道路沥青混合料界面粘结性能的测试方法

摘要

本发明填补了沥青混合料在冻融循环、温度老化、压力老化、紫外线老化条件下沥青与骨料界面粘结性能测试方法的空白，公开了一种道路沥青混合料界面粘结性能的测试方法，其技术方案是：对沥青混合料进行制样；对半圆试件进行水冻融、盐冻融、温度老化、压力老化、紫外线老化、三点弯曲测试；可有效的针对不同沥青混合料在不同老化条件及不同冻融循环条件影响下，沥青与骨料界面粘结退化过程、界面开裂条件、裂纹发展趋势、界面脱粘等应变场进行测试，并经过计算得到界面粘结性能指标断裂能和断裂韧性；可有效的选定不同条件下的沥青混合料的材料及级配类型，为寒冷、强紫外线地区沥青路面材料产品的质量检验、工程特性评估提供科学的依据。

说明书

技术领域

本发明涉及材料粘结性能的测试方法，具体是沥青混合料界面粘结性能的测试方法。包括普通沥青及改性沥青混合料在旋转薄膜烘箱老化、压力老化、紫外线老化、水冻及除冰盐侵蚀冻融循环作用下的沥青与骨料界面断裂能、断裂韧性指标的测试。属于道路施工领域。

背景技术

沥青混合料是铺筑沥青路面的基本材料，沥青与骨料的界面粘结性能直接影响着沥青路面的使用性能与使用寿命。沥青混合料是一种复杂的多相、多尺度非均质的颗粒增强复合材料，由沥青胶结料、骨料组成，其各成分尺度从微米到厘米不等。沥青路面的性能主要取决于沥青胶结料与骨料间的界面粘结性能以及沥青胶结料自身性质。

寒冷地区沥青路面在荷载、老化作用、冻融循环及除冰盐侵蚀作用下容易出现开裂现象，最终导致路面的破坏。沥青路面的破坏实质是材料内部微观损伤的累积以及内部组成结构劣化的结果，主要是由于沥青与骨料界面粘结劣化引起的。沥青与骨料界面粘结和界面效应是影响沥青混合料性能的重要因素，不仅影响沥青混合料的变形，同时也对其低温抗裂性、高温稳定性、水稳定性以及抗疲劳性能和其他工程特性具有直接的影响。常见的一些沥青路面的病害，包括路面的开裂、掉粒和剥落等现象都被认为是与沥青与骨料界面的粘结性能有着密切的关系。

我国北方寒冷地区冬季气温低，在遭遇突变天气，如低温冰雪天气时，路面材料长时间处于荷载作用、雪水侵蚀、低温冰冻状态及温度交替变化过程中，由于水分、温度以及荷载共同作用引起的道路冻融破坏现象较为普遍。一般认为，低温开裂主要是由于温度骤降引起沥青混合料低温脆化产生的拉应力所致，沥青混合料低温抗裂主要依靠沥青胶结料与骨料的界面粘结力。在冬季除冰雪养护过程中，通过撒布除冰盐来降低水的结冰点,以达到自动融化冰雪的目的。在融雪化冰过程中，路面会积聚大量的水，在行驶车辆碾压下进入路面沥青混合料空隙进一步造成路面水损害，水损害主要是由于水分侵蚀沥青和骨料的界面，使得沥青粘附性降低而逐渐丧失粘结力，造成沥青薄膜从骨料的表面脱落而损坏。目前预测水损害和减轻这种损害还存在较大的困难，原因是水分与沥青及骨料界面粘结作用是在厘米和纳米量级，而如何在这样一种细观尺度上测试界面粘结作用还是一个技术难题。  

目前对沥青混合料中沥青与骨料界面粘结性能的测试方法有很多种，大多是通过宏观测试来间接反映界面破坏状况。主要包括水煮法、水浸法、光电比色法、净吸附法以及应变片法等。水煮法和水浸法原理是通过测试沥青与骨料剥离面积的百分率来反映界面粘结性能，这种方法存在以下问题：主观因素多，操作复杂，误差较大，由于骨料面积小，不规则面积情况复杂，所以较难测出剥离面积的百分率，由于此方法是在一定条件的恒温水中进行，由于水的折射使对剥离面积的测试更加困难，因此水煮法和水浸法并不可取；光电比色法是将一定数量的沥青混合料样品置于已知浓度的染料水溶液中，因水浸而剥落的骨料表面裸露将吸附染料，使水溶液中染料浓度下降，通过分光光度计测试染料浓度变化，从而判断界面粘结状况。这种方法只是水煮法和水浸法的一种改进，只能对界面的破坏程度做出判断，对界面的破坏过程以及界面发生破坏时的变化不能进行测试；净吸附法也是采用分光光度计测试界面粘结性能，它利用在水-沥青-骨料体系中骨料表面对沥青有吸附作用，使沥青甲苯溶液中的沥青浓度发生改变，用分光光度计测出浓度，即可算出骨料对沥青的吸附量及加水后沥青的剥落量，从而得出骨料表面上沥青的剥落率或吸附率，以显示沥青与骨料的界面粘结性。这只是一种确定破坏结果的宏观测试方法，不适用于对沥青混合料微观结构进行分析研究；应变片法是在试件表面贴应变片从而对沥青混合料变形进行测试，但应变片只能提供小区域内的变形信息，当将其用于大区域变形测试时，不能完成对全场应变峰值及高分辨率的图像进行捕获，因此该方法对沥青混合料的变形场分析存在很多局限性。 

综上所述，目前宏观测试方法对沥青混合料界面研究存在不足，主要是不能对沥青混合料破坏的过程进行实时分析研究，以及测试结果不能真实的反映破坏时微观结构的变化。

目前研究沥青混合料界面粘结性能的微观测试主要包括扫描电子显微镜（SEM）、光学干涉技术测试(全息干涉法、散斑干涉法、云纹干涉法)，激光散斑测试法。扫描电子显微镜（SEM）可以对沥青混合料界面进行细观结构的观察，但其只能对破坏后的界面进行观察，不能与测试加载设备配套使用来研究破坏过程中界面的变化状况，由于沥青混合料属于各向异性特征，其界面破坏过程的测试对最终破坏的结果具有重要意义，因此使用SEM方法存在不能对破坏过程研究的缺点；光学干涉技术测试方法是使用光的干涉原理对试件破坏程度进行测试，其测试过程对光线的要求较高，且在测试时光线容易受外界因素干扰，导致测试过程比较复杂，结果不容易实现，同时也不能对试件破坏过程进行实时数据采集；激光散斑测试法由于其具有制斑均匀、制斑质量高，以及光线稳定等优点而被广泛应用于固体力学中应力、应变测试，但由于激光散斑所形成的光斑具有较高的能量，使试件表面温度较高，而沥青混合料中的沥青胶浆在高温时容易出现流体性质，最终导致试件结构破坏，因而对测试结果有较大影响，因此激光散斑测试不适用于道路沥青混合料。

发明内容

本发明是基于目前宏观与微观测试所存在的缺陷，为了填补沥青混合料在冻融循环、温度老化、压力老化、紫外线老化条件下沥青与骨料界面粘结性能测试方法的空白，公开了一种全场、无接触的数字图像散斑技术，实现从微观角度对沥青混合料界面粘结性能进行测试，特别是在荷载、老化、冻融循环、除冰盐侵蚀等作用下对沥青与骨料界面粘结性能的测试方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

a．用旋转压实仪对沥青混合料进行制样；

b．将成型的沥青混合料试样切割成半圆试件；

c．对半圆试件进行水冻融测试和盐冻融测试

c.1 盐冻时除冰盐浓度为2%~6%，

c.2 冰冻温度为-10℃~-30℃，

c.3 冻融循环次数为10~25次；

d．对半圆试件进行温度老化测试；

e．对半圆试件进行压力老化测试；

f．对半圆试件进行紫外线老化测试；

g．对半圆试件进行预切口；

h. 在半圆试件表面喷制散斑；

i．对半圆试件进行三点弯曲测试，同时用Vic-3D图像采集系统对半圆试件在加载过程中沥青与骨料界面及裂尖区域的变形场图像进行采集；

j．沥青与骨料界面粘结性能的确定；

k. 将各种沥青混合料在不同条件下的界面粘结性能指标进行对比，以选定适合不同气候环境下使用的沥青路面材料及级配类型。

本发明可以有效的针对不同沥青混合料在不同老化条件及不同冻融循环条件影响下，沥青与骨料界面粘结退化过程、界面开裂条件、裂纹发展趋势、界面脱粘等应变场进行测试，并经过计算得到界面粘结性能指标断裂能和断裂韧性；老化条件可根据施工条件、当地气温、当地海拔以及当地紫外线强度进行调整；冻融循环条件可根据所在地区的温差、除冰盐的类型和常规使用剂量设定冻融循环测试，依照本发明测试的界面粘结性能指标可有效的选定不同条件下的沥青混合料的材料及级配类型，为寒冷、强紫外线地区沥青路面材料产品的质量检验、工程特性评估提供科学的依据。  

具体实施方式

以下对本发明的实施过程做进一步详细描述：

a．依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)用旋转压实仪对沥青混合料进行制样

a.1 制备相同级配的普通沥青混合料、橡胶粉改性沥青混合料、复合胶粉改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料，

a.2 用旋转压实仪成型直径为100mm、高度为160mm的圆柱形试件，

a.3 旋转压实仪旋转角度为1.16°，垂直压力为 600kPa，旋转速率为 30r/min；

b．将成型的沥青混合料试样切割成半圆试件

b.1 为得到不同厚度的试件，选择厚度为1mm、5mm、10mm、20mm、40mm的垫片，

b.2用切割刀锯将高为160mm的圆柱形试件切成两个高度为80mm的圆柱形试件，

b.3 将高度为80mm的圆柱形试件竖直放置，用切割刀片将圆柱形试件切成两个半圆试件，

b.4 将高度为80mm的半圆试件切成两个厚度为25mm的小半圆试件，切割时注意从有切割面一侧向另一侧切割，最后将旋转压实试件两端部分弃掉；

c．对半圆试件进行水冻融测试和盐冻融测试

c.1配制浓度分别为2%、4%、6%除冰盐溶液，将配置好的除冰盐溶液与清水各备一份，

c.2 将半圆试件放入可封闭的容器中，分别注入四种浓度的除冰盐溶液和清水，溶液应漫过试件，并进行封闭，

c.3 将封闭好的试件放入冻融箱内，将冰冻温度设置为测试需要的目标温度-20℃，待低温箱显示目标温度开始计时，持续冰冻2小时保证试件内部温度下降到设定目标温度，

c.4将试件取出放入室温条件下的水浴中，将水浴缓慢升温至60℃后再持续融化2小时，至此一个冻融循环完成，按照以上步骤重复进行盐冻及水冻循环测试，直至达到目标循环次数15次，

c.5 将进行15次冻融循环后的半圆试件取出备用；

d．对半圆试件进行温度老化测试

d.1 将拌合好的混合料按照松铺厚度21 kg/m³~22kg/m³.均匀摊铺在试样盘中，放入135℃的烘箱内，连续加热4小时，在加热过程中每间隔1小时用铲在试样盘中翻拌混合料一次，4小时后从烘箱中取出混合料做规定性能测试；

d.2利用延时烘箱加热法进行沥青混合料长期老化，

d.2.1将经过短期老化后成型的沥青混合料半圆试件置于试样台上，放入85℃烘箱中强制通风条件下恒温120小时，

d.2.2 在不移动试样的状态下，打开烘箱门自动冷却至室温，

d.2.3 将温度老化后的沥青混合料半圆试件取出备用；

e．对半圆试件进行压力老化测试

e.1 选择压力老化温度为90℃，按压力老化试验机“START”键选择“COOL”，按“START”键屏幕显示“preheat to 85 please wait”此时将试样架置于容器内，不含试件，进行容器预热，

e.2 系统预热温度达到85℃后，提示“please complete load sample”打开容器，放好试件，拧好螺栓，

e.3 当预热温度等条件满足后，系统开始加压，

e.4 达到预定压力后，沥青混合料开始进行压力老化，20小时后系统自动卸压，压力老化完成，

e.5 老化后在不移动试样的状态下，打开压力老化试验机使试件自动冷却至室温；

f．对半圆试件进行紫外线老化测试；

f.1将波长范围为315~400nm，40W的UVA-340nm反射型黑光高压汞灯放置在一个密闭箱内，由于灯管温度可以达到800℃，灯管周围温度可以达到80℃，因此可通过距离控制试件温度，根据当地气温情况，测试设定为60℃，设定试件位于距离灯管20cm处，

f.2 连续对沥青混合料半圆试件进行紫外线老化39天，相当于室外自然老化5年，

f.3 将紫外线老化的沥青混合料半圆试件取出备用；

g．对半圆试件进行预切口

g.1 分别在半圆试件上标出1cm、2cm、3cm长直线，便于控制预切口长度，

g.2 用夹具将沥青混合料半圆试件进行固定，

g.3 用角磨机将半圆试件按标定长度进行预切口；

h．在半圆试件表面喷制散斑

h.1 为防止试件表面所制散斑反光，喷制散斑时必须采用哑光漆将NO.1007 哑光白喷漆常温下放置一段时间，使瓶内漆温度均匀，然后充分摇晃使瓶内油漆密度均匀，

h.2 将备好的黑色纸片和半圆试件并排放于地上，将白色哑光漆喷于黑色纸片上，不断调整所喷白漆到黑色纸片的高度与距离从而调节漆的颗粒大小与疏密程度，喷漆密度应在保证能够看清沥青与骨料界面的情况下尽可能的大，

h.3 保持相同距离与高度将漆喷到半圆试件上，为防止试件表面漆未干而发生流漆，喷好后先保持半圆试件不动；

i. 对半圆试件进行三点弯曲实验，同时利用Vic-3D图像采集系统对半圆试件加载过程中界面区域变形场散斑图像进行采集

i.1 调整试验仪器支座距离，使两支座间距离为80mm，将半圆试件取出对称安放在支座上，将试件喷有散斑的一侧放于正面，并将加载点压头与试件上表面刚好接触，

i.2 启动Vic-3D软件，同时开启图像采集系统，两台相同的CCD相机同时进行图像采集，系统同时显示两台相机传输画面，

i.3通过观察系统屏幕上的试件图像分别对两台CCD相机的焦距及补充光源的亮度进行调节，直到图像在屏幕上显示最清晰，曝光度符合要求，即屏幕上的试件表面散斑没有反光点，

i.4 对相机参数进行校准计算，

i.4.1 使用带有固定距离的点阵校准板拍摄校准图片，校准板大小根据试件尺寸进行选择，与试件大小相当，将校准板置于支座上半圆试件之前，用两台CCD相机同时从不同角度对校准板进行拍摄，获取多张校准图片，

i.4.2 在Vic-3D系统软件主工具栏中点击“校准”按钮，选择所拍摄的校准图片，点击“分析”按钮进行分析，Vic-3D软件提取每一张校准图片点阵中圆点的中心，所有校准图片都是在完成圆点中心提取之后，自动开始进行校准计算，

i.4.3 校准计算完成之后会有一个评估分数显示在校准窗口的右下方，如果计算的评估分数大于最佳值，任何偏离最佳值的图片都要被剔除掉，然后自动重新进行校准计算，直到符合要求，然后点击“接受”按钮确定接受校准计算的结果，

i.5 在加载试验仪器控制电脑中输入相应测试试件参数，调整试验仪器加载速率为1mm/min，

i.6 点击开始加载，使加载装置以1mm/min的加载速率进行测试加载，使用Vic-3D软件的图像采集系统同时对试件加载过程进行实时图像采集，

i.7 对采集的散斑图像进行保存，对三点弯测试荷载-位移曲线及相应数据进行保存；

j．沥青与骨料界面粘结性能的确定

j.1 断裂能确定，利用各种沥青混合料在不同条件下的半圆弯曲实验荷载与位移曲线，计算界面裂缝起裂即裂纹扩展1mm时荷载~位移曲线下的面积，得到试件破坏时混合料所吸收的能量，即断裂能，

    j.2 断裂韧性确定，利用断裂力学公式计算沥青与骨料界面断裂韧性；

k. 将各种沥青混合料在不同条件下的界面粘结性能指标进行对比，以选定适合不同气候环境下使用的沥青路面材料及级配类型

k.1以上测试可采用正交实验设计，考察多因素多水平影响，并对测试结果进行计算分析，以减少测试次数，缩短测试周期，测试因素选择冰冻温度、除冰盐浓度、冻融循环次数三个；每一因素对应四个水平，冰冻温度为-10℃、-20℃、-25℃、-30℃，除冰盐浓度为0、2%、4%、6%，冻融循环次数为10、15、20、25次，

k.2 将测试得到的指标进行极差分析，直观地观测界面粘结性能指标随各因素的变化趋势，

k.3 将测试得到的指标进行方差分析，用F检验法对正交试验的结果进行显著性检验，判断因素水平对考察指标影响的显著性，

k.4 将不同沥青混合料冻融循环及老化前后的试样界面粘结性能指标进行对比，推断不同影响因素对界面力学性能的影响规律，确定适宜的沥青路面材料及级配类型。