一种沥青混合料骨架稳定性试验装置及评价方法
一种沥青混合料骨架稳定性试验装置及评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及±木工程技术领域，具体设及一种渐青混合料骨架稳定性试验装置及 评价方法。
【背景技术】
[0002] 渐青路面的车徹病害严重威胁路面的使用性能和行车安全，尽管高溫、超载等因 素是引发路面病害的重要原因，但路面材料本身力学性能对路面的影响也不容忽视。渐青 混合料在重复荷载作用下的剪切变形是渐青路面发生车徹病害的最主要原因之一。在往常 的渐青混合料设计中，普遍采用的方法是马歇尔试验法，但是马歇尔试验方法并不能反应 混合料中矿料骨架的作用机理，在进行混合料设计和性能评价时存在很大的缺陷。
[0003 ]目前对渐青混合料高溫性能评价的试验方法，大多是从对渐青混合料抗剪切能力 的评价进行的。Ξ轴试验可W用来评价渐青混合料抗剪性能，但是Ξ轴试验设备昂贵，操作 复杂，其应用受到了很大的限制。针对渐青混合料的抗剪性能，一些学者也展开了广泛的研 究，比如，毕玉峰提出了单轴贯入试验方法和抗剪强度参数求解方法，崔鹏确定了渐青混合 料的抗剪试验标准参数，冯俊领进行了渐青混合料同轴剪切试验方法研究，李立寒设计了 渐青混合料同轴剪切重复荷载试验，提出了渐青混合料剪切变形特性的评价指标。然而渐 青混合料是典型的矿料骨架型材料，仅从宏观力学的角度描述渐青混合料的强度特性，抓 不住骨架嵌挤及其变形行为的本质。渐青混合料的宏观变形行为与矿料骨架稳定性密切相 关，如果矿料骨架稳定性不足，在荷载作用下变形，不断累积最终会形成永久变形，即车徹 病害。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种渐青混合料骨架稳定性 试验装置及评价方法。针对渐青混合料的骨架稳定特性，在理论分析及相关研究的基础上， 利用本发明的渐青混合料骨架稳定性试验装置，进行大量试验，确定试验方法和试验条件， 根据骨架稳定性变形曲线，提出可W充分反映混合料破坏过程中需要克服的骨架稳定能量 的骨架稳定指数SSI作为评价参数，用于渐青混合料的组成设计及性能评价。
[0005] 为了达到上述发明目的，本发明采用W下技术方案予W实现。
[0006] ( - ) 一种渐青混合料骨架稳定性试验装置，其特征在于，包括加载头、上腔体、下 腔体和中空承载板;所述加载头是圆柱体;所述上腔体是下部敞开并留有外侧契口的圆筒； 所述下腔体是上部留有内侧契口的开口式圆筒;所述上腔体的外侧契口和下腔体的内侧契 口的中间夹持有中空承载板;所述中空承载板的孔径大于等于加载头的直径。
[0007] 优选地，所述加载头是实屯、圆柱体。
[000引优选地，所述上腔体的顶部封顶且留有圆形开口。
[0009] 优选地，所述上腔体的圆形开口的内径大于等于所述加载头的直径。
[0010] 优选地，所述下腔体的侧壁留有观察窗口。
[0011] 优选地，所述渐青混合料骨架稳定性试验装置由钢材质制成。
[0012] (二)一种渐青混合料骨架稳定性评价方法，基于上述渐青混合料骨架稳定性试验 装置，其特征在于，包括W下步骤：
[0013] 步骤（1)，试件的制备:采用击实成型方法制作马歇尔圆柱体试件，将马歇尔圆柱 体试件放入烘箱中，在25~85°C下保溫化；
[0014] 步骤(2)，试件的安放:首先将中空承载板放在下腔体的内侧契口的顶部;然后将 保溫后的马歇尔圆柱体试件放入上腔体中；再将上腔体的外侧契口对准下腔体的内侧契 口，使得上腔体、中空承载板W及下腔体卡靠在一起，组装成盛有渐青混合料马歇尔圆柱体 试件的试验装置；
[0015] 步骤(3)，试验的加载:首先将装有加载设备的环境箱的溫度调节至25~85°C，恒 溫;然后将盛有渐青混合料马歇尔圆柱体试件的试验装置垂直放在加载设备的载物台上； 再将加载头放置在试验装置上腔体顶部的圆形开口内；最后开动加载设备，持续加压，直至 马歇尔圆柱体试件在加载头的作用下通过中空承载板完全下落，滑出状态可通过所述下腔 体的观察窗口进行判断；
[0016] 步骤(4)，稳定性的评价:稳定性的评价:加载试验完成后，得到典型的试验曲线； 其中，最大荷载定义为骨架破坏荷载Fs，kN;整个加载过程的变形被定义为骨架破坏变形 化，mm;根据试验曲线中的骨架破坏荷载FS、骨架破坏娜S，舰公式叫 出骨架稳定指数SSI，骨架稳定指数SSI反映马歇尔圆柱体试件破坏过程中需要克服的骨架 稳定能量;根据所述骨架稳定指数SSI的大小评定渐青混合料的骨架稳定性，骨架稳定指数 SSI值越大，渐青混合料的骨架稳定性越好。
[0017] 优选地，步骤(2)中，所述马歇尔圆柱体试件的外壁紧贴所述骨架稳定性试验装置 的上腔体的内壁。
[0018] 优选地，步骤(3)中，所述加载设备为万能试验机或压力机。
[0019] 优选地，步骤(3)中，所述加载设备W20mm/min的加载速率进行加压。
[0020] 优选地，步骤(4)中，所述试验曲线是通过所述加载设备自带的荷载传感器、位移 传感器实时记录的自动荷载、变形所得到的。
[0021] 所述变形，是指使渐青混合料矿料颗粒之间失稳累积表现出来的变形，宏观上是 指MTS万能试验机推动加载头向下移动所发生的位移。
[0022] 在试验过程中，加载头对马歇尔圆柱体试件施加局部荷载，在加载头的荷载作用 下，该试验装置利用中空承载板，使得稳定性不足而发生移动的渐青混合料可W通过中空 承载板下落;同时，在试验过程中，所述上腔体可W为马歇尔圆柱体试件提供围压。因此，骨 架稳定性能够较准确地反映渐青混合料的骨架失稳过程，从而更好的进行渐青混合料的设 计及性能评价。
[0023] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0024] (1)与当前的Ξ轴试验仪等设备相比，本发明的试验装置简单，易于操作，而且可 W利用现有的MTS、压力机等加载设备进行加载试验，有利于推广应用；
[0025] (2)当前的渐青混合料高溫性能评价侧重于混合料整体性能评价，而本发明可W 评价混合料的矿料骨架稳定性能，充分体现了渐青混合料高溫破坏机理；
[0026] (3)骨架稳定指数SSI可W充分反映混合料破坏过程中需要克服的骨架稳定能量， 物理意义明确，数据稳定，对级配、渐青含量等变化具有足够的参数敏感性，可W用来进行 渐青混合料组成设计及性能预测。
【附图说明】
[0027] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0028] 图1为渐青混合料骨架稳定性试验装置的结构示意图；
[0029] 图2为渐青混合料骨架稳定性试验装置上腔体的正视图；
[0030] 图3为渐青混合料骨架稳定性试验装置下腔体的正视图；
[0031] 图4为渐青混合料骨架稳定性试验装置中空承载板的结构示意图；
[0032] 图5为渐青混合料骨架稳定性试验的步骤示意图；
[0033] 图6为渐青混合料稳定性评价参数与试验溫度之间的相互关系图；图6-(a)为骨架 破坏荷载Fs与试验溫度之间的相互关系图，其中，横坐标为试验溫度，纵坐标为骨架破坏荷 载Fs;图6-(b)为骨架破坏变形化与试验溫度之间的相互关系图，其中，横坐标为试验溫度， 纵坐标为骨架破坏变形Ds;图6-(c)为骨架破坏模数Ms与试验溫度之间的相互关系图，其 中，横坐标为试验溫度，纵坐标为骨架破坏模数Ms;图6-(d)为骨架稳定指数SSI与试验溫度 之间的相互关系图，其中，横坐标为试验溫度，纵坐标为骨架稳定指数SSI。
[0034] 图7为渐青混合料稳定性评价参数与车徹变形之间的相互关系图；图7-(a)为骨架 破坏荷载Fs与车徹深度RD之间的相互关系图，其中，横坐标为骨架破坏荷载Fs，纵坐标为车 徹深度RD;图7-(b)为骨架破坏变形化与车徹深度RD之间的相互关系图，其中，横坐标为骨 架破坏变形化，纵坐标为车徹深度RD;图7-(c)为骨架破坏模数Ms与车徹深度RD之间的相互 关系图，其中，横坐标为骨架破坏模数Ms,纵坐标为车徹深度RD;图7-(d)为骨架稳定指数 SSI与车徹深度RD之间的相互关系图，其中，横坐标为骨架稳定指数SSI，纵坐标为车徹深度 畑。
[0035] 图8为骨架稳定指数SSI与渐青含量之间的相互关系图，其中，横坐标为渐青含量， 纵坐标为骨架稳定指数SSI。
[0036] 附图标记：1-加载头；2-上腔体;3-下腔体;4-中空承载板;21-圆形开口；22-外侧 契口； 31-内侧契口； 32-观察窗口。
【具体实施方式】
[0037] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述;显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基 于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038] 本发明实施例提供一种渐青混合料骨架稳定性试验装置，包括加载头1、上腔体2、 下腔体3和中空承载板4,其结构示意图如图1所示。其中，所述加载头1是直径40mm的实屯、圆 柱钢压头;所述上腔体2是顶部封顶且留有直径40mm的圆形开口 21、下部敞开并留有外侧契 口 22的半封闭半开口式钢圆筒，其正视图如图2所示;所述下腔体3是上方侧壁留有内侧契 口32的开口式钢圆筒，且在圆筒一侧留有观察窗口 31，其正视图如图3所示;所述中空承载 板的孔径为70mm，其结构示意图如图4所示;所述上腔体2、下腔体3和中空承载板4通过上腔 体的外侧契口 22和下腔体的内侧契口 32卡靠在一起。
[0039] 本发明实施例还提供了一种渐青混合料骨架稳定性评价方法，运种评价方法是基 于上述渐青混合料骨架稳定性试验装置进行的，试验步骤如图6所示。本发明实施例的试验 步骤如下：
[0040] 步骤（1)，试件的制备:本发明实施例采用SK? 90#渐青制备的五种级配的渐青混 合料，渐青技术特性如表1所示;集料采用玄武岩，粗细集料的相对密度列于表2和表3中，石 灰岩矿粉用作填料，密度为2.716g/cm 3;采用公称最大粒径分别为13mm、16mm和19mm的五种 矿料级配(如表4)，分别采用马歇尔设计方法确定最佳渐青用量，最佳油石比分别为5.0%、 4.6%、4.8%、4.4%、3.9%，并采用马歇尔击实仪通过击实成型方法制备马歇尔圆柱体试 件，并将马歇尔圆柱体试件放入烘箱中，分别在25°C、40°C、50°C、60°C、70°C、85°C试验溫度 下保溫化;其中，马歇 尔圆柱体试件的标准为直径101.6mm、高度63.5mm;
[0041] 表1渐青基本指标
[0042]
[0049] 步骤(2)，试件的安放:首先将中空承载板4放在下腔体3的内侧契口 31的顶部;然 后将保溫后的马歇尔圆柱体试件放入上腔体2中；再将上腔体2的外侧契口 22对准下腔体3 的内侧契口31，使得上腔体2、中空承载板4W及下腔体3卡靠在一起，组装成盛有渐青混合 料马歇尔圆柱体试件的试验装置；
[0050] 步骤（3)，试验的加载：首先将装有加载设备的MTS环境箱恒溫，恒溫条件与步骤 (1)中马歇尔圆柱体试件放入烘箱的溫度条件相同，然后将盛有渐青混合料马歇尔圆柱体 试件的试验装置垂直放在加载设备的载物台上再将加载头1放置在试验装置上腔体2顶部 的圆形开口 21内；最后开动加载设备，W20mm/min的加载速率进行渐青混合料骨架稳定性 试验，持续加压，直至马歇尔圆柱体试件在加载头的作用下通过中空承载板完全滑出，滑出 状态可通过所述下腔体的观察窗口进行判断；
[0051] 步骤(4)，稳定性的评价。加载试验完成后，通过所述加载设备自带的荷载传感器 和位移传感器实时记录的荷载、位移及作用时间，得到典型的试验曲线；其中，最大荷载定 义为骨架破坏荷载Fs，kN;整个加载过程的变形被定义为骨架破坏变形Ds，mm;根据试验曲 线中的Fs、Ds，通过公式说7二Γ fw/D计算出骨架稳定指数SSI;根据试验曲线中的Fs、Ds， ? 0 通过公式Ms = Fs/Ds计算出骨架破坏模数Ms。
[0052] 为了验证试验方法及评价参数的有效性，本实施例分析了渐青混合料稳定性评价 参数与试验溫度、车徹变形W及渐青含量之间的关系，试验结果如图6、图7、图8;其中，车徹 试验在60°C条件下进行。
[0053] 渐青混合料是一种溫度敏感性材料，渐青混合料在低溫条件下接近弹性材料，而 在高溫条件下更接近粘性材料。在相同的加载速率下，渐青混合料的骨架稳定性评价参数 随溫度的变化如图6所示。
[0054] 由图6-(a)可W看出，不同混合料的骨架破坏荷载Fs随溫度的变化趋势存在显著 差异。随着溫度的升高，AC-13a、AC-13b和AC-13cS种渐青混合料的Fs呈显著衰减趋势，Fs 随着溫度变化可W用乘幕关系来描述，AC-13a、AC-13b和AC-13cS种混合料的相关系数R2 分别达0.91、0.99、0.96W上，而对于AC-16和AC-20而言，相关系数R2均不到0.5，即Fs与溫 度没有显著的相关关系。可见，Fs可W较好的评价AC-13渐青混合料的骨架稳定性，而对于 较大公称粒径的混合料却具有局限性。
[0055] 由图6-(b)可W看出，随着溫度的升高，骨架破坏变形Ds整体呈减小趋势，在较低 的溫度下，渐青具有较强的粘聚力抵抗矿料失稳，矿料骨架失稳是缓慢的，很难在小的失稳 变形内发生破坏;在较高的溫度下，渐青的粘聚力很小，而且还有润滑作用，矿料失稳快速 进行，很快达到破坏状态。但五种渐青混合料的化均出现局部先增大后减小的区间，即在中 间溫度具有一个小峰值，如AC-13C渐青混合料在50°C出现峰值，其他四种渐青混合料均在 60°C出现峰值。运可能是由于50~60°C范围恰恰是渐青粘滞溫度范围，渐青混合料的粘弹 性表现充分，粘结和润滑达到相对平衡状态，在一定程度上延迟了矿料骨架失稳破坏进程。 [0化 6] 由图6-(c)可W看出，AC-13a、AC-13b、AC-13c和AC-16四种渐青混合料的骨架破坏 模数Ms变化趋势基本一致，即随着溫度的升高，Ms先逐渐减小，然后突然增大再继续减小， 在70°C处出现峰值;但对AC-20而言，Ms在40°C处出现谷值，然后一直增大，可见不同最大公 称粒径的混合料，矿料失稳特性存在差异。
[0057] 由图6-(d)可知，随着溫度的升高，五种渐青混合料的骨架稳定指数SSI不断衰减， SSI与溫度之间呈很好的乘幕关系(如表5所示），相关系数R2最小的也接近0.9。矿料骨架失 稳是外界能量克服矿料表面摩擦、渐青粘聚和润滑作用的结果，而SSI是从能量的角度提出 的评价参数，因此对不同公称粒径的渐青混合料均能较好的评价其矿料骨架稳定性。
[0058] 表5骨架稳定指数与试验溫度的关系模型 [0化9]
[00側~有效的评价参数不仅能反应渐青混合料的力学机理，而且和路面病害有很好的相 关性。四种评价参数Fs、Ds、Ms和SSI与车徹深度RD之间的关系如图7所示。
[0061] 由图7可W看出，骨架破坏荷载Fs、骨架破坏模数Ms和骨架稳定指数SSI均与车徹 深度RD具有一定的相关性，其中SSI与车徹深度RD的相关性最好，相关系数R2达0.9W上，骨 架破坏变形Ds与车徹深度RD之间几乎没有相关性。根据相关性分析，四个评价参数与RD的 相关性排序为:SSI >Fs >Ms >化，由结果可知，采用SSI评价参数能够更好的评价渐青混合 料骨架稳定性。
[0062] 渐青混合料的骨架稳定性来自矿料嵌锁和渐青的粘结力。本实例选择AC-13b级 配，分别配制渐青含量为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%的渐青混合料，在40°C、60°C条 件下进行骨架稳定性试验，分析渐青含量对渐青混合料骨架稳定性的影响。SSI值随渐青含 量的变化如图8所示。
[0063] 由图8可知，随着渐青含量的增加，两种溫度条件下，SSI均呈先减小后增大，然后 持续减小的趋势，在油石比4.5%附近出现峰值。渐青作为矿料的结合料，对矿料界面起到 粘结和润滑双重作用。但在较低的渐青用量下，矿料表面的渐青粘聚力发挥不充分，随着渐 青用量的增加，润滑作用逐渐增强，SSI有所降低；当油石比继续增加，渐青的粘聚力和润滑 效应均不断增强，但粘聚力发挥的更为显著，当渐青含量接近最佳渐青含量时，渐青的粘聚 力达到峰值，矿料骨架稳定性最好;随着油石比继续增加，粘聚力不再增加，但润滑作用大 幅增加，SSI又不断降低。由此可见，渐青用量是影响渐青混合料稳定性的重要参数，采用 SSI不仅可W评价渐青混合料的骨架稳定性，也可W用于渐青混合料组成设计。
[0064] 虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述， 但在本发明基础上，可W对之作一些修改或改进，运对本领域技术人员而言是显而易见的。 因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的运些修改或改进，均属于本发明要求保护的范 围。
【主权项】
1. 一种沥青混合料骨架稳定性试验装置，其特征在于，包括加载头、上腔体、下腔体和 中空承载板;所述加载头是圆柱体;所述上腔体是下部敞开并留有外侧契口的圆筒;所述下 腔体是上部留有内侧契口的开口式圆筒;所述上腔体的外侧契口和下腔体的内侧契口的中 间夹持有中空承载板;所述中空承载板的孔径大于等于加载头的直径。2. 根据权利要求1所述的沥青混合料骨架稳定性试验装置，其特征在于，所述加载头是 实心圆柱体。3. 根据权利要求1所述的沥青混合料骨架稳定性试验装置，其特征在于，所述上腔体的 顶部封顶且留有圆形开口。4. 根据权利要求3所述的沥青混合料骨架稳定性试验装置，其特征在于，所述上腔体的 圆形开口的内径大于等于所述加载头的直径。5. 根据权利要求1所述的沥青混合料骨架稳定性试验装置，其特征在于，所述下腔体的 侧壁留有观察窗口。6. -种沥青混合料骨架稳定性评价方法，基于权利要求1所述的沥青混合料骨架稳定 性试验装置，其特征在于，包括以下步骤： 步骤（1)，试件的制备：制作马歇尔圆柱体试件，将马歇尔圆柱体试件放入烘箱中，在25 ~85°C下保温Ih; 步骤(2)，试件的安放:首先将中空承载板放在下腔体的内侧契口的顶部;然后将保温 后的马歇尔圆柱体试件放入上腔体中；再将上腔体的外侧契口对准下腔体的内侧契口，使 得上腔体、中空承载板以及下腔体卡靠在一起，组装成盛有沥青混合料马歇尔圆柱体试件 的试验装置； 步骤(3)，试验的加载:首先将装有加载设备的环境箱的温度调节至25~85°C，恒温;然 后将盛有沥青混合料马歇尔圆柱体试件的试验装置垂直放在加载设备的载物台上;再将加 载头放置在试验装置上腔体顶部的圆形开口内；最后开动加载设备，持续加压，直至马歇尔 圆柱体试件在加载头的作用下通过中空承载板完全下落，滑出状态可通过所述下腔体的观 察窗口进行判断； 步骤(4)，稳定性的评价:加载试验完成后，得到典型的试验曲线；其中，最大荷载定义 为骨架破坏荷载Fs;整个加载过程的变形被定义为骨架破坏变形Ds;根据试验曲线中的骨 架破坏荷载Fs、骨架破坏变形Ds，通过公式1计算出骨架稳定指数SSI，骨架稳 定指数SSI反映马歇尔圆柱体试件破坏过程中需要克服的骨架稳定能量;根据所述骨架稳 定指数SSI的大小评定沥青混合料的骨架稳定性，骨架稳定指数SSI值越大，沥青混合料的 骨架稳定性越好。7. 根据权利要求6所述的沥青混合料骨架稳定性评价方法，其特征在于，步骤(2)中，所 述马歇尔圆柱体试件的外壁紧贴所述骨架稳定性试验装置的上腔体的内壁。8. 根据权利要求6所述的沥青混合料骨架稳定性评价方法，其特征在于，步骤(3)中，所 述加载设备为万能试验机或压力机。9. 根据权利要求6所述的沥青混合料骨架稳定性评价方法，其特征在于，步骤(3)中，所 述加载设备以20mm/min的加载速率进行加压。10. 根据权利要求6所述的一种沥青混合料骨架稳定性评价方法，其特征在于，步骤(4) 中，所述试验曲线是通过所述加载设备自带的荷载传感器和位移传感器所实时记录的荷 载、变形所得到的。
【专利摘要】本发明属于土木工程技术领域，具体公开了一种沥青混合料骨架稳定性试验装置及评价方法。试验装置包括加载头、上腔体、下腔体和中空承载板；加载头是圆柱体；上腔体是下部敞开并留有外侧契口的圆筒；下腔体是上部留有内侧契口的开口式圆筒；上腔体的外侧契口和下腔体的内侧契口的中间夹持有中空承载板；中空承载板的孔径大于等于加载头的直径。评价方法包括以下步骤：试件的制备、试件的安放、试验的加载、稳定性的评价。本发明试验装置简单，易于操作，利用骨架稳定指数SSI作为评价参数，可以充分反映混合料破坏过程中需要克服的骨架稳定能量，对级配、沥青含量等变化具有足够的参数敏感性，可用来进行沥青混合料组成设计及性能预测。
【IPC分类】G01N3/08
【公开号】CN105486584
【申请号】CN201610053010
【发明人】栗培龙, 丁湛, 邹鹏, 马莉霞, 李建阁, 朱昊
【申请人】长安大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月26日
【技术领域】
[0001] 本发明设及±木工程技术领域，具体设及一种渐青混合料骨架稳定性试验装置及 评价方法。
【背景技术】
[0002] 渐青路面的车徹病害严重威胁路面的使用性能和行车安全，尽管高溫、超载等因 素是引发路面病害的重要原因，但路面材料本身力学性能对路面的影响也不容忽视。渐青 混合料在重复荷载作用下的剪切变形是渐青路面发生车徹病害的最主要原因之一。在往常 的渐青混合料设计中，普遍采用的方法是马歇尔试验法，但是马歇尔试验方法并不能反应 混合料中矿料骨架的作用机理，在进行混合料设计和性能评价时存在很大的缺陷。
[0003 ]目前对渐青混合料高溫性能评价的试验方法，大多是从对渐青混合料抗剪切能力 的评价进行的。Ξ轴试验可W用来评价渐青混合料抗剪性能，但是Ξ轴试验设备昂贵，操作 复杂，其应用受到了很大的限制。针对渐青混合料的抗剪性能，一些学者也展开了广泛的研 究，比如，毕玉峰提出了单轴贯入试验方法和抗剪强度参数求解方法，崔鹏确定了渐青混合 料的抗剪试验标准参数，冯俊领进行了渐青混合料同轴剪切试验方法研究，李立寒设计了 渐青混合料同轴剪切重复荷载试验，提出了渐青混合料剪切变形特性的评价指标。然而渐 青混合料是典型的矿料骨架型材料，仅从宏观力学的角度描述渐青混合料的强度特性，抓 不住骨架嵌挤及其变形行为的本质。渐青混合料的宏观变形行为与矿料骨架稳定性密切相 关，如果矿料骨架稳定性不足，在荷载作用下变形，不断累积最终会形成永久变形，即车徹 病害。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种渐青混合料骨架稳定性 试验装置及评价方法。针对渐青混合料的骨架稳定特性，在理论分析及相关研究的基础上， 利用本发明的渐青混合料骨架稳定性试验装置，进行大量试验，确定试验方法和试验条件， 根据骨架稳定性变形曲线，提出可W充分反映混合料破坏过程中需要克服的骨架稳定能量 的骨架稳定指数SSI作为评价参数，用于渐青混合料的组成设计及性能评价。
[0005] 为了达到上述发明目的，本发明采用W下技术方案予W实现。
[0006] ( - ) 一种渐青混合料骨架稳定性试验装置，其特征在于，包括加载头、上腔体、下 腔体和中空承载板;所述加载头是圆柱体;所述上腔体是下部敞开并留有外侧契口的圆筒； 所述下腔体是上部留有内侧契口的开口式圆筒;所述上腔体的外侧契口和下腔体的内侧契 口的中间夹持有中空承载板;所述中空承载板的孔径大于等于加载头的直径。
[0007] 优选地，所述加载头是实屯、圆柱体。
[000引优选地，所述上腔体的顶部封顶且留有圆形开口。
[0009] 优选地，所述上腔体的圆形开口的内径大于等于所述加载头的直径。
[0010] 优选地，所述下腔体的侧壁留有观察窗口。
[0011] 优选地，所述渐青混合料骨架稳定性试验装置由钢材质制成。
[0012] (二)一种渐青混合料骨架稳定性评价方法，基于上述渐青混合料骨架稳定性试验 装置，其特征在于，包括W下步骤：
[0013] 步骤（1)，试件的制备:采用击实成型方法制作马歇尔圆柱体试件，将马歇尔圆柱 体试件放入烘箱中，在25~85°C下保溫化；
[0014] 步骤(2)，试件的安放:首先将中空承载板放在下腔体的内侧契口的顶部;然后将 保溫后的马歇尔圆柱体试件放入上腔体中；再将上腔体的外侧契口对准下腔体的内侧契 口，使得上腔体、中空承载板W及下腔体卡靠在一起，组装成盛有渐青混合料马歇尔圆柱体 试件的试验装置；
[0015] 步骤(3)，试验的加载:首先将装有加载设备的环境箱的溫度调节至25~85°C，恒 溫;然后将盛有渐青混合料马歇尔圆柱体试件的试验装置垂直放在加载设备的载物台上； 再将加载头放置在试验装置上腔体顶部的圆形开口内；最后开动加载设备，持续加压，直至 马歇尔圆柱体试件在加载头的作用下通过中空承载板完全下落，滑出状态可通过所述下腔 体的观察窗口进行判断；
[0016] 步骤(4)，稳定性的评价:稳定性的评价:加载试验完成后，得到典型的试验曲线； 其中，最大荷载定义为骨架破坏荷载Fs，kN;整个加载过程的变形被定义为骨架破坏变形 化，mm;根据试验曲线中的骨架破坏荷载FS、骨架破坏娜S，舰公式叫 出骨架稳定指数SSI，骨架稳定指数SSI反映马歇尔圆柱体试件破坏过程中需要克服的骨架 稳定能量;根据所述骨架稳定指数SSI的大小评定渐青混合料的骨架稳定性，骨架稳定指数 SSI值越大，渐青混合料的骨架稳定性越好。
[0017] 优选地，步骤(2)中，所述马歇尔圆柱体试件的外壁紧贴所述骨架稳定性试验装置 的上腔体的内壁。
[0018] 优选地，步骤(3)中，所述加载设备为万能试验机或压力机。
[0019] 优选地，步骤(3)中，所述加载设备W20mm/min的加载速率进行加压。
[0020] 优选地，步骤(4)中，所述试验曲线是通过所述加载设备自带的荷载传感器、位移 传感器实时记录的自动荷载、变形所得到的。
[0021] 所述变形，是指使渐青混合料矿料颗粒之间失稳累积表现出来的变形，宏观上是 指MTS万能试验机推动加载头向下移动所发生的位移。
[0022] 在试验过程中，加载头对马歇尔圆柱体试件施加局部荷载，在加载头的荷载作用 下，该试验装置利用中空承载板，使得稳定性不足而发生移动的渐青混合料可W通过中空 承载板下落;同时，在试验过程中，所述上腔体可W为马歇尔圆柱体试件提供围压。因此，骨 架稳定性能够较准确地反映渐青混合料的骨架失稳过程，从而更好的进行渐青混合料的设 计及性能评价。
[0023] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0024] (1)与当前的Ξ轴试验仪等设备相比，本发明的试验装置简单，易于操作，而且可 W利用现有的MTS、压力机等加载设备进行加载试验，有利于推广应用；
[0025] (2)当前的渐青混合料高溫性能评价侧重于混合料整体性能评价，而本发明可W 评价混合料的矿料骨架稳定性能，充分体现了渐青混合料高溫破坏机理；
[0026] (3)骨架稳定指数SSI可W充分反映混合料破坏过程中需要克服的骨架稳定能量， 物理意义明确，数据稳定，对级配、渐青含量等变化具有足够的参数敏感性，可W用来进行 渐青混合料组成设计及性能预测。
【附图说明】
[0027] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0028] 图1为渐青混合料骨架稳定性试验装置的结构示意图；
[0029] 图2为渐青混合料骨架稳定性试验装置上腔体的正视图；
[0030] 图3为渐青混合料骨架稳定性试验装置下腔体的正视图；
[0031] 图4为渐青混合料骨架稳定性试验装置中空承载板的结构示意图；
[0032] 图5为渐青混合料骨架稳定性试验的步骤示意图；
[0033] 图6为渐青混合料稳定性评价参数与试验溫度之间的相互关系图；图6-(a)为骨架 破坏荷载Fs与试验溫度之间的相互关系图，其中，横坐标为试验溫度，纵坐标为骨架破坏荷 载Fs;图6-(b)为骨架破坏变形化与试验溫度之间的相互关系图，其中，横坐标为试验溫度， 纵坐标为骨架破坏变形Ds;图6-(c)为骨架破坏模数Ms与试验溫度之间的相互关系图，其 中，横坐标为试验溫度，纵坐标为骨架破坏模数Ms;图6-(d)为骨架稳定指数SSI与试验溫度 之间的相互关系图，其中，横坐标为试验溫度，纵坐标为骨架稳定指数SSI。
[0034] 图7为渐青混合料稳定性评价参数与车徹变形之间的相互关系图；图7-(a)为骨架 破坏荷载Fs与车徹深度RD之间的相互关系图，其中，横坐标为骨架破坏荷载Fs，纵坐标为车 徹深度RD;图7-(b)为骨架破坏变形化与车徹深度RD之间的相互关系图，其中，横坐标为骨 架破坏变形化，纵坐标为车徹深度RD;图7-(c)为骨架破坏模数Ms与车徹深度RD之间的相互 关系图，其中，横坐标为骨架破坏模数Ms,纵坐标为车徹深度RD;图7-(d)为骨架稳定指数 SSI与车徹深度RD之间的相互关系图，其中，横坐标为骨架稳定指数SSI，纵坐标为车徹深度 畑。
[0035] 图8为骨架稳定指数SSI与渐青含量之间的相互关系图，其中，横坐标为渐青含量， 纵坐标为骨架稳定指数SSI。
[0036] 附图标记：1-加载头；2-上腔体;3-下腔体;4-中空承载板;21-圆形开口；22-外侧 契口； 31-内侧契口； 32-观察窗口。
【具体实施方式】
[0037] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述;显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基 于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038] 本发明实施例提供一种渐青混合料骨架稳定性试验装置，包括加载头1、上腔体2、 下腔体3和中空承载板4,其结构示意图如图1所示。其中，所述加载头1是直径40mm的实屯、圆 柱钢压头;所述上腔体2是顶部封顶且留有直径40mm的圆形开口 21、下部敞开并留有外侧契 口 22的半封闭半开口式钢圆筒，其正视图如图2所示;所述下腔体3是上方侧壁留有内侧契 口32的开口式钢圆筒，且在圆筒一侧留有观察窗口 31，其正视图如图3所示;所述中空承载 板的孔径为70mm，其结构示意图如图4所示;所述上腔体2、下腔体3和中空承载板4通过上腔 体的外侧契口 22和下腔体的内侧契口 32卡靠在一起。
[0039] 本发明实施例还提供了一种渐青混合料骨架稳定性评价方法，运种评价方法是基 于上述渐青混合料骨架稳定性试验装置进行的，试验步骤如图6所示。本发明实施例的试验 步骤如下：
[0040] 步骤（1)，试件的制备:本发明实施例采用SK? 90#渐青制备的五种级配的渐青混 合料，渐青技术特性如表1所示;集料采用玄武岩，粗细集料的相对密度列于表2和表3中，石 灰岩矿粉用作填料，密度为2.716g/cm 3;采用公称最大粒径分别为13mm、16mm和19mm的五种 矿料级配(如表4)，分别采用马歇尔设计方法确定最佳渐青用量，最佳油石比分别为5.0%、 4.6%、4.8%、4.4%、3.9%，并采用马歇尔击实仪通过击实成型方法制备马歇尔圆柱体试 件，并将马歇尔圆柱体试件放入烘箱中，分别在25°C、40°C、50°C、60°C、70°C、85°C试验溫度 下保溫化;其中，马歇 尔圆柱体试件的标准为直径101.6mm、高度63.5mm;
[0041] 表1渐青基本指标
[0042]
[0049] 步骤(2)，试件的安放:首先将中空承载板4放在下腔体3的内侧契口 31的顶部;然 后将保溫后的马歇尔圆柱体试件放入上腔体2中；再将上腔体2的外侧契口 22对准下腔体3 的内侧契口31，使得上腔体2、中空承载板4W及下腔体3卡靠在一起，组装成盛有渐青混合 料马歇尔圆柱体试件的试验装置；
[0050] 步骤（3)，试验的加载：首先将装有加载设备的MTS环境箱恒溫，恒溫条件与步骤 (1)中马歇尔圆柱体试件放入烘箱的溫度条件相同，然后将盛有渐青混合料马歇尔圆柱体 试件的试验装置垂直放在加载设备的载物台上再将加载头1放置在试验装置上腔体2顶部 的圆形开口 21内；最后开动加载设备，W20mm/min的加载速率进行渐青混合料骨架稳定性 试验，持续加压，直至马歇尔圆柱体试件在加载头的作用下通过中空承载板完全滑出，滑出 状态可通过所述下腔体的观察窗口进行判断；
[0051] 步骤(4)，稳定性的评价。加载试验完成后，通过所述加载设备自带的荷载传感器 和位移传感器实时记录的荷载、位移及作用时间，得到典型的试验曲线；其中，最大荷载定 义为骨架破坏荷载Fs，kN;整个加载过程的变形被定义为骨架破坏变形Ds，mm;根据试验曲 线中的Fs、Ds，通过公式说7二Γ fw/D计算出骨架稳定指数SSI;根据试验曲线中的Fs、Ds， ? 0 通过公式Ms = Fs/Ds计算出骨架破坏模数Ms。
[0052] 为了验证试验方法及评价参数的有效性，本实施例分析了渐青混合料稳定性评价 参数与试验溫度、车徹变形W及渐青含量之间的关系，试验结果如图6、图7、图8;其中，车徹 试验在60°C条件下进行。
[0053] 渐青混合料是一种溫度敏感性材料，渐青混合料在低溫条件下接近弹性材料，而 在高溫条件下更接近粘性材料。在相同的加载速率下，渐青混合料的骨架稳定性评价参数 随溫度的变化如图6所示。
[0054] 由图6-(a)可W看出，不同混合料的骨架破坏荷载Fs随溫度的变化趋势存在显著 差异。随着溫度的升高，AC-13a、AC-13b和AC-13cS种渐青混合料的Fs呈显著衰减趋势，Fs 随着溫度变化可W用乘幕关系来描述，AC-13a、AC-13b和AC-13cS种混合料的相关系数R2 分别达0.91、0.99、0.96W上，而对于AC-16和AC-20而言，相关系数R2均不到0.5，即Fs与溫 度没有显著的相关关系。可见，Fs可W较好的评价AC-13渐青混合料的骨架稳定性，而对于 较大公称粒径的混合料却具有局限性。
[0055] 由图6-(b)可W看出，随着溫度的升高，骨架破坏变形Ds整体呈减小趋势，在较低 的溫度下，渐青具有较强的粘聚力抵抗矿料失稳，矿料骨架失稳是缓慢的，很难在小的失稳 变形内发生破坏;在较高的溫度下，渐青的粘聚力很小，而且还有润滑作用，矿料失稳快速 进行，很快达到破坏状态。但五种渐青混合料的化均出现局部先增大后减小的区间，即在中 间溫度具有一个小峰值，如AC-13C渐青混合料在50°C出现峰值，其他四种渐青混合料均在 60°C出现峰值。运可能是由于50~60°C范围恰恰是渐青粘滞溫度范围，渐青混合料的粘弹 性表现充分，粘结和润滑达到相对平衡状态，在一定程度上延迟了矿料骨架失稳破坏进程。 [0化 6] 由图6-(c)可W看出，AC-13a、AC-13b、AC-13c和AC-16四种渐青混合料的骨架破坏 模数Ms变化趋势基本一致，即随着溫度的升高，Ms先逐渐减小，然后突然增大再继续减小， 在70°C处出现峰值;但对AC-20而言，Ms在40°C处出现谷值，然后一直增大，可见不同最大公 称粒径的混合料，矿料失稳特性存在差异。
[0057] 由图6-(d)可知，随着溫度的升高，五种渐青混合料的骨架稳定指数SSI不断衰减， SSI与溫度之间呈很好的乘幕关系(如表5所示），相关系数R2最小的也接近0.9。矿料骨架失 稳是外界能量克服矿料表面摩擦、渐青粘聚和润滑作用的结果，而SSI是从能量的角度提出 的评价参数，因此对不同公称粒径的渐青混合料均能较好的评价其矿料骨架稳定性。
[0058] 表5骨架稳定指数与试验溫度的关系模型 [0化9]
[00側~有效的评价参数不仅能反应渐青混合料的力学机理，而且和路面病害有很好的相 关性。四种评价参数Fs、Ds、Ms和SSI与车徹深度RD之间的关系如图7所示。
[0061] 由图7可W看出，骨架破坏荷载Fs、骨架破坏模数Ms和骨架稳定指数SSI均与车徹 深度RD具有一定的相关性，其中SSI与车徹深度RD的相关性最好，相关系数R2达0.9W上，骨 架破坏变形Ds与车徹深度RD之间几乎没有相关性。根据相关性分析，四个评价参数与RD的 相关性排序为:SSI >Fs >Ms >化，由结果可知，采用SSI评价参数能够更好的评价渐青混合 料骨架稳定性。
[0062] 渐青混合料的骨架稳定性来自矿料嵌锁和渐青的粘结力。本实例选择AC-13b级 配，分别配制渐青含量为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%的渐青混合料，在40°C、60°C条 件下进行骨架稳定性试验，分析渐青含量对渐青混合料骨架稳定性的影响。SSI值随渐青含 量的变化如图8所示。
[0063] 由图8可知，随着渐青含量的增加，两种溫度条件下，SSI均呈先减小后增大，然后 持续减小的趋势，在油石比4.5%附近出现峰值。渐青作为矿料的结合料，对矿料界面起到 粘结和润滑双重作用。但在较低的渐青用量下，矿料表面的渐青粘聚力发挥不充分，随着渐 青用量的增加，润滑作用逐渐增强，SSI有所降低；当油石比继续增加，渐青的粘聚力和润滑 效应均不断增强，但粘聚力发挥的更为显著，当渐青含量接近最佳渐青含量时，渐青的粘聚 力达到峰值，矿料骨架稳定性最好;随着油石比继续增加，粘聚力不再增加，但润滑作用大 幅增加，SSI又不断降低。由此可见，渐青用量是影响渐青混合料稳定性的重要参数，采用 SSI不仅可W评价渐青混合料的骨架稳定性，也可W用于渐青混合料组成设计。
[0064] 虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述， 但在本发明基础上，可W对之作一些修改或改进，运对本领域技术人员而言是显而易见的。 因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的运些修改或改进，均属于本发明要求保护的范 围。
【主权项】
1. 一种沥青混合料骨架稳定性试验装置，其特征在于，包括加载头、上腔体、下腔体和 中空承载板;所述加载头是圆柱体;所述上腔体是下部敞开并留有外侧契口的圆筒;所述下 腔体是上部留有内侧契口的开口式圆筒;所述上腔体的外侧契口和下腔体的内侧契口的中 间夹持有中空承载板;所述中空承载板的孔径大于等于加载头的直径。2. 根据权利要求1所述的沥青混合料骨架稳定性试验装置，其特征在于，所述加载头是 实心圆柱体。3. 根据权利要求1所述的沥青混合料骨架稳定性试验装置，其特征在于，所述上腔体的 顶部封顶且留有圆形开口。4. 根据权利要求3所述的沥青混合料骨架稳定性试验装置，其特征在于，所述上腔体的 圆形开口的内径大于等于所述加载头的直径。5. 根据权利要求1所述的沥青混合料骨架稳定性试验装置，其特征在于，所述下腔体的 侧壁留有观察窗口。6. -种沥青混合料骨架稳定性评价方法，基于权利要求1所述的沥青混合料骨架稳定 性试验装置，其特征在于，包括以下步骤： 步骤（1)，试件的制备：制作马歇尔圆柱体试件，将马歇尔圆柱体试件放入烘箱中，在25 ~85°C下保温Ih; 步骤(2)，试件的安放:首先将中空承载板放在下腔体的内侧契口的顶部;然后将保温 后的马歇尔圆柱体试件放入上腔体中；再将上腔体的外侧契口对准下腔体的内侧契口，使 得上腔体、中空承载板以及下腔体卡靠在一起，组装成盛有沥青混合料马歇尔圆柱体试件 的试验装置； 步骤(3)，试验的加载:首先将装有加载设备的环境箱的温度调节至25~85°C，恒温;然 后将盛有沥青混合料马歇尔圆柱体试件的试验装置垂直放在加载设备的载物台上;再将加 载头放置在试验装置上腔体顶部的圆形开口内；最后开动加载设备，持续加压，直至马歇尔 圆柱体试件在加载头的作用下通过中空承载板完全下落，滑出状态可通过所述下腔体的观 察窗口进行判断； 步骤(4)，稳定性的评价:加载试验完成后，得到典型的试验曲线；其中，最大荷载定义 为骨架破坏荷载Fs;整个加载过程的变形被定义为骨架破坏变形Ds;根据试验曲线中的骨 架破坏荷载Fs、骨架破坏变形Ds，通过公式1计算出骨架稳定指数SSI，骨架稳 定指数SSI反映马歇尔圆柱体试件破坏过程中需要克服的骨架稳定能量;根据所述骨架稳 定指数SSI的大小评定沥青混合料的骨架稳定性，骨架稳定指数SSI值越大，沥青混合料的 骨架稳定性越好。7. 根据权利要求6所述的沥青混合料骨架稳定性评价方法，其特征在于，步骤(2)中，所 述马歇尔圆柱体试件的外壁紧贴所述骨架稳定性试验装置的上腔体的内壁。8. 根据权利要求6所述的沥青混合料骨架稳定性评价方法，其特征在于，步骤(3)中，所 述加载设备为万能试验机或压力机。9. 根据权利要求6所述的沥青混合料骨架稳定性评价方法，其特征在于，步骤(3)中，所 述加载设备以20mm/min的加载速率进行加压。10. 根据权利要求6所述的一种沥青混合料骨架稳定性评价方法，其特征在于，步骤(4) 中，所述试验曲线是通过所述加载设备自带的荷载传感器和位移传感器所实时记录的荷 载、变形所得到的。
【专利摘要】本发明属于土木工程技术领域，具体公开了一种沥青混合料骨架稳定性试验装置及评价方法。试验装置包括加载头、上腔体、下腔体和中空承载板；加载头是圆柱体；上腔体是下部敞开并留有外侧契口的圆筒；下腔体是上部留有内侧契口的开口式圆筒；上腔体的外侧契口和下腔体的内侧契口的中间夹持有中空承载板；中空承载板的孔径大于等于加载头的直径。评价方法包括以下步骤：试件的制备、试件的安放、试验的加载、稳定性的评价。本发明试验装置简单，易于操作，利用骨架稳定指数SSI作为评价参数，可以充分反映混合料破坏过程中需要克服的骨架稳定能量，对级配、沥青含量等变化具有足够的参数敏感性，可用来进行沥青混合料组成设计及性能预测。
【IPC分类】G01N3/08
【公开号】CN105486584
【申请号】CN201610053010
【发明人】栗培龙, 丁湛, 邹鹏, 马莉霞, 李建阁, 朱昊
【申请人】长安大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月26日
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