CN114527024A - 一种基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法 - Google Patents

一种基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，可有效表征沥青路面在服役过程中的老化梯度行为，对沥青路面力学响应及设计提出指导。本发明的老化梯度原位表征方法包含如下步骤：（1）现场路面钻芯取样；（2）基于现场路面芯样切割获取不同层位的沥青混合料小块试件；（3）试件打磨及抛光：利用砂纸对沥青混合料小块试件进行打磨，并利用金刚石及抛光机对样品进行表面平整化处理，以满足纳米压痕测试需要；（4）通过纳米压痕试验机测试不同层位沥青混合料小块的弹性模量，绘制弹性模量与深度的梯度曲线，进而计算路面的老化系数，由此精准评价路面的原位老化梯度行为，从而为路面力学响应及路面病害分析提供参考。

Description

一种基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法
技术领域
本发明涉及沥青混合料材料领域，具体涉及一种基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法。
背景技术
老化及其引起的沥青路面性能劣化在路面内部的分布存在不均匀性，即沥青路面结构性能在厚度方向呈现梯度变化，若不能精确表征这种老化行为的不均匀性并分析其对路面性能的影响，则无法实现最优的养护时机选择、养护措施决策以及准确的路面寿命预测。例如在设计阶段，目前我国的沥青路面设计规范对沥青混合料的老化梯度未作详细的规定，在路面设计中也未考虑老化梯度对道路设计寿命的影响，这是大多数道路工程实际寿命远小于设计寿命的重要原因之一。又如在沥青路面的养护维修中，常常需要对老化沥青路面表层进行铣刨，若不能确定沥青面层中老化及其产生的性能劣化的分布情况，则可能过度铣刨或铣刨不足，影响工程效益。此外，在常规沥青路面寿命及破坏形式预测中，一般认为沥青路面开裂的主要形式应为bottom-up(由下至上)形式，即面层底部在反复弯拉作用下达到疲劳极限出现裂纹，进而反射到路表，但是在实际调查中发现越来越多的破坏形式为top-down(由上至下)开裂。出现这种情况的主要原因除了在轮胎底部和边缘、路表以下一定深度存在较大的剪切应力/应变，另一个受到学界认可的原因就在于路面表层往往老化硬化严重，松弛能力下降导致其脆性增强，两者相结合就会导致top-down形式的裂缝出现。相关研究也证明了这一点，即表层的破坏密度远远高于底层。由此可见老化在路面厚度中的分布在沥青混合料破坏及寿命预测中极为重要。
然而，目前针对老化梯度的研究受限于现有的宏观试验。一是有技术人员在获取长期服役后的现场试件后，通过抽提的方法分层回收不同深度上的沥青，开展相关试验，获得老化梯度分布规律。这种将沥青从混合料中单独提取出来进行测试，破坏了沥青混合料的整体性，属于有损检测。其次，老化沥青的部分组分在抽提、回收过程中可能难以被萃取完全，同时这种方法引入的溶剂对沥青的微观结构和组分也会产生无法预估的影响，尤其是对于目前广泛使用的聚合物改性沥青，抽提过程导致的聚合物性质的变化是不可逆的。此外这种切片抽提方式受限于沥青抽提量的要求，一般是将5厘米左右的混合料近似为一层，导致测得的性能数据过少，无法很好刻画表层连续变化的老化梯度。二是采用全局老化模型预估实际沥青混凝土路面结构在不同老化时间、温度下，不同深度处的材料参数。当前广泛采用的是M.W.Mirza和M.W.Witczak基于大量试验路的现场测试数据，考虑温度、老化时间等因素通过回归分析方法，建立的沥青路面全局老化模型。但该方法中的计算参数，如粘度，是通过预测公式计算得到，并不能真实反映一定服役期后沥青混凝土内部不同深度上的沥青实际状态。
因此，用现有宏观试验手段难以实现对沥青混合料老化梯度行为的精细化表征，提出利用纳米压痕来原位表征老化梯度的技术手段。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上技术问题的不足而提供一种基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，可以更精准的表征沥青混合料老化后的梯度行为，从而为路面力学响应及路面病害分析提供参考。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，包括以下步骤：
(1)路面钻芯取样；
(2)基于现场路面芯样切割获取不同层位的沥青混合料小块试件；
(3)试件打磨及抛光：利用砂纸对沥青混合料小块试件进行打磨，并对样品进行表面平整化处理，以满足纳米压痕测试需要；
(4)通过纳米压痕机测试不同层位沥青混合料小块的弹性模量，绘制弹性模量与深度的梯度曲线，通过路面平均老化系数反应实际路面老化梯度，实现沥青路面原位老化梯度的表征，路面平均老化系数C的计算公式为：
Figure BDA0003494760570000021
每层的老化系数Ci为
Figure BDA0003494760570000022
其中，i为层数，Ei是对应的每层纳米压痕模量值，E0是所测路面的上面层最底层的模量值。
进一步的，所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，步骤(1)中通过钻孔取芯机在目标路面上钻取沥青混合料芯样。
进一步的，所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，步骤(1)中，所述路面的上面层由玄武岩集料，石灰岩矿粉和SBS改性沥青按照SMA-13级配混合铺筑而成。
进一步的，所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，步骤(3)中利用金刚石及抛光机对样品进行表面平整化处理。
进一步的，所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，步骤(2)中的沥青混合料小块试件采用1850瓦切割机对获取的钻芯样按照厘米分层切割得到。
进一步的，所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，步骤(3)中对沥青混合料小块试件进行打磨前，先将沥青混合料小块试件固化。
进一步的，所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，步骤(3)中试件打磨及抛光由不同目数的金相砂纸和抛光布对试件依次打磨。
进一步的，所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，步骤(4)中实现沥青路面原位老化梯度的表征是对不同层位的沥青混合料试件分别选取合适的胶浆相区域进行多个测点的测量，获取每个试件的多个测点的弹性模量值，将模量取均值后按深度绘制于同一坐标系中得到老化梯度曲线图。
更进一步的，所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，其特征在于，将沥青混合料小块试件固化的过程为将环氧树脂AB胶按照比例混合并搅拌至清澈，与得到的沥青混合料小块一同浇筑在模具中，等环氧树脂固化后脱模得到树脂试样。
有益效果
与现有技术相比，本发明利用纳米压痕技术直接对沥青混合料试件进行试验，不需经过抽提等处理，是一种原位无损测试技术，能在不破坏沥青混合料整体性的情况下，直接测量沥青胶浆的力学性能，能更准确地反映沥青混合料中沥青相的老化行为。其次，纳米压痕测得的结果为材料的模量力学指标，而非车辙深度、弯拉应变等间接指标，能更直观地反映材料本身的力学性质，可以为有限元或离散元等软件进行模拟提供更有效直观的参数。此外，通过计算路面的老化系数，是一种可行的路面老化梯度行为的一种原位表征方法。因此通过本发明方法可以准确地反映实际路面中不同服役年限的原位老化梯度，采用本发明提供的方法评价的老化梯度行为更加可靠，进而为路面力学响应及路面病害分析提供参考。
附图说明
图1a为本发明实施例中从路面钻芯样中切取长条，并按厘米切割得到不同层位的沥青混合料小块试件的示意图；
图1b为显微镜下纳米压痕试样的纳米压痕测点分布图。
图2为实施例中沥青混合料胶浆相的老化模量梯度曲线图；其中a为2010年修建的上面层为SMA的公路上取出的芯样得到的老化模量梯度拟合曲线图，b为2003年修建的上面层为SMA的公路上取出的芯样得到的老化模量梯度拟合曲线图。
图3为沥青路面剖面图，即每层模量对应路面的位置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例和附图进行进一步的阐述。
本发明中的纳米压痕是一种微观力学性能测试技术，其原理是在高清显微镜下，通过纳米尺寸的金刚石压头触探试样表面，记录压头压入样品过程中的荷载—深度曲线，随后使用奥利弗-法尔力学模型等拟合分析试验曲线，即能准确得出各相材料的微观力学指标：杨氏模量等，实现微观角度下力学性能的测试。借助纳米压痕试验仪中的高清显微镜，探针可以实现对复合材料内部各相材料的力学性能测试，从而区分出试样中胶浆相材料，实现对不同层位沥青混合料胶浆相的原位老化梯度的精准表征。
实施例
本实施例提出一种基于纳米压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，包括以下步骤：
(1)路面钻芯取样：在由面层为玄武岩集料，石灰岩矿粉和SBS改性沥青按照SMA-13级配混合铺筑而成的服役了一定年限的沥青路面上钻取沥青混合料芯样。
(2)基于现场路面芯样切割获取不同层位的沥青混合料小块试件：利用1850瓦切割机将钻芯样沿中心切成边长为1.5厘米的竖直长条，然后从表面沿着垂直高度将长条依次向下切成边长为1.5cm，高度为1cm的小块，切成的沥青混合料小块包含均匀的胶浆相的试验区域(见图1a)。
(3)试件打磨及抛光：首先制备沥青混合料小块树脂试样，将环氧树脂AB胶按照比例混合并搅拌至清澈，与得到的不用层位的沥青混合料小块一同浇筑在直径2-3cm，厚度约为1cm的圆柱形的模具中，不同层位的沥青混合料试块分开浇筑。等环氧树脂固化后脱模得到树脂试样。利用金相打磨机配合150、400、800、1200、2000目的砂纸对试样在冷水条件下进行打磨平整，最后使用抛光布对测试面进行磨光处理。每种目数的砂纸和抛光布打磨时间为2min。
试件清洗：将处理好的纳米压痕试件用超声波清洗仪清洗试样，晾干后密封保存。纳米压痕试件在进行纳米压痕试验前72小时内制备好。
(4)通过纳米压痕试验机测试不同层位沥青混合料小块的弹性模量，绘制弹性模量与深度的梯度曲线，建立沥青路面原位老化梯度分布：选取上表面层的4cm厚的4个沥青混合料小块试件进行试验。将纳米压痕试件固定在试验台上进行纳米压痕试验，利用纳米压痕仪的高倍显微镜选择清晰的区域进行纳米压痕试验，测点排列布局为3×4共计12个测点(图1b)，测点间距为50μm，所选的试验区域能包括所有的测点在内。进行纳米压痕试验时，其中最大荷载为0.3mN，加载和卸载时间分别为10s，饱载时间为200s。最后得到不同层位的纳米压痕模量值，将12个测点分别取平均值，将每层模量均值和深度进行拟合得到梯度模量曲线的函数关系式，从而实现沥青混合料老化梯度的精确表征。
图2(a)(b)分别为2010年和2003年修建的上面层为SMA的公路上取出的芯样得到的老化梯度曲线图，纵坐标为纳米压痕模量，单位是GPa。横坐标为距离路表的深度，单位是cm。每层12个测点的误差棒如图2中所示，误差棒的计算公式为：
Figure BDA0003494760570000051
其中，μ是12个测点的平均值，xi是每个测点的模量值，σ是误差值。
图3为沥青路面剖面图，即每层模量对应路面的位置。
2010年平均模量值见表1。误差值满足误差范围，取平均值可靠。
表1 2010年模量值
Figure BDA0003494760570000052
老化系数的计算：根据路面平均老化系数C的计算公式进行计算：
Figure BDA0003494760570000053
每层的老化系数Ci为
Figure BDA0003494760570000054
其中，i为层数，Ei是对应的每层纳米压痕模量值，E0是所测路面的上面层最底层的模量值。
得到2003年和2010年的平均老化系数值分别为：C2003＝3.352，C2010＝2.276。路龄越长，对应的老化系数越大，老化梯度变化率越大，老化梯度越明显。老化系数的大小反映了不同服役年限路面老化梯度变化快慢。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）路面钻芯取样；
（2）基于现场路面芯样切割获取不同层位的沥青混合料小块试件；
（3）试件打磨及抛光：利用砂纸对沥青混合料小块试件进行打磨，并对样品进行表面平整化处理，以满足纳米压痕测试需要；
（4）通过纳米压痕机测试不同层位沥青混合料小块的弹性模量，绘制弹性模量与深度的梯度曲线，通过路面平均老化系数反应实际路面老化梯度，实现沥青路面原位老化梯度的表征，路面平均老化系数C的计算公式为：
Figure 415692DEST_PATH_IMAGE002
每层的老化系数
Figure 974553DEST_PATH_IMAGE004
为
Figure 900921DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 334494DEST_PATH_IMAGE008
为层数，
Figure 659482DEST_PATH_IMAGE010
是对应的每层纳米压痕模量值，
Figure 384041DEST_PATH_IMAGE012
是所测路面的上面层最底层的模量值。
2.根据权利要求1所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，其特征在于，步骤（1）中通过钻孔取芯机在目标路面上钻取沥青混合料芯样。
3.根据权利要求1所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，其特征在于，步骤（1）中，所述路面的上面层由玄武岩集料，石灰岩矿粉和SBS改性沥青按照SMA-13级配混合铺筑而成。
4.根据权利要求1所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，其特征在于，步骤（3）中利用金刚石及抛光机对样品进行表面平整化处理。
5.根据权利要求1所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，其特征在于，步骤（2）中的沥青混合料小块试件采用1850瓦切割机对获取的钻芯样按照厘米分层切割得到。
6.根据权利要求1所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，其特征在于，步骤（3）中对沥青混合料小块试件进行打磨前，先将沥青混合料小块试件固化。
7.根据权利要求1所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，其特征在于，步骤（3）中试件打磨及抛光由不同目数的金相砂纸和抛光布对试件依次打磨。
8.根据权利要求1所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，其特征在于，步骤（4）中实现沥青路面原位老化梯度的表征是对不同层位的沥青混合料试件分别选取合适的胶浆相区域进行多个测点的测量，获取每个试件的多个测点的弹性模量值，将模量取均值后按深度绘制于同一坐标系中得到老化梯度曲线图。
9.根据权利要求6所述的基于压痕测试的沥青混合料老化梯度的原位表征方法，其特征在于，将沥青混合料小块试件固化的过程为将环氧树脂AB胶按照比例混合并搅拌至清澈，与得到的沥青混合料小块一同浇筑在模具中，等环氧树脂固化后脱模得到树脂试样。
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