动态剪切流变仪

被测试材料的劲度也同试验用的旋转轴大小有关， 未老化的胶结料和RTFO老化的胶结料用25㎜直 径的旋转轴试验，PAV老化的胶结料，用8㎜的 旋转轴试验，如下图所示。
在此方法的最初阶段，为获得规定剪应变范围而 是施加的应力用流变仪进行测量，然后，在试验 期间非常精确地保持这种应力水平。在试验期间， 剪应变会因设定值的变化而少量变化，流变仪软 件控制剪应力的变化。 开始试验时，试样加载10个周期作为预备条件， 再加10个周期来获取试验数据，流变仪软件自动 计算和报告G*和δ值，这些值可以与规范要求做 对照。
最大剪应力和最大剪应变的计算
流变仪用来计算最大剪应力和最大剪应变的公式 为
DSR公式示意图如下图所示
温度控制和试样半径、高度
由于沥青胶结料对温度有较大的依赖性，因此流变仪必须 要能精确地控制试样温度。这通常是通过循环流体浴或者 强制空气浴完成。流体浴一般用水环绕试样。温度控制器 使水循环，这样可以精确地调节，使试样温度一直保持在 所需温度。空气浴工作原理同水浴一样，只不过在试验期 间围绕试样的是加热的空气。两个情况的任一种，即其水 温或者气温的控制都必须使整个试样温度一致，变化不应 大于0.1℃。 使用者也不必担心进行这种计算，因为其计算是由流变仪 软件自动完成的。然而，试样的半径是重要因素，因为， G*是半径的4次方关系，所以，对试样仔细地修整是非常 重要的，试样的高度（即两板间的间隙）也是非常重要的， 它受控制设备以及使用者水平的影响很大。
DSR试验设备
工作原理
DSR的工作原理很直观，沥青试样夹在来回振荡 的旋转轴和固定板之间，振荡板（常叫做旋转轴） 从起点A开始转动到B点。振荡板再从B点转回，经 过A点到C点，从C点再转回A点。此运动从A到B到 C，再回到A形成了一个循环，如下图所示
应力应变关系
当力（或剪应力）通过旋转轴加到沥青上时，DSR就会 测量沥青对此施加的力的反应（或剪应变）。如果沥青是 一个完全的弹性材料，其反应就与瞬间施加的力相一致， 两者间得时间滞后就为零。若是完全的粘性材料，荷载和 反应之间的时间滞后就会很大，如下图所示。冰冷沥青的 情形就像弹性材料，温度高的沥青就像粘性材料。
在相同的复数剪切模量G*下，在高温状态，相位角δ越大， 即tan δ 越大，表示在荷载作用下模量的粘性成分越大， 即变形的不可恢复的部分越大，即越容易产生永久性变形。 相反，在较低的疲劳试验温度条件，相位角δ越大，表示 沥青在低温时仍有较大的粘性成分及柔性，其抗疲劳性能 必然较好。 因此，沥青混合料在高温状态下，复数剪切模量G*越大， 相位角δ越小， G*/sin δ越大，其高温稳定性好；而沥青 混合料在常温温度域的低温状态下，复数剪切模量 G*越小，相位角δ越大，表明沥青经过使用期老化后仍然 具有较大的柔性，疲劳性能好。
疲劳开裂
在SHRP沥青路用性能中，沥青的疲劳性能指标采用损失 剪切模量G= G*sin δ， G*sin δ越大，表明重复荷载作用 下的能量损失越多。研究表明，沥青混合料的疲劳损伤或 疲劳寿命与循环加载过程中的能量损失具有比例关系。因 此，较小的G*sin δ数值代表较好的疲劳性能。 SHRP规范规定，在最高设计温度及最低设计温度的平均 值以上4℃，以频率10rad/s进行DSR试验的G*sin δ应 该满足不超过5000kPa的要求。在某一气象分区中，小于 5000kPa的临界温度越低，沥青路面的发生疲劳损伤的温 度范围越小，沥青的疲劳性能越好。
DSR评价沥青的力学性能
DSR不仅可以用来测试某一特定温度、频率、荷载水平条 件下的力学响应，也可以方便地连续改变频率、温度、或 者应力、应变水平进行测试，获得作为响应的动态力学频 率响应谱，动态力学温度响应谱，动态力学应力响应谱或 者动态力学应变响应谱。这种连续改变频率、温度或者应 力、应变水平的测定模式称为扫描。 例如，邹桂莲等应用DSR进行温度扫描，评价饿8种沥青 与矿粉、纤维混合料胶浆的车辙抵抗因子G*/sin δ在 30~80℃范围内和疲劳抵抗因子G*sin δ在5~30 ℃范围内的 温度响应谱，如下图所示
⑤试验频率，精确到0.1rad/s； ⑥应变振幅，精确到0.01%
SHRP沥青PG分级标准中的DSR
SHRP的沥青PG分级既是按照路用性能实现的沥青分级，这 一分级方法具有明确的粘弹性力学性能依据，也是有良好 的路用性能依据，是一种典型的沥青性能标准。在SHRP的 沥青PG分级中分别将粘弹性特征函数G*/sin δ和G*sin δ分 别评价沥青高温特性和疲劳特性的技术指标。 G*/sin δ为损失剪切柔量J的倒数，根据蠕变柔量的定义， J为蠕变过程中的耗能分量。因此，J越小，即sin δ越大， 沥青在高温时的耗能越少，流动变形越小，抗车辙能力也 就越强，所以采用G*/sin δ作为反映沥青材料的永久性变 形的指标。
永久变形
SHRP规范规定，对原样沥青及RTFOT后残留沥青试样分 别进行两次动态剪切试验，以G*/sin δ作为评价指标，试 样在高温设计温度下进行，剪切速率10rad/s，必须满足 下列要求： （1）原样沥青的G*/sin δ不得小于1.0kPa； （2）RTFOT后残留沥青的G*/sin δ不得小于2.2kPa。
数据提交
DSR能够测量沥青对温度、频率和应变水平的反应。然而， S u p e r p a v e规范要求在G*和δ值用特定的条件进行试 验。因此试验结果同S u p e r p a v e规范的要求做对照， 确定其一致性就了一件简单的事。完整的实验报告包括： ①G*，精确到三位有效数字; ②δ,精确到0.1度； ③试验板的尺寸，精确到0.1㎜，间隙精确到 0.001㎜； ④试验温度，精确到0.1℃；
动态剪切流变仪简介
动态剪切流变仪（简称DSR)，是研究粘弹性材料
的基本仪器。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和中低温疲劳性能，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 中得到广泛应用。 在SHRP规范中要求对原样沥青，旋转薄膜烘箱老 化（RTFOT）后残留沥青、RTFOT/PAV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。
使用者通常在安装试样前设置间隙，而设置间隙 值是在期望值（1㎜或2㎜）上，增加0.05㎜，在 试验最终修整后，再用微米轮把这0.05㎜的额外 间隙去掉。 试验用的沥青试样直径和DSR的振荡板的直径相 同。准备试样有两种方法： ①沥青以适当的量直接倒向旋转轴，使材料有合 适的厚度。 ②用试模制作沥青试样，然后把沥青试样置于 DSR的旋转轴和固定板之间。
S u p e r p a v e疲劳开裂规范要求
理想的胶结料抗疲劳开裂的品质应具有像软弹性材料的功能，能从许多次加 载后恢复，如下图所示，有较小的δ值的材料，其弹性就较大，因此可以提 高其疲劳性能，G*和δ的结合可能会产生一个G*sin δ很大的值，其值大到其 粘性和弹性部分都很高，使胶结料不再可能有效的抵抗疲劳开裂。这也是规 范设置G*sin δ的最大限度5000kPa的原因。
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动态剪切流变仪
DSR
动态剪切流变仪
试样准备
试验设备
方法概述
DSR
数据提交 PG分级中的DSR DSR评价沥青及沥青胶浆的力学性能
引言
沥青是一种粘弹性材料，它同时显示出弹性材 料的特性（如橡皮筋）和粘性材料的特性（如糖 浆）。这两种特性之间的关系被用来测量胶结料抗 永久变形和疲劳开裂的能力。为了抗车辙，胶结料 需要坚硬和有弹性；为了抗疲劳开裂，胶结料需要 柔软和有弹性。在这两种需要之间平衡是关键。
试样修整后，试样准备工作的最后一步是消除旋 转轴和固定板0.05㎜的间隙。这样，紧接着旋转 轴边缘就有一个明显的,轻微的凸出，如下图所示， 通常此步完成后，紧接着开始试验。
方法概述
沥青试样放置好且试验温度稳定后，使用者一定 要用大约10分钟的时间等待试样温度同测试温度 平衡。实际温度平衡时间因设备和沥青而异，应 采用配有非常精确温度感应能力的假试件进行检 查。一个计算机同DSR相联，以控制试验参数和 记录试验结果。试验包括用流变仪软件施加一个 恒定的振荡应力，并记录产生的应变和时间滞后。 S u p e r p a v e 规范要求，振荡速度 10rad/s，大约1.59Hz。
粘弹性表现的不同方式
G*是反复受剪力后，某种材料抗变形的总量，它由两部 分组成：一部分是弹性（暂时变形），如下图水平轴所示； 另一部分是粘性（永久变形），如垂直轴箭头所示。 δ 是 与水平轴产生的角，表示暂时和永久变形的相对量。在此 例中，尽管两种沥青都具有粘弹性，但沥青2比沥青1有较 多的弹性，因为其δ值较小。通过测定G* 和δ，DSR提供 了沥青在路面工作温度下行为（状态）更完整的描述。
从抗车辙的角度讲，较高的G*值和较低的δ值是比较理想的。对于所示的材 料A和材料B，两者之间的sin δ值明显不同。A材料（4/5）的sin δ比材料B （3/5）的sin δ要大。这意味着，当G*值除以sin δ后，材料A的G* /sin δ值就 比材料B的要小，因此，材料B的抗车辙性能就比材料A要好。显而易见，因 为材料B比材料A的粘性小得多，如下图所示。（相同复数模量）
沥青胶浆车辙因子与温度的关系
疲劳因子与温度的关系
沥青RTFOT+PAV后
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， 但提高程度不同。 李晓民等对粉煤灰、矿粉、消石灰、水泥四种矿 物填料组成的沥青胶浆进行动态频率扫描试验和 稳态流动试验，对四种不同矿物填料、不同粉胶 比对沥青高温性能的影响进行了评价。
使用者输入一个施加应力的值，此值会在沥青中 引起剪应变（有时叫应变振幅）的近似量。剪应 变从1%~12%变化，这种变化取决于被测试的 胶结料的劲度，相对软弱的材料，在高温下测试 （如未老化的胶结料和RTFO老化胶结料），其 变化值大约在10%~12%。硬材料（如在中等 温度下测试的PAV残留物）其应变值大约1%。
复数剪切模量和相位角
在大多数路面承受交通的温度下，沥青的 状况既像一个弹性固体，又像一个粘性液 体。在DSR中施加的应力和应变之间的关 系，量化了两种状况，提供了为计算两种 沥青胶结料重要特性的必要参数—复数线 切模量（G*）和相位角（δ）
G*是最大剪应力和最大剪应变的比率，施加的应力和由 此产生的应变的时间滞后是相位角δ。对于完全的弹性材 料，相位角δ是零，所有变形都是暂时的。在DSR中，像 沥青这样的粘弹性材料在正常温度下显示的事两个极端状 态之间的应力—应变反应
采用第一种方法，需要有合适的沥青用量的经验。材料既 不能过多，也不能过少。如果太少，试验就不准确；如太 多，则要求过多的试样修整。 采用第二种方法，需要把沥青加热到有足够的流动性，以 便浇注。先把加热过的沥青倒进硅橡胶模，待冷却到足够 的坚硬，把沥青试样从模中取出。然后，把沥青置于 DSR的固定板和旋转轴之间。和以前一样，超出旋转轴 边缘的沥青要修整掉。
试Βιβλιοθήκη Baidu准备
夹在旋转轴和固定板之间的沥青试样的厚度，必须谨慎控 制，此合适的厚度是通过旋转轴和固定板之间的间隙调节 得到的。必须在安装沥青试样之前，即对此间隙进行设定。 间隙设定是将旋转轴和固定板安装好，在试验温度时设定。 间隙通过微米轮调节。微米轮是渐进式的，通常以微米为 单位。旋转微米轮可以给旋转轴和固定板的相对位置精确 到位。有些流变仪，是把旋转轴向下调节，而有的流变仪 是把基板向上调节。间隙的大小取决于试验温度和沥青的 老化条件。 未老化和RTFO老化的沥青的沥青，试验温度为46℃或 者更高的温度，要求用1㎜的小间隙。PAV老化的沥青和 中等试验温度的（4~40 ℃ ），要求采用2 ㎜的大间隙， 两种旋转轴的使用，与上同理。高温试验需要大旋转轴 （25 ㎜），中等测试温度需要小旋转轴（8 ㎜ ）.