CN114034562B - 一种集料与沥青拉伸失效评估方法 - Google Patents

一种集料与沥青拉伸失效评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种集料与沥青拉伸失效评估方法，利用动态剪切流变仪对沥青混合料进行拉伸试验，得到所述沥青混合料的法向力‑拉伸位移曲线图，根据所述曲线图对集料与沥青的失效机制进行评估。通过本发明提供的集料与沥青拉伸失效评估方法得到的曲线图，能够准确判断出集料与沥青的失效类型，还可以进一步计算得到沥青混合料不同失效类型的临界厚度，对于研究、改善沥青混合料的抗疲劳性能具有重要意义；另外，本发明利用动态剪切流变仪对沥青混合料进行拉伸试验，无需借助其他仪器，且无需对动态剪切流变仪进行调整，操作方法简单，提高了评估效率。

Description

一种集料与沥青拉伸失效评估方法
技术领域
本发明涉及道路材料技术领域，具体涉及一种集料与沥青拉伸失效评估方法。
背景技术
近年来，沥青路面凭借路面平整、行驶舒适、噪声低、施工周期短以及养护维修简单等特点成为现代交通道路的主要形式。但在车轮动荷载的反复作用下，沥青路面容易产生拉伸失效，形成车辙、松散、拥包等病害，影响道路的正常使用。
沥青路面的主要材料为沥青混合料，沥青混合料的拉伸失效通常表现为沥青-集料界面的黏附失效与沥青自身的黏聚失效，当前对沥青混合料拉伸失效的测试大多集中在沥青-集料界面的黏附失效，例如水煮法、水浸法、BBS(粘合剂粘合强度)测试、基于DMA(动态力学分析仪)的张力测试等方法，缺少对沥青自身的黏聚失效的研究；另一方面，上述方法存在测试结果准确性差、缺少对拉伸失效的定量评估指标、操作复杂等问题。
鉴于以上缺点，有必要提供一种能够准确评估集料与沥青失效机制的方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种集料与沥青拉伸失效评估方法，利用动态剪切流变仪对沥青混合料进行拉伸试验，得到所述沥青混合料的法向力-拉伸位移曲线图，根据所述曲线图对集料与沥青的失效机制进行评估。通过本发明提供的集料与沥青拉伸失效评估方法得到的曲线图，能够准确判断出集料与沥青的失效类型，还可以进一步计算得到沥青混合料不同失效类型的临界厚度，对于研究、改善沥青混合料的抗疲劳性能具有重要意义；另外，本发明利用动态剪切流变仪对沥青混合料进行拉伸试验，无需借助其他仪器，且无需对动态剪切流变仪进行调整，操作方法简单，提高了评估效率。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种集料与沥青拉伸失效评估方法，包括以下步骤：
S1：制备集料试件，所述集料试件包括完全相同的第一集料试件和第二集料试件；
S2：将所述第一集料试件和所述第二集料试件安装于动态剪切流变仪中，所述第一集料试件位于所述第二集料试件的上方，并且同轴设置；
S3：将沥青试件放置在所述第一集料试件和所述第二集料试件之间，并将所述沥青试件挤压至目标厚度，所述第一集料试件、第二集料试件和沥青试件形成沥青混合料；
S4：利用动态剪切流变仪对所述沥青混合料进行拉伸试验，得到所述沥青混合料的法向力F-拉伸位移d曲线图，根据所述曲线图对待评估的集料与沥青的失效机制进行评估。
可选的，步骤S1包括以下步骤：
提供一集料板，将所述集料板打磨成镜面，并依次进行粗磨、细磨修复划痕、抛光和镜面抛光处理；
切割所述集料板至2mm厚度，利用取芯机制成圆柱体集料试件。
可选的，步骤S2包括以下步骤：
将第一连接基座和第二连接基座分别安装在所述动态剪切流变仪的上、下夹具中；
在所述第一集料试件的底面涂覆环氧树脂，并将其与所述第一连接基座固定对齐连接形成第一部件，在所述第二集料试件的底面涂覆环氧树脂，并将其与所述第二连接基座固定对齐连接形成第二部件；
环氧树脂初步硬化后，自所述动态剪切流变仪取出所述第一部件和第二部件，并将所述第一部件和第二部件放置于水平台面至环氧树脂完全固化；
将所述第一部件和第二部件安装至所述动态剪切流变仪。
可选的，步骤S3包括以下步骤：
通过所述动态剪切流变仪的控温装置加热所述集料试件；
将所述沥青试件放置于所述第二集料试件的表面，所述第一集料试件挤压所述沥青试件至刮膜厚度；
对所述沥青试件进行刮膜处理，
通过所述第一集料试件进一步挤压所述沥青试件至所述目标厚度tk。
可选的，所述沥青试件为圆柱体，且所述沥青试件的底面半径R2与所述集料试件的底面半径R1相等。
可选的，所述目标厚度与所述刮膜厚度的比值为40∶41。
可选的，所述目标厚度tk介于100μm～350μm。
可选的，步骤S4还包括：
分别对不同目标厚度的沥青混合料进行拉伸试验，得到不同目标厚度的沥青混合料的法向力F-拉伸位移d曲线图；
对于每一个目标厚度，取所述法向力的最大值Fmax，获得该目标厚度的所述沥青混合料的拉伸强度St：
可选的，步骤S4还包括：根据所述法向力F-拉伸位移d曲线图判断集料与沥青的失效类型。
可选的，步骤S4还包括：
根据所述拉伸强度，获得不同目标厚度的沥青混合料的拉伸强度St-目标厚度tk曲线图；
对所述拉伸强度St-目标厚度tk曲线图进行多次拟合，获得所述集料与沥青不同失效类型的沥青的临界厚度
可选的，还包括：
根据所述临界厚度判断待评估的集料与沥青的失效类型，当目标厚度/>时，所述待评估的集料与沥青拉伸失效类型为沥青-集料界面的黏附失效；
当目标厚度时，所述待评估的集料与沥青拉伸失效类型为沥青自身的黏聚失效。
可选的，所述拉伸强度St与所述目标厚度tk的关系式为：
可选的，所述临界厚度
本发明提供的集料与沥青拉伸失效评估方法，至少具有以下技术效果：
本发明提供的集料与沥青拉伸失效评估方法，利用动态剪切流变仪对沥青混合料进行拉伸试验，得到所述沥青混合料的法向力-拉伸位移曲线图，根据所述曲线图对集料与沥青的失效机制进行评估。通过本发明提供的集料与沥青拉伸失效评估方法得到的曲线图，能够准确判断出集料与沥青的失效类型，还可以进一步计算得到沥青混合料不同失效类型的沥青的临界厚度，根据该临界厚度，可以对待评估的沥青混合料进行失效类型的判断，对于研究、改善沥青混合料的抗疲劳性能具有重要意义；另外，本发明利用动态剪切流变仪对沥青混合料进行拉伸试验，无需借助其他仪器，且无需对动态剪切流变仪进行调整，操作方法简单，提高了评估效率。
附图说明
图1显示为实施例提供的集料与沥青拉伸失效评估方法的流程图。
图2显示为沥青混合料安装在动态剪切流变仪中的示意图。
图3显示为实施例步骤S4得到的沥青混合料的法向力F-拉伸位移d曲线图。
元件标号说明
11 第一连接基座
12 第二连接基座
21 上夹具
22 下夹具
31 第一集料试件
32 第二集料试件
41 第一部件
42 第二部件
50 沥青试件
100 动态剪切流变仪
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量、位置关系及比例可在实现本方技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例
本实施例提供一种集料与沥青拉伸失效评估方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤S1：制备集料试件，所述集料试件包括完全相同的第一集料试件和第二集料试件；
首先，提供一集料板，利用打磨机将集料板打磨成镜面，并利用不同的磨片依次对集料板进行粗磨、细磨修复划痕、抛光和镜面抛光处理。作为示例，集料板可以选自花岗岩、石灰岩、玄武岩中的一种，本实施例中，集料板为玄武岩。
接着，利用切割机切割集料板，并将切割好的集料板固定到取芯机上面，用钻头对集料板进行钻取，制得圆柱体集料试件。作为示例，切割后的集料板厚度为2mm，制成的圆柱体集料试件的底面半径R1为4mm。
步骤S2：将所述第一集料试件和所述第二集料试件安装于动态剪切流变仪中，所述第一集料试件位于所述第二集料试件的上方，并且同轴设置；
首先，如图2所示，将第一连接基座11和第二连接基座12分别安装在动态剪切流变仪100的上夹具21和下夹具22中，并通过垫片、螺丝、螺帽(未在图中示出)将第一连接基座11和第二连接基座12固定在上夹具21和下夹具22中。作为示例，第一连接基座11和第二连接基座12为完全相同的圆柱体结构。
接着，在动态剪切流变仪100的归零校正模式下，在第一集料试件31的底面涂覆环氧树脂，并将其与第一连接基座11固定对齐连接形成第一部件41；在第二集料试件32的底面涂覆环氧树脂，并将其与第二连接基座12固定对齐连接形成第二部件42。作为示例，第一连接基座11、第二连接基座12的底面积分别大于或等于第一集料试件31、第二集料试件32的底面积。优选地，第一连接基座11、第二连接基座12的底面积分别等于第一集料试件31、第二集料试件32的底面积。接着，通过位置微调确保集料试件与连接基座同心同轴设置。
待环氧树脂初步硬化后，自动态剪切流变仪100取出第一部件41和第二部件42，并将第一部件41和第二部件42放置于水平台面24h至环氧树脂完全固化。环氧树脂完全固化后，将第一部件41和第二部件42安装至动态剪切流变仪100中。
步骤S3：将沥青试件放置在所述第一集料试件和所述第二集料试件之间，并将所述沥青试件挤压至目标厚度，所述第一集料试件、第二集料试件和沥青试件形成沥青混合料；
首先，对动态剪切流变仪100进行校正，例如惯量校正、马达校正、归零校正等，以避免仪器在试验中产生误差。
接着，通过动态剪切流变仪100的控温装置对第一集料试件31和第二集料试件32进行加热，作为示例，加热温度为40℃。
接着，将预先制成的沥青试件50放置于第二集料试件32的表面。在本实施例中，将70号基质沥青放置于烘箱中，在135℃下烘制成流动状态，然后取出浇到硅胶膜具中，形成沥青试件50，沥青试件50为圆柱体，且其底面半径R2与所述集料试件的底面半径R1相等，均为4mm。
接着，第一集料试件31挤压沥青试件50至刮膜厚度，刮膜处理后，第一集料试件31进一步挤压沥青试件50至目标厚度，此时第一集料试件31、第二集料试件32和沥青试件50形成沥青混合料。在本实施例中，目标厚度tk介于100μm～350μm，例如可以是100μm、150μm、200μm、250μm、300μm和350μm，目标厚度与所述刮膜厚度的比值为40：41。
最后，将沥青混合料加热至试验温度并控温10min。作为示例，试验温度可以为20℃、25℃和30℃，在本实施例中，试验温度为30℃。
步骤S4：利用动态剪切流变仪对所述沥青混合料进行拉伸试验，得到所述沥青混合料的法向力F-拉伸位移d曲线图，根据所述曲线图对待评估的集料与沥青的失效机制进行评估。
作为示例，利用动态剪切流变仪对沥青混合料进行拉伸试验，拉伸速率为5μm/s，试验结束后得到不同目标厚度的沥青混合料的法向力F-拉伸位移d曲线图，该法向力F-拉伸位移d曲线图如图3所示。通过法向力F-拉伸位移d曲线图能够判断集料与沥青的失效类型，例如目标厚度tk为100μm、150μm、200μm和250μm的曲线图均出现了两次明显的快速失稳阶段，在第一阶段，法向力F达到峰值后迅速减小，并长期稳定在一个较小值，在此阶段沥青-集料界面的黏附失效占据主导地位；第二阶段，在拉伸完全失效的后期，产生第二次法向力F失稳现象，在此阶段沥青自身的黏聚失效占据主导地位。整体来看，对于沥青试件的目标厚度tk为100μm、150μm、200μm和250μm的沥青混合料，其主要的失效类型为沥青-集料界面的黏附失效。随着目标厚度tk的增加，黏聚失效占据的比例越来越明显，当目标厚度tk达到300μm时，拉伸失效完全体现为沥青自身的黏聚失效。
作为示例，通过法向力F-拉伸位移d曲线图还可以进一步计算集料与沥青不同失效类型的沥青的临界厚度首先，对于一个确定的目标厚度tk，从其法向力F-拉伸位移d曲线图中读取出其法向力的最大值Fmax，并由公式(1)获得沥青混合料的拉伸强度St：
对多个具有不同目标厚度tk的沥青混合料进行拉伸强度St的计算，得到以目标厚度tk为横坐标，以拉伸强度St为纵坐标的曲线图，利用公式(2)对拉伸强度St-目标厚度tk曲线图进行拟合，再由公式(3)计算得到集料与沥青不同失效类型的沥青的临界厚度
作为示例，得到上述临界厚度之后，还可以通过临界厚度定量判断集料与沥青的失效类型，当目标厚度/>时，集料与沥青拉伸失效类型为沥青-集料界面的黏附失效；当目标厚度/>时，待评估的集料与沥青拉伸失效类型为沥青自身的黏聚失效。
综上所述，本发明提供一种集料与沥青拉伸失效评估方法，利用动态剪切流变仪对沥青混合料进行拉伸试验，得到所述沥青混合料的法向力-拉伸位移曲线图，根据所述曲线图对集料与沥青的失效机制进行评估。本发明对集料-沥青界面黏结特征进行了研究，通过本发明提供的集料与沥青拉伸失效评估方法得到的曲线图，能够准确判断出集料与沥青的失效类型，还可以进一步计算得到沥青混合料不同失效类型的临界厚度，对于研究、改善沥青混合料的抗疲劳性能具有重要意义；另外，本发明利用动态剪切流变仪对沥青混合料进行拉伸试验，无需借助其他仪器，且无需对动态剪切流变仪进行调整，操作方法简单，提高了评估效率。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种集料与沥青拉伸失效评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制备集料试件，所述集料试件包括完全相同的第一集料试件和第二集料试件；
S2：将所述第一集料试件和所述第二集料试件安装于动态剪切流变仪中，所述第一集料试件位于所述第二集料试件的上方，并且同轴设置；
S3：将沥青试件放置在所述第一集料试件和所述第二集料试件之间，并将所述沥青试件挤压至目标厚度tk，所述第一集料试件、第二集料试件和沥青试件形成沥青混合料；
S4：利用动态剪切流变仪分别对不同目标厚度的沥青混合料进行拉伸试验，得到不同目标厚度的沥青混合料的法向力F-拉伸位移d曲线图，对于每一个目标厚度，取所述法向力的最大值Fmax，获得该目标厚度的所述沥青混合料的拉伸强度St：根据所述拉伸强度，获得不同目标厚度的沥青混合料的拉伸强度St-目标厚度tk曲线图，所述拉伸强度St与所述目标厚度tk的关系式为/>对所述拉伸强度St-目标厚度tk曲线图进行多次拟合，获得所述集料与沥青不同失效类型的沥青的临界厚度/>所述临界厚度/>根据所述临界厚度/>判断待评估的集料与沥青的失效类型。
2.根据权利要求1所述的集料与沥青拉伸失效评估方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：
提供一集料板，将所述集料板打磨成镜面，并依次进行粗磨、细磨修复划痕、抛光和镜面抛光处理；
切割所述集料板至2mm厚度，利用取芯机制成圆柱体集料试件。
3.根据权利要求1所述的集料与沥青拉伸失效评估方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：
将第一连接基座和第二连接基座分别安装在所述动态剪切流变仪的上、下夹具中；
在所述第一集料试件的底面涂覆环氧树脂，并将其与所述第一连接基座固定对齐连接形成第一部件，在所述第二集料试件的底面涂覆环氧树脂，并将其与所述第二连接基座固定对齐连接形成第二部件；
环氧树脂初步硬化后，自所述动态剪切流变仪取出所述第一部件和第二部件，并将所述第一部件和第二部件放置于水平台面至环氧树脂完全固化；
将所述第一部件和第二部件安装至所述动态剪切流变仪。
4.根据权利要求2所述的集料与沥青拉伸失效评估方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：
通过所述动态剪切流变仪的控温装置加热所述集料试件；
将所述沥青试件放置于所述第二集料试件的表面，所述第一集料试件挤压所述沥青试件至刮膜厚度；
对所述沥青试件进行刮膜处理，
通过所述第一集料试件进一步挤压所述沥青试件至所述目标厚度tk。
5.根据权利要求4所述的集料与沥青拉伸失效评估方法，其特征在于，所述沥青试件为圆柱体，且所述沥青试件的底面半径R2与所述集料试件的底面半径R1相等。
6.根据权利要求4所述的集料与沥青拉伸失效评估方法，其特征在于，所述目标厚度与所述刮膜厚度的比值为40∶41。
7.根据权利要求5所述的集料与沥青拉伸失效评估方法，其特征在于，所述目标厚度tk介于100μm～350μm。
8.根据权利要求1所述的集料与沥青拉伸失效评估方法，其特征在于，步骤S4还包括：根据所述法向力F-拉伸位移d曲线图判断集料与沥青的失效类型。
9.根据权利要求1所述的集料与沥青拉伸失效评估方法，其特征在于，还包括：
根据所述临界厚度判断待评估的集料与沥青的失效类型，当目标厚度/>时，所述待评估的集料与沥青拉伸失效类型为沥青-集料界面的黏附失效；
当目标厚度时，所述待评估的集料与沥青拉伸失效类型为沥青自身的黏聚失效。
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