基于粘彈性參數(shù)的瀝青砂紫外光老化研究

【摘 要】采用Burgers模型研究瀝青砂的粘彈性力學(xué)行為，研究粘彈性參數(shù)在瀝青砂紫外光老化中的變化，分析其變化規(guī)律，評價瀝青砂紫外光老化。確定紫外光老化的試驗方法和瀝青砂試件制作方法，對紫外光老化的瀝青砂試件進行單軸壓縮蠕變試驗得到應(yīng)變和時間的蠕變曲線，擬合了Burgers模型的四參數(shù)。對粘彈性參數(shù)隨老化程度的變化規(guī)律進行研究，根據(jù)粘彈性參數(shù)隨老化程度的變化研究瀝青砂性能的變化規(guī)律。對不同老化程度和相應(yīng)的Burgers模型四參數(shù)進行擬合得到粘彈性參數(shù)和老化程度h之間的表達式J（h），用該關(guān)系式表示瀝青砂的老化程度。

【關(guān)鍵詞】瀝青砂；紫外光老化；粘彈性參數(shù)；蠕變試驗；老化程度

【Abstract】Burgers model were carried out to study the viscoelastic mechanics behavior of tar sands. By researching the change of viscoelastic parameters in the ultraviolet aging tar sands， analyze its change regulation and evaluate its aging extent. Determine ultraviolet aging test method and asphalt sand specimen producing method. Put the ultraviolet aging of asphalt sand specimen in uniaxial compression creep test to get the creep curves of strain and time， using the least squares fitting of the four parameters of Burgers model. Fitting the aging degree and the corresponding model parameters fitting， get the relation between viscoelastic parameters and aging degree and get the expression J （h） between creep compliance J and aging degree of， The aging of asphalt sand was expressed with J （h）.

【Key words】Asphalt mastic；Ultraviolet Radiation aging；Viscoelastic Parameters； creep test；Aging index

瀝青路面老化的研究中最早引起關(guān)注的是瀝青結(jié)合料本身，對瀝青砂和瀝青混合料的抗老化性能研究較少，至今仍沒有評價其老化性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法[1，2]，應(yīng)提出合理的老化試驗方法和評價指標(biāo)。針對瀝青砂進行研究，考慮瀝青砂的流變特性，從其粘彈性角度，研究瀝青砂的老化性能。瀝青混合料和瀝青砂具有相似的壓縮變形和蠕變變形曲線，本文進行的基于粘彈性參數(shù)的瀝青砂老化程度研究可以為瀝青混合料紫外光老化程度的研究提供依據(jù)。

1. 瀝青混合料紫外光老化試驗

1.1 老化試件制作。

試驗采用瀝青砂AS-16作為研究對象，其中瀝青采用SBS改性瀝青，集料為從拌合廠提取的機制砂經(jīng)過篩分后得到粒徑小于2.36mm的砂粒。瀝青砂AS-16的級配按照規(guī)范中規(guī)定AC-16相應(yīng)的細集料（粒徑2.36mm）的相同比例進行設(shè)計，AC-16級配如表1，AS-16的級配如表2。因為瀝青砂缺少粗集料作為骨架支撐，空隙率小，其性能不同于瀝青混合料，不適宜采用馬歇爾試驗來確定最佳瀝青用量。采用逆推法[3]確定瀝青砂的最佳瀝青用量，計算結(jié)果如表3。瀝青砂試件制備參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ 052-2000）中T0704的方法對試件進行制作，制作試件直徑為50mm，高50mm。

1.2 紫外光老化試驗。

（1）試驗中的紫外光老化試驗箱采用1000w的紫外高壓汞燈，輻射強度達到距離燈管約60cm處平均強度為200 W/m2。瀝青砂試件實際老化周期為一年的需要試驗時間為將近583小時，即瀝青砂試件試驗中在老化箱老化1小時相當(dāng)于實際光照老化14.8小時。

（2）紫外光老化試驗箱具有鼓風(fēng)制冷設(shè)備， 并且設(shè)置有溫度感應(yīng)器， 可以顯示老化箱內(nèi)的溫度， 整個實驗過程為了確保瀝青混合料試件是在紫外光照射下老化而不是因為熱老化， 所以控制實驗溫度在 30°C 左右。

（3）試驗研究的是不同紫外光照時間下瀝青砂的粘彈性參數(shù)，試驗中試件老化時間選取為2個月，4個月，6個月，8個月和12個月，根據(jù)已知的換算原則可以將以上選取的實際紫外光老化時間換算成實驗室老化時間分別為97小時，194小時，292小時，388小時，583小時。將瀝青砂試件按照要求的溫度和時間分別進行紫外光老化，每組3個試件。

2. 瀝青砂單軸壓縮蠕變試驗

實驗在CMT5105微機控制電子萬能試驗機上進行紫外光老化瀝青砂的單軸壓縮蠕變試驗，萬能試驗機帶有環(huán)境溫度箱，試驗溫度要求保持恒溫20℃，并且保持1小時以上。加載初期位移速度控制在10mm/min，軸向應(yīng)力達到0.1MPa后，保持荷載1200s。將進行了不同紫外光照時間的試件進行單軸壓縮蠕變試驗，試驗結(jié)果如圖1所示。

（1）未老化的瀝青砂的應(yīng)變值較大，隨著老化時間的增加，瀝青砂的變形越來越小，因為老化時間越長瀝青砂的勁度模量越大，應(yīng)變值就越小。

（2）老化 4 個月之前， 應(yīng)變值隨著老化時間的增加明顯變小， 但在紫外光老化照射4 個月之后， 隨著老化時間的增加， 應(yīng)變值的變化幅度減小。表明紫外光老化對瀝青砂的影響在其接受紫外光照的初期比較明顯， 達到某個老化程度后，影響越來越小， 趨于穩(wěn)定。

3. 紫外光老化瀝青砂的粘彈性參數(shù)研究

Burgers模型是目前應(yīng)用的最為廣泛的粘彈性力學(xué)模型，能較好的反映瀝青砂漿的粘彈特性[4]，能夠描述蠕變的第一階段和第二階段[5]，Burgers模型比廣義Maxwell模型更能準(zhǔn)確表達瀝青混合料的本構(gòu)關(guān)系[6]，能反映瞬時彈性應(yīng)變、粘彈性應(yīng)變和粘性流動應(yīng)變，將粘性流動應(yīng)變描述為加載時間的線性函數(shù)[7]，因此本文選用Burgers模型描述瀝青砂粘彈性能。

3.1 瀝青砂粘彈性參數(shù)擬合結(jié)果及分析。

在對Burgers模型的參數(shù)進行擬合的過程中，參數(shù)初始值E0和η0的選取是重要的一步。因為初始值的選取如果與參數(shù)的實際值偏離太多，會造成迭代不收斂，或者造成迭代次數(shù)過多致使計算時間太長[8，9]。為了使獲得的參數(shù)值與實際相符，參數(shù)初始值的選取就非常重要。本文采用一種計算的方法求得Burgers模型參數(shù)初始值，該方法分以下幾步：

3.1.3 采用Matlab對多項式方程聯(lián)立求解，就可以唯一的確定其他三個參數(shù)E2，η1、η2的值，把求得的四個參數(shù)值作為所需輸入的參數(shù)初始值。

（1）采用分段擬合法[10]得到瀝青砂在不同紫外光照時間下的粘彈性參數(shù)值，如表4，并繪制了四個參數(shù)隨老化時間的變化曲線圖，如圖2所示。

上式表明可以用粘彈性參數(shù)和紫外光照時間相結(jié)合，用于評價瀝青砂在不同老化時間下的紫外光老化程度。

4. 結(jié)論

（1）本文通過單軸壓縮蠕變實驗得到蠕變曲線，據(jù)此對Burgers模型本構(gòu)方程中的參數(shù)進行擬合，從而確定了表述不同老化時間的瀝青砂粘彈性參數(shù)，分析了粘彈性參數(shù)隨老化程度的變化規(guī)律為隨著老化時間的增加， 四個參數(shù)都在增加， 應(yīng)變相應(yīng)減小。因為 E1 ， E2 和 η2 和永久變形無關(guān)， η1影響瀝青砂的永久變形，結(jié)果顯示η1 隨老化時間增加。

（2）對Burgers模型四參數(shù)和老化時間進行擬合，把擬合結(jié)果代人蠕變公式，得到蠕變?nèi)崃亢屠匣瘯r間的關(guān)系式J（h）。

（3）瀝青混合料和瀝青砂具有相似的壓縮變形和蠕變變形曲線，對瀝青砂材料的基于蠕變試驗和Burgers模型參數(shù)得到和紫外光老化簡單關(guān)系，可以用來作為研究瀝青混合料紫外光老化的依據(jù)。

參考文獻

[1] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[2] 虞將苗.瀝青混合料老化模擬試驗方法與驗證研究[J].公路交通科技，2005（10）.

[3] 王志臣. 基于細觀力學(xué)的瀝青混合料黏彈性能研究[D]. 大連海事大學(xué)碩士論文，2011.

[4] 李曉軍， 江麗華. 瀝青砂漿粘彈特性試驗與模型參數(shù)分析 [J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2011 （3） .

[5] 蔡宜洲， 葉永. 瀝青砂粘彈特性實驗研究 [J]. 工程力學(xué)， 2010（1） .

[6] 陳靜云， 周長紅， 王哲人. 瀝青混合料蠕變試驗數(shù)據(jù)處理與粘彈性計算 [J]. 東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007 （6） .

[7] 徐世法. 表征瀝青及瀝青混合料高低溫蠕變性能的流變學(xué)模型 [J]. 力學(xué)與實踐， 1992 （1） .

[8] 張肖寧.瀝青與瀝青混合料的粘彈力學(xué)原理及應(yīng)用[M].北京： 人民交通出版社，2006.

[9] 黃曉明，朱湘.瀝青路面設(shè)計[M]. 北京： 人民交通出版社， 2002.

[10] 田莉，胡霞光，劉玉，沙愛民.瀝青瑪蹄脂粘彈性模型參數(shù)分段線性擬合法[J].交通運輸工程學(xué)報，2009（2）.

[文章編號]1619-2737（2014）07-09-751

[作者簡介] 夏芳（1968-），男，籍貫：河南汝南人，學(xué)歷：本科，工學(xué)學(xué)士，職稱：高級工程師。主要研究方向：道路施工及路基處理技術(shù)。

3. 紫外光老化瀝青砂的粘彈性參數(shù)研究

Burgers模型是目前應(yīng)用的最為廣泛的粘彈性力學(xué)模型，能較好的反映瀝青砂漿的粘彈特性[4]，能夠描述蠕變的第一階段和第二階段[5]，Burgers模型比廣義Maxwell模型更能準(zhǔn)確表達瀝青混合料的本構(gòu)關(guān)系[6]，能反映瞬時彈性應(yīng)變、粘彈性應(yīng)變和粘性流動應(yīng)變，將粘性流動應(yīng)變描述為加載時間的線性函數(shù)[7]，因此本文選用Burgers模型描述瀝青砂粘彈性能。

3.1 瀝青砂粘彈性參數(shù)擬合結(jié)果及分析。

在對Burgers模型的參數(shù)進行擬合的過程中，參數(shù)初始值E0和η0的選取是重要的一步。因為初始值的選取如果與參數(shù)的實際值偏離太多，會造成迭代不收斂，或者造成迭代次數(shù)過多致使計算時間太長[8，9]。為了使獲得的參數(shù)值與實際相符，參數(shù)初始值的選取就非常重要。本文采用一種計算的方法求得Burgers模型參數(shù)初始值，該方法分以下幾步：

3.1.3 采用Matlab對多項式方程聯(lián)立求解，就可以唯一的確定其他三個參數(shù)E2，η1、η2的值，把求得的四個參數(shù)值作為所需輸入的參數(shù)初始值。

（1）采用分段擬合法[10]得到瀝青砂在不同紫外光照時間下的粘彈性參數(shù)值，如表4，并繪制了四個參數(shù)隨老化時間的變化曲線圖，如圖2所示。

上式表明可以用粘彈性參數(shù)和紫外光照時間相結(jié)合，用于評價瀝青砂在不同老化時間下的紫外光老化程度。

4. 結(jié)論

（1）本文通過單軸壓縮蠕變實驗得到蠕變曲線，據(jù)此對Burgers模型本構(gòu)方程中的參數(shù)進行擬合，從而確定了表述不同老化時間的瀝青砂粘彈性參數(shù)，分析了粘彈性參數(shù)隨老化程度的變化規(guī)律為隨著老化時間的增加， 四個參數(shù)都在增加， 應(yīng)變相應(yīng)減小。因為 E1 ， E2 和 η2 和永久變形無關(guān)， η1影響瀝青砂的永久變形，結(jié)果顯示η1 隨老化時間增加。

（2）對Burgers模型四參數(shù)和老化時間進行擬合，把擬合結(jié)果代人蠕變公式，得到蠕變?nèi)崃亢屠匣瘯r間的關(guān)系式J（h）。

（3）瀝青混合料和瀝青砂具有相似的壓縮變形和蠕變變形曲線，對瀝青砂材料的基于蠕變試驗和Burgers模型參數(shù)得到和紫外光老化簡單關(guān)系，可以用來作為研究瀝青混合料紫外光老化的依據(jù)。

參考文獻

[1] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

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[3] 王志臣. 基于細觀力學(xué)的瀝青混合料黏彈性能研究[D]. 大連海事大學(xué)碩士論文，2011.

[4] 李曉軍， 江麗華. 瀝青砂漿粘彈特性試驗與模型參數(shù)分析 [J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2011 （3） .

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[6] 陳靜云， 周長紅， 王哲人. 瀝青混合料蠕變試驗數(shù)據(jù)處理與粘彈性計算 [J]. 東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007 （6） .

[7] 徐世法. 表征瀝青及瀝青混合料高低溫蠕變性能的流變學(xué)模型 [J]. 力學(xué)與實踐， 1992 （1） .

[8] 張肖寧.瀝青與瀝青混合料的粘彈力學(xué)原理及應(yīng)用[M].北京： 人民交通出版社，2006.

[9] 黃曉明，朱湘.瀝青路面設(shè)計[M]. 北京： 人民交通出版社， 2002.

[10] 田莉，胡霞光，劉玉，沙愛民.瀝青瑪蹄脂粘彈性模型參數(shù)分段線性擬合法[J].交通運輸工程學(xué)報，2009（2）.

[文章編號]1619-2737（2014）07-09-751

[作者簡介] 夏芳（1968-），男，籍貫：河南汝南人，學(xué)歷：本科，工學(xué)學(xué)士，職稱：高級工程師。主要研究方向：道路施工及路基處理技術(shù)。

3. 紫外光老化瀝青砂的粘彈性參數(shù)研究

Burgers模型是目前應(yīng)用的最為廣泛的粘彈性力學(xué)模型，能較好的反映瀝青砂漿的粘彈特性[4]，能夠描述蠕變的第一階段和第二階段[5]，Burgers模型比廣義Maxwell模型更能準(zhǔn)確表達瀝青混合料的本構(gòu)關(guān)系[6]，能反映瞬時彈性應(yīng)變、粘彈性應(yīng)變和粘性流動應(yīng)變，將粘性流動應(yīng)變描述為加載時間的線性函數(shù)[7]，因此本文選用Burgers模型描述瀝青砂粘彈性能。

3.1 瀝青砂粘彈性參數(shù)擬合結(jié)果及分析。

在對Burgers模型的參數(shù)進行擬合的過程中，參數(shù)初始值E0和η0的選取是重要的一步。因為初始值的選取如果與參數(shù)的實際值偏離太多，會造成迭代不收斂，或者造成迭代次數(shù)過多致使計算時間太長[8，9]。為了使獲得的參數(shù)值與實際相符，參數(shù)初始值的選取就非常重要。本文采用一種計算的方法求得Burgers模型參數(shù)初始值，該方法分以下幾步：

3.1.3 采用Matlab對多項式方程聯(lián)立求解，就可以唯一的確定其他三個參數(shù)E2，η1、η2的值，把求得的四個參數(shù)值作為所需輸入的參數(shù)初始值。

（1）采用分段擬合法[10]得到瀝青砂在不同紫外光照時間下的粘彈性參數(shù)值，如表4，并繪制了四個參數(shù)隨老化時間的變化曲線圖，如圖2所示。

上式表明可以用粘彈性參數(shù)和紫外光照時間相結(jié)合，用于評價瀝青砂在不同老化時間下的紫外光老化程度。

4. 結(jié)論

（1）本文通過單軸壓縮蠕變實驗得到蠕變曲線，據(jù)此對Burgers模型本構(gòu)方程中的參數(shù)進行擬合，從而確定了表述不同老化時間的瀝青砂粘彈性參數(shù)，分析了粘彈性參數(shù)隨老化程度的變化規(guī)律為隨著老化時間的增加， 四個參數(shù)都在增加， 應(yīng)變相應(yīng)減小。因為 E1 ， E2 和 η2 和永久變形無關(guān)， η1影響瀝青砂的永久變形，結(jié)果顯示η1 隨老化時間增加。

（2）對Burgers模型四參數(shù)和老化時間進行擬合，把擬合結(jié)果代人蠕變公式，得到蠕變?nèi)崃亢屠匣瘯r間的關(guān)系式J（h）。

（3）瀝青混合料和瀝青砂具有相似的壓縮變形和蠕變變形曲線，對瀝青砂材料的基于蠕變試驗和Burgers模型參數(shù)得到和紫外光老化簡單關(guān)系，可以用來作為研究瀝青混合料紫外光老化的依據(jù)。

參考文獻

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[2] 虞將苗.瀝青混合料老化模擬試驗方法與驗證研究[J].公路交通科技，2005（10）.

[3] 王志臣. 基于細觀力學(xué)的瀝青混合料黏彈性能研究[D]. 大連海事大學(xué)碩士論文，2011.

[4] 李曉軍， 江麗華. 瀝青砂漿粘彈特性試驗與模型參數(shù)分析 [J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2011 （3） .

[5] 蔡宜洲， 葉永. 瀝青砂粘彈特性實驗研究 [J]. 工程力學(xué)， 2010（1） .

[6] 陳靜云， 周長紅， 王哲人. 瀝青混合料蠕變試驗數(shù)據(jù)處理與粘彈性計算 [J]. 東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007 （6） .

[7] 徐世法. 表征瀝青及瀝青混合料高低溫蠕變性能的流變學(xué)模型 [J]. 力學(xué)與實踐， 1992 （1） .

[8] 張肖寧.瀝青與瀝青混合料的粘彈力學(xué)原理及應(yīng)用[M].北京： 人民交通出版社，2006.

[9] 黃曉明，朱湘.瀝青路面設(shè)計[M]. 北京： 人民交通出版社， 2002.

[10] 田莉，胡霞光，劉玉，沙愛民.瀝青瑪蹄脂粘彈性模型參數(shù)分段線性擬合法[J].交通運輸工程學(xué)報，2009（2）.

[文章編號]1619-2737（2014）07-09-751

[作者簡介] 夏芳（1968-），男，籍貫：河南汝南人，學(xué)歷：本科，工學(xué)學(xué)士，職稱：高級工程師。主要研究方向：道路施工及路基處理技術(shù)。