinδ>5000kPa或 G(t)>160MPa,mr<0.26，需对路面进行预防性养护。
本发明的有益效果：
第一，本申请能够实现沥青路面的抗车辙性能、疲劳性能和抗低温开裂性能的预测。
第二，公式(5)与(8)是本申请的原创，也是本申请的核心。
第三，本申请的沥青老化流变主曲线进行的预测方法，其能够用于工程实践，沥青混合料动态模量E*更能真实的反映出道面的实际工作状态，在沥青道面新的设计体系中已经把动态模量输入到性能模型可以预测沥青混合料的抗车辙性能、疲劳性能和抗低温开裂性能；特别的，可以用于确定沥青路面预防性养护时机。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
图1是PG 58-28复数剪切模量G*主曲线旋转、平移过程示意图。
图2是PG 58-28相位角δ主曲线旋转、平移过程示意图。
具体实施方式
一种沥青老化流变主曲线的预测方法及其应用的实施方法的步骤如下：
(1)选取地区已建成的沥青路面，将该路段新建时采用的某产地标号的原样罐装沥青PG58-28进行试验。将该原样罐装沥青在130℃条件下加热10-15min, 分别倒入直径为10cm的铝盘中，每个铝盘的实际沥青为10g,经自流平形成约 1mm厚度的薄膜，重复制作多个类似试样。将沥青薄膜试样让如已公知的热氧老化箱中进行不同程度的热氧老化，老化温度分别为55℃,70℃和85℃，在每种老化温度下的老化时间tB为0天，5天，10天，20天和30天；
(2)将不同热氧老化程度的沥青试样取出，利用动态剪切流变仪进行动态频率扫描试验，得到在不同测试温度(5℃，15℃，25℃，35℃，45℃)和加载频率(0.1rad/s-100rad/s)条件下的沥青复数剪切模量G*，相位角δ，储能模量G”和损失模量G’；
(3)利用公式(1)-(3)，根据时温等效原理，采用非线性最小二乘法，获取G*，δ，G”和G’的主曲线。利用G*，δ，G”和G’的主曲线以及公式(4)，获取不同热氧老化程度下沥青试样的交叉模量Gc(TA,tB)，交叉频率ωc(TA,tB)，流变参数
Figure RE-GDA0002371844630000051
(4)利用公式(5)，获取参考老化状态(T0,t0)下的沥青流变参数R0；
(5)基于交叉频率ωc(TA,tB)与参考老化状态(T0,t0)下的R0，利用公式 (6)-(7)，将TA,tB条件下的沥青复数剪切模量G*主曲线和相位角δ主曲线进行旋转。
(6)利用公式(8)，将旋转后的G*与δ主曲线进行平移，从而可得到参考老化温度T0和参考老化时间t0下的沥青G*，δ主曲线，进而可预测任意老化温度 TA和老化时间tB条件下的沥青G*与δ，如附图1-2所示。
(7)查询当地历年气象资料，得到该路面的年平均温度T,根据参考老化温度T0和参考老化时间t0下的沥青G*与δ主曲线可预测该地区路面建成后的复数剪切模量G*与相位角δ，利用公式(9)可预测沥青混合料动态模量E*。E*更能真实的反映出路面的实际工作状态，在沥青道面新的设计体系中已经把E*输入到性能模型可以预测沥青混合料的抗车辙性能、疲劳性能和抗低温开裂性能。
基于沥青混合料动态模量E*，可以用来确定沥青路面何时需要进行养护，为预防性养护时机提供依据。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (9)

1.一种沥青混合料的动态模量的预测方法，包括以下步骤：
其特征在于，
①试验：将未老化的原样罐装沥青加热后制备成沥青薄膜试样，将薄膜试样放入热氧老化试验装置中进行老化温度TA(A＝1，2，3……a)和老化时间tB(B＝1，2，3……b)的热氧老化；
②获取数据：将不同热氧老化程度TA,tB条件下的沥青试样取出，利用动态剪切流变仪进行动态频率扫描试验，测定在不同测试温度和加载频率条件下的沥青复数剪切模量G*，相位角δ，储能模量G”和损失模量G’；
③建立G*，δ，G”和G’的主曲线，进而计算不同热氧老化程度TA,tB条件下沥青试样的交叉模量Gc(TA,tB)，交叉频率ωc(TA,tB)和流变参数
Figure RE-FDA0002341597420000011
④绘制在老化温度TA，流变参数
Figure RE-FDA0002341597420000012
与tB的曲线，建立参考老化状态(T0,t0)下流变参数R0与TA,tB条件下流变参数
Figure RE-FDA0002341597420000013
的关系式；
⑤基于TA,tB条件下沥青试样的交叉频率ωc(TA,tB)与参考老化状态(T0,t0)下的R0，根据Christensen-Anderson模型,将TA,tB条件下的沥青复数剪切模量G*主曲线和相位角δ主曲线进行旋转；
⑥建立平移因子αt,T的方程，对TA,tB条件下旋转后的G*，δ主曲线进行平移，可得到参考老化温度T0和参考老化时间t0下的沥青G*，δ主曲线，进而可预测任意老化温度TA和老化时间tB条件下的沥青G*，δ；
⑦基于预测得到的沥青复数剪切模量，来预测不同时间、不同温度下的沥青混合料的动态模量E*。
2.根据权利要求1所述的一种沥青混合料的动态模量的预测方法，其特征在于，所述步骤①中，将未老化的原样罐装沥青加热后制备成厚度为1mm±0.1mm的沥青薄膜试样。对沥青进行不同老化温度TA和老化时间tB的热氧老化，其中TA为55℃,70℃和85℃，在每种老化温度下的老化时间tB为0天，5天，10天，20天和30天。
3.根据权利要求1所述的一种沥青混合料的动态模量的预测方法，其特征在于，所述步骤②中，动态频率扫描试验的测试温度为5℃、15℃、25℃、35℃和45℃，加载频率范围为0.1rad/s-100rad/s。
4.根据权利要求1所述的一种沥青混合料的动态模量的预测方法，其特征在于，所述步骤③中，根据时温等效原理，采用非线性最小二乘法和西格摩德(Sigmoidal)函数如下式，建立G*，δ，G”和G’的主曲线：
Figure RE-FDA0002341597420000021
Figure RE-FDA0002341597420000022
logfγ＝logf+logαT (3)
式中a,b,c,d为拟合参数；fγ(rad/s)为参考频率；f为加载频率；αT时-温转化因子；
进而计算不同热氧老化程度TA,tB条件下沥青试样的交叉模量Gc(TA,tB)，交叉频率ωc(TA,tB)和流变参数
Figure RE-FDA0002341597420000025
其中储能模量等于损失模量即G’＝G”时所对应的频率为交叉频率ωc，该交叉频率所对应的复数剪切模量即为交叉模量Gc，进而可计算不同热氧老化程度TA,tB条件下沥青试样的交叉模量Gc(TA,tB)，交叉频率ωc(TA,tB)，流变参数的计算依据为，
R＝logGg-logGc* (4)
式中Gg为玻璃化模量，对于大多数沥青为常数即1GPa。
据此，能够计算不同热氧老化程度TA,tB条件下沥青流变参数
Figure RE-FDA0002341597420000026
5.根据权利要求1所述的一种沥青混合料的动态模量的预测方法，其特征在于，所述步骤④中，参考老化状态下(T0,t0)流变参数R0与TA,tB条件下流变参数
Figure RE-FDA0002341597420000023
的关系式的依据为，
Figure RE-FDA0002341597420000024
式中，n为拟合参数，A为频率因子；E为活化能，kJ/mol；R为摩尔气体常数，J/(mol*K)。
6.根据权利要求1所述的一种沥青混合料的动态模量的预测方法，其特征在于，所述步骤⑤中，建立沥青复数剪切模量G*主曲线和相位角δ旋转主曲线的计算依据为Christensen-Anderson模型，如下式，
Figure RE-FDA0002341597420000031
Figure RE-FDA0002341597420000032
7.根据权利要求1所述的一种沥青混合料的动态模量的预测方法，其特征在于，所述步骤⑥中，建立平移因子αt,T的程的计算依据为，
Figure RE-FDA0002341597420000033
式中，m为拟合参数，A’为频率因子；E’为活化能，kJ/mol。
8.根据权利要求1所述的一种沥青混合料的动态模量的预测方法，其特征在于，所述步骤⑦中，建立沥青混合料的动态模量E*的计算依据为Al-Khateeb等提出的，如下式，
Figure RE-FDA0002341597420000034
式中，VMA为沥青混合料矿料间隙率，％。
9.一种沥青路面预防性养护时机的确定方法，其特征在于，
第一，根据权利要求8所述的沥青老化流变主曲线进行的预测方法，具体而言，通过步骤①-⑥，建立沥青复数模量G*、相位角δ老化流变主曲线；
其中，沥青采用该路段新建时所采用的沥青，将上述沥青进行不同温度、不同时间条件下的老化，接着将老化后的试样进行动态频率扫描试验，测定其复数剪切模量G*，相位角δ，储能模量G”和损失模量G’；
第二，查询当地历年气象资料，得到该路面的年平均温度T，根据沥青复数模量G*、相位角δ老化流变主曲线，能够求得不同年份下的沥青复数模量G*、相位角δ，进而得到当前时间下的沥青车辙因子G*/sinδ，疲劳因子G*sinδ，松弛模量G(t)以及松弛速率mr还可根据公式(9)得到当前时间下的沥青混合料的动态模量E*；
其中，沥青混合料动态模量E*更能真实的反映出路面的实际工作状态，在沥青道面新的设计体系中将E*输入到性能模型即可以预测沥青混合料的抗车辙性能、疲劳性能和抗低温开裂性能；
第三，当车辙因子G*/sinδ<2.2kPa或疲劳因子G*sinδ>5000kPa或G(t)>160MPa,mr<0.26，需对路面进行预防性养护。
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