CN113433305B - 一种分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法 - Google Patents

Abstract

一种分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法，本发明属于沥青损伤识别领域，它为了解决由于循环荷载作用下，沥青的触变性和疲劳损伤均会导致沥青动态剪切模量的变化，影响沥青自愈合能力准确评价的问题。评价方法：一、对沥青试样进行应变扫描试验，确定线性粘弹性范围临界值；二、以动态剪切模量比为横坐标，以相位角比为纵坐标得到关系图；三、计算时间扫描试验得到的相位角比与动态剪切模量比之间的皮尔逊相关系数的平方；四、对沥青试样进行愈合试验；五、确定触变性关系；六、损伤度及自愈合度的计算。本发明将沥青间歇过程中触变性的影响分离，避免了沥青自愈合能力评价过程中触变性的干扰。

Description

一种分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法

技术领域

本发明属于沥青损伤识别领域，具体涉及一种沥青自愈合能力的评价方法。

背景技术

沥青是沥青路面的重要组成材料，在沥青路面的抗疲劳性能中发挥关键作用。研究表明，在一定的环境条件下，经历疲劳开裂的沥青在间歇期具有自愈合能力，自身的强度和耐久性将得到一定程度的恢复，进而延长沥青路面的服役寿命。沥青的自愈合能力是指其修复损伤面积的能力。沥青的自愈合能力由自愈合指标进行量化，定义为修复的损伤面积与初始损伤面积的比值，即ΔA/A_D(ΔA为损伤面积的修复量，A_D为初始损伤面积)。在试验过程中，由于材料损伤面积的实时测量非常困难，通常采用能较好体现材料损伤程度且便于试验测量的物理量进行表征。在疲劳试验过程中，沥青的动态剪切模量较为容易测得，且在线性粘弹性范围，表观动态剪切模量与沥青横截面的有效接触面积满足一定的数理关系。疲劳损坏将导致沥青横截面的有效接触面积减少，沥青的表观动态剪切模量发生相应的衰减。因此，动态剪切模量被广泛用于沥青损伤面积的表征，是量化沥青自愈合程度的重要物理量。然而，作为一种具有流变特性的材料，沥青在循环荷载作用下表现出触变特性，具体表现之一为沥青的动态剪切模量随加载时间的增长而减小，减小的部分能够在间歇期恢复。综上可知，在循环荷载作用下沥青的触变性和疲劳损伤均会导致沥青动态剪切模量的变化。当沥青进入间歇期时，触变性的恢复和损伤面积的愈合均是模量增加的来源。那么，现有的基于动态剪切模量的沥青自愈合评价指标具有局限性。因此，提出一种有效分离沥青触变性影响的沥青自愈合能力评价方法对于分析沥青的抗疲劳损伤能力具有重要意义。

发明内容

本发明是为了解决由于循环荷载作用下，沥青的触变性和疲劳损伤均会导致沥青动态剪切模量的变化，影响基于动态剪切模量的沥青自愈合能力准确评价的问题，而提供一种分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法。

本发明分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法按照以下步骤实现：

一、利用动态剪切流变仪(DSR)对沥青试样进行应变扫描试验，记录各应变水平下的相位角θ_εi和动态剪切模量|G^*|_εi，以应变水平为横坐标，以动态剪切模量为纵坐标得到应变-动态剪切模量测试图，以动态剪切模量|G^*|_εi值下降到初始值|G^*|₀的90％所对应的应变水平ε_t作为线性粘弹性范围临界值；

二、利用动态剪切流变仪(DSR)对(新的)沥青试样进行时间扫描试验，采用应变控制模式，加载荷载水平为ε_L，且ε_L＞ε_t，加载频率为1～10Hz，试验的结束条件设置为动态剪切模量值小于等于初始动态剪切模量值的0.1倍，即

以动态剪切模量比

为横坐标，以相位角比

为纵坐标得到

关系图；

其中，

第j个加载循环测得的动态剪切模量；

第1个加载循环测得的动态剪切模量；

第j个加载循环测得的相位角；

第1个加载循环测得的相位角；

三、计算时间扫描试验得到的相位角比P_θ与动态剪切模量比

之间的皮尔逊相关系数的平方R²，定义R²＝0.99所对应的动态剪切模量比P_t为触变性主导区临界值；

四、对(新的)沥青试样进行愈合试验，愈合试验依次由加载过程Ⅰ、间歇过程Ⅰ、加载过程Ⅱ和间歇过程Ⅱ组成，其中加载过程Ⅰ和加载过程Ⅱ所采用的加载频率、荷载水平和试验温度与步骤二相同；加载过程Ⅰ的结束条件为动态剪切模量比小于

加载过程Ⅱ的结束条件为动态剪切模量比小于

设间歇过程Ⅰ的时长为t_I(t_I≥30min)，间歇期Ⅱ的时长为t_II；在间歇过程Ⅰ和间歇过程Ⅱ中均施加持续时间为3～5s、间隔为40～80s、加载频率与步骤二的加载频率相同、荷载水平为ε_s(ε_s＜ε_t)的时间扫描试验，在间歇过程Ⅰ和间歇过程Ⅱ中以相位角为横坐标，动态剪切模量为纵坐标绘制相位角-动态剪切模量(van Gurp-Palmen)图；

五、确定触变性关系：基于间歇过程Ⅰ得到的相位角-动态剪切模量图，利用下式进行拟合，确定表征沥青触变性的关系模型；

|G^*|^HI(t)＝kθ^HI(t)+b

式中，|G^*|^HI＝间歇期Ⅰ测得的动态剪切模量；θ^HI＝间歇过程Ⅰ测得的相位角；k，b＝模型参数；

六、损伤度及自愈合度的计算：利用间歇过程Ⅱ中测得的动态剪切模量和相位角数据以及步骤五确定的触变性关系模型确定疲劳损伤度在间歇过程Ⅱ的变化情况，计算公式如式(1)所示，然后基于计算得到的损伤度计算沥青的愈合情况，计算方法如式(2)所示；

|G^*|^HII(t)＝(1-D(t))²|G^*|^T(t)＝(1-D(t))²(kθ^HII(t)+b) (1)

式中，|G^*|^HII＝间歇过程Ⅱ测得的动态剪切模量；θ^HII＝间歇过程Ⅱ测得的相位角；|G^*|^T＝触变性影响下的动态剪切模量值；D₀＝间歇过程Ⅱ初始损伤度，D(t)＝间歇过程Ⅱ中t时刻的损伤度；HI(t)＝间歇过程Ⅱ中t时刻的愈合度。

本发明提供了一种有效分离沥青触变性影响的沥青自愈合能力评价方法，该评价方法以流变学理论为基础，改良了传统的自愈合试验方法，获得了触变性关系曲线，有效分离了触变性恢复和损伤愈合对模量变化的影响，实现了沥青粘弹性恢复和损伤愈合的有效表征，从而准确评价沥青的自愈合能力。

本发明分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法是将沥青间歇过程中触变性的影响分离，避免了沥青自愈合能力评价过程中触变性的干扰，使得分离后的自愈合曲线更能准确表征沥青的自愈合能力。由于触变性的影响使得用动态剪切流变仪测试的动态模量变化并不能真实地反映材料的自愈过程。仅仅通过试验得到的动态模量研究沥青的自愈合特性会产生偏差，主要因为愈合程度的定义是基于模量的，而模量的恢复不完全是损伤面积的愈合，还包括触变性。因此在沥青自愈合性能的评价时应分析剔除触变性的影响。

附图说明

图1为实施例步骤一中得到的应变-动态剪切模量测试图；

图2为实施例步骤二中得到的相位角比-动态剪切模量比关系图；

图3为实施例步骤三中得到的动态剪切模量比-R²的测试图；

图4a为实施例步骤四中愈合试验的示意图；

图4b为实施例愈合试验中间歇期的示意图；

图5为实施例步骤四中间歇阶段vGP图，其中◆代表间歇过程Ⅰ，×代表间歇过程Ⅱ；

图6为实施例步骤五中沥青触变性曲线图；

图7为实施例步骤六中损伤度随间歇时间的变化情况曲线图，其中实线代表分离触变性的影响，虚线代表未分离触变性的影响；

图8为实施例步骤六中愈合度随间歇时间的变化情况曲线图，其中实线代表分离触变性的影响，虚线代表未分离触变性的影响。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法按照以下步骤实施：

一、利用动态剪切流变仪(DSR)对沥青试样进行应变扫描试验，记录各应变水平下的相位角θ_εi和动态剪切模量|G^*|_εi，以应变水平为横坐标，以动态剪切模量为纵坐标得到应变-动态剪切模量测试图，以动态剪切模量|G^*|_εi值下降到初始值|G^*|₀的90％所对应的应变水平ε_t作为线性粘弹性范围临界值；

二、利用动态剪切流变仪(DSR)对(新的)沥青试样进行时间扫描试验，采用应变控制模式，加载荷载水平为ε_L，且ε_L＞ε_t，加载频率为1～10Hz，试验的结束条件设置为动态剪切模量值小于等于初始动态剪切模量值的0.1倍，即

以动态剪切模量比

为横坐标，以相位角比

为纵坐标得到

关系图；

其中，

第j个加载循环测得的动态剪切模量；

第1个加载循环测得的动态剪切模量；

第j个加载循环测得的相位角；

第1个加载循环测得的相位角；

三、计算时间扫描试验得到的相位角比P_θ与动态剪切模量比

之间的皮尔逊相关系数的平方R²，定义R²＝0.99所对应的动态剪切模量比P_t为触变性主导区临界值；

四、对(新的)沥青试样进行愈合试验，愈合试验依次由加载过程Ⅰ、间歇过程Ⅰ、加载过程Ⅱ和间歇过程Ⅱ组成，其中加载过程Ⅰ和加载过程Ⅱ所采用的加载频率、荷载水平和试验温度与步骤二相同；加载过程Ⅰ的结束条件为动态剪切模量比小于

加载过程Ⅱ的结束条件为动态剪切模量比小于

设间歇过程Ⅰ的时长为t_I(t_I≥30min)，间歇期Ⅱ的时长为t_II；在间歇过程Ⅰ和间歇过程Ⅱ中均施加持续时间为3～5s、间隔为40～80s、加载频率与步骤二的加载频率相同、荷载水平为ε_s(ε_s＜ε_t)的时间扫描试验，在间歇过程Ⅰ和间歇过程Ⅱ中以相位角为横坐标，动态剪切模量为纵坐标绘制相位角-动态剪切模量(van Gurp-Palmen)图；

五、确定触变性关系：基于间歇过程Ⅰ得到的相位角-动态剪切模量图，利用下式进行拟合，确定表征沥青触变性的关系模型；

|G^*|^HI(t)＝kθ^HI(t)+b

式中，|G^*|^HI＝间歇期Ⅰ测得的动态剪切模量；θ^HI＝间歇过程Ⅰ测得的相位角；k，b＝模型参数；

六、损伤度及自愈合度的计算：利用间歇过程Ⅱ中测得的动态剪切模量和相位角数据以及步骤五确定的触变性关系模型确定疲劳损伤度在间歇过程Ⅱ的变化情况，计算公式如式(1)所示，然后基于计算得到的损伤度计算沥青的愈合情况，计算方法如式(2)所示；

|G^*|^HII(t)＝(1-D(t))²|G^*|^T(t)＝(1-D(t))²(kθ^HII(t)+b) (1)

式中，|G^*|^HII＝间歇过程Ⅱ测得的动态剪切模量；θ^HII＝间歇过程Ⅱ测得的相位角；|G^*|^T＝触变性影响下的动态剪切模量值；D₀＝间歇过程Ⅱ初始损伤度，D(t)＝间歇过程Ⅱ中t时刻的损伤度；HI(t)＝间歇过程Ⅱ中t时刻的愈合度。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述的应变扫描试验是在试验温度下进行8mm板应变扫描试验。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤二时间扫描试验中的试验温度为10℃～30℃。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中所述的时间扫描试验是在试验温度下进行8mm板时间扫描试验。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二时间扫描试验中加载正弦波荷载。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二时间扫描试验中加载频率为10Hz。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三中皮尔逊相关系数的平方R²的计算公式如下：

其中，

P_θj＝第j个加载循环的相位角与初始相位的比值；k，j＝加载循环的个数，且j≤k。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四中

的取值范围为

的取值范围为

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤四中t_I的取值范围为≥30min，t_II的取值范围为15～720min。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤四中在间歇过程Ⅰ和间歇过程Ⅱ中均施加持续时间为5s、间隔为55s、加载频率为10Hz、荷载水平为ε_s(ε_s＜ε_t)的时间扫描试验。

实施例：本实施例分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法按照以下步骤实施：

一、利用动态剪切流变仪(DSR)对沥青试样在20℃下进行8mm板进行应变扫描试验，记录各应变水平下的相位角

和动态剪切模量

以应变水平为横坐标，以动态剪切模量为纵坐标得到应变-动态剪切模量测试图，以动态剪切模量

值下降到初始值|G^*|₀的90％所对应的应变水平ε_t作为线性粘弹性范围临界值，本实施例中得到的线性粘弹性范围临界应变值ε_t＝2.7％；

二、利用动态剪切流变仪(DSR)对新的沥青试样在20℃下进行8mm板进行时间扫描试验，采用应变控制模式，加载荷载水平为ε_L＝4％，以动态剪切模量比

为横坐标，以相位角比

为纵坐标得到

关系图(如图2所示)；

其中，

第j个加载循环测得的动态剪切模量；

第1个加载循环测得的动态剪切模量；

第j个加载循环测得的相位角；

第1个加载循环测得的相位角；

三、通过以下公式计算时间扫描试验得到的相位角与动态剪切模量之间的皮尔逊相关系数的平方R²，定义R²＝0.99所对应的动态剪切模量比P_t为触变性主导区临界值，本实施例中P_t＝0.73；

其中，

P_θj＝第j个加载循环的相位角与初始相位的比值；k，j＝加载循环的个数，且j≤k；

四、对(新的)沥青试样进行愈合试验，愈合试验依次由加载过程Ⅰ、间歇过程Ⅰ、加载过程Ⅱ和间歇过程Ⅱ组成(如图4和图5所示)，其中加载过程Ⅰ和加载过程Ⅱ所采用的加载频率、荷载水平和试验温度与步骤二相同；加载过程Ⅰ的结束条件为动态剪切模量比小于

加载过程Ⅱ的结束条件为动态剪切模量比小于

设间歇过程Ⅰ的时长为t_I(t_I≥30min)，间歇期Ⅱ的时长为t_II；在间歇过程Ⅰ和间歇过程Ⅱ中均施加持续时间为5s、间隔为55s、加载频率为10Hz、荷载水平为ε_s＝0.05％的时间扫描试验，在间歇过程Ⅰ和间歇过程Ⅱ中以相位角为横坐标，动态剪切模量为纵坐标绘制相位角-动态剪切模量(van Gurp-Palmen)图(如图5所示)；本实施例中

t_I＝30min，t_II＝450min；

五、确定触变性关系：基于间歇过程Ⅰ得到的相位角-动态剪切模量图，利用下式进行拟合，确定表征沥青触变性的关系模型(如图6所示)，进而分离触变性的影响，本实施例中y＝-1.8216x+116.84，R²＝0.9958；

|G^*|^I(t)＝kθ^I(t)+b

式中，|G^*|^I＝间歇期Ⅰ测得的动态剪切模量；θ^I＝间歇过程Ⅰ测得的相位角；k，b＝模型参数；

六、损伤度及自愈合度的计算：利用间歇过程Ⅱ中测得的动态剪切模量和相位角数据以及步骤五确定的触变性关系模型确定疲劳损伤度在间歇过程Ⅱ的变化情况，计算公式如式(1)所示，然后基于计算得到的损伤度计算沥青的愈合情况，计算方法如式(2)所示。

|G^*|^HII(t)＝(1-D(t))²|G^*|^T(t)＝(1-D(t))²(kθ^HII(t)+b) (1)

式中，|G^*|^HII＝间歇过程Ⅱ测得的动态剪切模量；θ^HII＝间歇过程Ⅱ测得的相位角；|G^*|^T＝触变性影响下的动态剪切模量值；D₀＝间歇过程Ⅱ初始损伤度，D(t)＝间歇过程Ⅱ中t时刻的损伤度；HI(t)＝间歇过程Ⅱ中t时刻的愈合度。

本实施例计算得到的损伤度和愈合度随间歇时间的变化情况如图7和图8所示。

从图7可以看出，在间歇期的初始阶段，分离触变性的影响和未分离触变性的影响所计算得到的损伤度存在较大差别，且为分离触变性影响时所计算得到的损伤度偏大。由于触变性和损伤均是导致模量发生变化的因素，因此未分离触变性的影响时所计算得到的损伤度偏大，高估了沥青的实际损伤程度，尤其是在间歇的初始阶段。从图8可知，在间歇期间，未分离触变性影响的愈合曲线总是位于分离触变性影响的愈合曲线的上方，说明若不分离触变性的影响，沥青实际损伤面积的愈合程度被高估。对比两条愈合曲线的斜率发现，在间歇的初始阶段，未分离触变性影响的愈合曲线的斜率远大于分离触变性的愈合曲线。由于未分离触变性影响的愈合曲线反映的是触变性恢复和损伤愈合的综合情况，而分离触变性影响的愈合曲线仅反映损伤的愈合情况。由此说明，在间歇的初始阶段，模量恢复的主导因素为触变性的恢复，且触变性的恢复速率远大于损伤的愈合速率。而随着间歇时间的增长，两者的斜率趋于一致。说明触变性的恢复在较短的间歇时间得到较大程度的恢复，这时两条愈合曲线的斜率主要反映的均是损伤的恢复，故斜率较为一致。

Claims (9)

1.分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法，其特征在于该评价方法按照以下步骤实现：

一、利用动态剪切流变仪对沥青试样进行应变扫描试验，记录各应变水平下的相位角θ_εi和动态剪切模量|G^*|_εi，以应变水平为横坐标，以动态剪切模量为纵坐标得到应变-动态剪切模量测试图，以动态剪切模量|G^*|_εi值下降到初始值|G^*|₀的90％所对应的应变水平ε_t作为线性粘弹性范围临界值；

二、利用动态剪切流变仪对沥青试样进行时间扫描试验，采用应变控制模式，加载荷载水平为ε_L，且ε_L＞ε_t，加载频率为1～10Hz，试验的结束条件设置为动态剪切模量值小于等于初始动态剪切模量值的0.1倍，即

以动态剪切模量比

为横坐标，

以相位角比P_θ为纵坐标，

得到

关系图；

其中，

第j个加载循环测得的动态剪切模量；

第1个加载循环测得的动态剪切模量；

第j个加载循环测得的相位角；

第1个加载循环测得的相位角；

三、计算时间扫描试验得到的相位角比P_θ与动态剪切模量比

之间的皮尔逊相关系数的平方R²，定义R²＝0.99所对应的动态剪切模量比P_t为触变性主导区临界值；

四、对沥青试样进行愈合试验，愈合试验依次由加载过程Ⅰ、间歇过程Ⅰ、加载过程Ⅱ和间歇过程Ⅱ组成，其中加载过程Ⅰ和加载过程Ⅱ所采用的加载频率、荷载水平和试验温度与步骤二相同；加载过程Ⅰ的结束条件为动态剪切模量比小于

加载过程Ⅱ的结束条件为动态剪切模量比小于

设间歇过程Ⅰ的时长为t_I，间歇期Ⅱ的时长为t_II；在间歇过程Ⅰ和间歇过程Ⅱ中均施加持续时间为3～5s、间隔为40～80s、加载频率与步骤二的加载频率相同、荷载水平为的时间扫描试验，在间歇过程Ⅰ和间歇过程Ⅱ中以相位角为横坐标，动态剪切模量为纵坐标绘制相位角-动态剪切模量图；

五、确定触变性关系：基于间歇过程Ⅰ得到的相位角-动态剪切模量图，利用下式进行拟合，确定表征沥青触变性的关系模型；

|G^*|^HI(t)＝kθ^HI(t)+b

式中，|G^*|^HI＝间歇期Ⅰ测得的动态剪切模量；θ^HI＝间歇过程Ⅰ测得的相位角；k，b＝模型参数；

六、损伤度及自愈合度的计算：利用间歇过程Ⅱ中测得的动态剪切模量和相位角数据以及步骤五确定的触变性关系模型确定疲劳损伤度在间歇过程Ⅱ的变化情况，计算公式如式(1)所示，然后基于计算得到的损伤度计算沥青的愈合情况，计算方法如式(2)所示；

|G^*|^HII(t)＝(1-D(t))²|G^*|^T(t)＝(1-D(t))²(kθ^HII(t)+b) (1)

式中，|G^*|^HII＝间歇过程Ⅱ测得的动态剪切模量；θ^HII＝间歇过程Ⅱ测得的相位角；|G^*|^T＝触变性影响下的动态剪切模量值；D₀＝间歇过程Ⅱ初始损伤度，D(t)＝间歇过程Ⅱ中t时刻的损伤度；HI(t)＝间歇过程Ⅱ中t时刻的愈合度；

其中步骤四中

的取值范围为

的取值范围为

2.根据权利要求1所述的分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法，其特征在于步骤一中所述的应变扫描试验是在试验温度下进行8mm板应变扫描试验。

3.根据权利要求1所述的分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法，其特征在于步骤二时间扫描试验中的试验温度为10℃～30℃。

4.根据权利要求1所述的分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法，其特征在于步骤二中所述的时间扫描试验是在试验温度下进行8mm板时间扫描试验。

5.根据权利要求1所述的分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法，其特征在于步骤二时间扫描试验中加载正弦波荷载。

6.根据权利要求1所述的分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法，其特征在于步骤二时间扫描试验中加载频率为10Hz。

7.根据权利要求1所述的分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法，其特征在于步骤三中皮尔逊相关系数的平方R²的计算公式如下：

其中，

P_θj＝第j个加载循环的相位角与初始相位的比值；k，j＝加载循环的个数，且j≤k。

8.根据权利要求1所述的分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法，其特征在于步骤四中t_I的取值范围为≥30min，t_II的取值范围为15～720min。

9.根据权利要求1所述的分离触变性影响的沥青自愈合能力评价方法，其特征在于步骤四中在间歇过程Ⅰ和间歇过程Ⅱ中均施加持续时间为5s、间隔为55s、加载频率为10Hz、荷载水平为ε_s(ε_s＜ε_t)的时间扫描试验。

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