一种SBS改性沥青全时域老化过程中韧-脆转变的评估方法

本发明涉及一种沥青老化过程中韧-脆转变的评估方法。

背景技术：

1、sbs改性沥青由于优异的路用性能已经成为道路行业使用最多的沥青材料，然而在长期使用过程中，sbs改性沥青会逐渐老化，其性能也会随之退化。sbs改性沥青由于sbs聚合物的存在而具有复杂的老化机制。虽然在先前的研究中，许多测试方法已成功应用于评估sbs改性沥青的老化，并且已经检查了化学、形态和流变学的变化，例如老化过程导致更高的复数剪切模量、更小的平台区域、更多的大分子含量和更低的丁二烯指数。然而，仅通过经验判断性能指标的变化来揭示老化机制是不可能的。许多研究更加关注定量分析，如老化速率、老化阶段、老化程度和反应能量。杨等人表征了高含量sbs改性沥青的化学和流变学性质，并宣称老化可以分为不同阶段，sbs共聚物降解在早期阶段主导老化。而另一些研究表明sbs改性沥青的老化速率取决于原油、改性剂类型和改性剂含量。在sbs改性沥青中，老化行为可以归因于改性剂的降解和基础沥青的氧化的相互作用。当sbs改性剂老化后，sbs改性沥青会逐渐丧失改性沥青的性质，残留改性效果在减少，sbs改性沥青会逐渐退回到基质沥青的状态，此时改性效果完全丧失。sbs改性沥青由黏韧态转变为基质沥青的黏弹态，随着老化进一步进行，sbs改性沥青进一步变硬变脆，退化成完全的脆性材料，此时已经既没有sbs改性沥青的特性也没有基质沥青的特性，不能作为沥青材料使用。然而，目前还缺少sbs改性沥青老化过程的从韧性到脆性转变的韧-脆转变的评估方法，无法按功能将老化后sbs改性沥青精确划分为不同类别。

2、过去基于温度域讨论了sbs改性沥青在不同温度条件下的热力学状态，如：玻璃态，橡胶态、黏流态等。在这些状态中，聚合物分子链的运动自由度逐渐增加，从而影响材料的弹性、塑性和流动性。然而对于老化对sbs改性沥青力学状态的改变仍然缺乏明确的方法，老化过程中，sbs改性沥青的力学状态变化受到多种因素的影响。这些因素导致聚合物链的断裂、交联和化学结构的重组。老化过程中sbs改性沥青可能从最初具有高弹性和韧性的橡胶态开始退化，在老化的后期，sbs聚合物和沥青的分子链运动受到严重限制，sbs改性沥青变得硬而脆。最终，sbs改性沥青可能完全失去其原有的力学性能，变得无法使用，这时聚合物可能处于一种非常脆弱的玻璃态或接近于粉末状的物质。因此，构建一种sbs改性沥青老化过程中的韧-脆转变的评估方法，从而分析sbs改性沥青在老化条件下的力学性能演化规律，对于优化道路材料的设计和提高道路的耐久性具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明是要解决目前老化sbs改性沥青中韧性到脆性转变过程不清晰，韧-脆转变阶段判据无法量化的技术问题，而提供一种sbs改性沥青全时域老化过程中韧-脆转变的评估方法。

2、本发明的sbs改性沥青全时域老化过程中韧-脆转变的评估方法是按以下步骤进行的：

3、对多个不同老化阶段的sbs改性沥青分别进行测力延度试验方法对样品进行拉伸测试，记录荷载和变形，根据测力延度试验结果分别得到多个应力应变曲线，然后对每个应力应变曲线分别进行一阶求导和二阶求导，得到一阶导数/二阶导数-变形曲线，通过一阶导数/二阶导数-变形曲线确定每个sbs改性沥青的屈服点和应变硬化点，确定方法为：

4、屈服点为二阶导数达到最小值且一阶导数下降时对应的点，屈服点是明显塑性变形阶段的起始位置；然后计算屈服点的屈服强度；

5、应变硬化点为一阶导数为零且二阶导数为正值对应的点，应变硬化点为最小应力点，为硬化起始的位置；然后计算应变硬化点的硬化强度；

6、再通过上述的应力应变曲线确定断裂点，荷载突变为零的前一点为断裂点，对应的应力为断裂强度；

7、根据上述数据绘制不同老化阶段sbs改性沥青的韧性-脆性转变相图，横坐标为多个样品对应的老化阶段，纵坐标为断裂强度和屈服强度；相图中屈服强度的拟合线段与断裂强度的拟合线段的交点对应的横坐标表示材料的韧性脆性转变点；

8、根据上述数据绘制不同老化阶段sbs改性沥青的韧性劣化转变相图，横坐标为多个样品对应的老化阶段，纵坐标为断裂强度和硬化强度；相图中硬化强度的拟合线段与断裂强度的拟合线段的交点对应的横坐标表示材料的韧性劣化转变点。

9、本发明的设计原理：对于sbs改性沥青而言，其应力应变曲线上呈现双屈服机制，在应力应变曲线形态上呈现“双峰”形态，这是因为sbs改性沥青中不仅有沥青材料的屈服，还有sbs聚合物的屈服。老化开始后sbs聚合物的屈服点消失，应变硬化阶段也消失，只剩下基质沥青的屈服点。随着老化过程进一步进行，基质沥青的屈服点也消失，最后彻底变为硬脆性的材料。因此，由于sbs改性沥青中应力应变曲线的双屈服机制，在sbs改性沥青中不仅存在韧性-脆性转变(brittle-ductile transition,bdt)，还存在从具有高韧性和复杂屈服行为的状态转变为具有低韧性和简单屈服行为的状态，即韧性劣化转变(toughnessdegradation transition,tdt)。屈服强度表示材料开始发生永久变形的应力，而断裂强度表示材料断裂前所能承受的最大应力。当屈服强度和断裂强度相交时，意味着材料不再具有明显的塑性变形阶段，这标志着材料的脆性行为开始显现。因此，采用材料屈服强度的拟合线段与断裂强度的拟合线段的交点表示材料韧性脆性转变点。韧性劣化转变涉及到材料从高韧性和多相屈服向低韧性和单相屈服行为转变，这主要可归功于塑性变形中的应变硬化阶段，因此，采用材料硬化强度(应变硬化阶段起始点应力值)的拟合线段与断裂强度的拟合线段的交点表示材料韧性劣化转变点。当这两个拟合线段相交时，意味着材料失去了应变硬化阶段，这反映了韧性的显著劣化。

10、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

11、本发明通过对应力应变曲线特征点识别、关键力学性能指标分析和韧脆转变点定义及分析，实现韧性-脆性状态的转变评估。

12、本发明提出了基于韧-脆状态转变的关键力学性能指标，为建立老化过程中沥青材料韧性-脆性状态转变的评估方法提供理论依据。

13、本发明提出了针对老化过程中sbs改性沥青韧性脆性转变点和韧性劣化转变点的定义，明确了老化sbs改性沥青的高韧性、韧性、脆性三种力学状态。

技术特征：

1.一种sbs改性沥青全时域老化过程中韧-脆转变的评估方法，其特征在于sbs改性沥青全时域老化过程中韧-脆转变的评估方法是按以下步骤进行的：

2.根据权利要求1所述的一种sbs改性沥青全时域老化过程中韧-脆转变的评估方法，其特征在于所述的应力应变曲线的横坐标是变形，纵坐标是荷载。

3.根据权利要求1所述的一种sbs改性沥青全时域老化过程中韧-脆转变的评估方法，其特征在于所述的一阶导数/二阶导数-变形曲线的横坐标是变形，纵坐标是一阶导数和或二阶导数。

4.根据权利要求1所述的一种sbs改性沥青全时域老化过程中韧-脆转变的评估方法，其特征在于所述的屈服强度的计算公式为：

5.根据权利要求1所述的一种sbs改性沥青全时域老化过程中韧-脆转变的评估方法，其特征在于所述的硬化强度计算公式为：

6.根据权利要求1所述的一种sbs改性沥青全时域老化过程中韧-脆转变的评估方法，其特征在于所述的断裂强度的计算公式为：

7.根据权利要求1所述的一种sbs改性沥青全时域老化过程中韧-脆转变的评估方法，其特征在于所述的sbs改性沥青的制备方法为：在温度为180℃下将90#基质沥青与5wt.％的sbs1301线型改性剂进行高速剪切混合30min，转速为4000rpm/min；随后在180℃机械搅拌1h，转速为500rpm/min；然后加入0.15wt.％的硫磺稳定剂，继续搅拌1.5h以使得sbs改性剂在沥青中产生化学交联，得到sbs改性沥青。

8.根据权利要求1所述的一种sbs改性沥青全时域老化过程中韧-脆转变的评估方法，其特征在于所述的测力延度试验方法为：

9.根据权利要求1所述的一种sbs改性沥青全时域老化过程中韧-脆转变的评估方法，其特征在于所述的不同老化阶段sbs改性沥青的韧性-脆性转变相图中横坐标为多个样品对应的老化阶段，纵坐标为断裂强度和屈服强度。

10.根据权利要求1所述的一种sbs改性沥青全时域老化过程中韧-脆转变的评估方法，其特征在于所述的不同老化阶段sbs改性沥青的韧性劣化转变相图中横坐标为多个样品对应的老化阶段，纵坐标为断裂强度和硬化强度。

技术总结一种SBS改性沥青全时域老化过程中韧‑脆转变的评估方法，涉及一种沥青老化过程中韧‑脆转变的评估方法。本发明是要解决目前老化SBS改性沥青中韧性到脆性转变过程不清晰，韧‑脆转变阶段判据无法量化的技术问题。本发明采用材料屈服强度的拟合线段与断裂强度的拟合线段的交点表示材料韧性脆性转变点，采用材料硬化强度的拟合线段与断裂强度的拟合线段的交点表示材料韧性劣化转变点。本发明通过对应力应变曲线特征点识别、关键力学性能指标分析和韧脆转变点定义及分析，实现韧性‑脆性状态的转变评估。本发明提出了基于韧‑脆状态转变的关键力学性能指标，为建立老化过程中沥青材料韧性‑脆性状态转变的评估方法提供理论依据。技术研发人员：张俊杰,谭忆秋,孙鹏崴,张超,吕慧杰受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17