一种橡胶沥青抗裂韧性表征方法与流程

本发明涉及公路工程，尤其涉及一种基于开裂能的橡胶沥青抗裂韧性表征方法。

背景技术：

1、沥青是一种高黏度有机半固体，是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物，是有机胶凝材料的一种，但普遍存在抗裂性能不足，特别是老化后抗裂性能更低。低温开裂是沥青路面存在的主要病害之一，受到各国道路界的普遍关注。由于目前的沥青路面普遍采用半刚性基层，路面开裂后，降水将会渗入路面结构，产生沉陷等结构性破坏，加速路面损害。用胶粉改性的橡胶沥青抗开裂性能良好，但还没有好的表征方法。因此，有必要对橡胶沥青路面的开裂性能进行评价和研究。

2、目前对于橡胶沥青材料的抗开裂性能的测试方法有弯曲梁流变测试(bbr)、延展性测试、弗拉斯脆性温度测试。bbr测试是将条状橡胶沥青样条置于冰水浴中，循环进行分级设温-降温-8小时保温-慢速弯曲操作。此测试的缺点是分级温度范围宽，无法有效区分差异小于分级温度宽度的不同橡胶沥青样品；无法体现橡胶沥青材料对裂缝的敏感性；测试耗时较长。延展性测试是采用恒定的拉伸速度将条状橡胶沥青样条拉断，记录样条断裂时的延展长度。此测试未考虑拉伸强度的大小变化，亦未考虑整个过程中的能量消耗。弗拉斯脆性温度测试是观察在温度逐渐下降过程中，薄涂于铁片之上的橡胶沥青层何时产生裂缝，测试过程中，铁片弯曲-伸直循环运动。记录产生裂缝的最高温度，即为弗拉斯脆性温度。此测试对温度控制要求高，制样手法对测试结果影响大。所有这些测试都是在静态或低速载荷下进行的，其测试结果不能很好地反映在动态或高速行车载荷冲击下橡胶沥青路面开裂的实际情况。

3、重载车辆在高速行驶过程中，其轮胎会给予橡胶沥青路面快速和强劲的冲击。长期反复的交通荷载通常会导致微裂缝的产生和路面的变形，甚至直接开裂，最终产生路面裂缝影响行车安全。随着橡胶沥青高速路面铺筑量、交通量，车辆载重量的逐年提高，高速载荷冲击下的开裂研究有着重要意义。此外，随着改性橡胶沥青的发展，具有高抗裂性能的高分子、弹性体和橡胶改性橡胶沥青出现，传统的抗开裂性能的测试方法也无法有效区分或量化其抗裂性能。橡胶沥青作为橡胶沥青路面的唯一连续相，其开裂能直接决定了橡胶沥青路面的抗开裂性能，进一步影响着橡胶沥青路面的耐久性，尤其是对于有一定服役历史的橡胶沥青路面和寒冷天气条件下服役的橡胶沥青路面。

4、因此，本发明针对传统橡胶沥青路面开裂性能评价方法的不足，考虑在动态或模拟高速行车载荷冲击下的抗裂测试，这对提供对橡胶沥青在重载高速交通环境下抗开裂能力的量化指标，以及提高橡胶沥青路面结构设计的准确度具有重要意义。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种橡胶沥青抗裂韧性表征方法，目的在于通过测试开裂能的方法来量化橡胶沥青和各类改性橡胶沥青在动态或高速行车载荷冲击下的抗裂性能。

2、传统沥青路面设计理论是基于静态的弹性层状理论。而中国存在许多具有极端气候，如北方冬季的严寒，南方夏季的酷热。一方面，沥青路面受到温度应力或车辆冲击力易产生裂缝。当高速转动的轮胎接触到路面时，会使路面遭受到突然的冲击，使得石块剥落、路面产生坑洞甚至开裂，尤其是对处于寒冷天气条件下的、老化的沥青路面而言。因此，低温抗裂性是沥青研究的重要领域。研究者们普遍认为橡胶沥青具有优异的低温抗裂性，这一观点已通过弯曲梁流变仪、延度、弗拉斯脆点、直接和压实张力、热应力约束、三点弯和半圆形弯曲等多种实验的结果证实。然而，所有这些实验都是在静态或低速载荷下进行的，而静态和低速载荷无法反映出动态或高速载荷下发生的沥青材料的脆性断裂。此外，这些常规方法的测试结果无法体现橡胶沥青的实际抗裂性能。而采用动态载荷下测量的断裂韧性和断裂能可以很好地评判材料的抗裂性能，并且断裂能越高抗裂性能越好。2000年至2021年，众多学者验证了断裂韧性和断裂能在评估沥青结合料抗裂性方面的可用性。

3、在低温下，基质沥青可以被看作是一种脆性塑料，而传统胶粉的主要成分，橡胶，是一种众所周知的增韧剂，被广泛用于增韧各种脆性材料，如聚苯乙烯塑料、环氧和酚醛树脂，其中橡胶掺量是橡胶改性材料发生脆韧转变的关键因素。因此，从理论上讲，胶粉可增韧基质沥青，并且橡胶掺量对沥青的性能起着关键的作用。由于黏度的限制，传统橡胶沥青中的胶粉掺量普遍低于20wt.％，采用微纳化胶粉替代cr可以打破掺量的限制，实现高掺量橡胶沥青的制备。目前，高掺量橡胶沥青在动态或快速荷载下的韧性及其脆韧转变尚未被报道。

4、传统的韧性主要针对橡胶(约10wt％)增韧塑料，采用注射或模压的方式得到冲击样条，通过测试冲击强度来表征韧性。而沥青作为一种半固态难以成型和表征，特别是对于橡胶沥青的表征方法仍极其缺乏。

5、在这种情况下，为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

6、一种橡胶沥青抗裂韧性表征方法，主要包括以下步骤：

7、s1)制备长方体或者带有缺口的长方体橡胶沥青样条；制样尺寸的原则是保证橡胶沥青的流动性和充模性，制备形状规则的橡胶沥青样条，可以放在摆锤冲击仪上以及保持制样尺寸的稳定性；

8、s2)测量记录步骤s1所得橡胶沥青样条横截面的长和宽，即为锤头冲击时将要与样条接触的面积的长和宽，并将样条保温至需要的测试温度，所述测试温度的范围为-30～20℃；

9、s3)将橡胶沥青样条放置在摆锤冲击仪的样品台上，用摆锤冲击长方体橡胶沥青样条的侧边，并记录和修正上述橡胶沥青样条被冲断后摆锤摆动至高点时的峰值角度；

10、s4)根据步骤s2中测得的长和宽、步骤s3中测得的橡胶沥青样条被冲断后摆锤摆动至高点时的峰值角度，通过计算获取橡胶沥青材料的开裂能；

11、其中，在所述步骤s1之前还包括：s0，根据经验或者预实验确定所需使用的摆锤种类和橡胶沥青样条尺寸。确定摆锤和橡胶沥青样条尺寸应依据：s3测得的峰值角度是最高角度(无样品放置时，摆锤自由摆动一次可达到的高度)的20-80％。

12、其中，所述步骤s1具体包括两类：无缺口样条制备和含缺口样条制备。无缺口样条可以通过浇铸或模压的方式制得。含缺口样条为在无缺口样条基础上切割出缺口。

13、其中，所述步骤s1中的浇铸制样具体包括：首先将橡胶沥青加热至150-200℃，可流动状态，同时将预定尺寸的模具加热至与橡胶沥青同等温度，以使模具在浇铸时与热橡胶沥青温度相当，其次将流动的橡胶沥青浇铸到模具中，待橡胶沥青冷却后脱模并用热铲刀切除多余的橡胶沥青。

14、其中，所述步骤s1中的模压制样具体包括：首先准备预定尺寸的模具，然后将剪碎成小颗粒的橡胶沥青置于模具中，加压(3-15mpa)保温(60-130℃)15分钟，随后冷压15分钟，脱模。

15、其中，所述步骤s1中的样品冷却采用自然冷却方式，可以使得橡胶沥青材料中的内应力得到更好的释放，能够使得测试结果更加贴近橡胶沥青材料本身的性质。

16、其中，所述步骤s2具体包括：将橡胶沥青样条置于温度与测试温度相同的水浴或者空气浴中养生3小时以上，以使橡胶沥青样条温度保持在测试温度范围内。温度对开裂能影响大，实验者可以选取不同的测试温度，测试不同温度下橡胶沥青材料的开裂能。

17、其中，所述步骤s3具体包括：达到所述养生时间后，将所述橡胶沥青样条置于摆锤正下方的样品台上；将摆锤升至初始角度；用所述摆锤冲击橡胶沥青样条的侧边；记录所述摆锤冲断样条后的峰值角度。此步骤需要在1分钟之内完成，以保障橡胶沥青材料时效性。对于同一种材料的样条，此步骤需要用多根样条进行多次，并记录多个峰值角度。对所述多个峰值角度均进行修正，取修正后的所述多个峰值角度的平均值作为最终的峰值角度。

18、其中，所述步骤s3中摆锤的初始角度，可以从水平一直到接近竖直。初始角度决定了冲击橡胶沥青样条时的冲击速度。通过调节初始角度可以获得不同冲击速度下橡胶沥青材料的开裂能。

19、其中，所述步骤s3中冲击速度v可以通过以下等式确定：

20、v＝(2gh)1/2

21、其中，v为摆锤冲击橡胶沥青样品时的速度；g为重力加速度；h为摆锤初始位置与样品台位置的高度差。

22、其中，所述步骤s3中的修正指的是修正初始角度和峰值角度。例如，初始角度设定为175°，而实际初始角度176°，超过预设角度1°，则需要将测得的峰值角度减去1°。修正范围不应超过5°。

23、其中，所述步骤s4中需要利用以下公式获取所述橡胶沥青样条的开裂能：

24、x＝e/ab＝mgrcosα/ab

25、其中，x为橡胶沥青材料的开裂能；e为摆锤峰值角度α时对应的摆锤吸收的能量；a为橡胶沥青样条横截面(断面)的长；b为橡胶沥青样条横截面的宽；m为摆锤的质量；g为重力加速度；r为摆锤重心半径；α为摆锤的峰值角度。

26、其中，所述橡胶沥青材料包括但不限于普通道路石油橡胶沥青、sbs改性橡胶沥青、tpe橡胶沥青、hva高粘橡胶沥青、橡胶橡胶沥青、tpe橡胶沥青、hva高粘橡胶沥青，高粘高弹橡胶沥青、tb溶解性橡胶橡胶沥青、环氧橡胶沥青、乳化橡胶沥青、改性乳化橡胶沥青、生物橡胶沥青、煤系橡胶沥青和稀释橡胶沥青。

27、有益效果：

28、本发明的橡胶沥青抗裂韧性表征方法，采用摆锤对橡胶沥青材料样条进行摆锤冲击试验，获取到将单位面积橡胶沥青材料冲开所需要的能量，从而获得橡胶沥青材料的开裂能；测试橡胶沥青材料在摆锤冲击下断裂时所需的开裂能，是对橡胶沥青在重载高速交通环境下抗开裂能力的量化，故为对橡胶沥青抗裂韧性的表征；该表征方法所用的测试方法还可以测试各种橡胶沥青材料的抗开裂性能，进而表征它们的抗裂韧性。与传统的表征方法相比，本发明尤其具有如下优点：

29、1)测试温度范围广，恒温箱可达到的温度均可作为测试温度；

30、2)测试耗时短，针对一个样品做一次摆锤冲击的步骤仅需数秒；

31、3)区分性强，每种橡胶沥青的开裂能相差较大，测试结果可以有效区分不同橡胶沥青和不同的改性沥青；

32、4)可体现裂缝敏感性，含缺口样条冲击试验可评估裂缝敏感性；

33、5)数据稳定性强，相较于传统的弗拉斯脆点温度等测试，本发明对制样手法要求宽松，即制样手法对数据影响不大；

34、6)无损测试，样品可以回收。