瀝青混合料動(dòng)態(tài)蠕變黏彈性特性分析

黃 剛 何兆益 黃 濤

(1重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

(2中交二航局第二工程有限公司，重慶 400042)

瀝青混合料動(dòng)態(tài)蠕變黏彈性特性分析

黃 剛1何兆益1黃 濤2

(1重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

(2中交二航局第二工程有限公司，重慶 400042)

采用不同溫度和應(yīng)力水平的動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)，對(duì)AC-25，SUP-20，AC-16和SMA-13混合料的黏彈性特性展開(kāi)系統(tǒng)研究，揭示永久變形與瀝青混合料類型、應(yīng)力水平、溫度和時(shí)間的關(guān)系.試驗(yàn)證明，瀝青混合料軸向應(yīng)變和應(yīng)變速率與加卸載次數(shù)均存在冪函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系.通過(guò)計(jì)算，給出了相應(yīng)回歸冪函數(shù)方程中指數(shù)參數(shù)的參考取值范圍.通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出了蠕變?cè)囼?yàn)中混合料在軸向受力初始狀態(tài)下應(yīng)變響應(yīng)是線性的結(jié)論.提出了試驗(yàn)中準(zhǔn)確判斷瀝青混合料處于穩(wěn)定期的方法，根據(jù)此方法判斷出了不同溫度與應(yīng)力水平下4種混合料的變形穩(wěn)定期，并建議應(yīng)根據(jù)應(yīng)變速率圖形中拐點(diǎn)(流變點(diǎn))出現(xiàn)的正確位置來(lái)判斷混合料變形是否進(jìn)入破壞期.采用軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)4種混合料在2個(gè)溫度水平下的修正Burgers模型進(jìn)行了擬合計(jì)算，分析了試驗(yàn)溫度變化對(duì)模型中黏彈性常數(shù)的影響.為準(zhǔn)確判斷瀝青混合料變形的變化趨勢(shì)，建議在試驗(yàn)中調(diào)整試驗(yàn)預(yù)壓荷載水平，延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間.

軸向應(yīng)變;應(yīng)變速率;線性;判斷方法

瀝青混合料屬于黏彈塑性材料，其永久變形與瀝青混合料類型、應(yīng)力水平、溫度和時(shí)間直接相關(guān).采用動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)方法對(duì)不同類型的瀝青混合料進(jìn)行研究，相比于靜態(tài)試驗(yàn)更符合路面實(shí)際狀況，對(duì)瀝青混合料的性能分析更為準(zhǔn)確.本文通過(guò)不同應(yīng)力水平和溫度組合的動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)，對(duì)AC-25，SUP-20，AC-16和SMA-13混合料的力學(xué)性能和抗永久變形能力進(jìn)行研究，以便更好地揭示瀝青路面性能變化規(guī)律，從而延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命.

1 瀝青混合料類型、材料和試驗(yàn)方案

本文研究對(duì)象為 SMA-13，AC-16，SUP-20，AC-25C四種不同類型的瀝青混合料.其中，AC-16，SUP-20和 AC-25C的原材料采用國(guó)產(chǎn)普通70#A級(jí)瀝青，石灰?guī)r粗、細(xì)集料，SMA-13的原材料采用SBS I-D改性瀝青，玄武巖粗、細(xì)集料，原材料質(zhì)量均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)［1］要求，礦料級(jí)配均經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證.試驗(yàn)先按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 052—2000)［2］規(guī)定以輪碾成型制備成標(biāo)準(zhǔn)車轍試件(300 mm×300 mm×50 mm)，然后在車轍試件中鉆取芯樣(φ100 mm)作為動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)試件，試件高度為48 mm.動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)在英國(guó)COOPER公司的NU-14氣動(dòng)瀝青混合料伺服試驗(yàn)系統(tǒng)上完成，試驗(yàn)參照歐洲標(biāo)準(zhǔn) prEN 12697-25［3］，先施加預(yù)壓荷載10 kPa，預(yù)壓時(shí)間為10 min，載荷加載波形為方波，加載頻率1 Hz，2 s為一個(gè)周期，每個(gè)試件按1 800個(gè)周期加載，共3 600次加卸載循環(huán).試驗(yàn)溫度與加載荷載水平組合為:35℃(100，300，500 kPa)，45 ℃ (100，300 kPa)，60℃(100 kPa).

2 軸向應(yīng)變、軸向應(yīng)變速率與蠕變模量

研究表明［4］，瀝青混合料在荷載重復(fù)作用下，會(huì)出現(xiàn)3階段變形規(guī)律:第1階段是迅速壓密的遷移期(又稱初期蠕變階段)，此階段蠕變曲線的變化特征是ε-t曲線向上彎曲，其應(yīng)變速率逐漸遞減;第2階段是變形線性增大后的穩(wěn)定期(又稱等效蠕變期)，此階段蠕變曲線的變化特征是ε-t曲線斜率基本保持不變，即應(yīng)變速率呈穩(wěn)定狀態(tài);第3階段是變形迅速發(fā)展的破壞期，進(jìn)入此階段后，應(yīng)變呈加速增長(zhǎng)，即應(yīng)變速率不斷遞增，導(dǎo)致試件迅速破壞.第2階段和第3階段連接的臨界點(diǎn)(流變點(diǎn))對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變變化率最小，根據(jù) AASHTO TP 79-09［5］和 NCHRP 9-29［6］的規(guī)定，將該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加載次數(shù)定義為流變次數(shù)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間稱為流變時(shí)間.蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果如表1所示.

表1 不同瀝青混合料的最大應(yīng)變、蠕變模量與流變次數(shù)

2.1 軸向應(yīng)變

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，4種瀝青混合料軸向應(yīng)變與加卸載次數(shù)均符合ε=ANB的冪函數(shù)方程，其中ε為軸向應(yīng)變，A，B為試驗(yàn)參數(shù)，N為加卸載次數(shù).而且回歸方程的決定系數(shù)很高，除了SUP-20與AC-25在45℃，300 kPa的蠕變?cè)囼?yàn)中，回歸方程的決定系數(shù)分別為R2=0.93和R2=0.975外，其余回歸方程中決定系數(shù)R2＞0.99.同時(shí)，采用Origin軟件對(duì)4種混合料在3個(gè)溫度水平下的參數(shù)B進(jìn)行了總體正態(tài)測(cè)試(normality test)，證明參數(shù)B滿足正態(tài)分布要求.因此，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)按99%保證率給出參數(shù)B在3個(gè)溫度水平中的取值范圍:B∈(0.06，0.30).應(yīng)變典型曲線如圖1所示.

由圖2～圖4可知，在同一溫度水平下，隨著應(yīng)力水平增加，混合料永久變形會(huì)隨之增大;在同一應(yīng)力水平，不同溫度的混合料永久變形會(huì)隨溫度升高而增大;其中，SUP-20在3個(gè)溫度水平的高應(yīng)力狀態(tài)下變形最大，AC-25其次，而 AC-16和SMA-13表現(xiàn)較好，SMA-13在60℃時(shí)永久變形最小，證明采用改性瀝青和骨架密實(shí)級(jí)配的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性好.

圖1 4種瀝青混合料軸向應(yīng)變典型曲線圖

圖2 35℃不同應(yīng)力水平下最大應(yīng)變變化趨勢(shì)圖

圖3 45℃不同應(yīng)力水平下最大應(yīng)變變化趨勢(shì)圖

圖4 60℃100 kPa時(shí)最大應(yīng)變

在分析中還發(fā)現(xiàn)，4種混合料在加載初期第10～100次加卸載循環(huán)范圍內(nèi)，軸向應(yīng)變?chǔ)排c加卸載次數(shù)N存在良好的線性關(guān)系，采用ε=a'+b'N(N≤100)的線性方程擬合，得到的混合料回歸方程的截距、回歸系數(shù)和決定系數(shù)如表2所示.

表2 不同瀝青混合料加卸載10～100次范圍線性回歸方程參數(shù)

由表2可知，在10～100次加卸載范圍內(nèi)，恒定動(dòng)荷載作用下，應(yīng)變基本保持了線性變化，說(shuō)明瀝青混合料在軸向受力初始狀態(tài)，變形響應(yīng)是線性的.但如果將初始0～10次加卸載循環(huán)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)納入回歸方程，反而會(huì)大幅降低方程的相關(guān)性.作者認(rèn)為出現(xiàn)這種情況的原因主要是試驗(yàn)預(yù)壓階段沒(méi)有完全消除包括非荷載因素在內(nèi)的其他影響，如預(yù)壓荷載偏小，試件與加載單元間沒(méi)有完全接觸，或者加載系統(tǒng)自身在加載初期存在微小調(diào)整變形等.因此，為了提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，建議試驗(yàn)中可以根據(jù)試驗(yàn)動(dòng)荷載大小，調(diào)整預(yù)壓階段靜壓荷載水平，而不是統(tǒng)一采用一個(gè)定值，同時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)預(yù)壓時(shí)間.

2.2 軸向應(yīng)變速率

采用Origin軟件通過(guò)應(yīng)變計(jì)算出相應(yīng)應(yīng)變速率，分析數(shù)據(jù)可知，4種瀝青混合料在3個(gè)溫度水平上軸向應(yīng)變速率與加卸載次數(shù)同樣符合Vε=aNb冪函數(shù)方程，其中Vε為軸向應(yīng)變速率，a，b為試驗(yàn)參數(shù)，決定系數(shù)R2＞0.98.對(duì)4種混合料在3個(gè)溫度水平下的b參數(shù)進(jìn)行總體正態(tài)測(cè)試，證明參數(shù)b滿足正態(tài)分布要求.根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按99%保證率給出參數(shù)b在3個(gè)溫度水平中的取值范圍:b∈(－0.98，－0.69).應(yīng)變速率典型曲線如圖5所示.

圖5 4種瀝青混合料軸向應(yīng)變速率典型曲線

由于第2階段軸向應(yīng)變速率基本穩(wěn)定，變化很小，即可認(rèn)為應(yīng)變速率曲線接近于水平線，因此，本文判斷混合料應(yīng)變是否處于穩(wěn)定期的依據(jù)是對(duì)該階段應(yīng)變速率數(shù)據(jù)與加卸載次數(shù)進(jìn)行線性擬合，得到回歸方程y=kVε+C，若方程相關(guān)性較好，回歸方程斜率k非常小，趨近于零，則證明混合料處于第2階段，據(jù)此可以準(zhǔn)確判斷瀝青混合料處于變形穩(wěn)定期的時(shí)間范圍.根據(jù)上述方法，對(duì)4種瀝青混合料的應(yīng)變速率與加卸載次數(shù)進(jìn)行線性擬合，根據(jù)回歸方程斜率k，找到其對(duì)應(yīng)加卸載次數(shù)范圍，判斷出瀝青混合料的變形穩(wěn)定期，數(shù)據(jù)如表3所示.

分析數(shù)據(jù)和應(yīng)變速率圖形可判斷，在3 600次加卸載循環(huán)的動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)中，除了 SUP-20(45℃，300 kPa，見(jiàn)圖 6)和 AC-25(45℃，300 kPa)、AC-25(60℃，100 kPa)在試驗(yàn)中混合料變形進(jìn)入第3階段破壞期外，其余溫度與應(yīng)力的試驗(yàn)組合中混合料均處于第2階段穩(wěn)定期.本文認(rèn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)prEN 12697-25中提出的“如果永久變形超過(guò)4.0×10－2，試件可能已經(jīng)破壞”是不合適的，因?yàn)樵囼?yàn)證明經(jīng)過(guò)3 600個(gè)加卸載循環(huán)，混合料永久變形即使超過(guò)4.0×10－2，其變形仍然可能處于變形穩(wěn)定期，沒(méi)有進(jìn)入破壞期.因此，建議應(yīng)根據(jù)應(yīng)變速率圖形中拐點(diǎn)(流變點(diǎn))出現(xiàn)的正確位置來(lái)判斷混合料變形是否進(jìn)入到破壞期.圖6中箭頭所指即為SUP-20混合料在溫度45℃、應(yīng)力300 kPa的蠕變?cè)囼?yàn)中流變點(diǎn)的準(zhǔn)確位置(加卸載1 400次).同時(shí)，為了能準(zhǔn)確判斷流變點(diǎn)出現(xiàn)位置，進(jìn)一步研究穩(wěn)定期、破壞期階段對(duì)瀝青混合料性能的影響，可延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間，而不是局限于3 600次加卸載循環(huán).

表3 不同瀝青混合料變形穩(wěn)定期范圍

圖6 SUP-20在45℃300 kPa的流變點(diǎn)位置

2.3 蠕變模量

4種瀝青混合料在3個(gè)溫度水平下蠕變模量的變化趨勢(shì)如圖7～圖9所示.由圖7～圖9可知:在同一溫度下，4種瀝青混合料的蠕變模量隨著應(yīng)力的增加而增大;在同一應(yīng)力水平、不同溫度下，蠕變模量隨著溫度的升高而降低.其中在35，45℃時(shí)，高應(yīng)力狀態(tài)下AC-16蠕變模量最大，60℃時(shí)SMA-13蠕變模量最大，證明SMA-13與AC-16的抗車轍性能較好［7］.

圖8 4種混合料45℃蠕變模量變化趨勢(shì)

圖9 4種混合料在60℃100 kPa時(shí)的蠕變模量

3 修正Burgers模型黏彈性常數(shù)計(jì)算

“四單元五參數(shù)”修正Burgers模型的加載時(shí)蠕變方程為

將動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)獲得的應(yīng)變數(shù)據(jù)采用1stopt軟件對(duì)修正Burgers模型進(jìn)行擬合計(jì)算，得到的模型黏彈性常數(shù)如表4所示［8-10］.

由表4可知:在Burgers修正模型的黏彈性常數(shù)中，4種瀝青混合料的瞬時(shí)彈性模量E1和延遲彈性模量E2都隨著試驗(yàn)溫度的升高而降低，說(shuō)明當(dāng)瀝青路面溫度較高時(shí)，瀝青混合料的變形恢復(fù)能力減弱;同時(shí)，AC-25和SUP-20的彈性模量都高于AC-16和SMA-13，這與前2種混合料采用的集料顆粒粒徑較大，屬于粗粒式、中粒式礦料級(jí)配類型有關(guān).模型中4種瀝青混合料在35℃時(shí)的黏性系數(shù)η2均高于45℃時(shí)η2值，說(shuō)明溫度升高會(huì)導(dǎo)致瀝青黏聚力下降，而SMA-13的η2值較大，證明其黏聚力較好，這是由于SMA-13混合料采用了SBS改性瀝青，而在相同溫度條件下，SBS改性瀝青黏聚力要高于基質(zhì)瀝青黏聚力.

表4 修正Burgers模型黏彈性常數(shù)擬合結(jié)果

4 結(jié)論

1)瀝青混合料軸向應(yīng)變和軸向應(yīng)變速率變化與加載次數(shù)均存在冪函數(shù)關(guān)系，軸向應(yīng)變?chǔ)排c加載次數(shù)N滿足ε=ANB方程，B∈(0.06，0.30);軸向應(yīng)變速率Vε與加載次數(shù)N滿足Vε=aNb方程，b∈(－0.98，－0.69).試驗(yàn)證明SMA-13與AC-16的高溫性能較好.

2)瀝青混合料在軸向受力初始狀態(tài)，應(yīng)變響應(yīng)為線性;試驗(yàn)中應(yīng)注意根據(jù)實(shí)驗(yàn)動(dòng)荷載設(shè)定值大小，調(diào)整預(yù)壓荷載水平，延長(zhǎng)預(yù)壓時(shí)間.

3)可采用“根據(jù)應(yīng)變速率擬合線性回歸方程的斜率k是否趨近于零”的方法判斷瀝青混合料變形處于穩(wěn)定期的范圍.

4)變形永久變形超過(guò)4.0×10－2，瀝青混合料不一定進(jìn)入破壞階段，應(yīng)根據(jù)應(yīng)變速率圖形中是否出現(xiàn)拐點(diǎn)(流變點(diǎn))來(lái)判斷變形是否進(jìn)入破壞期，同時(shí)，為準(zhǔn)確判斷流變點(diǎn)位置，掌握瀝青混合料性能，應(yīng)延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間.

5)采用應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)4種瀝青混合料的35，45℃修正Burgers模型進(jìn)行擬合，得到模型中黏彈性常數(shù)值，分析了試驗(yàn)溫度變化對(duì)黏彈性常數(shù)的影響.

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［2］交通部公路科學(xué)研究所.JTJ 052—2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2003.

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Analysis of viscoelastic characteristics of asphalt mixtures in dynamic creep test

Huang Gang1He Zhaoyi1Huang Tao2

(1School of Civil Engineering and Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

(2China Communications 2nd Navigational Bureau 2nd Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 400042，China)

For systematically studying viscoelastic characteristics of AC-25，SUP-20，AC-16 and SMA-13 mixture，dynamic creep tests at different temperatures and stress levels were conducted to reveal the relationship between permanent deformation and asphalt mixture types，stress level，temperature and time.The tests prove that both the axial strain and the strain rate of asphalt mixtures have a power function relationship with the numbers of loading and unloading.The definite range of corresponding index parameters in regression power function equation is given by calculation.A conclusion is obtained by test data analysis that the strain response of mixture is considered to be linear at the first stage of axial loading.A method is put forward to judge whether the axial strain belongs to the stationary phase of deformation or not.The stationary phase of deformation of four mixtures at different temperatures and stress levels is judged by this method.It is suggested that whether the mixture deformation enters into damage period or not can be judged by the correct position of the inflection point(flow point)in strain rate graphs.Fitting calculation of the modified Burgers model about four types of asphalt mixtures with two temperature levels is completed using data of axial strain.The influence of change of test temperature on viscoelastic constants of the model is analyzed.Adjusting the preloading load level of the test and increasing test time are suggested in order to accurately judge the trend of asphalt mixtures deformation.

axial strain;strain rate;linear;adjustment method

U416.2

A

1001－0505(2012)06-1211-06

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.034

2012-02-16.

黃剛(1971—)，男，博士，副教授，hg_2004@126.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51078372)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20105522110002).

黃剛，何兆益，黃濤.瀝青混合料動(dòng)態(tài)蠕變黏彈性特性分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，42(6):1211-1216.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.034］