CN114636813A - 一种多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置及试验方法。该装置包括动荷载压杆与动荷载压头、臭氧型紫外线灯、水损试验桶、小型鼓风机、试验平台。试验方法包括多孔沥青混合料老化‑车载‑水损耦合作用加载、材料性能衰变指数测量、路用性能衰减系数计算，可以模拟多孔沥青路面在老化、水损和交通荷载多因素耦合作用下的材料性能衰变，可用于评价多孔沥青混合料在受到老化‑车载‑水损耦合作用下的路用性能，并且可以测量同一沥青试件的性能衰变曲线，避免平行试件之间的误差，可以有效评价多孔沥青混合料的路用性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置及试验方法，属于道路工程技术领域。
背景技术
近年来，随着我国公路事业的发展，对于功能性路面的研究逐渐受到关注，其中由于排水沥青路面具备排水降噪的性能，受到了公众和业内的广泛关注。排水沥青路面由多孔沥青混合料铺筑形成，特点是具有较大的空隙率，一般要求在18％～25％之间。由于较大的空隙率，相较密集配沥青路面，表面更容易受到氧气和光照的影响，因此受到老化的影响会更加严重，同时受到水损害的影响也会比较大，在雨天时，持续降雨会使得路面内部含水，当受到行车荷载作用时，会反复受到动水压力的作用，受到环境因素的影响，多孔沥青混合料的剥落病害会逐渐加重，同时由于我国的重载较多，排水沥青路面的病害往往会比设计时预想的更加严重。
由此可见，排水沥青路面的破坏受到很多因素的影响，阳光中的紫外线以及空气中的氧气会使得沥青发生老化，水会侵蚀沥青和沥青-集料表面的粘结状态，导致沥青路面发生剥落病害，而目前对于这些因素的耦合研究大多关注到动水压力的情况，很少考虑到沥青受到光、氧老化的情况。
发明内容
解决的技术问题：本申请主要是提出一种多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置及试验方法，解决现有技术中存在的耦合研究大多关注到动水压力的情况，很少考虑到沥青受到光、氧老化的情况等技术问题。
技术方案：一种多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置，包括动荷载压杆、动荷载压头、臭氧型紫外线灯、水损试验桶、小型鼓风机、试验平台和框体；所述试验平台设在框体中下部；所述动荷载压杆顶部与框体顶部相连，动荷载压杆底部与动荷载压头相连，小型鼓风机、水损试验桶和臭氧型紫外线灯从左至右依次设在试验平台上，所述动荷载压杆、动荷载压头、水损试验桶三个装置的中心线在同一直线上，多孔沥青混合料试件放置在水损试验桶中，当进行光氧老化时，不摆放水损试验桶，混合料试件放置于试验平台的中央。
所述多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置的试验方法，包括如下步骤：
第一步：成型实验使用的试件，按照设计的级配和沥青用量，采用旋转压实仪成型多孔沥青混合料试件，成型温度在170℃～185℃，旋转压实50次，试件尺寸为直径150mm±2mm，高度为170mm±2.5mm，成型后室内养生12h后，利用钻机和切割机进行切割，得到直径100mm±2mm，高度150mm±2.5mm的试件备用，计算空隙率，确保多孔沥青混合料试件空隙率在18％～20％；
第二步：将多孔沥青混合料试件的侧面一周黏贴上白纸，侧面留出顶面往下5mm不黏贴白纸，将小型鼓风机、黏贴上白纸的多孔沥青混合料试件、臭氧型紫外线灯从左至右依次放于试验平台上，将试验平台置放于万能试验箱内的平台上，多孔沥青混合料试件的位置为水损试验桶位置，多孔沥青混合料试件与小型鼓风机和臭氧型紫外线灯之间的距离为100mm；
第三步：打开万能试验箱，将温度设置为80℃，等到万能试验箱内温度达到80℃时，打开小型鼓风机和臭氧型紫外线灯，臭氧型紫外线灯的释放臭氧功能1h后关闭，将紫外线灯管旋转至与垂直方向呈135°方向，使得光线以45°方向照射实验平台，确保小型鼓风机和臭氧型紫外线灯正常工作，持续鼓风和光照6h；
第四步：将小型鼓风机和臭氧型紫外线灯从试验平台上撤下，等试验箱内温度降低至室温，将多孔沥青混合料试件侧面的白纸撕下，置放于水损试验桶中，将水损试验桶置放在试验平台中央，在损试验桶中注水至没过多孔沥青混合料试件上表面2～3mm，浸水40min，确保完全浸湿，同时打开万能试验箱，使其冷却至室温；
第五步：确保荷载压杆、动荷载压头、多孔沥青混合料试件的中心在同一条直线上，抬升实验平台至动荷载压头与混合料试件顶面接触，设置加载的最大荷载值为0.8MPa，按照方形荷载波形进行施加荷载，周期设置为1s，持续作用30min；
第六步：将多孔沥青混合料试件从水损试验桶中取出，进行擦干，放入烘箱中用80℃烘干18h至试件重量恒重，确保试件内部不含水，至此，完成光氧老化——动水破坏的一次循环操作，而后依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)进行动态模量试验(T0738-2011)；
第七步：重复第四步到第六步，重复4～6次，依次记录所测试的动态模量值E*，所述E*为20℃，10Hz条件之下的动态模量值；以循环次数为横坐标，动态模量为纵坐标，绘制多孔沥青混合料动态模量衰减曲线，计算衰减系数α；
第八步：通过调整第四步、第五步的持续时间模拟不同的太阳辐射情况和不同强度降雨情况下路面的受损状态；当进行第四步、第五步操作后，若沥青混合料表面出现较多剥落或者外观形状有较大改变则视为完全破坏，不再进行循环。
作为本发明的一种优选技术方案：所述臭氧型紫外线灯高度为425mm，底座为150mm边长的方型底座，可以稳定置放于试验平台上，臭氧型紫外线灯功率为75w，紫外线辐射照度为163μW/cm2，在光照的同时释放臭氧，制作材料耐高温。
作为本发明的一种优选技术方案：所述水损试验桶直径110mm±2mm，高度160mm±2.5mm，壁厚5mm，底厚10mm，材料为聚乙烯，可以稳定置放于试验平台上。
作为本发明的一种优选技术方案：所述小型鼓风机功率为15w，风量为2.5m3/min，风机吹风筒直径为110mm，长度为120mm，可以稳定置放于试验平台上。
作为本发明的一种优选技术方案：所述试验平台长400mm×宽300mm×厚20mm，材质为木材板。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第七步中衰减系数α计算步骤为：
S1：首先进行初始动态模量的检测，记录下20℃、10Hz情况下的动态模量值为E0*；
S2：进行一次光氧老化——动水破坏循环过程后，检测动态模量并记录此时在20℃、10Hz条件下的动态模量值E1*；
S3：重复步骤S2，每一次进行光氧老化——动水破坏循环过程后，检测并记录在20℃、10Hz条件下的动态模量值E2*、E3*、E4*、E5*、E6*；
S4：以循环次数为横坐标，纵坐标为E0*、E1*、E2*、E3*、E4*、E5*、E6*，绘制动态模量衰减曲线，按照如下公式计算衰减系数α
S5，按如下标准评价该种配合比的多孔沥青混合料的路用性能情况：
作为本发明的一种优选技术方案：所述紫外线灯管可以进行180°的旋转，材质为耐高温塑料。
作为本发明的一种优选技术方案：所述臭氧型紫外线灯、水损试验桶、小型鼓风机均具有底座，可以稳定置放于试验平台上。
作为本发明的一种优选技术方案：所述动荷载压杆、动荷载压头需要连接在电子万能材料试验机上。
有益效果：本申请所述一种多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置及试验方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、试验装置可以综合考虑包含水损害、动荷载、光氧老化等多因素耦合作用，通过所述的试验方法可以实现测量受到光氧老化、动水破坏的混合料材料性能的情况，并最终采用性能衰减系数来描述测试的混合料性能情况；
2、本发明主要考虑的环境因素有光氧老化环境和动水作用因素，采用合适的试验方法可以评价多空沥青混合料的性能，该装置可以模拟排水沥青路面受到光氧老化和动水破坏情况，可以真实地评价多孔沥青混合料在路面实际使用情况下的性能情况。此外利用本设备对混合料试件施加的破坏情况，也可以用于研究混合料试件的破坏过程和破坏形式；
3、本发明针对多孔沥青混合料，针对当下的研究热点——排水沥青路面，相较于过往的沥青混合料，多孔沥青混合料具有较大的空隙率，因此受到水、光、氧、动荷载等环境因素的影响较大，而在实际使用中，这些因素往往会综合在一起作用，因此，本发明综合考虑多种因素对多孔沥青混合料的共同作用更加的具有意义；
4、与目前已经有的试验装置相比，本项目加入了对多孔沥青混合料的老化影响，老化对于混合料的影响非常重要，实际路面使用中受到光氧老化的作用不可忽略，同时本发明也考虑到了动水作用，将混合料试件放入大小相当的水损试验桶中，这是为了模拟实际环境中，四周饱水无法快速消散的情况，属于较不利的环境因素，是较安全的考虑；
5、同时选择的测量值为动态模量，研究表明动态模量的检测对混合料试件本身是无损的，也就是在动态模量测试前后，混合料试件的性能认为没有变化，因此可以对同一个多孔沥青混合料试件进行全过程的测试，避免不同混合料试件之间带来的误差影响。
6、与以往只考率单个因素影响的情况进行对比，老化循环周期为烘箱80℃老化1d，浸水循环周期为20℃浸没水浴1d，只考虑单个因素影响时，材料的动态模量下降幅度较小，而本申请的光氧老化-动水破坏循环可以在较少的循环次数使得材料发生较大的性能衰减，减少了实验所需的整体周期，并且可以获取较大幅度的材料性能变化趋势。
附图说明：
图1为本申请所述多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置的结构示意图。
图2为本申请所述多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置内部构件的动态模量衰减曲线图。
图3为本申请所述多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置的光氧老化-动水破坏与单一老化、浸水试验后动态模量衰减曲线对比图。
附图标记说明：1、动荷载压杆；2、动荷载压头；3、臭氧型紫外线灯；4、水损试验桶；5、小型鼓风机；6、试验平台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的内容作进一步阐述，但本发明的内容不仅仅局限于所述实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
实施例1
如图1所示，多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置包括动荷载压杆1、动荷载压头2、臭氧型紫外线灯3、水损试验桶4、小型鼓风机5、试验平台6和框体7；所述试验平台6设在框体7中下部；所述动荷载压杆1顶部与框体7顶部相连，动荷载压杆1底部与动荷载压头2相连，小型鼓风机5、水损试验桶4和臭氧型紫外线灯3从左至右依次设在试验平台6上，所述动荷载压杆1、动荷载压头2、水损试验桶4三个装置的中心线在同一直线上，多孔沥青混合料试件放置在水损试验桶4中，当进行光氧老化时，不摆放水损试验桶4，混合料试件放置于试验平台6的中央。
所述臭氧型紫外线灯3高度为425mm，底座为150mm边长的方型底座，可以稳定置放于试验平台6上，臭氧型紫外线灯3功率为75w，紫外线辐射照度为163μW/cm2，在光照的同时释放臭氧，制作材料耐高温，所述紫外线灯管可以进行180°的旋转，材质为耐高温塑料。
所述水损试验桶4直径110mm±2mm，高度160mm±2.5mm，壁厚5mm，底厚10mm，材料为聚乙烯，可以稳定置放于试验平台6上。
所述小型鼓风机5功率为15w，风量为2.5m3/min，风机吹风筒直径为110mm，长度为120mm，可以稳定置放于试验平台6上。
所述试验平台6长400mm×宽300mm×厚20mm，材质为木材板。
所述臭氧型紫外线灯3、水损试验桶4、小型鼓风机5均具有底座，可以稳定置放于试验平台6上，所述动荷载压杆1、动荷载压头2需要连接在电子万能材料试验机上。
实施例2
所述多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置的试验方法，多孔沥青混合料的路用性能评价，包括如下步骤：
第一步：按照下表的级配通过率作为所选级配，选取改性SBS沥青，用量为4.8％，并掺加10％高黏改性剂(沥青内掺)，改性剂采用干拌的形式。
级配质量通过率(％)
采用旋转压实仪成型多孔沥青混合料试件，成型温度在185℃，旋转压实50次，得到试件尺寸为直径150mm±2mm，高度为170mm±2.5mm，成型后室内养生12h后，然后利用钻机和切割机进行切割，得到直径100mm±2mm，高度150mm±2.5mm的试件备用，完成成型试件工作，计算空隙率，确保其在18％～20％；
第二步：将多孔沥青混合料试件的侧面一周黏贴上白纸，侧面留出顶面往下5mm不黏贴白纸，将小型鼓风机5、黏贴上白纸的多孔沥青混合料试件、臭氧型紫外线灯3从左至右依次放于试验平台6上，将试验平台6置放于万能试验箱内的平台上，多孔沥青混合料试件的位置为水损试验桶4位置，多孔沥青混合料试件与小型鼓风机5和臭氧型紫外线灯3之间的距离为100mm；
第三步：打开万能试验箱，将温度设置为80℃，等到万能试验箱内温度达到80℃时，打开小型鼓风机5和臭氧型紫外线灯3，臭氧型紫外线灯3的释放臭氧功能1h后关闭，将紫外线灯管旋转至与垂直方向呈135°方向，使得光线可以以约45°方向照射实验平台，确保小型鼓风机5和臭氧型紫外线灯3正常工作，持续鼓风和光照6h；
第四步：将小型鼓风机5和臭氧型紫外线灯3从试验平台6上撤下，等试验箱内温度降低至室温，将多孔沥青混合料试件侧面的白纸撕下，置放于水损试验桶4中，将水损试验桶4置放在试验平台6中央，在损试验桶4中注水至没过多孔沥青混合料试件上表面2～3mm，浸水40min，确保完全浸湿，同时打开万能试验箱，使其冷却至室温；
第五步：确保荷载压杆1、动荷载压头2、多孔沥青混合料试件的中心在同一条直线上，抬升实验平台至动荷载压头与混合料试件顶面接触，设置加载的最大荷载值为0.8MPa，按照方形荷载波形进行施加荷载，周期设置为1s，持续作用30min；
第六步：将多孔沥青混合料试件从水损试验桶4中取出，进行擦干，放入烘箱中用80℃烘干18h至试件重量恒重，确保试件内部不含水，至此，完成光氧老化——动水破坏的一次循环操作，而后依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)进行动态模量试验(T0738-2011)；
第七步：重复第四步到第六步，重复4～6次，依次记录所测试的动态模量值E*，所述E*为20℃，10Hz条件之下的动态模量值；以循环次数为横坐标，动态模量为纵坐标，绘制多孔沥青混合料动态模量衰减曲线，计算衰减系数α，经过试验后数据如下表所示，绘制动态模量曲线，计算得到α＝0.6，表明该种配合比下所得到的多孔沥青混合料具有较好的路用性能。
20℃、10hz条件下动态模量测量值
第八步：通过调整第四步、第五步的持续时间模拟不同的太阳辐射情况和不同强度降雨情况下路面的受损状态；当进行第四步、第五步操作后，若沥青混合料表面出现较多剥落或者外观形状有较大改变则视为完全破坏，不再进行循环。
所述衰减系数α计算步骤为：
S1：在成型实验使用试件后，首先进行初始动态模量的检测，记录下20℃、10Hz情况下的动态模量值为E0*；
S2：进行一次光氧老化——动水破坏循环过程后，检测动态模量并记录此时在20℃、10Hz条件下的动态模量值E1*；
S3：重复步骤S2，每一次进行光氧老化——动水破坏循环过程后，检测并记录在20℃、10Hz条件下的动态模量值E2*、E3*、E4*、E5*、E6*；
S4：以循环次数为横坐标，纵坐标为E0*、E1*、E2*、E3*、E4*、E5*、E6*，绘制动态模量衰减曲线，按照如下公式计算衰减系数α
S5，按如下标准评价该种配合比的多孔沥青混合料的路用性能情况：
如图3所示，与以往只考率单个因素影响的情况进行对比，图中老化循环周期为烘箱80℃老化1d，浸水循环周期为20℃浸没水浴1d，可以明显看出，只考虑单个因素影响时，材料的动态模量下降幅度较小，而本申请的光氧老化-动水破坏循环可以在较少的循环次数使得材料发生较大的性能衰减，减少了实验所需的整体周期，并且可以获取较大幅度的材料性能变化趋势。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置，其特征在于：所述多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置包括动荷载压杆(1)、动荷载压头(2)、臭氧型紫外线灯(3)、水损试验桶(4)、小型鼓风机(5)、试验平台(6)和框体(7)；所述试验平台(6)设在框体(7)中下部；所述动荷载压杆(1)顶部与框体(7)顶部相连，动荷载压杆(1)底部与动荷载压头(2)相连，小型鼓风机(5)、水损试验桶(4)和臭氧型紫外线灯(3)从左至右依次设在试验平台(6)上，所述动荷载压杆(1)、动荷载压头(2)、水损试验桶(4)三个装置的中心线在同一直线上，多孔沥青混合料试件放置在水损试验桶(4)中，当进行光氧老化时，不摆放水损试验桶(4)，混合料试件放置于试验平台(6)的中央。
2.一种多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：成型实验使用的试件，按照设计的级配和沥青用量，采用旋转压实仪成型多孔沥青混合料试件，成型温度在170℃～185℃，旋转压实50次，试件尺寸为直径150mm±2mm，高度为170mm±2.5mm，成型后室内养生12h后，利用钻机和切割机进行切割，得到直径100mm±2mm，高度150mm±2.5mm的试件备用，计算空隙率，确保多孔沥青混合料试件空隙率在18％～20％；
第二步：将多孔沥青混合料试件的侧面一周黏贴上白纸，侧面留出顶面往下5mm不黏贴白纸，将小型鼓风机(5)、黏贴上白纸的多孔沥青混合料试件、臭氧型紫外线灯(3)从左至右依次放于试验平台(6)上，将试验平台(6)置放于万能试验箱内的平台上，多孔沥青混合料试件的位置为水损试验桶(4)位置，多孔沥青混合料试件与小型鼓风机(5)和臭氧型紫外线灯(3)之间的距离为100mm；
第三步：打开万能试验箱，将温度设置为80℃，等到万能试验箱内温度达到80℃时，打开小型鼓风机(5)和臭氧型紫外线灯(3)，臭氧型紫外线灯(3)的释放臭氧功能1h后关闭，将紫外线灯管旋转至与垂直方向呈135°方向，使得光线以45°方向照射实验平台，确保小型鼓风机(5)和臭氧型紫外线灯(3)正常工作，持续鼓风和光照6h；
第四步：将小型鼓风机(5)和臭氧型紫外线灯(3)从试验平台(6)上撤下，等试验箱内温度降低至室温，将多孔沥青混合料试件侧面的白纸撕下，置放于水损试验桶(4)中，将水损试验桶(4)置放在试验平台(6)中央，在损试验桶(4)中注水至没过多孔沥青混合料试件上表面2～3mm，浸水40min，确保完全浸湿，同时打开万能试验箱，使其冷却至室温；
第五步：确保荷载压杆(1)、动荷载压头(2)、多孔沥青混合料试件的中心在同一条直线上，抬升实验平台至动荷载压头与混合料试件顶面接触，设置加载的最大荷载值为0.8MPa，按照方形荷载波形进行施加荷载，周期设置为1s，持续作用30min；
第六步：将多孔沥青混合料试件从水损试验桶(4)中取出，进行擦干，放入烘箱中用80℃烘干18h至试件重量恒重，确保试件内部不含水，至此，完成光氧老化——动水破坏的一次循环操作，而后依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行动态模量试验(T 0738-2011)；
第七步：重复第四步到第六步，重复4～6次，依次记录所测试的动态模量值E*，所述E*为20℃，10Hz条件之下的动态模量值；以循环次数为横坐标，动态模量为纵坐标，绘制多孔沥青混合料动态模量衰减曲线，计算衰减系数α；
第八步：通过调整第四步、第五步的持续时间模拟不同的太阳辐射情况和不同强度降雨情况下路面的受损状态；当进行第四步、第五步操作后，若沥青混合料表面出现较多剥落或者外观形状有较大改变则视为完全破坏，不再进行循环。
3.根据权利要求1所述的多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置，其特征在于：所述臭氧型紫外线灯(3)高度为425mm，底座为150mm边长的方型底座，可以稳定置放于试验平台(6)上，臭氧型紫外线灯(3)功率为75w，紫外线辐射照度为163μW/cm2，在光照的同时释放臭氧，制作材料耐高温。
4.根据权利要求1所述的多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置，其特征在于：所述水损试验桶(4)直径110mm±2mm，高度160mm±2.5mm，壁厚5mm，底厚10mm，材料为聚乙烯，可以稳定置放于试验平台(6)上。
5.根据权利要求1所述的多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置，其特征在于：所述小型鼓风机(5)功率为15w，风量为2.5m3/min，风机吹风筒直径为110mm，长度为120mm，可以稳定置放于试验平台(6)上。
6.根据权利要求1所述的多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置，其特征在于：所述试验平台(6)长400mm×宽300mm×厚20mm，材质为木材板。
7.根据权利要求2所述的多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置的试验方法，其特征在于：所述第七步中衰减系数α计算步骤为：
S1：首先进行初始动态模量的检测，记录下20℃、10Hz情况下的动态模量值为E0*；
S2：进行一次光氧老化——动水破坏循环过程后，检测动态模量并记录此时在20℃、10Hz条件下的动态模量值E1*；
S3：重复步骤S2，每一次进行光氧老化——动水破坏循环过程后，检测并记录在20℃、10Hz条件下的动态模量值E2*、E3*、E4*、E5*、E6*；
S4：以循环次数为横坐标，纵坐标为E0*、E1*、E2*、E3*、E4*、E5*、E6*，绘制动态模量衰减曲线，按照如下公式计算衰减系数α
S5，按如下标准评价该种配合比的多孔沥青混合料的路用性能情况：
8.根据权利要求3所述的多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置，其特征在于：所述紫外线灯管可以进行180°的旋转，材质为耐高温塑料。
9.根据权利要求1所述的多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置，其特征在于：所述臭氧型紫外线灯(3)、水损试验桶(4)、小型鼓风机(5)均具有底座，可以稳定置放于试验平台(6)上。
10.根据权利要求1所述的多因素耦合作用下多孔沥青混合料路用性能试验装置，其特征在于：所述动荷载压杆(1)、动荷载压头(2)需要连接在电子万能材料试验机上。
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