一种基于直接剪切实验的沥青愈合性能评估方法

1.本发明涉及沥青材料性能检测领域，具体涉及一种沥青材料愈合性能的测试和评估方法。


背景技术：

2.通常在实验室测量的沥青混合料的疲劳寿命是在现场观测到的疲劳寿命的一小部分，造成这种巨大差异的原因之一就是沥青材料的自愈合特性。沥青材料的自愈合是在荷载作用期间的休息期逆转裂纹增长的过程。为了准确预测沥青材料的疲劳寿命以及改善沥青材料的愈合性能，需要深入了解沥青材料的愈合机理以及准确地表征沥青材料的愈合性能。
3.目前对于沥青材料自愈合特性的研究，包括微观模拟和宏观实验。传统实验方法聚焦于沥青内部的愈合，而忽略了实际情况中集料的影响。而且传统实验对于沥青材料愈合的表征方法争议较大，很难达成共识。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于直接剪切实验的沥青材料愈合性能评估方法，能够更加有效地评价沥青材料的愈合性能。
5.为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于直接剪切实验的沥青愈合性能评估方法，其特点在于：先选取集料石块和沥青，制备集料+沥青+集料的三明治试件，对该试件进行直接剪切破坏以及愈合试验；根据实验结果，实测不同条件下的抗剪强度恢复，计算沥青材料的愈合指数，并评价其愈合性能(如愈合速度和潜能)。具体包括以下步骤：
7.步骤1：制备圆柱体集料石块；
8.步骤1.1：切割集料石块，得到厚度为20mm和40mm的集料石块；
9.步骤1.2：采用金刚砂磨机，将集料石块的表面打磨至平整且粗糙度一致；
10.步骤1.3：将打磨后的集料石块平放在钻芯机操作平台并固定，钻取直径19mm、高度20mm以及直径19mm、高度40mm的若干圆柱体集料石块；
11.步骤1.4：将圆柱体集料石块放入高压水中冲洗，并将清洗后的材料放置于通风处2小时，最后放入烘箱烘干剩余水分。
12.步骤2：制备若干相同尺寸、相同沥青膜厚度的集料沥青三明治试件；
13.步骤2.1：将步骤1制备的圆柱体集料石块与沥青样品一起放入165℃的烘箱中30min；
14.步骤2.2：取出加热后的待测圆柱体集料石块和沥青，将沥青均匀涂抹在高度20mm和高度40mm的两圆柱形集料石块之间，形成集料+沥青+集料结构的集料沥青三明治试件，并在室温下冷却；
15.步骤2.3：在集料沥青三明治试件上放置砝码进行加压，然后在70℃烘箱中烘
5min，取出试件并冷却至室温；通过控制砝码的重量来控制试件中沥青膜的厚度。
16.步骤3：对集料沥青三明治试件进行剪切实验，计算初始抗剪强度；
17.步骤3.1：安装好电子万能试验仪夹具，将集料沥青三明治试件的40mm圆柱形集料石块固定于右侧夹具中并突出夹具1mm，20mm圆柱形集料石块层以及沥青层悬空；
18.步骤3.2：关闭温度舱门，将温度设置为实验温度并预热1小时；
19.步骤3.3：设置剪切速率，开始剪切实验，直到应力降低至0附近，停止实验；
20.步骤3.4：获取实验过程中的剪切应力-应变曲线，记剪切应力峰值为s0，即初始抗剪强度。
21.步骤4：对不同损伤状态下的集料沥青三明治试件进行剪切破坏，并计算损伤状态下的抗剪强度；
22.步骤4.1：按照步骤3.1与3.2，安装集料沥青三明治试件并预热，而后进行剪切试验；
23.步骤4.2：在应力达到峰值之前(如剪切应力的50％等)，停止试验，记录剪切时间，取出待测试件，并对电子万能试验仪重新清零，校准；
24.步骤4.3：将取出的待测试件重新安装至万能试验仪中进行二次剪切试验，直至应力降低至0附近，停止实验；
25.步骤4.4：获取实验过程中的剪切应力-应变曲线，记剪切应力峰值为s1，即给定损伤状态下的抗剪强度；
26.步骤5：将损伤状态下的集料沥青三明治试件放入设定温度的烘箱中愈合给定时间，再进行剪切实验，计算愈合后的抗剪强度；
27.步骤5.1：按照步骤3.1与3.2，安装集料沥青三明治试件并预热，随之进行剪切试验，当剪切时间达到步骤4.2中记录的剪切时间时，停止实验，并取出集料沥青三明治试件；
28.步骤5.2：将取出的集料沥青三明治试件放入烘箱中，在烘箱中设置愈合温度为t、愈合时间为t；
29.步骤5.3：愈合结束后，将集料沥青三明治试件从烘箱中取出，并再次进行剪切实验；
30.步骤5.4：获取实验过程中的剪切应力-应变曲线，记剪切应力峰值为s2，即愈合后的抗剪强度。
31.步骤6：重复实验；
32.步骤6.1：将上述步骤3、步骤4、步骤5分别重复进行5次，计算5次实验中的s0、s1、s2以及各自的平均值和相对偏差，当相对偏差均小于5％时，则取平均值作为最终结果计算；
33.步骤6.2：若相对偏差大于5％时，则重新进行实验；
34.步骤7：根据式(1)计算待测沥青材料在愈合温度为t、愈合时间为t的条件下的愈合指数％hi：
[0035][0036]
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0037]
1、传统实验专注于沥青内部的愈合而忽略了实际情况中集料对沥青愈合的影响，本发明考虑了集料种类对沥青愈合的作用，可以有效地比较不同集料种类对沥青愈合的影
响。
[0038]
2、传统方法使用模量以及疲劳寿命定义的愈合指数对于沥青材料愈合性能的表征并不直观，本发明使用基于剪切强度定义的愈合指数，能够更加直观有效地评价沥青材料的愈合性能；
[0039]
3、与传统实验相比，本发明可以自由地改变各种条件，比较不同集料种类、不同损伤水平、不同沥青膜厚度、不同温度、不同愈合时间下的沥青愈合性能。
附图说明
[0040]
图1为本发明的方法流程图；
[0041]
图2为本发明实施例1中制备的集料沥青三明治试件的照片；
[0042]
图3为本发明实施例1中的剪切装置图；
[0043]
图4为本发明实施例1步骤3所得应力应变曲线图；
[0044]
图5为本发明实施例1步骤4所得应力应变曲线图；
[0045]
图6为本发明实施例1步骤5所得应力应变曲线图；
[0046]
图中：1、20mm圆柱体集料石块层；2、沥青层；3、40mm圆柱体集料石块层；4、电子万能试验仪的左侧夹具；5、电子万能试验仪的右侧夹具；6、集料沥青三明治试件。
具体实施方式
[0047]
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0048]
实施例1
[0049]
本实施例基于直接剪切实验测试和评估沥青材料愈合性能，包括以下步骤：
[0050]
步骤1：制备圆柱体集料石块；
[0051]
步骤1.1：切割石灰石，得到厚度为20mm和40mm的石灰石石块；
[0052]
步骤1.2：采用金刚砂磨机，将两片石灰石石块的表面打磨至平整且粗糙度一致；
[0053]
步骤1.3：将打磨后的石灰石石块平放在钻芯机操作平台并固定，钻取直径19mm、高度20mm以及直径19mm、高度40mm的若干圆柱体集料石块；
[0054]
步骤1.4：将圆柱体集料石块放入高压水中冲洗，并将清洗后的材料放置在通风处2小时，最后放入烘箱烘干剩余水分。
[0055]
步骤2：制备若干相同尺寸、相同沥青膜厚度的集料沥青三明治试件；
[0056]
步骤2.1：将步骤1制备的圆柱体集料石块与沥青样品一起放入165℃的烘箱中30min；
[0057]
步骤2.2：取出加热后的待测圆柱体集料石块和沥青，将沥青均匀涂抹在高度20mm和高度40mm的两圆柱体集料石块之间，形成成集料+沥青+集料结构的集料沥青三明治试件，并在室温下冷却；
[0058]
步骤2.3：在集料沥青三明治试件上放置300g砝码进行加压，然后在70℃烘箱中烘5min，取出试件并冷却至室温。
[0059]
步骤3：对集料沥青三明治试件进行剪切实验，计算初始抗剪强度
[0060]
步骤3.1：安装好电子万能试验仪夹具，将集料沥青三明治试件的40mm圆柱体集料石块固定于右侧夹具中并突出夹具1mm，20mm圆柱体集料石块层以及沥青层悬空；
[0061]
步骤3.2：关闭温度舱门，将温度设置为35℃并预热1小时；
[0062]
步骤3.3：设置剪切速率为10mm/min，开始剪切实验，直到应力降低至0附近，停止实验；
[0063]
步骤3.4：获取实验过程中的剪切应力-应变曲线，记剪切应力峰值为s0，即初始抗剪强度。
[0064]
步骤4：对不同损伤状态下的集料沥青三明治试件进行剪切破坏，并计算损伤状态下的抗剪强度
[0065]
步骤4.1：按照步骤3.1与3.2，安装集料沥青三明治试件并预热，而后进行剪切试验；
[0066]
步骤4.2：在应力达到峰值之前，停止试验，并记录剪切时间为10s，取出待测试件，并对电子万能试验仪重新清零，校准；
[0067]
步骤4.3：将取出的待测试件重新安装至万能试验仪中进行二次剪切试验，直至应力降低至0附近，停止实验；
[0068]
步骤4.4：获取实验过程中的剪切应力-应变曲线，记剪切应力峰值为s1，即给定损伤状态下的抗剪强度。
[0069]
步骤5：将损伤状态下的集料沥青三明治试件放入设定温度的烘箱中愈合给定时间，再进行剪切实验，计算愈合后的抗剪强度
[0070]
步骤5.1：按照步骤3.1与3.2，安装集料沥青三明治试件并预热，随之进行剪切试验，当剪切时间达到10s时，停止实验，并取出集料沥青三明治试件；
[0071]
步骤5.2：将取出的集料沥青三明治试件放入烘箱中，在烘箱中设置愈合温度为t＝60℃、愈合时间为t＝1min；
[0072]
步骤5.3：愈合结束后，将集料沥青三明治试件从烘箱中取出，并再次进行剪切实验；
[0073]
步骤5.4：获取实验过程中的剪切应力-应变曲线，记剪切应力峰值为s2，即愈合后的抗剪强度。
[0074]
步骤6：重复实验
[0075]
将上述步骤3、步骤4、步骤5分别重复进行5次，计算5次实验中的s0、s1、s2以及各自的平均值和相对偏差，相对偏差均小于5％，因此取平均值作为最终结果计算，如表1所示。
[0076]
表1.实施例中参数结果
[0077]
参数s0(mpa)s1(mpa)s2(mpa)第一次实验0.42930.25610.3895第二次实验0.44980.24980.3798第三次实验0.43100.26340.4056第四次实验0.45210.23990.3855第五次实验0.42130.27290.3977平均值0.43670.25640.3916最大相对偏差2.999％2.7168％3.5663％
[0078]
步骤7：根据式(1)计算待测沥青材料在愈合温度t＝60℃、愈合时间t＝1min下的愈合指数％hi；
[0079][0080]
本实施例中计算得到的愈合指数％hi＝74.986％，即该种沥青材料在10mm/min的剪切速率中经10s的剪切破坏，在60℃下愈合1min后，抗剪强度恢复了74.986％。
[0081]
以上所示仅为本发明的示例性实施例，并不用于限定本发明。