CN112067424A - 沥青混合料界面接触滑移试验装置及高温滑移评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青混合料界面接触滑移试验装置及高温滑移评价方法，包括底座，底座上竖直设置有落料筒，落料筒的上端具有卡槽，卡槽内设置有支撑环，落料筒的上端对应放置有装料桶，装料桶内装有试件；装料桶的开口端向下，装料桶的底板上开设有加载孔，加载孔内贯穿有加载压头；支撑环的内径不小于加载压头的直径的两倍，以使加载过程中在试件上形成锥形剪切滑移面。本发明通过结构设计，得到滑移剪切界面来模拟沥青混合料颗粒间的实际接触状况，从微细观水平揭示矿料之间的接触滑移效应，并将其应用于微细观高温变形评价中，有利于进一步研究沥青混合料的力学行为和强度形成机理。

Description

沥青混合料界面接触滑移试验装置及高温滑移评价方法

技术领域

本发明属于道路材料技术领域，尤其涉及沥青混合料界面接触滑移试验装置及高温滑移评价方法。

背景技术

沥青路面产生永久变形的机理是沥青混合料的进一步压实和迁移塑性变形，使沥青混合料内部颗粒沿某一滑动面发生滑移变形。如果沥青路面被充分压实，那沥青路面永久变形的主要原因就是路面材料的剪切滑移变形。该剪切变形体现在宏观层面就是沥青路面在荷载作用下发生的位移下沉，而体现在微细观水平就是沥青混合料中矿料颗粒的接触摩擦力不足导致颗粒发生的界面滑移错动。

当前国内外对沥青路面的高温抗剪切性能已有较多研究，并且提出了众多的试验方法和评价体系，常见的有三轴试验、中空圆柱体剪切试验、单轴贯入试验、斜剪试验、同轴剪切试验、扭转剪切实验、旋转压实剪切实验等，常见的评价指标有动稳定度、剪切强度、贯入强度等。

但是大多试验方法只是从宏观层面研究沥青混合料的抗剪强度，没有从微细观水平探究矿料之间的接触效应和运动行为，而微细观的界面接触滑移对研究沥青混合料内部颗粒的抗滑移变形能力具有重要意义，同时还能够进一步指导沥青混合料的设计过程。

发明内容

针对现有设计方法的不足，本发明的目的是提供一种沥青混合料界面接触滑移试验装置及高温滑移评价方法。通过结构设计，得到滑移剪切界面来模拟沥青混合料颗粒间的实际接触状况，从微细观水平揭示矿料之间的接触滑移效应，提出微细观评价指标，并将其应用于微细观高温变形评价中，有利于进一步研究沥青混合料内部颗粒的抗滑移变形能力，进而从沥青混合料抗滑移性能入手进一步探索沥青混合料的设计方法。

(一)沥青混合料界面接触滑移试验装置，包括：底座，所述底座上竖直设置有落料筒，所述落料筒的上端具有卡槽，所述卡槽内设置有支撑环，所述落料筒的上端对应放置有装料桶，所述装料桶内装有试件；所述装料桶的开口端向下，所述装料桶的底板上开设有加载孔，所述加载孔内贯穿有加载压头；所述支撑环的内径不小于所述加载压头的直径的两倍，以使加载过程中在试件上形成锥形剪切滑移面。

进一步地，所述落料筒的上端内壁低于外壁以形成卡槽，所述支撑环嵌设于卡槽内；所述装料桶的开口端的形状与落料筒上端相匹配。

进一步地，所述加载压头的直径与支撑环的内径之比为0.3-0.5。

更进一步地，所述加载压头的直径为28.5mm，所述支撑环的内径为80mm。

进一步地，所述加载孔与加载压头之间设置有固定环。

进一步地，所述落料筒上开设有观察窗。

(二)沥青混合料的高温滑移评价方法，基于所述沥青混合料界面接触滑移试验装置，包括以下步骤：

步骤1，制作马歇尔试件，并获取马歇尔试件的高度h；对所述马歇尔试件进行高温剪切滑移试验，得到对应的载荷-位移曲线；

步骤2，根据载荷-位移曲线，获取最大载荷值F_m；计算剪切滑移面的面积，并据此计算最大滑移剪应力，将该最大滑移剪应力作为沥青混合料的高温滑移评价指标。

进一步地，所述对所述马歇尔试件进行高温剪切滑移试验，具体步骤为：

首先，选取试验参数：采用恒速率加载方式，加载速率为5～8mm/min；

其次，将马歇尔试件装入装料桶，将装料桶卡放在落料筒上；将加载压头穿入加载孔并抵住马歇尔试件的上表面；并将整个试验装置置于30℃～80℃加热箱中保温4～5h，得到高温界面接触滑移试验装置；

最后，将高温界面接触滑移试验装置置于万能试验机上进行加载试验，得到载荷-位移曲线。

进一步地，所述计算剪切滑移面的面积，并据此计算最大滑移剪应力，具体为：

(a)计算剪切滑移面的面积的具体过程为：

根据马歇尔试件的高度h和支撑环内径，得到滑移面与水平面之间夹角的正切值，即滑移角θ的正切值：

其中，r₂为支撑环的内半径；r₁为加载压头的半径；

则有：

则以支撑环与马歇尔试件的接触面为底面，以滑移面为锥面形成的滑移圆锥体的母线长度L为：

以加载压头与马歇尔试件的接触面为底面，且与滑移圆锥体共轴的辅助圆锥体的母线长度L₁为：

则剪切滑移面的面积S＝π×r₂×L-π×r₁×L₁

经化简，有：

(b)计算在马歇尔试件的剪切滑移面上的剪切分力TF_m：

(c)计算最大滑移剪应力τ_sl：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明通过结构设计，使沥青混合料试件在加载过程中能够形成具有一定倾斜度的剪切滑移面，在该剪切滑移面上能够获得矿料颗粒之间的界面接触和滑移等界面微细观行为，且本发明设计的装置参数，能够得到稳定的试验结果，提高装置的可重复操作性，且试验装置结构简单，操作方便。

(2)本发明提出了一种沥青混合料界面接触滑移特性的评价方法，用于评价沥青混合料的高温界面滑移特性和抗剪切滑移能力，实现了从微细观水平评价沥青混合料内部颗粒的抗滑移变形能力，便于评价沥青混合料的抗剪切滑移性能；同时有助于从沥青混合料抗剪切滑移性能入手探索沥青混合料的设计方法。

附图说明

图1是本发明的一种沥青混合料界面接触滑移试验装置的分解结构示意图；

图2是本发明沥青混合料界面接触滑移试验原理图；

图3为本发明实施例中沥青混合料界面接触滑移试验得到的载荷-位移曲线图；

图4为本发明实施例中破坏后的沥青混合料试件示意图；

图5为本发明实施例中剪切滑移破坏面上的剪切分力计算原理图；

图6为本发明实施例中锥形剪切滑移面示意图；

图7为本发明实施例的沥青混合料的最大滑移剪应力τ_sl与车辙深度RD的线性模拟关系图；

以上图中，1底座；2落料筒；3支撑环；4装料桶；401加载孔；5加载压头；6固定环；7观察窗。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、操作流程、所实现目的和效果，给出以下实施例说明。

实施例1

参考图1，一种沥青混合料界面接触滑移试验装置，包括：底座1，所述底座1上竖直设置有落料筒2，所述落料筒2的上端具有卡槽，所述卡槽内设置有支撑环3，所述落料筒2的上端对应放置有装料桶4，所述装料桶4内装有试件；所述装料桶4的开口端向下，所述装料桶4的底板上开设有加载孔401，所述加载孔401内贯穿有加载压头5；所述支撑环3的内径不小于所述加载压头5的直径的两倍，以使加载过程中在试件上形成锥形剪切滑移面。

以上实施例中，底座1为台阶形，落料筒2放置于底座1的台阶处，落料筒2的上端具有卡槽，具体为落料筒2上端的内壁低于对应外壁，则在落料筒2的上端内侧形成一圈台阶槽，支撑环3的外径与该台阶槽相匹配，使支撑环3刚好放置于卡槽内。而装料桶4的开口端形状刚好与落料筒2的上端形状相反，其外壁低、内壁高，且倒置于落料筒2上，使其开口端的外壁与落料筒2外壁匹配卡嵌，开口端的内壁与支撑环3上表面接触，使得支撑环3固定于落料筒2与装料桶4之间，从而在加载过程中不会移动，保证加载试验的装置稳定性。

试验时，将试件放置于装料桶4内，然后将装料桶4倒置于落料筒2上端，将加载压头5从加载孔401贯穿入装料桶4内，抵住试件；然后将整个装置置于万能试验机MTS上进行加载试验即可，支撑环3的内径不小于所述加载压头5的直径的两倍，以使加载过程中在试件上形成锥形剪切滑移面。通过该剪切滑移面来对沥青混合料内的矿料颗粒之间的界面接触和滑移等界面微细观行为进行研究。

参考图1，根据本发明的一个实施例，所述加载压头5的直径与支撑环3的内径之比为0.3-0.5。示例性地，所述加载压头5的直径为28.5mm，所述支撑环3的内径为80mm，该装置参数，能够保证稳定的试验结果，提高装置的可重复操作性，且试验装置结构简单，操作方便。

进一步地，所述加载孔401与加载压头5之间设置有固定环6，使本装置能够适用于更大的滑移平面范围，即不用更换装料桶4只用更换固定环6大小就可以改变滑移面。

进一步地，所述落料筒2上开设有观察窗7，便于观察试验过程中的时间掉落的情况。

实施例2

基于所述沥青混合料界面接触滑移试验装置，参考图2，沥青混合料的高温滑移评价方法，包括以下步骤：

步骤1，制作马歇尔试件，并获取马歇尔试件的高度h；对所述马歇尔试件进行高温剪切滑移试验，得到对应的载荷-位移曲线；

具体地，制作马歇尔试件，包括制作马歇尔标准试件、大马歇尔试件或者钻芯取样试件。制作完成后要对时间进行打磨处理，即试验前需对试件上下底面进行磨平处理，主要目的是减小因加载压头与试件接触不紧密而造成的试验误差。具体是采用磨平机进行表面磨平，并除去表面浮沉。

选择的加载方式是局部界面加载模式，加载速率为5mm/min，试验温度为60℃。

高温剪切滑移试验，具体步骤为：

首先，选取试验参数：采用恒速率加载方式，加载速率为5mm/min；

其次，将马歇尔试件装入装料桶，将装料桶卡放在落料筒上；将加载压头穿入加载孔并抵住马歇尔试件的上表面；并将整个试验装置置于60℃加热箱中保温4h，得到高温界面接触滑移试验装置；

最后，将高温界面接触滑移试验装置置于万能试验机上进行加载试验，得到载荷-位移曲线。

步骤2，根据载荷-位移曲线，获取最大载荷值F_m；计算剪切滑移面的面积，并据此计算最大滑移剪应力，将该最大滑移剪应力作为沥青混合料的高温滑移评价指标。

(a)参考图6，计算剪切滑移面的面积的具体过程为：

根据马歇尔试件的高度h和支撑环内径，得到滑移面与水平面之间夹角的正切值，即滑移角θ的正切值：

其中，r₂为支撑环的内半径；r₁为加载压头的半径；

则有：

则以支撑环与马歇尔试件的接触面为底面，以滑移面为锥面形成的滑移圆锥体的母线长度L为：

以加载压头与马歇尔试件的接触面为底面，且与滑移圆锥体共轴的辅助圆锥体的母线长度L₁为：

则剪切滑移面的面积S＝π×r₂×L-π×r₁×L₁

经化简，有：

(b)参考图5，计算在马歇尔试件的剪切滑移面上的剪切分力TF_m：

(c)计算最大滑移剪应力τ_sl：

本实施例中：选取陕西某地石灰岩作为试验原材料，集料密度如表1所示。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTGE20-2010》，对壳牌70#基质沥青进行基本技术指标测试，测试结果如表2所示。为对比和分析试验结果，本发明采用AC13、AC16、AC20级配的沥青混合料进行界面接触滑移试验，集料级配是根据公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004)中的各类沥青混合料的级配范围确定，具体如表3所示。沥青混合料的最佳沥青用量由马歇尔试验方法确定，如表4所示。

表1 集料的相对密度

表2 沥青技术指标

表3 级配表

表4 各级配沥青混合料的最佳沥青用量

本发明实施例中，对制备的AC-13上限(AC-13S)、AC-13中值(AC-13Z)、AC-13下限(AC-13X)、AC-16中值(AC-16Z)和AC-20中值(AC-20Z)的马歇尔试件分别进行界面接触滑移试验：加载过程中时刻观察试件中沥青混合料的下落情况，并实时记录试验所得数据。试件位移为50mm时，试验结束，得待测沥青混合料的荷载-变形曲线图和破坏试件，分别如图3和4所示。为了保证实验结果的准确性，对同一因素下的界面接触滑移试验，至少平行5次试验，对所得试验结果取平均值，得到最终的载荷-位移曲线。

计算最大滑移剪应力τ_sl：分别对五种沥青混合料的滑移面面积进行计算，取MTS采集的力的最大值作为最大荷载作用力，并采用式

进行计算。计算结果如表5所示：

表5 各级配的最大滑移剪应力值

对比五种沥青混合料的最大滑移剪应力值可以发现，τ_sl能有效区分级配类型对沥青混合料抗滑移性能的影响。对比AC13Z、AC16Z、AC20Z发现，公称最大粒径越大，τ_sl值越大，沥青混合料抗滑移性能越好，说明τ_sl能有效甄别公称最大粒径对沥青混合料抗滑移性能的影响。τ_sl越大，则沥青混合料的抗剪切滑移性能越好。

车辙深度试验

车辙深度(RD)能有效表征沥青混合料的高温变形性能，为了验证本发明所提出的界面接触滑移特性评价指标在高温滑移变形中的正确指导作用，将表5计算的各级配的最大滑移剪应力指标和车辙试验测试所得的车辙深度建立相关性分析。车辙深度试验方法如下：

首先：对各级配沥青混合料成型100*100*50mm的车辙板试件，按照《沥青及沥青混合料试验规程》进行车辙试验，测试各级配沥青混合料的车辙深度指标，试验测得结果如表6所示。

表6 各级配沥青混合料车辙深度指标

然后，将表5中的最大滑移剪应力与表6中的车辙深度进行线性相关处理，即采用Origin9.0绘制最大滑移剪应力与车辙深度关系图，得出二者的线性关系图，图中二者相关性系数达到0.92，结果参考图7。

由图7可知，τ_sl与RD具有良好的相关性，表明τ_sl作为一个微细观高温滑移变形评价指标，能够准确的对沥青混合料的抗剪切滑移变形能力进行评价，不仅能更加准确地表征界面矿料颗粒滑移引起的沥青混合料变形行为，而且能更加准确地反映沥青混合料的高温性能。在沥青混合料设计中可以采用τ_sl指标对沥青混合料高温性能进行验证，也可从路用性能角度出发确定最佳沥青用量。

综合可知，通过本发明的界面接触滑移特性试验方法可以从微细观水平探究沥青混合料内部某一界面上混合料颗粒接触滑移特性，且τ_sl可以对界面接触滑移特性进行有效评价，接触滑移行为正是沥青混合料力学行为和变形特性的微观体现，τ_sl与RD具有良好的相关性，进一步证明了该实验装置和评价方法能有效地从微细观角度入手测试沥青混合料的高温变形特性，有利于研究沥青混合料的强度形成和破坏机理。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.沥青混合料界面接触滑移试验装置，其特征在于，包括：底座，所述底座上竖直设置有落料筒，所述落料筒的上端具有卡槽，所述卡槽内设置有支撑环，所述落料筒的上端对应放置有装料桶，所述装料桶内装有试件；所述装料桶的开口端向下，所述装料桶的底板上开设有加载孔，所述加载孔内贯穿有加载压头；所述支撑环的内径不小于所述加载压头的直径的两倍，以使加载过程中在试件上形成锥形剪切滑移面。

2.根据权利要求1所述的沥青混合料界面接触滑移试验装置，其特征在于，所述落料筒的上端内壁低于外壁以形成卡槽，所述支撑环嵌设于卡槽内；所述装料桶的开口端的形状与落料筒上端相匹配。

3.根据权利要求1所述的沥青混合料界面接触滑移试验装置，其特征在于，所述加载压头的直径与支撑环的内径之比为0.3-0.5。

4.根据权利要求3所述的沥青混合料界面接触滑移试验装置，其特征在于，所述加载压头的直径为28.5mm，所述支撑环的内径为80mm。

5.根据权利要求1所述的沥青混合料界面接触滑移试验装置，其特征在于，所述加载孔与加载压头之间设置有固定环。

6.根据权利要求1-5任一项所述的沥青混合料界面接触滑移试验装置，其特征在于，所述落料筒上开设有观察窗。

7.沥青混合料的高温滑移评价方法，基于所述沥青混合料界面接触滑移试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，制作马歇尔试件，并获取马歇尔试件的高度h；对所述马歇尔试件进行高温剪切滑移试验，得到对应的载荷-位移曲线；

步骤2，根据载荷-位移曲线，获取最大载荷值F_m；计算剪切滑移面的面积，并据此计算最大滑移剪应力，将该最大滑移剪应力作为沥青混合料的高温滑移评价指标。

8.根据权利要求7所述的沥青混合料的高温滑移评价方法，其特征在于，所述对所述马歇尔试件进行高温剪切滑移试验，具体步骤为：

首先，选取试验参数：采用恒速率加载方式，加载速率为5～8mm/min；

其次，将马歇尔试件装入装料桶，将装料桶卡放在落料筒上；将加载压头穿入加载孔并抵住马歇尔试件的上表面；并将整个试验装置置于30℃～80℃加热箱中保温4～5h，得到高温界面接触滑移试验装置；

最后，将高温界面接触滑移试验装置置于万能试验机上进行加载试验，得到载荷-位移曲线。

9.根据权利要求7所述的沥青混合料的高温滑移评价方法，其特征在于，所述计算剪切滑移面的面积，并据此计算最大滑移剪应力，具体为：

(a)计算剪切滑移面的面积的具体过程为：

根据马歇尔试件的高度h、加载压头直径和支撑环内径，得到滑移面与水平面之间夹角的正切值，即滑移角θ的正切值：

其中，r₂为支撑环的内半径；r₁为加载压头的半径；

则有：

则以支撑环与马歇尔试件的接触面为底面，以滑移面为锥面形成的滑移圆锥体的母线长度L为：

以加载压头与马歇尔试件的接触面为底面，且与滑移圆锥体共轴的辅助圆锥体的母线长度L₁为：

则剪切滑移面的面积S＝π×r₂×L-π×r₁×L₁；

经化简，有：

(b)计算在马歇尔试件的剪切滑移面上的剪切分力TF_m：

(c)计算最大滑移剪应力τ_sl：

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