CN106771105B - 一种评价沥青胶砂水稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种评价沥青胶砂水稳定性的方法，将沥青胶结料和集料成型制成沥青胶砂试件，先分别获得沥青胶砂试件于干燥条件和有水条件的裂缝扩展指数ΔR(N)，再用干燥条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)除以有水条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)得到裂缝扩展指数条件比，通过裂缝扩展指数条件比评价不同沥青胶砂试件的水稳定性。本发明提供的方法试验投资小、试验周期短、动态荷载下能够代表路面的实际受力状态，比较真实的反映了路面的实际情况。经与传统试验方法即冻融劈裂强度比比较，本发明评价沥青胶砂水稳定性的方法可靠性强，可广泛推广使用。
Description
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，具体涉及到一种评价沥青胶砂水稳定性的方法。
背景技术
在高速公路建设中，由于沥青路面具有良好的行车舒适性和优异的使用性能，以及建设速度快、养护维修简便等优点，国内80％以上高等级公路都采用沥青类路面结构型式。随着科技的进步，近年来全国范围内不断出现沥青及其混合料的检测指标均合格，但新建高等级公路通车不久即严重破损的现象。沥青及其混合料的抗水损害性能已再度成为人们关注焦点。
我国现行规范主要是通过水煮法对沥青与粗集料表面的粘附性和粗集料的抗水剥离能力进行评价，但是实践中发现，某些沥青尤其是改性沥青采用该测试方法时试验结果均为五级，无法进行有效区分，且该种方法是在静止的状态下进行测试，而沥青路面的使用条件是车辆不断施加荷载，由此，该方法还需要进行条件优化。
沥青路面在使用不久后产生水损害的早期破坏，大概可以归结于一种是沥青路面产生疲劳破坏，有裂缝，水渗入导致的水损害；另一种是沥青路面空隙率过大，在未有疲劳裂缝产生时，水就可以自动渗入致使路面产生水损害。第二种情况可以采取合理的路面设计方法进行改善，针对第一种情况，则需要研究沥青路面的疲劳特性。
据研究表明，沥青混合料的疲劳开裂主要集中在混合料的砂浆部分，该部分主要是沥青胶结料和过1.18mm筛的集料。而沥青胶砂中裂缝的引起和扩展主要依赖于材料的特性，包括蠕变柔性、裂缝扩展消耗能力及沥青与集料之间的粘附功。
现有技术中用于评价沥青胶砂疲劳性能的试验设备庞大、试验投资高、非动态荷载不能够代表路面实际受力状态的缺陷，存在诸多不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种试验投资小、试验周期短、动态荷载下评价不同沥青胶砂在干燥和有水条件下的疲劳性能，进而用二者比值评价沥青胶砂水稳定的方法，以克服现有技术试验设备庞大、试验投资高、非动态荷载不能够代表路面实际受力状态的缺陷。
本发明的上述目的是通过下面的技术方案得以实现的：
一种评价沥青胶砂水稳定性的方法，将沥青胶结料和集料成型制成沥青胶砂试件，先分别获得沥青胶砂试件于干燥条件和有水条件的裂缝扩展指数ΔR(N)，再用干燥条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)除以有水条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)得到裂缝扩展指数条件比，通过裂缝扩展指数条件比评价不同沥青胶砂试件的水稳定性，其中：
裂缝扩展指数ΔR(N)通过如下公式计算：
其中，N为任意给定的荷载循环次数，N＞1；
其中，粘附功ΔGf、参考模量GR、松弛参数m、松弛模量E1、疲劳参数b为沥青胶砂试件的性能参数，通过表面自由能试验和动态力学分析方法试验获得，具体如下：
ΔGf为沥青胶结料和集料的粘附功，通过表面自由能试验获得；
GR为低应变周期荷载作用下未破坏的沥青胶砂复数参考模量，通过动态力学分析方法试验中低应变试验获得，且试件在循环过程中没有发生损伤破坏；
E1、m分别为低应变周期荷载作用下沥青胶砂的松弛模量以及松弛参数，通过动态力学分析方法试验中低振幅恒定应变松弛试验获得，二者与对应时间t满足以下公式：
E(t)＝E0+E1t-m
其中，E0为常数；
b为高应变周期荷载作用下沥青胶砂的疲劳参数，通过如下公式计算得出：
WR＝a+bln(N)
其中，a为常数，N为给定荷载循环次数，N＞1；WR为耗散伪应变能，通过应力测量值-伪应变曲线的面积计算得出；
其中，干燥条件是指在测试获取沥青胶砂试件的性能参数前，将沥青胶砂试件置于常温常湿条件下存放；有水条件是指在测试获取沥青胶砂试件的性能参数前，将沥青胶砂试件浸于温度为25℃±0.5℃的恒温水中不少于2小时。
优选地，评价沥青胶砂水稳定性的方法中，所述沥青胶砂试件通过旋转压实仪成型，目标空隙率为8-12％；试件尺寸为45mm×10mm×10mm。
优选地，评价沥青胶砂水稳定性的方法中，在获取松弛参数m和松弛模量E1时，对胶砂试件施加0.0065％的应变进行300s的松弛试验。
优选地，评价沥青胶砂水稳定性的方法中，在获取复数参考模量GR时，对胶砂试件施加0.0065％的应变，10Hz正弦波持续500个循环。
优选地，评价沥青胶砂水稳定性的方法中，在获取疲劳参数b时，在高应变下以10Hz正弦波循环加载到规定的加载循环次数或者直到胶砂试件破坏，获得每个循环的应变，进而求得耗散伪应变能WR。
更优选地，评价沥青胶砂水稳定性的方法中，高应变为0.01％。
上述方法在评价沥青胶砂水稳定性中的应用。
本发明对现有技术的贡献：
本发明提供的方法将沥青(沥青胶结料)与集料之间的粘附功与动态力学分析(DMA)方法相结合，提出疲劳扩展指标，用来模拟和预测疲劳开裂的扩展，与其它疲劳试验相比，该测试方法试验投资小、试验周期短、动态荷载下能够代表路面的实际受力状态，比较真实的反映了路面的实际情况。通过测试沥青胶砂在干燥条件和有水条件下的疲劳特性，可以评价沥青胶砂的水稳定性和抗水损害能力。
具体实施方式
下面结合实施例具体介绍本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。实验中未详述的试验操作均为本领域技术人员所熟知的常规试验操作。
为便于理解，下面结合实施例对本发明的具体实施过程作进一步说明：
分别对按照设计级配，成型制备江苏70#、林拉90#、塔河90#以及克拉玛依90#四种沥青(即沥青胶结料)制备沥青胶砂试件，按照本发明提供的方法比较四种沥青胶砂的水稳定性，同时采用常规试验方法即冻融劈裂强度比来评价上述沥青胶砂的水稳定性能以验证本发明方法的可靠性。本发明评价方法的结束条件为1000次，或者胶砂试件破坏结束试验，当达到任何一个条件时停止试验。本实施中的材料均是执行到了加载循环次数1000次。
其中实施例1～4以及对照例5中的沥青胶砂所用的级配一样，具体如下表1所示。其中所用的集料为石灰石岩矿料，各项指标均符合《公路工程集料试验规程》规范要求。
表1矿料的合成级配通过率
本发明评价方法包括以下步骤：
S1：按照旋转压实仪成型试件，目标空隙率控制在10％±0.5％，切成尺寸为45mm×10mm×10mm的试件；
S2：低应变周期荷载作用下(粘弹性力学特性)分别在干燥条件和有水条件下确定沥青胶砂的松弛模量E1以及松弛参数m；在获取松弛参数m和松弛模量E1时，对胶砂试件施加0.0065％的应变进行300s的松弛试验，通过动态力学分析方法试验中低振幅恒定应变松弛试验获得，二者与对应时间t满足以下公式：E(t)＝E0+E1t-m，其中，E0为常数。
S3：确定低应变周期荷载作用下未破坏沥青胶砂分别在干燥条件和有水条件下的复数参考模量GR；通过动态力学分析方法试验中低应变试验获得，且试件在循环过程中没有发生损伤破坏；具体地，对胶砂试件施加0.0065％的应变，10Hz正弦波持续500个循环；
S4：建立高应变周期荷载作用下的疲劳损伤方程，利用最小二乘法分别在干燥条件和有水条件下确定疲劳参数b；疲劳损伤方程为WR＝a+bln(N)；其中，a为常数，N为给定荷载循环次数，N＞1；WR为耗散伪应变能，通过材料应力测量值-伪应变曲线的面积计算得出；在获取疲劳参数b时，在0.01％应变下以10Hz正弦波循环加载到规定的加载循环次数或者直到胶砂试件破坏，获得每个循环的应变，进而求得耗散伪应变能WR。
S5：利用表面自由能试验分别在干燥条件和有水条件确定沥青胶结料和集料粘附功ΔGf；
S6：建立疲劳荷载作用下的沥青胶砂裂缝扩展指数方程，分别求出干燥条件和有水条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)；
其中，N为任意给定的荷载循环次数，N＞1。
S7：用干燥条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)除以有水条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)得到裂缝扩展指数条件比，通过裂缝扩展指数条件比评价不同沥青胶砂的水稳定性。
其中，沥青胶砂试件制成后先正常养生，即在空气中放置24小时。干燥条件是指在测试获取沥青胶砂试件的性能参数前，将正常养生后的沥青胶砂试件置于常温常湿条件下存放；有水条件是指在测试获取沥青胶砂试件的性能参数前，将正常养生后的沥青胶砂试件浸于温度为25℃±0.5℃的恒温水中不少于2小时。
下述实施例中，集料和沥青的粘附功由表面自由能试验，采用视频光学接触角测量仪DSA100-Kruss来测得，动态力学分析方法试验采用动态剪切流变仪DHR-2来测得。
实施例1江苏70#沥青胶砂
将符合要求的试件按照本发明的试验方法按步骤进行。
通过低应变周期荷载作用下确定江苏70#沥青胶砂在干燥条件下和有水条件下的松弛模量E1以及松弛参数m。
表2江苏70#沥青胶砂E1和m值
| 试验条件 | E<sub>1</sub> | m |
| 干燥 | 2.1E+08 | 0.4 |
| 有水 | 3.2E+08 | 0.56 |
确定低应变周期荷载作用下未破坏的江苏70#沥青胶砂在干燥条件下和有水条件下复数参考模量GR；
表3沥青胶砂GR值
建立高应变周期荷载作用下的疲劳损伤方程，确定江苏70#沥青胶砂在干燥条件下和有水条件下的疲劳参数b；通过计算江苏70#沥青胶砂干燥条件下的疲劳参数b为31.6967。有水条件下的江苏70#沥青胶砂疲劳参数b为150。
利用表面自由能试验确定沥青胶结料和集料的粘附功ΔGf；干燥条件下江苏70#沥青胶结料和集料的粘附功ΔGf为53.35mJ/m2。有水条件下江苏70#沥青胶结料和集料的粘附功ΔGf为62.65mJ/m2。
建立疲劳荷载作用下的沥青胶砂裂缝扩展指数方程，求出裂缝扩展指数ΔR(N)；经过计算江苏70#沥青胶砂在干燥条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)为6.2628。在有水条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)为9.7435。经过计算江苏70#沥青胶砂的裂缝扩展指数条件比为64.27％。
实施例2林拉90#沥青胶砂
将符合要求的试件按照本发明的试验方法按步骤进行。
通过低应变周期荷载作用下确定林拉90#沥青胶砂在干燥条件下和有水条件下的松弛模量E1以及松弛参数m。
表4林拉90#沥青胶砂E1和m值
| 试验条件 | E<sub>1</sub> | m |
| 干燥 | 5.25E+08 | 0.23 |
| 有水 | 6.3E+08 | 0.5 |
确定低应变周期荷载作用下未破坏的林拉90#沥青胶砂在干燥条件下和有水条件下复数参考模量GR；
表5沥青胶砂GR值
建立高应变周期荷载作用下的疲劳损伤方程，确定林拉90#沥青胶砂在干燥条件下和有水条件下的疲劳参数b；通过计算林拉90#沥青胶砂干燥条件下的疲劳参数b为100。有水条件下的林拉90#沥青胶砂疲劳参数b为114。
利用表面自由能试验确定沥青胶结料和集料的粘附功ΔGf；干燥条件下林拉90#沥青胶结料和集料的粘附功ΔGf为45.58mJ/m2。有水条件下林拉90#沥青胶结料和集料的粘附功ΔGf为54.00mJ/m2。
建立疲劳荷载作用下的沥青胶砂裂缝扩展指数方程，求出裂缝扩展指数ΔR(N)；经过计算林拉90#沥青胶砂在干燥条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)为6.8519。在有水条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)为7.1425，所以林拉90#沥青胶砂的裂缝扩展指数条件比为95.93％。
实施例3塔河90#沥青胶砂
将符合要求的试件按照本发明的试验方法按步骤进行。
通过低应变周期荷载作用下确定塔河90#沥青胶砂在干燥条件下和有水条件下的松弛模量E1以及松弛参数m。
表6塔河90#沥青胶砂E1和m值
| 试验条件 | E<sub>1</sub> | m |
| 干燥 | 4.0E+08 | 0.28 |
| 有水 | 4.0E+08 | 0.17 |
确定低应变周期荷载作用下未破坏的塔河90#沥青胶砂在干燥条件下和有水条件下复数参考模量GR；
表7塔河90#沥青胶砂GR值
建立高应变周期荷载作用下的疲劳损伤方程，确定塔河90#沥青胶砂在干燥条件下和有水条件下的疲劳参数b；通过计算塔河沥青胶砂干燥条件下的疲劳参数b为619.03。有水条件下的塔河90#沥青胶砂疲劳参数b为1170。
利用表面自由能试验确定沥青胶结料和集料的粘附功ΔGf；干燥条件下塔河90#沥青胶结料和集料的粘附功ΔGf为36.64mJ/m2。有水条件下塔河90#沥青胶结料和集料的粘附功ΔGf为52.47mJ/m2。
建立疲劳荷载作用下的沥青胶砂裂缝扩展指数方程，求出塔河90#沥青胶砂在干燥条件下和有水条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)；经过计算塔河90#沥青胶砂在干燥条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)为21.7056。在有水条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)为24.7713，所以塔河90#沥青胶砂的裂缝扩展指数条件比为87.62％。
实施例4克拉玛依90#沥青胶砂
将符合要求的试件按照本发明的试验方法按步骤进行。
通过低应变周期荷载作用下确定克拉玛依90#沥青胶砂在干燥条件下和有水条件下的松弛模量E1以及松弛参数m；
表8克拉玛依90#沥青胶砂E1和m值
| 试验条件 | E<sub>1</sub> | m |
| 干燥 | 1.0E+09 | 0.39 |
| 有水 | 6.2E+08 | 0.525 |
确定低应变周期荷载作用下未破坏的克拉玛依90#沥青胶砂在干燥条件下和有水条件下复数参考模量GR；
表9克拉玛依90#沥青胶砂GR值
建立高应变周期荷载作用下的疲劳损伤方程，确定克拉玛依90#沥青胶砂在干燥条件下和有水条件下的疲劳参数b；通过计算克拉玛依90#沥青胶砂干燥条件下的疲劳参数b为142.2067。有水条件下的克拉玛依90#沥青胶砂疲劳参数b为167.17。
利用表面自由能试验确定沥青胶结料和集料的粘附功ΔGf；干燥条件下克拉玛依90#沥青胶结料和集料的粘附功ΔGf为45.03mJ/m2。有水条件下克拉玛依90#沥青胶结料和集料的粘附功ΔGf为64.82mJ/m2。
建立疲劳荷载作用下的沥青胶砂裂缝扩展指数方程，求出克拉玛依90#沥青胶砂在干燥条件下和有水条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)；经过计算克拉玛依90#沥青胶砂在干燥条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)为7.2802。在有水条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)为8.7480，所以克拉玛依90#沥青胶砂的裂缝扩展指数条件比为83.22％。
四种沥青胶砂的裂缝扩展指数的条件比如下表所示：裂缝扩展指数条件比越大表示在有水的条件下越不敏感，水稳定性越好。
表10裂缝扩展指数的条件比
沥青胶砂裂缝扩展指数△R(N)的条件比从大到小的排列次序为：林拉90#＞塔河90#＞克拉玛依90#＞江苏70#，说明林拉90#沥青胶砂的水稳定性能最好。
对照例5传统冻融劈裂试验评价法
依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011，以冻融劈裂试验中的强度比作为评价手段。对照组所用的试件的成型方式为马歇尔击实仪法，成型的圆柱体试件，试件的尺寸为直径为101.6±0.25mm，高为63.5±1.3mm，实验条件为温度25℃±0.5℃，加载速率为50mm/min。对照组沥青胶砂的空隙率与本发明所要求的空隙率一样，击实次数可根据孔隙率10％来调整。对照组四种沥青胶砂冻融劈裂试验的试验结果如下表11所示：
表11沥青胶砂的冻融劈裂强度比
| 沥青胶砂 | 冻融劈裂强度比(％) |
| 江苏70# | 72.87 |
| 林拉90# | 85.12 |
| 塔河90# | 80.37 |
| 克拉玛依90# | 78.44 |
通过实验发现，沥青胶砂的冻融劈裂强度比从大到小的排列次序为：林拉90#＞塔河90#＞克拉玛依90#＞江苏70#，与本发明的试验方法得出的试验结果一致，但本发明所涉及的试验方法考虑到沥青的粘弹性，同时测试方法试验投资小、试验周期短、动态荷载以及有水的情形下能够代表路面的实际受力状态。所以，本发明的评价方法可作为评价沥青胶砂水稳定性的一种实验方法。
以上实施例仅用于解释本发明，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下进行的任何显而易见改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种评价沥青胶砂水稳定性的方法，将沥青胶结料和集料成型制成沥青胶砂试件，其特征在于：先分别获得沥青胶砂试件于干燥条件和有水条件的裂缝扩展指数ΔR(N)，再用干燥条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)除以有水条件下的裂缝扩展指数ΔR(N)得到裂缝扩展指数条件比，通过裂缝扩展指数条件比评价不同沥青胶砂试件的水稳定性，其中：
裂缝扩展指数ΔR(N)为：
其中，N为任意给定的荷载循环次数，N＞1；
ΔGf为沥青胶结料和集料的粘附功，通过表面自由能试验获得；
GR为低应变周期荷载作用下未破坏的沥青胶砂复数参考模量，通过动态力学分析方法试验中低应变试验获得，且试件在循环过程中没有发生损伤破坏；
E1、m分别为低应变周期荷载作用下沥青胶砂的松弛模量以及松弛参数，通过动态力学分析方法试验中低振幅恒定应变松弛试验获得，二者与对应时间t满足以下公式：
E(t)＝E0+E1t-m
其中，E0为常数；
b为高应变周期荷载作用下沥青胶砂的疲劳参数，通过如下公式计算得出：
WR＝a+bln(N)
其中，a为常数，N为给定荷载循环次数，N＞1；WR为耗散伪应变能，通过应力测量值-伪应变曲线的面积计算得出；
其中，干燥条件是指在测试获取沥青胶砂试件的性能参数前，将沥青胶砂试件置于常温常湿条件下存放；有水条件是指在测试获取沥青胶砂试件的性能参数前，将沥青胶砂试件浸于温度为25℃±0.5℃的恒温水中不少于2小时。
2.根据权利要求1所述的评价沥青胶砂水稳定性的方法，其特征在于：所述沥青胶砂试件通过旋转压实仪成型，目标空隙率为8-12％；试件尺寸为45mm×10mm×10mm。
3.根据权利要求1所述的评价沥青胶砂水稳定性的方法，其特征在于：在获取松弛参数m和松弛模量E1时，对胶砂试件施加0.0065％的应变进行300s的松弛试验。
4.根据权利要求1所述的评价沥青胶砂水稳定性的方法，其特征在于：在获取复数参考模量GR时，对胶砂试件施加0.0065％的应变，10Hz正弦波持续500个循环。
5.根据权利要求1所述的评价沥青胶砂水稳定性的方法，其特征在于：在获取疲劳参数b时，在高应变下以10Hz正弦波循环加载到规定的加载循环次数或者直到胶砂试件破坏，获得每个循环的应变，进而求得耗散伪应变能WR。
6.根据权利要求5所述的评价沥青胶砂水稳定性的方法，其特征在于：高应变为0.01％。
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