CN111665345B - 一种基于颗粒接触效应的沥青粘结和润滑转变行为判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于颗粒接触效应的沥青粘结和润滑转变行为判定方法,1.对矿料/沥青体系的混合料在不同温度、不同沥青用量下进行界面接触实验,得到不同沥青用量下最大滑移作用力与温度的关系;2.绘制不同沥青用量下最大滑移作用力随温度的变化曲线,并进行曲线拟合,获得最大滑移作用力与温度的关系模型,对关系模型进行求导,得到最大滑移作用力变化的拐点所对应的温度d1;计算沥青与常温下机油粘度的所处温度d2,小于温度d1的混合料为粘接状态;大于温度d1且小于温度d2的混合料为粘润状态,大于温度d2的混合料为润滑状态。能够准确的划分出矿料/沥青体系在粘结与润滑的区间拐点,方便矿料/沥青体系在后续的研究。
Description
技术领域
本发明属于道路工程领域,涉及一种基于颗粒接触效应的沥青粘结和润滑转变行为判定方法。
背景技术
沥青路面具有良好的路用性能,在国内外被广泛采用。交通量的增长对沥青混合料的力学强度提出了更高的要求。当前大多采用三轴压缩试验、单轴贯入试验、车辙试验、蠕变试验和简单剪切试验等评价沥青混合料的力学特性,从而指导沥青混合料生产。李权权通过蠕变试验和车辙试验揭示了沥青混合料的变形机理,发现温度比荷载等级对沥青混合料蠕变性能受温度的影响更大。Peng采用单轴贯入试验与离散元建模相结合的方法,研究了竖直方向上集料的均匀性对贯入强度的影响。沥青路面在荷载作用下不仅受到压缩剪切的作用,同时还受到扭转剪切的作用。谢军开发了扭转剪切试验装置来模拟沥青混合料的实际受力状态。Hou使用Christensen-Anderson-Marasteanu(CAM)模型预测沥青混合料的动态模量并拟合得主曲线,以预估路面性能。Norambuena-Contrerasca采用超声波直接测试了沥青混合料的动态模量,Majhi证明了采用超声波速度法测定沥青混合料的动态模量的可靠性。近年来逐渐提出了一些新的沥青混合料力学性能试验方法和评价指标。Zhu提出了简化的三轴重复荷载试验(STRT),并采用Stephen Price模型中的回归参数D1表征沥青混合料的抗车辙性能。Rueda开发了一种沥青混合料空心圆筒试验机(HCT-AM)以测量和评价沥青混合料在承受轴向荷载和扭转剪切时的响应,从而表征沥青混合料的力学特性。
沥青混合料是由沥青、集料和空隙构成的多相颗粒性材料,具有颗粒性和粘弹性。沥青混合料的宏观力学特性是沥青的粘结润滑效应以及不同粒径材料接触作用的外在表现。从微细观水平探究沥青混合料的强度形成机理逐渐成为道路工程材料领域的研究热点。Cui采用AIMS系统测试了集料颗粒的几何特征,研究发现集料的棱角越大、纹理越丰富时,集料与沥青的粘附性越好,并存在一个最佳棱角度和球度值使得沥青混合料的马歇尔稳定度最大。Liu采用FTI图像采集系统获得了集料颗粒的纹理、棱角及球度指标,发现集料的棱角和纹理特征可显著影响SMA沥青混合料的高温性能。Li采用CT扫描与MATLAB相结合的方法评价了对沥青混合料接触效应对压实特性的影响,发现松散态沥青混合料的接触滑移能可用于预测沥青混合料的压实特性。Jiang提出了基于IAS的接触结构指数和内部结构指数作为车辙评价指标。Wang通过CT技术进行了沥青混合料的三维模型的重构,进一步研究了矿料颗粒接触作用对沥青混合料性能的影响。英红采用数字图像技术获得了级配沥青混合料中粗集料颗粒的接触形态,揭示了沥青混合料的微细观结构特征。Miao采用离散元法(DEM)研究了不同粒径集料颗粒的接触数和接触力。Ding通过AIMS系统获取颗粒的形状特征,采用离散元模型结合图像处理技术分析了AC-13和SMA-13内部颗粒的接触形态和骨架结构。
在沥青混合料的拌和、摊铺和压实过程中,矿料/沥青体系在沥青的粘结润滑作用下需要克服集料颗粒的接触、摩擦效应,通过颗粒的迁移实现结构自组织,从而达到稳定状态。沥青的粘结与润滑的双重效应显著地影响着沥青混合料地压实质量和力学特性,而且在工程实践中,矿料/沥青体系在粘结与润滑的区间划分一般通过人为经验进行划分,划分结果不够准确,不利于矿料/沥青体系在后续的研究。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供一种基于颗粒接触效应的沥青粘结和润滑转变行为判定方法,能够准确的划分出矿料/沥青体系在粘结与润滑的区间拐点,方便矿料/沥青体系在后续的研究。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
一种基于颗粒接触效应的沥青粘结和润滑转变行为判定方法,包括以下步骤;
步骤一,对矿料/沥青体系的混合料在不同温度、不同沥青用量下进行界面接触实验,得到不同沥青用量下最大滑移作用力与温度的关系;
步骤二,通过最大滑移作用力与温度的关系,绘制不同沥青用量下最大滑移作用力随温度的变化曲线,并进行曲线拟合,获得最大滑移作用力与试验温度的关系模型,对关系模型进行求导,得到求导后最大滑移作用力变化的拐点所对应的温度d1;计算沥青与常温下机油粘度的所处温度d2,小于温度d1的混合料为粘接状态;大于温度d1且小于温度d2的混合料为粘润状态,大于温度d2的混合料为润滑状态。
优选的,步骤一中,对混合料分三次等量装填,填装完成后密封,并施以向上拉力进行试验。
进一步,试验温度大于60℃。
优选的,采用材料万能试验机进行界面接触实验。
A1和A2分别是曲线上最大滑移作用力的最大值和最小值,令Fm (2)=0,求得T=LOGT0,LOGT0和P是曲线中点处的横坐标和斜率,每个沥青用量对应一个LOGT0,对所有LOGT0对应的温度进行求平均值,平均值为温度d1。
优选的,温度d1为90℃,温度d2为150℃。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明通过建立最大滑移作用力与温度的关系模型,确定粘结润滑转变的温度拐点,从而能够准确的判断出不同沥青用量下的矿料/沥青体系,在不同温度下的所处粘润状态,进而能够为最佳拌和压实温度的确定提供理论依据,提高路面的服役质量。
附图说明
图1为本发明的矿料接触滑移特性曲线图;
图2为本发明的不同沥青用量下Fm随温度的变化图;
图3为本发明的不同温度下Fm随沥青用量的变化图;
图4为本发明的粘结区Fm随沥青用量的变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
基于颗粒接触效应的沥青粘结/润滑转变行为判定方法,包括以下步骤:
步骤1:选取原材料及矿料级配。
试验采用陕西某地石灰岩,矿粉选用磨细的石灰岩,按照《公路工程集料试验规程(JTG E42-2005)》中规定对粗、细集料的主要技术指标进行测定,经过试验测试,记录材料相应技术指标,如表1、2所示。对AC-13Z矿料/沥青体系开展接触滑移试验,采用本发明所提出的方法确定沥青的粘结润滑转变温度区间及粘润临界点温度,AC-13Z级配如表3所示。
表1粗、细集料主要技术指标
表2矿粉主要技术指标
表3矿料级配
沥青采用壳牌90#基质沥青,参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ052-2000)》相关要求进行试验,沥青的试验指标如表4所示。
表4基质沥青技术指标要求及测试结果
试验所采用机油为市场购买,为此通过RV.DV-Ⅱ型Brookfield黏度计,对机油的黏度值进行室温条件下测试。由于机油黏度较低,考虑到黏度较低适用的转子代号较小,经初步试验后选取21#转子,确定试验条件:转速100rpm,试验温度为室温,其测试结果如表5所示,试验时室温为24.4℃,测得机油黏度为0.176Pa·s。
表5机油黏度测试结果
步骤2:进行界面接触实验。
采用自行开发的接触滑移试验仪探究沥青对颗粒系统接触特性的影响,该试验装置借助MTS材料万能试验机实现加载。在外部拉力作用下装置的中间腔体相对两边固定腔体产生相对位移,同时带动颗粒系统的内部颗粒发生接触、滑移、滚动和摩擦等行为。试验加载速率为10mm/min,加载位移为90mm,软件自动采集数据,每秒采集60次。每组平行8次以上取平均值作为试验结果。对所需的矿料分三次等量装填,填装完成后封闭各腔体顶部,将整个试验装置安装于MTS万能试验机上并施以向上拉力进行试验。试验温度大于60℃。试验获得的典型接触滑移曲线如图1所示。
采用该装置能够较准确地反映矿料/沥青体系在外力作用下的接触强度。采用最大滑移作用力Fm表征矿料/沥青体系的界面接触特性。Fm是MTS为破坏矿料/沥青体系稳定的结构所施加的最大拉力。
步骤3:划分粘结/润滑转变温度区间。
为了探究沥青的粘结润滑特性对颗粒系统接触特性的影响,本发明以AC-13矿料/沥青体系为例、基于接触试验对沥青的粘结润滑温度转变区间进行划分。不同沥青用量下,Fm随温度的变化如图2所示。
由图2可知,最大滑移作用力Fm随温度的升高呈下降趋势,但在不同的温度区域下降速率不同。为准确确定沥青的粘结/润滑温度转变区间,采用origin9.0对不同温度下Fm进行曲线拟合,所得的Fm与温度T的关系模型如式1所示。
对式(1)进行一阶和二阶求导,如公式(2)和(3)所示。
A1和A2分别是曲线上最大滑移作用力的最大值和最小值,令Fm (2)=0,求得T=LOGT0,LOGT0和P是曲线中点处的横坐标和斜率,不同沥青用量下,LOGT0的值如表6所示。
表6不同沥青用量对应的LOGT0
由表6可知,6种沥青用量下Fm变化拐点对应的温度都约为90℃。
当温度小于90℃时,Fm的下降速率随温度的升高逐渐增大,这是因为沥青中粘结基团的比例非常大,随着温度的升高,粘结、润滑基团所占比例差异变化不大。这说明沥青在矿料颗粒体系构成的骨架结构中粘结效应远大于润滑效应,需要较高的能量才能使矿料颗粒体系产生摩擦、滑移、滚动形成结构重组与微调,因此定义该区域为“粘结区”,该区域内的混合料为粘结状态。
当温度大于90℃小于150℃时,沥青中粘结基团和润滑基团的比例都比较大,因此有一定的流动性。Fm的下降速率随温度的升高逐渐减小。由图3可知,当温度超过90℃,Fm的下降幅度较大,尤其当沥青用量达到4.5%时,Fm的急剧下降,原因在于沥青的润滑效应逐渐占主导地位,沥青用量的增大使这种现象更加显著。定义该区域为“粘润区”,该区域内的混合料为粘润状态。
常温下机油的粘度与150℃下沥青的黏度相当,通常认为机油对接触界面主要为润滑作用,粘结作用很弱。因此当温度大于150℃时,定义为润滑区,该区域内的混合料为粘润状态。并采用机油代替沥青来探究高温条件下沥青的润滑作用对颗粒系统接触效应的影响,这样不仅可以分析纯润滑效应对沥青混合料接触特性的影响,而且方便试验操作。
步骤4:对粘结区、粘润区和润滑区转变温度区间进行验证。
结合图2和图3发现不同温度下,最大粘结沥青用量不同。当温度小于90℃时,最大粘结沥青用量大于4.8%;当温度大于90℃小于150℃时,最大粘结沥青用量小于4.8%。本发明通过马歇尔试验确定的AC-13沥青混合料的最佳沥青用量为4.8%。
当温度小于90℃时,沥青的黏度很大,如图2所示。当沥青用量小于5%时,最大滑移作用力随沥青用量的增加而增大,当超过5%时,呈下降趋势。随着沥青的加入,颗粒系统内部的颗粒表面逐渐裹覆沥青,结构沥青逐渐形成。由于该温度区间内粘结基团几乎占据整个沥青体系,因此最大滑移作用力随沥青用量的增加而增大。当沥青用量超过4.8%时,除了裹敷在矿料颗粒表面的结构沥青之外,自由沥青继续填充在矿料颗粒体系所形成的骨架结构中。沥青自身的粘聚力远小于颗粒系统内部颗粒的嵌挤、摩擦力,因此在外部拉力的作用下,沥青与沥青界面更容易发生形变,所以当沥青用量超过4.8%时,矿料/沥青体系的最大滑移作用力呈下降趋势。因此,将此温度区间定义为“粘结区”是合理的。
当温度处于90℃~150℃时,最大粘结沥青用量小于4.8%。当温度为130℃和150℃时,对应的最佳沥青用量为3.5%;当温度为100℃和110℃时,对应的最佳沥青用量为4.5%;温度越高,润滑基团所占比重越大,沥青对颗粒系统的润滑作用越显著。因此该温度区间应为“粘润区”。
图4给出了不同机油用量下AC-13矿料/沥青体系的最大滑移作用力。在机油用量较低,即3%的情况下,AC-13矿料/沥青体系的Fm最大,而随着机油用量增大到5%,Fm显著下降且下降幅度较大。这说明由于机油润滑,颗粒发生相对运动的摩阻力减小。当机油用量继续增大,Fm反而呈现小幅增加。机油与细集料团聚在一起,这一定程度上缩短了粗颗粒之间的接触距离,即增大了粗颗粒的接触概率。另一方面,颗粒系统由于细集料与机油发生团聚而改变了级配结构,形成比5%机油用量下密实的结构,因此6%机油用量下的Fm增大。在高温条件下,沥青的润滑作用非常显著,矿料/沥青的接触强度随沥青用量的增大呈下降趋势,无最大粘结沥青用量出现。将大于150℃温度区域定义为“润滑区”是合理的。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于颗粒接触效应的沥青粘结和润滑转变行为判定方法,其特征在于,包括以下步骤;
步骤一,对矿料/沥青体系的混合料在不同温度、不同沥青用量下进行界面接触实验,得到不同沥青用量下最大滑移作用力与温度的关系;
步骤二,通过最大滑移作用力与温度的关系,绘制不同沥青用量下最大滑移作用力随温度的变化曲线,并进行曲线拟合,获得最大滑移作用力与试验温度的关系模型,对关系模型进行求导,得到求导后最大滑移作用力变化的拐点所对应的温度d1;
A1和A2分别是曲线上最大滑移作用力的最大值和最小值,令Fm (2)=0,求得T=LOGT0,LOGT0和P是曲线中点处的横坐标和斜率,每个沥青用量对应一个LOGT0,对所有LOGT0对应的温度进行求平均值,平均值为温度d1;
计算沥青与常温下机油粘度相同时的所处温度d2,小于温度d1的混合料为粘接状态;大于温度d1且小于温度d2的混合料为粘润状态,大于温度d2的混合料为润滑状态。
2.根据权利要求1所述的基于颗粒接触效应的沥青粘结和润滑转变行为判定方法,其特征在于,步骤一中,对混合料分三次等量装填,填装完成后密封,并施以向上拉力进行试验。
3.根据权利要求2所述的基于颗粒接触效应的沥青粘结和润滑转变行为判定方法,其特征在于,试验温度大于60℃。
4.根据权利要求1所述的基于颗粒接触效应的沥青粘结和润滑转变行为判定方法,其特征在于,采用材料万能试验机进行界面接触实验。
5.根据权利要求1所述的基于颗粒接触效应的沥青粘结和润滑转变行为判定方法,其特征在于,温度d1为90℃,温度d2为150℃。
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