CN114184772B - 评价沥青混合料抗水损害能力的方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种评价沥青混合料抗水损害能力的方法、系统及存储介质，涉及道路工程技术领域。本发明具体步骤如下：将沥青混合料试样分为对照组和实验组，对实验组进行冻融循环水损害处理；对实验组和对照组进行间接拉伸加载试验，获取加载力、主轴竖向位移以及试样中心横向变形量；根据加载力、主轴竖向位移以及试样中心横向变形量计算特征模量；以实验组和对照组的特征模量比值为指标，评价沥青混合料的抗水损害能力。本发明全面考虑沥青混合料在水损害前后的受力特征与变形特征，克服了现有方法中评价指标忽略材料变形的缺点，同时，还可降低试验结果的变异性，提高检测结果的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，更具体的说是涉及一种评价沥青混合料 抗水损害能力的方法、系统及存储介质。
背景技术
沥青混合料的抗水损害能力是混合料设计与优化中需关注的重要性能指 标，该指标与路面路表破损病害密切相关。为保证沥青路面的长期服役性能， 需准确评价沥青混合料的抗水损害能力，以保证沥青路面设计结果的可靠性。
现有方法中，采用基于间接拉伸强度的强度比指标评价沥青混合料的抗 水损能力。间接拉伸强度的计算过程中，仅仅考虑了加载过程中混合料的加 载力特征，而未考虑混合料在外力作用下的变形特征。沥青混合料的受力特 征与变形特征共同反映材料的抗力，体现材料在外力作用下的整体抗破坏能 力。如果仅考虑材料的受力特征，而忽略了其变形特征，则容易导致材料性 能评价结果片面，影响评价结果的准确性。例如，承受同样等级加载力情况 下，两类混合料的变形量完全不同，这种情况下，现有方法就未能区分两类混合料抗力之间的差异性。
因此，在评价沥青混合料的抗水损坏性能时，需进一步将间接拉伸试验 中沥青混合料试样的变形特征纳入分析，同步考虑材料的受力与变形特点， 以更准确的评价材料在外力作用下的整体抗力，提高混合料抗水损坏性能评 价结果的合理性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种评价沥青混合料抗水损害能力的方法、系 统及存储介质，以解决背景技术中存在的问题，间接拉伸模量指标的计算过 程中同步考虑了沥青混合料的受力特征与变形特征，可以更全面、更客观的 评价沥青混合料的整体抗水损破坏能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一方面，提供一种评价 沥青混合料抗水损害能力的方法，具体步骤包括如下：
将沥青混合料试样分为对照组和实验组，对实验组进行冻融循环水损害 处理；
对所述实验组和所述对照组进行间接拉伸加载试验，获取加载力、主轴 竖向位移以及试样中心横向变形量；
根据所述加载力、所述主轴竖向位移以及所述试样中心横向变形量计算 特征模量；
以所述实验组和所述对照组的特征模量比值为指标，评价沥青混合料的 抗水损害能力。
可选的，所述冻融循环水损害处理的步骤为：
利用真空负压装置，将所述实验组进行真空饱水，得到第一实验组；
将所述第一实验组放入密封袋中，加入固定的水，放入恒温冰箱中冷冻， 得到第二实验组；
将所述第二实验组取出放入恒温水槽中保温。
可选的，所述特征模量的获取步骤为：
根据所述加载力、所述主轴竖向位移以及所述试样中心横向变形量计算 间接拉伸模量；
结合所述间接拉伸模量，得到所述间接拉伸模量随时间变化的动态曲线；
所述动态曲线的峰值即为所述特征模量。
可选的，所述间接拉伸模量的计算公式为：
其中，P为加载力，V为主轴竖向位移，H为试样中心横向变形量，d为 试样厚度，w为加载压条的宽度，β1、β2、γ1、γ2为计算系数。
可选的，所述特征模量比值的计算公式为：
其中，Mmax-damaged为实验组的特征模量，Mmax-virgin为对照组的特征模量。
另一方面，提供一种评价沥青混合料抗水损害能力的系统，包括数据预 处理模块、数据采集模块、数据处理模块、评价模块；其中，
所述数据预处理模块，用于将沥青混合料试样分为对照组和实验组，对 实验组进行冻融循环水损害处理；
所述数据采集模块，用于对所述实验组和所述对照组进行间接拉伸加载 试验，获取加载力、主轴竖向位移以及试样中心横向变形量；
所述数据处理模块，用于根据所述加载力、所述主轴竖向位移以及所述 试样中心横向变形量计算特征模量；
所述评价模块，用于以所述实验组和所述对照组的特征模量比值为指标， 评价沥青混合料的抗水损害能力。
最后，提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机 程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种评价沥青混合料抗水 损害能力的方法的步骤。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种评 价沥青混合料抗水损害能力的方法、系统及存储介质，全面考虑了间接拉伸 试验中沥青混合料的受力特征与变形特征，克服了现有方法中评价指标忽略 材料变形特征的缺点，可更全面、更客观的评价沥青混合料的整体抗水损破 坏能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的间接拉伸加载试验正面示意图；
图3为本发明的加载力、主轴竖向位移以及试样中心横向变形量随加载 时间变化曲线示意图；
图4为本发明的试件间接拉伸模量随加载时间变化曲线示意图；
图5为本发明实施例1中未冻融与冻融水损害后的II类混合料试件加载 力曲线示意图；
图6为本发明实施例1中未冻融与冻融水损害后的II类混合料试件变形 曲线示意图；
图7为本发明实施例1中未冻融与冻融水损害后的II类混合料试件间接 拉伸模量曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例1公开了一种评价沥青混合料抗水损害能力的方法，如图1 所示，具体步骤包括如下：
S1、将沥青混合料试样分为对照组和实验组，对实验组进行冻融循环水 损害处理；
S2、对实验组和对照组进行间接拉伸加载试验，获取加载力、主轴竖向 位移以及试样中心横向变形量；
S3、根据加载力、主轴竖向位移以及试样中心横向变形量计算特征模量；
S4、以实验组和对照组的特征模量比值为指标，评价沥青混合料的抗水 损害能力。
进一步的，冻融循环水损害处理的步骤为：
利用真空负压装置，将实验组进行真空饱水，得到第一实验组；
将第一实验组放入密封袋中，加入固定的水，放入恒温冰箱中冷冻，得 到第二实验组；
将第二实验组取出放入恒温水槽中保温。
进一步的，特征模量的获取步骤为：
根据加载力、主轴竖向位移以及试样中心横向变形量计算间接拉伸模量；
结合间接拉伸模量，得到间接拉伸模量随时间变化的动态曲线；
动态曲线的峰值即为特征模量。
间接拉伸模量的计算公式为：
其中，P为加载力，V为主轴竖向位移，H为试样中心横向变形量，d为 试样厚度，w为加载压条的宽度，β1、β2、γ1、γ2为计算系数。
特征模量比值的计算公式为：
其中，Mmax-damaged为实验组的特征模量，Mmax-virgin为对照组的特征模量。
具体的，对本发明中间接拉伸模量M的计算公式的推导过程进行说明，并 结合实施例和附图进一步阐明本发明内容的实施过程。
间接拉伸模量M的计算公式推导过程如下：
间接拉伸加载试验中通过加载压条对圆柱形沥青混合料试样进行纵向加 载，加载示意图如附图2所示。根据Hondros给出的解析解，加载力作用下试 样在横向(x轴方向)与纵向(y轴方向)上的应力分布如式(1)～(4)所示：
式中，σx(x)、σx(y)为x、y轴上沿x方向的应力分量，σy(x)、σy(y)为x、 y轴上沿y方向的应力分量，P为加载力(kN)，w为加载压条宽度(m)， D为试样直径(m)，d为试样的厚度(m)，θ为压条宽度对应的圆心角度， 其中，tanθ＝0.126。
间接拉伸试样处于二维应力状态，且试样中心沿x轴与沿y轴方向剪应力 基本为0，则试样中心的应变分量可计算为：
式中，M为试样的间接拉伸模量(MPa)，εx(x)为x轴上沿x方向的应 变分量，εy(y)为y轴上沿y方向的应变分量，v为材料的泊松比。
εx(x)沿x轴进行积分即是试样中心的横向变形值H，εy(y)沿y轴进行积分即 为试样的纵向变形(等同于加载压头的竖向位移值V)，则可得式(7)～(8)：
式中，D为劈裂试件的直径。
结合公式(7)与公式(8)，可消除泊松比参数v，可解得间接拉伸试样 的模量计算公式为：
式中，β1、β2、γ1、γ2为试样直径相关的参数，计算公式如下：
对于常用的直径为100mm或150mm的间接拉伸试件，将D＝50mm或 D＝100mm代入公式(10)～(13)，进行积分计算，可求解得到两种直径的 试件对应的β1、β2、γ1、γ2的具体取值，如表1所示：
表1
基于公式(9)及上表中的系数，可计算得到试样的间接拉伸模量M的变 化曲线，取模量变化曲线的峰值Mmax作为特征模量值。以实验组和对照组的 特征模量比值为指标，评价沥青混合料的抗水损害能力。
下面结合一个具体实施例对本发明方法进行进一步说明。
本实施例中，以三类沥青混合料抗水损害能力评价过程为例，说明本发 明的实施效果。三类混合料中，一类为普通70#沥青拌和成型的热拌沥青混合 料试件，定义为混合料I；一类为混合料I经受疲劳损伤作用后的混合料，定 义为混合料II；最后一类为废旧铣刨料常温下成型的再生沥青混合料，定义 为混合料III。混合料I为新成型混合料，未承受任何荷载损伤作用，因此， 其抗水损害能力应大于遭受损伤后的混合料II；混合料III为废旧铣刨料常温 再生成型，因此，其抗水损害能力也应低于混合料I。基于本发明提出的方法，可对三类沥青混合料的抗水损害能力进行评价、排序，根据排序结果以及三 类混合料自身的性质，可进一步校验本发明方法的可靠性。
三类混合料各准备两组试件，试件直径均为100mm。一组试件按照S1 中的步骤进行冻融水损害作用(即实验组)，另一组不作任何处理(即对照 组)。随后，在实验组及对照组混合料试件中心安装横向位移计，进行间接 拉伸加载试验。加载设备为UTM液压机，加载压条的宽度为12.7mm，加载 速率为50mm/分钟，试验温度为25℃；试验过程中同步采集加载力P(kN) 的曲线，主轴竖向位移V(mm)的曲线，以及位移计测得的试样中心横向变 形量H(mm)的曲线；数据采集频率为100Hz。试验过程中典型的加载力曲 线、主轴竖向位移曲线以及试样中心横向变形量曲线如图3所示。
上述每类试件进行三到五次平行试验，用于试验的试件的厚度信息汇总 如表2所示。
表2
将间接拉伸试验中所采集的加载力P、主轴竖向位移V以及试样中心横 向变形量H的数据以及表2中试件厚度数据代入公式(9)，可计算得到试件 间接拉伸模量的变化曲线。典型的冻融水损害作用前后混合料试件的间接拉 伸模量变化曲线对比如图4所示。
将间接拉伸模量曲线的峰值点确定为特征模量值Mmax(如图4所示)， 按照此方法确定冻融水损害后试样的特征模量Mmax-damaged，以及未冻融试样的 特征模量Mmax-virgin，并计算两种特征模量的比值R
三类混合料试件相应的计算结果汇总如表3所示。
表3
由表3可得，混合料I对应的模量比R为82.74％，混合料II对应的模量 比R为67.17％，混合料III对应的模量比R为52.07％。冻融作用前后三类混 合料的间接拉伸模量比值R均小于1，表明冻融水损害作用会降低混合料的整 体抗力，符合基本事实。按照R数值越大，混合料抗水损害性能越优越的原 则，可得三类混合料的抗水损害性能评价结果为I＞II＞III，这一评价结果也 与三类沥青混合试件自身性能之间的关系相吻合，这进一步证明了本发明提 出的方法的可靠性与合理性。
本发明提出的方法中所使用的间接拉伸模量指标全面考虑了沥青混合料 的受力特征与变形特征，克服了现有方法中的强度指标忽略材料变形特征的 缺点，可以更全面、更客观的评价沥青混合料的整体抗破坏能力。
为对比说明本发明方法的优越性，本实施例进一步按照现有方法计算了 试件的间接拉伸强度指标，计算结果汇总于表4所示。
表4
如表4所示，当采用现有方法中的间接拉伸强度指标时，混合料I和混合 料II冻融后与未冻融时试件的间接拉伸强度比值均超过1，即冻融水损作用 会增强混合料的整体抗力，这显然与实际事实不相符合，体现了现有方法采 用的指标的不合理性。出现这一不合理现象的主要原因是现有方法单一考虑 试件的加载力特征，而忽略了试件的变形特征，现以第II类混合料未冻融与 冻融水损害后的试件的加载力与变形曲线为例进行说明，该类试件冻融前后 的加载力与变形曲线如图5和图6。由图5可得，冻融损害作用后试件的加载力峰值甚至高于未冻融试件。现有方法中的间接拉伸强度指标只受加载力影 响，且与加载力正相关。因此，若采用强度指标，会得出冻融水损作用后混 合料整体抗力上升的不合理结论。而实际上，冻融前后试件的变形特征截然 不同(如附图6所示)：达到加载峰值时，冻融后试件的变形量要明显大于 未冻融试件，体现出试件整体抗变形能力的下降。当采用本发明提出的方法， 同步考虑了加载力特征和变形特征后，得到的试件的间接拉伸模量曲线如附 图7所示。可得，冻融水损害后试件的间接拉伸模量峰值明显小于未冻融试 件，可以体现出试件抗水损破坏能力的下降，这与事实相符合，也进一步体 现了本发明方法中指标的合理性。
此外，本发明采用的间接拉伸模量指标还可以降低试验结果的变异性。 由表2及表3可得，采用现有方法中的间接拉伸强度指标时，冻融后I类混合 料试件平行试验结果的变异系数达到了28.54％，冻融后II类混合料试件平行 试验结果的变异系数达到了27.58％，结果变异性较大。而采用本发明提出的 间接拉伸特征模量指标，不同类型混合料试件平行试验结果的变异系数均控 制在12％以内，均值为8.28％，变异性较小，测试结果稳定，这体现了本发 明提出方法的另一个优越性。
综上，本发明提出的评价沥青混合料抗水损害能力的方法，可以全面考 虑沥青混合料的受力特征与变形特征，克服了现有方法中评价指标忽略材料 变形特征的缺点，可以更全面、更客观的评价沥青混合料的整体抗水损破坏 能力。同时，还可降低试验结果的变异性，提高检测结果的稳定性。
本发明实施例2提供一种评价沥青混合料抗水损害能力的系统，包括数 据预处理模块、数据采集模块、数据处理模块、评价模块；其中，
数据预处理模块，用于将沥青混合料试样分为对照组和实验组，对实验 组进行冻融循环水损害处理；
数据采集模块，用于对实验组和对照组进行间接拉伸加载试验，获取加 载力、主轴竖向位移以及试样中心横向变形量；
数据处理模块，用于根据加载力、主轴竖向位移以及试样中心横向变形 量计算特征模量；
评价模块，用于以实验组和对照组的特征模量比值为指标，评价沥青混 合料的抗水损害能力。
最后，提供一种计算机存储介质，计算机存储介质上存储有计算机程序， 计算机程序被处理器执行时实现一种评价沥青混合料抗水损害能力的方法的 步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都 是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。 对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述 的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种评价沥青混合料抗水损害能力的方法，其特征在于，具体步骤包括如下：
将沥青混合料试样分为对照组和实验组，对实验组进行冻融循环水损害处理；
对所述实验组和所述对照组进行间接拉伸加载试验，获取加载力、主轴竖向位移以及试样中心横向变形量；
根据所述加载力、所述主轴竖向位移以及所述试样中心横向变形量计算特征模量；
以所述实验组和所述对照组的特征模量比值为指标，确定沥青混合料的抗水损害能力；
所述特征模量的获取步骤为：
根据所述加载力、所述主轴竖向位移以及所述试样中心横向变形量计算间接拉伸模量；
结合所述间接拉伸模量，得到所述间接拉伸模量随时间变化的动态曲线；
所述动态曲线的峰值即为所述特征模量；
所述间接拉伸模量的计算公式为：
其中，P为加载力，V为主轴竖向位移，H为试样中心横向变形量，d为试样厚度，w为加载压条的宽度，β1、β2、γ1、γ2为计算系数；
所述特征模量比值的计算公式为：
其中，Mmax-damaged为实验组的特征模量，Mmax-virgin为对照组的特征模量。
2.根据权利要求1所述的一种评价沥青混合料抗水损害能力的方法，其特征在于，所述特征模量比值与所述抗水损害能力成正比。
3.根据权利要求1所述的一种评价沥青混合料抗水损害能力的方法，其特征在于，所述冻融循环水损害处理的步骤为：
利用真空负压装置，将所述实验组进行真空饱水，得到第一实验组；
将所述第一实验组放入密封袋中，加入固定的水，放入恒温冰箱中冷冻，得到第二实验组；
将所述第二实验组取出放入恒温水槽中保温。
4.一种评价沥青混合料抗水损害能力的系统，其特征在于，包括数据预处理模块、数据采集模块、数据处理模块、评价模块；其中，
所述数据预处理模块，用于将沥青混合料试样分为对照组和实验组，对实验组进行冻融循环水损害处理；
所述数据采集模块，用于对所述实验组和所述对照组进行间接拉伸加载试验，获取加载力、主轴竖向位移以及试样中心横向变形量；
所述数据处理模块，用于根据所述加载力、所述主轴竖向位移以及所述试样中心横向变形量计算特征模量；
所述评价模块，用于以所述实验组和所述对照组的特征模量比值为指标，评价沥青混合料的抗水损害能力。
5.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-3中任意一项所述的一种评价沥青混合料抗水损害能力的方法的步骤。
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