CN111766201A - 一种评价低温条件下沥青、沥青结合料与矿料粘附效果的方法 - Google Patents

一种评价低温条件下沥青、沥青结合料与矿料粘附效果的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种评价低温条件下沥青、沥青结合料与矿料粘附效果的方法，属于土木工程道路材料领域。评价粘附效果的方法，包括以下步骤：分别检测沥青、沥青结合料与矿料粘结试件在不同温度下的接触面细观强度指标；根据公式（1）─（7）计算Qi值（i=1、2、3…）；根据公式（8）─（11）计算St值（t=‑5、‑15、‑25、‑35单位℃）；根据St值比较不同沥青、沥青结合料与矿料粘附效果，St值越大，说明粘附效果越好。本发明对于评价低温条件下沥青、沥青结合料与矿料粘附效果具有合理、全面、高效、简单的特点。

Description

一种评价低温条件下沥青、沥青结合料与矿料粘附效果的 方法
技术领域
本发明属于土木工程道路材料领域，具体涉及一种评价低温条件下沥青、沥青结合料与矿料粘附效果的模型构建。
背景技术
松动和开裂是路面柔性基层混合料的一种典型病害，是混合料完整性的丧失，严重缩短了路面结构的使用寿命，严重影响工程结构的正常使用。因此，提高沥青混合料的抗裂、抗松散性是研究混合料性能的一个重要方面。
已有研究表明，沥青与矿料表面的黏附效应对混合料的抗裂、抗松动能力有重要影响。如果沥青与矿石表面的附着力好，混合料就不会发生疏松病害，抗裂性能也会提高。中国有丰富的酸性石矿储量。研究表明，在混合料中使用花岗岩等酸性石时，沥青与矿物的附着力较差。在水的剥蚀作用下，沥青容易从矿物表面剥落，混合料容易发生水的破坏，如松动等。更合理地利用酸性石和提高沥青与矿物骨料的粘附性能，提出了许多沥青与矿物骨料粘附效果的技术措施，但根据现有的技术规范和方法，只能从单一或多个方面离散评价沥青与矿物骨料的粘附效果，其结果不能全面反映沥青、沥青结合料和矿石材料的粘附效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种评价低温状态下沥青与矿料粘附效果的方法，该方法能够在快速、简单、客观的判断不同沥青、沥青结合料与矿料粘附效果的优劣。一种评价低温状态下沥青、沥青结合料与矿料粘附效果的技术方案，包括如下步骤：
步骤1、采用不同沥青通过沥青高速剪切机制备的沥青结合料；对沥青、沥青结合料进行实验所需的老化处理；将处理后的沥青与沥青结合料与矿料粘结制作拉伸试验试模；检测试模在不同温度下的接触面细观强度如下指标：
原始样品总体拉伸强度/MPa、原始样品粘附强度/MPa、原始样品粘结强度/MPa、短期老化总体拉伸强度/MPa、短期老化粘附强度/MPa、短期老化粘结强度/MPa、长期老化总体拉伸强度/MPa、长期老化粘附强度/MPa、长期老化粘结强度/MPa；
步骤2、根据公式(1)─(11)计算t温度下Qi(i＝1、2、3…)；
t＝-5℃时：
Q1＝0.013V1+0.037V2+0.088V3-0.081V4-0.186V5+0.190V6+0.218V7-0.219V8+0.213V9 (1)；
Q2＝0.274V1+0.296V2-0.205V3-0.234V4+0.058V5-0.078V6+0.101V7-0.143V8+0.01V9 (2)；
t＝-15℃时：
Q1＝-0.003V1-0.152V2+0.204V3+0.071V4-0.151V5+0.204V6+0.175V7-0.051V8+0.201V9 (3)；
Q2＝-0.274V1-0.195V2-0.072V3+0.124V4+0.220V5-0.127V6+0.246V7+0.460V8-0.003V9 (4)；
Q3＝0.456V1+0.106V2+0.069V3+0.558V4+0.189V5+0.095V6+0.081V7+0.036V8+0.053V9(5)；
t＝-25℃时：
Q1＝-0.119V1-0.112V2+0.117V3+0.111V4+0.114V5+0.109V6+0.122V7+0.118V8+0.117V9 (6)；
t＝-35℃时：
Q1＝-0.116V1-0.120V2+0.121V3+0.112V4+0.104V5+0.120V6+0.116V7+0.120V8+0.118V9 (7)；
其中V1为原始样品总体拉伸强度/MPa、V2为原始样品粘附强度/MPa、V3为原始样品粘结强度/MPa、 V4为短期老化总体拉伸强度/MPa、V5短期老化粘附强度/MPa、V6为短期老化粘结强度/MPa、V7为长期老化总体拉伸强度/MPa、V8为长期老化粘附强度/MPa、V9为长期老化粘结强度/MPa；
步骤3、根据以上公式计算St值(t＝-5、-15、-25、-35单位℃)
S-5＝(50.359Q1+38.223Q2)/88.582 (8)；
S-15＝(56.344Q1+23.766Q2+19.187Q3)/99.297 (9)；
S-25＝90.812Q1/90.812 (10)；
S-35＝90.924Q1/90.924 (11)；
步骤4、根据S值比较各温度下不同沥青与矿料粘附效果，S值越大粘附效果越好。
本发明中，采用沥青高速剪切搅拌仪进行沥青结合料的制备，具体过程参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》。
在本发明中，采用旋转薄膜烘箱老化试验对沥青进行老化处理，模拟沥青短期老化过程；通过旋转薄膜烘箱老化和压力老化对沥青老化处理,模拟沥青长期老化过程。
在本发明中，试模接触面细观强度测试方法参考发明专利《混合料矿料接触面细观强度的定量测试方法》。
附图说明
图1沥青高速剪切搅拌仪；
图2薄膜烘箱老化实验装置；
图3压力老化实验装置；
图4拉伸试件沥青、沥青结合料与矿料接触面细观强度测试原理；
图5不同温度下拉伸试件接触面细观强度结果；
具体实施方式
沥青、沥青结合料与矿料粘附效果模型的建立：
以不同沥青及沥青结合料制备的拉伸试件测得接触面细观强度指标如原始样品总体拉伸强度/MPa、原始样品粘附强度/MPa、原始样品粘结强度/MPa、短期老化总体拉伸强度/MPa、短期老化粘附强度/MPa、短期老化粘结强度/MPa、长期老化总体拉伸强度/MPa、长期老化粘附强度/MPa、长期老化粘结强度/MPa为变量。利用SPSS软件构建相关矩阵用于主成分分析和因子分析，然后根据分析结果建立综合评价数学函数模型并且对不同沥青样本计算得分，来评价沥青与矿料间粘附效果，结果采用发明专利《混合料矿料接触面细观强度的定量测试方法》中剪切粘附强度测试方法进行验证。步骤为：样本为n，变量指标为i，原变量为V1、V2、V3…Vi。当f(f＜i)个主成分量的方差累加贡献率大于85％时，选择前f个因子Q1、Q2、… Qf作为第1、2、…f个主成分。用不同特征值的方差贡献率Rj(j＝1、2、3、…f)为系数进行加权，利用综合评价函数St＝(R1Q1+R2Q2+R3Q3+…+RfQf)/(R1+R2+…+Rf)进行评分及对t℃温度下沥青与矿料粘附效果进行评判。
沥青与矿料粘附效果模型的建立具体过程如下所述：
采用发明专利《沥青混合料矿料接触面细观强度的定量测试方法》中拉伸试验方法，分别测量Vi。 (V1为原始样品总体拉伸强度/MPa、V2为原始样品粘附强度/MPa、V3为原始样品粘结强度/MPa、V4为短期老化总体拉伸强度/MPa、V5短期老化粘附强度/MPa、V6为短期老化粘结强度/MPa、V7为长期老化总体拉伸强度/MPa、V8为长期老化粘附强度/MPa、V9为长期老化粘结强度/MPa)。步骤如下：
选取编号Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6六种沥青及沥青结合料(Z1-盘锦70#沥青、Z2-胺类抗剥落剂盘锦70#改性沥青、Z3-磷羟基有机物盘锦70#沥青、Z4-SBS改性沥青、Z5-胺类抗剥落剂SBS改性沥青、Z6- 磷羟基有机物SBS改性沥青)，采用旋转薄膜烘箱老化试验对6种沥青进行老化处理，模拟沥青短期老化过程；通过旋转薄膜烘箱老化及压力老化对沥青老化处理，模拟沥青长期老化过程。
对处理后的沥青和沥青结合料进行加热，并将设计好的模具放入加热箱中进行预热，一小部分沥青被转移到滴管。为防止沥青在传递过程中凝固，将滴料器与沥青在加热箱中放置25分钟，以保证沥青处于热融状态。
滴管内的沥青滴入拉伸矿料试件的预热表面，拉伸矿料试件尺寸为2.0cm×2.0cm。沥青通过预热叶片均匀铺展在拉伸的矿料试件表面，再将沥青膜拉伸的矿料试样加热，再与另一预热的拉伸的矿石试样粘结。
将粘结完成的拉伸矿料试样在室温内静止直到完全冷却，然后将拉伸矿料试样放置于所需的低温环境中(-5℃、-15℃、-25℃、-35℃)，时间为5小时。
在液压测力装置上安装了经过热处理的拉伸矿料试验件，预先加压，过后归零，消除了试件自重对试验结果的影响。
正式加载进行拉伸矿石材料试验、当矿石材料接触表面出现损伤,测试自动停止并记录破坏载荷。
网格划分的接触表面拉伸矿石模具试验破坏后,每个网格大小由游标卡尺测量,粘结破坏区域的面积和粘附破坏区域面积进行累计计算。
将测得的拉伸破坏荷载及各失效区面积带入公式(12)和(13)，计算矿料接触面总体拉伸强度、沥青与矿料表面拉伸粘附强度、沥青结合料拉伸粘结强度。其中公式(12)和(13)分别为：
Xt×Xt＝P；(12)；
Xa×Sa+Xc×Sc＝P(13)；
上述公式中：P为拉伸破坏荷载；St为矿料接触面面积；Sa为粘附破坏区面积；Sc为粘结破坏区面积；Xt为矿料接触面总体拉伸强度；Xa为沥青矿料间拉伸粘附强度；Xc为沥青结合料自身拉伸粘结强度。
用主成分分析法(PCA)对以上步骤测得的数据(见图4)进一步处理分析，结果如图4所示。
在t＝-5℃环境下，利用主成分分析得到主成分Q1(PCQ1)方差贡献率R1＝50.359％，主成分Q2(PCQ2) 方差贡献率R2＝38.223％。两者累计贡献率达88.582％。
在t＝-15℃环境下，利用主成分分析得到主成分Q1(PCQ1)方差贡献率R1＝56.344％，主成分Q2(PCQ2) 方差贡献率R2＝23.766％。主成分Q3(PCQ3)方差贡献率R3＝19.187％。三者累计贡献率达99.297％。
在t＝-25℃环境下，利用主成分分析得到主成分Q1(PCQ1)方差贡献率R1＝90.812％，累计贡献率达 90.812％。
在t＝-35℃环境下，利用主成分分析得到主成分Q1(PCQ1)方差贡献率R1＝90.924％，累计贡献率达 90.924％。
以上各个温度下，利用主成分分析得到的主成分方差累计贡献率均超过85％，便可认为该种分析方法能够全面反映样品整体信息。
通过方程(1)─(11)计算不同温度下不同沥青、沥青结合料与矿料粘附效果得分。
-5℃时:S-5(Z1)＝0.916、S-5(Z2)＝0.722、S-5(Z3)＝-0.427、S-5(Z4)＝-0.024、S-5(Z5) ＝-0.206、S-5(Z6)＝-0.981。
-15℃时:S-15(Z1)＝-0.440、S-15(Z2)＝-0.0707、S-15(Z3)＝-0.774、S-15(Z4)＝0.497、S-15 (Z5)＝0.998、S-15(Z6)＝-0.210。
-25℃时:S-25(Z1)＝-0.895、S-25(Z2)＝-0.891、S-25(Z3)＝-0.947、S-25(Z4)＝0.958、S-25 (Z5)＝0.973、S-25(Z6)＝0.802。
-35℃时:S-35(Z1)＝-0.820、S-35(Z2)＝-0.899、S-35(Z3)＝-1.010、S-35(Z4)＝0.989、S-35 (Z5)＝0.929、S-35(Z6)＝0.811。
本发明评价模型得分越高，说明在对应温度下沥青、沥青结合料与矿石粘附效果越好。
因此可以确定，在-5℃时条件下，盘锦70#沥青与矿料粘附效果最好，其次是胺类抗剥落剂盘锦70# 改性沥青，其次是SBS改性沥青，而后依次为胺类抗剥落剂SBS改性沥青、磷羟基有机物盘锦70#沥青和磷羟基有机物SBS改性沥青。
在-15℃时条件下，胺类抗剥落剂SBS改性沥青与矿料粘附效果最好，其次是SBS改性沥青，而后依次为胺类抗剥落剂盘锦70#改性沥青、磷羟基有机物SBS改性沥青、盘锦70#沥青和磷羟基有机物盘锦70# 沥青。
在-25℃时条件下，胺类抗剥落剂SBS改性沥青与矿料粘附效果最好，其次是SBS改性沥青，而后依次为磷羟基有机物SBS改性沥青、胺类抗剥落剂盘锦70#改性沥青、盘锦70#沥青和磷羟基有机物盘锦70# 沥青。
在-35℃时条件下，SBS改性沥青与矿料粘附效果最好，其次是胺类抗剥落剂SBS改性沥青，而后依次为磷羟基有机物SBS改性沥青、盘锦70#沥青、胺类抗剥落剂盘锦70#改性沥青和磷羟基有机物盘锦70# 沥青。
以上粘附效果排序与采用发明专利《沥青混合料矿料接触面细观强度的定量测试方法》中剪切破坏实验获得的沥青、沥青结合料与矿料粘附效果优劣排序基本一致，说明本评价方法具有合理性，且对于冬季寒冷地区道路路面沥青选用及抗剥落外加剂的种类添加有一定指导意义。

Claims (3)

1.一种评价低温条件下沥青、沥青结合料与矿料粘附效果的方法,其特征在于以下步骤：
步骤1、分别检测沥青、沥青混合料与矿料粘结试件在不同温度下的接触面细观强度如下指标：原始样品总体拉伸强度/MPa、原始样品粘附强度/MPa、原始样品粘结强度/MPa、短期老化总体拉伸强度/MPa、短期老化粘附强度/MPa、短期老化粘结强度/MPa、长期老化总体拉伸强度/MPa、长期老化粘附强度/MPa、长期老化粘结强度/MPa；
步骤2、根据公式(1)─(7)计算t温度下Qi(i＝1、2、3…)；
t＝-5℃：Q1＝0.013V1+0.037V2+0.088V3-0.081V4-0.186V5+0.190V6+0.218V7-0.219V8+0.213V9 (1)；
Q2＝0.274V1+0.296V2-0.205V3-0.234V4+0.058V5-0.078V6+0.101V7-0.143V8+0.01V9 (2)；
t＝-15℃：Q1＝-0.003V1-0.152V2+0.204V3+0.071V4-0.151V5+0.204V6+0.175V7-0.051V8+0.201V9 (3)；
Q2＝-0.274V1-0.195V2-0.072V3+0.124V4+0.220V5-0.127V6+0.246V7+0.460V8-0.003V9 (4)；
Q3＝0.456V1+0.106V2+0.069V3+0.558V4+0.189V5+0.095V6+0.081V7+0.036V8+0.053V9 (5)；
t＝-15℃：Q1＝-0.119V1-0.112V2+0.117V3+0.111V4+0.114V5+0.109V6+0.122V7+0.118V8+0.117V9 (6)；
t＝-35℃：Q1＝-0.116V1-0.120V2+0.121V3+0.112V4+0.104V5+0.120V6+0.116V7+0.120V8+0.118V9 (7)；
其中V1为原始样品总体拉伸强度/MPa、V2为原始样品粘附强度/MPa、V3为原始样品粘结强度/MPa、V4为短期老化总体拉伸强度/MPa、V5短期老化粘附强度/MPa、V6为短期老化粘结强度/MPa、V7为长期老化总体拉伸强度/MPa、V8为长期老化粘附强度/MPa、V9为长期老化粘结强度/MPa；
步骤3、根据公式(8)─(11)计算St值(t＝-5、-15、-25、-35单位℃)
S-5＝(50.359Q1+38.223Q2)/88.582 (8)；
S-15＝(56.344Q1+23.766Q2+19.187Q3)/99.297 (9)；
S-25＝90.812Q1/90.812 (10)；
S-35＝90.924Q1/90.924 (11)；
步骤4、根据S值比较各温度下不同沥青与矿料粘附效果，S值越大粘附效果越好。
2.根据权利要求1所述的试件制作过程，沥青、沥青结合料在与矿料粘结前要不间断加热，防止凝固，避免粘结表面之间有空隙、造成粘结不充分。
3.根据权利要求1所述的评价方法，将粘结完成老化后的试件放置于所需的低温环境(-5℃、-15℃、-25℃、-35℃)，为避免内部不同区域温差过大，放置时间不宜过短，大于等于5小时。
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