CN114235599B - 一种基于半圆弯曲测试模式的沥青砂浆低温断裂性能测试方法 - Google Patents
一种基于半圆弯曲测试模式的沥青砂浆低温断裂性能测试方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于半圆弯曲测试模式的沥青砂浆低温断裂性能测试方法，包括以下步骤：步骤一：根据沥青混合料配合比设计参数，反算相应的沥青砂浆配合比设计参数；步骤二：根据步骤一获取的沥青砂浆的沥青膜厚度及最大公称粒径信息确定半圆弯曲加载的温度、加载速率及样品尺寸；步骤三：根据步骤二中获得的半圆弯曲测试的加载条件进行沥青砂浆低温断裂性能试验，绘制沥青砂浆的力‑位移曲线；步骤四：根据步骤三获得的力‑位移曲线，计算沥青砂浆低温条件下的断裂能指标。本发明方法充充分考虑沥青砂浆样本易蠕变的受力特点，优化加载模式和条件，该方法简单易行。
Description
技术领域
本发明属于道路养护技术领域，具体涉及一种基于半圆弯曲测试模式的沥青砂浆低温断裂性能测试方法。
背景技术
沥青砂浆是介于沥青混合料和沥青胶结料之间的一个尺度，它是沥青路面材料多尺度评价中不可或缺的一个重要尺度。已有研究表明，沥青砂浆的性能对沥青混合料的低温条件下的粘聚断裂破坏起到决定性的作用，因此有必要提出能够直接评价沥青砂浆材料低温抗裂性能的表征及评价方法。目前国内外对沥青混合料及沥青胶结料断裂性能的研究较多，提出多种评价沥青混合料或沥青胶结料低温抗裂性能的试验方法和评价指标。在沥青混合料方面，现有常见的试验方法包括低温小梁试验，直接拉伸试验等；在沥青胶结料方面，主要包括低温弯曲蠕变(BBR)测试，延度测试等。然而，针对沥青砂浆尺度的室内评价试验方法却不多见。
现有的沥青砂浆力学性能的评价方法主要是采用动态剪切流变仪(DSR)，对成型好的圆柱体试件进行动态频率扫描获取沥青砂浆无损条件下的动态剪切模量主曲线。而考虑大应变条件下的低温断裂破坏过程，采用现有的DSR测试方法来实现难度较大。因此，本发明提出采用万能试验机(UTM-25)，基于半圆弯曲测试模式，简化砂浆样品制作方法，优化材料加载模式，扩展砂浆尺度沥青类材料低温测试的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于解决沥青砂浆低温抗裂性能室内测试和评价问题，为砂浆尺度沥青类材料的低温抗裂性能评价提供新路径。考虑到样品制备的可重复性及试验方法的可操作性，本发明基于半圆弯曲测试模式，提供一种沥青砂浆低温断裂性能测试方法，弥补现阶段沥青路面材料低温抗裂性能多尺度表征方法的不足，将在沥青路面低温抗裂性能提升设计中发挥作用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于半圆弯曲测试模式的沥青砂浆低温断裂性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据沥青混合料配合比设计参数，反算相应的沥青砂浆配合比设计参数，所述参数包括沥青膜厚度、沥青含量、最大公称粒径和级配；
步骤二：根据步骤一获取的沥青砂浆的沥青膜厚度及最大公称粒径信息确定半圆弯曲加载的温度、加载速率及样品尺寸；
步骤三：根据步骤二中获得的半圆弯曲测试的加载条件进行沥青砂浆低温断裂性能试验，绘制沥青砂浆的力-位移曲线；
步骤四：根据步骤三获得的力-位移曲线，计算沥青砂浆低温条件下的断裂能指标。
所述步骤一中根据沥青混合料配合比设计参数反算相应沥青砂浆配合比设计参数的方法如下：
1)当沥青混合料的最大公称粒径大于或等于13.2mm时，其所对应的沥青砂浆的最大公称粒径设置为4.75mm；当沥青混合料的最大公称粒径小于13.2mm时，其所对应的沥青砂浆的最大公称粒径设置为2.36mm。
2)获取沥青混合料级配曲线中筛孔为0.075mm，0.15mm，0.3mm，0.6mm，1.18mm，2.36mm及4.75mm所对应的级配通过百分率为P0.075，P0.15，P0.3，P0.6，P1.18，P2.36，P4.75，单位为％；对于最大公称粒径为2.36mm的沥青砂浆，4.75mm筛孔通过百分率
为100％，其余各档筛孔通过百分率
可通过公式
其中i＝0.075，0.15，0.3，0.6，1.18和2.36，单位为％；对于最大公称粒径为4.75mm的沥青砂浆，各档筛孔通过百分率
可通过公式
其中i＝0.075，0.15，0.3，0.6，1.18，2.36和4.75，单位为％。
3)沥青混合料的沥青膜厚度Tmixture(单位mm)可通过公式
计算，其中Pbe为沥青混合料有效沥青含量，％；γb为沥青的等效密度，默认取值为1.033g/mm3；SA(单位为mm2/g)为沥青混合料中所有矿料的比表面积，可通过公式
SA＝10×(0.41+0.0041P4.75+0.0082P2.36+0.0164P1.18+0.02877P0.6+0.0614P0.3+0.122P0.15+0.3277P0.075)
来计算；沥青砂浆的沥青膜厚度应和沥青混合料中的沥青膜厚度相等，因此沥青砂浆的沥青膜厚度Tmortar＝Tmixture，单位为mm。
4)沥青砂浆的沥青含量Pm(单位％)可通过公式Pm＝Tmortar×γb×SAm来计算，其中Tmortar为沥青砂浆的沥青膜厚度，mm；γb为沥青的等效密度，默认取值为1.033g/mm3；SAm(单位为mm2/g)为沥青砂浆中所有矿料的比表面积，可通过公式
进一步的，所述步骤二中，根据步骤一中获取的沥青砂浆的沥青膜厚度及最大公称粒径数据确定半圆弯曲加载的温度、加载速率及样品尺寸的方法如下：
1)当沥青砂浆的沥青膜厚度小于或等于11μm时，半圆弯曲加载的温度为-10±0.2℃，加载速率为3±0.3mm/min；当沥青砂浆的沥青膜厚度大于11μm时，半圆弯曲加载的温度为-10±0.2℃，加载速率为30±0.5mm/min；
2)当沥青砂浆的最大公称粒径为2.36mm时，半圆试件的尺寸为直径100±0.5mm，厚度20±0.5mm；当沥青砂浆的最大公称粒径为4.75mm时，半圆试件的尺寸为直径100±0.5mm，厚度33±0.5mm。
该方法中，沥青混合料级配、最大公称粒径及沥青膜计算均为现有的成熟技术。然而，由于现有技术中关于材料设计的部分主要是针对沥青混合料尺度，并无法直接反应相应沥青砂浆尺度材料的基本配比信息。本发明方法提出一套简化流程，充分考虑沥青混合料尺度和沥青砂浆尺度材料的对应性，利用混合料尺度材料的设计参数反算沥青砂浆尺度材料的配比设计参数，为之后的力学加载奠定基础。另外，考虑沥青砂浆尺度材料沥青含量高，容易产生局部蠕变的特点，提出考虑沥青膜厚度和最大公称粒径的半圆弯曲加载测试条件设定方法，使得本方法得出的试验结果具有真实性高，可操作性强，可重复性好的效果。
步骤三中，所述沥青砂浆低温断裂性能试验，绘制沥青砂浆的力-位移曲线方法如下；
a.样品制备：其主要是根据步骤二中确定样本尺寸需要，利用旋转压实成型方法制备相应最大公称粒径的圆柱体砂浆试件。对于最大公称粒径为2.36mm的沥青砂浆，试件尺寸高度为60±0.5mm，直径为100±0.5mm，然后通过切割等操作获取高度为20±0.5mm，直径为100±0.5mm的砂浆圆柱体试件；对于最大公称粒径为4.75mm的沥青砂浆，试件尺寸高度为90±0.5mm，直径为100±0.5mm，然后通过切割等操作获取高度为33±0.5mm，直径为100±0.5mm的砂浆圆柱体试件。切割过程需保证试件上下表面相互平行。
b.沥青砂浆低温断裂性能试验：选取3-4个平行试件，将试件放置于-10±0.2℃的低温箱中进行保温，使试件内部温度均匀，按照步骤二中确定的加载速率进行半圆弯曲加载，并记录加载过程中的竖向力和竖向位移数据，加载终止条件为试件完全断裂破坏，最终绘制力-位移曲线。
进一步的，所述步骤四中，根据步骤三获得的力-位移曲线，读取共q个数据点所对应的位移和竖向力，通过公式
计算沥青砂浆低温条件下的断裂能指标Gf，其中Dj为第j个数据点所对应的位移，mm；Fj为第j个数据点所对应的竖向力，kN。
本发明的有益效果：本发明提供了一种基于半圆弯曲测试模式的沥青砂浆低温断裂性能测试方法，通过该方法可以获取沥青路面材料在砂浆尺度下的半圆弯曲力-位移曲线，深入分析可以获取沥青砂浆在低温条件下的断裂能指标，该指标可以和沥青混合料尺度及沥青胶结料尺度的相关指标进行跨尺度关联。与现有技术相比，本发明设计的试验方法充分考虑了沥青砂浆沥青含量高、容易产生局部蠕变的特点，针对不同沥青膜厚度和最大公称粒径的沥青砂浆材料优化加载条件，另外，通过配比设计参数反算，简化沥青砂浆的材料设计和样品准备流程，所获得的砂浆样品可精准对应目标沥青混合料。试验方法简单易行，试验条件控制合理，试验结果稳定可靠。该试验方法对研究沥青砂浆尺度下沥青路面材料的低温抗裂机理研究提供新途径，同时可以为沥青路面材料低温性能多尺度表征和评价提供指导。
附图说明
图1为基于半圆弯曲测试模式的沥青砂浆低温断裂性能测试方法的流程图；
图2为三种不同沥青砂浆低温半圆弯曲测试过程中的力-位移曲线图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
选取三种沥青路面常用的沥青混合料AC-13,SMA-13和ECA-10，反算其对应的沥青砂浆，并进行沥青砂浆低温半圆弯曲测试。
如图1所示，一种基于半圆弯曲测试模式的沥青砂浆低温断裂性能测试方法，包括如下步骤：
步骤一：根据沥青混合料配合比设计参数，反算相应的沥青砂浆配合比设计参数，所述参数包括沥青膜厚度、沥青含量、最大公称粒径和级配；
三种沥青混合料的配合比设计参数包括级配和有效沥青含量Pbe，如表1所示。
表1沥青混合料配比参数信息
所述步骤一中根据沥青混合料配合比设计参数反算相应沥青砂浆配合比设计参数的方法如下：
1)当沥青混合料的最大公称粒径大于或等于13.2mm时，其所对应的沥青砂浆的最大公称粒径设置为4.75mm；当沥青混合料的最大公称粒径小于13.2mm时，其所对应的沥青砂浆的最大公称粒径设置为2.36mm。因此对于AC-13和SMA-13沥青混合料，其对应的沥青砂浆的最大公称粒径为4.75mm；对于ECA-10沥青混合料，其对应的沥青砂浆的最大公称粒径为2.36mm。结果如表2所示。
表2沥青砂浆的最大公称粒径
| 沥青砂浆类型 | AC-13 | SMA-13 | ECA-10 |
| 沥青砂浆最大公称粒径(mm) | 4.75 | 4.75 | 2.36 |
2)获取沥青混合料级配曲线中筛孔为0.075mm，0.15mm，0.3mm，0.6mm，1.18mm，2.36mm及4.75mm所对应的级配通过百分率为P0.075，P0.15，P0.3，P0.6，P1.18，P2.36，P4.75，单位为％；对于最大公称粒径为2.36mm的沥青砂浆，4.75mm筛孔通过百分率
为100％，其余各档筛孔通过百分率
可通过公式
其中i＝0.075，0.15，0.3，0.6，1.18和2.36，单位为％；对于最大公称粒径为4.75mm的沥青砂浆，各档筛孔通过百分率
可通过公式
其中i＝0.075，0.15，0.3，0.6，1.18，2.36和4.75，单位为％。计算结果见表3。
表3沥青砂浆的级配信息
3)沥青混合料的沥青膜厚度Tmixture(单位mm)可通过公式
计算，其中Pbe为沥青混合料有效沥青含量，％；γb为沥青的等效密度，默认取值为1.033g/cm3；SA(单位为mm2/g)为沥青混合料中所有矿料的比表面积，可通过公式
SA＝10×(0.41+0.0041P4.75+0.0082P2.36+0.0164P1.18+0.02877P0.6+0.0614P0.3+0.122P0.15+0.3277P0.075)来计算；沥青砂浆的沥青膜厚度应和沥青混合料中的沥青膜厚度相等，因此沥青砂浆的沥青膜厚度Tmortar＝Tmixture，单位为mm。
4)沥青砂浆的沥青含量Pm(单位％)可通过公式Pm＝Tmortar×γb×SAm来计算，其中Tmortar为沥青砂浆的沥青膜厚度，mm；γb为沥青的等效密度，默认取值为1.033g/cm3；SAm(单位为mm2/g)为沥青砂浆中所有矿料的比表面积，可通过公式
表4沥青砂浆的配合比设计参数换算
| 沥青砂浆类型 | AC-13 | SMA-13 | ECA-10 |
| SA(mm<sup>2</sup>/g) | 434 | 615 | 458 |
| T<sub>mixture</sub>(mm) | 0.0105 | 0.0094 | 0.0112 |
| T<sub>mortar</sub>(mm) | 0.0105 | 0.0094 | 0.0112 |
| SA<sub>m</sub>(mm<sup>2</sup>/g) | 781 | 2103 | 1498 |
| P<sub>m</sub>(％) | 8.4 | 20.5 | 17.3 |
步骤二：根据步骤一获取的沥青砂浆的沥青膜厚度及最大公称粒径信息确定半圆弯曲加载的温度、加载速率及样品尺寸；
进一步的，所述步骤二中，根据步骤一中获取的沥青砂浆的沥青膜厚度及最大公称粒径数据确定半圆弯曲加载的温度、加载速率及样品尺寸的方法如下：
1)当沥青砂浆的沥青膜厚度小于或等于11μm时，半圆弯曲加载的温度为-10±0.2℃，加载速率为3±0.3mm/min；当沥青砂浆的沥青膜厚度大于11μm时，半圆弯曲加载的温度为-10±0.2℃，加载速率为30±0.5mm/min。
2)当沥青砂浆的最大公称粒径为2.36mm时，半圆试件的尺寸为直径100±0.5mm，厚度20±0.5mm；当沥青砂浆的最大公称粒径为4.75mm时，半圆试件的尺寸为直径100±0.5mm，厚度33±0.5mm。对于案例中的三种沥青砂浆，各项加载参数的匹配结果如表5所示。
表5沥青砂浆的半圆弯曲加载条件确定
步骤三：根据步骤二中获得的半圆弯曲测试的加载条件进行沥青砂浆低温断裂性能试验，绘制沥青砂浆的力-位移曲线；
a.样品制备：
其主要是根据表5中确定样本尺寸需要，利用旋转压实成型方法制备相应最大公称粒径的圆柱体砂浆试件。对于最大公称粒径为2.36mm的ECA-10沥青砂浆，试件尺寸高度为60±0.5mm，直径为100±0.5mm，然后通过切割等操作获取高度为20±0.5mm，直径为100±0.5mm的砂浆圆柱体试件；对于最大公称粒径为4.75mm的AC-13和SMA-13沥青砂浆，试件尺寸高度为90±0.5mm，直径为100±0.5mm，然后通过切割等操作获取高度为33±0.5mm，直径为100±0.5mm的砂浆圆柱体试件。切割过程需保证试件上下表面相互平行，每种样本共准备3个平行试件。
b.沥青砂浆低温断裂性能试验：
将试件放置于-10±0.2℃的低温箱中进行保温4h，使试件内部温度均匀，按照表5确定的加载速率通过万能试验机UTM-25对三种沥青砂浆进行半圆弯曲测试，并记录加载过程中的竖向力和竖向位移数据，加载终止条件为试件完全断裂破坏，最终绘制力-位移曲线，如图2所示。随着竖向位移的增加，外加竖向力先增加后下降。
进一步的，所述步骤四中，根据步骤三获得的力-位移曲线，读取共所有数据点所对应的位移和竖向力，通过公式
计算沥青砂浆低温条件下的断裂能指标Gf，单位为J，其中Dj为第j个数据点所对应的位移，单位为mm；Fj为第j个数据点所对应的竖向力，单位为kN，q为数据点个数。计算结果如表6所示。
表6沥青砂浆的低温断裂能指标
本发明通过简化沥青砂浆样本设计和制备流程，获取准确对应于沥青混合料的砂浆样本。充分考虑沥青砂浆样本的受力特点，采用万能试验机UTM-25，优化沥青砂浆材料的加载模式及加载条件，通过测试，记录并分析沥青砂浆样本在低温半圆弯曲测试模式下的力-位移曲线，计算断裂能指标。从表6可以看出，该测试方法对不同类型的沥青混合料所对应的沥青砂浆的低温断裂性能具有很好地区分度，且变异系数较低，均低于10％，说明该测试方法也具有较好的可重复性及可操作性。图2为实例1中三种不同沥青砂浆的力-位移曲线，深入分析该曲线，还可以进一步获取强度、刚度、断裂韧性等其他通用断裂指标。本发明弥补了现阶段沥青砂浆低温断裂性能室内评价测试方法的空白，扩展沥青砂浆室内测试范围，为沥青混合料低温性能多尺度表征及评价奠定基础。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (2)
1.一种基于半圆弯曲测试模式的沥青砂浆低温断裂性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据沥青混合料配合比设计参数，反算相应的沥青砂浆配合比设计参数，所述参数包括沥青膜厚度、沥青含量、最大公称粒径和级配；
其中，具体为：
1)当沥青混合料的最大公称粒径大于或等于13.2mm时，其所对应的沥青砂浆的最大公称粒径设置为4.75mm；当沥青混合料的最大公称粒径小于13.2mm时，其所对应的沥青砂浆的最大公称粒径设置为2.36mm；
2)获取沥青混合料级配曲线中筛孔为0.075mm，0.15mm，0.3mm，0.6mm，1.18mm，2.36mm及4.75mm所对应的级配通过百分率为P0.075，P0.15，P0.3，P0.6，P1.18，P2.36，P4.75，单位为％；对于最大公称粒径为2.36mm的沥青砂浆，4.75mm筛孔通过百分率
为100％，其余各档筛孔通过百分率
通过公式
计算，其中i＝0.075，0.15，0.3，0.6，1.18和2.36，单位为％；对于最大公称粒径为4.75mm的沥青砂浆，各档筛孔通过百分率
通过公式
计算，其中i＝0.075，0.15，0.3，0.6，1.18，2.36和4.75，单位为％；
3)沥青混合料的沥青膜厚度Tmixture通过公式
计算，其中Pbe为沥青混合料有效沥青含量，单位为％，沥青膜厚度Tmixture单位为mm；γb为沥青的等效密度，默认取值为1.033g/cm3；SA为沥青混合料中所有矿料的比表面积,单位为mm2/g，通过公式：
SA＝10×(0.41+0.0041P4.75+0.0082P2.36+0.0164P1.18+0.02877P0.6+0.0614P0.3+0.122P0.15+0.3277P0.075)
来计算；沥青砂浆的沥青膜厚度应和沥青混合料中的沥青膜厚度相等，单位为mm；
4)沥青砂浆的沥青含量Pm通过公式Pm＝Tmortar×γb×SAm来计算，其中Tmortar为沥青砂浆的沥青膜厚度，单位mm，沥青含量Pm单位为％；γb为沥青的等效密度，默认取值为1.033g/mm3；SAm为沥青砂浆中所有矿料的比表面积，通过公式
来计算，SAm的单位为mm2/g；
步骤二：根据步骤一获取的沥青砂浆的沥青膜厚度及最大公称粒径信息确定半圆弯曲加载的温度、加载速率及样品尺寸；
其中，具体为：
1)当沥青砂浆的沥青膜厚度小于或等于11μm时，半圆弯曲加载的温度为-10±0.2℃，加载速率为3±0.3mm/min；当沥青砂浆的沥青膜厚度大于11μm时，半圆弯曲加载的温度为-10±0.2℃，加载速率为30±0.5mm/min；
2)当沥青砂浆的最大公称粒径为2.36mm时，半圆试件的尺寸为直径100±0.5mm，厚度20±0.5mm；当沥青砂浆的最大公称粒径为4.75mm时，半圆试件的尺寸为直径100±0.5mm，厚度33±0.5mm；
步骤三：根据步骤二中获得的半圆弯曲测试的加载条件进行沥青砂浆低温断裂性能试验，绘制沥青砂浆的力-位移曲线；
步骤四：根据步骤三获得的力-位移曲线，计算沥青砂浆低温条件下的断裂能指标。
2.一种如权利要求1所述的一种基于半圆弯曲测试模式的沥青砂浆低温断裂性能测试方法，其特征在于，
所述步骤四中，根据步骤三获得的力-位移曲线，读取共q个数据点所对应的位移和竖向力，通过公式
计算沥青砂浆低温条件下的断裂能指标Gf，其中Dj为第j个数据点所对应的位移，mm；Fj为第j个数据点所对应的竖向力，kN。
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