T314-02 直接拉伸(DT)测定沥青胶结料断裂性质标准测试方法

T314-02直接拉伸（DT）测定沥青胶结料断裂性质标准测试方法
1适用范围
1.1本方法叙述了用直接拉伸试验来测定沥青胶结料的破坏应变和破坏应力的方法。

该方法可用于未老化或用T240（RTFOT）和R28（PAV）老化的材料。

用于试验的仪器的温度范围在+6～-36℃。

1.2本试验方法的使用对象限于具有小于250μm颗粒的沥青胶结料。

1.3本方法对已超过脆性-延性范围的试件即破坏应变大于10%的试件不适用。

1.4本标准可能包含危险材料、操作和设备。

本标准并不能强调关于使用时的所有安全问题。

在使用本标准之前，使用者有责任采用合适的安全和健康实践，并确定其使用的规则限制。

2参考文献
2.1AASHTO标准
M320沥青胶结料性能等级规范
PP42确定沥青胶结料低温性能等级
R28用压力老化容器（PAV）加速老化沥青胶结料
T40沥青材料取样方法
T240加热和空气对沥青旋转薄膜的影响
2.2ASTM标准
E1ASTM温度计
E4试验机的荷载校验
E77温度计的检查和校验
E83延伸计的分类和校验
2.3德国标准
43760标定热电偶标准
2.4MIL和ISO标准
MIL STD-5545
ISO10012-1
3术语
3.1定义
沥青胶结料（asphalt binder）——从石油残留物中生产出来的沥青基胶结料，可以是具有或不具有添加颗粒尺寸小于250μm有机材料。

3.2本标准特定的术语
3.2.1脆性(brittle)——在直接拉伸试验中脆性破坏形式，指应力一应变曲线是以基本线性方式发展直至破坏点；试件横截面积在没有可察觉的减小的情况下，突然发生断裂破坏。

3.2.2脆性-延性(brittle-ductile)——在直接拉伸试验中脆性-延性破坏形式，指拉伸试验中应力一应变曲线是曲线性，而试件是突然断裂破坏。

断裂前试件横截面积发生有限的减小。

3.2.3延性(ductile)——在直接拉伸试验中延性破坏形式，指试件没有断裂，而是以大的应变的流值形式破坏。

3.2.4拉应变(tensile strain)——由拉力荷载导致的轴向应变，以拉力荷载引起的有效计量长度的变化除以没有加载前原始有效计量长度来计算。

3.2.5拉应力(tensile stressw)——由拉力荷载导致的轴向应力，以拉力荷载除以原始试件横截面积来计算。

3.2.6破坏(failure)——当试件以一个恒定拉伸速率拉伸，拉力荷载达到最大值的点。

3.2.7破坏应力(failure stress)——本标准规定的试验方法中，其拉力荷载达到最大值时试件的拉应力。

3.2.8破坏应变(failure strian)——相应于破坏应力时的拉应变。

3.2.9计量部位(gage section)——试件中央，即试件横截面不随长度变化的部位，本试件计量部位为18mm长，图1。

图1Superpave直接拉伸试验试件几何尺寸
有效计量长度(effective gage length)——用于本试验的试件，有效计量长度L e 为33.8mm，这个有效试件长度代表了试件产生主要应变的部位。

4方法概要
4.1本试验方法叙述了沥青胶结料试件以恒定的拉伸速率拉伸，测量破坏应力和破坏应变的方法。

试件通过将热沥青胶结料浇注入合适的模具中形成。

在试验中，两个的G10酚醛塑料块通常用于黏接沥青胶结料，并将试验机的拉力荷载传递给沥青胶结料。

4.2本试验方法是根据沥青胶结料呈脆性破坏或者脆—延性破坏的温度研制的，脆性或者脆一延性破坏会导致试件的断裂，而延性破坏试件只是简单拉长而没有断裂，本试验方法不适用于延性流值破坏下的温度。

4.3用一个位移传感器测量试件在以1mm/min恒定拉伸速率下的拉伸长度。

试验中记录荷载的发展过程，最后报告了试件在达到最大荷载时的破坏应变和破坏应力。

5意义和应用
5.1在路面力学开裂模型中用破坏应力计算临界开裂温度。

计算临界开裂温度的方法在AASHTO PP42中叙述。

临界开裂温度在M320中用于规定沥青胶结料低温等级。

5.2试验也能够测量在临界开裂温度时沥青胶结料的强度。

沥青胶结料具有有限的抵抗开裂应力的能力。

在沥青胶结料规范中破坏应力用于确定临界开裂温度。

5.3在评价沥青胶结料对M320的符合性时，计量部位的伸长速率通常为1.0mm/min，试验温度根据沥青胶结料等级按M320表1选择。

其他的拉伸速率和测试温度也可以用于测试沥青胶结料。

6仪器
6.1直接拉伸试验系统—包括（1）闭环反馈位移控制的拉伸试验机；（2）试件夹具系统；（3）在试件和条件试件中能提供可靠的、精确的均匀温度控制的液体浴或空气环境箱；（4）实时荷载测量和记录设备；（5）实时伸长测量记录设备；（6）实时温度检测和记录设备；（7）实时数据采集和显示设备。

系统应具有电机或液压伺服加载单元，能作用和测量拉、压力至少500N，制动行程20mm，包括荷重传感器和加荷栓的系统刚度至少3MN/m。

设备应有一个测量和控制夹具分离的传感器和提供一个分辨率为1μm的应变控制反馈信号。

系统应具有通过固定在加荷栓间的位移传感器或测量试件伸长的非接触式伸长机计闭环控制能力，并精确到指令的伸长速率的1%。

6.1.1具有温度控制的拉力加载仪器要求——能控制位移至少能产生500N荷载，有加荷框架，加荷架应安放在桌上。

加载应在试件拉伸平面直接拉伸。

如果使用液体冷却系统夹具系统（加荷拴和板）应完全浸在冷却液中。

夹具系统应在冷却液表面以下至少25mm。

通过直接拉伸试件板来施加荷载，荷载框架的加载点（加荷拴之间）的距离应能放下试件总长度至少100mm，图1。

如果使用空气环境箱，试验架应有两根立柱并具有足够的净空容纳隔热温度控制箱。

6.1.2试件夹具系统——夹具系统必须产生一个自调对准单轴试验荷载，并接受6.2.1.1叙述的端板，设计应能使试件容易安装。

系统应包括两个夹具。

每个夹具应包括一个特殊形状的栓，牢固地安装在试验板的加载板上。

图2显示典型的夹具和加荷拴组件，试件中一个夹具应固定保持静止，另一个夹头则应按要求伸长速率移动。

图2Superpave直接拉伸试验的加荷拴和夹具组装
6.1.2.1试件端板——端板由G10酚醛塑料材料制成，其尺寸如图3、图4和图5所示。

黏结在试件两端将拉力荷载传递给沥青胶结料。

端板应由标准G10酚醛塑料板压制成。

每个端板有一个精密的机器开的孔并由一个304不锈钢环衬套。

衬套孔直径应为（10±0.05）mm，通过沥青胶结料试件和端板的黏结固定试件。

每个端板应安装到特殊形状的拴上组成夹具系统的一部分。

试件安装在夹具上通过端板定位在试验机上。

有必要使端板符合沥青胶结料的
热膨胀系数，因为端板需要减少界面的收缩应力，否则会引起黏结破坏。

图3Superpave直接拉伸试验的端板插孔（图4显示插入端板孔的金属环尺寸）
图4Superpave直接拉伸试验的插入端板孔的金属环（图3显示端板插孔）
图5Superpave直接拉伸试验的金属环插入端板插孔
6.1.3温度控制和试验箱——温度控制室应具有贮存12个试件的足够空间。

冷却箱温度控制范围，在没有沥青胶结料试件时，箱内所有部位的温度稳定在+6～-36℃范围内至少±0.1℃。

将室温试件放入冷却箱中，允许引起箱内温度与试验中目标试验温度和试件等温状态波动±0.2℃。

然而在试验中夹具之间的温度梯度不得超过0.1℃。

温度测量应由标定过放在试验区附近的铂电阻温度传感器（PRTD）来完成，PRTD应溯源到美国国家标准研究所（NIST），在+6～－36℃范围内用8个温度标定过的。

如果使用空气环境箱，那么可使用机械制冷或液氮制冷。

应有除湿系统以消除在箱内部、试件上或任何试验夹具上的霜冻。

环境箱应能在一个架上贮存至少12个试件，试件贮存架和试验箱底板和侧板隔热，因此，从环境箱侧板或底板传来的热不会影响贮存试件的温度。

如果使用空气环境箱，从标准化目的应有一个前门用于维修，并有一个手孔使操作员的手能伸进去把试件放在试件贮存架上、条件试件和试验中将试验件放置在夹具上。

手孔应设计为在操作过程中试验员的手伸进与拿出过程中，试验箱的温度变化±0.2℃。

观察窗应能起到观测试验安装和试验监测的作用。

试件伸长用激光观测，使用激光时要求试验箱两侧有光学玻璃窗，以让激光通过而不扭曲激光束。

6.1.4如果使用液体作为冷却介质，那么42%乙酸钾粉末和58%的脱离子水（重量比）混合物控制温度比较合适。

酒精会使沥青胶结料脆化（如在应力存在的情况下影响破坏性质），因此不应作为沥青胶结料试件破坏试验和温度控制的介质。

注1——购买的乙酸钾一般成分为50%乙酸钾和50%的脱离子中水组成的除冰剂液体混合物。

如果购买50：50商用除冰剂，可加脱离子水或蒸馏水直至达到相对密度为1.2375±0.0025，相对密度可用适当的比重计测量。

6.1.5荷载测量和记录仪器——荷载由荷重传感器测量，最小荷载500N，灵敏度为0.1N。

荷重传感器应按ASTM E4每年标定。

荷载和长度由数据采集监测，应该分别获得破坏荷载和
长度百分之一的分度。

一旦试验开始，数据采集系统应能及时检测荷载引起试件长度的变化。

通过及时监测荷重传感器讯号与时间来做到此点。

荷载讯号相当于（2±0.3）N（门槛荷载）用于标记此时位移传感器的归零位置。

数据采集系统捕获峰值荷载的这一点，累计的从零读数到相应于峰值荷载这一点长度变化用于计算破坏应变。

一旦试验结束，仪器应能显示出破坏时的应变。

典型的峰值荷载变化范围在10～250N，这将取决于试验温度、性能等级、老化和胶结料来源。

应力和应变显示精确到0.1。

6.1.6伸长测量和记录仪——用位移传感器测量夹具之间试件的伸长。

位移传感器位移分辨力1.0µm应具有测量和控制夹具分离并提供伸长速率控制反馈信号的能力。

6.1.6.1如果数据采集单元包括IBM兼容计算机，它应具有3个A/D通道，一个用于荷载，一个用于伸长，另一个用于温度。

数据应贮存于ASCII格式。

6.1.6.2应力-应变曲线显示——数据采集和显示系统应具有显示应力-应变曲线的能力，应力以MPa计，应变以百分率计。

这个可以用数据采集系统计算机屏幕或X-Y记录仪完成。

如果记录仪是伏特单位，在这种情况下试验文件中应含有对于X-Y轴MPa/伏特和百分应变/伏特标定系数。

6.2试模——试模应由铝制成，试模尺寸如图6所示，隔离剂和涂有特氟隆隔离纸如
7.2和7.3所示，应能防止制模时沥青胶结料黏结在铝模侧板和底板上。

隔离纸也用于防止沥青胶结料黏结在试模底板上。

图6Superpave直接拉伸试验的试模
6.3试件贮存板——在空气制冷环境箱中，树脂玻璃PlexiglaoTM，Telflon®或其他塑
料板用来转移和贮存试件。

对于液体制冷器不需要这些板。

6.4标定的温度计——标定过的液体玻璃温度计，适当的温度范围，分度值为±0.1℃，
用于验证温度传感器并应按ASTM E77方法进行标定。

ASTM62C温度计适用。

6.5能保持温度为（-15±5）℃的冷柜，只有当使用空气制冷环境箱时才需要。

6.6能达到并保持温度为（160±5）℃的强制通风烘箱，用于加热沥青。

7材料
7.1作为冷却介质用于温度控制的液体——42%的乙酸粉末和58%脱离子水（重量比）的
含水混合物，用作为温度控制的液体，酒精不允许使用，因其会影响所有沥青的破坏性质。

7.2隔离剂——用20g甘油和20g滑石粉的混合物作为铝模隔离剂。

7．3隔离纸——两面都涂至少0.3μm特氟隆化合物作为隔离纸比较适用。

7．4溶剂（Varsol TM或矿物油）或脱脂喷雾清洁剂配方用来清洁试模、端板和板。

7．5清洁布（棉）用来擦干试模、端板和底板。

8危害
制作热沥青试件时要求使用标准的试验室安全方法，使用溶剂或脱脂清洁剂清洁时要求
方法安全。

9标定和标准化
9.1位移传感器、荷重传感器和温度传感器的标定验证
注2——标定通常由标定服务机构进行。

标定验证、系统标准化和质量检查可由制造商进行，能提供这种服务其他机构或试验室人员也可以按下列叙述方法进行。

9.1.1荷重传感器和位移传感器验证—应用专门设计的标准来检验荷重和位移传感器的操作。

检验标准应有一个能承受500N荷载不损坏、刚度大约135N/mm的弹簧。

验证标准应由直接拉伸系统制造商提供的应力—应变特性一并提供。

制造商应提供每个验证标准的合格证书并保证测定是在NIST可溯源的设备下测量的应力—应变特性。

荷重传感器和位移传感器至少每6个月或当怀疑测量有问题时进行验证标定。

9.1.2伸长速率验证—伸长速率应使用9.1.1的验证标准验证。

为了验证伸长速率，应绘制伸长与时间的函数图，试验点应能连成斜率为1.00mm/min的直线。

注3——测量应在-18℃时进行，允许10min以达到验证所需要的热平衡。

9.1.3温度检测器—温度检测器至少每年标定一次或怀疑设备可能超出标定范围时。

温度应
用NIST溯源设备标定，测量不确定度应小于按ISO10012-1，4.3测量允许差的1/3。

对±0.1
℃温度控制来说，标定仪器的不确定度应为±0.033℃。

温度应在每个试验的温度进行标定。

将RTD和温度标定设备放在环境控制箱内。

当标定设备和温度检测器达到平衡时比较RTD读
出的温度和标定设备读出的温度，如果温度检测器的显示温度和标定设备显示的温度不在±0.1℃范围内，那么要对温度检测器显示的温度进行适当的修正或进行进一步标定和维护。

10试样和试件的准备
10.1准备试样——如果试验原料是未老化胶结料，按T40取试样
通过加热沥青胶结料使其能够流动消除试件的内应力或位阻硬化。

试验前的退火可以消
除在室温储存可能产生的反向的分子联结（位阻硬化）。

注4——建议最低浇注温度是使产生的黏度相当于室温条件下的SAE10W30机油（容易浇注但不过分流动）。

特定的温度取决于胶结料等级和它以前老化的历史。

要求温度一般小于135℃，但对于某些改性沥青或过分老化的胶结料，可能温度要超过135℃。

10.2用隔离剂涂抹两个铝试模侧板的表面。

涂抹很薄的均匀膜使没有任何金属表面暴露在外。

在试模底板放一张预先裁好的隔离纸。

将两端板放在试模两端，在底板上滑动另一侧板
组成试模。

将试模和端板组件放入加热沥青胶结料的同一烘箱，也就是说与加热沥青胶结料
相同温度，不超过3min。

如果试模放在烘箱中超过3min，那么将会影响涂抹的甘油和滑石
粉性质。

10.3将试验模从烘箱中取出放在平面上，从试模的一端开始一次浇注热沥青胶结料至另一端。

浇注试件应是连续流动避免裹入气泡或间断。

尽可能快地完成浇注操作以避免沥青胶结料温度过分下降，当沥青比试模顶部稍稍高一点时停止浇注。

10.4试件浇注后，在操作台上室温条件下允许冷却30～60min。

不要让试件温度骤冷（快速或立刻冷却）至室温（25℃或更低）。

10.5一旦试件已经冷却到室温，用大约165℃刮刀（例如平的、硬的刮刀）修除过量的沥青胶结料，这样试模顶部沥青胶结料是齐平的。

在修整操作中要小心不要将沥青胶结料铲出试模和损坏端模及沥青胶结料的黏结。

修整试件工作应连续操作，沿试件长的方向推热刮刀修除试模顶部多余的沥青胶结料使沥青胶结料试件与试模顶部齐平。

修整后从端模孔或槽中移走所有碎屑或多余的沥青，在修整后让试件在室温下放置10～15min。

10.6脱膜前,将未用过的铝模侧板(图4)放入冷却水浴或空气环境箱中允许冷却到试验温度。

这些侧板是试件放入冷却水浴或空气环境箱时的夹具。

按下列方法准备一个试件转移板：将未用过的铝试模底板正面向下放在工作台上形成一个转移板。

将两片隔离纸长度方向重叠盖住转移板表面。

10.7小心脱去修整试件的模子
10.7.1通过将试件和两块试模侧板滑向底板的边缘，直至侧板靠近到边缘的一半，给修整好的试件脱模。

轻轻在将悬出的侧板向下压脱去。

将脱下的侧板放回原处，滑动试模两侧板(一个侧板已脱但又重新复原)向另一边缘重复上述步骤。

10.7.2下一步重复上述脱膜方法，不过这次完全移去侧板，再轻轻地放上冷却水浴或环境箱中冷却的侧板。

这时在冷却水浴或环境箱中脱模和安装另一侧板。

这时试件和试模组件看起来应像在脱模前修整试件一样，除了两侧板被放在冷却浴或冷却箱中的冷却侧板所取代。

10.7.3现在用双手的拇指和食指掐住试模中间，将试模组件正面向下。

将正面向下的试模组件
放到转移板上形成一个交叉，也就是说试件组件必须垂直于放有隔离纸在上面的转移板上。

从正面向下的试模上轻轻地推滑底板到转移板上。

试件底部上的隔离纸暴露出来。

当轻轻地移开隔离纸时，抓住两端模以保护试件。

10.7.4将转移板带有正面向下暴露的试件放入试验箱或水浴中。

立刻将试件(以及两个冷却侧板)放入冷却水浴或环境箱中的一个浅盘中。

2min冷却后拿走两个侧端板。

某些较软沥青试件在移动侧端板前，可能需要比2min更长的时间。

10.7.5这时反转刚脱模的试件，使修整面向上。

试件试验时必须总是让修整面向上。

带有隔离纸的转移板绝不允许放入水浴中。

脱模后不必测量试件尺寸，因为尺寸允许差在制件过程中已经严密控制。

注5——脱模过程中应使试件挠曲最小化。

如果测试了挠曲（沿着或垂直于加荷轴方向的弯曲）试件，试件破坏性质的变异性会增加。

挠曲试件产生较低的破坏值。

11试件条件
11.1将冷却浴设定在试验温度和等待稳定在要求试验温度±0.1℃范围以内，当根据M320试验时，按M320表1规定的试验温度。

11.2试件在冷却浴或环境箱中在试验温度条件(60±10)min。

以严格控制时间以避免由于物理硬化引起的试验变异。

12水浴冷却系统的试验方法
12.1用带有橡皮头的镊子，将试件放在加荷架上，使试件两端端板的孔正好对入荷载架上的销栓。

如果试件一端的孔对不上某一个栓钉，用控制箱的手轮移动调节荷载架直到另一个栓落入试件另一个端板孔中。

然后用橡皮头镊子轻轻地晃动每一端的端板，检验试件就位状况。

12.2一旦试件落入加荷拴上，消除试件和加荷拴之间的松弛。

理想的消除松弛应由试验软件自动监测荷载，应变调零完成，然后当荷载值达到(2±0.3)N时开始试验。

如果没有这种软件控制或使用了垂直试验装置的空气环境箱，通过调节控制箱上手轮进行手动微调来消除松弛。

手轮方向应产生拉伸（拉伸试件）。

手轮移动到显示屏上显示荷载为(2±0.3)N为止。

一旦松弛消除完成后，用镊子重新检查试件就位情况，以避免任何错误的荷载读数。

重复上述手动加荷载方法直到再次达到(2±0.3)N荷载。

并迅速把应变调零然后按开始键开始试验，如果松弛由软件自动消除，试验会自动应变调零后自动开始，在这种情况下不需要手动按开始键。

12.3如果软件没有预设功能，,设置应变速率为3%/min(即允许伸长速率1mm/min)。

13空气环境箱系统试验方法
13.1在(60±10)min后，用环境箱上的手孔将试件安装在加荷拴上，以让试件端板的背面在加荷拴中心。

不要打开环境箱的门来处治和安装试件，因为这会引起过度的温度波动，会需要花费时间来稳定和导致温度记录发生变化。

用外科手术橡皮手套以保护操作员手指和减少热量传递。

处治试件只能接触试件端板,不要接触沥青胶结料。

注6——循环气流可能会引起在安装上的加荷拴以后的端板移动。

硅橡胶皮或泡沫垫圈在
试验温度下仍保持柔性的，将有助于端板能紧靠夹具面。

端板居于销的中间是很重要的（与夹具面齐平），这样能使荷载能轴向作用在试件中心。

合适的垫圈可用软木钻孔器从硅橡胶或泡沫板上切割合适的垫圈，垫圈5～10mm厚，外径约10mm，垫圈的内径应能提供足够提供5mm栓子部位足够的摩阻力。

垫圈应能在栓子上易于滑动，以提供在试验中仅能握住端板的足够的力。

13.2加载步骤——如前所述产生一个作用于伸长也只能产生1～2N预载给试件；这样做能减少试验变异性。

一旦1～2N达到就停止板的运动，允许荷载松弛直到检测不到荷载。

松弛的时间取决于试件的劲度。

一旦荷载松弛就继续如下描述试验。

13.3选择要求的应变速率，加载直到试件破坏。

当检验符合M320标准时选择一个应变速率应使有效计量长度的伸长速率为(1.00±0.01mm)/min。

如果试件破坏不在计量部位，废弃这个试验。

14重复试件的数量
14.1应按上述方法试验总共6个试件。

断裂应力和应变变化是因为沥青胶结料的本质不同。

只有进行多个试验才可能产生明显的不同。

6个试件试验中去掉两个破坏应力应变和能的最低值，重新计算剩余4个破坏值的平均值和标准差。

15破坏判断
15.1当破坏是断裂时（也就是说破坏时断裂成两片），在峰值荷载（最大应力）的应变很容易确定为破坏应变。

不管怎样，然而当试件达到最大应力时没有断裂，而流值继续没有应变破坏的断裂，记录破坏应变是相应于最大应力时的应变。

当超过10%应变时不要继续试验，简单记录破坏应变“大于10%”。

如果沥青胶结料能拉伸到10%而没有破坏，它满足M320试验温度的要求。

15.2如果断裂在试件颈部，破坏数据应记录但应加注“破坏在颈部”。

可接受的破坏应发生
在试件的中部，在（18mm长的恒定尺寸截面部位），最理想的破坏应发生在试件的中部。

破坏位置和破坏结果的一致性和重复性与试件的平直度，试件是否小心浇注以及安装好不好直接相关。

16端板的清洁
如果端板要重新使用，在试验后去掉沥青，把端板浸入溶剂中清洗，然而用软布擦干净。

在端板擦干后，用清洁肥皂溶液去除由矿物油留下任何油脂残留物，也可用喷雾脱脂清洁剂彻底清洁端板。

在沥青黏结区域的油脂薄膜可能产生薄弱的黏结而发生黏结破坏。

17计算
17.1计算破坏应力通过破坏荷载除以试件的原始横截面积(6mm×6mm)如公式1所示：
σf=P f/A(1)
式中：σf——破坏应力，MPa；
P f——破坏荷载，N；
A——原始横截面，m2。

注7——本试验使用试件A=36×10-6m2。

17.2计算破坏应变用破坏时的伸长除以原始试件有效计量长度，如公式2所示：
εf=δf/L e(2)
式中：εf——破坏应变，mm/mm；
δf——破坏时伸长，mm；
L e——试件有效长度，mm。

注8——本试验使用试件的有效长度为33.8mm。

18报告
报告下列资料：
18.1试样编号。

18.2试验日期和时间。

18.3试验温度,精确到0.1℃。

18.4拉伸速率,精确到0.01mm/min。

18.5破坏应变,精确到0.01%。

18.6破坏应力，精确到0.01MPa。

18.7峰值荷载，精确到N。

18.8观察到的破坏类型（断裂或无断裂）。

19精密度和偏差
19.1精密度——制定本试验方法精密度估计要求的研究尚未进行。

19.2偏差——制定本试验方法偏差要求的研究尚未进行。

20关键词
直接拉伸断裂破坏沥青胶结料温度开裂破坏应变—————————————————————————————————————
注：本标准由TP3转化而来，基于SHRP产品1005。