评价沥青砂浆高温粘弹性能的方法及沥青砂浆成型模具
阅读说明：本技术 评价沥青砂浆高温粘弹性能的方法及沥青砂浆成型模具 (Method for evaluating high-temperature viscoelasticity of asphalt mortar and asphalt mortar forming die ) 是由 顾兴宇 张启鹏 李松 于 2021-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了评价沥青砂浆高温粘弹性能的方法及沥青砂浆成型模具,方法包括如下步骤：提供沥青砂浆试件,对沥青砂浆试件进行改进的多重蠕变恢复(MSCR)试验；通过改进的分数阶蠕变恢复模型与MSCR试验结果拟合得到沥青砂浆蠕变参数；及根据得到的分数阶阶数和变形因子评价沥青砂浆的高温粘弹性能。本发明为沥青砂浆高温粘弹性评价提供了一种新的试验与分析方法,可以更准确、系统地研究沥青砂浆的高温性能。(The invention discloses a method for evaluating the high-temperature viscoelasticity of asphalt mortar and an asphalt mortar forming die, wherein the method comprises the following steps: providing an asphalt mortar test piece, and performing an improved multiple creep recovery (MSCR) test on the asphalt mortar test piece; fitting an improved fractional order creep recovery model and an MSCR test result to obtain a creep parameter of the asphalt mortar; and evaluating the high-temperature viscoelasticity performance of the asphalt mortar according to the obtained fractional order and the deformation factor. The invention provides a new test and analysis method for the evaluation of the high-temperature viscoelasticity of the asphalt mortar, and can more accurately and systematically research the high-temperature performance of the asphalt mortar.)
技术领域
本发明涉及沥青砂浆性能评价领域，具体涉及利用分数阶导数理论对沥青砂浆的多重蠕变恢复试验进行高温性能评价的方法及沥青砂浆成型模具。
背景技术
车辙是沥青路面特有的一种路面病害，它是沥青路面在长期服役过程中，经车轮荷载反复作用形成的一种累积永久变形。车辙的出现和发展，不仅影响行车的舒适性，而且威胁着行车的安全性。研究表明，多种影响因素与沥青路面车辙变形有关，最主要的因素是路表温度与车辆荷载。在高温和重载条件下，沥青混合料表现出更强的应力依赖性和温度敏感性，使得沥青混合料的高温性能下降，从而加速了沥青路面车辙病害的产生与发展。
基于沥青混合料组成结构的多尺度特征，沥青路面被划分为三个尺度，即宏观尺度下的沥青混合料、细观尺度下的沥青砂浆以及微观尺度下的集料与沥青/沥青砂浆界面。作为连接沥青混合料宏观尺度与微观尺度相互作用关系的过渡结构，沥青砂浆是其细观层次尺度下的重要组分。沥青混合料的胶浆理论认为沥青砂浆由填料、细集料、细集料界面区沥青、有效沥青及空隙组成。沥青路面的车辙变形特点与沥青混合料高温蠕变性能直接相关，从沥青混合料组成结构角度来看，沥青混合料高温蠕变性能主要受到沥青砂浆的高温粘弹性特征的影响。且近年来，无论是沥青混合料试验观测还是细观数值模拟分析，沥青混合料的损伤多数是在沥青砂浆相中产生并扩展的，且沥青砂浆的特征尺寸更接近沥青混合料，沥青砂浆的粘弹特性可以更好地反映沥青混合料的宏观性能。由此可见，沥青砂浆是沥青路面材料不可忽略的组成部分。然而，当前对于沥青混合料高温性能的研究仍然主要以沥青和沥青混合料2种材料尺度为主。因此，十分有必要开展揭示沥青砂浆材料高温粘弹性相关试验。
目前，国内外通常采用常温下沥青砂浆的蠕变曲线、压缩试验曲线等来分析沥青砂浆的粘弹性变化规律，试验比较单一。而对于高温下沥青砂浆的粘弹特性，一般是根据沥青高温性能的试验方法和指标来评价，即通过DSR设备进行频率扫描试验得到沥青砂浆的复数剪切模量G*和相位角δ，从而对沥青砂浆高温粘弹性能做出评价。然而，该指标在评价改性沥青砂浆具有明显的局限性。
发明内容
有鉴于此，为了对沥青砂浆高温粘弹性进行系统研究，本发明提出一种评价沥青砂浆高温粘弹性能的试验和分析方法及沥青砂浆成型模具。该发明是对制备的沥青砂浆进行多重蠕变恢复试验(MSCR试验)，采用提出的分数阶蠕变恢复模型对沥青砂浆粘弹性能进行描述，用分数阶导数阶数和变形因子来评价沥青砂浆高温粘弹性。该发明为评价沥青砂浆高温粘弹性能提供了一种新的试验与分析方法，进而可以更准确、科学、系统地研究沥青砂浆的高温性能，且该方法对试验设备要求不高，在现有试验条件下容易实现。
本发明采用动态剪切流变仪(DSR)对沥青砂浆进行高温粘弹性试验研究。成型的沥青砂浆要满足DSR设备中加载夹具的要求。根据DSR设备的夹具要求，沥青砂浆试样统一成型成直径12mm高30mm的圆柱体试件。为此，本发明提供了一种沥青砂浆成型模具。
本发明提供一种评价沥青砂浆高温粘弹性能的试验和分析方法，包括如下步骤：
步骤(1)：提供沥青砂浆试件，对所述沥青砂浆试件进行改进的多重蠕变恢复试验；
步骤(2)：通过改进的分数阶蠕变恢复模型与步骤(1)得到的多重蠕变恢复试验结果拟合得到沥青砂浆蠕变参数，其中，改进的分数阶导数蠕变恢复模型为：
σ0为蠕变应力，t为时间，ε(t)为沥青砂浆的应变，α为加载阶段的分数阶阶数，r为卸载阶段的分数阶阶数，A为加载阶段的变形因子，B为卸载阶段的变形因子，H(t)为单位跳跃函数；及
步骤(3)：根据步骤(2)得到的分数阶阶数和变形因子评价沥青砂浆的高温粘弹性能。
进一步地，提供沥青砂浆试件包括：
通过比表面积法确定沥青砂浆中沥青含量，即认为集料表面的沥青膜厚度相同，且沥青用量与集料比表面积成线性相关；
根据确定的沥青砂浆中沥青含量以及沥青砂浆的级配、空隙率、理论密度计算出细集料、矿粉和沥青用量，将其拌和形成沥青砂浆；
将沥青砂浆压入模具中形成砂浆试件。
进一步地，通过比表面积法确定沥青砂浆中沥青含量，为通过如下公式确定沥青砂浆中沥青含量：
其中：沥青砂浆级配中细集料最大粒径为2.36mm；PFAM：沥青砂浆的油石比；Pi：不同粒径集料的通过率百分比；FAi：不同粒径的集料的表面积系数；SA<2.36：通过2.36mm筛孔的集料的总比表面积，Pa：沥青混合料的最佳油石比；P2.36：沥青混合料中2.36mm筛孔的通过率百分比。
进一步地，在步骤将沥青砂浆压入模具中形成砂浆试件中，将沥青砂浆分四次压入到成型模具中，每次加入沥青砂浆后用加热的搅拌棒进行压实，沥青砂浆全部压入模具中后，模具顶面覆盖重物，室温放置24h后脱模。
进一步地，所述模具包括前模、后模、底板及两个固定圆环，前模和后模拼合后与底板进行拼合；前模和后模设有高30mm的成型空腔，所述成型空腔包括三个同轴的圆柱体，分别为距离上下表面4mm且直径为14mm的两个圆柱体及空腔中间部分为直径12mm的圆柱体；两个所述固定圆环分别设于成型空腔两端，固定圆环外径为14mm，内径为12mm，高4mm；
所述模具将沥青砂浆试样成型成直径12mm高30mm的圆柱体试件，以满足动态剪切流变仪加载的要求。
进一步地，所述步骤(3)：根据步骤(2)得到的分数阶阶数和变形因子评价沥青砂浆的高温粘弹性能，包括：分数阶阶数越大，表明沥青砂浆的黏性越强；变形因子越大，表明沥青砂浆的高温稳定性越差。
进一步地，所述步骤(1)：提供沥青砂浆试件，对所述沥青砂浆试件进行改进的多重蠕变恢复试验，包括：多重蠕变恢复试验的应力分别为1.2kPa、3.2kPa、6.4kPa、12.8kPa、25.6kPa；应力由小到大依次加载，并且不同等级应力之间不设置任何的时间间歇；每级应力下进行10次加载循环，每个加载循环周期包含1.0s加载阶段和9.0s卸载阶段。
进一步地，参数获取是利用Levenberg-Marquardt优化算法，用改进的分数阶蠕变恢复模型对沥青砂浆多重蠕变恢复试验数据进行参数拟合，得到加载阶段和卸载阶段的分数阶阶数和变形因子。
本发明还提供一种应用于所述的评价沥青砂浆高温粘弹性能的试验和分析方法中的沥青砂浆成型模具，所述沥青砂浆成型模具包括前模、后模、底板及两个圆环夹具；所述前模和后模拼合后与所述底板进行拼合，所述前模和后模形成成型空腔，所述空腔高为30mm，所述成型空腔包括三个同轴的圆柱体腔体，分别为距离上表面与下表面4mm范围内且直径14mm的圆柱体及中间部分直径12mm的圆柱体，两个圆环夹具分别用于装设于位于两端的两个圆柱体腔体中，所述圆环夹具外径为14mm，内径为12mm，高4mm。
进一步地，所述前模和后模为设有成型空腔的聚四氟乙烯长方体从中线切开后的两部分；所述前模、后模、底板通过螺丝将前模、后模、底板三者间相互连通的限位孔连接起来进行拼合。
有益效果：针对国内外对沥青砂浆高温粘弹性试验和评价方法的缺少，本发明公开了一种沥青砂浆高温性能测试和评价方法，可以实现在高温下对不同应力水平的沥青砂浆的粘弹性能进行测试与评价，具有试验操作简单、变异性小、经济等特点。本发明为评价沥青砂浆高温粘弹性能提供了一种新的试测试和评价方法，可以更系统、准确地研究沥青砂浆的高温性能。
发明采用动态剪切流变仪(DSR)对沥青砂浆进行高温粘弹性试验研究。成型的沥青砂浆要满足DSR设备中加载夹具的要求。根据DSR设备的夹具要求，沥青砂浆试样统一成型成直径12mm高30mm的圆柱体试件。为此，本发明提供了一种沥青砂浆成型模具。
附图说明
图1为沥青砂浆成型模具和成型试样示意图；
图2为沥青砂浆MSCR试验应变曲线；
图3为SBS改性沥青的砂浆在不同应力下的MSCR试验应变曲线与模型曲线。
图中数字或字母所代表的零部件名称为：①为前模；②为后模；③为底板；④为限位孔；⑤为圆环夹具；⑥为沥青砂浆试样；⑦为拼合后的模具。
具体实施方式
一种评价沥青砂浆高温粘弹性能的试验和分析方法，包括如下步骤：
步骤(1)：提供沥青砂浆试件，对所述沥青砂浆试件进行改进的多重蠕变恢复试验；
步骤(2)：通过改进的分数阶蠕变恢复模型与步骤(1)得到的多重蠕变恢复试验结果拟合得到沥青砂浆蠕变参数，其中，改进的分数阶导数蠕变恢复模型为：
σ0为蠕变应力，t为时间，ε(t)为沥青砂浆的应变，α为加载阶段的分数阶阶数，r为卸载阶段的分数阶阶数，A为加载阶段的变形因子，B为卸载阶段的变形因子，H(t)为单位跳跃函数；及
步骤(3)：根据步骤(2)得到的分数阶阶数和变形因子评价沥青砂浆的高温粘弹性能。
一种应用于评价沥青砂浆高温粘弹性能的试验和分析方法中的沥青砂浆成型模具，所述沥青砂浆成型模具包括前模、后模、底板及两个圆环夹具；所述前模和后模拼合后与所述底板进行拼合，所述前模和后模形成成型空腔，所述空腔高为30mm，所述成型空腔包括三个同轴的圆柱体腔体，分别为距离上表面与下表面4mm范围内且直径14mm的圆柱体及中间部分直径12mm的圆柱体，两个圆环夹具分别用于装设于位于两端的两个圆柱体腔体中，所述圆环夹具外径为14mm，内径为12mm，高4mm。
所述前模和后模为设有成型空腔的聚四氟乙烯长方体从中线切开后的两部分；所述前模、后模、底板通过螺丝将前模、后模、底板三者间相互连通的限位孔连接起来进行拼合。
一种评价沥青砂浆高温粘弹性能的试验和分析方法，包括如下步骤：
步骤(1)：沥青砂浆成型模具的设计
一种沥青砂浆成型模具，其材料采用聚四氟乙烯，包括前模、后模、底板、螺丝、圆环夹具；所述的前模和后模为设有成型空腔的聚四氟乙烯长方体从中线切开后的两部分，空腔高为30mm。前模和后模拼合后与底板进行拼合。
本发明所述的内部成型空腔由三个同轴的圆柱体构成，其中空腔分别距离聚四氟乙烯长方体上表面与下表面4mm范围内为直径14mm的圆柱体，空腔其余部分为直径12mm的圆柱体。
本发明所述的成型模具的拼合，是用螺丝将前模、后模、底板三者间相互连通的限位孔连接起来。
本发明所述的砂浆试件成型模具中，所述的内部成型空腔的开口端分别设有固定圆环；圆环外径为14mm，内径为12mm，高4mm。
步骤(2)：沥青砂浆中沥青含量的确定
本发明采用比表面积法来确定沥青砂浆中的沥青含量，其计算公式为：
其中：沥青砂浆级配中细集料最大粒径为2.36mm；PFAM：沥青砂浆的油石比；Pi：不同粒径集料的通过率百分比；FAi：不同粒径的集料的表面积系数；SA<2.36：通过2.36mm筛孔的集料的总比表面积，Pa：沥青混合料的最佳油石比；P2.36：沥青混合料中2.36mm筛孔的通过率百分比。
步骤(3)：沥青砂浆试件制备
(1)按步骤(1)设计方法组装好砂浆成型模具。
(2)确定制备沥青砂浆的空隙率，通过沥青砂浆的理论密度和成型模具体积，确定一个沥青砂浆试样所需要的称料质量。为了保证沥青砂浆的质量，一次拌和以制备5个沥青砂浆试件为宜。
(3)根据沥青砂浆级配曲线，称量5个沥青砂浆试件的各档细集料及矿粉的质量，将其放入170～175℃烘箱中加热4小时，同时将沥青、金属拌和棒、金属盘放入165～170℃烘箱中加热保温4小时；
(4)将小型拌合锅温度保持至165℃后，按照步骤(2)计算所得的沥青含量称取沥青并倒入拌合锅，并立即将步骤3(2)称量好的细集料倒入拌合锅搅拌60秒；拌合结束后，将步骤3(2)称量好的矿粉倒入拌合锅搅拌60秒；拌合结束之后，取金属盘盛装沥青砂浆并放置在170℃烘箱中。
(5)将称量好的一个沥青砂浆材料分四次压入模具中，每次加入的沥青砂浆均采用加热的搅拌棒进行手动压实。
(6)称量的沥青砂浆完全压入模具中后，模具顶面覆盖重物，放置室温保存。经24小时后即可脱模。完整的沥青砂浆试件即可得到。
可以理解，在其他实施例中，可以省略步骤(1)—步骤(3)，直接提供沥青砂浆试件供后续试验。
步骤(4)：沥青砂浆试件的多重蠕变恢复试验
基于标准MSCR试验的加载模式，改进的MSCR试验将原有的2级应力等级增加至5级，分别为1.2kPa、3.2kPa、6.4kPa、12.8kPa、25.6kPa，适当地拓宽了应力的加载范围，有利于检验沥青砂浆的高温粘弹性性能。改进的MSCR试验采用应力控制加载，应力由小到大依次加载，并且不同等级应力之间不设置任何的时间间歇。每级应力下进行10次加载循环，每个加载循环周期包含1.0s加载阶段和9.0s卸载阶段。此外，改进的MSCR试验温度依照标准试验采用64℃。沥青砂浆对于不同的加载应力得到不同的应变响应结果，随着每次加载循环中荷载的加载和卸载过程，沥青的应变曲线表现出典型的蠕变和恢复特性。
步骤(5)：沥青砂浆蠕变恢复模型的建立与参数的获取
由于沥青类材料的粘弹性具有应力依耐性、温度依赖性，因此本发明提出改进的分数阶蠕变恢复模型，该模型能够精确地描述沥青砂浆在加载阶段和卸载阶段时的变形特征，其模型为：
其中：ε(t)为沥青砂浆的应变；α、r分别为加载阶段和卸载阶段的分数阶数，反映沥青类材料的粘弹性能；A、B分别为加载阶段和卸载阶段的变形因子，反映沥青性能的高温稳定性；
本发明利用Levenberg-Marquardt优化算法，用改进的分数阶蠕变恢复模型表达式对沥青砂浆MSCR试验数据进行参数拟合，得到各个参数。
步骤(6)：沥青砂浆高温粘弹性能评价
由步骤(5)获取了高温下不同应力水平下的加载阶段和卸载阶段的分数阶阶数和变形因子，通过分数阶阶数来描述沥青砂浆的粘弹性大小，通过变形因子来评价沥青砂浆的高温性能。分数阶数越大，表明材料的黏性越强，变形因子越大，说明沥青砂浆的高温稳定性越差。
具体实施方式一：
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
步骤(1)：沥青砂浆成型模具的设计
本实施方式的沥青砂浆成型模具，如图1所示，其材料采用聚四氟乙烯，其组成包括前模①、后模②、底板③、圆环夹具⑤、螺丝；所述的前模①和后模②为设有成型空腔的聚四氟乙烯长方体从中线切开后的两部分。
上述的聚四氟乙烯长方体的长宽高分别为50mm、40mm、30mm，内部成型空腔由三个不同直径的圆柱体构成，其中空腔分别距离聚四氟乙烯长方体的上表面与下表面4mm范围内为直径14mm的圆柱体，空腔其余部分为直径12mm的圆柱体。
如图1所示，前模①和后模②的拼合是通过螺丝将位于前模与后模上的限位孔④连接起来，其中，限位孔位于成型空腔两侧5mm处，孔位的高度为15mm，孔的直径为2mm。在拧紧螺母之前，将圆环夹具⑤放入两端的直径14mm的圆柱体开口端内，然后拧紧螺母，将前模①和后模②拼合。其中圆环外径为14mm，内径为12mm，高4mm。
前模①和后模②相互拼合后放置在底板上，通过螺丝将底板与前模①、后模②间的限位孔将接起来，并用螺母固定，其中限位孔位于底板的四个角，直径为2mm。其中，底板是聚四氟乙烯长方体，其尺寸为50mm*40mm*5mm。拼合后的成型模具见图1中的⑦。
步骤(2)：沥青砂浆中沥青含量的确定
本实施方式采用SBS改性沥青，采用比表面积法来确定沥青砂浆中的沥青含量，其计算公式为：
其中：沥青砂浆级配中细集料最大粒径为2.36mm；PFAM：沥青砂浆的油石比，％；Pi：沥青混合料不同粒径集料的通过率百分比，％；FAi：沥青混合料不同粒径的集料的表面积系数；SA<2.36：通过2.36mm筛孔的集料的总比表面积；Pa：沥青混合料的最佳油石比，％；P2.36：沥青混合料中2.36mm筛孔的通过率百分比，％。
本实施方式中沥青砂浆青砂浆的油石比是根据相对应的AC-13沥青混合料的级配和最佳油石比计算得到的，其沥青砂浆的油石比为10.6％。
步骤(3)：沥青砂浆试件制备
(1)按本实施方式的步骤(1)沥青砂浆成型模具提供的方法组装好砂浆成型模具。
(2)本实施方式中沥青砂浆的空隙率为4％，通过沥青砂浆的理论密度和成型模具体积，确定一个沥青砂浆试样所需要的称料质量。为了保证沥青砂浆的质量，一次拌和以制备5个沥青砂浆试件为宜。
(3)根据沥青砂浆级配曲线，称量5个沥青砂浆的各档细集料及矿粉的质量，将其放入170～175℃烘箱中加热4小时，同时将沥青、金属拌和棒、金属盘放入165～170℃烘箱中加热保温4小时；
(4)将小型拌合锅温度保持至165℃后，按照步骤(2)计算所得的沥青含量称取沥青并倒入拌合锅，并立即将步骤3(2)称量好的细集料倒入拌合锅搅拌60秒；拌合结束后，将步骤3(2)称量好的矿粉倒入拌合锅搅拌60秒；拌合结束之后，取金属盘盛装沥青砂浆并放置在170℃烘箱中。
(5)将称量好的一个沥青砂浆材料分四次压入模具中，每次加入的沥青砂浆均采用加热的搅拌棒进行手动压实。
(6)称量的沥青砂浆完全压入模具中后，模具顶面覆盖重物，放置室温保存。经24小时后即可脱模。完整的沥青砂浆试件即可得到。
步骤(4)：沥青砂浆试件的改进多重蠕变恢复试验
将沥青砂浆试件安装到动态剪切流变仪上，分别进行应力为1.2kPa、3.2kPa、6.4kPa、12.8kPa、25.6kPa多重蠕变恢复试验。应力由小到大依次加载，并且不同等级应力之间不设置任何的时间间歇。每级应力下进行10次加载循环，每个加载循环周期包含1.0s加载阶段和9.0s卸载阶段。MSCR试验温度依照标准试验采用64℃。试验结束后可以获得沥青砂浆应变对于不同的加载应力得到不同的响应结果。其结果如图2所示。
步骤(5)：沥青砂浆蠕变恢复模型的建立与参数的获取
由于沥青类材料的粘弹性具有应力依耐性、温度依赖性，因此本发明提出改进的分数阶导数蠕变-恢复模型，该模型能够精确地描述沥青砂浆在加载阶段和卸载阶段时的变形特征，其模型为：
其中：ε(t)为沥青砂浆的应变；α、r分别为加载阶段和卸载阶段的分数阶数，反映沥青类材料的粘弹性能；A、B分别为加载阶段和卸载阶段的变形因子，反映沥青性能的高温稳定性；
利用Levenberg-Marquardt优化算法，用改进的分数阶导数蠕变-恢复模型表达式对沥青砂浆MSCR试验数据进行参数拟合，得到各个模型参数，其拟合结果如图3所示，参数如下
表1所示：
表1沥青改进的砂浆分数阶蠕变恢复模型参数
步骤(6)：沥青砂浆高温粘弹性能评价
由步骤(5)获取了不同应力水平下的加载阶段和卸载阶段的分数阶阶数和变形因子，分数阶阶数可以描述沥青砂浆的粘弹性大小，变形因子可以评价沥青砂浆的高温性能。分数阶数越大，表明材料的黏性越强，变形因子越大，说明沥青砂浆的高温稳定性越差。因此对于本实施方式的沥青砂浆，随着应力的增大，沥青的黏性逐渐增强，高温性能逐渐减弱，且在同一应力下，加载阶段与卸载阶段的粘弹性不一致，卸载阶段相比加载阶段，其沥青的黏性增强，高温性能减弱。
以上所描述的实例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
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