CN103487333B - 一种沥青混合料自愈合能力评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青混合料自愈合能力的评价方法，基于沥青混合料四点弯曲疲劳试验，在传统的疲劳试验步骤后，引入间歇期，将试件放置在一定环境下进行养护，然后再进行疲劳试验，形成“疲劳-愈合-再疲劳”的试验模式。通过比较两次疲劳试验的劲度模量变化曲线，建立愈合指标函数，选择愈合指数HI作为评价沥青混合料自愈合能力的关键指标，能够有效评价不同类型沥青混合料的自愈合能力，还可以测试出不同的自愈时间、自愈温度、自愈前混合料损伤程度等因素对沥青混合料自愈作用的影响，而且该方法简便可行，易于操作，数据准确可靠，为基于性能的沥青路面长寿命设计和全寿命周期沥青路面养护规划制定提供技术指标依据。

Description

一种沥青混合料自愈合能力评价方法

技术领域

本发明属于公路沥青路面材料性能检测技术领域，涉及一种沥青混合料疲劳自愈特性的评价方法。

背景技术

沥青混合料的自愈，可以简单的定义为，由于重复行车荷载作用沥青混合料产生的裂缝部分或全部愈合的过程。当沥青混合料产生疲劳时，其硬度和强度会衰减。很多研究者已经观察到，在循环荷载过程当中，沥青混合料会经历微裂纹产生、增长，最后形成宏观裂缝这三个阶段。关于愈合行为的内在原因，目前存在两种说法：物理化学说和力学性能说。前一种是指伴随化学结构的修复，微观的疲劳损伤也减速了。它与沥青以及沥青混合料的化学成分和物理化学特性有关。后一种说法就是，愈合行为能被定义为材料在间歇期自身力学性能的部分恢复(例如强度和模量)。

研究表明，受损沥青混合料的力学性能在很大程度上都可以恢复，但是这种恢复（愈合）能力取决于多方面因素，包括沥青混合料的组成、受损程度，以及荷载、温度、时间（恢复期或休息期长短）等外部条件。尽管沥青材料的自愈性能对路面寿命设计有着重要的影响，但是在各国的设计规范中，很少有明确考虑混合料自愈性质的，这就直接造成了路面设计寿命与实际使用寿命之间的偏差；个别国家在设计方法中处理为简单放大室内疲劳寿命，而放大系数为4至100不等，可以看出，差异很大。

综上所述，沥青混合料的自愈性能对其疲劳寿命具有重要影响。目前，国内尚无比较系统规范的沥青混合料自愈合能力评价方法，已有的方法主要为比较间歇前后（愈合前后）沥青混合料的模量变化评价沥青混合料的自愈特性，以间歇前后模量变化率作为自愈性评价指标。具体计算公式如下：

$\mathrm{RSC}=\frac{S_{\mathrm{after}}-S_{\mathrm{before}}}{S_{\mathrm{before}}}\×100\%$

式中：RSC——劲度模量变化率；

S_after——间歇后劲度模量，单位MPa；

S_before——间歇前劲度模量，单位MPa；

该评价指标揭示了沥青混合料总的愈合特性，但不能区分总愈合中和损伤相关的愈合，即没有除去愈合数据中空间硬化和冷却的影响，以确定总愈合中恢复的纯损伤。对应加载过程中使劲度模量下降的因素：损伤、空间软化和发热，愈合过程中使劲度模量上升的因素为：损伤恢复、空间硬化和冷却。其中，空间软化和冷却会导致劲度模量的增加，但从损伤角度来看，劲度模量的增加没有物理意义。因此该评价指标的精确性不足，并且该指标不能反映沥青混合料抵抗荷载作用能力的恢复程度。

建立科学系统的沥青混合料自愈合能力评价方法，可以有效地判断不同类型混合料的自愈能力，从而指导工程实践，优化沥青混合料的使用，延长道路寿命。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种数据准确可靠，试验方法简单可行，易于推广的沥青混合料自愈合能力评价方法。

技术方案：本发明的沥青混合料自愈合能力评价方法，包括如下步骤：

1）疲劳试验：

根据《公路工程沥青及混合料试验规程》JTG E20-2011中沥青混合料四点弯曲疲劳试验规程，准备试件并进行四点弯曲疲劳试验；

2）受损试件愈合：

将步骤1）中达到疲劳试验终止条件的梁试件放置在表面平整的硬玻璃板或瓷砖上，在设定的条件下进行养护，所述设定的条件为根据试验需要设定的养护温度和养护时间；

3）再次进行疲劳试验：

将步骤2）中养护后的受损梁试件根据《公路工程沥青及混合料试验规程》JTGE20-2011中沥青混合料四点弯曲疲劳试验规程，再次进行受损梁试件的四点弯曲疲劳试验；

4）将步骤1）和3）中所得试验数据进行汇总，绘制沥青混合料愈合前后劲度模量随加载时间的关系曲线，然后计算损伤速率D和愈合指数HI，损伤速率D的定义为劲度模量随加载次数衰减曲线的斜率，具体计算公式如下：

$D=\frac{S_O-S_t}{t}$

式中：D——到达设定疲劳破坏比例时对应的模量损伤速率；

S_O——初始劲度模量，单位MPa；

S_t——终止劲度模量，单位MPa；

t——劲度模量数由S_O变化到S_t所需的时间，单位s；

所述愈合指数HI的定义为梁试件在愈合前的损伤速率与试件在愈合后的损伤速率比值，具体计算公式如下：

$\mathrm{HI}=\frac{D_{\mathrm{before}}}{D_{\mathrm{after}}}\×100\%$

式中：D_before——试件在愈合前的损伤速率；

D_aft——试件在愈合后的损伤速率；

5）根据愈合指数HI评价沥青混合料的自愈合能力，愈合指数HI越大，表明沥青混合料自愈合能力越强。

本发明的数据分析中，沥青混合料在荷载作用下，应力和应变关系呈非线性关系，劲度模量可以描述沥青混合料处于粘弹状态下的力学特性。为了评价沥青混合料经“疲劳-愈合-再疲劳”的试验过程后试件愈合的效果，将重点考虑愈合前后劲度模量的变化，简洁地表征沥青混合料的愈合效果。由于试验中试件成型及试验过程有很多不稳定的因素，即使是同种沥青材料、同种级配的沥青混合料梁试件，其模量大小和疲劳寿命都有差异，所以不能比较其模量的绝对值大小。为了从力学性能的角度，更直观地评价沥青混合料的自愈合效果（劲度模量恢复情况），采用损伤速率指数作为表征指标。

损伤速率D值越大，表明沥青混合料劲度模量衰减越快。间歇前后沥青混合料疲劳曲线的变化情况可以反映出沥青混合料的自愈性能。间歇后的疲劳曲线越接近间歇前的曲线，表示其自愈能力越强。每一条劲度模量衰减曲线都对应了一个D值，将计算所得D值与原样D值相比较就可以直观评价不同影响因素对沥青混合料自愈合能力的影响。在此基础上，可以利用相应的结果指数，也就是愈合指数HI（Healing Index）来表征在给定的愈合时间条件下，沥青混合料微结构的重建效果。

综上，沥青混合料自愈性能的评价指标选择为愈合指数HI。愈合指数越大，表明沥青混合料的自愈合性能越好。

本发明方法包括试验过程和数据分析两个部分。其中试验采用沥青混合料四点弯曲疲劳试验，评价指标为愈合指数HI。可以评价不同类型沥青混合料（如不同级配，不同沥青胶结料，不同沥青含量等）在不同条件下（如不同养护温度，不同养护时间等）的自愈合能力。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提供的评价指标，通过比较间歇前后疲劳曲线的接近程度，在愈合过程中由于空间硬化和冷却造成的模量上升会在再次疲劳试验的加载过程中抵消掉，不需要区分总愈合中和损伤相关的愈合，因此更加精确，并可以反映沥青混合料抵抗荷载作用能力的恢复能力。

本发明从沥青混合料力学性能的角度出发，以沥青混合料弯曲劲度模量的变化，提出了愈合指数HI作为沥青混合料自愈合能力的评价指标，试验数据准确可靠，试验方法简单可行，易于推广。

附图说明

图1为沥青混合料小梁试件“疲劳-愈合-再疲劳”试验过程示意图。

图2为AC-13型基质沥青混合料愈合前后劲度模量随加载时间的关系曲线图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

如图2，在15℃下，500微应变的试验条件下，首先对AC-13型基质沥青混合料进行疲劳测试，待其劲度模量衰减至初始值的50%时立即停止疲劳测试，引入间歇期也就是愈合时间。到达设定时间后（本实例为2h），立即开始疲劳测试，也就是历经愈合期之后的再疲劳测试。图中黑色实线表示在引入愈合时间之前，AC-13基质沥青混合料试件劲度模量衰减至初始模量值的50%时对应的损伤速率；箭头表示经过2h的愈合时间（15℃下），试件恢复的劲度模量值；黑色虚线表示在引入愈合时间之后，基质沥青混合料试件劲度模量衰减至初始模量值的50%时对应的损伤速率。两者斜率的比值即为愈合指数HI，即所选择的沥青混合料自愈能力评价指标。

实施例2：

本实施例的概况为：比较AC-13型SBS改性沥青混合料和PA-13型SBS改性沥青混合料的自愈合能力，最佳油石比分别为5.3%和4.8%。

(1)根据《公路工程沥青及混合料试验规程》JTG E20-2011中沥青混合料四点弯曲疲劳试验规程，分别进行AC-13型SBS改性沥青混合料（试件代号1）和PA-13型SBS改性沥青混合料（试件代号2）的四点弯曲疲劳试验。试验参数为：试验温度为15℃，加载频率为10Hz，加载波形为偏正弦波，采用控制应变模式，应变水平为500微应变。

(2)将试件1和试件2放置在温度为15℃的温控箱中，养护2h，试件应水平放置于表面平整并具有一定刚度的硬玻璃板或瓷砖上，防止试件发生变形。

(3)将养护后的试件1（记为试件1*）和试件2（记为试件2*）分别进行四点弯曲疲劳试验，采用与(1)中相同的试验参数。

将试验结果汇总于下表。

表1AC-13型和PA-13型SBS改性沥青混合料“疲劳-愈合-再疲劳”测试结果

由表1可知，PA-13型级配的沥青混合料在养护温度为15℃和养护时间为2h的同样养护条件下，其愈合指数要比AC-13型的沥青混合料的略高一点，说明PA-13型级配的沥青混合料比AC-13型的自愈合效果更佳。AC-13型沥青混合料为密实型混合料，集料表面积较大，结构沥青在全部沥青用量中所占比重较大，可以获得更大的颗粒粘着力，因而强度更高；相应地，自由沥青在全部沥青用量中所占比重较小，密实型混合料孔隙率小，沥青流动性差，在疲劳破坏后，不能很好地移动，填入混凝土孔隙，重新粘结集料，获得强度。PA-13型沥青混合料与AC-13正好相反，其自由沥青所占比重大，流动性更好，因而在疲劳破坏后，能更好地粘结集料，重新获得强度，具有更好的自愈合能力。综上，本沥青混合料自愈合能力评价方法准确有效。

Claims (2)

1.一种沥青混合料自愈合能力评价方法，包括如下步骤：

1)疲劳试验：

根据《公路工程沥青及混合料试验规程》JTG E20-2011中沥青混合料四点弯曲疲劳试验规程，准备试件并进行四点弯曲疲劳试验；

2)受损试件愈合：

将所述步骤1)中达到疲劳试验终止条件的梁试件放置在表面平整的硬玻璃板或瓷砖上，在设定的条件下进行养护，所述设定的条件为根据试验需要设定的养护温度和养护时间；

3)再次进行疲劳试验：

将所述步骤2)中养护后的受损梁试件根据《公路工程沥青及混合料试验规程》JTG E20-2011中沥青混合料四点弯曲疲劳试验规程，再次进行受损梁试件的四点弯曲疲劳试验；

其特征在于，该方法还包括：

4)将所述步骤1)和3)中所得试验数据进行汇总，绘制沥青混合料愈合前后劲度模量随加载时间的关系曲线，然后计算损伤速率D和愈合指数HI，所述损伤速率D的定义为劲度模量随加载次数衰减曲线的斜率，具体计算公式如下：

$D=\frac{S_0-S_t}{t}$

式中：D——到达设定疲劳破坏比例时对应的模量损伤速率；

S₀——初始劲度模量，单位MPa；

S_t——终止劲度模量，单位MPa；

t——劲度模量数由S₀变化到S_t所需的时间，单位s；

所述愈合指数HI的定义为梁试件在愈合前的损伤速率与试件在愈合后的损伤速率比值，具体计算公式如下：

$\mathrm{HI}=\frac{D_{\mathrm{before}}}{D_{\mathrm{after}}}\×100\%$

式中：D_before——试件在愈合前的损伤速率；

D_after——试件在愈合后的损伤速率；

5)根据愈合指数HI评价沥青混合料的自愈合能力，愈合指数HI越大，表明沥青混合料自愈合能力越强。

2.根据权利要求1所述的沥青混合料自愈合能力评价方法，其特征在于，所述步骤1)和步骤3)的疲劳试验中，所选择测量的试验参数相同，所述试验参数包括：试验温度、加载模式、加载波形、加载频率、应力/应变水平。