一种沥青低温抗裂性能的评价方法
【专利摘要】本发明公开了一种沥青低温抗裂性能的评价方法，包括以下步骤：取或制备底座和不胀圆环，底座中间具有一环形槽，不胀圆环紧密套在环形槽的内环壁上，底座在环形槽的外环壁上设有一突触，突触为水平设置于环形槽的外环壁上的圆柱体形突触；加热沥青，将其浇入不胀圆环与环形槽外环壁之间的环形空间，冷却成型，得到沥青圆环；降温，直至沥青圆环断裂，检测并记录温度值和不胀圆环在对应突触的位置的瞬时应变值。该方法通过近似模拟路面断裂时对应的最大断裂应变，与路面混合料实际低温状况建立关联；能够实现定点断裂，可有针对性地对断裂处强度值进行测量；采用该方法测得的环裂温度与TSRST断裂温度具有较好的相关性，且该方法准确性和重复性好。
【专利说明】
一种沥青低温抗裂性能的评价方法
技术领域
[0001] 本发明属于沥青性能评价技术领域，尤其涉及一种沥青低温抗裂性能的评价方 法。
【背景技术】
[0002] 沥青路面的开裂是国内外道路界普遍关注的问题，其危害在于使水分沿裂隙浸入 路面结构内部，从而使路面基层和路基发软，路面结构承载力下降，在行车荷载作用下产生 唧泥、冲刷，界面层出现局部脱空，最终导致路面发生网裂与坑槽，严重地影响车辆的行驶 质量，大大地降低了路面的使用寿命。
[0003] 沥青路面的裂缝包括荷载裂缝与非荷载裂缝。由荷载产生的裂缝在我国一些超载 严重的高等级公路行车道经常遇见，现多以控制疲劳破坏为核心内容。而另一类裂缝，即非 荷载型的低温收缩裂缝和半刚性基层所引起的反射裂缝却普遍存在，已引起了相当的关 注，众所周知，这两种裂缝与沥青及沥青混合料的抗裂性能密切相关。近年来，国内外开展 了较多的研究工作，其中，很多研究主要以沥青面层低温开裂为主要研究目标。
[0004] 自20世纪60年代加拿大率先对沥青面层的低温缩裂进行系统调查研究以来，路面 抗裂与材料低温性能指标一直是国际道路学界的重要研究内容，近20年来在研究与应用领 域更是取得了突破性的进展。已取得共识的是:控制沥青与沥青混合料的低温性能，建立相 关低温性能指标与容许值，是沥青面层低温开裂设计的关键措施。而沥青路面的低温抗裂 性能主要取决于沥青结合料的低温拉伸特性，沥青结合料的性能起着特别重要的作用，相 关文献表明，其贡献率达到90%，因此对沥青面层低温开裂的研究应以沥青低温性能指标 的控制为主。
[0005] 通过对国内外沥青低温评价指标的分析，当前的常规低温指标在力学机理、试验 结果区分度及与路面相关度等方面仍存在一定的不足，很多方面不尽合理;SHRP指标能较 好的评价基质沥青的低温性能，而对改性沥青却不能作出很好的评价，并且SHRP指标采用 蠕变特性来分级，认为蠕变性能可以替代破坏性能，但研究表明蠕变性能和破坏性能的相 关性不是很好。在现阶段，当前现有的低温指标不能对沥青的低温性能作出比较明确的表 征，很有必要提出一个更加简便直观的指标对沥青性能进行评价。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种沥青低温抗裂性能的评价方法。
[0007] 本发明所采取的技术方案是：
[0008] -种沥青低温抗裂性能的评价方法，包括以下步骤：
[0009] S1:取或制备底座和不胀圆环，所述底座中间具有一环形槽，所述不胀圆环紧密套 在所述环形槽的内环壁上，所述底座在所述环形槽的外环壁上设有一突触，所述突触为水 平设置于所述环形槽的外环壁上的圆柱体形突触；
[0010] S2:加热沥青，将其浇入所述不胀圆环与所述环形槽外环壁之间的环形空间，冷却 成型，得到沥青圆环；
[0011] S3:降温，直至所述沥青圆环断裂，检测并记录温度值和不胀圆环在对应突触的位 置的瞬时应变值。
[0012] 在一些具体的实施方式中，在所述S1和S2之间还包括在所述不胀圆环的外侧壁和 所述环形槽的内侧壁均匀涂抹润滑剂的步骤。
[0013] 在一些具体的实施方式中，所述S3的具体步骤为:在与所述突触相对的所述不胀 圆环的内侧壁上设置应变传感器，在底座上设置温度传感器，将底座、不胀圆环连同所述沥 青圆环一起放入降温装置中，预热，然后控制降温装置以稳定速率降温，直至所述沥青圆环 断裂，检测并记录温度值和不胀圆环在对应突触的位置的瞬时应变值。
[0014] 在进一步优选的实施方式中，所述S3后还包括S4:绘制检测得到的瞬时应变值随 温度变化曲线，瞬时应变值发生跳跃时，对应的温度值即为沥青材料的断裂时的温度，即环 裂温度。
[0015] 在一些具体的实施方式中，所述圆柱体形突触的直径可根据公式(I)确定：
(I)
[0017]式中，S表示所述圆柱形突触的直径，h表示所述圆柱形突触的高度表示所述不 胀圆环的外环半径;所述Η表示所述沥青圆环的高度;d根据公式(II)确定：
(II !
[0019]式中，α浙为沥青的线膨胀系数;aNECR为不胀圆环的线膨胀系数；ΔΤ为降温幅度;Ri 为所述不胀圆环的外环半径;R2为所述沥青圆环的外环半径;式中，参数εΑ通过公式(III)确 定：
[0020] εΑ= · a集）· Δ T-M · ε集（III)
[0021] 式中，Δ T为降温幅度;c?为沥青的线膨胀系数;Μ为集料与沥青一维的长度比；a集 为集料的线膨胀系数;ε集为集料的应变。
[0022] 在一些具体的实施方式中，所述不胀圆环的线膨胀系数彡5 X l(T6mm/mm/°C。
[0023] 在一些具体的实施方式中，所述不胀圆环的材料为石英玻璃、因瓦合金、陶瓷和钢 中的任一种。
[0024] 在一些具体的实施方式中，所述不胀圆环的材料为石英玻璃。
[0025] 在一些具体的实施方式中，所述底座的材料为钢、铁、铝中的任一种。
[0026]在一些具体的实施方式中，所述S3中的降温速度范围为1~30°C/h。
[0027]本发明的有益效果是:本发明提供了一种沥青低温抗裂性能的评价方法，通过制 备底座和不胀圆环，所述底座中间具有一环形槽，所述不胀圆环紧密套在所述环形槽的内 环壁上，所述底座在所述环形槽的外环壁上设有一突触，所述突触为水平设置于所述环形 槽的外环壁上的圆柱体形突触，加热沥青，将其浇入所述不胀圆环与所述环形槽外环之间 的环形空间，冷却成型，得到沥青圆环，降温，直至所述沥青圆环断裂，检测并记录温度值和 不胀圆环在对应突触的位置的瞬时应变值。本方法通过控制温度的持续下降，沥青圆环不 断降温收缩，而不胀圆环随温度收缩量非常小，几乎保持不变，以使沥青圆环试样内部产生 温度应力，并随持续降温而不断增大，直至温度降至某值时，沥青圆环断裂，由于在所述环 形槽的外环壁上设置了突触，使沥青圆环在突触处横截面面积最小，突触处所受应力最大， 所以可以将沥青圆环在低温下断裂的点控制在突触处，实现定点断裂；由于沥青圆环和不 胀圆环的相互作用力相等，所以沥青圆环在突触处的应变值与不胀圆环在突触对应位置的 应变值相等，所以所检测到的瞬时应变值即为沥青圆环在突触处的瞬时应变值，记录瞬时 应变值和温度值，瞬时应变值发生突变时，此时沥青圆环断裂，对应的温度值即为环裂温度 T Fra。(沥青圆环断裂时的温度），对应的瞬时应变值即为环裂应变值，通过应力应变关系，即 可计算得到沥青的断裂强度。。采用本方法进行沥青低温抗裂性能的评价，具有以下优 点：1)能够近似模拟路面断裂时对应的最大断裂应变，与路面实际低温状况建立关联;2)可 实现定点断裂，在沥青圆环上的圆柱突触点，即在沥青所受应力最大处，控制断裂在此处发 生(此点与实际路面断裂相对应），而常规冻断试验，试验前一般不明确断裂点位置，这不仅 提高了对试验的有效控制，也有针对性的方便了对此处断裂强度值的测量;3)针对不同混 合料的类型和组成比例，结合底座的尺寸可以模拟计算，调整圆柱状突触的横截面面积(通 过更换不同的圆柱突触类型），可以有针对性地对路面不同类型混合料进行低温性能测试， 以做到与路面实际状况更加接近，这一点目前任何沥青低温抗裂性能评价都无法做到;4) 得到出环裂温度T Frac的同时，也测出了所对应的断裂强度〇Frac; 5)采用所述沥青低温性能评 价结构监测到的环裂温度与TSRST断裂温度具有较好的相关性，且本发明所述评价方法准 确性和重复性好。
【附图说明】
[0028]图1为底座的俯视图；
[0029]图2为图1中A-A截面剖视图；
[0030] 图3为不同材质和不同尺寸的不胀圆环的实物图；
[0031] 图4为不同尺寸的突触的实物图；
[0032] 图5为沥青环裂冻断圆盘结构俯视图；
[0033]图6为图5中B-B截面剖视图；
[0034]图7为沥青低温环裂试验仪结构示意图。
[0035]图8为沥青路面模型示意图；
[0036]图9为路面沥青混合料方格模型图；
[0037]图10为路面开裂应变示意图；
[0038]图11为沥青圆环与不胀圆环平衡受力示意图；
[0039]图12为沥青圆环与不胀圆环降温前后应变变化示意图；
[0040]图13为非均匀截面沥青圆环等效示意图；
[0041 ]图14为石英玻璃不胀圆环所得环裂温度与TSRST断裂温度的相关性分析图；
[0042] 图15为因瓦合金不胀圆环所得环裂温度与TSRST断裂温度的相关性分析图；
[0043] 图16为陶瓷不胀圆环所得环裂温度与TSRST断裂温度的相关性分析图；
[0044] 图17为一种不胀圆环材料所受应变随温度变化曲线；
[0045] 图18为不同沥青材料对应降温速率与环裂温度关系图。
[0046] 附图标记说明：
[0047] 1-底座;2-环形槽;3-内环壁;4-外环壁;5-突触;6-不胀圆环;7-沥青圆环;8-圆形 凹陷；9-应变传感器；10-温度传感器；11-封闭容置空间；12-温度采集处理器；13-应变采集 处理器;14-液氮降温系统；15-材料高低温试验仪。
【具体实施方式】
[0048] 本发明涉及一个环裂冻断圆盘结构和一个沥青低温环裂试验仪。一种沥青环裂冻 断圆盘结构，包括底座1和不胀圆环6。参照图1，图1为底座的俯视图，所述底座1中间具有一 环形槽2,所述底座1在所述环形槽2的外环壁4上设有一突触5,参照图2,图2为图1中A-A截 面剖视图，所述突触5为水平设置于所述环形槽2的外环壁4上的圆柱体形突触。所述底座1 的中间设有一圆形凹陷8,所述圆形凹陷8与所述环形槽2同心，所述圆形凹陷8的半径等于 所述环形槽2的内环壁3半径，所述圆形凹陷8的深度小于所述环形槽2的深度。所述不胀圆 环6的材料需随温度变化而体积变化很小，所述不胀圆环6的线膨胀系数<5 Xl(T6mm/mm/ °C。在优选的实施例中，所述不胀圆环6的材料为石英玻璃。所述底座1的材料为钢、铁、铝中 的任一种。
[0049] 参照图3,图3a从左至右分别为使用石英玻璃、陶瓷、因瓦合金、普通钢四种不同材 质制作的不胀圆环，图3b为不同尺寸的石英玻璃材质的不胀圆环。
[0050] 参照图4,图4为不同尺寸的突触的实物图，所述突触5包括第一端和第二端，所述 第一端为圆柱体形，所述第一端的圆柱体的尺寸可以调节，以针对性地模拟对路面不同类 型混合料的进行低温性能测试，可以做到与路面实际状况更加接近，所述第二端内嵌于所 述环形槽2的外环壁4内。
[0051] 参照图5,所述不胀圆环6紧密套在所述环形槽2的内环壁3上，所述不胀圆环6的外 壁与所述环形槽2之间形成一环形容置空间，所述环形容置空间用于放置沥青，在测试过程 中，先将沥青加热，然后将其浇入所述环形容置空间，冷却成型，得到沥青圆环7,所述温度 采集仪包括温度传感器10和温度采集处理器12两部分，所述温度传感器10置于所述圆形凹 陷8的中心处，所述底座1的温度即可认为是所述沥青圆环7的温度，所述温度传感器10用于 测试环裂冻断圆盘内沥青环的温度。所述圆柱体形突触的高度等于所述环形槽2的外环4半 径与所述不胀圆环6的外环半径之差。所述应变采集仪包括应变传感器9和和应变采集处理 器13两部分，所述应变传感器9设于所述突触5相对的所述不胀圆环6的内壁上，由于所述底 座1存在所述圆形凹陷8,所以方便所述应变传感器9的设置。
[0052] 参照图6,所述环形槽2的底部为水平的。所述不胀圆环6的宽度等于所述环形槽2 的深度。
[0053] 参照图7,本发明还提供了一种沥青低温环裂试验仪，包括如上所述的沥青环裂冻 断圆盘结构，所述沥青低温环裂试验仪还包括降温装置、温度采集仪和应变采集仪，所述降 温装置具有一个能够容纳所述沥青低温性能评价结构的封闭容置空间，所述温度采集仪包 括相连接的温度传感器10和温度采集处理器12,所述温度传感器10设于所述沥青环裂冻断 圆盘结构的底座1上，所述应变采集仪包括相连接的应变传感器9和应变采集处理器13,应 变传感器9设于不胀圆环6的与所述突触5相对的内壁上。在本实施例中，沥青低温环裂试验 仪包括沥青环裂冻断圆盘结构、材料高低温试验仪15、温度采集仪（由温度传感器10和温度 采集处理器12两部分组成，两者通过数据线连接）、应变采集仪(应变传感器9和和应变采集 处理器13两部分组成，通过数据线连接）、液氮降温系统14五部分组成。材料高低温试验仪 15安装有单级降温压缩装置，且材料高低温试验仪15具有封闭容置空间11。液氮降温系统 14的主要作用是在材料高低温试验仪15的单级压缩降温装置的基础上，采取液氮降温措施 对试验进行进一步降温强化。
[0054]本发明提供了一种沥青低温抗裂性能的评价方法，包括以下步骤:S1:取或制备底 座1和不胀圆环2(No Expansion Circle Ring，简称NECR)，所述底座1和所述不胀圆环2结 构如上述环裂冻断圆盘结构中所述底座1和所述不胀圆环2,所述不胀圆环2几乎不随温度 变化而发生体积变化，所述底座1的形状可以是任意形状，如矩形、圆形、椭圆形等，在优选 的实施例中所述底座1的形状为圆形，所述底座1中间具有一环形槽2,所述不胀圆环6嵌套 所述环形槽2的内环壁3上，所述底座1在所述环形槽2的外环壁4上设有一突触5,所述突触5 为水平设置于所述环形槽2的外环壁4上的圆柱体形突触;S2:在所述不胀圆环6的外侧壁和 所述环形槽2的内侧壁均匀涂抹润滑剂，以使在降温过程中沥青不会粘附于不胀圆环，避免 产生异常应变读数，影响试验数据;S3:加热沥青，将其浇入所述不胀圆环6与所述环形槽2 的外环壁4之间的环形空间，冷却成型，得到沥青圆环7;S4:在与所述突触5相对的所述不胀 圆环6的内侧壁上设置应变传感器9,在底座1上设置温度传感器10,将底座1、不胀圆环6连 同所述沥青圆环7-起放入材料高低温试验仪15的封闭容置空间11中，0°C预热30min，然后 控制降温装置以稳定速率进行降温，降温速率范围为l_30°C/h，直至所述沥青圆环7断裂， 检测并记录温度值和不胀圆环6在对应突触5的位置的瞬时应变值;S5:绘制检测得到的瞬 时应变值随温度变化曲线，瞬时应变值发生跳跃时，对应的应变值即为沥青断裂时不胀圆 环在突触对应位置的应变值，由于沥青圆环与不胀圆环在降温收缩过程中产生的相互挤压 是作用力与反作用力，即F?*ipf=F?，通过试验得到的参数￡]^闕直和应力应变公式F = ε · Ε · Α#?Η，可求出即得沥青圆环所受作用力F?。然后通过F浙=〇浙· Α?，求出沥青材料 的环裂强度〇浙，即〇Fra。。而在此时断裂所对应的温度值即为所述沥青圆环7断裂时的温度， 即环裂温度T Fra。。在优选的实施例中，降温速度可为10°C/h。所述不胀圆环2的线膨胀系数 彡5Xl(T6mm/mm/°C。所述不胀圆环2的材料为石英玻璃、因瓦合金、陶瓷和钢中的任一种。所 述底座的材料为钢、铁、铝中的任一种。
[0055] 工作原理分析：
[0056]下面对环裂试验的机理进行分析。在试验过程中，环形冻断圆盘作为环裂试验的 重要组成部件，其内部组成如图5所示。内环为不胀圆环(No Expansion Circle Ring，简称 NECR，线收缩系数很小，一般为(0~5)Xl(T6mm/mm/°C)，外环为沥青环(线收缩系数α-般大 于200 X l(T6mm/mm/°C)，两种材料α相差较大，大约为两个数量级。在进行试验降温过程中， 沥青与不胀圆环受温度影响产生收缩，因沥青环受温度变化在单位时间产生的长度缩减量 要比不胀圆环大，使沥青材料与不胀圆环直接在圆环切线方向和垂直切线方向均产生了相 互的挤压作用力，随着温度的不断下降，沥青材料在应力的作用下不断收缩，当沥青环(沥 青材料本身)所受拉应力达到其断裂的抗拉强度时，沥青环断裂(故称环裂试验）。
[0057] 一、路面实际状态分析
[0058]该试验方法的设计基于材料的弹性力学和强度破坏理论。
[0059]参照图8,沥青路面实际情况如图8所示，该图为沥青路面模型示意图，取其中一个 小块沥青混合料进行分析，路面中沥青混合料方格模型图如图9，常规的路面沥青混合料由 沥青、集料和空隙组成，集料约占总体积的83~85%，沥青占总体积的10~12%，空隙体积 占4~5% 〇
[0060]假定集料占体积的85%，沥青占总体积的15%，两者体积比为5.7:1，研究先暂不 考虑空隙的体积，上图的立方体方格< i =〇別，d_4=0.9473，d騰=l-d_4=0.0527，集料与 沥青一维的长度比为18:1，比例系数用M表示，即M= 18。
[0061 ]如图10所示，图10为路面开裂应变示意图，处于低温气候条件下，沥青路面便开始 低温收缩，而由于路面纵向的约束作用，限制了路面的长度变化，加上路面低温条件下近似 为弹性体，路面便出现了弹性收缩变形，以此来平衡所产生的温度应力。
[0062] 此时，尚未开裂的路面满足如式(1.1)所示的应变关系式：
[0063] (α?+Μ · α^) · Δ T = efjj(StB)+M · (1.1)
[0064] 二、本发明所述评价方法的室内模拟及力学分析
[0065] 参照图11，图11为沥青圆环与不胀圆环平衡受力示意图，在进行室内试验降温过 程中，沥青圆环与不胀圆环受温度影响产生收缩，因沥青圆环受温度变化在单位时间产生 的长度缩减量要比不胀圆环大，使沥青材料与不胀圆环直接在圆环切线方向和垂直切线方 向均产生了相互的挤压作用力，即此过程中沥青圆环尚未断裂之前一直保持受力的平衡状 态，满足如式(2.1)、（2.2)所示的平衡关系：
[0066] ρ沥=pNECR (2.1)
[0067] P,?js=Pn,ecr (2.2)
[0068] 式中，P浙为沥青圆环所受切线方向的相互作用力;PNECR为不胀圆环所受切线方向 的相互作用力;Pi为沥青圆环所受垂直于切线方向的相互作用力、P， ECR为不胀圆环所受 垂直于切线方向的相互作用力。
[0069] 由图11可知，沥青圆环与不胀圆环在收缩过程中，沥青圆环收缩长度在单位时间 要大于不胀圆环，而要保持平衡状态，需要靠沥青与不胀圆环的弹性应变来支撑。如图7所 示，图7为沥青圆环与不胀圆环降温前后应变变化示意图，如果所述沥青圆环为均匀截面， 沥青圆环与不胀圆环的应变满足以如式(2.3)所示关系式：
[0070] (a沥-aNECR) · Δ 丁=￡沥(_)+8呢(^ (2.3)
[0071] 式中，c?为沥青的线膨胀系数;aNECR为不胀圆环的线膨胀系数；ΔΤ为降温幅度； ε沥(鈉)为试验中沥青的应变;εNECR为不胀圆环的应变。
[0072 ]将室内的环裂试验来模拟路面低温断裂状况，选择σ浙(室内)=σ浙(路面)或ε浙(鈉)= ε?历(路面)，其中，σ浙(??为试验中沥青所受应力，σ浙(路面)为实际路面中沥青所受应力，ε浙(??为试 验中沥青的应变，哪(獅)为实际路面中沥青的应变，即相当于将该环裂试验仪与实际路面一 起置于同样的降温环境中，使一起种沥青的断裂最大程度的与路面状况保持一致。
[0073] 本发明在所述环形槽的外环壁上设有一突触，所述突触为水平设置于所述环形槽 的外环壁上的圆柱体形突触，通过设置此突触，使得沥青圆环在突触处的横截面面积缩小， 因沥青圆环上所受压力（即与不胀圆环直接的相互作用力)保持不变，所以在此突触处沥青 所受应力应变最大，使沥青圆环固定在此处发生断裂，实现定点断裂，从而可以定点检测断 裂处应变值。
[0074] 本发明还可以通过调整圆柱突触的尺寸，如图4所示，以使此沥青圆环内部所受的 断裂应变与路面实际混合料的断裂应变保持近似的一致。将突触处沥青圆环横截面面积变 小等效为如图13所示的非均匀截面，将突触处位置等效于图13中沥青圆环横截面面积最小 处，即AD线段处。选择非均匀截面沥青圆环上的A点（应变最大值点）作为研究对象，使其与 路面应变建立关系εΑ= ￡沥(獅)，其中εΑ为A点沥青的应变，￡沥(獅)为实际路面中沥青的应变。 [0075]则在非均匀截面条件下，式(2.3)可转化为式(2.4)
[0076] (α沥-aNECR) · Δ 丁=￡沥(_韵観g)+eNECR (2.4)
[0077] 其中，为非均匀截面沥青圆环整体所产生的应变量。
[0078] 假设图13中的截面长度d在不断变化，心为所述不胀圆环的外环半径;1?2为所述沥 青圆环的外环半径；Z80/J = p，角度变化值为Θ。
[0079]因不胀圆环选择的材料模量极大，产生的ε疆很小，先假设￡隱~0。
[0080] 如图13所示，如此可以认为在相同降温状况下，不断调整沥青圆环尺寸以期能使 εΑ满足εΑ=ε?Ι5(路?的同时，整个沥青圆环因温度变化所产生的的总应变量保持不变，即
[0083] 式中：￡1为0~角度内沥青圆环的内部应变；
[0084] ￡2为2_^2汉角度内沥青圆环的内部应变；
[0089] 式中：Ri为所述不胀圆环的外环半径，mm;R2为所述沥青圆环的外环半径，mm;a沥为 沥青的线膨胀系数;aNECR为不胀圆环的线膨胀系数，;a集为集料的线膨胀系数；Δ T 为降温幅度，°C ;M为集料与沥青一维的长度比；= ζ?，均为已知。
[0090] 通过式(2.7)的计算，对式(2.6)进行简化，式(2.6)可转化为式(2.8)， (非均匀截面条件下） Q.8)
[0092]其中，
[0093] 上文已提到，使沥青圆环有选择的在A处断裂的同时，也使通过调整圆柱突触的尺 寸以使此沥青圆环内部所受的断裂应变(取点εΑ)与路面实际混合料的断裂应变ε?路? (式 (1.1)所示)保持近似的一致，即如下式(2.9)所示。
[0094] ￡；A=^(獅) = (c^5+m · α集）· Δ T-M · ε集 (2.9)
[0095] 通过联立式(2.8)、式(2.9)进行计算，即可得到公式（II):
[0097]式中，α浙为沥青的线膨胀系数;aNECR为不胀圆环的线膨胀系数；ΔΤ为降温幅度;Ri 为所述不胀圆环的外环半径;R2为所述沥青圆环的外环半径;式中，参数εΑ通过公式(III)确 定：
[0098] εΑ= · α集）· Δ T-M · ε集（III)
[0099] 式中，Δ T为降温幅度;c?为沥青的线膨胀系数;Μ为集料与沥青一维的长度比；a集 为集料的线膨胀系数；ε集为集料的应变。通过公式（II)和公式（III)即可算出d。综上，采用 本发明所述评价方法可以针对不同混合料的类型和组成比例，结合底座的尺寸可以模拟计 算，调整圆柱状突触的横截面面积，可以有针对性地对路面不同类型混合料进行低温性能 测试，以做到与路面实际状况更加接近，这一点目前任何沥青低温抗裂性能评价都无法做 到。
[0100]求出长度d后，即可得图13中线段AD所对应的沥青圆环横截面面积，然后根据此面 积确定所用圆柱状突触的尺寸，可根据式(I)可以得到圆柱形突触的直径S，
(I)
[0102] 式中，h表示所述圆柱形突触的高度表示所述不胀圆环的外环半径;所述Η表示 所述沥青圆环的高度。在优选的实施例中，所述圆柱体形突触的高度h等于所述环形槽的外 环半径与所述不胀圆环的外环半径之差。
[0103] 将突触安装在所述底座的环形槽的外环壁上进行试验，以此求出沥青圆环在环裂 破坏时所对应的环裂温度TFra。和环裂强度〇 Fra。。
[0104] 本文使用试模尺寸1^ = 3〇111111，1?2 = 361]1111，线收缩系数计算假设α沥=200 X 10-6，α集= 5X10-6，aNECR = 〇.5X10-6,通过联立公式(2.8)、（2.9)，可求得(1 = 32.2111111。最后通过计算确 定圆柱状突触尺寸为Φ8_Χ6_(1ι)。
[0105]对实际路面的受力过程作一假定:Ρ浙=Ρ集，沥青与集料的相互作用力相等，而该环 裂试验亦满足Pffi=P_，即沥青和不胀圆环的相互作用力相等，则得式(2.10)和(2.11):
[0106] 〇沥· A沥=σ集· A集=〇NECR · Anecr (2.10)
[0107] 即ε沥·玲历· A沥=ε集· B* · A集=eNECR · Enecr · Anecr (2.11)
[0108] 式中，E?为沥青的弹性模量;B*为集料的弹性模量;Enecr为不胀圆环的弹性模量。
[0109] 假设路面上集料产生的弹性的应变与不胀圆环产生的微应变相等，即eNECR = M· ￡集〇
[0110] 通过联立该方程，求出Anecr，即不胀圆环的横截面面积，对应圆环高度求出试验所 对应不胀圆环的厚度。
[0111] 通过以上分析，最终确定该环形试模的不胀圆环环厚尺寸为2mm，圆柱状突触的尺 寸为 i>8mmX6mm(h) 〇
[0112] 综上所述，本发明通过检测降温过程沥青的温度变化值和突触处的应变，最终可 得到沥青圆环的环裂应变和环裂温度，而该环裂应变可以模拟路面断裂时对应的最大断裂 应变，还可以根据环裂应变得到对应的沥青的断裂强度，与路面混合料实际低温状况建立 关联，实现路面混合料的低温抗裂性能的评价;针对不同的混合料类型和组成比例，可以调 整突触的轴向截面面积以针对性的模拟路面不同混合料的低温性能测试，可以做到与路面 实际状况更加接近。
[0113] 三、不同材料的不胀圆环环裂试验的对比：
[0114] 制备如上所述的底座和不胀圆环，在本实施例中，分别选用石英玻璃、因瓦合金和 陶瓷作为不胀圆环的材料，在所述不胀圆环的外侧壁和所述环形槽的内侧壁均匀涂抹润滑 剂;选用8种不同的沥青，按照不同不胀圆环的材料分成三组进行试验，分别加热沥青一小 时，分别浇入如上所述的底座和不胀圆环形成的环形空间内，冷却成型，得到8种不同沥青 材料得到的沥青圆环，在与所述突触相对的所述不胀圆环的内侧壁上设置应变传感器，在 底座的圆形中心处设置温度传感器，然后将沥青圆环、不胀圆环和底座组成的沥青低温抗 裂性能评价结构放入材料高低温试验仪中，在〇°C保持30min，然后以10°C/h的速度降温直 至沥青圆环断裂，测试并记录各沥青圆环的环裂温度，分别与8种沥青材料的TSRST断裂温 度进行相关性分析，得到实验结果如图14、图15和图16,不同材料的不胀圆环实物图如图3， 分别所得三种材料的沥青试样环裂温度与TSRST断裂温度的相关性分析结果。根据图14、图 15和图16的分析结果，本发明提供的评价方法所得环裂温度与TSRST断裂温度具有较好的 相关性，且使用石英玻璃材料所得相关性最好，并且相比陶瓷、因瓦合金材料，石英玻璃的 线膨胀系数α最小，能更快地使沥青材料发生断裂，试验误差低。最终对比确定，最优先选择 使用石英玻璃不胀圆环进行试验。根据试验得到的断裂温度和应变数据，绘制应变随温度 变化曲线，如图17,图中的跳跃应变值即为沥青试样断裂时不胀圆环所承受的瞬时应变，由 式(3.1)应力应变关系式可得，
[0115] F/ra?eF= e^ig^f X X (3.1)
[0116] 式中:为断裂瞬间不胀圆环上所受温度作用力，单位为Ν;
[0117] εβ??殖为因沥青材料断裂而使不胀圆环产生的跳跃应变值，单位为叫；
[0118] 为不胀圆环的弹性模量(石英玻璃材质，取E = 7.5X 101()Pa)，单位为Pa;
[0119] 細]祕为不胀圆环的横截面面积(试验中A = 6.0X10-V)，单位为m2。
[0120] 由于沥青试样与不胀圆环之间试验前润滑剂的涂抹润滑作用，沥青试样产生的拉 力等同于不胀圆环所受压力，两者为作用力与反作用力，即网廳^=版。因此，沥青试样的断 裂应力被计算如下： (32)
[0122] 式中:?为不胀圆环上所受温度作用力，单位为N;
[0123] A浙为沥青结合料试样突触处的横截面面积(试验中A=1.2X l(T4m2)，单位为m2。
[0124] 〇沥即为所求环裂强度〇Frac，对应应变突起的温度即为环裂温度指标T Frac。
[0125] 四、不同沥青不同降温速率下的环裂温度试验：
[0126] 分别选用110#+5%383、110#、90#+5%383、90#、70#这五种沥青材料分别按照不同 的降温速度（1°(：/11、5°(：/11、10°(：/11、20°(：/11、30°(：/11)进行本发明所述的环裂评价，选用石英 玻璃作为不胀圆环材料，选用钢制底座材料，得到环裂温度T Fra。及其标准差SD的实验结果 如表1和图18所示。由表1的实验结果可以看出，对五种沥青分别以1°C/h、5°C/h、10°C/h、20 °C/h、30°C/h的速率进行降温，同种沥青不同降温速率最大温差3.6°C(90#+5%)，最小温度 2.1°(：(70#)，测出的环裂温度值之间的差别较小;对5种降温速率的标准差比较，10 1€/11的 降温速率的SD均值相对较小，有较好的试验可重复性。
[0127] 表1不同沥青不同降温速率下的环裂温度试验结果
【主权项】
1. 一种沥青低温抗裂性能的评价方法，其特征在于，包括以下步骤： SI:取或制备底座和不胀圆环，所述底座中间具有一环形槽，所述不胀圆环紧密套在所 述环形槽的内环壁上，所述底座在所述环形槽的外环壁上设有一突触，所述突触为水平设 置于所述环形槽的外环壁上的圆柱体形突触； S2:加热沥青，将其浇入所述不胀圆环与所述环形槽外环壁之间的环形空间，冷却成 型，得到沥青圆环； S3:降温，直至所述沥青圆环断裂，检测并记录温度值和不胀圆环在对应突触的位置的 瞬时应变值。2. 根据权利要求1所述的沥青低温抗裂性能的评价方法，其特征在于，在所述Sl和S2之 间还包括在所述不胀圆环的外侧壁和所述环形槽的内侧壁均匀涂抹润滑剂的步骤。3. 根据权利要求1所述的沥青低温抗裂性能的评价方法，其特征在于，所述S3的具体步 骤为:在与所述突触相对的所述不胀圆环的内侧壁上设置应变传感器，在底座上设置温度 传感器，将底座、不胀圆环连同所述沥青圆环一起放入降温装置中，预热，然后控制降温装 置以稳定速率降温，直至所述沥青圆环断裂，检测并记录温度值和不胀圆环在对应突触的 位置的瞬时应变值。4. 根据权利要求3所述的沥青低温抗裂性能的评价方法，其特征在于，所述S3后还包括 S4:绘制检测得到的瞬时应变值随温度变化曲线，瞬时应变值发生跳跃时，对应的温度值即 为沥青材料的断裂时的温度，即环裂温度。5. 根据权利要求1所述的沥青低温抗裂性能的评价方法，其特征在于，所述圆柱体形突 触的直径可根据公式(I)确定：(I) 式中，S表示所述圆柱形突触的直径，h表示所述圆柱形突触的高度;心表示所述不胀圆 环的外环半径;所述H表示所述沥青圆环的高度;d根据公式(II)确定：(II) 式中，c?为沥青的线膨胀系数;为不胀圆环的线膨胀系数；A T为降温幅度;R1为所 述不胀圆环的外环半径;R2为所述沥青圆环的外环半径;式中，参数εΑ通过公式(III)确定：(III) 式中，△ T为降温幅度;c?为沥青的线膨胀系数;M为集料与沥青一维的长度比；α集为集 料的线膨胀系数;ε集为集料的应变。6. 根据权利要求1所述的沥青低温抗裂性能的评价方法，其特征在于，所述不胀圆环的 线膨胀系数<5 X lCT6mm/mm/°C。7. 根据权利要求1所述的沥青低温抗裂性能的评价方法，其特征在于，所述不胀圆环的 材料为石英玻璃、因瓦合金、陶瓷和钢中的任一种。8. 根据权利要求1所述的沥青低温抗裂性能的评价方法，其特征在于，所述不胀圆环的 材料为石英玻璃。9. 根据权利要求1所述的沥青低温抗裂性能的评价方法，其特征在于，所述底座的材料 为钢、铁、错中的任一种。10. 根据权利要求1所述的沥青低温抗裂性能的评价方法，其特征在于，所述S3中的降 温速度范围为1~30°C/h。
【文档编号】G01N25/14GK106018463SQ201610377177
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】徐东, 徐波
【申请人】深圳市市政设计研究院有限公司