玄武岩纤维冷拌环氧SMA-10混合料韧性评价方法

玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料韧性评价方法
技术领域
1.本发明涉及公路、桥梁工程技术领域，具体涉及一种玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料韧性评价方法。


背景技术：

2.钢桥面铺装路面是钢桥上的特殊路面结构，正成为中国提供跨越大障碍物通道的主要方式。环氧沥青混合料不仅强度高,韧性好,具有良好的耐老化性和耐化学侵蚀性,而且在高达50℃的典型路面使用温度下具有弹性，提供高抗疲劳性，已被广泛地应用于重载交通路段、机场及钢桥面的道面工程中。目前，在混合料中引入热拌环氧沥青生产工艺复杂，由于其热固特性，施工中对试件和温度要求极高，施工质量难以保证，且有大量的沥青烟与二氧化碳产生。随着国家碳达峰、碳中和理念的推广，冷拌环氧沥青具有施工方便、养护时间短、节能环保等优势，它已成为一种至关重要的钢桥面铺装材料。
3.沥青玛蹄脂碎石混合料(sma)作为一种性能优异的混合料，具有抗车辙性能、抗反射开裂性能以及抗疲劳性能等，被广泛应用于工程实践中。与普通沥青混合料的最大区别在于沥青性能的高要求，一方面是为了防止沥青滴漏,另一方面是为了减少沥青的温度敏感性,提高胶结料的粘度,从而全面改善混合料的路用性能。
4.与普通环氧沥青混合料相比，纤维作为一种高性能的加筋材料，可以均匀地分散在环氧沥青混合料中形成网状结构，单掺聚酯纤维对于沥青有着良好的吸附性，适量加入可以有效吸附混合料中自由沥青。随着交通荷载的不断增加，单掺聚酯纤维远远满足不了高等级路面与重载钢桥面铺装层的抗开裂性能。近年来，相关研究表明，单掺玄武岩纤维对环氧沥青混合料裂纹的产生、扩展起到阻滞效应，鉴于不同纤维之间性能区别，对混合料进行纤维复掺，可在单掺纤维的基础上，进一步提高环氧沥青混合料路用性能。
5.目前用于评价环氧沥青混合料韧性的主要试验方法有低温小梁弯曲试验、间接拉伸沥青开裂试验和半圆弯曲试验等。虽然所选方法可以有效区分多种模式下的增韧效果，但很难跟踪和描述混合料的韧性。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料韧性评价方法，通过向sma-10混合料中按比例地掺入短切玄武岩纤维和短切聚酯纤维，可以提高混合料的高温稳定性能、抗裂性能和抗疲劳性能，并且较单掺某一种纤维其综合性能有很大提高。并结合dic技术准确捕捉混合料表面上的真实位移和应变分布，通过计算试件的实时裂纹扩展长度对玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料进行韧性评价。
7.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料韧性评价方法，包括以下步骤：
8.步骤1：采用轮碾法成型玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料试件，对试件进行切割并处理；步骤2：进行lttb测试，对切割后试件进行实时拍摄，以获取混合料切片图像；
9.步骤3：基于上述切片图像，提取图像特征参数，并进行相关指标的计算，基于dic技术对混合料的韧性进行评价。
10.进一步的，通过轮碾法成型大小为300mm
×
300mm
×
50mm的玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料试件，随后采用切割机对该试件进行切割，对试件进行切割后得到尺寸大小为250mm
×
30mm
×
35mm的四棱柱体试件。
11.进一步的，采用轮碾法成型玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料试件，对试件进行切割并打磨抛光表面喷涂黑漆静置15min喷洒白漆。
12.进一步的，玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料，以质量百分比计，该混合料包括如下组分：冷拌环氧沥青6.15％～6.54％，纤维0.286％～0.346％，矿料93.11％～93.56％。
13.更进一步的，矿料包括矿粉和粗细集料，矿粉占矿料总质量的11％，粗细集料中的1#料、2#料、3#料、4#料分别占矿料总质量的3％、53％、11％、22％。
14.更进一步的，纤维包括短切玄武岩纤维和短切聚酯纤维，纤维长度均为6mm，直径均为7μm，玄武岩纤维和聚酯纤维的质量比例为2:1。
15.更进一步的，玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料，由如下步骤制备：
16.(1)将粗细集料和矿粉在105℃
±
5℃下预先加热5h以上，取出粗细集料和矿粉冷却直至室温；
17.(3)将冷却后的粗细集料加入拌合锅内，掺入纤维均匀拌合90s，再加入冷拌环氧沥青均匀拌合90s，最后掺入矿粉均匀拌合90s，制得所述的玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料。进一步的，采用utm-25机对切割后试件进行lttb测试，并使用高速摄像机记录该试件开裂过程，直至试件完全断裂为止。
18.进一步的，使用matlab软件中ncorr程序进行分析，提取图像特征参数，并进行相关指标的计算，查看试件的位移和应变计算结果：u、v、应变e
xx
、应变e
yy
和应变e
xy
，通过计算该试件的实时裂纹扩展长度对玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料进行韧性评价，实时裂纹扩展长度l的计算公式如下：
[0019][0020]
式中：x
i+1
，y
i+1
分别是i+1张切片图像的水平实时尖端坐标和垂直实时尖端坐标；xi，yi分别是i张切片图像的水平实时尖端坐标和垂直实时尖端坐标；δ指的是切片图像尺寸像素的转化系数；n指的是切片图像的数量。
[0021]
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
[0022]
(1)本发明所述的玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料，可有效提高混合料的高温稳定性能、抗裂性能和抗疲劳性能，在拌合、运输和施工中能有效地减少沥青烟气及二氧化碳的排放，可进一步加快国家碳达峰、碳中和进程；
[0023]
(2)在sma-10混合料中按2:1的质量比例复掺短切玄武岩纤维和短切聚酯纤维，能够充分发挥两种纤维的优势，较单掺某一种纤维其综合性能显著改善，具有重要的社会意义和经济效益。
[0024]
(3)利用室内试验制作的lttb试件进行分析，基于dic技术能够较为高效地反映玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料的韧性。该方法测试时间短，操作简单，精度高，为高等级路面与重载钢桥面铺装层的抗裂研究提供新的方法和参数。
附图说明
[0025]
图1为本发明玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料韧性评价方法的流程图。
[0026]
图2为本发明玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料的图像数据信息采集示意图。
[0027]
图中：1为半圆试件，2为高速摄像机，3为图像采集系统，4为图像分析系统，5为荷载控制系统。
[0028]
具体的实施方式
[0029]
下面结合图1、图2以及具体实施案例对本发明所述的玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料韧性评价方法做进一步说明。
[0030]
dic技术有非接触性、通用性、坚固性和易用性等优点，很好地解决了现有技术的缺陷，可以追踪全场的位移和应变，并识别整个过程中的变化情况。因此，dic技术是评价环氧沥青混合料韧性的合理方法。
[0031]
选用的冷拌环氧沥青为江苏中路工程技术有限公司研发的高韧型冷拌环氧沥青，玄武岩纤维为江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司生产的长度6mm，直径7μm的短切玄武岩纤维，聚酯纤维为湖南长沙柠祥建材有限公司生产的长度6mm，直径7μm的短切聚酯纤维。
[0032]
实施例1
[0033]
在105℃
±
5℃条件下预先加热11173.2g矿料(其中1#料，2#料，3#料，4#料，矿粉的质量分别为335.20，5921.80，1229.05，2458.10，1229.05)5h以上，取出集料和矿粉冷却一天直至室温。将冷却后的粗细集料加入拌合锅内，与11.44g的短切聚酯纤维和22.88g的短切玄武岩纤维在拌锅内均匀拌合90s，再加入738.00g的冷拌环氧沥青均匀拌合90s，最后掺入1229.05g矿粉均匀拌合90s，制备所述的玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料。
[0034]
实施例2
[0035]
在105℃
±
5℃条件下预先加热11227.2g矿料(其中1#料，2#料，3#料，4#料，矿粉的质量分别为336.82，5950.42，1234.99，2469.98，1234.99)5h以上，取出集料和矿粉冷却一天直至室温。将冷却后的粗细集料加入拌合锅内，与13.84g的短切聚酯纤维和27.68g的短切玄武岩纤维在拌锅内均匀拌合90s，再加入784.80g的冷拌环氧沥青均匀拌合90s，最后掺入1234.99g矿粉均匀拌合90s，制备所述的玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料。
[0036]
实施例3
[0037]
在105℃
±
5℃条件下预先加热11200.2g矿料(其中1#料，2#料，3#料，4#料，矿粉的质量分别为336.01，5936.11，1232.02，2464.04，1232.02)5h以上，取出集料和矿粉冷却一天直至室温。将冷却后的粗细集料加入拌合锅内，与12.64g的短切聚酯纤维和25.28g的短切玄武岩纤维在拌锅内均匀拌合90s，再加入761.40g的冷拌环氧沥青均匀拌合90s，最后掺入1232.02g矿粉均匀拌合90s，制备所述的玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料。
[0038]
对比例1
[0039]
在105℃
±
5℃条件下预先加热11200.2g矿料(其中1#料，2#料，3#料，4#料，矿粉的质量分别为336.00，5936.10，1232.04，2464.04，1232.02)5h以上，取出集料和矿粉冷却一天直至室温。将冷却后的粗细集料加入拌合锅内，与25.15g的短切聚酯纤维和12.58g的短切玄武岩纤维在拌锅内均匀拌合90s，再加入761.40g的冷拌环氧沥青均匀拌合90s，最后掺入1232.02g矿粉均匀拌合90s，制备所述的玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料。
[0040]
对比例2
[0041]
在105℃
±
5℃条件下预先加热11088.2g矿料(其中1#料，2#料，3#料，4#料，矿粉的质量分别为332.65，5876.74，1219.70，2439.41，1219.70)5h以上，取出集料和矿粉冷却一天直至室温。将冷却后的粗细集料加入拌合锅内，与37.54g的短切聚酯纤维在拌锅内均匀拌合90s，再加入753.79g的冷拌环氧沥青均匀拌合90s，最后掺入1219.70g矿粉均匀拌合90s，制备所述的冷拌环氧sma-10混合料。
[0042]
对比例3
[0043]
在105℃
±
5℃条件下预先加热11312.2g矿料(其中1#料，2#料，3#料，4#料，矿粉的质量分别为339.37，5995.47，1244.34，2488.68，1244.34)5h以上，取出集料和矿粉冷却一天直至室温。将冷却后的粗细集料加入拌合锅内，与37.92g的短切玄武岩纤维在拌锅内均匀拌合90s，再加入769.01g的冷拌环氧沥青均匀拌合90s，最后掺入1244.34g矿粉均匀拌合90s，制备所述的玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料。
[0044]
将各实施例和对比例制备的玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料进行路用性能测试和韧性评价。
[0045]
本发明制备的玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料进行韧性评价，过程如图1所示，具体以下步骤：
[0046]
步骤1：采用轮碾法成型大小为300mm
×
300mm
×
50mm的玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料试件。通过高精度双面锯或小型切割机具切割沥青混合料试件，切取6个尺寸大小为250mm
×
30mm
×
35mm的四棱柱体试件，并对成型的试件打磨抛光表面喷涂黑漆静置15min喷洒白漆；
[0047]
步骤2：试验仪器采用utm-25机，将四棱柱体试件放置于相对于支撑钢辊上的对称方向，垂直于放置的支撑钢辊，且垂直于水平面，施加的力应垂直穿过试件的中心。仪器内温度调节为-10℃，进行lttb测试。与此同时，使用高速摄像机记录试件开裂过程，直至试件完全断裂为止，以获取混合料切片图像，图像数据信息采集示意图如图2所示。
[0048]
步骤3：基于(步骤2)的切片图像，使用matlab软件中ncorr程序进行分析，求解复合材料断裂过程中裂纹尖端roi区域内实时正交位移场。首先输入代码：handles ncorr
～
ncorr，然后输入参考图像与当前图像，并设置图像的目标区，接着设置dic参数以及核子位置，最后提取图像特征参数，并进行相关指标的计算，使用柯西方程将位移数据转换为应变数据。查看试件的位移和应变计算结果：u、v、应变e
xx
、应变e
yy
和应变e
xy
，通过计算试件的实时裂纹扩展长度对玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料进行韧性评价。
[0049]
以水平位移云图为例，实时裂纹扩展长度l的计算公式如下：
[0050][0051]
灰关联分析以研究多种因素对各指标影响能力的强弱为目的，通过矩阵计算排列的方法，对所有因素的重要性进行排序。采用灰色关联分析方法对玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料路用性能及实时裂纹扩展长度结果进行优化选择，确定最佳复掺比例。首先对实施例1-3和对比例1-3制备的混合料构建方案集，对构建矩阵进行规范化矩阵，然后进行权重确定，最后进行优化选择。
[0052]
表1路用性能及韧性结果
[0053][0054]
本发明公开玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料韧性评价方法，以质量百分比计，所述混合料包括如下组分组成，冷拌环氧沥青6.15％～6.54％，纤维0.286％～0.346％，矿料93.11％～93.56％。相比已有的单掺纤维的混合料制备技术，本发明将短切玄武岩纤维和短切聚酯纤维按质量比例均匀混合掺入混合料中，实现以下效果：充分发现聚酯纤维吸油率高的效果，吸附冷拌环氧sma-10混合料中多余的游离沥青，有效增大沥青胶结料的黏附性，从而提高混合料的水稳定性能。玄武岩纤维在冷拌环氧sma-10混合料中起到加筋、增韧效果，可以显著提高混合料的高温抗车辙能力，大幅增强混合料的抗疲劳开裂能力。通过lttb测试同步结合dic技术，进而对玄武岩纤维冷拌环氧sma-10混合料的韧性进行评价。采用灰色关联度分析方法综合评价沥青混合料的各项性能，并结合经济效益分析，以2:1的质量比例复掺短切玄武岩纤维和聚酯纤维的冷拌环氧sma-10混合料整体性能更优。
[0055]
应说明的是，上述实施例为本发明较佳的实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例呈现如上，但是并非用以限定本发明，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述呈现的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单改变、修饰、替代、组合、简化，都仍属于本发明技术方案的范围内。