CN210294262U - 一种沥青材料自愈合性能评价装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型基于毛细扩散理论提出了一种沥青材料自愈合性能评价装置，用以解决现有评价沥青材料自愈合能力的装置及方法都比较复杂，且花费较高，试验时间比较长；包括环境箱，环境箱内设有润湿测试机构和扩散测试机构，润湿测试机构包括培养皿，培养皿内设有用于放置沥青试块的支架，支架的一侧固定有用于盛放试验沥青的玻璃管，玻璃管的一侧设有大小大于沥青试块侧面的开槽，开槽上设有挡板，挡板的上部设有提手；扩散测试机构包括两个相对的固定端，两个固定端分别通过伸缩杆固定在环境箱的两侧。本实用新型结构简单，成本低，试验时长短，试验结果较为准确，能够很好地用来评价沥青材料的自愈合行为，适应于道路工程中的各种实际材料。

Description

一种沥青材料自愈合性能评价装置

技术领域

本实用新型涉及沥青材料的技术领域，尤其涉及一种沥青材料自愈合性能评价装置，主要针对沥青或沥青胶浆及沥青砂浆进行试验。

背景技术

近年来，我国的道路设计大部分都选用沥青路面，随着我国经济发展速度的迅猛增长，对沥青材料的使用逐年增加，沥青已成为道路工程中不可或缺的材料。如今我国评价沥青材料的路用性能并未把其自愈合性能考虑在内，在设计道路时有较大的余量，造成了一定的浪费。现存的评价沥青材料自愈合能力的方法均较为复杂，未有统一的标准及方法，并且花费较高，所需试验时间较长，不适用于实际的道路设计中。

实用新型内容

针对现有评价沥青材料自愈合能力的装置及方法都比较复杂，且花费较高，试验时间比较长的技术问题，本实用新型提出一种沥青材料自愈合性能评价装置，利用毛细流动扩散理论测量沥青材料的自愈合性能，结构简单，成本低，试验时长短，适用于实际道路性能评价中。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种沥青材料自愈合性能评价装置，包括环境箱，所述环境箱内设有润湿测试机构和扩散测试机构，润湿测试机构包括培养皿，培养皿内设有用于放置沥青试块的支架，支架的一侧固定有用于盛放试验沥青的玻璃管，玻璃管的一侧设有大小大于沥青试块侧面的开槽，开槽上设有挡板，挡板的上部设有提手；所述扩散测试机构包括两个相对的固定端，两个固定端分别通过伸缩杆固定在环境箱的两侧。

所述挡板固定在定位夹上，定位夹套设在玻璃管上；所述挡板上设有密封圈，密封圈与开槽相配合。

所述支架的中部设有重力传感器，伸缩杆内设有拉力传感器，重力传感器和拉力传感器均与控制器相连接，控制器与显示器相连接。

所述伸缩杆为电动伸缩杆，电动伸缩杆与控制器相连接；所述环境箱的底部设有进水管和出水管，进水管和出水管上均设有电磁阀，环境箱内设有温度传感器，温度传感器和电磁阀均与环境箱控制装置相连接。

所述开槽的底部与支架的上部相平齐。

所述固定端上设有调节器。

本实用新型的有益效果：能够较为简单的模拟沥青材料的自愈合性能，建立符合润湿-分子扩散自愈合模型，且操作方法较为简单方便，不需要使用复杂的DSR仪器进行大量试验，可以减少试验时间，试验设备也较为容易获得，在经济方面有更高的优越性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的润湿测试机构的结构示意图。

图2为本实用新型的扩散测试机构的结构示意图。

图3为本实用新型评价方法的流程图。

图中，1为环境箱，2为培养皿，3为支架，4为进水管，5为出水管，6为卡槽，7为重力传感器，8为挡板，9为玻璃管，10为提手，11为调节器，12为固定端，13为伸缩杆，15为拉力传感器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型以毛细流动扩散理论为基础进行设计，将沥青或聚合物改性的沥青加热到其玻璃化转变温度，它将液化，可以长时间缓慢流动。当遇到包括接触点和空间的传播裂缝时，这种液化沥青由毛细力驱动，进入裂缝面。进入裂缝面后，这种液化沥青就成为了愈合剂，在它润湿裂缝区域后，在压力或浓度梯度的驱动下，会扩散到裂缝基质中，并在表面能差或热力学驱动力的作用下与基质分子相互结合。最后，随着断裂面的界面强度的恢复，裂缝消失。

液化沥青受到毛细管力驱动，会进入裂缝中并润湿沥青材料的裂缝边界，可以获得润湿愈合强度，因此润湿愈合指数可表示为：

H₁＝α·t^0.5

其中，H₁是与环境温度T和润湿时间t相关的润湿指数。α是一种与沥青粘合剂的性质和环境温度有关的常数。

在短时间润湿阶段之后，沥青材料进入了分子扩散愈合阶段，断裂表面的长期强度增益主要依赖于沥青分子的扩散和随机化。由于分子链的缠结和分子的扩散，逐渐形成扩散愈合强度。用H₂表示分子扩散阶段的沥青材料强度增强值，可表示为：

H₂＝β·t^0.5

其中，β是温度相关参数，它表示由于分子在温度下裂缝表面之间的相互扩散引起的强度增益率。

沥青粘合剂的完全整合的自愈合包括由毛细力驱动的润湿愈合和由分子扩散促进的扩散愈合，因此愈合过程可分为两个主要阶段，包括润湿和分子扩散。假设整个愈合时间和润湿时间分别为t和λ。因此，分子扩散时间是(t-λ)，可以获得两阶段自愈模型为：

其中，H₁和H分别表示润湿愈合指数和宏观愈合指数。一旦沥青裂缝出现，润湿过程就开始，然后逐渐加速分子扩散速度以保持扩散平衡，最后在裂缝上发生缠结以获得界面强度。

实施例1：如图1和图2所示，一种沥青材料自愈合性能评价装置，包括环境箱1，环境箱1用于给试验用的沥青及沥青试块提供稳定的试验环境。环境箱1上部通过上盖与箱体密封连接，保证环境箱内温度保持设定温度，不因受到外界影响而发生太大范围波动。所述环境箱1内设有润湿测试机构和扩散测试机构，润湿测试机构用于进行沥青试块的润湿能力的测试，扩散测试机构用于测量沥青试块分子扩散能力。润湿测试机构包括培养皿2，培养皿2内设有用于放置沥青试块的支架3，支架3用于支撑沥青试块，支架3的一侧固定有用于盛放试验沥青的玻璃管9，玻璃管9是方便加工的玻璃器皿制成，玻璃管9的一侧设有大小大于沥青试块侧面的开槽6，方便将沥青试块推入到玻璃管9中，开槽6上设有挡板8，挡板8用于组成试验沥青从开槽6中流出，挡板8可相对于开槽6上下滑动，挡板8的上部设有提手10，方便操作挡板8上下移动，从而控制实验沥青是否流出。所述扩散测试机构包括两个相对的固定端12，固定端12用于分别抓紧沥青试块，固定端12相对设置方便两个沥青试块实验时相接触，两个固定端12分别通过伸缩杆13固定在环境箱1的两侧，通过伸缩杆的伸出或收缩驱动两个沥青试块相互接触或分开，从而测量两个沥青试块之间的压力或拉力。固定端12和培养皿2分别位于环境箱1的两侧，且固定端12和培养皿2互相不影响使用。

进一步地，所述挡板8固定在定位夹上，定位夹套设在玻璃管9上，通过作用力定位夹可以在玻璃管9上移动，不施加作用力时，定位夹将挡板的端部固定在玻璃管上；定位夹使用任意一种快速夹具均可。所述挡板8上设有密封圈，密封圈与开槽6相配合，当挡板8与开槽6相配合时，玻璃管9内的试验沥青不流出玻璃管。

进一步地，所述支架3的中部设有重力传感器7，重力传感器7用于测量沥青试块的重量。伸缩杆13内设有拉力传感器15，拉力传感器15用于测量伸缩杆上所受的拉力和压力，根据伸缩杆左右两端拉力相同的原理拉力传感器15检测的即是两个沥青试块之间的作用力，重力传感器7和拉力传感器15均通过信号转换电路与控制器相连接，控制器与显示器相连接。重力传感器7的型号为BSHS1或类似，拉力传感器15的型号为BSLS1或类似，控制器为PLC控制器，显示器的型号为V4896或类似。通过显示器方便观察重力传感器7测量的沥青试块的重量变化及拉力传感器测量的伸缩杆13上所受的拉力及压力。

进一步地，所述伸缩杆13为电动伸缩杆，电动伸缩杆与控制器相连接；电动伸缩杆用于调节两个固定端12的距离，并通过伸缩杆13给相对的沥青试块施加拉力或压力，电动伸缩杆的型号TJC-C1-T3-P-P或类似。伸缩杆13通过环境箱1外部的控制器进行控制，可以通过固定端12对沥青试块施加压力或拉力。所述环境箱1的底部设有进水管4和出水管5，进水管4和出水管5上均设有电磁阀，环境箱1内设有温度传感器，温度传感器和电磁阀均与环境箱控制装置相连接。温度传感器的型号为ABSD-01A和电磁阀的型号为ZXB2218-02，温度传感器用于测量环境箱1内的温度，电磁阀可以控制环境箱1内水的流动，从而调节环境箱1内的试验温度，环境箱1内的液面高度低于培养皿2，保证环境箱1中的水不会浸入培养皿2，对试验沥青和沥青试块造成影响。

进一步地，所述开槽6的底部与支架3的上部相平齐，方便将支架3上的沥青试块支架推入开槽内，与玻璃管9内的试验沥青进行接触。开槽6的大小为稍大于100mm的开口，开槽6的最低端大于支架3的高度，保证沥青块可以恰好卡入开槽中，浸入沥青，而沥青又不会流出。

进一步地，所述固定端12上设有调节器11，固定端12可以使用调节器11调节上下宽度，调节器11调节宽度后可以保证能够将沥青试块恰好卡入固定端12，不会脱落，可以较好的对沥青试块施加压力或拉力。调节器11为螺丝，固定端为加工出的一侧上下安装有螺丝可调节上下移动的长方体厚铁片，厚铁皮通过一个小型伸缩杆进行调节，直接连接在螺丝上，通过螺丝调节铁片的松紧，将沥青试块夹紧。

实施例2，如图3所示，一种沥青材料自愈合性能评价方法，其步骤如下：

步骤一：清洗培养皿2和支架3，调节环境箱1内温度保持在试验温度，烘干后的培养皿2和支架3放在环境箱1内进行预热。

本实例所采用的沥青为70#沥青，其三大指标如表1所示。

表1沥青材料基本指标

所述步骤一中利用三氯乙烯或汽油清洗培养皿2和支架3上的沥青；清洗干净后置于烘箱中，在105℃±0.5℃下进行烘干，烘干后放在环境箱1内在25℃下进行预热。调节环境箱1内液面及温度，使其温度保持在25℃，液面低于培养皿2的高度，且保证培养皿的水平稳定。

步骤二：制作沥青试块。

所述步骤二中沥青试块包括沥青或沥青胶浆制成的试块和沥青砂浆制成的试块。所述沥青或沥青胶浆在设定为60℃的烘箱内加热两小时，然后倒入涂好脱模剂的试模中，试模尺寸为100×100×100mm，常温下冷却24h后脱模；所述沥青砂浆在SGC旋转压实仪成型后常温放置24h，使用切割机加工为100×100×100mm的试块，成型后的试块在烘箱内进行保温；所述沥青或沥青胶浆在试模中充分搅拌。

将70#沥青在设定为60℃的烘箱内加热两小时，然后倒入涂好脱模剂的试模，试模尺寸为100×100×100mm，在试模进行充分搅拌，消除气泡，保证所有的沥青试块质量和体积是相同的，常温下冷却24h后脱模，成型后将沥青试块放在25℃烘箱内进行保温。

步骤三：在玻璃管9中注入高大于沥青试块高度的试验沥青，在环境箱1中保温1h。

所述步骤三中的试验沥青进行充分搅拌。将试验沥青在60℃下进行充分搅拌，消除气泡，使沥青具有流动性可以倒入玻璃管。在玻璃管9中注入高110mm的试验沥青，放入环境箱1中，保温1h。

步骤四：使用半径为r的毛细针在步骤二制作的沥青试块的中心处制作左右贯通的毛细通道，放回环境箱1内的支架3上，再继续保温半小时。

将步骤二制作的三个沥青试块从烘箱内取出，使用r＝0.1mm毛细针在沥青试块的中心处制作左右贯通的毛细通道，再放入培养皿2内的支架3上保温半小时，保证试验温度。

步骤五：通过提手10将玻璃管9上的挡板8提起，将沥青试块推入玻璃管9的开槽6内，使沥青试块浸入在试验沥青内，记录此时沥青试块的重量m₁。将试块部分浸入玻璃管9内，保证沥青试块有部分浸入在沥青材料内以实现毛细作用，沥青试块位于重力传感器上方，可以直接测量沥青块的质量。静置所需要的愈合时间t后读取沥青试块的重量m₂；计算沥青试块上所钻出毛细通道的体积V_b；计算m_Δ＝m₂-m₁，测出试验沥青的密度ρ，计算出沥青试块在愈合时间内的愈合体积

用

来表示试验沥青的润湿愈合能力。

沥青试块只推入玻璃管内一部分，玻璃管9宽10mm即可，推入后将挡板下移至和开槽6完全对应，实现密封。通过开槽将沥青试块推入，保证沥青60℃倒入时不会流出。

分别对三个沥青试块依次进行实验，总共进行三次实验，称量试块的重量m₁分别为1209.832g、1210.053g、1210.151g，静置间歇时间t为40min后记录重量m₂分别为1210.834g、1210.056g、1210.152g。计算试块上所钻出毛细孔的体积V_b为πr²h，r为毛细针的半径，h为高度，固定为100mm；计算质量差m_Δ＝m₂-m₁分别为0.002g、0.003g、0.001g，取三者的平均值0.002g，重力感应器测量玻璃管内试验沥青的重量，计算其体积从而测出试验沥青的密度ρ为1.21g/cm³，沥青试块在40min内的愈合高度为

为1.653mm³，直接计算出V_b为3.142mm³，用

来表示沥青试块的润湿能力。

步骤六：将两个需要进行试验的同一类型沥青试块放入环境箱1中保温2h，将沥青试块分别放入两个相对的固定端12中，通过调节调节器14使固定端12挤紧沥青试块，轻轻晃动确保沥青试块不会掉落，保温30min。

从烘箱中将六个70#沥青所成型的试块取出放入环境箱1中，调整环境箱的试验温度为25℃，保温2h，调整固定端12的高度，将两个试块分别放入固定端，通过调节调节器14使固定端挤紧沥青试块，轻轻晃动确保沥青试块不会掉落，因沥青对温度敏感性较高，为了保证沥青试块处于愈合温度，以此保证试验结果的准确性，保持此状态保温30min。

步骤七：操作伸缩杆13向环境箱1的中心伸出，使两个沥青试块相互接触，观察显示器上显示的力的大小，向两个沥青试块施加5N的压力，保持此状态至设定的愈合时间。

操作伸缩杆13，使两个试块相互接触，观察显示器上显示的拉力传感器15测量的力的大小，两沥青试块相互接触时力的大小为0，然后施加5N的压力，保持此状态间歇时间40min，使其相互之间进行分子扩散运动，黏合在一起，令其愈合40min。

步骤八：通过控制器操作伸缩杆向环境箱1的两侧拉伸，通过伸缩杆13从0开始台阶施加拉力直至将两个沥青试块拉开，记录两个沥青试块完全分离时显示器上所显示的拉力值F_p，用以表征沥青试块在分子扩散愈合过程中的愈合能力。

达到40min后，开始拉伸伸缩杆，从0开始，以0.1N为台阶持续增加施加的拉力直至两个沥青试块完全分离，没有粘接，记录沥青试块分离时显示器上所显示的拉力值Fp。分别进行三组试验，所得的值分别为2.14N、2.15N、2.58N，取三者的平均值为2.29N。

步骤九：根据公式

计算得到这种材料整体的自愈合能力，t_h为沥青材料的当量愈合时间，

表征沥青材料在分子扩散愈合过程中的愈合能力，

表征沥青材料的润湿自愈合能力。

计算可得t_h为4.63×10⁴，根据常规自愈合试验拟合HI＝At^0.25+B，同种70#沥青20％损伤度拟合所得公式为HI＝0.097×t^0.25-0.421，令HI为1所得t值为4.60×10⁴，两者较为接近，可以认为本实用新型所计算出的愈合时间可以较好的表征沥青材料的自愈合能力。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种沥青材料自愈合性能评价装置，包括环境箱（1），其特征在于，所述环境箱（1）内设有润湿测试机构和扩散测试机构，润湿测试机构包括培养皿（2），培养皿（2）内设有用于放置沥青试块的支架（3），支架（3）的一侧固定有用于盛放试验沥青的玻璃管（9），玻璃管（9）的一侧设有尺寸大于沥青试块侧面的开槽（6），开槽（6）上设有挡板（8），挡板（8）的上部设有提手（10）；所述扩散测试机构包括两个相对的固定端（12），两个固定端（12）分别通过伸缩杆（13）固定在环境箱（1）的两侧。

2.根据权利要求1所述的沥青材料自愈合性能评价装置，其特征在于，所述挡板（8）固定在定位夹上，定位夹套设在玻璃管（9）上；所述挡板（8）上设有密封圈，密封圈与开槽（6）相配合。

3.根据权利要求1所述的沥青材料自愈合性能评价装置，其特征在于，所述支架（3）的中部设有重力传感器（7），伸缩杆（13）内设有拉力传感器（15），重力传感器（7）和拉力传感器（15）均与控制器相连接，控制器与显示器相连接。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的沥青材料自愈合性能评价装置，其特征在于，所述伸缩杆（13）为电动伸缩杆，电动伸缩杆与控制器相连接；所述环境箱（1）的底部设有进水管（4）和出水管（5），进水管（4）和出水管（5）上均设有电磁阀，环境箱（1）内设有温度传感器，温度传感器和电磁阀均与环境箱控制装置相连接。

5.根据权利要求4所述的沥青材料自愈合性能评价装置，其特征在于，所述开槽（6）的底部与支架（3）的上部相平齐。

6.根据权利要求1或5所述的沥青材料自愈合性能评价装置，其特征在于，所述固定端（12）上设有调节器（11）。

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