本發(fā)明涉及道路工程領(lǐng)域，具體提供一種道路石油瀝青高溫、低溫使用性能快速檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
：道路石油瀝青在瀝青混合料中扮演著重要的角色，排除混合料級(jí)配的因素，瀝青膠結(jié)料行為很大程度上決定著瀝青混合料的路用性能。按照我國(guó)現(xiàn)行《公路工程瀝青混合料路面施工技術(shù)規(guī)范》(jtgf40-2004)要求，瀝青的性能指標(biāo)主要包括高溫、低溫及抗老化指標(biāo)等一系列指標(biāo)，其中道路石油瀝青瀝青高溫、低溫性能是直接關(guān)系路面使用性能的最主要指標(biāo)。瀝青性能的表征方法眾多，其中表征高溫、低溫性能指標(biāo)分別為軟化點(diǎn)、10℃延度指標(biāo)。目前眾多研究者認(rèn)為，常規(guī)瀝青檢測(cè)指標(biāo)是經(jīng)驗(yàn)型、條件性指標(biāo)，該種指標(biāo)在評(píng)價(jià)瀝青性能時(shí)缺乏明確的物理意義；同時(shí)實(shí)踐表明，該類型指標(biāo)與瀝青路面性能關(guān)聯(lián)性小，不能有效表征瀝青的路面使用性能。常規(guī)瀝青高溫、低溫性能的檢測(cè)主要過(guò)程包括瀝青試驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備、試模的澆注、室溫條件的冷卻、試件刮樣及指標(biāo)測(cè)試等多個(gè)試驗(yàn)環(huán)節(jié)。試驗(yàn)過(guò)程需要瀝青的樣品量較大，試驗(yàn)耗時(shí)周期長(zhǎng)；另外，由于不同試驗(yàn)操作人員水平的差別，對(duì)試驗(yàn)準(zhǔn)確性存在不同程度的不良影響，因此有必要提高檢測(cè)效率，提出與混合料性能更加關(guān)聯(lián)性的指標(biāo)進(jìn)行表征。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是指無(wú)定型聚合物由玻璃態(tài)向高彈態(tài)或者由后者向前者的轉(zhuǎn)變溫度，是無(wú)定型聚合物大分子鏈段自由運(yùn)動(dòng)的最低溫度，通常用tg表示。瀝青及瀝青混合料的低溫性能主要體現(xiàn)在低溫變形能力上，低溫變形能力是分子鏈段運(yùn)動(dòng)的宏觀體現(xiàn)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度作為分子鏈段能否運(yùn)動(dòng)的界限溫度，因此瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg能夠表征瀝青混合料低溫性能的優(yōu)劣。目前瀝青玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg測(cè)定的方法有很多種，常采用熱膨脹法、量熱法和動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜法等進(jìn)行測(cè)試。然而玻璃化轉(zhuǎn)變溫度描述了一種熱力學(xué)上的非平衡態(tài)，是一個(gè)動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)變溫度，往往隨測(cè)試方法和條件而改變。由于基質(zhì)瀝青是一種熱流變簡(jiǎn)單物質(zhì)，在溫度效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)上對(duì)于粘彈性行為具有等效原理及數(shù)量關(guān)系。并且其數(shù)量關(guān)系及處理方式不僅有理論依據(jù)而且有試驗(yàn)的可靠性。瀝青在時(shí)間和溫度上的等效數(shù)量關(guān)系可以通過(guò)一定的換算法則進(jìn)行量化，描述時(shí)間—溫度換算的法則有很多種，常用的換算法有wlf公式、arrhenius公式等方式，其中wlf公式適用于瀝青材料。此公式是描述關(guān)于瀝青粘彈性時(shí)間溫度等效換算的公式，關(guān)于時(shí)間—溫度換算法則的wlf公式為：在方程(1)中：c1、c2為材料參數(shù)，此公式適用的溫度范圍為tg～tg+100℃。假設(shè)t1、t2溫度相對(duì)于基準(zhǔn)溫度玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg移位因子分別為lgαt1、lgαt2，那么t1相對(duì)于基準(zhǔn)溫度t2的移位因子為lgαt(x-shift)＝lgαt2-lgαt1，通過(guò)公式的推導(dǎo)計(jì)算可以得到如下方程:目前國(guó)內(nèi)部分學(xué)者，利用wlf方程及類似(2)的推導(dǎo)公式對(duì)瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行了計(jì)算，主要存以下問(wèn)題：第一、具體擬合過(guò)程不明確或者計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，數(shù)據(jù)再現(xiàn)性差。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg的擬合最終歸結(jié)于一個(gè)數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程，推導(dǎo)公式是一個(gè)多元函數(shù)，其解必定有無(wú)數(shù)個(gè)，其參數(shù)初始值的賦值及具體擬合過(guò)程對(duì)結(jié)果影響極大。初值賦值不明確導(dǎo)致數(shù)據(jù)再現(xiàn)性差，不利推廣；另外，部分算法需要人工參與大量筆算，過(guò)程極為復(fù)雜，平行性不佳。第二，沒(méi)有明確相應(yīng)推導(dǎo)公式的適用瀝青種類范圍。道路工程中改性瀝青種類眾多，力學(xué)性能極為復(fù)雜，對(duì)于如何判斷瀝青對(duì)于wlf推導(dǎo)方程的適用性沒(méi)有明確說(shuō)明。第三，關(guān)于車轍因子、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg兩個(gè)指標(biāo)的利用相對(duì)孤立，評(píng)價(jià)瀝青高溫、低溫性能采用單獨(dú)試驗(yàn)，無(wú)法整合至同一檢測(cè)過(guò)程；由于瀝青的力學(xué)行為遵循boltzmann線性疊加原理，其力學(xué)性能受到加熱史、應(yīng)力史的重要影響，對(duì)于如何設(shè)置兩個(gè)過(guò)程中的參數(shù)條件，避免兩個(gè)步驟的相互影響，目前沒(méi)有明確。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種道路石油瀝青高溫、低溫使用性能快速檢測(cè)方法，可應(yīng)用于公路、城市道路、隧道橋面等道路石油瀝青高溫、低溫使用性能確定。本發(fā)明的道路石油瀝青高溫、低溫使用性能快速檢測(cè)方法的特點(diǎn)是：以動(dòng)態(tài)剪切流變儀為檢測(cè)設(shè)備，將時(shí)間掃描與頻率掃描進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過(guò)一次性掃描試驗(yàn)獲得瀝青的高溫、低溫性能，包括以下步驟：一、針對(duì)道路石油瀝青采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切時(shí)間掃描、頻率掃描，在特定溫度范圍內(nèi)獲取不同瀝青頻率掃描曲線；二、通過(guò)獲取的各個(gè)試驗(yàn)溫度時(shí)間掃描過(guò)程所對(duì)應(yīng)的車轍因子(g*/sinδ)為縱坐標(biāo)，各個(gè)試驗(yàn)溫度為橫坐標(biāo)，繪制溫度—車轍因子變化曲線進(jìn)行回歸分析；三、通過(guò)回歸方程得到g*/sinδ＝1.0kpa或2.2kpa所對(duì)應(yīng)溫度，按照aashtomp—19進(jìn)行瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)；四、根據(jù)時(shí)間—溫度等效原理進(jìn)行不同溫度掃描曲線平移，獲得移位因子，然后根據(jù)wlf方程推導(dǎo)公式進(jìn)行擬合，反算出道路石油瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，進(jìn)行低溫路用性能快速測(cè)定。作為優(yōu)選，步驟一包括根據(jù)瀝青標(biāo)號(hào)種類，在其特定的試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)至少選取4個(gè)試驗(yàn)溫度，對(duì)選取的每個(gè)試驗(yàn)溫度依次進(jìn)行時(shí)間掃描、頻率掃描，時(shí)間掃描要求為：控制應(yīng)變5％-12％，正弦加載，加載頻率10rad/s，掃描時(shí)間為10s-20s；頻率掃描要求為：控制應(yīng)變5％-8％，正弦加載，掃描頻率為0.1hz—100hz；試驗(yàn)環(huán)境要求為：每一個(gè)試驗(yàn)溫度平衡時(shí)間1min，頻率掃描前平衡時(shí)間10s。所述特定溫度范圍為30℃—90℃。作為優(yōu)選，特定溫度范圍與道路石油瀝青針入度的關(guān)系如下：25℃針入度，0.1mm試驗(yàn)溫度，℃20-4040-9040-10030-80100-14030-40在進(jìn)行高溫性能檢測(cè)時(shí)，若瀝青為新鮮樣品，其高溫等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)為g*/sinδ≥1.0kpa；若瀝青為短期老化樣品，其高溫等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)為g*/sinδ≥2.2kpa。若對(duì)溫度無(wú)特殊要求，優(yōu)選采用與pg分級(jí)溫度相同溫度進(jìn)行試驗(yàn)，這樣在進(jìn)行高溫判定時(shí)可以直接采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行回歸分析，準(zhǔn)確度更高。作為優(yōu)選，步驟四的具體方法為：根據(jù)不同設(shè)定試驗(yàn)溫度動(dòng)態(tài)剪切頻率掃描數(shù)據(jù)繪制出復(fù)數(shù)模量—剪切頻率曲線簇，根據(jù)時(shí)間—溫度等效原理，選定某一參考溫度進(jìn)行復(fù)數(shù)模量—剪切頻率水平平移，獲取比較溫度對(duì)于參照溫度的移位因子；然后根據(jù)獲取的移位因子，按照wlf方程推導(dǎo)公式(即公式2)進(jìn)行擬合反算出每個(gè)參考溫度下的玻璃化轉(zhuǎn)溫度。具體擬合過(guò)程優(yōu)選為：首先將c1、c2及tg初值分別賦初值為17.44、51.6及任意合理初始值，并將c1、c2、tg分別設(shè)為固定值、固定值、自由值，進(jìn)行收斂計(jì)算，計(jì)算出初始玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg’；然后將c1、c2及tg’作為自由初始值，進(jìn)行擬合，直至收斂計(jì)算完成。作為優(yōu)選，以各個(gè)參考溫度下擬合計(jì)算出的平均值為進(jìn)行瀝青低溫使用性能評(píng)價(jià)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。瀝青樣品的制備方法包括以下步驟：1、將選用的道路石油瀝青約100—200g，加熱至110℃，便于攪拌；2、趁熱澆注，澆注若干個(gè)圓形瀝青膠漿試樣，約3g/個(gè)，置于室溫中冷卻至少5min。本發(fā)明的道路石油瀝青高溫、低溫使用性能快速檢測(cè)方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下突出的有益效果：1.將時(shí)間掃描與頻率掃描進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，降低了時(shí)間掃描過(guò)程與頻率掃描過(guò)程的相互影響，進(jìn)而對(duì)車轍因子、玻璃化溫度計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，只通過(guò)一次性的掃描試驗(yàn)便可以在較短時(shí)間內(nèi)獲得瀝青的高溫、低溫性能，獲取的技術(shù)指標(biāo)經(jīng)瀝青混合料性能試驗(yàn)驗(yàn)證表明可信度高，適用性強(qiáng)。2.初會(huì)賦值明確，且計(jì)算過(guò)程全部由計(jì)算軟件計(jì)算完成，過(guò)程簡(jiǎn)單，平行性好。3.一次掃描即可完成高溫、低溫性能測(cè)定，整個(gè)測(cè)定過(guò)程只需100g—200g瀝青，且試驗(yàn)耗時(shí)周期大幅度降低。4.通過(guò)本發(fā)明方法可以明確判斷出高摻量sbs改性瀝青、高模量瀝青等對(duì)wlf推導(dǎo)方程擬合效果差，不宜采用。附圖說(shuō)明附圖1是本發(fā)明實(shí)施例中道路石油瀝青車轍因子分析回歸曲線。附圖2是本發(fā)明實(shí)施例中70#道路石油瀝青不同溫度頻率掃描曲線；附圖3是本發(fā)明實(shí)施例中反算的瀝青玻璃化溫度應(yīng)用實(shí)例圖；附圖4是本發(fā)明實(shí)施例中延度指標(biāo)與破壞應(yīng)變相關(guān)性示圖。具體實(shí)施方式參照說(shuō)明書附圖以具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的道路石油瀝青高溫、低溫使用性能快速檢測(cè)方法作以下詳細(xì)地說(shuō)明。實(shí)施例：【試驗(yàn)原材料】以道路石油瀝青30#、50#、70#、90#、sbs/dss瀝青為例進(jìn)行道路石油瀝青高溫、低溫性能指標(biāo)的測(cè)定方法?！緸r青樣品的準(zhǔn)備】以上述原材料進(jìn)行瀝青樣品制備，將選用的道路石油瀝青約150g，加熱至110℃，便于攪拌。【試件的成型】瀝青樣品應(yīng)趁熱澆注，澆注圓形瀝青膠漿試樣，約3g/個(gè)，置于室溫中冷卻至少5min。【編制試驗(yàn)程序】以70#石油瀝青為例，試驗(yàn)溫度選用33℃、40℃、60℃、70℃、80℃等五個(gè)試驗(yàn)溫度；試驗(yàn)溫度由低到高依次進(jìn)行，安排如下：第一步：33℃，時(shí)間掃描、頻率掃描；第二部：40℃，時(shí)間掃描、頻率掃描；第三部：60℃，時(shí)間掃描、頻率掃描；第四部：70℃，時(shí)間掃描、頻率掃描；第五步：80℃，時(shí)間掃描、頻率掃描；時(shí)間掃描要求為：控制應(yīng)變12％，正弦加載，加載頻率10rad/s，掃描時(shí)間為10s；頻率掃描要求為：控制應(yīng)變5％，正弦加載，掃描頻率為0.1hz—100hz；試驗(yàn)環(huán)境要求為：每一個(gè)試驗(yàn)溫度平衡時(shí)間1min，頻率掃描前平衡時(shí)間10s；【試件的安裝】選用25mm圓形平行板夾具，對(duì)試驗(yàn)儀器進(jìn)行參數(shù)(轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、間距等)校正，將試驗(yàn)樣品安放在圓形平行板上，將平行板溫度設(shè)置為45℃，試驗(yàn)平行板間距調(diào)整為1050μm，對(duì)試驗(yàn)樣品的修整，使樣品形態(tài)符合試驗(yàn)要求；試樣修整完成后將平行板間距調(diào)整1000μm，開始試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?！拒囖H因子g*/sinδ獲取】該實(shí)施例選用的各個(gè)試驗(yàn)溫度剪切頻率10rad/s所對(duì)應(yīng)的車轍因子(g*/sinδ)為縱坐標(biāo)，各個(gè)試驗(yàn)溫度為橫坐標(biāo)，繪制溫度—車轍因子(t—g*/sinδ)變化曲線進(jìn)行回歸分析，見附圖1；通過(guò)回歸分析找到g*/sinδ＝1.0kpa所對(duì)應(yīng)溫度，按照aashtomp—19進(jìn)行瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)，石油瀝青結(jié)果見表1、2。表1道路石油瀝青應(yīng)用實(shí)例試驗(yàn)結(jié)果表2回歸計(jì)算出的車轍因子g*/sinδ及按照aashtomp—19規(guī)范測(cè)試結(jié)果注：本實(shí)施例中采用的瀝青都是新鮮樣品，其高溫等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)為g*/sinδ≥1.0?！静ＡЩD(zhuǎn)變溫度的擬合計(jì)算】根據(jù)時(shí)間溫度等效原理，分別依次以各個(gè)試驗(yàn)溫度為參考溫度，其他試驗(yàn)溫度為比較溫度，利用ar-2000型動(dòng)態(tài)剪切流變儀tts功能程序直接進(jìn)行不同掃描曲線的水平平移。以70#道路石油瀝青為例，對(duì)70#道路石油瀝青進(jìn)行33℃、40℃、60℃、70℃、80℃等五個(gè)溫度試驗(yàn)，按照前述首先以33℃為參考溫度，其他四個(gè)溫度為比較溫度在掃描頻率—剪切模量模量坐標(biāo)系下采用tts功能處理軟件進(jìn)行曲線簇的平移，獲取各個(gè)溫度的移位因子，然后利用計(jì)算軟件oigin8.0根據(jù)方程(2)編制自定義函數(shù)，編制原則為：以移位因子為因變量，各個(gè)比較溫度作為自變量，c1、c2、tg為未知參數(shù)。具體擬合過(guò)程：首先將c1、c2及tg初值分別賦值為17.44、51.6及任意合理初始值，并將c1、c2、tg分別設(shè)為固定值、固定值、自由值，進(jìn)行收斂計(jì)算，計(jì)算出初始玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg’；然后將c1、c2及tg’作為自由初始值，進(jìn)行擬合，直至收斂計(jì)算完成。所述c1、c2為材料參數(shù)；tg為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；t1為比較溫度；t2為參考溫度；αt'為比較溫度相對(duì)于參考溫度的移位因子。按照上述步驟依次進(jìn)行40℃、60℃、70℃、80℃各個(gè)試驗(yàn)溫度所對(duì)應(yīng)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg，將得出的各個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的平均值作為最終值。以道路石油瀝青作為膠結(jié)料，進(jìn)行ac-20型瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(jtge20-2011)進(jìn)行混合料低溫彎曲梁試件的制作。試件是由混合料輪碾成型后切制的長(zhǎng)250mm±2.0mm，寬30mm±2.0mm，高35mm±2.0mm的棱柱體小梁，其跨徑為200mm±0.5mm。試驗(yàn)溫度為-10±0.5℃，加載速率為50mm/min，將按照上述方法測(cè)定的瀝青膠結(jié)料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、10℃延度與混合料性能適應(yīng)性進(jìn)行對(duì)比分析，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的、10℃延度與低溫小梁最大破壞應(yīng)變的相關(guān)性r2分別為0.9336、0.6135，這表明經(jīng)該方法測(cè)定的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度對(duì)混合料低溫性能的表征效果更加優(yōu)異，結(jié)果見附圖3、4。本實(shí)施例中各個(gè)道路石油瀝青的移位因子見表3—表8；擬合結(jié)果見表9。表330#瀝青移位因子表450#瀝青移位因子表570#瀝青移位因子表690#瀝青移位因子表7高模量sbs瀝青移位因子表8sbs改性瀝青移位因子表9各種瀝青的擬合計(jì)算結(jié)果當(dāng)前第1頁(yè)12