PG分级试验.ppt
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1、第三章 SHRP沥青结合料及沥青混合料测试技术,1. 现行规范沥青分类依据是沥青的物理性能: 25的针入度(稠度)、60和135时粘度和15时的延伸率等。 2. 现行规范的局限性: 1)测定三大指标的温度范围 (15135)比实际路面沥青 应用的温度范围窄。 2)按现行规范,相同等级的 沥青路用性能相差可能会很大。 3)各地选用沥青仅凭经验确定等级。,同一粘度级的三种沥青的温度-稠度变化图,一 、现行结合料规范存在的问题,二 、SHRP开发的指标与试验,开发的指标应起到控制作用,使在当地自然环境条件下,在使用期限内各种使用条件下,路面不致发生各种形式的破坏。 1. 沥青路面的破坏形式与原因 1
2、)疲劳开裂:老化后抗拉强度不够; 2)低温开裂:低温抗拉强度不够,孔隙率不当; 3)永久变形:高温时抗剪强度不够; 4)水损害:孔隙率不当、沥青与矿料粘结能力差。,沥青路面的主要破坏类型,疲劳开裂,温度开裂,纵向开裂,国际平整度指数,车辙,水损害,车 辙,水损害,2. 沥青的使用阶段与要求 第一阶段:沥青的泵送与运输 要求:135的粘度3PaS旋转粘度计 第二阶段:沥青混合料拌和与摊铺 高温下以薄膜形式包裹石料表面 要求:薄膜烘箱老化质量损失1。 第三阶段:路面使用过程中沥青的长期老化 用沥青在压力老化箱中的老化来模拟 要求:PAV后的抗破坏能力满足要求(抗永久变形、疲劳开裂、低温开裂及水损害
3、),PG76-10,PG76-16,PG76-22,PG76-28,PG76-34 PG82-10,PG82-16,PG82-22,PG82-28,PG82-34,三、路用性能指标及结合料等级 1.路用性能与指标 1)安全性用闪点230控制。 2)泵送与操作用最大粘度控制,要求135时粘度3Pas。 3)过度老化用沥青质量损失控制,要求:质量损失1.0%。 4)永久变形用G*/sin控制,试验温度为高温等级的温度。 对未老化沥青,要求G*/sin1KPa;对经RFTO沥青,要求G*/sin2.2KPa。G*越大,越小,抗车辙能力越强。 5)疲劳开裂用G*sin控制,要求经PAV沥青G*sin5
4、MPa。G*和值越小,材料越具柔性,抗疲劳开裂的能力越强。对PG64-10沥青,试验温度为(64-10)/2加4,即(64-10)/2+4=31。 6)低温开裂对蠕变劲度低于300MPa的经PAV老化的沥青,其劲度随时间的变化率m0.3(60s加载后),对300S(t)600MPa,且m0.3的结合料,要求直接拉伸的破坏应变1.0%。试验温度为低温等级加10,如PG64-28,试验温度为-28+10-18。,PG沥青等级调整,2.结合料等级选择 1)结合料性能分级高低温各7个等级。 高温等级:46,52,58,64,70,76,82 低温等级:-10,-16,-22,-28,-34,-40,-
5、46 如PG58-34,指沥青在-3458温度范围内物理性能满足路用要求。 高温等级由动力剪切流变仪测定,低温等级由弯曲梁流变仪或直接拉伸仪测。 2)沥青等级的选择 高温等级的温度指距路表20mm处的温度T20: T20=0.9545(Tair*-0.00618Lat2+0.2289Lat+42.2)-17.78 式中:Tair* 20-30年内连续7天的平均高气温; Lat 项目所在地区的纬度。 低温等级的温度则指路表面的温度Tsuf, Tsuf =0.859Tair-+1.7 。 式中:Tair-为20-30年内某一天的最低温度。 据项目重要性选定设计温度可靠度,即增减若干倍标准差。,四、
6、旋转粘度试验 将圆柱形纺锤体浸入135的沥青试样中,测定某一转速时的扭矩来确定粘度。 要求:135粘度3 PaS ,同时测165、 175时粘度作粘-温曲线以决定压实与拌和温度范围。,五、旋转薄膜烘箱老化试验(RTFOT) 将各装有35g结合料的8个样品瓶放入薄膜烘箱中,在163条件下用15转/分的速度旋转,同时用喷嘴吹入4000ml/min的热空气使沥青老化,旋转85分钟后称两个试样瓶的质量,计算质量损失率: 质量损失率(%)=,六、压力老化箱(PAV)试验 将经过RTFOT试验的试样置于PAV中,在2.07MPa压力及90(100或110)温度下老化20小时后再作DSR、BBR。,七、动力
7、剪切流变试验(DSR),动态剪切流变仪(Dynamic Shear Rheometer,简称DSR)是研究粘弹性材料的基本试验仪器。 由于美国战略公路研究计划(SHRP)在沥青结合料路用性能规范中首次采用DSR 评价沥青结合料的高温性能与中温疲劳性能,这一仪器及其关联的研究方法在沥青及沥青混合料的研究中得到广泛使用。 动态剪切试验方法在SHRP B-003及AASHTO TP5中有详细介绍,在SHRP规范中要求对原样沥青、RTFOT后残留沥青及RTFOT/PAV后残留沥青进行三次动态剪切试验,分别反映高温性能、疲劳性能,因此是SHRP沥青新标准的精髓。,SHRP采用的动态剪切流变仪(DSR)如
8、图所示,它是属于平板式的流变仪,两块8或25的平行板的间距1.1-2.2mm。沥青试样夹在平板之间,一块板固定,一块板围绕着中心轴来回摆动, 完成一个周期。DSR试验过程中,摆动板连续不断地摆动,速度为10rad/s约等于1.59HZ的频率,图中列出了试验得出的正弦变化的剪应变及剪应力,其相位角是。,七、动力剪切流变试验(DSR),DSR可以是应力或应变控制。应力控制是扭矩相同,而实际的板转动的弧度会略有不同;应变控制则是固定摆动的距离,而扭矩或应力将有所不同。沥青试样的剪应力S、剪应变D、复数劲度模量G*及相位角按下式计算: 式中,T为最大扭矩;r为摆动板半径12.5mm或4mm); h为试
9、样高度(1mm或2mm);为摆动板的旋转角;Smax、Smin、Dmax、Dmin为试样承受的最大或最小剪应力、剪应变;t为滞后时间。,七、动力剪切流变试验(DSR),七、动力剪切流变试验(DSR),试验原理 一般的动载实验所施加的荷载通常 都采用最简单的正弦荷载,实验方法可以有三种: 1、采用一个固定的振动频率测定沥青振动扭矩,称为强制振动法; 2、荷载频率在一个范围内变化,寻求发生最大位移时的共振频率,称为共振法; 3、实验时给定初始荷载使试样自由衰减的方法。 由于强制振动法的测定方法比较简单,同时也模拟了路面实际承受的反复施加的交通荷载,更接近强迫振动的方式,故通常沥青材料的动载试验也采
10、用此方式。 采用正弦波作为荷载输入模式,它的数学描述为:,7.1 线粘弹性的基本原理,在周期变量中,最简单的是正弦波。当虎克体承受的应力呈正弦波时,振幅即应力最大值为。,角频率2f,周期为T=1/f 当 所产生的应变为: 由此可知应变与应变进度均为具有与应力矢量相同周期的正弦波,应变与历力位相相同,应变速度则快90。,当牛顿体承受的应力呈正弦变化时,所产生的应变为: =,7.1线粘弹性的基本原理,7.1线粘弹性的基本原理,对于牛顿体应变较应力落后90,应变速度与应力位相相同, 因此,相当于速度与应力之积的外部功均作为热能被消耗。,弹簧与粘壶的矢量图,力学元件通过并联和串联组合,形成更为复杂的组
11、合模型,从而最大程度地反映材料真实的力学特性。其基本特性如下表所示。,7.2、基本流变模型,1、麦克斯韦尔(Maxwell)模型 由一个弹性元件和一个粘性元件串联组成,如下图所示。,7.2、基本流变模型,7.2、基本流变模型,对粘弹体施加等应变荷载,应力和应变两者均按正弦变化,但应变滞后于应力,是滞后相角,即:=0sint , =0sin(t+),则,于是应力应变关系就可以用一个与应变同向的最El (储能模量)和一个与应变相差90的量E2 (损耗能量)表示。 每一周期的能量损害为:,用类似的方法可定义出复数柔量为:,为了解粘弹性的全貌,必然掌握时间或频率的影响,以麦克斯韦尔体为例,,根据式计算
12、式绘出的复数模量与频率的关系图可知:高频E1趋向一高值极限呈玻璃态固体;当低频时,趋向一低值极限。对于不出现流动态的高聚物呈橡胶态,介于这两种频率之间时,E1随频率增加而增加,呈粘弹性。,从损耗E2的图象也可以看到粘弹行为,在高额与低频时E2趋近于零,而在两种频率之间的粘弹区E2增大。在E1变化最剧烈时E2达到最大值。也可以用损耗因子tg来表示。一般说来tg出现最大值的频率略低于E2出现最大值处(如图虚线所示),直线所示的tg是按式Tm计算绘制的,两者不重合,说明模型有一定误差存在。,动态剪切流变试验的几个基本假设条件: 1、沥青力学性质在整个沥青内部分布是均匀的; 2、沥青性质在小应变作用下
13、符合线粘弹性原理; 3、沥青试样与上下底板紧密接触,无滑脱现象。 试验时,需要一块和动态剪切流变仪振动板直径相等的沥青试件。试件制备有两种方式: 1、把足够数量的沥青直接倒在板上以形成足够的厚度; 2、用模具制备沥青试件,然后把它放在动态剪切流变仪的振动板和固定板之间。 采用第一种方式,优点在于方便快捷,缺点在于倒入准确数量的沥青需要经验,倒样时不希望倒得过多或过少,会影响试验的精度,如果试样太多,必须用预热的刮刀将四周刮平,进行修正。,将圆片状沥青试样夹在二个平行板中,一块板固定,一块板上施加固定的应变并以10rad/s摆动速度以 的顺序摆动,测定结合料G*及 。,要求:经PAV老化结合料的
14、 G*sin 2.2KPa. 未老化的沥青结合料的 G*/sin 1.0KPa.,常用的流变参数如下: 1、滞后角 对于纯粘性流体 为/2,对于纯弹性材料, 为0; 大多数粘弹性材料0/2, 反映了材料粘弹比例。 在低温时,我们希望沥青材料的 角越大越好,从而增强其流动性能,通过流动的方式松弛材料收缩引起的拉应力,从而减少低温裂。 2、复数剪切劲度模量G* 动态荷载作用下应力和应变之比定义为复数剪切劲度模量G*,低温条件下,G*值越大,则其低温流动能力越差,低温抗裂性越差。 复数剪切劲度模量G * 是实数轴分量及虚数轴分量的复数和,实数部分 G 称为振动弹性模量,又叫贮存弹性模量。虚数部分 G
15、 反映变形过程中由于内部摩擦产生的以热的形式散失的能量,所以叫损失弹性模量,简称损失模量。 低温下,损失模量越大,则用于低温流动的能量越大,沥青的低温流动性越好。,这一研究结果表明,采用DSR 进行温度扫描,相当有效地评价了沥青加入不同比例、不同品种的矿粉、水泥填料后,沥青胶浆高温性能明显提高,但是提高程度不同。相同掺量条件下,水泥优于矿粉,聚丙烯晴纤维优于玄武岩纤维;沥青胶浆与沥青一样具有很强的温度敏感性。掺加聚丙烯晴纤维的沥青胶浆回归曲线较平缓,说明它的感温性能良好,其余各种填料沥青胶浆的感温性相近;短期老化可以整体提高沥青胶浆的粘度与车辙因子,但是没有改变各种填料对高温性能贡献的次序;加
16、入填料后,沥青胶浆疲劳因子显著增大,说明不同填料降低沥青胶浆疲劳性能的程度有所不同。随后进行的混合料试验结果与沥青胶浆试验结果相关性较好,说明应用流变学的方法可以很好评价沥青胶浆的路用性能。,八、弯曲梁流变试验(BBR) 将经过RTFOT和PAV老化的沥青制成6.2512.5125mm的梁, 在某一负温时用980mN荷 载加载240s,测8、15、30、 60、120、240s时的力、挠 度、蠕变劲度s(t)及蠕变率 m。,蠕变劲度: S(t)= (MPa) P恒定荷载,N;L梁支撑间距,102mm; b、h梁宽与梁高,12.5与6.25mm; 时间t时的挠度. 蠕变率m:是S(t)随时间的变
17、化率。 根据ti和S(ti)值,可回归公式: logS(t)=a+blogt+c(logt)2 a、b 、c为回归系数。 对上式求导可得:m=b+2clogt。 BBR试验温度为路面最低温度加10。要求S(t60) 300MPa,即低温刚度不宜太大,还要求m0.3(60s)。 劲度模量值越低,表明沥青的低温性能越好,m 值越大,沥青松弛应力的能力越好,低温性能越好。,八、弯曲梁流变试验(BBR),BBR 试验的试验温度与路面所在地区的使用温度有关,从理论上讲,它必须在当地的最低设计温度下进行。按照许多学者的建议,沥青胶结料低温劲度的荷载作用时间宜选用7200s,这样的试验条件不仅温度低,而且时
18、间长,相对来说比较困难。但据沥青材料时温换算法则,可将荷载作用时间缩短为60s,试验温度较设计最低温度高10。因此,BBR 试验得到的60s 劲度模量实际上等于最低设计温度下2h 的劲度模量。试验温度提高10,且试验时间缩短,从而使试验简单化。,九、直接拉伸试验,在0-36情况下将试件以恒定的速度拉伸至破坏。计算破坏应变f: 要求f1.0%。 试验要求: 温度精度高,误差不大于 0.1。用激光测微计测试 件的伸长。,沥青在低温时硬而脆,当温度下降所引起的沥青内部应变或应力超过了它的极限应变能力或应力能力时,沥青将发生开裂,此种状态下对应的劲度称为极限劲度,这时的温度称为极限劲度温度。只要沥青工
19、作温度不低于此极限劲度温度,沥青就不会开裂。SHRP 根据以往大量试验资料及研究结果,选定2h 加荷时间下的极限劲度界限为300MPa。也就是说,如果在最低路面设计温度时测得的沥青劲度小于300MPa,路面就不会开裂。除了极限劲度温度外,控制低温开裂的另一个指标为蠕变速率,即劲度随时间的变化率。不同的沥青其劲度随时间的变化是不相同的,蠕变劲度主曲线的形状随时间的变化趋势与低温开裂之间存在明显的相关关系。蠕变速率m 值越大,松弛应力的能力就越大。否则,温度应力累计到一定程度,低温开裂就会产生。,研究表明BBR 试验能较好的体现沥青胶结料的低温性能,但是也有例外,某些胶结料,特别对于改性沥青,有较
20、高的蠕变劲度,但是在破裂前的变形能力却较强,BBR 试验并不能反映这类胶结料的变形能力,需要采用其它试验方法。因此,当蠕变劲度在300-600Mpa 之间时,且m 值大于等于0.3,必需进行DT 试验。DT 试验是测定低温下沥青胶结料在破坏前的应变值(拉伸速率1.0mm/min),试验目的是评价沥青胶结料在低温下是否具有较强的变形能力,能否耗散能量以避免裂缝。破坏定义为应力达到最大值时的荷载,而并非试件破裂时的荷载,规范要求破坏应变最小为1。,十、AASHTO MP1a 规范的临界开裂温度 为了完善PG分级对于改性沥青低温性能评价的准确性,Bouldin等发展了一个力学模型来计算临界开裂温度。
21、2001年,该模型被列入AASHTO(2001)MP1a草案(AASHTO PP42-01)。它采用BBR 试验的流变数据预估温度应力,用DT 试验破坏数据预估破坏应力,温度应力和破坏应力相等时的温度即为临界开裂温度。 该方法规定:通过对压力老化试验(PAV)后沥青试样在不同温度条件下的BBR 试验和DT 试验数据进行回归计算,得到沥青胶结料在低温条件下的临界开裂温度Tcr,再对照标准确定沥青的低温性能等级。不再要求PAV 试样在相关温度下BBR 试验应力小于300MPa、m值大于0.300 及DT 试验破环应变大于1.0%。,将弯曲梁流变仪BBR 提供的蠕变劲度曲线通过一系列的换算,得到沥青
22、的温度应力曲线;直接拉伸试验仪DT 提供破坏应变的同时还提供了破坏应力。将BBR 中提供的温度应力曲线与直接拉伸试验DT 提供的破坏强度曲线进行比较,得出相交点,即认为相交点处应力或强度所对应的温度为临界开裂温度。,十、AASHTO MP1a 规范的临界开裂温度,温度应力则需进行一系列的数学变换得到。由于BBR 直接得到的是不同温度下的劲度与时间的曲线S (t),因此需要将不同温度下的劲度曲线经过时温等效变换得到劲度主曲线。将劲度主曲线S (t)转换成蠕变柔量D (t),再进一步转换成松弛模量E (t),然后由松弛模量计算沥青的温度应力。,1、劲度主曲线的确定,2、温度应力的计算,1)Hill
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