CN114397241B - 考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法，具体为：选取大石切割成若干个长方体石块，对每个长方体石块进行切槽，得到切槽石块，计算其粗糙度；将切槽石块放入模具中，将溶解的沥青浇筑到切槽石块上方，形成组合试件，冷却，脱模，得到沥青‑酸性骨料组合试件；考虑沥青‑酸性骨料界面处水流作用影响，对沥青‑酸性骨料组合试件放入直剪仪中进行抗剪强度测定，根据若干个切槽石块的粗糙度建立不同粗糙度‑抗剪强度关系曲线；按酸性骨料形状选取特征酸性骨料；对特征酸性骨料进行3D扫描，获取特征骨料的粗糙度，通过不同粗糙度‑抗剪强度关系曲线，得到考虑水流作用的沥青与酸性骨料界面过渡区的抗剪强度。
Description
技术领域
本发明属于沥青混凝土性能测试技术领域，涉及考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法。
背景技术
沥青混凝土心墙坝为坝体中部设置沥青混凝土墙作为防渗体的土石坝。沥青混凝土有良好的防渗及适应变形的性能。当坝址附近缺乏天然防渗土料时，可以用沥青混凝土作为土石坝的防渗心墙，两侧坝壳可用各种透水、半透水的砂石料或堆石。
沥青混合料是一种多孔、离散、非匀质的材料，它是用具有一定粘度和适当用量的沥青材料与一定级配的矿料酸性骨料，经过充分拌和形成的混合物。黏附性是指沥青混合料中沥青与酸性骨料经过一系列的物理化学作用后的黏结程度。沥青与酸性骨料间黏附作用是形成沥青混合料结构的重要影响因素，直接关系到沥青混合料的结构强度、水稳性等主要性能。还未形成统一的多尺度沥青-酸性骨料粘结性能评价体系。
国内外对沥青-集料界面粘结性能的研究很是重视，但多为工程使用效果评价方法。尽管已有研究开始利用表面自由能理论、吸附理论、胶浆理论等解释沥青与集料界面的粘附行为，但是大多为定性分析结果。现行规范对于沥青-集料界面粘结性能评价指标主要是集料粘附性等级的评价，其方法为水煮法、水浸法。该方法人为主观因素大，不能有效评价沥青和集料的粘结性能。此外，沥青混凝土心墙坝有时也会发生渗漏，在渗流水的影响下，心墙沥青混凝土中沥青与酸性骨料界面过渡区的粘结性能更加复杂。然而，水流影响下沥青与酸性骨料界面过渡区粘结性能测试方法，目前研究较少。
发明内容
本发明的目的是提供考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法，能够有效预测沥青与酸性骨料界面过渡区的粘结性能。
本发明所采用的技术方案是，考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，选取与实际工程使用的骨料材质相同的大石切割成若干个长方体石块，对每个长方体石块进行切槽处理，得到切槽石块，并计算切槽石块的粗糙度；
步骤2，将步骤1得到的切槽石块放入钢制模具中，且切槽石块的切槽面朝上放置，将溶解的沥青浇筑到切槽石块上方，形成组合试件，室温冷却，脱模，得到沥青-酸性骨料组合试件；
步骤3，对步骤2得到的沥青-酸性骨料组合试件放入改装直剪仪中，在改装直剪仪通水流情况下进行抗剪强度测定，得到抗剪强度，根据步骤1得到的若干个切槽石块的粗糙度建立不同粗糙度-抗剪强度关系曲线；
步骤4，按酸性骨料形状选取特征酸性骨料；
步骤5，对步骤4的特征酸性骨料进行3D扫描，获取特征骨料的粗糙度，通过步骤3得到的不同粗糙度-抗剪强度关系曲线，得到考虑水流作用的沥青与酸性骨料界面过渡区的抗剪强度。
本发明的特征还在于，
步骤1的具体过程为：
步骤1.1，采用SCQ-B型自动切石机将大石切割为若干个100*100*50mm的长方体石块，选取每个长方体石块中一个100*100mm的面作为切槽面，在切槽面其中一组相对的边分别预留2mm的距离，作为预留面，在两个预留面之间采用角磨机进行切槽，切槽的深度为2mm，宽度为1.5mm，相邻切槽相互平行且间隔相等，若干个长方体石块上相邻切槽的间隔不相等，得到切槽石块；
步骤1.2，计算每个经步骤1.1得到的切槽石块的粗糙度，表达式为：
式(1)中，P1为切槽石块的粗糙度；S1为切槽石块的切槽后的切槽面的面积；S2为10000mm2，即未处理的石块的一个面的面积。
步骤2中，钢制模具的尺寸为100*100*100mm，沥青-酸性骨料组合试件的尺寸为100*100*100mm。
步骤3中，改装直剪仪的结构为：包括上剪切盒，上剪切盒的下方设置有下剪切盒，上剪切盒的顶部设置有垂直加压系统，上剪切盒的一个侧壁上设置有水平加载系统，下剪切盒底部设置有装置固定系统，上剪切盒与下剪切盒相互接触的一端内壁上均设置有凹槽，上剪切盒上的凹槽与下剪切盒上的凹槽构成水流通道，水流通道的一侧壁通过管路A与储水容器连通，水流通道的另一侧通过管路B与储水容器连通，管路A上沿水流流动方向依次设置有进水泵、流量计，管路B上设置有压力计，进水泵、流量计及压力计均与流量及压力控制系统连接，垂直加压系统和水平加载系统均与数据采集系统连接。
上剪切盒与下剪切盒的高度均为50mm。
步骤3中，测定时的环境温度为-10～10℃，水平加载系统的剪切速度为0.8mm/min，垂直加压系统的剪切速度为0.8mm/min，水流流量为0.005-0.2m3/s。
步骤4的具体过程为：
在料堆上选取特征酸性骨料，选取之前对选取部位的表层进行铲除，分别在料堆的顶部、中部和底部三个位置均匀的取多个骨料，所取酸性骨料的总体积为1m3，将骨料分为圆形、方形、圆锥形、扁平形四种形状，并确定圆形、方形、圆锥形、扁平形酸性骨料的占比分别为A％、B％、C％、D％，从所取酸性骨料中随机抽取圆形、方形、圆锥形、扁平形骨料各30个，组成特征酸性骨料。
步骤5的具体过程为：
步骤5.1，采用Riegl VZ-400三维激光扫描仪对特征骨料进行全方位三维激光扫描，获得特征酸性骨料表面的点云数据，采用VZ-400随机配置的Riscan Pro软件将激光扫描数据逐站导入，通过软件的矩形、多边经过点云裁切、噪声剔除后对点云数据进行拟合，获得特征酸性骨料最大投影的面积及特征骨料最大投影周长；
步骤5.2，计算每个特征酸性骨料的粗糙度，表达式为：
式(2)中，P2为特征酸性骨料的粗糙度；A为特征酸性骨料最大投影的面积；Preal为特征酸性骨料最大投影周长；
步骤5.3，根据步骤5.2得到的每个特征酸性骨料的粗糙度分别计算圆形、方形、圆锥形、扁平形特征酸性骨料的平均粗糙度，分别记为Pa、Pb、Pc、Pa；
步骤5.4，根据步骤5.3得到的圆形、方形、圆锥形、扁平形特征骨料的平均粗糙度计算最终的特征酸性骨料粗糙度，表达式为：
P3＝Pa×A％+Pb×B％+Pc×C％+Pd×D％ (3)
式(3)中，P3为最终的特征酸性骨料粗糙度；A％、B％、C％、D％分别为圆形、方形、圆锥形、扁平形四种形状的酸性骨料占比；Pa、Pb、Pc、Pb分别为圆形、方形、圆锥形、扁平形特征酸性骨料的平均粗糙度；
步骤5.5，将步骤5.4得到的最终的特征酸性骨料粗糙度通过步骤3得到的不同粗糙度-抗剪强度关系曲线，得到考虑水流作用的沥青与酸性骨料界面过渡区的抗剪强度。
本发明的有益效果是，
(1)本发明所获得的粗糙度-抗剪强度关系曲线适用于相同材质的所有酸性骨料，可实现对沥青-酸性骨料界面过渡区的粘结性能快速测试；
(2)本发明考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法，测试流程简单方便，结果易于实现，解决了以往心墙坝沥青混凝土取样困难、耗费巨大、耗时较长的问题，有效地促进实验室研究与应用；
(3)本发明考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法，考虑了水流流量、水压作用的影响，符合实际工程条件，得出的结果更加准确；
(4)本发明考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法，可在工程施工前对不同材质的酸性骨料与沥青之间的粘结性能进行测试，有利于指导新材料选用及性能评价，可以完善现有沥青混凝土性能评价体系；
(5)本发明考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法，其中混凝土酸性骨料形状、材质及沥青品种等均按照实际工程等效选取，且计算粗糙度时考虑酸性骨料取样部位、级配构成，以满足心墙坝内部沥青混凝土的实际性状，测试结果能够准确、直观的反映沥青混凝土心墙坝中沥青与酸性骨料界面过渡区粘结性能。
附图说明本
图1是本发明中切槽石块的示意图；
图2是本发明中沥青-酸性骨料组合试件的结构示意图；
图3是本发明中3D扫描获得的特征酸性骨料示意图；
图4是本发明中特征酸性骨料最大投影示意图；
图5是本发明中直剪仪的结构示意图；
图6是本发明中直剪仪的剖视图；
图7是本发明中不同粗糙度-抗剪强度关系曲线图；
图8是本发明实施例中不同粗糙度-抗剪强度关系曲线图。
图中，1.切槽，2.切槽石块，3.沥青，4.温度控制系统，5.装置固定系统，6.上剪切盒，7.下剪切盒，8.垂直加压系统，9.水平加载系统，10.数据采集系统，11.水流通道，12.沥青-酸性骨料组合试件，13.流量计，14.压力计，15.流量及压力控制系统，16.进水泵，17.储水容器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，选取与实际工程使用的骨料材质相同的大石切割成若干个长方体石块，对每个长方体石块进行切槽处理，得到切槽石块，并计算切槽石块的粗糙度；
步骤1.1，采用SCQ-B型自动切石机将大石切割为若干个100*100*50mm的长方体石块，选取每个长方体石块中一个100*100mm的面作为切槽面，在切槽面其中一组相对的边分别预留2mm的距离，作为预留面，在两个预留面之间采用角磨机进行切槽，如图1所示，切槽1的深度为2mm，宽度为1.5mm，相邻切槽1相互平行且间隔相等，若干个长方体石块上相邻切槽1的间隔不相等，得到如图1所示的切槽石块；
步骤1.2，计算每个经步骤1.1切槽石块的粗糙度，表达式为：
式(1)中，P1为切槽石块的粗糙度；S1为切槽石块的切槽后的切槽面的面积；S2为10000mm2，即未处理的石块的一个面的面积；
步骤2，将步骤1切槽后长方体石块2放入尺寸为100*100*100mm的钢制模具中，切槽面朝上放置，将溶解的沥青3浇筑到切槽石块上方，形成100*100*100mm的组合试件，室温放置24h，待沥青3完全冷却后，脱模，如图2所示，得到尺寸为100*100*100mm的沥青-酸性骨料组合试件；
步骤3，对步骤2得到的沥青-酸性骨料组合试件放入改装直剪仪中，在改装直剪仪通水流情况下进行抗剪强度测定，得到抗剪强度，根据步骤1得到的若干个切槽石块的粗糙度建立不同粗糙度-抗剪强度关系曲线，如图7所示；
直剪仪采用四川德翔科创仪器有限公司生产的STY-1000低温直剪仪，结构包括上剪切盒6，上剪切盒6的下方设置有下剪切盒7，上剪切盒6的顶部设置有垂直加压系统8，上剪切盒6的一个侧壁上设置有水平加载系统9，下剪切盒7底部设置有装置固定系统5，垂直加压系统8和水平加载系统9均与数据采集系统10连接，上剪切盒6与下剪切盒7的高度均为50mm；如图5和图6所示，本发明在上述结构基础上进行改进，具体为：上剪切盒6与下剪切盒7相互接触的一端内壁上均设置有凹槽，上剪切盒6上的凹槽与下剪切盒7上的凹槽构成水流通道11，水流通道11的一侧壁通过管路A与储水容器17连通，水流通道11的另一侧通过管路B与储水容器17连通，管路A上沿水流流动方向依次设置有进水泵16、流量计13，管路B上设置有压力计14，进水泵16、流量计13及压力计14均与流量及压力控制系统15连接，用以模拟水流作用；
测定时的环境温度为-10～10℃，水平加载系统9的剪切速度为0.8mm/min，垂直加压系统8的剪切速度为0.8mm/min，水流流量为0.005-0.2m3/s；
步骤4，按酸性骨料形状选取特征酸性骨料
具体为：在料堆上选取特征酸性骨料，选取之前对选取部位的表层进行铲除，分别在料堆的顶部、中部和底部三个位置均匀的取多个骨料，所取酸性骨料的总体积为1m3，将骨料分为圆形、方形、圆锥形、扁平形四种形状，并确定圆形、方形、圆锥形、扁平形酸性骨料的占比分别为A％、B％、C％、D％，从所取酸性骨料中随机抽取圆形、方形、圆锥形、扁平形骨料各30个，组成特征酸性骨料；
步骤5，对步骤4的特征酸性骨料进行3D扫描，获取特征骨料的粗糙度，通过步骤3得到的不同粗糙度-抗剪强度关系曲线，得到考虑水流作用的沥青与酸性骨料界面过渡区的抗剪强度；
步骤5.1，如图3所示，采用Riegl VZ-400三维激光扫描仪对特征酸性骨料进行全方位三维激光扫描，获得特征酸性骨料表面的点云数据，采用VZ-400随机配置的RiscanPro软件将激光扫描数据逐站导入，通过软件的矩形、多边经过点云裁切、噪声剔除后对点云数据进行拟合，获得特征酸性骨料最大投影的面积及特征骨料最大投影周长，如图4所示；
步骤5.2，计算每个特征酸性骨料的粗糙度，表达式为：
式(2)中，P2为特征酸性骨料的粗糙度；A为特征酸性骨料最大投影的面积；Preal为特征酸性骨料最大投影周长；
根据公式(2)可知，粗糙度越接近1，说明颗粒越接近球，此时颗粒无粗糙度，这种表征方法原理简单，测量方便；
步骤5.3，根据步骤5.2得到的每个特征酸性骨料的粗糙度分别计算圆形、方形、圆锥形、扁平形特征酸性骨料的平均粗糙度，分别记为Pa、Pb、Pc、Pd；
步骤5.4，根据步骤5.3得到的圆形、方形、圆锥形、扁平形特征骨料的平均粗糙度计算最终的特征酸性骨料粗糙度，表达式为：
P3＝Pa×A％+Pb×B％+Pc×C％+Pd×D％ (3)
式(3)中，P3为最终的特征酸性骨料粗糙度；A％、B％、C％、D％分别为圆形、方形、圆锥形、扁平形四种形状的酸性骨料占比；Pa、Pb、Pc、Pd分别为圆形、方形、圆锥形、扁平形特征酸性骨料的平均粗糙度；
步骤5.5，将步骤5.4得到的最终的特征酸性骨料粗糙度通过步骤3得到的不同粗糙度-抗剪强度关系曲线，得到考虑水流作用的沥青与酸性骨料界面过渡区的抗剪强度。
实施例
陕西某地区沥青混凝土心墙坝采用为酸性骨料花岗岩碎石，沥青采用克拉玛依70号A级沥青；
制作8个尺寸为100*100*50mm的切槽石块，切槽石块的粗糙度分别为1.02、1.04、1.06、1.08、1.10、1.12、1.14、1.16；
将切槽后长方体石块放入100*100*100mm的钢制模具中，切槽面朝上，将溶解的沥青浇筑到切槽石块上方，形成100*100*100mm的组合试件，在室温条件下放置24h，待沥青完全冷却后，脱模获得8个沥青-酸性骨料组合试件；
将8个沥青-酸性骨料组合试件分别放入直剪仪，进行剪切试验，测定在环境温度-10～10℃的条件下，将直剪仪中加载系统的剪切速度设置为0.8mm/min，在进行直剪试验时，沥青与酸性骨料界面处有水流通过，通过实测该工程渗流流量为0.006m3/s，随着加载后得到沥青与石块界面的剪应力-应变曲线，通过剪应力-应变曲线得到沥青与切槽石块界面的抗剪强度，由此可以得到不同粗糙度-抗剪强度关系曲线，如图8所示。
通过统计，圆形、方形、圆锥形、扁平形四种形状的特征骨料的占比分别为45％、26％、18％、11％，通过每种形状30个特征骨料的进行扫描，得到圆形、方形、圆锥形、扁平形特征骨料的平均粗糙度为1.05、1.05、1.07、1.10。通过式(3)计算最终的特征酸性骨料粗糙度为1.0612。
将最终的特征酸性骨料粗糙度为1.0612代入到图8曲线中，由此可得沥青与骨料界面过渡区的平均粘结性能为0.28Mpa。
Claims (6)
1.考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，选取与实际工程使用的骨料材质相同的大石切割成若干个长方体石块，对每个长方体石块进行切槽处理，得到切槽石块，并计算切槽石块的粗糙度；
步骤2，将步骤1得到的切槽石块放入钢制模具中，且切槽石块的切槽面朝上放置，将溶解的沥青浇筑到切槽石块上方，形成组合试件，室温冷却，脱模，得到沥青-酸性骨料组合试件；
步骤3，对步骤2得到的沥青-酸性骨料组合试件放入改装直剪仪中，在改装直剪仪通水流情况下进行抗剪强度测定，得到抗剪强度，根据步骤1得到的若干个切槽石块的粗糙度建立不同粗糙度-抗剪强度关系曲线；
步骤3中，改装直剪仪的结构为：包括上剪切盒(6)，所述上剪切盒(6)的下方设置有下剪切盒(7)，所述上剪切盒(6)的顶部设置有垂直加压系统(8)，所述上剪切盒(6)的一个侧壁上设置有水平加载系统(9)，所述下剪切盒(7)底部设置有装置固定系统(5)，所述上剪切盒(6)与下剪切盒(7)相互接触的一端内壁上均设置有凹槽，上剪切盒(6)上的凹槽与下剪切盒(7)上的凹槽构成水流通道(11)，所述水流通道(11)的一侧壁通过管路A与储水容器(17)连通，所述水流通道(11)的另一侧通过管路B与储水容器(17)连通，所述管路A上沿水流流动方向依次设置有进水泵(16)、流量计(13)，所述管路B上设置有压力计(14)，所述进水泵(16)、流量计(13)及压力计(14)均与流量及压力控制系统(15)连接，所述垂直加压系统(8)和水平加载系统(9)均与数据采集系统(10)连接；
步骤4，按酸性骨料形状选取特征酸性骨料；
步骤5，对步骤4的特征酸性骨料进行3D扫描，获取特征骨料的粗糙度，通过步骤3得到的不同粗糙度-抗剪强度关系曲线，得到沥青与酸性骨料界面过渡区的抗剪强度；
步骤5的具体过程为：
步骤5.1，采用Riegl VZ-400三维激光扫描仪对特征酸性骨料进行全方位三维激光扫描，获得特征酸性骨料表面的点云数据，采用VZ-400随机配置的Riscan Pro软件将激光扫描数据逐站导入，通过软件的矩形、多边经过点云裁切、噪声剔除后对点云数据进行拟合，获得特征酸性骨料最大投影的面积及特征骨料最大投影周长；
步骤5.2，计算每个特征酸性骨料的粗糙度，表达式为：
式(2)中，P2为特征酸性骨料的粗糙度；A为特征酸性骨料最大投影的面积；Preal为特征酸性骨料最大投影周长；
步骤5.3，根据步骤5.2得到的每个特征酸性骨料的粗糙度分别计算圆形、方形、圆锥形、扁平形特征酸性骨料的平均粗糙度，分别记为Pa、Pb、Pc、Pd；
步骤5.4，根据步骤5.3得到的圆形、方形、圆锥形、扁平形特征骨料的平均粗糙度计算最终的特征酸性骨料粗糙度，表达式为：
P3＝Pa×A％+Pb×B％+Pc×C％+Pd×D％ (3)
式(3)中，P3为最终的特征酸性骨料粗糙度；A％、B％、C％、D％分别为圆形、方形、圆锥形、扁平形四种形状的酸性骨料占比；Pa、Pb、Pc、Pd分别为圆形、方形、圆锥形、扁平形特征酸性骨料的平均粗糙度；
步骤5.5，将步骤5.4得到的最终的特征酸性骨料粗糙度通过步骤3得到的不同粗糙度-抗剪强度关系曲线，得到考虑水流作用的沥青与酸性骨料界面过渡区的抗剪强度。
2.根据权利要求1所述的考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法，其特征在于，步骤1的具体过程为：
步骤1.1，采用SCQ-B型自动切石机将大石切割为若干个100*100*50mm的长方体石块，选取每个长方体石块中一个100*100mm的面作为切槽面，在切槽面其中一组相对的边分别预留2mm的距离，作为预留面，在两个预留面之间采用角磨机进行切槽，切槽的深度为2mm，宽度为1.5mm，相邻切槽相互平行且间隔相等，若干个长方体石块上相邻切槽的间隔不相等，得到切槽石块；
步骤1.2，计算每个经步骤1.1得到的切槽石块的粗糙度，表达式为：
式(1)中，P1为切槽石块的粗糙度；S1为切槽石块的切槽后的切槽面的面积；S2为10000mm2，即未处理的石块的一个面的面积。
3.根据权利要求1所述的考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法，其特征在于，步骤2中，钢制模具的尺寸为100*100*100mm，沥青-酸性骨料组合试件的尺寸为100*100*100mm。
4.根据权利要求1所述的考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法，其特征在于，上剪切盒(6)与下剪切盒(7)的高度均为50mm。
5.根据权利要求1所述的考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法，其特征在于，步骤3中，测定时的环境温度为-10～10℃，水平加载系统(9)的剪切速度为0.8mm/min，垂直加压系统(8)的剪切速度为0.8mm/min，水流流量为0.005-0.2m3/s。
6.根据权利要求1所述的考虑水流作用的沥青与酸性骨料之间粘结性能测试方法，其特征在于，步骤4的具体过程为：
在料堆上选取特征酸性骨料，选取之前对选取部位的表层进行铲除，分别在料堆的顶部、中部和底部三个位置均匀的取多个骨料，所取酸性骨料的总体积为1m3，将骨料分为圆形、方形、圆锥形、扁平形四种形状，并确定圆形、方形、圆锥形、扁平形酸性骨料的占比分别为A％、B％、C％、D％，从所取酸性骨料中随机抽取圆形、方形、圆锥形、扁平形骨料各30个，组成特征酸性骨料。
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2022
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