CN113125340A - 一种评价湿度对沥青-集料黏附性影响的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种评价湿度对沥青‑集料黏附性影响的方法，属于道路工程技术领域。该方法包括步骤：S1、将多个拉拔试件放入不同相对湿度的恒温恒湿相中养生，湿度达到平衡后进行宏观力学拉拔试验并获取破坏后的每个拉拔试件的两个集料表面的图像；S2、将裁切后的所述图像导入到Images Pro Plus软件中进行图像的预处理并获取集料和沥青的像素数；S3、根据像素数结合沥青剥落率的计算公式得到沥青剥落率；S4、根据沥青剥落率、沥青内聚能和沥青‑集料结合能结合沥青‑集料界面能计算公式，获得沥青‑集料的界面能，根据界面能评价所述沥青‑集料黏附性。该方法实现了定量地评价不同湿度条件下沥青与集料的黏附性。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及一种评价湿度对沥青-集料黏附性影响的方法。
背景技术
现有理论认为，沥青混合料是由沥青、集料和空气组成的三相复合体系，其中沥青与集料的黏结作用决定了沥青混合料的整体性能。沥青路面在其整个服役年限内，一直承受着严峻的交通载荷，暴露在恶劣的自然环境当中，并不断发展出各种各样的病害，例如车辙、疲劳开裂，水损害等。其中水损害与沥青和集料界面黏附性能密切相关，其病害形成原因主要在于水分侵入沥青与集料界面，在车辆荷载、温度应力等外界因素作用下，导致沥青与集料剥落，降低路面使用性能。
目前规范推荐评价沥青混合料水稳定性的方法是水煮法、水浸法，但该方法属于定性评价，受人为因素干扰大，且无法评价气态水对混合料黏附性的影响。传统的力学拉拔(pull-off)试验是将灌入了沥青的拉拔头和石料表面相粘连，通过沥青-集料界面拉伸破坏后的最大拉拔力和沥青的剥落率评价沥青-集料的黏附性，但是该方法忽略了沥青混合料中沥青油膜是夹在两层集料中间，界面黏附开裂可能发生在两层中的任意一层。因此表面自由能理论从材料的能量角度出发，通过沥青与集料的黏附功、沥青内部结合能、以及在有水参与下的沥青剥落功，定量评价沥青-集料黏附性，但表面能方法仅从微观层面评价材料的黏附性，忽视了材料的宏观受力情况，且鲜有与其他评价指标对比分析，未能建立良好关系，同时实际沥青-集料破坏往往都是混合破坏，表面能方法难以获得不同破坏的比例，导致进行定量表征黏附性时忽略了实际破坏情况。
发明内容
因此有必要对拉拔试验计算沥青剥落率过程进行修正，并基于宏观拉拔试验和微观表面能试验提出一种多尺度评价湿度影响沥青与集料黏附性的方法。
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种评价湿度对沥青-集料黏附性影响的方法，解决现有技术中不能定量评价湿度对沥青-集料黏附性的影响的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种评价湿度对沥青-集料黏附性影响的方法，包括以下步骤：
S1、将多个拉拔试件放入不同相对湿度的恒温恒湿相中养生，湿度达到平衡后进行宏观力学拉拔试验并获取破坏后的每个拉拔试件的两个集料表面的图像；
S2、裁切所述图像，将裁切后的所述图像导入到Images Pro Plus软件中进行图像的预处理并获取集料和沥青的像素数；
S3、根据所述像素数结合沥青剥落率的计算公式得到沥青剥落率；
S4、根据所述沥青剥落率、沥青内聚能和沥青-集料结合能结合沥青-集料界面能计算公式，获得沥青-集料的界面能，根据所述界面能评价所述沥青-集料黏附性。
进一步地，在步骤S2中，获得所述集料和所述沥青的像素数的具体步骤如下：
S21、将裁切后的所述图像导入到Images Pro Plus软件中并在绘图窗口显示；
S22、将所述图像转换为灰度图；
S23、对图像采用3*3窗口的中值滤波进行平滑，进一步消除图片拍摄时出现的噪声；
S24、使用Images Pro Plus软件的Count and measure object和HistogramBased功能选中沥青表面、整个集料表面并计算出像素数。
进一步地，在步骤S4之前，还包括使用插板法通过测定接触角来获取沥青的表面能参数，使用蒸气吸附法获取集料的表面能参数，根据所述沥青和所述集料的表面能参数分别计算出沥青内聚能以及沥青-集料的结合能。
进一步地，在步骤S1中，将多个所述拉拔试件分别放入相对湿度为0-10％、40-50％、60-80％、90-100％的恒温恒湿相中养生。
进一步地，在步骤S1中，所述养生的时间为3-4个月。
进一步地，在步骤S1中，所述养生的温度为20-25℃。
进一步地，在步骤S4中，所述沥青-集料界面能计算公式如下所示：
WE＝β×ΔGaA+(1-β)×ΔGcA
其中，WE表示界面能，β表示沥青剥落率，ΔGcA表示沥青内聚能，ΔGaA表示沥青-集料结合能。
进一步地，在步骤S1之前还包括：制得所述拉拔试件，将两块集料和沥青预热，之后在集料的一个表面滴加预热后的沥青，并将另一块集料盖在所述沥青上，冷却得到所述拉拔试件。
进一步地，所述集料为石料。
进一步地，所述石料的厚度为5-7mm，直径为25-28mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：将多个拉拔试件放入不同相对湿度的恒温恒湿相中养生，湿度达到平衡后进行宏观力学拉拔试验并获取破坏后的每个拉拔试件的两个集料表面的图像；之后裁切所述图像，将裁切后的所述图像导入到Images Pro Plus软件中进行图像的预处理并获取集料和沥青的像素数，根据所述像素数结合沥青剥落率的计算公式得到沥青剥落率，沥青剥落率与湿度大小正相关；根据所述沥青剥落率、沥青内聚能和沥青-集料结合能结合沥青-集料界面能计算公式，该方法还考虑了沥青内聚能以及沥青-集料结合能对沥青-集料的粘附性的影响，结合沥青剥落率通过获得沥青-集料的界面能评价所述沥青-集料黏附性，该方法从多个参数综合考虑通过沥青-集料的界面能评价湿度对沥青-集料粘附性的影响，实现了定量地评价不同湿度条件下沥青与集料的黏附性，沥青-集料界面能越大，沥青和集料的粘附性越强。
附图说明
图1是本发明实施例1中的拉拔试件示意图。
图2是本发明实施例1中破坏后的石料的沥青面。
图3是本发明实施例1中不同相对湿度下的沥青-集料界面能。
具体实施方式
本具体实施方式提出一种评价湿度对沥青-集料黏附性影响的方法，包括以下步骤：
S0、制得拉拔试件，将两块集料和沥青预热，之后在集料的一个表面滴加预热后的沥青，并将另一块集料盖在所述沥青上，冷却得到所述拉拔试件；所述集料优选为石料；所述石料的厚度为5-7mm，直径为25-28mm；
S1、将多个拉拔试件放入相对湿度为0-10％、40-50％、60-80％、90-100％的恒温恒湿相中在20-25℃下养生3-4个月，湿度达到平衡后进行宏观力学拉拔试验并获取破坏后的每个拉拔试件的两个集料表面的图像；
S2、裁切所述图像，将裁切后的所述图像导入到Images Pro Plus软件中进行图像的预处理并获取集料和沥青的像素数；
S3、根据所述像素数结合沥青剥落率的计算公式得到沥青剥落率；
S4、用插板法通过测定接触角来获取沥青的表面能参数，使用蒸气吸附法获取集料的表面能参数，根据所述沥青和所述集料的表面能参数分别计算出沥青内聚能以及沥青-集料的结合能；
S5、根据所述沥青剥落率、沥青内聚能和沥青-集料结合能结合沥青-集料界面能计算公式，获得沥青-集料的界面能，根据所述界面能评价所述沥青-集料黏附性。
进一步地，所述沥青-集料界面能计算公式如下所示：
WE＝β×ΔGaA+(1-β)×AGcA
其中，WE表示界面能，β表示沥青剥落率，ΔGcA表示沥青内聚能，ΔGaA表示沥青-集料结合能。
进一步地，在步骤S2中，获得所述集料和所述沥青的像素数的具体步骤如下：
S21、将裁切后的所述图像导入到Images Pro Plus软件中并在绘图窗口显示；
S22、将所述图像转换为灰度图；
S23、对图像采用3*3窗口的中值滤波进行平滑，进一步消除图片拍摄时出现的噪声；
S24、使用Images Pro Plus软件的Count and measure object和HistogramBased功能选中沥青表面、整个集料表面并计算出像素数。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
1.采用湖北某公司生产的70#基质沥青和某地的石灰岩母岩制备拉拔试件并进行拉拔试验：
使用钻孔直径25mm的钻芯机将石灰岩母岩钻去芯样，然后使用切割机将石料切割成厚度为5mm的薄片(在其他实施例中石料的厚度还可以是6或者7mm，直径可以是26mm或者27mm)，并对薄片采用相同目数的砂纸打磨相同时间，使用精度0.001mm的螺旋测微器测量两块石料叠加的厚度，将石料和70#基质沥青分别按照沥青混合料设计规范要求的温度置于烘箱中加热，然后将少许热沥青滴在一块石料表面，迅速盖上另一块石料，使用螺旋测微器测量石料-沥青-石料厚度，当厚度过大时，挤压试件上下表面直至厚度合适，此时前后两次厚度差为20微米。使用干净的布料擦去溢出的多余沥青后，放置在平整的操作台上冷却养生30min，得到的试件如图1所示。试件成型后，放入相对湿度0％、50％、80％、100％的恒温恒湿箱中养生三个月，在其他实施例中也可以设置不同的相对湿度梯度，例如5％、40％、70％、90％的相对湿度，温度保持为20℃，同时作为比较，设置1天液态水养生的对照组，温度为20℃，在其他实施例也可以是20-25℃的其他温度，不同相对湿度下对应的气态水分子浓度如表1所示。
表1相对湿度对应气态水分子浓度(20℃)
使用406速干胶水将“三明治”试件一侧粘在下夹具上，室温静置10分钟后，将下夹具与试件一同转移到MTS环境箱内，并固定下夹具，然后滴少许胶水在上方石料表面，同时将上夹具安装在仪器上方导杆上。开启MTS仪器，将控制模式设置为“力模式”，压力大小设置为12N，此时上夹具将随着上方导杆逐渐下降，并与滴有胶水的试件上表面相互接触挤压，维持该挤压状态10分钟后，将压力大小改为0N，控制模式改为“位移模式”。
试验采用单轴直接拉伸试验，设定拉伸速率为0.5mm/min，记录随拉伸长度增加的拉力变化数据，当拉力接近于0时，此时试件已完全破坏，对每组2块粘有沥青的石料表面拍照，其中一个破坏后的试件的沥青面如图2所示。
2.裁切图像，利用Images Pro Plus获取石料和沥青的像素数，计算修正沥青剥落率：
将获取的试件的2张图像统一按照只露出圆形石料界面的标准裁切。将一张图像导入Images ProPlus软件中，调用程序将彩色液滴图像转换为灰度图，对图像采用3*3窗口的中值滤波，
然后继续调用软件自带的Count and measure object功能，通过调节HistogramBased窗口下的灰度值范围，使得整个圆形集料截面被完全选中，计算圆形石料的整个像素点。然后继续调整灰度值范围，使得所有沥青面被完全选中，计算剥落沥青的整个像素点。每一组拉拔试验后存在两个破坏截面，均需要对这两个破坏截面进行计算像素点。
依据公式(1)计算修正的沥青剥落率β
式中：Σ表示对试件的两块石料求和。
通过软件计算得到每个试件圆形截面的像素点为58544，再依次获取沥青面的像素点数带入公式中，得到不同相对湿度沥青的剥落率，结果如表2所示。
表2不同湿度下的试件的剥落率
3.采用插板法和蒸气吸附法测定沥青和石料的表面能参数
使用插板法通过测定接触角来获取沥青的表面能参数，使用蒸气吸附法获取石料的表面能参数，根据沥青和石料的表面能参数分别计算出沥青的内聚结合能以及沥青-集料结合能如表3所示。
表3不同条件下沥青、集料表面能参数
所述沥青-集料界面能计算公式如下所示：
WE＝β×ΔGaA+(1-β)×ΔGcA (2)
其中，WE表示界面能，β表示沥青剥落率，ΔGcA表示沥青内聚能，ΔGaA表示沥青-集料结合能；
4.计算联合宏微观的界面能指标：
将沥青剥落率、沥青内聚能和沥青-集料结合能代入公式(2)计算沥青与集料的界面能，可以得到沥青-集料界面能。
从图3可以看出，可以看到随着湿度(相对湿度)的增加，沥青-集料界面能参数逐渐降低，沥青与集料的黏附性越来越差，尤其在高湿度条件下，其黏附性显著下降。并且该指标与传统的基于表面能方法的沥青-集料结合能评价指标具有一致性，并且考虑了内聚开裂的变化，结合了表面能方法评价黏附性。
可以看到，通过本发明提出的方法联立了宏微观中评价沥青-集料的黏附性参数，能够多尺度地定量地评价不同湿度条件下沥青与集料的黏附性。更进一步地，可以根据沥青-集料界面能的大小判断不同的湿度下对沥青和集料粘附性的影响程度，沥青-集料界面能越大，沥青和集料的粘附性越强。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种评价湿度对沥青-集料黏附性影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将多个拉拔试件放入不同相对湿度的恒温恒湿相中养生，湿度达到平衡后进行宏观力学拉拔试验并获取破坏后的每个拉拔试件的两个集料表面的图像；
S2、裁切所述图像，将裁切后的所述图像导入到Images Pro Plus软件中进行图像的预处理并获取集料和沥青的像素数；
S3、根据所述像素数结合沥青剥落率的计算公式得到沥青剥落率；
S4、根据所述沥青剥落率、沥青内聚能和沥青-集料结合能结合沥青-集料界面能计算公式，获得沥青-集料的界面能，根据所述界面能评价所述沥青-集料黏附性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，获得所述集料和所述沥青的像素数的具体步骤如下：
S21、将裁切后的所述图像导入到Images Pro Plus软件中并在绘图窗口显示；
S22、将所述图像转换为灰度图；
S23、对图像采用3*3窗口的中值滤波进行平滑，进一步消除图片拍摄时出现的噪声；
S24、使用Images Pro Plus软件的Count and measure object和Histogram Based功能选中沥青表面、整个集料表面并计算出像素数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S4之前，还包括使用插板法通过测定接触角来获取沥青的表面能参数，使用蒸气吸附法获取集料的表面能参数，根据所述沥青和所述集料的表面能参数分别计算出沥青内聚能以及沥青-集料的结合能。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，将多个所述拉拔试件分别放入相对湿度为0-10％、40-50％、60-80％、90-100％的恒温恒湿相中养生。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述养生的时间为3-4个月。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述养生的温度为20-25℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，所述沥青-集料界面能计算公式如下所示：
WE＝β×ΔGaA+(1-β)×ΔGcA
其中，WE表示界面能，β表示沥青剥落率，ΔGcA表示沥青内聚能，ΔGaA表示沥青-集料结合能。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括：制得所述拉拔试件，将两块集料和沥青预热，之后在集料的一个表面滴加预热后的沥青，并将另一块集料盖在所述沥青上，冷却得到所述拉拔试件。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述集料为石料。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述石料的厚度为5-7mm，直径为25-28mm。
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