考虑冻融及老化对沥青混合料性能影响的试验及评价方法

1.本发明属于工程材料技术领域，具体涉及一种考虑冻融及老化对沥青混合料性能影响的试验及评价方法。


背景技术：

2.沥青混合料是一种重要的路面材料。由于沥青混合料组成材料中存在沥青，因此沥青混合料的材料性能具有较高的温度敏感性。沥青混合料的性能与温度密切相关。这种相关性主要包括两个方面，即高温稳定性及低温抗裂性。高温稳定性指的是在夏天高温季节沥青混合料不能太软，可以抵抗车辆载荷的作用，不致产生车辙病害；低温抗裂性指的是在冬天低温季节沥青混合料不能太硬，在低温时沥青混合料应当具有一定的变形能力，不致产生裂缝病害。因此，在评价沥青混合料的性能时，应当同时考虑其高温稳定性及低温抗裂性。
3.实际服役期间的沥青混合料受到外界环境因素的影响很大，环境因素的影响主要包括两个方面，一是高低温交替导致的冻融循环作用；二是高温及紫外线作用引起沥青材料的老化。在沥青混合料服役期间，这两种作用的影响是长期存在并且是同时发生的。冻融循环及老化作用会导致沥青混合料结构及材料损伤，影响到沥青混合料的高温稳定性及低温抗裂性，进而影响到沥青混合料的耐久性，因此必须同时考虑高温稳定性及低温抗裂性，才能全面分析冻融循环及老化作用对沥青混合料耐久性的影响。目前在沥青混合料耐久性试验研究及评价方面主要存在如下问题。问题1：对于耐久性的两个方面冻融循环及老化作用没有同时考虑。目前对于冻融循环及老化作用，一般情况下都是分开考虑，即对冻融循环及老化作用分别进行试验研究。而实际上冻融循环和老化作用是同时存在的，而且这两种作用是互相影响的，比如冻融循环引起的裂纹会进一步加剧老化的影响。问题2：老化作用包括两个方面：热老化及紫外老化。目前对于这两种老化作用一般情况下是分开考虑，即分别考虑热老化及紫外老化作用。而实际的热老化及紫外老化作用是同时产生的。问题3：在沥青混合料耐久性的评价方面，试验方法较多，并且通过某一个试验只能评价沥青混合料的高温稳定性或低温抗裂性某一方面的性能。缺少通过一个试验能够对沥青混合料的高温稳定性及低温抗裂性进行综合评价的有效评价方法。


技术实现要素：

4.沥青混合料的耐久性是影响其路用性能的重要因素，沥青混合料的耐久性主要包括冻融循环及沥青老化对其性能的影响。冻融循环会引起沥青混合料组成结构的变化，产生冻胀裂纹；老化作用会引起沥青材料性能的变化。冻融循环及老化作用分别导致沥青混合料微观结构的变化及组成材料性能的变化，进而影响到沥青混合料的耐久性。因此在考虑沥青混合料的耐久性时，应当综合考虑冻融循环及老化的影响，本发明提出了一种同时考虑冻融循环及老化作用(同时考虑热老化及紫外老化)对沥青混合料耐久性影响的试验方法，并提出了一种能够对高温稳定性及低温抗裂性同时进行评价的方法。因此本发明包
括两部分：一是同时考虑冻融循环及老化作用的试验方法，二是高温稳定性及低温抗裂性的一体化评价方法。
5.为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
6.一种考虑冻融及老化对沥青混合料性能影响的试验方法，包括以下步骤：
7.步骤一、制备沥青混合料试件；
8.步骤二、确定冻融循环及老化试验参数；
9.步骤三、在冻融循环的融化过程中同时进行老化试验。
10.进一步的，步骤二中，冻融循环的参数包括冻融循环次数和每一个循环中的冻结温度、冻结时间、融化温度和融化时间；老化试验参数包括：紫外老化强度、热老化温度和老化时间。
11.进一步的，老化时间和融化时间相同。
12.一种考虑冻融及老化对沥青混合料性能影响的评价方法，包括以下步骤：
13.步骤1、对经过冻融循环及老化试验后的沥青混合料试件进行频率扫描试验，得到沥青混合料复数模量随加载频率的变化曲线；
14.步骤2、伯格斯黏弹性力学模型中包括四个元件，分别是弹簧i、弹簧ii、黏壶i及黏壶ii、基于伯格斯黏弹性力学模型可以得到复数模量的理论公式利用该理论公式对步骤1得到的复数模量随加载频率的变化曲线进行拟合，分别得到公式中的参数，公式中，e、e1分别是弹簧i及弹簧ii的弹性模量；η、η1分别是黏壶i及黏壶ii的黏度，ω是加载频率；
15.步骤3、当e随着冻融循环次数及老化时间的增加而减小时，高温稳定性影响参数定义为gw(n,t)＝1-e(n,t)/e(0,0)；当e随着冻融循环次数及老化时间的增加而增大时，高温稳定性影响参数定义为gw(n,t)＝1-e(0,0)/e(n,t)；当η随着冻融循环次数及老化时间的增加而减小时，低温抗裂性影响参数定义dw(n,t)＝1-η(n,t)/η(0,0)；当η随着冻融循环次数及老化时间的增加而增大时，低温抗裂性影响参数定义dw(n,t)＝1-η(0,0)/η(n,t)，上式中e(n,t)、η(n,t)分别为冻融循环次数为n、老化时间为t时的e及η值；e(0,0)及η(0,0)分别为冻融循环次数为0、老化时间为0时的e及η值，gw(n,t)及dw(n,t)值越大，表明冻融循环及老化作用对沥青混合料的耐久性影响越大，沥青混合料的性能越不稳定，耐久性越差。
16.进一步的，为了分析冻融循环及老化作用对沥青混合料耐久性的综合影响，定义综合影响参数zh(n,t)＝αgw(n,t) βdw(n,t)，α、β为高温稳定性及低温抗裂性权重系数，α β＝1，绘出zh(n,t)随冻融循环次数n及老化时间t的变化曲线，根据曲线的变化趋势，可以对沥青混合料的耐久性进行分析与评价。
17.进一步的，在北方地区路面病害以低温开裂为主，此时取α《β；在南方地区路面病害以高温车辙为主，此时取α》β。
18.进一步的，步骤2中，e及η分别表征沥青混合料的高温稳定性及低温抗裂性，e越大表示沥青混合料的高温稳定性越好，η越小表示沥青混合料的低温抗裂性越好。
19.进一步的，步骤3中，绘制gw(n,t)及dw(n,t)随冻融循环次数n及老化时间t的变化曲线，进一步分析冻融循环及老化对沥青混合料高温稳定性及低温抗裂性的影响及其差异性。
20.进一步的，步骤1中，频率范围为0～100hz，频率间隔为0.1-1hz，试验温度为25-30℃。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.本发明提出的试验方法可以同时进行冻融循环试验及老化试验，将两种不同的试验有机的结合在一起，同时考虑了冻融循环及老化作用对沥青混合料耐久性的耦合影响。并且基于同一个力学性能试验，提出了一种可以同时评价沥青混合料高温稳定性及低温抗裂性的方法，该方法可以实现对沥青混合料耐久性全面的快速评价。
附图说明
23.图1是伯格斯黏弹性力学模型示意图；
24.图2是频率扫描试验结果及公式拟合曲线图；
25.图3是高温稳定性影响参数和低温抗裂性影响参数随冻融循环次数n及老化时间t的变化曲线图；
26.图4是综合影响参数zh(n,t)随冻融循环次数n及老化时间t的变化曲线图。
具体实施方式
27.下面将结合附图和实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.具体实施方式一
29.冻融循环及老化作用会导致沥青混合料的微观结构及组成材料性能发生改变，引起沥青混合料的微观结构损伤及材料损伤，两种损伤作用的宏观体现是沥青混合料的宏观力学性能发生改变。因此本发明的主体技术思路是首先对沥青混合料进行冻融循环试验及老化试验，对冻融循环试验及老化试验后的沥青混合料进行频率扫描试验，基于频率扫描试验结果，结合沥青混合料的黏弹性材料力学属性，进行理论分析，得到表征沥青混合料高温稳定性及低温抗裂性的材料参数，通过这些材料参数随着冻融循环次数及老化时间的变化规律，评价冻融循环及老化作用对沥青混合料耐久性的影响。基于这一思路，本发明专利提出的试验及性能评价方法的主要步骤如下：
30.一种考虑冻融及老化对沥青混合料性能影响的试验方法，包括以下步骤：
31.步骤一：沥青混合料试件制备
32.根据设计的材料配比，制作沥青混合料试件，试件形状优选为圆柱体；试件尺寸为：直径100mm、高60mm，试件总数为15个；
33.步骤二：确定冻融循环及老化试验参数
34.冻融循环试验参数包括：冻融循环次数和每一个循环中的冻结温度、冻结时间、融化温度和融化时间；老化试验参数包括：紫外老化强度、热老化温度和老化时间；具体试验参数根据实际需求确定；考虑到冻融循环试验与老化试验的同时性，在冻融循环的融化过程中同时进行老化试验，即老化与融化过程同时进行；老化过程中同时控制温度及紫外线强度，并且控制老化时间，利用高温作用同时起到融化试件及老化试件的作用，同时采用紫
外线照射试件，产生紫外老化效果；15个试件分成5组，可以分别进行不同冻融循环次数及不同老化时间的试验，以分析冻融循环次数及老化时间对沥青混合料耐久性的影响；
35.步骤三：冻融循环及老化试验
36.采用道路综合环境模拟试验箱对沥青混合料进行冻融循环及老化试验，要求道路综合环境模拟试验箱具有同时进行冻融循环及老化试验的功能，能够精确控制冻结温度、冻结时间、融化温度、融化时间，冻融循环次数、紫外老化强度、热老化温度、老化时间(与融化时间相同，老化与融化同时进行)；按照设定的试验参数进行冻融循环及老化试验，每组3个试件。
37.具体实施方式二
38.一种考虑冻融及老化对沥青混合料性能影响的评价方法，包括以下步骤：
39.步骤1：频率扫描试验
40.对经过具体实施方式一所述的冻融循环及老化试验后的沥青混合料试件进行频率扫描试验；利用材料性能试验机进行频率扫描，试验频率范围为0～100hz，频率间隔为0.1～1hz，试验温度25～30℃；通过频率扫描试验得到沥青混合料复数模量随加载频率的变化曲线；
41.步骤2：沥青混合料高温稳定性及低温抗裂性表征参数的获取
42.经典的伯格斯黏弹性力学模型如图1所示，模型中包括四个元件，分别是弹簧i、弹簧ii、黏壶i及黏壶ii、基于该黏弹性力学模型可以得到复数模量的理论公式，公式中e、e1、η、η1是表征沥青混合料黏弹性力学性能的材料参数。e、e1分别是弹簧i及弹簧ii的弹性模量，单位为pa；η、η1是分别是黏壶i及黏壶ii的黏度，单位是pa.s；ω是加载频率，单位hz；利用该理论公式对步骤1得到的复数模量随加载频率的变化曲线进行拟合，可以分别得到公式中的参数e及η的数值；e及η可以分别表征沥青混合料的高温稳定性及低温抗裂性。e越大表示沥青混合料的高温稳定性越好，η越小表示沥青混合料的低温抗裂性越好。因此通过e及η随冻融循环次数及老化时间的变化，可以分析冻融循环及老化作用对沥青混合料耐久性的影响；
43.步骤3：考虑冻融循环及老化作用的沥青混合料耐久性表征
44.通过以上步骤得到的材料参数e及η可以综合反映冻融循环及老化作用对沥青混合料高温稳定性及低温抗裂性的影响；通过e及η随冻融循环次数及老化时间的变化，可以分别定义沥青混合料高温稳定性及低温抗裂性的影响参数；当e随着冻融循环次数及老化时间的增加而减小时，高温稳定性影响参数定义为gw(n,t)＝1-e(n,t)/e(0,0)，当e随着冻融循环次数及老化时间的增加而增大时，高温稳定性影响参数定义为gw(n,t)＝1-e(0,0)/e(n,t)；当η随着冻融循环次数及老化时间的增加而减小时，低温抗裂性影响参数定义dw(n,t)＝1-η(n,t)/η(0,0)，当η随着冻融循环次数及老化时间的增加而增大时，低温抗裂性影响参数定义dw(n,t)＝1-η(0,0)/η(n,t)；上式中e(n,t)、η(n,t)分别为冻融循环次数为n、老化时间为t时的e及η值；e(0,0)及η(0,0)分别为冻融循环次数为0、老化时间为0时的e及η值；通过以上影响参数gw(n,t)及dw(n,t)的定义可知，gw(n,t)及dw(n,t)的范围在0～1之间，并且gw(n,t)及dw(n,t)值越大，表明冻融循环及老化作用对沥青混合料的耐久性影响越大，沥青混合料的性能越不稳定，耐久性越差。
45.在得到gw(n,t)及dw(n,t)的数值以后，可以绘出gw(n,t)及dw(n,t)随冻融循环次数n及老化时间t的变化曲线，进一步分析冻融循环及老化对沥青混合料高温稳定性及低温抗裂性的影响及其差异性。
46.步骤4：考虑冻融循环及老化作用的沥青混合料耐久性评价
47.为了分析冻融循环及老化作用对沥青混合料耐久性的综合影响，引入综合影响参数zh(n,t)＝αgw(n,t) βdw(n,t)评价，α、β为高温稳定性及低温抗裂性权重系数，α β＝1，在北方地区路面病害以低温开裂为主，此时可取α《β；在南方地区路面病害以高温车辙为主，此时可取α》β。根据zh(n,t)可以进一步分析沥青混合料的耐久性，并可以对比分析不同沥青混合料耐久性差别。
48.实施例1
49.一种考虑冻融及老化对沥青混合料性能影响的试验及评价方法，包括以下步骤：
50.步骤1：制作沥青混合料试件
51.根据设计的材料配比，制作沥青混合料试件，试件形状为圆柱体试件，试件尺寸为：直径100mm、高60mm，试件总数为15个。
52.步骤2：确定冻融循环及老化试验参数
53.冻融循环试验参数：每一个循环中冻结温度为-25℃、冻结时间为4h；冻融循环次数分别为0、5、10、15、20次；
54.老化试验参数：考虑夏天路面内部的实际温度，设定老化温度为80℃，紫外老化强度为20w/cm2，单次老化时间为8h(即每一个循环中的融化时间为8h)；
55.步骤3：冻融循环及老化试验
56.采用道路综合环境模拟试验箱对沥青混合料进行冻融循环及老化试验。冻结温度：-25℃、冻结时间；4h、融化温度：80℃(同时紫外线强度：20w/m2)、融化时间(老化时间)：8h，这是一个循环。对不同组的试件分别循环0、5、10、15、20次，相应的老化总时间分别为0、40、80、120、160h，每组试验3个平行试件；
57.步骤4：频率扫描试验
58.对经过冻融循环及老化试验后的沥青混合料试件进行频率扫描试验，利用材料性能试验机进行频率扫描试验，试验频率范围为0～60hz，频率间隔为0.1hz，试验温度25℃。通过频率扫描试验得到沥青混合料复数模量随加载频率的变化曲线；
59.步骤5：沥青混合料高温稳定性及低温抗裂性表征参数的获取
60.利用复数模量的理论公式，
61.对步骤4得到的复数模量随加载频率的变化曲线进行拟合，可以分别得到公式中的参数e及η的数值，试验及拟合曲线如图2所示；
62.步骤6：考虑冻融循环及老化作用的沥青混合料耐久性表征
63.通过以上步骤得到不同冻融循环次数及老化时间条件下的e值分别为e(0,0)、e(5,40)e(10,80)、e(15,120)、e(20,160)；η值分别为η(0,0)、η(5,40)、η(10,80)、η(15,120)、η(20,160)；假定e随着冻融循环次数及老化时间的增加而减小，则根据高温稳定性影响参数定义式gw(n,t)＝1-e(n,t)/e(0,0)，可得gw(0,0)＝1-e(0,0)/e(0,0)＝0、gw(5,40)
＝1-e(5,40)/e(0,0)、gw(10,80)＝1-e(10,80)/e(0,0)、gw(15,120)＝1-e(15,120)/e(0,0)、gw(20,160)＝1-e(20,160)/e(0,0)；假定η随着冻融循环次数及老化时间的增加而增大，则根据低温抗裂性影响参数定义dw(n,t)＝1-η(0,0)/η(n,t)，可得dw(0,0)＝1-η(0,0)/η(0,0)＝0、dw(5,40)＝1-η(0,0)/η(5,40)、dw(10,80)＝1-η(0,0)/η(10,80)、dw(15,120)＝1-η(0,0)/η(15,120)、dw(20,160)＝1-η(0,0)/η(20,160)；
64.步骤7：考虑冻融循环及老化作用的沥青混合料耐久性评价
65.在得到gw(n,t)及dw(n,t)的数值以后，可以绘出gw(n,t)及dw(n,t)随冻融循环次数n及老化时间t的变化曲线，如图3所示，可以看出，冻融循环及老化作用对高温稳定性的影响要大于对低温抗裂性的影响，说明该材料低温抗裂性相对比较稳定，根据综合影响参数公式zh(n,t)＝αgw(n,t) βdw(n,t)，假定在北方地区，路面病害以低温开裂为主，此时可取α＝0.3、β＝0.7，得到综合影响参数zh(0,0)＝0.3gw(0,0) 0.7dw(0,0)、zh(5,40)＝0.3gw(5,40) 0.7dw(5,40)、zh(10,80)＝0.3gw(10,80) 0.7dw(10,80)、zh(15,120)＝0.3gw(15,120) 0.7dw(15,120)、zh(20,160)＝0.3gw(20,160) 0.7dw(20,160)；可以绘出zh(n,t)随冻融循环次数n及老化时间t的变化曲线，如图4所示，曲线较为平缓，说明冻融循环及老化对该沥青混合料的材料性能影响较小，该沥青混合料的耐久性较好，曲线较为陡峭时，说明冻融循环及老化对该沥青混合料的材料性能影响较大，该沥青混合料的耐久性较差。
66.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。