PG分级试验

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（15～135℃）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软硬-15135℃6025针入度二、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）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≯3Pa﹒S—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）PG76-10，PG76-16，PG76-22，PG76-28，PG76-34PG82-10，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＜3Pas。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*/sin≥1KPa;对经RFTO沥青,要求G*/sin≥2.2KPa。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*sin≤5MPa。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m≥0.3(60s加载后),对300≤S(t)≤600MPa，且m＞0.3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,-46如PG58-34,指沥青在-34～58℃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、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≯3Pa﹒S，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。100初始质量老化后质量初始质量•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、动力剪切流变试验（DSR）•动态剪切流变仪（DynamicShearRheometer，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SHRPB-003及AASHTOTP5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）如图所示，它是属于平板式的流变仪，两块φ8或φ25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δ。七、动力剪切流变试验（DSR）ACABA•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δ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为试样高度（1mm或2mm）;θ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σ。，角频率ω＝2πf，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：ε=•7.1线粘弹性的基本原理7.1线粘弹性的基本原理实轴εσi轴虚σ=σ0eiωt实轴ε,σi轴虚σ=σ0eiωt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，δ是滞后相角，即：ε=ε0sinωt,σ=σ0sin(ωt+δ)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△ε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tgδ来表示。一般说来tgδ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tgδ是按式ωTm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。ACABA要求：经PAV老化结合料的G*sin5000KPa.RTFO老化结合料的G/*sin2.2KPa.未老化的沥青结合料的G*/sin1.0KPa.•常用的流变参数如下：•1、滞后角δ对于纯粘性流体δ为π/2，对于纯弹性材料，δ为0;大多数粘弹性材料0δπ/2，δ反映了材料粘弹比例。在低温时，我们希望沥青材料的δ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6.25×12.5×125mm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)随时间的变化率。根据ti和S(ti)值,可回归公式:logS(t)=a+blogt+c(logt)2a、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（t＝60）≯300M