CN102183409A - 废旧沥青混凝土中老化沥青性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的沥青混凝土剪切性能测试方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：从路面钻芯切割成规定尺寸的圆柱体沥青混凝土试件并测定其孔隙率；步骤2：成型与试件参数及尺寸相同的圆柱体标准试件；步骤3：将沥青混凝土试件保温于恒温空气浴中至试件内部达到试验要求温度；步骤4：将试件’、模具、橡胶薄膜及位移传感器按照规定方法组合并对中；步骤5：利用动力设备施加以一定速率增大的静态压力于压头上，直至试件破坏；并利用数据采集***记录试验过程中试件的竖向位移及荷载；试验过程中试验环境温度保持在要求的温度。本发明提供的测试方法及试验指标可以有效而准确地评价老化沥青混凝土中沥青材料的硬化与脆化特性。

Description

废旧沥青混凝土中老化沥青性能测试方法

技术领域

本发明涉及沥青老化后性能测试技术领域。

背景技术

近十余年来，我国公路建设迅速发展，到2007年底，全国公路通车里程已达到357万公里，高速公路通车里程超过5万公里位居世界第二；其中沥青路面占据了90％以上的比例，SBS改性沥青又在高等级公路中大量使用。从我国实际情形看，大部分沥青路面在运营后，短的2～3年，长的5～6年就进入大面积维修和改造期。因此，我国目前在高速公路飞速建设的同时，已经进入了一个持续的大规模养护维修期。对废旧沥青混合料不仅将节约大量自然资源，同时可以有效的节约工程成本和社会成本，随着环保意识的增强和石油资源的紧张，再生利用已成为沥青路面养护工程的重要发展方向。在对废旧沥青混合料进行再生利用时，首先要评价旧沥青的老化情况。沥青的老化主要表现在两个方面，即沥青出现硬化和脆化。从沥青指标上看沥青硬化表现为针入度降低、软化点降低及粘度提高，沥青脆化表现为延度降低；从混合料角度看沥青硬化表现为表现为强度提高；高温稳定性提高，抗裂性降低，疲劳性能降低。目前，我国对旧沥青混凝土老化程度的评价时采用“抽提回收”方法，即首先用三氯乙烯将废旧沥青混合料中的沥青溶解到三氯乙烯中，形成“三氯乙烯+旧沥青”的回收液；然后再通过回收试验将三氯乙烯从回收液中蒸馏出来，从而获得回收沥青。通过评价回收沥青的性能(针入度、软化点、延度、粘度)来反映废旧沥青混合料中沥青的的老化程度。大量的研究表明，现有的抽屉回收试验在评价普通沥青混合料老化程度上，存在着各种各样的问题；在评价改性沥青混合料时这些问题更为突出，这里综述之。

(1)目前，规范中所规定的抽提溶剂为三氯乙烯，当废旧沥青混合料为基质沥青胶结材料时，三氯乙烯可以在较短的时间内将其完全溶解，即将废旧沥青混合料中的沥青抽提干净。当废旧沥青混合料为改性沥青胶结料时，若要将其中的改性沥青完全溶解，则需要较长时间，如三氯乙烯在溶解SBS改性剂含量为5%的老化改性沥青时，需要10h以上，才能将其基本溶解(存在一些杂质或未能溶解的改性剂)。一般情况下，抽提试验不可能进行如此长的时间，因此，会造成所抽提出的沥青多为包裹在混合料上的外层沥青，从而使最终获得的沥青与废旧沥青混合料中的沥青性能产生一定的差别。

(2)在抽提过程中，很难做到将矿粉与溶液完全分开，即使经过高速离心或24h静置沉淀，也会有部分矿粉存在于抽提溶液中。抽提溶液经过蒸馏之后，矿粉会残留在回收沥青中。有研究资料表明，当沥青中含有矿粉时，无论是基质沥青还是改性沥青其性质将会产生较大变化，即残留矿粉会对回收沥青的性质产生较大影响。

(3)在回收过程中，如要将三氯乙烯回收干净，则需要在150℃以上持续加热较长时间，这又会使沥青进一步老化；如果回收时间不够，而使三氯乙烯残留在沥青中，则会使回收沥青的延展性大幅提高。并且SBS改性沥青在经由溶剂溶解之后，改性沥青的原有结构(如星型结构、线性结构)被破坏掉。该结构是由于SBS改性沥青制作过程中SBS改性剂经过高速剪切，发生溶胀而形成，而回收的SBS改性沥青结构与原有结构存在巨大差异，这将对旧沥青的评价产生一定的影响。

总之，目前评价沥青混凝土老化程度的测试方法存在着以上几个方面的不足，即优秀的测试方法需要满足以下几个方面：a，在进行沥青混凝土老化程度评价的时候，能够避免废旧沥青混合料中老化沥青的性质发生变化。

b，能够避免老化沥青的结构发成变化，适用于改性沥青。

c，沥青老化后主要表现出***变脆的性质，该方法要能够准确的评价出废旧沥青混凝土中老化沥青的性质变化，减小试验误差，避免其受矿粉，抽提溶剂等的影响。

d，试验方法较简单，设备要求不高，操作过程容易，便于现场取芯测试，利于试验方法推广。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种废旧沥青混凝土中老化沥青性能测试方法，可以更加准确地评价废旧沥青混凝土中沥青的老化程度，可以简单方便地得到老化沥青的硬化脆化情况，可以消除测试过程中沥青结构变化及其它因素导致的沥青性能变化，同时试验设备要求不高，适用于改性沥青。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

步骤1：从现场钻芯取回需要再生的路面结构层芯样，将芯样进行切割，要求切割后的试件为圆柱体沥青混凝土试件，其直径为150mm±2.0mm，高度为40~60mm±2.0mm；并保证该试件两个端面相互平行且水平；

步骤2：将现场取回的芯样略微加热并分散至较小团块，并避免集料破碎，用燃烧法或抽提法测定沥青混合料的油石比，并去掉沥青保留集料；以与原路面芯样相同的油石比和级配将旧集料与再生工程中所用的沥青拌合成型旋转压实试件并保证所成型试件孔隙率与路面芯样相同，对该试件进行切割，使其尺寸与圆柱体沥青混凝土试件相同，即为标准试件；

步骤3：将圆柱体沥青混凝土试件、标准试件置于规定的恒温空气浴中，直至沥青混凝土试件内部温度达到要求的试验温度；打开试验机，使环境温度箱达到要求的试验温度；其中试验温度为10℃；

步骤4：将对中装置放入加载设备的底座中的圆孔内，将垫块放在底座上并使对中装置露出部分***垫块的凹槽内以便整套模具对中；将中空圆柱体模具置于垫块上部，使中空圆柱体模具套在垫块上部的突起处，将凡士林或其它润滑剂均匀涂抹于第一圆环形橡胶薄膜和第二圆形橡胶薄膜的两层之间，将第一圆环形橡胶薄膜置于中空圆柱体模具上；

步骤5：将位移传感器置于第一模具中，使数据线通过中空圆柱体模具(3)侧壁的圆孔将动力装置与数据采集***相连；

步骤6：将沥青混凝土试件从恒温空气浴中取出，立即安放在对称圆筒形第一模具上部并保证边缘重合；同时将荷载压头放于标准试件顶部中心，标准试件与压头中间放置第二橡胶薄膜，薄膜中间均匀地涂抹一层凡士林；

步骤7：利用动力设备施加以一定速率增大的轴向静态压力荷载于压头上，并利用数据采集***记录加载的轴向压力、标准试件的竖向位移和加载时间的相关数据，试验过程中试验环境温度保持在10℃。

试件保温在试验者设定的温度下至少2小时。

整套模具须对中，且橡胶膜不可太厚，橡胶薄膜之间涂有润滑油。

所述步骤7的荷载施加方式为：动力装置通过压头对试件施加以一定速率增大的轴向静态压力。

有益效果：本发明提供的废旧沥青混凝土中老化沥青的性能测试方法是通过混合料性能试验，反映老化沥青的性能变化。首先，该方法能够准确评价出废旧沥青混凝土中老化沥青的硬化、脆化程度，能够准确反映出老化沥青性质。其次，该方法避免了抽屉回收过程中由于溶剂、矿粉、加热时间等因素的作用而导致的沥青性质变化，真实的反映了原有路面中老化沥青的性质并能适用于改性沥青。再次，老化沥青混合料试件的制备采用路面钻芯并切割，标准试件的制备采用旧集料加新沥青的方式，材料来源简便易行。最后，试验方法较简单，设备要求不高，操作过程容易，便于现场取芯测试，利于试验方法推广。

附图说明

图1为各种配件组合示意图。

图中有：压头1；圆柱体沥青混凝土试件2、标准试件2’；中空圆柱体模具3；垫块4；对中装置5；动力装置6；位移传感器7；数据采集***8；第一圆环形橡胶薄膜9；第二圆形橡胶薄膜10。

具体实施方式

本发明提供的沥青混凝土剪切性能测试方法的设计思路是，通过评价老化沥青混合料的性能，反映老化沥青的性能。当沥青混合料试件的油石比、级配、孔隙率等参数相同而只有沥青不同时，沥青混合料试件的性质即代表沥青的性质。沥青老化后其特性主要表现为***变脆，因此，对沥青混合料试件的测试应能反映出老化沥青的硬化及脆化程度。对老化沥青混合料试件按某一加载速率施加静荷载，当试验温度为10℃时，沥青混凝土试件的破坏为脆性破坏。沥青老化程度越严重，沥青硬化程度越高，沥青混合料试件破坏时的荷载越大；沥青脆化程度越高，沥青混合料试件的竖向变形越大。无论使用燃烧法试验还是抽提试验，从废旧沥青混合料中获得的旧集料相对容易且旧集料性质稳定，因此，可以将获得的旧集料与再生时所要加入的新沥青拌合，用旋转压实试验成型作为标准试件，保证标准试件的油石比、级配、孔隙率等参数与老化沥青混合料试件相同。对比老化沥青混合料试件和标准试件的破坏时荷载和破坏时的竖向变形即可反映出老化沥青的硬化及脆化程度。通过这样的试验设计，可以达到以下两个方面的目的：

通过评价从路面钻芯获得的沥青混合料试件的性质来反映路面中沥青的性质，可以避免常规方法中因为抽提回收使老化沥青性质发生变化，可以避免因残留溶剂及矿粉导致评价结果不准确。通过比较老化沥青混合料试件和标准试件的强度和竖向变形来得到老化沥青的***变脆程度。

旧集料的获得比旧沥青的获得容易得多，且旧集料比较稳定，老化沥青混合料试件直接从路面钻芯得到，材料的来源方面比常规方法容易且准确。测试方法简便易行，避免了抽提回收过程复杂且耗时的操作，对设备要求不高，便于推广。

在试件的准备上：

合理的试件尺寸时能够消除尺寸效应的，根据大量研究结果，能够消除沥青混合料尺寸效应的最小试件尺寸是不小于沥青混合料公称最大粒径3倍的大小。根据目前最常用的沥青混合料级配类型AC13、AC20和AC25，故试件高度为40~60mm不等。标准试件的混合料为旧集料加再生时所用的新沥青，拌合后通过旋转压实试验成型，成型高度为160~170mm，以便于切割得到2~3个平行试件。具体室内试验工作步骤为：

老化沥青混凝土试件2为圆柱形，通过路面钻芯获得，芯样直径150mm±2.0mm，将芯样切割，使其高度为40~60mm±2.0mm。标准试件的尺寸与老化沥青混凝土试件相同，首先通过燃烧法或抽提试验获得旧集料，与再生工程中所用的新沥青拌合，控制该混合料的级配及油石比与老化沥青混凝土相同；按照《沥青混凝土施工技术规范》中的拌合及成型要求，通过旋转压实成型试件，控制旋转压实高度(可以通过计算及试压确定)，使试件的孔隙率与老化沥青混凝土试件2相同。将该试件进行切割，使其高度与老化沥青混凝土试件2相同，即得到标准试件2’。

切割面应垂直于沥青混凝土试件的侧面。切割面最大坡度不超过1％的试件为合格试件，否则需要利用磨光机打磨至符合要求，切割面最大坡度超过2％的试件不可用于试验。每组试验的平行试件不少于3个。

沥青混合料的集料最大粒径应不大于26.5mm。

在测量仪具与材料方面：

材料试验机，其他可施加荷载并测试变形的路面材料试验设备也可使用，但必须满足下列条件：

(a)    动力设备(6)可以按一定的加载速率施加荷载，满足试验者所需的最大荷载应满足不超过其量程的80％，且不小于量程的20％的要求。试验机宜具有侍服***，在加载过程可以控制加载力，保证在加载过程中加载力可以以一恒定速率增大，一般可控加载力范围为0kN～25kN最小分度值为10N。

(b)    加载压头1，应为钢制材料，中空圆柱体模具3；垫块4；对中装置5；动力装置6可为钢制材料或铝合金材料。

(c)    具有环境保温箱，控温准确度0.5℃，温控范围最大值至少70℃；

(d)   变形测量装置7为竖向移传感器，要求测量变形精度至少为0.1mm，量程大于预估的试件变形量，一般量程5mm已足够。

数据采集***8：能自动采集荷载传感器和位移传感器的电测信号，在数据采集***中存储或在X－Y记录仪上绘制施加荷载与竖向变形的关系曲线。当试验机具有自动测定荷载及竖向变形的测量仪时，可以直接使用，不必另外配备变形测量装置，但要求测量变形精度至少为0.1mm，量程大于预估的试件变形量，一般量程5mm已足够。

恒温烘箱：用于保温试件，可调节温度范围应能满足试验要求，温控程度为±0.5℃，应当具有空气循环***。

④双层薄膜橡胶垫即第一橡胶薄膜9、 第二橡胶薄膜10，为聚酯材料或类似材料，其厚度不可过大影响而竖向荷载测量精度。两层橡胶垫之间涂抹凡士林或其他润滑剂，避免圆柱体沥青混凝土试件2及标准试件2’与中空圆柱体模具之间产生横向力。

在测试方法与步骤方面应满足如下条件：

1、准备工作：

按要求制作试件，每组试验平行试件不少于3个，同时测量并记录试件的高度和直径，取平均值，并需要满足规定尺寸要求。同时每一个试件必须利用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052－2000)中密度测量方法测量试件密度，并计算空隙率，且使老化沥青圆柱体沥青混凝土试件2和标准试件2’孔隙率相同。

将圆柱体沥青混凝土试件2置于规定稳定的恒温空气浴中4h以上，直至圆柱体沥青混凝土试件2及标准试件2’内部温度达到要求的试验温度±0.5℃为止。保温时圆柱体沥青混凝土试件2及标准试件2’应放在支起的平板玻璃或表面平整的木板或金属板，试件之间的距离应不小于10mm，空气浴应当有空气循环***支持。

试验前30min，将试验机打开，打开温控***，使其环境温度箱达到要求的试验温度。

④将中空圆柱体模具3；垫块4；对中装置5；按照顺序放于试验台上，并对中。将凡士林或其他润滑剂均匀涂抹于第一橡胶薄膜9、 第二橡胶薄膜10的两层之间，将第一橡胶薄膜9置于中空圆柱体模具上并保证边缘对齐，将位移传感器置于中空圆柱体模具内。

2、测试步骤

将沥青混凝土试件2从恒温空气浴中取出，立即安放在已经放有橡胶薄膜的中空圆柱体模具3上，然后将放置有沥青混凝土试件2的圆筒夹具1置于试验台上，并将压头1置于试件上表面中心处，压头1与试件之间放置第二橡胶薄膜10。试验过程中如双层橡胶薄膜之间出现粘联情况，则应继续涂抹润滑油使其保持润滑。

将竖向位移传感器7与数据采集***8相连。如果试验加载装置具有自动测量竖向变形的功能，此步骤省略。

开动动力设备，以一定的速率施加静荷载直至试件破坏。

④利用数据采集***8记录在荷载施加直至试件破坏过程中，试件的竖向变形及荷载大小。要求数据采集精度为，时间精确到0.1s，竖向变形精确到0.1mm。

3、试验原理

证明可以通过沥青混凝土试件的性能测试来反映其中沥青的性能：

材料复合理论将复合材料视为一个多相***，复合材料性能遵循一定的混合物定律方程，如复合法则：

                          (1)

式中：

——复合材料的性能；

——组分材料

与

对应的性能；

——组分材料

的体积参数；

——复合效应常数。

如上述公式所示，当复合材料中其他材料性质固定而变化其中一种材料时，复合材料的性能取决于该变化的材料性能，即复合材料性能的变化规律与该种材料的性能变化规律一致。在沥青混凝土试件中，当级配、油石比、孔隙率等一致时，混凝土的性能变化取决于沥青性能的变化，即可以通过沥青混凝土的性能测试反映沥青的性能变化。

Claims (4)

1.一种沥青混凝土剪切性能测试方法，其特征在于该测试方法包括如下步骤：

步骤1：从现场钻芯取回需要再生的路面结构层芯样，将芯样进行切割，要求切割后的试件为圆柱体沥青混凝土试件(2)，其直径为150mm±2.0mm，高度为40~60mm±2.0mm；并保证该试件两个端面相互平行且水平；

步骤2：将现场取回的芯样略微加热并分散至较小团块，并避免集料破碎，用燃烧法或抽提法测定沥青混合料的油石比，并去掉沥青保留集料；以与原路面芯样相同的油石比和级配将旧集料与再生工程中所用的沥青拌合成型旋转压实试件并保证所成型试件孔隙率与路面芯样相同，对该试件进行切割，使其尺寸与圆柱体沥青混凝土试件(2)相同，即为标准试件(2’)；

步骤3：将圆柱体沥青混凝土试件(2)、标准试件(2’)置于规定的恒温空气浴中，直至沥青混凝土试件内部温度达到要求的试验温度；打开试验机，使环境温度箱达到要求的试验温度；其中试验温度为10℃；

步骤4：将对中装置(5)放入加载设备的底座中的圆孔内，将垫块(4)放在底座上并使对中装置(5)露出部分***垫块(4)的凹槽内以便整套模具对中；将中空圆柱体模具(3)置于垫块(4)上部，使中空圆柱体模具(3)套在垫块(4)上部的突起处，将凡士林或其它润滑剂均匀涂抹于第一圆环形橡胶薄膜9和第二圆形橡胶薄膜（10）的两层之间，将第一圆环形橡胶薄膜（9）置于中空圆柱体模具(3)上； 

步骤5：将位移传感器(7)置于第一模具(3)中，使数据线通过中空圆柱体模具(3)侧壁的圆孔将动力装置（6）与数据采集***(8)相连；

步骤6：将沥青混凝土试件(2)从恒温空气浴中取出，立即安放在对称圆筒形第一模具(3)上部并保证边缘重合；同时将荷载压头(1)放于标准试件(2)顶部中心，标准试件(2)与压头(1)中间放置第二橡胶薄膜(10)，薄膜中间均匀地涂抹一层凡士林；

步骤7：利用动力设备(6)施加以一定速率增大的轴向静态压力荷载于压头(1)上，并利用数据采集***(8)记录加载的轴向压力、标准试件(2)的竖向位移和加载时间的相关数据，试验过程中试验环境温度保持在10℃。

2.如权利要求1所述的老化沥青性能测试方法，其特征在于，试件保温在试验者设定的温度下至少2小时。

3. 如权利要求1所述的老化沥青性能测试方法，其特征在于，整套模具须对中，且橡胶膜不可太厚，橡胶薄膜之间涂有润滑油。

4. 如权利要求1所述的沥青混凝土剪切性能测试方法，其特征在于，所述步骤7的荷载施加方式为：动力装置通过压头对试件施加以一定速率增大的轴向静态压力。

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