瀝青路面裂縫密封膠的低溫應(yīng)力松弛評價指標

李 峰，黃頌昌

（交通運輸部公路科學研究院道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，北京100088）

裂縫是瀝青路面主要病害之一.采用密封膠進行路面開槽灌縫、封閉路面裂縫、防止水滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，是國際上公認的減緩路面病害出現(xiàn)、延長路面使用壽命的有效手段［1］.目前，國內(nèi)采用的密封膠來源廣泛，但使用效果不佳，特別是低溫性能普遍較差，很多密封膠一到冬季即與裂縫壁撕裂，失去了防水效果［2］.密封膠的低溫性能已成為制約瀝青路面灌縫技術(shù)發(fā)展的一個關(guān)鍵因素［3］.2009年，交通運輸部頒布了《路面橡膠瀝青灌縫膠》（JT／T 740—2009）［4］，為規(guī)范我國瀝青路面密封膠的質(zhì)量提供技術(shù)標準.該標準采用低溫拉伸試驗評價密封膠的低溫性能，針對不同類型密封膠，規(guī)定不同的試驗溫度，并提出相應(yīng)的技術(shù)要求.經(jīng)過兩年多的應(yīng)用，證實該標準可以有效地區(qū)分不同密封膠的低溫性能，但仍然存在一些不足之處，主要體現(xiàn)在低溫拉伸試驗不能反映密封膠的低溫應(yīng)力松弛能力.在北方地區(qū)（特別是新疆、內(nèi)蒙、黑龍江等地），平均氣溫在0℃以下的月份長達2～3個月，路面裂縫處于長期擴張狀態(tài)，密封膠也因此長期處于大應(yīng)變拉伸階段.部分密封膠在室內(nèi)低溫拉伸試驗中表現(xiàn)良好，但在實際應(yīng)用中冬季仍出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，主要是由于其低溫松弛能力差，密封膠內(nèi)部積累的應(yīng)力長時間不能釋放，最終導(dǎo)致密封膠與裂縫壁撕裂.因此，低溫應(yīng)力松弛能力是反映密封膠低溫性能的一個重要技術(shù)指標，良好的低溫松弛能力對保證裂縫修補效果具有重要意義.

1 試驗方案

國際上通行以ASTM D5329—04［5］的黏結(jié)試驗評價瀝青路面密封膠的低溫性能.我國交通行業(yè)標準《路面橡膠瀝青灌縫膠》（JT／T 740—2009）中的低溫拉伸試驗也引自該試驗.本文參考我國行業(yè)標準的低溫拉伸試驗，先進行常應(yīng)變拉伸試驗，隨后進行應(yīng)力松弛試驗.采用的拉伸試驗機由萬能試驗機、低溫箱和電腦組成，圖1為拉伸試驗示意圖.試驗的工作原理是通過螺栓將拉伸試件固定在夾具上，然后通過傳力桿帶動拉伸試件產(chǎn)生位移變形.試驗具體過程是：把如圖2所示的密封膠試件置于低溫箱中保溫不少于4h后，啟動萬能試驗機，以0.05mm· min－1的速度拉伸密封膠試件，位移達到7.5mm（50%應(yīng)變）后，停止拉伸進行應(yīng)力松弛試驗，試驗過程保持規(guī)定的試驗溫度，試驗結(jié)束后由電腦自動輸出試驗過程的應(yīng)力—時間曲線.

瀝青路面裂縫密封膠按施工溫度可分為加熱型和常溫型兩種.加熱型密封膠是指橡膠瀝青密封膠，是高等級瀝青路面裂縫修補最常用的材料.我國行業(yè)標準規(guī)定：加熱型密封膠分為高溫型、普通型、低溫型和嚴寒型四類，分別適用于最低氣溫不低于0，－10，－20，－30℃的地區(qū)，拉伸試驗應(yīng)采取對應(yīng)的試驗溫度.有機硅密封膠具有優(yōu)越的溫度惰性，不同試驗溫度對試驗結(jié)果基本上沒有影響，拉伸試驗采用－30℃作為試驗溫度.

2 三參數(shù)固體模型

在黏彈性力學（流變學）中，蠕變和應(yīng)力松弛是兩個最基本的力學行為特征.當應(yīng)變恒定時，應(yīng)力隨時間而減小的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛.圖3表示一般應(yīng)力松弛過程，開始時應(yīng)力衰減很快，而后逐漸降低并趨于某一恒定值.多數(shù)工程材料都具有應(yīng)力松弛能力，對于裂縫密封膠，應(yīng)力松弛有利于裂縫槽－密封膠體系的安全.冬季降溫時，密封膠應(yīng)力松弛能力可使降溫收縮產(chǎn)生的溫度應(yīng)力逐漸衰減，從而不至于超過材料的應(yīng)力允許值而發(fā)生破壞，有利體系安全.

圖3 一般應(yīng)力松弛過程Fig.3 Stress relaxation

材料的黏彈性性質(zhì)，可采用模型理論來表示和描述.這些力學模型是由離散的彈性元件（彈簧）和黏性元件（黏壺）按不同連接方式組合而成［6］.文獻［7］經(jīng)過比較分析，選擇了三參數(shù)固體模型作為密封膠的黏彈性理論模型.該模型如圖4所示，其由一個彈性元件和一個麥克斯維爾模型并聯(lián)而成，微分型本構(gòu)關(guān)系如下所示：

式中：σ，ε分別為模型的應(yīng)力和應(yīng)變；E1，E2分別為模型中彈性元件的彈簧模量；η1為模型中黏性元件的黏度系數(shù)；σ·，ε·分別為應(yīng)力、應(yīng)變對時間的導(dǎo)數(shù).

圖4 三參數(shù)固體模型Fig.4 Three－parameter solid model

在常應(yīng)變速率條件下，式（1）的應(yīng)力解析解為

式中：t為時間.

考慮常應(yīng)變速率ε′拉伸至σ0～ε0后的松弛過程，當時間t＞t0時，則有應(yīng)變速率ε·＝0，代入式（2），可得該模型的應(yīng)力松弛方程為

式中：σ0為松弛階段的初始應(yīng)力，ε0為松弛階段的初始應(yīng)變，t0為常應(yīng)變速率的拉伸時間.當時間歷程無限長時，該模型的應(yīng)力趨于有限值E2ε0.

黏彈性模型中，除了彈簧模量E1，E2和黏度系數(shù)η1以外，另外兩個參數(shù)經(jīng)常用到.一個是最大松弛比例λ，另一個是松弛時間τK，它們與彈簧模量、黏度系數(shù)的關(guān)系式為

因此，圖4所示三參數(shù)固體模型的特征也可用λ，τK和E2來表征.

3 黏彈性特征參數(shù)分析

選擇四種加熱型密封膠（H1～H4）和兩種有機硅密封膠（C1～C2）進行低溫拉伸試驗.利用Origin軟件進行非線性擬合分析，擬合前首先需要對試驗數(shù)據(jù)進行應(yīng)力歸零處理，對不同時刻應(yīng)力值加減一個常數(shù)，使得t＝0時，σ＝0.采用三參數(shù)固體模型擬合應(yīng)力松弛試驗數(shù)據(jù)，所得六種材料的應(yīng)力—時間擬合曲線如圖5所示.圖5中，實線為試驗數(shù)據(jù)，虛線為擬合曲線.前半段上升曲線為常應(yīng)變拉伸階段，拉伸到50%應(yīng)變后，保持此應(yīng)變恒定，后半段曲線即為應(yīng)力松弛階段.從圖中可以直觀地看出，在拉伸階段，加熱型密封膠呈明顯的黏彈性特征，而有機硅密封膠接近于虎克彈性體；在松弛階段，加熱型密封膠應(yīng)力松弛得很快，而有機硅密封膠應(yīng)力松弛得較慢.

圖5 六種材料的應(yīng)力—時間擬合曲線Fig.5 Stress－time fitting curves of six types of material

擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)偏差主要出現(xiàn)在兩個局部區(qū)域：在試驗初始階段，由于試件安裝誤差出現(xiàn)的偏差；在應(yīng)力松弛起始階段，黏彈性模型理論與實際試驗數(shù)據(jù)存在一定的偏差.忽略這些局部區(qū)域，擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)吻合得較好，表明采用三參數(shù)固體模型分析密封膠的黏彈性力學行為是可行的.密封膠的黏彈性特征參數(shù)如表1所示.

表1 密封膠的黏彈性特征參數(shù)Tab.1 Viscoelastic parameters of sealants

最大松弛比例λ的物理意義為在趨于無限時間段可松弛應(yīng)力占瞬時加載條件下產(chǎn)生的應(yīng)力σmax的比例.表1中，加熱型密封膠的黏性很大，最大松弛比例都接近于1.也就是說，彈簧模量E2遠小于E1，當時間趨于無限長時，加載產(chǎn)生的應(yīng)力趨于完全松弛.有機硅密封膠的黏性較小，最大松弛比例在0.5左右.也就是說，當時間趨于無限長時，加載產(chǎn)生的應(yīng)力只能松弛初始值的一半.通過比較最大松弛比例可知，有機硅密封膠的松弛能力只及加熱型密封膠的一半.在各自試驗溫度下，六種密封膠的應(yīng)力松弛能力排序為：C1＜C2＜H1＜H2＜H3＜H4.

松弛時間τK的物理意義為可松弛應(yīng)力降至原值1／e的時間，也是表示材料松弛性能的一個特征量.松弛時間越短，材料松弛能力越強.表1中，通過比較松弛時間可知，在各自試驗溫度下，六種密封膠的應(yīng)力松弛能力排序為：C1＜C2＜H1＜H2＜H3＜H4，與最大松弛比例指標的評價結(jié)果一致.

由上面分析可知，本文選用六種密封膠進行低溫應(yīng)力松弛試驗，采用三參數(shù)固體模型的黏彈性特征參數(shù)評價不同密封膠的低溫應(yīng)力松弛能力是可行的.但是，該方法也存在兩點不足之處：① 適用于描述材料黏彈性特征的理論模型不是唯一的，不同模型對應(yīng)的黏彈性參數(shù)含義也不盡相同；② 黏彈性參數(shù)需要對松弛試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析得到，擬合過程復(fù)雜，指標的實用性較差.

4 松弛指數(shù)

為了提出一個更實用的應(yīng)力松弛能力評價指標，根據(jù)上述應(yīng)力松弛試驗數(shù)據(jù)，以拉伸過程結(jié)束時刻為起始點，每隔0.5小時獲取試驗的應(yīng)力值（見表2）.

從表2中可以看出，松弛試驗的應(yīng)力松弛速率先快后慢，最后趨于穩(wěn)定.比較不同時刻的應(yīng)力值，不同密封膠的變化趨勢是基本一致的.采用黏彈性特征參數(shù)雖然可以評價密封膠的低溫應(yīng)力松弛能力，但是過于復(fù)雜，實用性較差.為了方便地評價密封膠的低溫應(yīng)力松弛能力，定義應(yīng)力松弛指數(shù)

表2 松弛過程的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)Tab.2 The stress data during stress relaxation process

式中：σ0指應(yīng)力松弛起始時刻的應(yīng)力，kPa；σt指應(yīng)力松弛t時間后的應(yīng)力，kPa.

松弛時間越長，應(yīng)力越趨于穩(wěn)定，但試驗所需的時間也越長.綜合考慮試驗精度和可操作性，本文將密封膠松弛指數(shù)的標準條件定為：應(yīng)變量50%，松弛時間60min.表2給出六種密封膠的松弛指數(shù)分別為46.8，46.9，49.5，55.2，4.8和9.0，在各自試驗溫度下，應(yīng)力松弛能力排序為C1＜C2＜H1＜H2＜H3＜H4.這個分析結(jié)果與上文采用最大松弛比例和松弛時間指標的評價結(jié)果是一致的.這表明，采用松弛指數(shù)作為密封膠的低溫松弛能力評價指標是可行的，只需以現(xiàn)行密封膠行業(yè)標準的低溫拉伸試驗為基礎(chǔ)，進行應(yīng)力松弛試驗，然后對試驗數(shù)據(jù)進行簡單處理即可.該指標的實用性和可操作性較強，可作為密封膠行業(yè)標準低溫性能評價的一個補充指標.

5 結(jié)語

（1）瀝青路面裂縫密封膠的低溫應(yīng)力松弛能力是評價密封膠低溫性能的一個重要指標，良好的低溫松弛能力對保證裂縫修補效果具有重要意義.

（2）進行了以行業(yè)標準低溫拉伸試驗為基礎(chǔ)的應(yīng)力松弛試驗，發(fā)現(xiàn)采用三參數(shù)固體模型可以理想地擬合試驗數(shù)據(jù)，模型的最大松弛比例和松弛時間可以有效地評價不同密封膠的低溫松弛能力.

（3）提出了松弛指數(shù)評價指標，發(fā)現(xiàn)采用松弛指數(shù)評價密封膠低溫松弛能力與采用黏彈性特征參數(shù)的評價結(jié)果一致，松弛指數(shù)的實用性和可操作性較強，可作為行業(yè)標準的低溫性能評價的補充.

（4）本文提出松弛指數(shù)作為密封膠低溫性能指標，結(jié)合低溫拉伸指標和松弛指數(shù)指標綜合評價密封膠的低溫性能.根據(jù)松弛試驗結(jié)果，加熱型密封膠的松弛指標要求可高于有機硅密封膠.相應(yīng)地，為保持在相同地區(qū)獲得相同低溫路用性能，有機硅密封膠的低溫拉伸試驗指標要求應(yīng)高于加熱型密封膠.

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