一種瀝青低溫環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)和瀝青低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種瀝青低溫環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)和瀝青低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀，環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)包括底座、不脹圓環(huán)，底座中間具有一環(huán)形槽，不脹圓環(huán)緊密套在環(huán)形槽的內(nèi)環(huán)壁上，不脹圓環(huán)的外壁與環(huán)形槽之間形成一放置瀝青的環(huán)形容置空間，環(huán)形槽的外環(huán)壁上設(shè)有一突觸；將瀝青加熱后澆入環(huán)形區(qū)域內(nèi)，控制環(huán)境溫度持續(xù)下降，瀝青圓環(huán)收縮，而不脹圓環(huán)收縮量非常小，使瀝青圓環(huán)試樣內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，由于設(shè)置了突觸，將瀝青圓環(huán)在低溫下斷裂的點(diǎn)控制在突觸處，并通過檢測溫度變化值和突觸處的應(yīng)變，最終求得瀝青圓環(huán)的環(huán)裂溫度和環(huán)裂強(qiáng)度，將圓盤結(jié)構(gòu)用于瀝青低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀，可近似模擬路面斷裂時對應(yīng)的最大斷裂應(yīng)變，與路面混合料實(shí)際低溫狀況建立關(guān)聯(lián)。
【專利說明】
一種瀝青低溫環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)和瀝青低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明涉及瀝青性能評價技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種瀝青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)和瀝青 低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 瀝青路面的開裂是國內(nèi)外道路界普遍關(guān)注的問題，其危害在于使水分沿裂隙浸入 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而使路面基層和路基發(fā)軟，路面結(jié)構(gòu)承載力下降，在行車荷載作用下產(chǎn)生 唧泥、沖刷，界面層出現(xiàn)局部脫空，最終導(dǎo)致路面發(fā)生網(wǎng)裂與坑槽，嚴(yán)重地影響車輛的行駛 質(zhì)量，大大地降低了路面的使用壽命。
[0003] 瀝青路面的裂縫包括荷載裂縫與非荷載裂縫。由荷載產(chǎn)生的裂縫在我國一些超載 嚴(yán)重的高等級公路行車道經(jīng)常遇見，現(xiàn)多以控制疲勞破壞為核心內(nèi)容。而另一類裂縫，即非 荷載型的低溫收縮裂縫和半剛性基層所引起的反射裂縫卻普遍存在，已引起了相當(dāng)?shù)年P(guān) 注，眾所周知，這兩種裂縫與瀝青及瀝青混合料的抗裂性能密切相關(guān)。近年來，國內(nèi)外開展 了較多的研究工作，其中，很多研究主要以瀝青面層低溫開裂為主要研究目標(biāo)。
[0004] 自20世紀(jì)60年代加拿大率先對瀝青面層的低溫縮裂進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查研究以來，路面 抗裂與材料低溫性能指標(biāo)一直是國際道路學(xué)界的重要研究內(nèi)容，近20年來在研究與應(yīng)用領(lǐng) 域更是取得了突破性的進(jìn)展。已取得共識的是:控制瀝青與瀝青混合料的低溫性能，建立相 關(guān)低溫性能指標(biāo)與容許值，是瀝青面層低溫開裂設(shè)計(jì)的關(guān)鍵措施。而瀝青路面的低溫抗裂 性能主要取決于瀝青結(jié)合料的低溫拉伸特性，瀝青結(jié)合料的性能起著特別重要的作用，相 關(guān)文獻(xiàn)表明，其貢獻(xiàn)率達(dá)到90%，因此對瀝青面層低溫開裂的研究應(yīng)以瀝青低溫性能指標(biāo) 的控制為主。
[0005] 通過對國內(nèi)外瀝青低溫評價指標(biāo)的分析，當(dāng)前的常規(guī)低溫指標(biāo)在力學(xué)機(jī)理、試驗(yàn) 結(jié)果區(qū)分度及與路面相關(guān)度等方面仍存在一定的不足，很多方面不盡合理;SHRP指標(biāo)能較 好的評價基質(zhì)瀝青的低溫性能，而對改性瀝青卻不能作出很好的評價，并且SHRP指標(biāo)采用 蠕變特性來分級，認(rèn)為蠕變性能可以替代破壞性能，但研究表明蠕變性能和破壞性能的相 關(guān)性不是很好。在現(xiàn)階段，當(dāng)前現(xiàn)有的低溫指標(biāo)不能對瀝青的低溫性能作出比較明確的表 征，很有必要提出一個更加簡便直觀的指標(biāo)對瀝青性能進(jìn)行評價。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供了一種瀝青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)和瀝青低溫環(huán) 裂試驗(yàn)儀。
[0007] 本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：
[0008] -種瀝青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)，包括底座和不脹圓環(huán)，所述底座中間具有一環(huán)形槽， 所述不脹圓環(huán)緊密套在所述環(huán)形槽的內(nèi)環(huán)壁上，所述不脹圓環(huán)的外壁與所述環(huán)形槽之間形 成一環(huán)形容置空間，所述環(huán)形容置空間用于放置瀝青，所述底座在所述環(huán)形槽的外環(huán)壁上 設(shè)有一突觸，所述突觸為水平設(shè)置于所述環(huán)形槽的外環(huán)壁上的圓柱體形突觸。
[0009]在一些具體的實(shí)施方式中，所述圓柱體形突觸的直徑可根據(jù)公式(I)確定：
[0011]式中，S表示所述圓柱形突觸的直徑，h表示所述圓柱形突觸的高度朮表示所述不 脹圓環(huán)的外環(huán)半徑;所述Η表示所述瀝青圓環(huán)的高度;d根據(jù)公式(II)確定：
[0013]式中，c?為瀝青的線膨脹系數(shù);aNECR為不脹圓環(huán)的線膨脹系數(shù)；ΔΤ為降溫幅度;Ri 為所述不脹圓環(huán)的外環(huán)半徑;R2為所述瀝青圓環(huán)的外環(huán)半徑;式中，參數(shù)εΑ通過公式(III)確 定：
[0014] εΑ= · α集）· ΛΤ-Μ · ε集(III)
[0015] 式中，Δ T為降溫幅度;c?為瀝青的線膨脹系數(shù);Μ為集料與瀝青一維的長度比；a集 為集料的線膨脹系數(shù);ε集為集料的應(yīng)變。
[0016] 在一些具體的實(shí)施方式中，所述圓柱體形突觸的高度等于所述環(huán)形槽的外環(huán)半徑 與所述不脹圓環(huán)的外環(huán)半徑之差。
[0017] 在一些具體的實(shí)施方式中，所述底座的中間設(shè)有一圓形凹陷，所述圓形凹陷與所 述環(huán)形槽同心，所述圓形凹陷的半徑等于所述環(huán)形槽的內(nèi)環(huán)壁半徑，所述圓形凹陷的深度 小于所述環(huán)形槽的深度。
[0018] 在一些具體的實(shí)施方式中，所述不脹圓環(huán)和所述底座的線膨脹系數(shù)<5 Xl(T6mm/ mm/。。。
[0019] 在一些具體的實(shí)施方式中，所述不脹圓環(huán)的材料為石英玻璃、因瓦合金、陶瓷和鋼 中的任一種。
[0020] 在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述不脹圓環(huán)的材料為石英玻璃。
[0021] 在一些具體的實(shí)施方式中，所述底座的材料為鋼、鐵、鋁中的任一種。
[0022] 在一些具體的實(shí)施方式中，所述環(huán)形槽的底部為水平的。
[0023] 在一些具體的實(shí)施方式中，所述不脹圓環(huán)的寬度等于所述環(huán)形槽的深度。
[0024] 本發(fā)明還提供了一種瀝青低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀，包括如上所述的瀝青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié) 構(gòu)，所述瀝青低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀還包括降溫裝置、溫度采集儀和應(yīng)變采集儀，所述降溫裝置具 有一個能夠容納所述瀝青低溫性能評價結(jié)構(gòu)的封閉容置空間，所述溫度采集儀包括相連接 的溫度傳感器和溫度采集處理器，所述溫度傳感器設(shè)于所述瀝青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)的底座 上，所述應(yīng)變采集儀包括相連接的應(yīng)變傳感器和應(yīng)變采集處理器，應(yīng)變傳感器設(shè)于不脹圓 環(huán)的與所述突觸相對的內(nèi)壁上。
[0025] 本發(fā)明的有益效果是：
[0026] 本發(fā)明提供了一種瀝青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)和包括該瀝青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)的瀝 青低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀，所述瀝青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)包括底座和不脹圓環(huán)，所述底座中間具有 一環(huán)形槽，所述不脹圓環(huán)緊密套在所述環(huán)形槽的內(nèi)環(huán)壁上，所述不脹圓環(huán)的外壁與所述環(huán) 形槽之間形成一環(huán)形容置空間，所述環(huán)形容置空間用于放置瀝青，所述底座在所述環(huán)形槽 的外環(huán)壁上設(shè)有一突觸;將瀝青加熱后澆入所述不脹圓環(huán)和所述環(huán)形槽的外環(huán)壁之間的環(huán) 形區(qū)域內(nèi)，隨著環(huán)境控制溫度的持續(xù)下降，瀝青圓環(huán)不斷降溫收縮，而不脹圓環(huán)隨溫度收縮 量非常小，幾乎保持不變，以使瀝青圓環(huán)試樣內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，并隨持續(xù)降溫而不斷增 大，直至溫度降至某值時，瀝青圓環(huán)斷裂，由于在環(huán)形槽的外環(huán)壁上設(shè)置了突觸，使瀝青圓 環(huán)在突觸處橫截面面積最小，突觸處所受應(yīng)力最大，所以可以將瀝青圓環(huán)在低溫下斷裂的 點(diǎn)控制在突觸處，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)斷裂，并通過檢測溫度變化值和突觸處的應(yīng)變，最終求得瀝青圓 環(huán)的環(huán)裂溫度和環(huán)裂強(qiáng)度。該瀝青低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀，主要有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：1)通過近似模擬 路面斷裂時對應(yīng)的最大斷裂應(yīng)變，與路面實(shí)際低溫狀況建立關(guān)聯(lián);2)可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)斷裂，在瀝 青圓環(huán)上的圓柱突觸點(diǎn)，即在瀝青所受應(yīng)力最大處，控制斷裂在此處發(fā)生(此點(diǎn)與實(shí)際路面 斷裂相對應(yīng)），而常規(guī)凍斷試驗(yàn)，試驗(yàn)前一般不明確斷裂點(diǎn)位置，這不僅提高了對試驗(yàn)的有 效控制，也有針對性的方便了對此處斷裂強(qiáng)度值的測量;3)針對不同混合料的類型和組成 比例，結(jié)合底座的尺寸可以模擬計(jì)算，調(diào)整圓柱狀突觸的橫截面面積(通過更換不同的圓柱 突觸類型），可以有針對性地對路面不同類型混合料進(jìn)行低溫性能測試，以做到與路面實(shí)際 狀況更加接近，這一點(diǎn)目前任何瀝青低溫抗裂性能評價都無法做到；4)測試出環(huán)裂溫度 W瀝青圓環(huán)斷裂)的同時，也測出了所對應(yīng)的斷裂強(qiáng)度 〇Frac；;5)采用所述瀝青低溫性能評 價結(jié)構(gòu)監(jiān)測到的環(huán)裂溫度與TSRST斷裂溫度具有較好的相關(guān)性，且本發(fā)明所述評價方法準(zhǔn) 確性和重復(fù)性好。
【附圖說明】
[0027]圖1為底座的俯視圖；
[0028]圖2為圖1中A-A截面剖視圖；
[0029] 圖3為不同材質(zhì)和不同尺寸的不脹圓環(huán)的實(shí)物圖；
[0030] 圖4為不同尺寸的突觸的實(shí)物圖；
[0031 ]圖5為瀝青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0032]圖6為圖5中B-B截面剖視圖；
[0033]圖7為瀝青低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖8為瀝青路面模型示意圖；
[0035]圖9為路面瀝青混合料方格模型圖；
[0036]圖10為路面開裂應(yīng)變示意圖；
[0037]圖11為瀝青圓環(huán)與不脹圓環(huán)平衡受力示意圖；
[0038]圖12為瀝青圓環(huán)與不脹圓環(huán)降溫前后應(yīng)變變化示意圖；
[0039] 圖13為非均勻截面瀝青圓環(huán)等效示意圖；
[0040] 圖14為石英玻璃不脹圓環(huán)所得環(huán)裂溫度與TSRST斷裂溫度的相關(guān)性分析圖；
[0041] 圖15為因瓦合金不脹圓環(huán)所得環(huán)裂溫度與TSRST斷裂溫度的相關(guān)性分析圖；
[0042] 圖16為陶瓷不脹圓環(huán)所得環(huán)裂溫度與TSRST斷裂溫度的相關(guān)性分析圖；
[0043] 圖17為一種不脹圓環(huán)材料所受應(yīng)變隨溫度變化曲線；
[0044] 圖18為不同瀝青材料對應(yīng)降溫速率與環(huán)裂溫度關(guān)系圖。
[0045] 附圖標(biāo)記說明：
[0046] 1-底座;2-環(huán)形槽;3-內(nèi)環(huán)壁;4-外環(huán)壁;5-突觸;6-不脹圓環(huán);7-瀝青圓環(huán);8-圓形 凹陷；9-應(yīng)變傳感器；10-溫度傳感器；11-封閉容置空間；12-溫度采集處理器；13-應(yīng)變采集 處理器;14-液氮降溫系統(tǒng)；15-材料高低溫試驗(yàn)儀。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 本發(fā)明涉及一個環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)和一個瀝青低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀。一種瀝青環(huán)裂凍 斷圓盤結(jié)構(gòu)，包括底座1和不脹圓環(huán)6。參照圖1，圖1為底座的俯視圖，所述底座1中間具有一 環(huán)形槽2,所述底座1在所述環(huán)形槽2的外環(huán)壁4上設(shè)有一突觸5,參照圖2,圖2為圖1中A-A截 面剖視圖，所述突觸5為水平設(shè)置于所述環(huán)形槽2的外環(huán)壁4上的圓柱體形突觸。所述底座1 的中間設(shè)有一圓形凹陷8,所述圓形凹陷8與所述環(huán)形槽2同心，所述圓形凹陷8的半徑等于 所述環(huán)形槽2的內(nèi)環(huán)壁3半徑，所述圓形凹陷8的深度小于所述環(huán)形槽2的深度。所述不脹圓 環(huán)6的材料需隨溫度變化而體積變化很小，所述不脹圓環(huán)6的線膨脹系數(shù)<5 Xl(T6mm/mm/ °C。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述不脹圓環(huán)6的材料為石英玻璃。所述底座1的材料為鋼、鐵、鋁中 的任一種。
[0048]參照圖3,圖3a從左至右分別為使用石英玻璃、陶瓷、因瓦合金、普通鋼四種不同材 質(zhì)制作的不脹圓環(huán)，圖3b為不同尺寸的石英玻璃材質(zhì)的不脹圓環(huán)。
[0049] 參照圖4,圖4為不同尺寸的突觸的實(shí)物圖，所述突觸5包括第一端和第二端，所述 第一端為圓柱體形，所述第一端的圓柱體的尺寸可以調(diào)節(jié)，以針對性地模擬對路面不同類 型混合料的進(jìn)行低溫性能測試，可以做到與路面實(shí)際狀況更加接近，所述第二端內(nèi)嵌于所 述環(huán)形槽2的外環(huán)壁4內(nèi)。
[0050] 參照圖5,所述不脹圓環(huán)6緊密套在所述環(huán)形槽2的內(nèi)環(huán)壁3上，所述不脹圓環(huán)6的外 壁與所述環(huán)形槽2之間形成一環(huán)形容置空間，所述環(huán)形容置空間用于放置瀝青，在測試過程 中，先將瀝青加熱，然后將其澆入所述環(huán)形容置空間，冷卻成型，得到瀝青圓環(huán)7,所述溫度 采集儀包括溫度傳感器10和溫度采集處理器12兩部分，所述溫度傳感器10置于所述圓形凹 陷8的中心處，所述底座1的溫度即可認(rèn)為是所述瀝青圓環(huán)7的溫度，所述溫度傳感器10用于 測試環(huán)裂凍斷圓盤內(nèi)瀝青環(huán)的溫度。所述圓柱體形突觸的高度等于所述環(huán)形槽2的外環(huán)4半 徑與所述不脹圓環(huán)6的外環(huán)半徑之差。所述應(yīng)變采集儀包括應(yīng)變傳感器9和和應(yīng)變采集處理 器13兩部分，所述應(yīng)變傳感器9設(shè)于所述突觸5相對的所述不脹圓環(huán)6的內(nèi)壁上，由于所述底 座1存在所述圓形凹陷8,所以方便所述應(yīng)變傳感器9的設(shè)置。
[0051] 參照圖6,所述環(huán)形槽2的底部為水平的。所述不脹圓環(huán)6的寬度等于所述環(huán)形槽2 的深度。
[0052] 參照圖7,本發(fā)明還提供了一種瀝青低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀，包括如上所述的瀝青環(huán)裂凍 斷圓盤結(jié)構(gòu)，所述瀝青低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀還包括降溫裝置、溫度采集儀和應(yīng)變采集儀，所述降 溫裝置具有一個能夠容納所述瀝青低溫性能評價結(jié)構(gòu)的封閉容置空間，所述溫度采集儀包 括相連接的溫度傳感器10和溫度采集處理器12,所述溫度傳感器10設(shè)于所述瀝青環(huán)裂凍斷 圓盤結(jié)構(gòu)的底座1上，所述應(yīng)變采集儀包括相連接的應(yīng)變傳感器9和應(yīng)變采集處理器13,應(yīng) 變傳感器9設(shè)于不脹圓環(huán)6的與所述突觸5相對的內(nèi)壁上。在本實(shí)施例中，瀝青低溫環(huán)裂試驗(yàn) 儀包括瀝青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)、材料高低溫試驗(yàn)儀15、溫度采集儀（由溫度傳感器10和溫度 采集處理器12兩部分組成，兩者通過數(shù)據(jù)線連接）、應(yīng)變采集儀(應(yīng)變傳感器9和和應(yīng)變采集 處理器13兩部分組成，通過數(shù)據(jù)線連接）、液氮降溫系統(tǒng)14五部分組成。材料高低溫試驗(yàn)儀 15安裝有單級降溫壓縮裝置，且材料高低溫試驗(yàn)儀15具有封閉容置空間11。液氮降溫系統(tǒng) 14的主要作用是在材料高低溫試驗(yàn)儀15的單級壓縮降溫裝置的基礎(chǔ)上，采取液氮降溫措施 對試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步降溫強(qiáng)化。
[0053]本發(fā)明提供了一種瀝青低溫抗裂性能的評價方法，包括以下步驟:S1:取或制備底 座1和不脹圓環(huán)2(No Expansion Circle Ring，簡稱NECR)，所述底座1和所述不脹圓環(huán)2結(jié) 構(gòu)如上述環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)中所述底座1和所述不脹圓環(huán)2,所述不脹圓環(huán)2幾乎不隨溫度 變化而發(fā)生體積變化，所述底座1的形狀可以是任意形狀，如矩形、圓形、橢圓形等，在優(yōu)選 的實(shí)施例中所述底座1的形狀為圓形，所述底座1中間具有一環(huán)形槽2,所述不脹圓環(huán)6嵌套 所述環(huán)形槽2的內(nèi)環(huán)壁3上，所述底座1在所述環(huán)形槽2的外環(huán)壁4上設(shè)有一突觸5,所述突觸5 為水平設(shè)置于所述環(huán)形槽2的外環(huán)壁4上的圓柱體形突觸;S2:在所述不脹圓環(huán)6的外側(cè)壁和 所述環(huán)形槽2的內(nèi)側(cè)壁均勻涂抹潤滑劑，以使在降溫過程中瀝青不會粘附于不脹圓環(huán)，避免 產(chǎn)生異常應(yīng)變讀數(shù)，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù);S3:加熱瀝青，將其澆入所述不脹圓環(huán)6與所述環(huán)形槽2 的外環(huán)壁4之間的環(huán)形空間，冷卻成型，得到瀝青圓環(huán)7;S4:在與所述突觸5相對的所述不脹 圓環(huán)6的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)置應(yīng)變傳感器9,在底座1上設(shè)置溫度傳感器10,將底座1、不脹圓環(huán)6連 同所述瀝青圓環(huán)7-起放入材料高低溫試驗(yàn)儀15的封閉容置空間11中，0°C預(yù)熱30min，然后 控制降溫裝置以穩(wěn)定速率進(jìn)行降溫，降溫速率范圍為l_30°C/h，直至所述瀝青圓環(huán)7斷裂， 檢測并記錄溫度值和不脹圓環(huán)6在對應(yīng)突觸5的位置的瞬時應(yīng)變值;S5:繪制檢測得到的瞬 時應(yīng)變值隨溫度變化曲線，瞬時應(yīng)變值發(fā)生跳躍時，對應(yīng)的應(yīng)變值即為瀝青斷裂時不脹圓 環(huán)在突觸對應(yīng)位置的應(yīng)變值，由于瀝青圓環(huán)與不脹圓環(huán)在降溫收縮過程中產(chǎn)生的相互擠壓 是作用力與反作用力，即F?*ipf=F?，通過試驗(yàn)得到的參數(shù)￡]^闕直和應(yīng)力應(yīng)變公式F = ε · Ε · Α#?Η，可求出即得瀝青圓環(huán)所受作用力F?。然后通過F浙=〇浙· Α?，求出瀝青材料 的環(huán)裂強(qiáng)度〇浙，即〇Fra。。而在此時斷裂所對應(yīng)的溫度值即為所述瀝青圓環(huán)7斷裂時的溫度， 即環(huán)裂溫度T Fra。。在優(yōu)選的實(shí)施例中，降溫速度可為10°C/h。所述不脹圓環(huán)2的線膨脹系數(shù) 彡5Xl(T6mm/mm/°C。所述不脹圓環(huán)2的材料為石英玻璃、因瓦合金、陶瓷和鋼中的任一種。所 述底座的材料為鋼、鐵、鋁中的任一種。
[0054] 工作原理分析：
[0055]下面對環(huán)裂試驗(yàn)的機(jī)理進(jìn)行分析。在試驗(yàn)過程中，環(huán)形凍斷圓盤作為環(huán)裂試驗(yàn)的 重要組成部件，其內(nèi)部組成如圖5所示。內(nèi)環(huán)為不脹圓環(huán)(No Expansion Circle Ring，簡稱 NECR，線收縮系數(shù)很小，一般為(0~5)Xl(T6mm/mm/°C)，外環(huán)為瀝青環(huán)(線收縮系數(shù)α-般大 于200 X l(T6mm/mm/°C)，兩種材料α相差較大，大約為兩個數(shù)量級。在進(jìn)行試驗(yàn)降溫過程中， 瀝青與不脹圓環(huán)受溫度影響產(chǎn)生收縮，因?yàn)r青環(huán)受溫度變化在單位時間產(chǎn)生的長度縮減量 要比不脹圓環(huán)大，使瀝青材料與不脹圓環(huán)直接在圓環(huán)切線方向和垂直切線方向均產(chǎn)生了相 互的擠壓作用力，隨著溫度的不斷下降，瀝青材料在應(yīng)力的作用下不斷收縮，當(dāng)瀝青環(huán)(瀝 青材料本身)所受拉應(yīng)力達(dá)到其斷裂的抗拉強(qiáng)度時，瀝青環(huán)斷裂(故稱環(huán)裂試驗(yàn)）。
[0056] 一、路面實(shí)際狀態(tài)分析
[0057]該試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)基于材料的彈性力學(xué)和強(qiáng)度破壞理論。
[0058]參照圖8,瀝青路面實(shí)際情況如圖8所示，該圖為瀝青路面模型示意圖，取其中一個 小塊瀝青混合料進(jìn)行分析，路面中瀝青混合料方格模型圖如圖9，常規(guī)的路面瀝青混合料由 瀝青、集料和空隙組成，集料約占總體積的83~85%，瀝青占總體積的10~12%，空隙體積 占4~5% 〇
[0059] 假定集料占體積的85%，瀝青占總體積的15%，兩者體積比為5.7:1，研究先暫不 考慮空隙的體積，上圖的立方體方格心」，物4= 0.9473，φ腈=1-物4= 0.0527，集料與 瀝青一維的長度比為18:1，比例系數(shù)用Μ表示，即Μ= 18。
[0060] 如圖10所示，圖10為路面開裂應(yīng)變示意圖，處于低溫氣候條件下，瀝青路面便開始 低溫收縮，而由于路面縱向的約束作用，限制了路面的長度變化，加上路面低溫條件下近似 為彈性體，路面便出現(xiàn)了彈性收縮變形，以此來平衡所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。
[0061 ]此時，尚未開裂的路面滿足如式(1.1)所示的應(yīng)變關(guān)系式：
[0062] (α?+Μ · α^) · ΔΤ = (1.1)
[0063] 二、本發(fā)明所述評價方法的室內(nèi)模擬及力學(xué)分析
[0064] 參照圖11，圖11為瀝青圓環(huán)與不脹圓環(huán)平衡受力示意圖，在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)降溫過 程中，瀝青圓環(huán)與不脹圓環(huán)受溫度影響產(chǎn)生收縮，因?yàn)r青圓環(huán)受溫度變化在單位時間產(chǎn)生 的長度縮減量要比不脹圓環(huán)大，使瀝青材料與不脹圓環(huán)直接在圓環(huán)切線方向和垂直切線方 向均產(chǎn)生了相互的擠壓作用力，即此過程中瀝青圓環(huán)尚未斷裂之前一直保持受力的平衡狀 態(tài)，滿足如式(2.1)、（2.2)所示的平衡關(guān)系：
[0065] ρ瀝=pNECR (2.1)
[0066] P^P^ecr (2.2)式中，P浙為瀝青圓環(huán)所受切線方向的相互作用力;PNECR為不脹 圓環(huán)所受切線方向的相互作用力；Pi為瀝青圓環(huán)所受垂直于切線方向的相互作用力、 P^ECR為不脹圓環(huán)所受垂直于切線方向的相互作用力。
[0067] 由圖11可知，瀝青圓環(huán)與不脹圓環(huán)在收縮過程中，瀝青圓環(huán)收縮長度在單位時間 要大于不脹圓環(huán)，而要保持平衡狀態(tài)，需要靠瀝青與不脹圓環(huán)的彈性應(yīng)變來支撐。如圖7所 示，圖7為瀝青圓環(huán)與不脹圓環(huán)降溫前后應(yīng)變變化示意圖，如果所述瀝青圓環(huán)為均勻截面， 瀝青圓環(huán)與不脹圓環(huán)的應(yīng)變滿足以如式(2.3)所示關(guān)系式：
[0068] (a瀝-aNECR) ·八丁=￡瀝(_)+8呢(^ (2.3)
[0069] 式中，c?為瀝青的線膨脹系數(shù);aNECR為不脹圓環(huán)的線膨脹系數(shù)；ΔΤ為降溫幅度； ε瀝(鈉)為試驗(yàn)中瀝青的應(yīng)變;ε NECR為不脹圓環(huán)的應(yīng)變。
[0070 ]將室內(nèi)的環(huán)裂試驗(yàn)來模擬路面低溫?cái)嗔褷顩r，選擇σ浙(室內(nèi))=σ浙(路面)或ε浙(鈉)= ε?歷(路面)，其中，σ浙(??為試驗(yàn)中瀝青所受應(yīng)力，σ浙(路面)為實(shí)際路面中瀝青所受應(yīng)力，ε浙(??為試 驗(yàn)中瀝青的應(yīng)變，哪(獅)為實(shí)際路面中瀝青的應(yīng)變，即相當(dāng)于將該環(huán)裂試驗(yàn)儀與實(shí)際路面一 起置于同樣的降溫環(huán)境中，使一起種瀝青的斷裂最大程度的與路面狀況保持一致。
[0071] 本發(fā)明在所述環(huán)形槽的外環(huán)壁上設(shè)有一突觸，所述突觸為水平設(shè)置于所述環(huán)形槽 的外環(huán)壁上的圓柱體形突觸，通過設(shè)置此突觸，使得瀝青圓環(huán)在突觸處的橫截面面積縮小， 因?yàn)r青圓環(huán)上所受壓力（即與不脹圓環(huán)直接的相互作用力)保持不變，所以在此突觸處瀝青 所受應(yīng)力應(yīng)變最大，使瀝青圓環(huán)固定在此處發(fā)生斷裂，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)斷裂，從而可以定點(diǎn)檢測斷 裂處應(yīng)變值。
[0072] 本發(fā)明還可以通過調(diào)整圓柱突觸的尺寸，如圖4所示，以使此瀝青圓環(huán)內(nèi)部所受的 斷裂應(yīng)變與路面實(shí)際混合料的斷裂應(yīng)變保持近似的一致。將突觸處瀝青圓環(huán)橫截面面積變 小等效為如圖13所示的非均勻截面，將突觸處位置等效于圖13中瀝青圓環(huán)橫截面面積最小 處，即AD線段處。選擇非均勻截面瀝青圓環(huán)上的A點(diǎn)（應(yīng)變最大值點(diǎn)）作為研究對象，使其與 路面應(yīng)變建立關(guān)系εΑ= ￡瀝(獅)，其中εΑ為A點(diǎn)瀝青的應(yīng)變，￡瀝(獅)為實(shí)際路面中瀝青的應(yīng)變。 [0073]則在非均勻截面條件下，式(2.3)可轉(zhuǎn)化為式(2.4)
[0074] (α瀝-aNECR) · ΛΤ=ε瀝·韻麵)+eNECR (2.4)
[0075] 其中，為非均勻截面瀝青圓環(huán)整體所產(chǎn)生的應(yīng)變量。
[0076] 假設(shè)圖13中的截面長度d在不斷變化，心為所述不脹圓環(huán)的外環(huán)半徑;1?2為所述瀝 青圓環(huán)的外環(huán)半徑;Z80D = p，角度變化值為Θ。
[0077]因不脹圓環(huán)選擇的材料模量極大，產(chǎn)生的ε疆很小，先假設(shè)￡隱~0。
[0078] 如圖13所示，如此可以認(rèn)為在相同降溫狀況下，不斷調(diào)整瀝青圓環(huán)尺寸以期能使 εΑ滿足εΑ= ε?Ι5(路?的同時，整個瀝青圓環(huán)因溫度變化所產(chǎn)生的的總應(yīng)變量保持不變，即
[0081 ] 式中：￡1為0~2供角度內(nèi)瀝青圓環(huán)的內(nèi)部應(yīng)變；
[0082] ε2為2切~2疋角度內(nèi)瀝青圓環(huán)的內(nèi)部應(yīng)變；
[0089] 式中：心為所述不脹圓環(huán)的外環(huán)半徑，mm;R2S所述瀝青圓環(huán)的外環(huán)半徑，mm;a瀝為 瀝青的線膨脹系數(shù);aNECR為不脹圓環(huán)的線膨脹系數(shù)，mm/mm/°C ;a集為集料的線膨脹系數(shù)；Δ T 為降溫幅度，°C ;M為集料與瀝青一維的長度比；=於，均為已知。
[0090] 通過式(2.7)的計(jì)算，對式(2.6)進(jìn)行簡化，式(2.6)可轉(zhuǎn)化為式(2.8)，
[0093] 上文已提到，使瀝青圓環(huán)有選擇的在A處斷裂的同時，也使通過調(diào)整圓柱突觸的尺 寸以使此瀝青圓環(huán)內(nèi)部所受的斷裂應(yīng)變(取點(diǎn)ε Α)與路面實(shí)際混合料的斷裂應(yīng)變_(路? (式 (1.1)所示)保持近似的一致，即如下式(2.9)所示。
[0094] εΑ=ε瀝(獅尸（(1瀝+|/[ · α集）· ΛΤ-Μ · ε集(2.9)
[0095] 通過聯(lián)立式(2.8)、式(2.9)進(jìn)行計(jì)算，即可得到公式（II):
[0097] 式中，(?為瀝青的線膨脹系數(shù);aNECR為不脹圓環(huán)的線膨脹系數(shù)；ΔΤ為降溫幅度;Ri 為所述不脹圓環(huán)的外環(huán)半徑;R2為所述瀝青圓環(huán)的外環(huán)半徑;式中，參數(shù)εΑ通過公式(III)確 定：
[0098] εΑ= (α瀝+M · α集）· ΛΤ-Μ · ε集(III)
[0099] 式中，Δ T為降溫幅度;(?為瀝青的線膨脹系數(shù);Μ為集料與瀝青一維的長度比；α集 為集料的線膨脹系數(shù)；ε集為集料的應(yīng)變。通過公式（II)和公式（III)即可算出d。綜上，采用 本發(fā)明所述評價方法可以針對不同混合料的類型和組成比例，結(jié)合底座的尺寸可以模擬計(jì) 算，調(diào)整圓柱狀突觸的橫截面面積，可以有針對性地對路面不同類型混合料進(jìn)行低溫性能 測試，以做到與路面實(shí)際狀況更加接近，這一點(diǎn)目前任何瀝青低溫抗裂性能評價都無法做 到。
[0100]求出長度d后，即可得圖13中線段AD所對應(yīng)的瀝青圓環(huán)橫截面面積，然后根據(jù)此面 積確定所用圓柱狀突觸的尺寸，可根據(jù)式(I)可以得到圓柱形突觸的直徑S，
[0102] 式中，h表示所述圓柱形突觸的高度表示所述不脹圓環(huán)的外環(huán)半徑;所述Η表示 所述瀝青圓環(huán)的高度。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述圓柱體形突觸的高度h等于所述環(huán)形槽的外 環(huán)半徑與所述不脹圓環(huán)的外環(huán)半徑之差。
[0103] 將突觸安裝在所述底座的環(huán)形槽的外環(huán)壁上進(jìn)行試驗(yàn)，以此求出瀝青圓環(huán)在環(huán)裂 破壞時所對應(yīng)的環(huán)裂溫度TFra。和環(huán)裂強(qiáng)度〇 Fra。。
[0104] 本文使用試模尺寸心=3〇111111，1?2 = 361]1111，線收縮系數(shù)計(jì)算假設(shè)α浙=200 X 10-6，α集= 5X10-6，aNECR = 〇.5X10-6,通過聯(lián)立公式(2.8)、（2.9)，可求得(1 = 32.2111111。最后通過計(jì)算確 定圓柱狀突觸尺寸為Φ8_Χ6_(1ι)。
[0105]對實(shí)際路面的受力過程作一假定:Ρ浙=Ρ集，瀝青與集料的相互作用力相等，而該環(huán) 裂試驗(yàn)亦滿足Pffi=PNECR，即瀝青和不脹圓環(huán)的相互作用力相等，則得式(2.10)和(2.11):
[0106] 〇瀝· A?歷=σ集?細(xì)=〇NECR · anecr (2.10)
[0107] 即ε瀝·段歷· A?歷=￡集· ?細(xì)=eNECR · enecr · Anecr (2.11)
[0108] 式中，E?為瀝青的彈性模量;E*為集料的彈性模量;Enecr為不脹圓環(huán)的彈性模量。
[0109] 假設(shè)路面上集料產(chǎn)生的彈性的應(yīng)變與不脹圓環(huán)產(chǎn)生的微應(yīng)變相等，即eNECR = M· ￡集〇
[0110] 通過聯(lián)立該方程，求出Anecr，即不脹圓環(huán)的橫截面面積，對應(yīng)圓環(huán)高度求出試驗(yàn)所 對應(yīng)不脹圓環(huán)的厚度。
[0111] 通過以上分析，最終確定該環(huán)形試模的不脹圓環(huán)環(huán)厚尺寸為2mm，圓柱狀突觸的尺 寸為 i>8mmX6mm(h) 〇
[0112] 綜上所述，本發(fā)明通過檢測降溫過程瀝青的溫度變化值和突觸處的應(yīng)變，最終可 得到瀝青圓環(huán)的環(huán)裂應(yīng)變和環(huán)裂溫度，而該環(huán)裂應(yīng)變可以模擬路面斷裂時對應(yīng)的最大斷裂 應(yīng)變，還可以根據(jù)環(huán)裂應(yīng)變得到對應(yīng)的瀝青的斷裂強(qiáng)度，與路面混合料實(shí)際低溫狀況建立 關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)路面混合料的低溫抗裂性能的評價;針對不同的混合料類型和組成比例，可以調(diào) 整突觸的軸向截面面積以針對性的模擬路面不同混合料的低溫性能測試，可以做到與路面 實(shí)際狀況更加接近。
[0113] 三、不同材料的不脹圓環(huán)環(huán)裂試驗(yàn)的對比：
[0114] 制備如上所述的底座和不脹圓環(huán)，在本實(shí)施例中，分別選用石英玻璃、因瓦合金和 陶瓷作為不脹圓環(huán)的材料，在所述不脹圓環(huán)的外側(cè)壁和所述環(huán)形槽的內(nèi)側(cè)壁均勻涂抹潤滑 劑;選用8種不同的瀝青，按照不同不脹圓環(huán)的材料分成三組進(jìn)行試驗(yàn)，分別加熱瀝青一小 時，分別澆入如上所述的底座和不脹圓環(huán)形成的環(huán)形空間內(nèi)，冷卻成型，得到8種不同瀝青 材料得到的瀝青圓環(huán)，在與所述突觸相對的所述不脹圓環(huán)的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)置應(yīng)變傳感器，在 底座的圓形中心處設(shè)置溫度傳感器，然后將瀝青圓環(huán)、不脹圓環(huán)和底座組成的瀝青低溫抗 裂性能評價結(jié)構(gòu)放入材料高低溫試驗(yàn)儀中，在〇°C保持30min，然后以10°C/h的速度降溫直 至瀝青圓環(huán)斷裂，測試并記錄各瀝青圓環(huán)的環(huán)裂溫度，分別與8種瀝青材料的TSRST斷裂溫 度進(jìn)行相關(guān)性分析，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14、圖15和圖16,不同材料的不脹圓環(huán)實(shí)物圖如圖3， 分別所得三種材料的瀝青試樣環(huán)裂溫度與TSRST斷裂溫度的相關(guān)性分析結(jié)果。根據(jù)圖14、圖 15和圖16的分析結(jié)果，本發(fā)明提供的評價方法所得環(huán)裂溫度與TSRST斷裂溫度具有較好的 相關(guān)性，且使用石英玻璃材料所得相關(guān)性最好，并且相比陶瓷、因瓦合金材料，石英玻璃的 線膨脹系數(shù)α最小，能更快地使瀝青材料發(fā)生斷裂，試驗(yàn)誤差低。最終對比確定，最優(yōu)先選擇 使用石英玻璃不脹圓環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)得到的斷裂溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，繪制應(yīng)變隨溫度 變化曲線，如圖17,圖中的跳躍應(yīng)變值即為瀝青試樣斷裂時不脹圓環(huán)所承受的瞬時應(yīng)變，由 式(3.1)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式可得，
[0115] F/ra?eF= e^ig^f X X (3.1)
[0116] 式中:為斷裂瞬間不脹圓環(huán)上所受溫度作用力，單位為Ν;
[0117] εβ??殖為因?yàn)r青材料斷裂而使不脹圓環(huán)產(chǎn)生的跳躍應(yīng)變值，單位為叫；
[0118] 為不脹圓環(huán)的彈性模量(石英玻璃材質(zhì)，取E = 7.5X 101()Pa)，單位為Pa;
[0119] 細(xì)]祕為不脹圓環(huán)的橫截面面積(試驗(yàn)中A = 6.0X10-V)，單位為m2。
[0120] 由于瀝青試樣與不脹圓環(huán)之間試驗(yàn)前潤滑劑的涂抹潤滑作用，瀝青試樣產(chǎn)生的拉 力等同于不脹圓環(huán)所受壓力，兩者為作用力與反作用力，即網(wǎng)廳^=版。因此，瀝青試樣的斷 裂應(yīng)力被計(jì)算如下：
[0122]式中:?為不脹圓環(huán)上所受溫度作用力，單位為N;
[0123] A浙為瀝青結(jié)合料試樣突觸處的橫截面面積(試驗(yàn)中A=1.2X l(T4m2)，單位為m2。
[0124] 〇瀝即為所求環(huán)裂強(qiáng)度〇Frac，對應(yīng)應(yīng)變突起的溫度即為環(huán)裂溫度指標(biāo)T Frac。
[0125] 四、不同瀝青不同降溫速率下的環(huán)裂溫度試驗(yàn)：
[0126] 分別選用110#+5%383、110#、90#+5%383、90#、70#這五種瀝青材料分別按照不同 的降溫速度（1°(：/11、5°(：/11、10°(：/11、20°(：/11、30°(：/11)進(jìn)行本發(fā)明所述的環(huán)裂評價，選用石英 玻璃作為不脹圓環(huán)材料，選用鋼制底座材料，得到環(huán)裂溫度T Fra。及其標(biāo)準(zhǔn)差SD的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 如表1和圖18所示。由表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對五種瀝青分別以1°C/h、5°C/h、10°C/h、20 °C/h、30°C/h的速率進(jìn)行降溫，同種瀝青不同降溫速率最大溫差3.6°C(90#+5%)，最小溫度 2.1°(：(70#)，測出的環(huán)裂溫度值之間的差別較小;對5種降溫速率的標(biāo)準(zhǔn)差比較，10 1€/11的 降溫速率的SD均值相對較小，有較好的試驗(yàn)可重復(fù)性。
[0127] 表1不同瀝青不同降溫速率下的環(huán)裂溫度試驗(yàn)結(jié)果
[0128]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種漸青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括底座和不脹圓環(huán)，所述底座中間具有 一環(huán)形槽，所述不脹圓環(huán)緊密套在所述環(huán)形槽的內(nèi)環(huán)壁上，所述不脹圓環(huán)的外壁與所述環(huán) 形槽之間形成一環(huán)形容置空間，所述環(huán)形容置空間用于放置漸青，所述底座在所述環(huán)形槽 的外環(huán)壁上設(shè)有一突觸，所述突觸為水平設(shè)置于所述環(huán)形槽的外環(huán)壁上的圓柱體形突觸。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述圓柱體形突觸的直 徑可根據(jù)公式(I)確定：(I) 式中，S表示所述圓柱形突觸的直徑，h表示所述圓柱形突觸的高度;扣表示所述不脹圓 環(huán)的外環(huán)半徑;所述Η表示所述漸青圓環(huán)的高度;d根據(jù)公式(II)確定：印) 式中，巧J5為漸青的線膨脹系數(shù);Qnecr為不脹圓環(huán)的線膨脹系數(shù)；ΔΤ為降溫幅度北為所 述不脹圓環(huán)的外環(huán)半徑;R2為所述漸青圓環(huán)的外環(huán)半徑;式中，參數(shù)EA通過公式(III)確定： εΑ=(α漸+M · α集）· ΔΤ-Μ · ε集 （III) 式中，ΔΤ為降溫幅度;α漸為漸青的線膨脹系數(shù);Μ為集料與漸青一維的長度比；α集為集 料的線膨脹系數(shù);ε集為集料的應(yīng)變。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述圓柱體形突觸的高 度等于所述環(huán)形槽的外環(huán)半徑與所述不脹圓環(huán)的外環(huán)半徑之差。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述底座的中間設(shè)有一 圓形凹陷，所述圓形凹陷與所述環(huán)形槽同屯、，所述圓形凹陷的半徑等于所述環(huán)形槽的內(nèi)環(huán) 壁半徑，所述圓形凹陷的深度小于所述環(huán)形槽的深度。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述不脹圓環(huán)的線膨脹 系數(shù)《5 X l〇-6mm/mm/°C。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的漸青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述不脹圓環(huán)的材料為 石英玻璃、因瓦合金、陶瓷和鋼中的任一種。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述底座的材料為鋼、 鐵、侶中的任一種。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述環(huán)形槽的底部為水 平的。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸青環(huán)裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述不脹圓環(huán)的寬度等 于所述環(huán)形槽的深度。10. -種漸青低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀，其特征在于，包括如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的漸青環(huán) 裂凍斷圓盤結(jié)構(gòu)，所述漸青低溫環(huán)裂試驗(yàn)儀還包括降溫裝置、溫度采集儀和應(yīng)變采集儀，所 述降溫裝置具有一個能夠容納所述漸青低溫性能評價結(jié)構(gòu)的封閉容置空間，所述溫度采集 儀包括相連接的溫度傳感器和溫度采集處理器，所述溫度傳感器設(shè)于所述漸青環(huán)裂凍斷圓 盤結(jié)構(gòu)的底座上;所述應(yīng)變采集儀包括相連接的應(yīng)變傳感器和應(yīng)變采集處理器，應(yīng)變傳感 器設(shè)于不脹圓環(huán)的與所述突觸相對的內(nèi)壁上。
【文檔編號】G01N25/16GK106093106SQ201610377398
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】徐東, 徐波, 鄭南翔, 陳少華, 紀(jì)小平, 王元, 朱秀蘭, 孫國慶, 姜紅宇, 李雪雁, 鄧稱意
【申請人】深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司