CN114235890B - 一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法 - Google Patents

一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法 Download PDF

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Abstract

一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法，本发明涉及道路沥青性能检测领域，具体涉及一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法。本发明是为了解决现有沥青时温敏感性评价方法精度低，人工操作准确性差的问题。对老化前后道路沥青材料进行离散温度扫描试验，利用单循环下总耗散能与复数剪切模量、加载应力和相位角的关系，获得总耗散能随温度变化曲线，并进行非线性拟合获得耗散能变化率，以耗散能变化率评价沥青温度敏感性；将两者做除法获得温度敏感性比，以温度敏感性比评价服役时间延长后温度敏感性衰变速率，两者数值越小，沥青的时温敏感性越低。本发明用于评价沥青时温敏感性。

Description

一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法
技术领域
本发明涉及道路沥青性能检测领域，具体涉及一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法。
背景技术
沥青混合料由集料、沥青和空隙组成。虽然骨料本质上被认为是简单的弹性材料，但沥青相在多变车辆荷载作用下表现出复杂的流变特性，即黏弹性；具体表现为，沥青材料的力学性质(模量、相位角等)会随着温度和加载频率(加载时间)的变化而不同程度的变化，因而沥青是典型的时间温度敏感性材料。为了提高路面的稳定性、耐久性和抗损伤性，对沥青材料的研究一直是道路工业研究的热点。其中对于沥青材料的时温敏感性的分析更是重中之重。
沥青材料是一种典型的黏弹性材料。在线性粘弹性域内，高聚物具有简单的热流变特性，其应力-应变本构关系通常用积分的形式表示。具体表现为在低温/高频下，沥青材料模量会升高，而在高温/低频情况下会降低。对时间和温度敏感的沥青或者改性沥青材料，这一现象会更为明显，具体表现为沥青路面在低温下容易出现裂缝，在高温下容易出现车辙。因而在将具体的道路沥青材料应用于实际公路建设之前，利用一种简单、快速、灵敏且有代表性的试验方法对其时温敏感特性进行定量评价是很有必要的。然而，以往对于温度敏感性的评价主要依赖于针入度指数(PI)，而针入度试验较为粗糙，受试验操作和实验员影响较大，已经被广为诟病。
发明内容
本发明是为了解决现有沥青时温敏感性评价方法精度低，人工操作准确性差的问题，现提供一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法。
本发明一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法包括以下步骤：
步骤一、试验预处理：①确定沥青样品，利用旋转薄膜烘箱制取短期老化样品；②以浇筑的方式分别制取老化前沥青薄片试样和老化后沥青薄片试样；③分别对老化前沥青薄片试样和老化后沥青薄片试样进行PG高温分级试验，获得临界温度数据；④以获得的临界温度数据分别进行正弦波振荡剪切加载实验，加载频率选取10rad/s，进行若干次加载，以车辙因子G*/sinδ作为分析对象获取令试件状态稳定的最低预加载次数n；
步骤二、分别对老化前沥青薄片试样和老化后沥青薄片试样进行离散温度扫描试验，获得单循环下总耗散能，绘制正弦曲线荷载单循环下总耗散能随温度的变化曲线，利用指数函数对该曲线进行非线性拟合，获得耗散能变化率，将老化前沥青薄片试样的耗散能变化率记为k1和老化后沥青薄片试样的耗散能变化率记为kage，以耗散能变化率评价沥青温度敏感性；将两者做除法获得温度敏感性比Ratio＝kage/k1，以温度敏感性比评价服役时间延长后温度敏感性衰变速率，两者数值越小，沥青的时温敏感性越低。
有益效果：
本发明利用流变学分析方法，提出了以耗散能随温度的变化速率作为定量评价指标来评价沥青时温敏感性的方法；利用单循环下总耗散能与复数剪切模量、加载应力和相位角的关系，得到总耗散能随着试验温度的变化率和变化率比，来评价沥青初始状态与短期老化后对温度的敏感程度。本发明提出的时温敏感性评价指标对沥青的老化灵敏度高、可适用性强。
附图说明
图1为实施例一试件状态稳定的最低预加载次数确定示意图；其中1为试件达到稳定状态的加载曲线，其中2为试件未达到稳定状态的加载曲线；
图2为沥青老花前后总耗散能变化与非线性拟合结果图；其中1为老化前，2为老化后。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法包括以下步骤：
步骤一、试验预处理：①确定沥青样品，利用旋转薄膜烘箱制取短期老化样品；②以浇筑的方式分别制取老化前沥青薄片试样和老化后沥青薄片试样；③分别对老化前沥青薄片试样和老化后沥青薄片试样进行PG高温分级试验，获得临界温度数据；④以获得的临界温度数据分别进行正弦波振荡剪切加载实验，加载频率选取10rad/s，进行若干次加载，以车辙因子G*/sinδ作为分析对象获取令试件状态稳定的最低预加载次数n；
步骤二、分别对老化前沥青薄片试样和老化后沥青薄片试样进行离散温度扫描试验，获得单循环下总耗散能，绘制正弦曲线荷载单循环下总耗散能随温度的变化曲线，利用指数函数对该曲线进行非线性拟合，获得耗散能变化率，将老化前沥青薄片试样的耗散能变化率记为k1和老化后沥青薄片试样的耗散能变化率记为kage，以耗散能变化率评价沥青温度敏感性；将两者做除法获得温度敏感性比Ratio＝kage/k1，以温度敏感性比评价服役时间延长后温度敏感性衰变速率，两者数值越小，沥青的时温敏感性越低。
本实施方式对试验配套设备要求低，无论是旋转薄膜烘箱(RTFO)还是动态剪切流变仪(DSR)均已在道路领域应用多年，仅需开发离散温度扫描试验便可获得沥青温度敏感性评价指标，有良好的经济性和可操作性。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一①所述短期老化样品是在温度为162.5～163.5℃、老化时间为75min～85min的条件下制备的。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一②所述老化前沥青薄片试样和老化后沥青薄片试样的尺寸标准：对于无颗粒效应沥青，试件尺寸采用Φ25mm×1mm；对于有颗粒效应沥青，试件尺寸采用Φ25mm×2mm。其他与具体实施方式一或二相同。
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：所述无颗粒效应沥青为基质沥青、SBS改性沥青或SBR改性沥青。其他与具体实施方式一至三之一相同。
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：所述有颗粒效应沥青为橡胶沥青或生物油改性橡胶沥青。其他与具体实施方式一至四之一相同。
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：步骤一③所述PG高温分级试验是在58℃～112℃之间每6℃选取的一个温度进行测试。其他与具体实施方式一至五之一相同。
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：步骤一④所述正弦波振荡剪切加载实验的最低加载次数为10次，当10次加载后仍达不到稳定状态，继续增加加载次数至出现稳定状态。其他与具体实施方式一至六之一相同。
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：步骤二所述离散温度扫描试验是在58℃～112℃之间每6℃选取不少于三个临界温度点，按照步骤一④所述正弦波振荡剪切加载实验进行，加载次数为n+1次，记录第n+1次加载次数下样品的复数剪切模量G*、相位角δ和最大加载应力τ0，并计算单循环下总耗散能Wi，计算公式如下：
Figure BDA0003417625890000031
其他与具体实施方式一至七之一相同。
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：步骤二所述离散温度扫描试验采用应变控制模式或应力控制模式。其他与具体实施方式一至八之一相同。
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：步骤二所述非线性拟合的表达式为：Wi＝exp(-k·T+b)，其中k表示耗散能变化率，T表示温度，b表示待定系数。其他与具体实施方式一至九之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
该实施例选择湿法橡胶沥青具体说明，是因为其不同于基质沥青或者其它改性沥青，在改性过程中更加复杂的物理、化学作用以及颗粒效应，以显示本发明的适用性。
步骤一、试验预处理：
选用掺量占沥青质量20％的湿法橡胶沥青(PG88)，制备测试样品并用来确定预加载次数。如图1所示，当达到稳定状态时，会出现明显的转折，且在后续的加载过程中车辙因子的数值趋向于不在变化，本实施例所采用的沥青样品的最低预加载次数为4次。
步骤二、开展离散温度扫描试验：
对选定的沥青样品进行离散温度扫描试验，为了更好的说明计算过程，实施例选取了最大应力同时变化的应变控制模式。其老化前后流变力学响应结果如表1所示。
表1实施例1计算结果
Figure BDA0003417625890000041
步骤三、利用非线性线性拟合方式获得温度敏感性指标：
将表1计算得到的总耗散能结果以变化图的形式绘制于图2，从图中可以看出，循环下的总耗散能是随着温度逐渐减小的。之后利用指数方程对散点图进行非线性拟合，从图中结果可以看出，老化前后的样品耗散能变化率k有显著性差异，老化前为0.0852，老化后为0.0742，计算得到的温度敏感性比Ratio为0.871，这说明本发明提出的温度敏感性评价指标对沥青的老化是敏感的，能够进一步评价温度敏感性在老化过程中的衰变程度，这可以说明指标的有效性。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例讨论耗散能变化率k和温度敏感性比Ratio在沥青种类不同时的代表性和有效性。选取了重交通70号沥青(AH70)、SBS改性沥青、SBR改性沥青以及生物油橡胶沥青进一步进行分析，计算结果如表2所示。从统计分析结果来看，三种指标在不同种类样品的评价上均有较好的变异性，这可以说明本发明提出的评价方法灵敏度高、可适用性强。
表2实施例2计算结果
样品名 k<sub>1</sub> k<sub>age</sub> Ratio
AH70 0.1284 0.1334 1.039
橡胶沥青 0.0852 0.0742 0.871
生物油橡胶沥青 0.0925 0.0806 0.872
SBS改性沥青 0.0819 - -
SBR改性沥青 0.0859 - -
平均值 0.0948 0.0961 0.9273
标准差 0.0192 0.0325 0.0967
变异系数 0.2024 0.3382 0.1043

Claims (9)

1.一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、试验预处理：①确定沥青样品，利用旋转薄膜烘箱制取短期老化样品；②以浇筑的方式分别制取老化前沥青薄片试样和老化后沥青薄片试样；③分别对老化前沥青薄片试样和老化后沥青薄片试样进行PG高温分级试验，获得临界温度数据；④以获得的临界温度数据分别进行正弦波振荡剪切加载实验，加载频率选取10rad/s，进行若干次加载，以车辙因子G*/sinδ作为分析对象获取令试件状态稳定的最低预加载次数n；
步骤二、分别对老化前沥青薄片试样和老化后沥青薄片试样进行离散温度扫描试验，离散温度扫描试验是在58℃～112℃之间每6℃选取不少于三个临界温度点，按照步骤一④所述正弦波振荡剪切加载实验进行，加载次数为n+1次，记录第n+1次加载次数下样品的复数剪切模量G*、相位角δ和最大加载应力τ0，并计算单循环下总耗散能Wi，计算公式如下：
Figure FDA0003925003160000011
绘制正弦曲线荷载单循环下总耗散能随温度的变化曲线，利用指数函数对该曲线进行非线性拟合，获得耗散能变化率，将老化前沥青薄片试样的耗散能变化率记为k1和老化后沥青薄片试样的耗散能变化率记为kage，以耗散能变化率评价沥青温度敏感性；将两者做除法获得温度敏感性比Ratio＝kage/k1，以温度敏感性比评价服役时间延长后温度敏感性衰变速率，两者数值越小，沥青的时温敏感性越低。
2.根据权利要求1所述一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法，其特征在于，步骤一①所述短期老化样品是在温度为162.5～163.5℃、老化时间为75min～85min的条件下制备的。
3.根据权利要求1所述一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法，其特征在于，步骤一②所述老化前沥青薄片试样和老化后沥青薄片试样的尺寸标准：对于无颗粒效应沥青，试件尺寸采用Φ25mm×1mm；对于有颗粒效应沥青，试件尺寸采用Φ25mm×2mm。
4.根据权利要求3所述一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法，其特征在于，所述无颗粒效应沥青为基质沥青、SBS改性沥青或SBR改性沥青。
5.根据权利要求3所述一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法，其特征在于，所述有颗粒效应沥青为橡胶沥青或生物油改性橡胶沥青。
6.根据权利要求1所述一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法，其特征在于，步骤一③所述PG高温分级试验是在58℃～112℃之间每6℃选取的一个温度进行测试。
7.根据权利要求1所述一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法，其特征在于，步骤一④所述正弦波振荡剪切加载实验的最低加载次数为10次，当10次加载后仍达不到稳定状态，继续增加加载次数至出现稳定状态。
8.根据权利要求1所述一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法，其特征在于，步骤二所述离散温度扫描试验采用应变控制模式或应力控制模式。
9.根据权利要求1所述一种基于耗散能变化的沥青时温敏感性测试与评价方法，其特征在于，步骤二所述非线性拟合的表达式为：Wi＝exp(-k·T+b)，其中k表示耗散能变化率，T表示温度，b表示待定系数。
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