CN114047081A - 一种结构沥青层临界厚度的确定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及沥青混合料参数测定技术领域，特别涉及一种结构沥青层临界厚度的确定方法及装置；本发明提供了一种结构沥青层临界厚度的确定方法并提供了相应的实施设备设计，具有结构简单，方便使用的特点，此种方法可以精准控制剪切过程的温度，可以检测不同温度、厚度下的结构沥青，获得相关参数用于指导工程实施。
Description
技术领域：
本发明涉及沥青混合料参数测定技术领域，特别涉及一种结构沥青层临界厚度的确定方法及装置。
背景技术：
沥青混合料是一种复合材料，主要由沥青、粗骨料、细骨料、矿粉等组成，由于沥青混合料的实际组成、配比、结构区别会导致沥青混合料力学性质的重大差别，因此对其组成、配比、结构与力学性能的相关性研究对实际工程应用有重要的指导性作用。
在沥青混合料中，沥青与矿料交互作用后，沥青在矿料表面形成一层扩散溶剂膜，此膜的厚度以内的沥青称为结构沥青，黏度较高，具有较强的黏结力，此膜以外的沥青称为自由沥青，其未与矿料发生交互作用。由于结构沥青厚度较薄，一直难以被检测，所以检测结构沥青的最优厚度，区分自由沥青和结构沥青的分界厚度一直是研究者关注的热点问题。
发明内容：
鉴于此，有必要设计一种结构沥青层临界厚度的确定方法，并为其配装相应的装置设计，实现对结构沥青层临界厚度的测量。
一种结构沥青层临界厚度的确定方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1.对两块基材石片进行同规格处理，其中包含分步骤：S1-1.将两块基材石片打磨为相同尺寸，并使其测试接触面光滑平整，S1-2.将打磨后的基材石片置于沸水中煮15分钟，去除石片表面的灰尘和打磨粉末，S1-3.在烘箱中烘干基材石片；
S2.在基材石片测试接触面间放置环状垫片，在垫片内区域滴加测试沥青，挤压使沥青铺满垫片内区域，后清除溢出的沥青；
S3.将两块基材石片在扣合状态下分别固定在上下端夹具中，测出沥青实际厚度；
S4.调整测试区温度为测量温度参数；
S5.对两块基材石片进行定速差动剪切，同时对剪力进行测量，当剪力减小至5N时停止；
S6.多次测量后，根据测试区温度分组，对沥青实际厚度、最大剪力数据制图并处理数据，获得各温度组下的沥青临界厚度数据；
上述S3至S5在用于结构沥青层临界厚度的测试装置中实施，用于结构沥青临界厚度的测试装置包括测试基材、恒温箱、剪力测试装置、高清摄像头和数据采集处理装置；
其中，测试基材由两块基材石片和夹在基材石片测试接触面之间的垫片组成，基材石片为长方体，尺寸规格相同，垫片为方环形，夹持在测试接触面边缘；
剪力测试装置安装在恒温箱上，剪力测试装置由夹具、动作机构和测力传感器组成，夹具用于夹持固定测试基材，夹具有两个，一个固定安装在恒温箱内，另一个与动作机构动力连接并由动作机构带动对测试基材施加剪力，测力传感器用于测量动作机构的受力，夹具与测试基材设置在恒温箱内，恒温箱内还设置有温度传感器；
高清摄像头设置在夹具一侧，使其全程定距拍摄测试基材接缝处，数据采集处理装置与高清摄像头、测力传感器、温度传感器信号连接。
优选的，恒温箱箱壁设置有真空保温夹层，减少外部温变对恒温箱内温度的干扰。
进一步的，恒温箱内温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，其中第一温度传感器设置在夹具上用于测量基材石片温度，第二温度传感器设置在恒温箱内壁上用于测量恒温箱内环境温度。在步骤S4中，需确认第一温度传感器和第二温度传感器读数均吻合测试温度参数，且至少第一温度传感器读数在一定时间范围内无波动，以提高温度定位准确性。
优选的，动作机构由液压缸、拉杆、滑轨或滑轮组成，其中液压缸安装在恒温箱一侧，恒温箱侧壁开孔，拉杆穿过该开孔连接液压缸与夹具连接，滑轨或滑轮安装在该夹具下部。在步骤S5中，启动液压缸，通过拉杆拉动两个夹具中的一个并定速移动，使两块基材石片定速差动剪切，通过测量拉杆的拉力值即可获得剪力。
优选的，本设计还应包括通风口，通风口内设置换气扇与气闸，用于对恒温箱内通风降温。
本发明提供了一种结构沥青层临界厚度的确定方法并提供了相应的实施设备设计，具有结构简单，方便使用的特点，此种方法可以精准控制剪切过程的温度，可以检测不同温度、厚度下的结构沥青，获得相关参数用于指导工程实施。
附图说明：
附图1是本发明一种结构沥青层临界厚度的确定方法及装置具体实施例结构示意图；
附图2是本发明一种结构沥青层临界厚度的确定方法及装置具体实施例测试基材结构示意图；
附图3是本发明一种结构沥青层临界厚度的确定方法及装置具体实施例数据整理表格；
附图4是本发明一种结构沥青层临界厚度的确定方法及装置具体实施例10℃条件下厚度-剪力图。
图中：恒温箱1、真空保温夹层11、通风口12、第一温度传感器13、第二温度传感器14、测试基材2、测试沥青21、垫片22、基材石片23、剪力测试装置3、夹具31、动作机构32、液压缸321、拉杆322、滑轮323、测力传感器33、高清摄像头4、数据采集处理装置5。
具体实施方式：
一种用于结构沥青层临界厚度的测试装置，包括测试基材2、恒温箱1、剪力测试装置3、高清摄像头4和数据采集处理装置5；
其中，测试基材2由两块基材石片23和夹在基材石片23测试接触面之间的垫片22组成，基材石片23为长方体，尺寸规格相同，垫片22为方环形，夹持在测试接触面边缘，垫片22与基材石片23内填充测试沥青21；
剪力测试装置3安装在恒温箱1上，剪力测试装置3由夹具31、动作机构32和测力传感器33组成，夹具31用于夹持固定测试基材2，夹具31有两个，一个固定安装在恒温箱1内，另一个与动作机构32动力连接并由动作机构32带动对测试基材2施加剪力，测力传感器33用于测量动作机构32的受力，夹具31与测试基材2设置在恒温箱1内，恒温箱1箱壁设置有真空保温夹层11，恒温箱1上部设置通风口12，通风口12内设置换气扇与气闸，恒温箱1内设置第一温度传感器13和第二温度传感器14，第一温度传感器13设置在夹具31上用于测量基材石片23温度，第二温度传感器14设置在恒温箱1内壁上用于测量恒温箱1内环境温度；动作机构32由液压缸321、拉杆322、滑轮323组成，其中液压缸321安装在恒温箱1一侧，恒温箱1侧壁开孔，拉杆322穿过该开孔连接液压缸321与夹具31连接，滑轨或滑轮323安装在该夹具31下部。
高清摄像头4设置在夹具31一侧，使其全程定距拍摄测试基材2接缝处，数据采集处理装置5与高清摄像头4、测力传感器33、温度传感器信号连接。
使用上述设备，实施一种结构沥青层临界厚度的确定方法，包括步骤如下：
S1.对两块基材石片23进行同规格处理，其中包含分步骤：S1-1.将两块基材石片23打磨为相同尺寸，并使其测试接触面光滑平整，S1-2.将打磨后的基材石片23置于沸水中煮15分钟，去除石片表面的灰尘和打磨粉末，S1-3.在烘箱中烘干基材石片23；
S2.在基材石片23测试接触面间放置环状垫片22，在垫片22内区域滴加测试沥青21，挤压使沥青铺满垫片22内区域，后清除溢出的沥青；
S3.将两块基材石片23在扣合状态下分别固定在上下端夹具31中，测出沥青实际厚度；
S4.调整测试区温度为测量温度参数，该步骤通过恒温箱1包含的升降温装置调节温度，使第一温度传感器13和第二温度传感器14读数均与预设测试温度参数相同，并且维持5分钟充分升降温基材石片23，使第一温度传感器13读数无波动；
S5.启动液压缸321，通过拉杆322拉动两个夹具31中的一个并定速移动，使两块基材石片23定速差动剪切，通过测量拉杆322的拉力值对剪力进行测量，当剪力减小至5N时停止；
S6.以10℃、30℃、50℃、70℃、90℃做为温度条件，在每个温度条件下以5μm、6μm、7μm、8μm、9μm为预设厚度条件分组进行试验，每组试验进行三次，多次测量后，根据测试区温度分组，对沥青实际厚度、最大剪力数据制图并处理数据，获得各温度组下的沥青临界厚度数据。
在S6步骤中，参照图2所示表格进行数据整理，以在10℃剪切温度下试验为例，其中F1、F2、F3、F4、F5分别为在10℃温度条件下以5μm、6μm、7μm、8μm、9μm为预设厚度的沥青试件在剪切中所受最大剪力，需要注意，其中实际厚度的计算以步骤S3获得的测量值为准，表格上5μm.6μm.7μm.8μm.9μm厚度为预设厚度条件，由垫片22厚度预设参考；h1、h2、h3为通过数据处理得来的临界厚度，其中
表示为在10℃恒定环境下三组试验临界厚度的平均值。同时定义
(其中n的取值为1.2.3，i的取值为10.30.50.70.90)为了判定每一组结构沥青的临界厚度数值的有效性，当ψ≤20％，则认为数据有效，当不在此范围内认为数据出错，需重新进行试验。
完成如图2所示表格后，依据表格数据为每个温度条件绘制相应的厚度-剪力图。
完成上述数据整理表格与厚度-剪力图形后，进行数据处理：
1.根据厚度-剪力图形建立沥青厚度及剪切温度对沥青抗剪能力的影响公式F＝fh(t)。其中h为沥青厚度；t为剪切时的温度。通过试验和分析，得到影响抗剪能力的重要性排序依次为沥青厚度、剪切时的温度。
h,t均为变量，当研究其中的一个变量时，其他变量为定值。通过试验和公式拟合得到公式①～②。fi(h)(i为剪切温度，取值为10.30.50.70.90)①，此公式是在一定温度下，在不同沥青厚度下剪切下得到的数据，进行拟合得到的公式；fj(t)(j为结构沥青厚度，取值为5.6.7.8.9)②，此公式是在一定厚度下，在不同温度下剪切下得到的数据，进行拟合得到的公式。
2.通过上述公式①～②即可得到该制备方法下的：P＝fi,j(h,t)＝K1fi(h)+K2fj(t)③，其中K1至K2分别为其权重系数，该公式的意义在于可通过公式(3)方便准较确地计算出不同沥青厚度、温度下较高的抗剪能力。旨在较快的得到最优厚度，为实际施工提供理论支持和工程指导。
3.通过①建立的公式，对①式进行求导，得到fi'(h)，令fi'(h)＝0，得到此时沥青h的值，此时h的值即为结构沥青的最佳厚度，也为结构沥青与自由沥青的临界值，在此厚度下，结构沥青的厚度达到最大，抗剪能力最大。
4.探究温度对剪切的影响，记
记
(其中i取值为10、30、50、70、90，即为剪切时所控制温度)。当Φ≤20％，则认为温度对沥青剪切强度无影响，当小于20％时，重新进行实验。
例如在10℃分别取5μm、6μm、7μm、8μm、9μm的垫片22进行实验，每个厚度进行三组实验。得出如图3的厚度与剪切力的曲线，之后：
S1：通过试验数据(横坐标以真实厚度，纵坐标为剪切时的最大剪力)拟合得到厚度与剪力的公式，得到f10(h)
S2：对f10(h)进行求导得到f10'(h)，令f10'(h)＝0，此时得到h＝8，将此时的h＝8即为h1。
S3：得出结论：故当沥青层厚度为大于8μm时，沥青里有结构沥青和自由沥青，当沥青厚度小与8μm时，沥青全部为结构沥青无自由沥青。
S4：在相同条件下重复此次实验，得到另外临界厚度两组h2、h3，利用公式
计算出
S5：在不同剪切温度下重复此项实验，重复上述操作，计算出
通过计算公式Φ，来进行判别剪切温度是否对沥青抗剪能力有影响，并据此对工程实施进行指导。
Claims (6)
1.一种结构沥青层临界厚度的确定方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1.对两块基材石片进行同规格处理，其中包含分步骤：S1-1.将两块基材石片打磨为相同尺寸，并使其测试接触面光滑平整，S1-2.将打磨后的基材石片置于沸水中煮15分钟，去除石片表面的灰尘和打磨粉末，S1-3.在烘箱中烘干基材石片；
S2.在基材石片测试接触面间放置环状垫片，在垫片内区域滴加测试沥青，挤压使沥青铺满垫片内区域，后清除溢出的沥青；
S3.将两块基材石片在扣合状态下分别固定在上下端夹具中，测出沥青实际厚度；
S4.调整测试区温度为测量温度参数；
S5.对两块基材石片进行定速差动剪切，同时对剪力进行测量，当剪力减小至5N时停止；
S6.多次测量后，根据测试区温度分组，对沥青实际厚度、最大剪力数据制图并处理数据，获得各温度组下的沥青临界厚度数据；
上述S3至S5在用于结构沥青层临界厚度的测试装置中实施，用于结构沥青临界厚度的测试装置包括测试基材、恒温箱、剪力测试装置、高清摄像头和数据采集处理装置；
其中，测试基材由两块基材石片和夹在基材石片测试接触面之间的垫片组成，基材石片为长方体，尺寸规格相同，垫片为方环形，夹持在测试接触面边缘；
剪力测试装置安装在恒温箱上，剪力测试装置由夹具、动作机构和测力传感器组成，夹具用于夹持固定测试基材，夹具有两个，一个固定安装在恒温箱内，另一个与动作机构动力连接并由动作机构带动对测试基材施加剪力，测力传感器用于测量动作机构的受力，夹具与测试基材设置在恒温箱内，恒温箱内还设置有温度传感器；
高清摄像头设置在夹具一侧，使其全程定距拍摄测试基材接缝处，数据采集处理装置与高清摄像头、测力传感器、温度传感器信号连接。
2.一种用于结构沥青层临界厚度的测试装置，其特征在于，包括测试基材、恒温箱、剪力测试装置、高清摄像头和数据采集处理装置；
其中，测试基材由两块基材石片和夹在基材石片测试接触面之间的垫片组成，基材石片为长方体，尺寸规格相同，垫片为方环形，夹持在测试接触面边缘；
剪力测试装置安装在恒温箱上，剪力测试装置由夹具、动作机构和测力传感器组成，夹具用于夹持固定测试基材，夹具有两个，一个固定安装在恒温箱内，另一个与动作机构动力连接并由动作机构带动对测试基材施加剪力，测力传感器用于测量动作机构的受力，夹具与测试基材设置在恒温箱内，恒温箱内还设置有温度传感器；
高清摄像头设置在夹具一侧，使其全程定距拍摄测试基材接缝处，数据采集处理装置与高清摄像头、测力传感器、温度传感器信号连接。
3.如权利要求2所述的一种用于结构沥青层临界厚度的测试装置，其特征在于，所述恒温箱箱壁设置有真空保温夹层。
4.如权利要求3所述的一种用于结构沥青层临界厚度的测试装置，其特征在于，所述恒温箱内温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，其中第一温度传感器设置在夹具上用于测量基材石片温度，第二温度传感器设置在恒温箱内壁上用于测量恒温箱内环境温度。
5.如权利要求2所述的一种用于结构沥青层临界厚度的测试装置，其特征在于，所述动作机构由液压缸、拉杆、滑轨或滑轮组成，其中液压缸安装在恒温箱一侧，恒温箱侧壁开孔，拉杆穿过该开孔连接液压缸与夹具连接，滑轨或滑轮安装在该夹具下部。
6.如权利要求2所述的一种用于结构沥青层临界厚度的测试装置，其特征在于，还包括通风口，通风口内设置换气扇与气闸。
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