多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置与试验方法

1.本发明设计一种多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置与试验方法，属于道路工程领域。


背景技术：

2.近年来，随着我国公路事业的发展，对于功能性路面的研究逐渐受到关注，其中由于排水沥青路面具备排水降噪的性能，受到了公众和业内的广泛关注。排水沥青路面由多孔沥青混合料铺筑形成，特点是具有较大的空隙率，一般要求在18％～20％之间。由于较大的空隙率，相较密集配沥青路面，表面更容易受到氧气和光照的影响，沥青混合料可以视为两个部分构成，粗集料与高黏沥青砂浆，高黏沥青砂浆主要由小颗粒的集料与沥青胶结料构成，起到粘结集料与抵抗路面变形的作用，相较于普通密集配沥青混合料，多孔沥青混合料中的沥青砂浆承担更重要的工作性能和更好的粘结作用，因此会采用性能更好的高黏沥青，有较好的抵抗变形的能力，同时由于较大的空隙，砂浆也将更多地受到环境因素的影响。
3.排水沥青路面的破坏受到很多因素的影响，比如阳光，主要为阳光中的紫外线会使得沥青砂浆发生老化，空气中的氧气也会使得沥青砂浆发生老化，当路面有积水时，行车会使得路面受到动水压力的影响，而目前的性能检测主要针对沥青混合料，未能关注到沥青砂浆层面，同时现有技术考虑的影响因素较为单一不够综合。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置与试验方法，弥补目前现有技术的不足。试验装置可以综合考虑包含动荷载、动水损害、光氧老化等多因素耦合作用，通过所述的试验方法可以实现测量受到光氧老化、动水破坏的高黏沥青砂浆材料性能的情况，并最终采用性能衰减系数来描述测试的高黏沥青砂浆性能情况，并借此来评价多孔沥青混合料的性能情况。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置，包括动荷载拉杆、夹头装置、铝片、臭氧型紫外线灯、试验平台、原位拉伸试验仪；
7.原位拉伸试验仪和臭氧型紫外线灯安装于试验平台上；
8.一个所述夹头装置对应一个原位拉伸试验仪，两个原位拉伸试验仪的拉力方向相反，一个原位拉伸试验仪通过动荷载拉杆固定连接一个夹头装置；
9.夹头装置包括上夹持面和下夹持面，上夹持面和下夹持面的上下对应位置开设有螺孔，并通过螺栓贯穿，上夹持面和下夹持面之间设有两块用于夹持试件的铝片，两块铝片均由螺栓贯穿；
10.两个夹头装置分别夹持试件的两端；
11.臭氧型紫外线灯位于试件上方。
12.一种多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置的试验方法，包括以下步骤：
13.第一步：按照设计的级配和沥青用量，采用旋转压实仪成型高黏沥青砂浆试件，成型温度在170℃～185℃，旋转压实50次，试件尺寸为直径150mm
±
2mm，高度为170mm
±
2.5mm，成型后室内养生24h后，进行脱模，而后利用切割机进行切割，得到长度20mm
±
1mm，宽度10mm
±
1mm，高度10mm
±
1mm的试件，而后在以长度方向上8mm、10mm、12mm，宽度方向上3mm、5mm、7mm排列的3x3共9个点位用钻机钻出直径为1mm，深度为8mm的孔洞，得到试件，并将试件保持钻孔朝上固定在夹头上备用；
14.第二步：向钻孔内滴满水并用蜡油封口，保持蜡封口竖直向上放置，将臭氧型紫外线灯，保持紫外线灯管旋转至90
°
，将夹头装置链接在动荷载拉杆上，并将动荷载拉杆连接到原位拉伸试验仪上，设置最大位移值为30μm，按照正弦波进行位移荷载的施加，频率设置为1hz，输入位移-时间函数来控制位移荷载的施加，具体关系式如下所示：
15.y＝30sin(2πt)
16.式中y为位移，单位μm，t为时间，单位s，同时打开臭氧型紫外线灯并释放臭氧，过程持续10min，将试件取下，去除蜡封，倒出水，在烘箱中60℃烘干至恒重；
17.第三步：将试件固定在夹头装置上，保持钻孔口向上，将动荷载拉杆保持连接在原位拉伸试验仪上，设置最大位移值为10μm，频率设置为10hz，通过输入位移-时间函数来控制位移荷载的施加，具体关系式如下所示：
18.y＝10sin(20πt)式中y为位移，单位μm，t为时间，单位s。按照正弦波进行位移荷载施加，重复作用200次，读取最后五个波形的荷载与位移，计算模量特征值e；
19.第四步：重复第二步到第三步，依次记录模量值e，以重复次数为横坐标，所测模量值为纵坐标，绘制高黏沥青砂浆模量衰减曲线，计算衰减系数α；
20.第五步：通过调整第二步中不同的持续时间以及钻孔内水量来模拟不同的路面情况，当重复第二步时，高黏沥青砂浆有明显裂纹或者形状发生较大变异则视为完全破坏，终止循环，否则循环5次即可。
21.作为更进一步的优选方案，臭氧型紫外线灯的功率为60w，紫外线辐射照度为145μw/cm2，可以在光照的同时可以释放臭氧，制作材料耐高温。
22.作为更进一步的优选方案，第三步模量e计算步骤具体如下：
23.通过外接设备读取最后五个波形的荷载与位移曲线，记录平均荷载幅值p(n)与可恢复的轴向平均位移幅值l(mm)，然后根据如下公式计算轴向应力幅值σ(mpa)、轴向应变幅值ε(mm/mm)与模量特征值e(mpa)：
[0024][0025][0026][0027]
作为更进一步的优选方案，第四步衰减系数α计算步骤具体如下：
[0028]
s1：在试件成形后先进行第三步，得到初始模量特征值e0；
[0029]
s2：而后每进行一次第二步和第三步操作后，依次记录模量特征值e
1、e2、e3、e4、
e5；
[0030]
s3：以循环次数为横坐标，纵坐标为e0、e1、e2、e3、e4、e5，绘制模量衰减曲线，按照如下公式计算衰减系数α；
[0031][0032]
有益效果
[0033]
1、实验装置可以综合水损害、动荷载、动水损害、光氧老化等多种因素耦合作用，实现方式简单有效，所述实验方法可以实现测量受到光氧老化、动水破坏的高黏沥青砂浆性能情况，并最终采用性能衰减系数来描述测试的高黏沥青砂浆性能情况，并借此评价多孔沥青混合料的性能情况；
[0034]
2、本发明主要考虑的环境因素有光氧老化环境和动水作用因素，采用合适的实验方法进行高黏沥青砂浆的性能评价，该装置可以模拟排水沥青路面受到光氧老化和动水破坏的情况，真实评价路面使用过程中高黏沥青砂浆的实际情况。此外利用本装置可以对高黏沥青砂浆施加更大水平的荷载，可以研究高黏沥青砂浆受到浸水侵蚀后在多因素耦合作用下破坏的过程和形式；
[0035]
3、与目前已有的实验装置比，本项目在细观尺度方面加入了对多孔沥青混合料的研究，通过对高黏沥青砂浆的研究进一步揭示混合料破坏和性能衰减的机理，多孔沥青混合料的大空隙不可避免地造成高黏沥青砂浆的性能衰减从而影响整体的性能下降，因此，本发明综合考虑多种因素对高黏沥青砂浆的共同作用对多孔沥青混合料的研究更加具有意义；
[0036]
4、所设计的模量检测实验，是微小应变水平下进行的，处于材料的可恢复形变范围内，因此模量测量实验中可以认为对材料不造成损伤，因此可以针对同一试件进行全过程的测试。避免因为更换试件而带来误差。
[0037]
5、与以往只考虑多孔沥青混合料的性能测试方法相比，本发明考虑的对象更为直接具体，同时所选取的模拟破坏情况也较为不利，属较安全的考虑，可以在较短的周期内获得较大幅度的材料性能变化趋势。
附图说明
[0038]
图1为一种多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置的结构示意图；
[0039]
图2为一种多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置所用试件的结构示意图，其中，图2(a)为试件俯视图，图2(b)为试件侧视图；
[0040]
图3为一种多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置所用夹头装置的细节结构示意图，其中，图3(a)为夹头装置侧视图，图3(b)为夹头装置俯视图；
[0041]
图4为一种多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验方法的模量衰减曲线图；
[0042]
附图标记说明：1、动荷载拉杆；2、夹头装置；3、铝片；4、臭氧型紫外线灯；5、试验平台。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0044]
实施例1
[0045]
如图1所示，多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置，所使用的试验装置主要包括动荷载拉杆1、夹头装置2、铝片3、臭氧型紫外线灯4、试验平台5。所述动荷载拉杆1与夹头装置2水平中心线位于同一直线，装置均置于实验平台上5。
[0046]
夹头装置2，为铁合金板组制而成，由两个完全相同的分部件组件，每个分部件包含三块铁片、六个螺栓组成，三块铁板包含2块长22mm、宽20mm、厚2mm的铁片a与1块长22mm、宽12mm、厚5mm的铁片b构成，可由四个螺栓连接在一起，另有两个螺栓可以用于固定试件，其中长22mm、宽12mm、厚5mm的铁板可以链接动荷载拉杆。
[0047]
铝片3，为铝合金板组制而成，长10mm、宽10mm，厚1mm，共有四片。
[0048]
臭氧型紫外线灯4底座为300mm，底座为100mm边长的方型底座，可以稳定置放于实验平台5上，功率为60w，紫外线辐射照度为145μw/cm2，可以在光照的同时可以释放臭氧，制作材料耐高温。
[0049]
实验平台5为长400mm
×
宽300mm
×
厚20mm，材质为木材板。
[0050]
试件制备完毕后，铝片应当与试件上下两面共四个顶端对齐，按图1所示装在夹头装置内，用螺栓固定，动荷载拉杆1一端与夹头装置连接，另一端与原位拉伸试验仪连接。
[0051]
实施例2
[0052]
多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能的试验方法，高黏沥青砂浆的路用性能评价以及多孔沥青混合料的性能评价，包括如下步骤：
[0053]
第一步：按照下表的级配通过率作为所选级配，选取改性sbs沥青，用量为18％，并掺加10％国产沥青高黏改性剂(沥青内掺)，改性剂采用干拌的形式。
[0054]
级配质量通过率(％)
[0055][0056]
采用旋转压实仪成型高黏沥青砂浆试件，成型温度在170℃～185℃，旋转压实50次，试件尺寸为直径150mm
±
2mm，高度为170mm
±
2.5mm，成型后室内养生24h后，进行脱模，而后利用切割机进行切割，得到长度20mm
±
1mm，宽度10mm
±
1mm，高度10mm
±
1mm的试件，而后在以长度方向上8mm、10mm、12mm，宽度方向上3mm、5mm、7mm排列的3x3共9个点位用钻机钻出直径为1mm，深度为8mm的孔洞，得到试件，并将试件保持钻孔朝上固定在夹头上备用。
[0057]
第二步：向钻孔内滴满水并用蜡油封口，保持蜡封口竖直向上放置，将臭氧型紫外线灯，保持紫外线灯管旋转至90
°
，将夹头链接在动荷载拉杆上，拉杆另一端连接在原位拉伸试验仪上，设置最大位移值为30μm，按照正弦波进行位移荷载的施加，频率设置为1hz，同时打开臭氧型紫外线灯并释放臭氧，过程持续10min，将试件取下，去除蜡封，倒出水，在烘箱中60℃烘干至恒重。
[0058]
第三步：将试件固定在夹头上，保持钻孔口向上，将拉杆连接在原位拉伸试验仪上，设置最大位移值为10μm，频率设置为10hz，按照正弦波进行位移荷载施加，重复作用200次，读取最后五个波形的荷载与位移，计算模量特征值e。
[0059]
通过外接设备读取最后五个波形的荷载与位移曲线，记录平均荷载幅值p(n)与可恢复的轴向平均位移幅值l(mm)，然后根据如下公式计算轴向应力幅值σ(mpa)、轴向应变幅值ε(mm/mm)与模量特征值e(mpa)。
[0060][0061][0062][0063]
第四步：重复第二步到第三步，依次记录模量值e，以重复次数为横坐标，所测模量值为纵坐标，绘制多孔沥青混合料沥青砂浆模量衰减曲线，计算衰减系数α，经过实验之后数据如下表所示，绘制沥青砂浆模量特征值衰减曲线，按计算得到α＝0.55，按照评价标准进行性能评价，表明该种配合比用料下所得到的高黏沥青砂浆具有较好的路用性能，由此种砂浆配比组成的多孔沥青混合料的性能也较好。
[0064]
模量特征值测量值
[0065][0066]
建议按如下标准评价该种配合比的高黏沥青砂浆的路用性能情况：
[0067]
认为该种配合比的高黏沥青砂浆路用性能优越，多孔沥青混合料性能优越。
[0068]
认为该种配合比的高黏沥青砂浆路用性能较好，多孔沥青混合料性能较好。
[0069]
认为该种配合比的高黏沥青砂浆路用性能合格，多孔沥青混合料性能合格。
[0070]
认为该种配合比的高黏沥青砂浆路用性能较差，多孔沥青混合料性能较差。
[0071]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置，其特征在于：包括动荷载拉杆(1)、夹头装置(2)、铝片(3)、臭氧型紫外线灯(4)、试验平台(5)、原位拉伸试验仪；所述原位拉伸试验仪和臭氧型紫外线灯(4)安装于试验平台(5)上；一个所述夹头装置(2)对应一个原位拉伸试验仪，两个原位拉伸试验仪的拉力方向相反，一个原位拉伸试验仪通过动荷载拉杆(1)固定连接一个夹头装置(2)；所述夹头装置(2)包括上夹持面和下夹持面，上夹持面和下夹持面的上下对应位置开设有螺孔，并通过螺栓贯穿，上夹持面和下夹持面之间设有两块用于夹持试件的铝片(3)，两块铝片(3)均由螺栓贯穿；两个夹头装置(2)分别夹持试件的两端；所述臭氧型紫外线灯(4)位于试件上方。2.根据权利要求1所述的一种多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：按照设计的级配和沥青用量，采用旋转压实仪成型高黏沥青砂浆试件，成型温度在170℃～185℃，旋转压实50次，试件尺寸为直径150mm
±
2mm，高度为170mm
±
2.5mm，成型后室内养生24h后，进行脱模，而后利用切割机进行切割，得到长度20mm
±
1mm，宽度10mm
±
1mm，高度10mm
±
1mm的试件，而后在以长度方向上8mm、10mm、12mm，宽度方向上3mm、5mm、7mm排列的3x3共9个点位用钻机钻出直径为1mm，深度为8mm的孔洞，得到试件，并将试件保持钻孔朝上固定在夹头上备用；第二步：向钻孔内滴满水并用蜡油封口，保持蜡封口竖直向上放置，将臭氧型紫外线灯(4)，保持紫外线灯管旋转至90
°
，将夹头装置(2)链接在动荷载拉杆(1)上，并将(1)动荷载拉杆连接到原位拉伸试验仪上，设置最大位移值为30μm，通过输入位移-时间函数来控制位移荷载的施加，具体关系式如下所示：y＝30sin(2πt)式中y为位移，单位μm，t为时间，单位s，同时打开臭氧型紫外线灯(4)并释放臭氧，过程持续10min，将试件取下，去除蜡封，倒出水，在烘箱中60℃烘干至恒重；第三步：将试件固定在夹头装置(2)上，保持钻孔口向上，将动荷载拉杆(1)保持连接在原位拉伸试验仪上，设置最大位移值为10μm，频率设置为10hz，通过输入位移-时间函数来控制位移荷载的施加，具体关系式如下所示：y＝10sin(20πt)式中y为位移，单位μm，t为时间，单位s，重复作用200次，读取最后五个波形的荷载与位移，计算模量特征值e；第四步：重复第二步到第三步，依次记录模量值e，以重复次数为横坐标，所测模量值为纵坐标，绘制高黏沥青砂浆模量衰减曲线，计算衰减系数α；第五步：通过调整第二步中不同的持续时间以及钻孔内水量来模拟不同的路面情况，当重复第二步时，高黏沥青砂浆有明显裂纹或者形状发生较大变异则视为完全破坏，终止循环，否则循环5次即可。3.根据权利要求2所述的一种多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置的试验方法，其特征在于：所述臭氧型紫外线灯(4)的功率为60w，紫外线辐射照度为145μw/cm2，可以在光照的同时可以释放臭氧，制作材料耐高温。
4.根据权利要求2所述的一种多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置的试验方法，其特征在于：所述第三步模量e计算步骤具体如下：通过外接设备读取最后五个波形的荷载与位移曲线，记录平均荷载幅值p(n)与可恢复的轴向平均位移幅值l(mm)，然后根据如下公式计算轴向应力幅值σ(mpa)、轴向应变幅值ε(mm/mm)与模量特征值e(mpa)：(mm/mm)与模量特征值e(mpa)：(mm/mm)与模量特征值e(mpa)：5.根据权利要求2所述的一种多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置的试验方法，其特征在于：所述第四步衰减系数α计算步骤具体如下：s1：在试件成形后先进行第三步，得到初始模量特征值e0；s2：而后每进行一次第二步和第三步操作后，依次记录模量特征值e1、e2、e3、e4、e5；s3：以循环次数为横坐标，纵坐标为e0、e1、e2、e3、e4、e5，绘制模量衰减曲线，按照如下公式计算衰减系数α；

技术总结
本发明公开了一种多因素耦合作用下高黏沥青砂浆路用性能试验装置与试验方法；装置包括动载拉杆、紫外线灯、夹头装置、试验平台、原位拉伸实验仪器和检测装置；方法包括高黏沥青砂浆老化-车载-水损耦合作用加载、材料性能衰变指数测量、性能衰减系数计算。本发明的试验装置和试验方法可用于评价高黏沥青砂浆在受到老化-车载-水损耦合作用下的性能，进而评价多孔沥青混合料的性能。本发明可用于评价高黏沥青砂浆在受到老化-车载-水损耦合作用下的性能，进而评价多孔沥青混合料的性能，可模拟多孔沥青路面服役期间真实的环境交通荷载，并且可以测量同一沥青砂浆试件的性能衰变曲线，减小误差，可以有效评价多孔沥青混合料的路用性能。性能。性能。


技术研发人员：马涛 张永和 陈思宇 胡建英 陈葱琳 张阳
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/8/5