CN111551457B - 一种测试和评估沥青愈合性能的方法 - Google Patents

一种测试和评估沥青愈合性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测试和评估沥青愈合性能的方法，是先将待测沥青通过PAV法进行老化，然后将PAV老化沥青制成试样并进行DSR愈合试验，根据试验结果计算伪剪切模量，并计算表征PAV老化沥青愈合性能的愈合指数，再根据愈合指数预测待测沥青的愈合速率及愈合潜能。通过本发明的方法，能够确认不同损伤水平的沥青的愈合速率和愈合能力，从而为新愈合材料的筛选和开发提供了一种有效的工具。

Description

一种测试和评估沥青愈合性能的方法
技术领域
本发明属于沥青材料性能检测领域，具体涉及一种沥青愈合性能的测试和评估方法。
背景技术
沥青材料被广泛用于高速公路、桥梁和机场跑道等的面层，疲劳开裂是沥青的一种重要的损坏形式，其会导致路面结构的力学性能退化。沥青材料本身具有部分或完全愈合裂缝的能力，然而在进行沥青路面的设计和性能预测时通常没有考虑到这种愈合能力，因此沥青材料的力学性能退化通常被高估了。沥青的愈合性能已经成为道路工程领域的研究热点之一。
动态剪切流变仪(DSR)是按照美国公路战略研究计划(SHRP计划)中的SuperPave相关标准，进行测试沥青在给定温度和荷载频率下的动态剪切模量(G*)和相位角(δ)的基本仪器。该仪器在沥青的黏弹性、疲劳损伤和永久变形的研究中得到了广泛使用。
目前尚未有评价沥青愈合能力的有效方法。
发明内容
基于上述现有技术所存在的不足，本发明提供了一种有效的测试和评估沥青愈合性能的方法。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种测试和评估沥青愈合性能的方法，其特点在于：先将待测沥青通过PAV法进行老化，然后将PAV老化沥青制成试样并进行DSR愈合试验，根据试验结果计算伪剪切模量，并计算表征PAV老化沥青愈合性能的愈合指数，再根据愈合指数预测待测沥青的愈合速率及愈合潜能。具体包括如下步骤：
步骤1、制备PAV老化沥青试样
将待测沥青通过PAV法进行老化，获得PAV老化沥青，储存于罐中备用；
将储存于罐中的PAV老化沥青置于165℃的烘箱中加热30分钟，然后分散到DSR试验专用的试件成型模具中，形成若干直径8mm、高度2mm的圆柱体PAV老化沥青试样；
步骤2、进行DSR愈合试验
步骤21、取步骤1制作的PAV老化沥青试样，在20℃和10Hz加载频率条件下，以0.1％作为起始剪应变水平、以100％作为结束剪应变水平，进行线性幅度扫描(LAS)试验，获得剪应变水平与动态剪切模量及剪应变水平与相位角的关系曲线，从所得关系曲线中确定待测沥青的阈值应变水平εt；
在关系曲线中，所述阈值剪应变水平是指动态剪切模量随着剪应变水平的增加从保持稳定到开始降低、且相位角随着剪应变水平的增加从保持稳定到开始增加时的剪应变水平。阈值剪应变水平时PAV老化沥青试样开始产生开裂。
步骤22、取另一组步骤1制作的PAV老化沥青试样，在20℃和10Hz加载频率条件下，以ε0作为起始剪应变水平、以ε1作为结束剪应变水平，ε0＜ε1＜(εt-0.2％)，进行无损线性幅度扫描(LAS)试验，测得PAV老化沥青试样的无损动态剪切模量
Figure BDA0002496177690000026
和无损相位角δ0(即试样在ε0至ε1区间内的平均动态剪切模量和平均相位角)；
步骤23、继续对步骤22中的PAV老化沥青试样进行愈合试验，包括第一段应变控制的时间扫描疲劳试验、中间的卸载期和第二段应变控制的时间扫描疲劳试验，具体为：
设定所需的荷载循环次数为n(如可设为3,000，6,000和12,000)和剪应变水平ε2，ε2≥(εt+0.2％)(根据沥青使用的实际情况，如可设为5％、7％和10％)，将步骤22中的PAV老化沥青试样在20℃和10Hz加载频率条件下，进行第一段应变控制的时间扫描疲劳试验，测得在第n次荷载循环时PAV老化沥青试样的有损动态剪切模量
Figure BDA0002496177690000021
和有损相位角δD；通过设定不同的载荷循环次数和不同的剪应变水平可以获得不同条件下沥青的愈合性能；
第一段应变控制的时间扫描疲劳试验后，移除荷载，使PAV老化沥青试样进入卸载愈合阶段，荷载卸载期的时间设为(Δt)h；
卸载期之后，按照与第一段应变控制的时间扫描疲劳试验一致的参数，进行第二段应变控制的时间扫描疲劳试验，测得在第5～10次荷载循环时PAV老化沥青试样的有损动态剪切模量
Figure BDA0002496177690000022
和有损相位角δH；
步骤24、重复实验
为了检查实验的可重复性，将步骤22与步骤23重复进行三次，计算三次实验所得
Figure BDA0002496177690000023
δ0、
Figure BDA0002496177690000024
δD、
Figure BDA0002496177690000025
和δH的平均值和相对偏差；
当任意动态剪切模量的相对偏差大于10％或任意相位角的相对偏差大于5％时，重新进行步骤22、23、24；当任意动态剪切模量的相对偏差不大于10％且任意相位角的相对偏差不大于5％时，数据可用，继续进行步骤3；
步骤3、以伪剪切模量计算表征PAV老化沥青愈合性能的愈合指数
以S0表示PAV老化沥青试样在第一段应变控制的时间扫描疲劳试验开始时的伪剪切模量，其值为1；
按照公式(1)计算PAV老化沥青试样在第一段应变控制的时间扫描疲劳试验结束时的伪剪切模量SD：
Figure BDA0002496177690000031
按照公式(2)计算PAV老化沥青试样在第二段应变控制的时间扫描疲劳试验开始时的伪剪切模量SH：
Figure BDA0002496177690000032
式中GR为参考剪切模量，其值为1；
按照公式(3)计算PAV老化沥青的愈合指数％HI：
Figure BDA0002496177690000033
式中：S0-SD表示伪剪切模量在第一段应变控制的时间扫描疲劳试验中的损失量，SH-SD表示在卸载期伪剪切模量的恢复量；
步骤4、建立愈合速率模型
通过设定步骤23中(Δt)h的数值(可依次设为5s、10s、0.5min、1min、2min、5min、10min、20min、40min和2h)，获得一系列(Δt)h所对应的愈合指数％HI，画出相关愈合曲线图，按照公式(4)建立愈合速率模型(Ramberg-Osgood Model)：
Figure BDA0002496177690000034
对所述公式(4)进行积分，获得公式(5)：
Figure BDA0002496177690000035
式中，
Figure BDA0002496177690000036
hβ分别表示PAV老化沥青的短期愈合速率、长期愈合速率及愈合潜能；
根据一系列(Δt)h所对应的愈合指数％HI，结合公式(5)，通过最小二乘回归方法计算获得
Figure BDA0002496177690000037
及hβ，从而预测待测沥青的愈合速率及愈合潜能。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
通过本发明的方法，能够确认不同损伤水平的沥青的愈合速率和愈合潜力，从而为新愈合材料的筛选和开发提供了一种有效的工具。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明实施例1制作的圆柱体PAV老化沥青试样在DSR设备中的示意图，图中r0为圆柱体沥青试样的半径(即4mm)，h为圆柱体沥青试样的高度(即2mm)。
图3为本发明实施例1步骤21无损线性幅度扫描试验的试验结果图。
图4为本发明实施例1步骤23第一段应变控制的时间扫描疲劳试验的试验结果图。
图5为本发明实施例1步骤4所得相关愈合曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
参见图1，本实施例测试和评估沥青愈合性能的方法，包括如下步骤：
步骤1、制备PAV老化沥青试样
将待测沥青通过PAV法进行老化，获得PAV老化沥青，储存于罐中备用；
将储存于罐中的PAV老化沥青置于165℃的烘箱中加热30分钟，然后分散到DSR试验专用的试件成型模具中，形成若干直径8mm、高度2mm的圆柱体PAV老化沥青试样，如图2所示。
步骤2、进行DSR愈合试验
步骤21、取步骤1制作的PAV老化沥青试样，在20℃和10Hz加载频率条件下，以0.1％作为起始剪应变水平、以100％作为结束剪应变水平，进行线性幅度扫描(LAS)试验，获得剪应变水平与动态剪切模量及剪应变水平与相位角的关系曲线，从所得关系曲线中确定待测沥青的阈值剪应变水平εt＝0.8％，如图3所示。
步骤22、取另一组步骤1制作的PAV老化沥青试样，在20℃和10Hz加载频率条件下，以ε0＝0.1％为起始剪应变水平、以ε1＝0.6％作为结束剪应变水平，进行无损线性幅度扫描试验，测得PAV老化沥青试样的无损动态剪切模量
Figure BDA0002496177690000041
无损相位角δ0。
步骤23、继续对步骤22中的PAV老化沥青试样进行愈合试验，包括第一段应变控制的时间扫描疲劳试验、中间的卸载期和第二段应变控制的时间扫描疲劳试验，具体为：
设定所需的荷载循环次数为n＝12000和剪应变水平ε2＝5％，将步骤22中的PAV老化沥青试样在20℃和10Hz加载频率条件下，进行第一段应变控制的时间扫描疲劳试验，测得在第12000次荷载循环时PAV老化沥青试样的有损动态剪切模量
Figure BDA0002496177690000042
和有损相位角δD，如图4所示；
第一段应变控制的时间扫描疲劳试验后，移除荷载，使PAV老化沥青试样进入卸载愈合阶段，荷载卸载期的时间(Δt)h依次设为5s、10s、0.5min、1min、2min、5min、10min、20min、40min和2h；
卸载期之后，按照与第一段应变控制的时间扫描疲劳试验一致的参数，进行第二段应变控制的时间扫描疲劳试验，测得在第10次荷载循环时PAV老化沥青试样的有损动态剪切模量
Figure BDA0002496177690000051
和有损相位角δH。
步骤24、重复实验
将步骤22与步骤23重复进行三次，计算三次实验所得
Figure BDA0002496177690000052
δ0、
Figure BDA0002496177690000053
δD、
Figure BDA0002496177690000054
和δH的平均值和相对偏差，结果见表1(其中
Figure BDA0002496177690000055
与δH对应(Δt)h＝20min时的数据)：
Figure BDA0002496177690000056
由表中可以看出任意动态剪切模量的相对偏差小于10％，且任意相位角的相对偏差小于5％，本组实验数据有效。
步骤3、以伪剪切模量计算表征PAV老化沥青愈合性能的愈合指数
以S0表示PAV老化沥青试样在第一段应变控制的时间扫描疲劳试验开始时的伪剪切模量，其值为1；
按照公式(1)计算PAV老化沥青试样在第一段应变控制的时间扫描疲劳试验结束时的伪剪切模量SD：
Figure BDA0002496177690000057
按照公式(2)计算PAV老化沥青试样在第二段应变控制的时间扫描疲劳试验开始时的伪剪切模量SH：
Figure BDA0002496177690000058
式中GR为参考剪切模量，其值为1；
按照公式(3)计算PAV老化沥青的愈合指数％HI：
Figure BDA0002496177690000061
步骤4、建立愈合速率模型
通过设定步骤23中(Δt)h的数值，获得一系列(Δt)h所对应的愈合指数％HI，数据如表2所示：
(Δt)<sub>h</sub> S<sub>D</sub> S<sub>H</sub> ％HI(％)
5s 0.3960 0.4146 3.0868
10s 0.4076 0.4340 4.4643
0.5min 0.3984 0.4382 6.6161
1min 0.4083 0.4602 8.7721
2min 0.4123 0.4829 12.0081
5min 0.4209 0.5109 15.5468
10min 0.4297 0.5463 20.4458
20min 0.4084 0.5472 23.4618
40min 0.4196 0.5960 30.4004
2h 0.4065 0.7054 50.3678
画出相关愈合曲线图，如图5所示，按照公式(4)建立愈合速率模型：
Figure BDA0002496177690000062
对公式(4)进行积分，获得公式(5)：
Figure BDA0002496177690000063
式中，
Figure BDA0002496177690000064
hβ分别表示PAV老化沥青的短期愈合速率、长期愈合速率及愈合潜能；
根据一系列(Δt)h所对应的愈合指数％HI，结合公式(5)，通过最小二乘回归方法计算获得
Figure BDA0002496177690000065
hβ＝0.0366。
试验结果表明相比于长期愈合速率
Figure BDA0002496177690000071
短期愈合速率
Figure BDA0002496177690000072
和hβ对沥青的愈合性能有着更为重要的影响。此外，随着损伤水平(增加荷载循环次数或应变水平)的增加，短期愈合速率
Figure BDA0002496177690000073
长期愈合速率
Figure BDA0002496177690000074
和愈合潜力hβ降低。当沥青试样严重损坏时，进一步增加损伤水平不能再降低材料的愈合性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种测试和评估沥青愈合性能的方法，其特征在于：先将待测沥青通过PAV法进行老化，然后将PAV老化沥青制成试样并进行DSR愈合试验，根据试验结果计算伪剪切模量，并计算表征PAV老化沥青愈合性能的愈合指数，再根据愈合指数预测待测沥青的愈合速率及愈合潜能，具体包括如下步骤：
步骤1、制备PAV老化沥青试样
将待测沥青通过PAV法进行老化，获得PAV老化沥青，储存于罐中备用；
将储存于罐中的PAV老化沥青置于165℃的烘箱中加热30分钟，然后分散到DSR试验专用的试件成型模具中，形成若干直径8mm、高度2mm的圆柱体PAV老化沥青试样；
步骤2、进行DSR愈合试验
步骤21、取步骤1制作的PAV老化沥青试样，在20℃和10Hz加载频率条件下，以0.1％作为起始剪应变水平、以100％作为结束剪应变水平，进行线性幅度扫描试验，获得剪应变水平与动态剪切模量及剪应变水平与相位角的关系曲线，从所得关系曲线中确定待测沥青的阈值剪应变水平εt；
步骤22、取另一组步骤1制作的PAV老化沥青试样，在20℃和10Hz加载频率条件下，以ε0作为起始剪应变水平、以ε1作为结束剪应变水平，ε0＜ε1≤(εt-0.2％)，进行无损线性幅度扫描试验，测得PAV老化沥青试样的无损动态剪切模量
Figure FDA0003838943400000016
和无损相位角δ0；
步骤23、继续对步骤22中的PAV老化沥青试样进行愈合试验，包括第一段应变控制的时间扫描疲劳试验、中间的卸载期和第二段应变控制的时间扫描疲劳试验，具体为：
设定所需的荷载循环次数n和剪应变水平ε2，ε2≥(εt+0.2％)，将步骤22中的PAV老化沥青试样在20℃和10Hz加载频率条件下，进行第一段应变控制的时间扫描疲劳试验，测得在第n次荷载循环时PAV老化沥青试样的有损动态剪切模量
Figure FDA0003838943400000011
和有损相位角δD；
第一段应变控制的时间扫描疲劳试验后，移除荷载，使PAV老化沥青试样进入卸载愈合阶段，荷载卸载期的时间设为(Δt)h；
卸载期之后，按照与第一段应变控制的时间扫描疲劳试验一致的参数，进行第二段应变控制的时间扫描疲劳试验，测得在第5～10次荷载循环时PAV老化沥青试样的有损动态剪切模量
Figure FDA0003838943400000012
和有损相位角δH；
步骤24、重复实验
将步骤22与步骤23重复进行三次，计算三次实验所得
Figure FDA0003838943400000013
δ0、
Figure FDA0003838943400000014
δD、
Figure FDA0003838943400000015
和δH的平均值和相对偏差；
当任意动态剪切模量的相对偏差大于10％或任意相位角的相对偏差大于5％时，重新进行步骤22、23、24；
步骤3、以伪剪切模量计算表征PAV老化沥青愈合性能的愈合指数
以S0表示PAV老化沥青试样在第一段应变控制的时间扫描疲劳试验开始时的伪剪切模量，其值为1；
按照公式(1)计算PAV老化沥青试样在第一段应变控制的时间扫描疲劳试验结束时的伪剪切模量SD：
Figure FDA0003838943400000021
按照公式(2)计算PAV老化沥青试样在第二段应变控制的时间扫描疲劳试验开始时的伪剪切模量SH：
Figure FDA0003838943400000022
式中GR为参考剪切模量，其值为1；
按照公式(3)计算PAV老化沥青的愈合指数％HI：
Figure FDA0003838943400000023
步骤4、建立愈合速率模型
通过设定步骤23中(Δt)h的数值，获得一系列(Δt)h所对应的愈合指数％HI，画出相关愈合曲线图，按照公式(4)建立愈合速率模型：
Figure FDA0003838943400000024
对所述公式(4)进行积分，获得公式(5)：
Figure FDA0003838943400000025
式中，
Figure FDA0003838943400000026
hβ分别表示PAV老化沥青的短期愈合速率、长期愈合速率及愈合潜能；
根据一系列(Δt)h所对应的愈合指数％HI，结合公式(5)，通过最小二乘回归方法计算获得
Figure FDA0003838943400000027
及hβ，从而预测待测沥青的愈合速率及愈合潜能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：(Δt)h分别设为5s、10s、0.5min、1min、2min、5min、10min、20min、40min和2h。
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