CN114527065B - 一种基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法。制备路面加热型密封胶组合试件、进行热压冷拉循环模拟试验、进行基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能评价。本发明通过试验室内的热压冷拉循环模拟了路面裂缝修补结构在循环温度下受到的温度和力的双重作用，通过3次热压冷拉循环模拟了在使用初期3年内的循环温度作用对密封胶粘接性能的影响。基于耗散能提出的密封胶粘结性能评价指标综合考虑了多次循环温度作用对密封胶粘结性能的影响，可以合理、定量地判断路面加热型密封胶的粘结性能，弥补了现有规范评价方法的不足，解决了当前路面加热型密封胶试验规范中粘结性能评价方法与现场粘结性能相关性差的问题，具有良好的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明属于公路路面养护技术领域，具体涉及一种基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法。
背景技术
随着我国交通基础设施建设的不断完善，全国高等级公路网已经成型。公路发展的重心逐渐从建设阶段到了养护阶段。由于路面开裂是沥青路面结构的主要病害之一，因此路面裂缝修复是公路路面养护的重要组成部分。沥青路面裂缝的开槽修补是最常用且十分重要的公路路面养护技术之一。在路面裂缝发展初期，采用合适的裂缝修补料来修补路面裂缝，可以有效防止水和杂物进入路面结构，减少环境因素对道路内部结构的破坏。该技术在选择合适的裂缝修补材料的前提下，可以达到防止路面结构早期破坏和延长路面使用寿命的效果。在各种裂缝修复材料中，加热型密封胶是目前应用最广泛且效果优良的一种裂缝修补材料。
理想情况下，加热型密封胶应提供足够的附着力和粘聚力，以保持与路面结构的有效结合。但使用加热型密封胶进行路面裂缝的开槽灌缝修补时，发现加热型密封胶通常在使用初期的1-3年内便容易发生粘结失效(主要是低温粘结失效)，远远没有达到其设计使用寿命。由于季节温度和日温度变化，裂缝修复结构会受到周期性温度变化的影响。在此影响下，高温会使得密封胶两侧的路面结构对其产生挤压力，低温会使得密封胶两侧的路面结构对其产生拉力。这种温度和力的双重作用无疑会对密封胶的粘结性能产生严重的损害。而在现行《路面加热型密封胶》(JT/T 740-2015)规范中，没有试验实现了对这一情况的模拟，粘结试验只是模拟低温下的拉伸过程。
同时，现行《路面加热型密封胶》(JT/T 740-2015)规范中，对路面加热型密封胶粘结性能的评价方法存在不足之处。现行规范中的粘接试验方法(低温拉伸试验)只能给出“合格”和“不合格”的判定型结果。而不能用具体的数值定量地评价不同密封胶的粘结性能的大小。这使得试验室得到的评价结果和现场使用性能之间的相关性很差。
发明内容
针对路面加热型密封胶在路面裂缝修复中遇到的问题和现行规范中粘结性能评价方法的不足，本发明提出一种基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法，通过该方法可以模拟循环温度变化对密封胶粘结性能的影响，基于耗散能提出的密封胶粘结性能评价指标综合考虑了多次循环温度作用对密封胶粘结性能的影响，可以定量评价密封胶在高低温循环作用下粘结性能的大小，解决了当前路面加热型密封胶试验规范中粘结性能评价方法与现场粘结性能相关性差的问题和无法具体比较不同密封胶粘结性能大小的问题。
为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案：
一种基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能评价方法，包括以下步骤：
步骤1、制备路面加热型密封胶组合试件；
步骤2、热压冷拉循环模拟试验，模拟在实际使用初期N年内的循环温度作用对密封胶粘接性能的影响，其中，N为1,2或3；
步骤3、基于耗散能的密封胶粘结性能评价方法，具体包括如下步骤：
步骤31、计算包络面积ω：绘制N个热压冷拉循环的冷拉过程荷载-变形曲线，计算每条曲线与X轴之间所包络的面积ωi,其中，i≤N的自然数；
步骤32、计算每个循环下的耗散能，由下式计算得到每个循环下的耗散能EDi，计算公式为：
其中，ωi为第i个循环下荷载-变形曲线与X轴的包络面积，i为1,2或3；A为密封胶与混合料试块的接触面积；
步骤33、计算总耗散能EDsum，计算公式为：
EDsum＝ED1+ED2+ED3
其中，ED1为第1次循环的耗散能；ED2为第2次循环的耗散能；ED3为第3次循环的耗散能。
作为改进的是，步骤1、制备路面加热型密封胶组合试件，具体步骤如下：
步骤11、制备沥青混合料试块：对于标准的沥青混合料车辙试件进行切割，得到多个块状的沥青混合料试块；
步骤12、密封胶浇筑前的准备工作：采用3个垫块和2个块状沥青混合料试块围成一个5cm×5cm×1.5cm的凹槽空隙，并用4条橡胶带将沥青混合料试块和垫块固定住；
步骤13、制备得到密封胶组合试件：将加热好的密封胶浇筑到凹槽空隙中，将浇筑完的试件在23℃下冷却不少于6h，移除垫块，得到密封胶组合试件。
作为改进的是，步骤11中所以试块为级配为AC-13的沥青混合料试块，试块的长、宽、高尺寸分别为7cm×7cm×2cm。
作为改进的是，步骤2中热压冷拉循环模拟试验的具体步骤如下：
步骤21、高温保温
设定烘箱温度为高温温度TH，将密封胶组合试件在温度箱中保温不少于4h；
步骤22、热压处理
将完成高温保温的试件放入带有环境箱的万能试验机中，在高温温度TH下使用万能试验机对试件进行压缩，压缩速度为S1，将试件中的密封胶压缩至厚度H1，完成压缩过程；
步骤23、压缩量固定
在23℃下采用压缩定位器固定压缩后的组合试件，压缩定位器高度设置为H2，固定3h后将密封胶组合试件从压缩定位器中取出，解除压缩限制，完成一次热压处理；
步骤24、低温保温
根据密封胶在不同气候区的使用要求，设置环境箱的低温温度为TL，对完成压缩量固定的密封胶组合试件在低温TL下保温不少于4h；
步骤25、冷拉处理
将低温保温的试件放入带有环境箱的万能试验机中，低温温度设置为TL，使用万能试验机对试件进行拉伸，拉伸速度为S2，将试件中的密封胶拉伸至设计厚度H3，完成拉伸过程；
步骤26、拉伸量固定
在23℃下，将2个拉伸定位垫放置在组合试件中间空隙处固定拉伸后的试件，固定3h后拆除拉伸定位垫块，解除拉伸限制，完成一次冷拉处理；
步骤27、热压冷拉循环
N次重复步骤21到步骤26，直到循环结束。
作为改进的是，步骤21中TH为60℃，TL根据中国公路自然区划进行不同的设置,为严寒地区-30℃、寒冷地区-15℃、冬冷夏热地区-10℃、冬暖夏热地区0℃、温和地区0℃。
作为改进的是，步骤22中压缩厚度H1为0.75cm，拉伸厚度H3为2.25cm。
作为改进的是，步骤23中压缩的速度S1为1mm/min，步骤26中拉伸的速度S2为1.5mm/min。
作为改进的是，步骤23中压缩定位器设置高度H2＝4.75cm，步骤26中拉伸定位垫块的长、宽、高尺寸为7cm×1cm×2.25cm。
作为改进的是，所述N取3。
有益效果：
与现有技术相比，本发明一种基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法，在试验室内模拟了路面裂缝修补结构在实际循环温度下受到的温度和力的双重作用，可以根据不同气候区的温度调节进行针对性模拟，提出的耗散能粘结性能评价指标综合考虑了多次循环温度作用对密封胶粘结性能的影响，能够更加合理和准确地评价密封胶在循环温度作用下的粘结性能，实现加热型密封胶粘结性能的定量评价。
附图说明
图1为本发明的基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法的流程图；
图2为本发明中浇筑密封胶后的组合试件固定图；
图3为本发明中制备得到的密封胶组合试件图；
图4为本发明中热压处理后的压缩固定图；
图5为本发明中冷拉处理后的拉伸固定图；
图6为本发明中荷载-变形曲线与X轴的包络面积的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法，包括以下步骤：
步骤1、制备路面加热型密封胶组合试件，具体包括如下步骤：
步骤11、制备沥青混合料试块：对以级配为AC-13的沥青混合料标准车辙试件进行切割，得到多个块状的沥青混合料试块，沥青混合料试块尺寸为7cm×7cm×2cm；
步骤12、密封胶浇筑前的准备工作：如图2所示，采用3个垫块和2个块状沥青混合料试块围成一个5cm×5cm×1.5cm的凹槽空隙，并用4条橡胶带将试块和垫块固定住，垫块与密封胶接触部分涂抹上润滑剂，便于脱模。将加热好的密封胶浇筑到空隙中；
位于底部的垫块，尺寸为7cm×1.5cm×1cm，位于两侧的两个垫块尺寸为5cm×1.5cm×1cm；
步骤13、制备得到密封胶组合试件：如图3所示，将浇筑完的试件在23℃下冷却不少于6h，移除垫块，得到密封胶组合试件；
步骤2、热压冷拉循环模拟试验，具体包括如下步骤：
步骤21、高温保温：将密封胶组合试件在温度箱中保温不少于4h，其中高温设置为60℃，模拟野外环境中路面温度的年平均最高温度；
步骤22、热压处理：将完成高温保温的试件放入带有环境箱的万能试验机中，在60℃下使用万能试验机对试件进行压缩，压缩速度为1mm/min，将试件中的密封胶压缩至0.75cm厚，完成压缩过程；
步骤23、压缩量固定：如图4所示，在23℃下采用压缩定位器固定压缩后的组合试件，压缩定位器固定高度设置为4.75cm，固定3h后将密封胶组合试件从压缩定位器中取出，解除压缩限制，完成一次热压处理；
步骤24、低温保温：根据密封胶在不同气候区的使用要求，采用表1中对应温度来模拟不同气候区野外环境中路面温度的年平均最低温度，对完成压缩量固定的密封胶组合试件在低温下保温不少于4h；
表1不同气候区下的冷拉操作温度
步骤25、冷拉处理：将低温保温的试件放入带有环境箱的万能试验机中，低温温度根据不同气候区选取，使用万能试验机对试件进行拉伸，拉伸速度为1.5mm/min，将试件中的密封胶拉伸至2.25cm厚，完成拉伸过程；
步骤26、拉伸量固定：如图5所示，在23℃下，将2个拉伸定位垫放置在组合试件中间空隙处固定拉伸后的试件，拉伸定位垫块的尺寸为7cm×2.25cm×1cm，固定3h后拆除拉伸定位垫块，解除拉伸限制，完成一次冷拉处理；
步骤27、热压冷拉循环：N次重复步骤21到步骤26，其中N＝3。
1次热压冷拉循环模拟全年中最高温度和最低温度对密封胶粘结性能影响。通过3次热压冷拉循环，模拟了在使用初期的3年内循环温度作用对密封胶粘接性能的影响；
步骤3、基于耗散能的密封胶粘结性能评价方法，具体包括如下步骤：
步骤31、计算包络面积：绘制3个热压冷拉循环的冷拉过程荷载-变形曲线，计算每条曲线与X轴之间所包络的面积ωi(i＝1,2,3)；
步骤32、计算每个循环下的耗散能，由下式计算得到每个循环下的耗散能EDi(i＝1,2,3)，计算公式为：
其中，ωi为第i个循环下荷载-变形曲线与X轴的包络面积(i＝1,2,3)，单位为J；A为密封胶与混合料试块的接触面积，为2.5×10-3m2。
由于密封胶的破坏形式主要是低温下的粘结失效，因此这里只取冷拉处理的荷载-变形曲线进行耗散能的计算。
步骤33、计算总耗散能EDsum，计算公式为：
EDsum＝ED1+ED2+ED3
其中，ED1为第1次循环的耗散能；ED2为第2次循环的耗散能；ED3为第3次循环的耗散能。
按照上述路面加热型密封胶粘结性能评价方法，对市售的三种商用路面加热型密封胶(密封胶1、密封胶2、密封胶3)进行寒冷地区条件下(TH＝60℃，TL＝-15℃)的粘结性能试验测试。试验结果如表2所示。其中，密封胶1是国产JG-A10,密封胶2是美国CRAFCO公司的Polyflex-601型，密封胶3是美国CRAFCO公司的Polyflex-CA-type2型。
表2三种密封胶的耗散能
试验所产生的总耗散能越大，则说明密封胶在完成热压冷拉循环时所需要的能量越大，其粘结性能就越好。
从表2得到的试验数据中可以看出，三种密封胶的粘结性能从大到小为密封胶2>密封胶1>密封胶3。
与专利202110034864.5相比，本发明采用的耗散能评价指标更综合地反映了3次循环温度作用对密封胶粘结性能影响的累积，因此该评价更加符合密封胶所经历的实际环境的作用。同时本发明针对不同公路气候区划进行不同温度下的热压冷拉循环，使试验操作更加符合实际环境温度，从而证明本发明评估方法具有良好的市场前景。
以上描述了本发明的优选实施方案，但是本发明并不限于上述实施方案中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种相似的变换，这些相似变换均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、制备路面加热型密封胶组合试件；
步骤2、热压冷拉循环模拟试验，模拟在实际使用初期N年内的循环温度作用对密封胶粘接性能的影响，其中，N为1,2或3；
步骤3、基于耗散能的密封胶粘结性能评价方法，具体包括如下步骤：
步骤31、计算包络面积ω：绘制N个热压冷拉循环的冷拉过程荷载-变形曲线，计算每条曲线与X轴之间所包络的面积ωi,其中，i≤N的自然数；
步骤32、计算每个循环下的耗散能，由下式计算得到每个循环下的耗散能EDi，计算公式为：
其中，ωi为第i个循环下荷载-变形曲线与X轴的包络面积，i为1,2或3；A为密封胶与混合料试块的接触面积；
步骤33、计算总耗散能EDsum，计算公式为：
EDsum＝ED1+ED2+ED3
其中，ED1为第1次循环的耗散能；ED2为第2次循环的耗散能；ED3为第3次循环的耗散能。
2.根据权利要求1所述的基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法，其特征在于，步骤1所述的制备路面加热型密封胶组合试件，具体步骤如下：
步骤11、制备沥青混合料试块：对于标准的沥青混合料车辙试件进行切割，得到多个块状的沥青混合料试块；
步骤12、密封胶浇筑前的准备工作：采用3个垫块和2个块状沥青混合料试块围成一个5cm×5cm×1.5cm的凹槽空隙，并用4条橡胶带将沥青混合料试块和垫块固定住；
步骤13、制备得到密封胶组合试件：将加热好的密封胶浇筑到凹槽空隙中，将浇筑完的试件在23℃下冷却不少于6h，移除垫块，得到密封胶组合试件。
3.根据权利要求2所述的基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法，其特征在于，步骤11中所以试块为级配为AC-13的沥青混合料试块，试块的长、宽、高尺寸分别为7cm×7cm×2cm。
4.根据权利要求1所述的基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法，其特征在于，步骤2中热压冷拉循环模拟试验的具体步骤如下：
步骤21、高温保温
设定烘箱温度为高温温度TH，将密封胶组合试件在温度箱中保温不少于4h；
步骤22、热压处理
将完成高温保温的试件放入带有环境箱的万能试验机中，在高温温度TH下使用万能试验机对试件进行压缩，压缩速度为S1，将试件中的密封胶压缩至厚度H1，完成压缩过程；
步骤23、压缩量固定
在室温下采用压缩定位器固定压缩后的组合试件，压缩定位器高度设置为H2，固定3h后将密封胶组合试件从压缩定位器中取出，解除压缩限制，完成一次热压处理；
步骤24、低温保温
根据密封胶在不同气候区的使用要求，设置环境箱的低温温度为TL，对完成压缩量固定的密封胶组合试件在低温TL下保温不少于4h；
步骤25、冷拉处理
将低温保温的试件放入带有环境箱的万能试验机中，低温温度设置为TL，使用万能试验机对试件进行拉伸，拉伸速度为S2，将试件中的密封胶拉伸至设计厚度H3，完成拉伸过程；
步骤26、拉伸量固定
在室温下，将2个拉伸定位垫放置在组合试件中间空隙处固定拉伸后的试件，固定3h后拆除拉伸定位垫块，解除拉伸限制，完成一次冷拉处理；
步骤27、热压冷拉循环
N次重复步骤21到步骤26，直到循环结束。
5.根据权利要求4所述的基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法，其特征在于：步骤21中TH为60℃，TL根据中国公路自然区划进行不同的设置,为严寒地区-30℃、寒冷地区-15℃、冬冷夏热地区-10℃、冬暖夏热地区0℃、温和地区0℃。
6.根据权利要求4所述的基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法，其特征在于：步骤22中压缩厚度H1为0.75cm，拉伸厚度H3为2.25cm。
7.根据权利要求4所述的基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法，其特征在于：步骤23中压缩的速度S1为1mm/min，步骤26中拉伸的速度S2为1.5mm/min。
8.根据权利要求4所述的基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法，其特征在于：步骤23中压缩定位器设置高度H2＝4.75cm，步骤26中拉伸定位垫块的长、宽、高尺寸为7cm×1cm×2.25cm。
9.根据权利要求1所述的基于耗散能的路面加热型密封胶粘结性能的评估方法，其特征在于：所述N取3。
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2022
- 2022-01-26 CN CN202210092426.9A patent/CN114527065B/zh active Active
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