基于重復(fù)加載蠕變試驗(yàn)的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能研究

祁 峰

（西安公路研究院，陜西 西安710054）

0 引言

瀝青混合料是一種典型的黏彈性材料?；旌狭系淖冃纬潭入S荷載作用時間的長短而不同，因而在研究其變形性質(zhì)時必須說明變形所處的時間。另一方面，瀝青混合料的變形隨溫度的變化而變化，高溫時其彈性效應(yīng)降低，黏性性質(zhì)增強(qiáng)；低溫時剛度增大，彈性效應(yīng)明顯，黏性性質(zhì)減弱，故評價瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)必須說明其所處的條件。瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性是其重要的性能之一，通常是指瀝青混合料在高溫下能保持原有強(qiáng)度、剛度等性能，其高溫穩(wěn)定性不足的主要表現(xiàn)形式就是車轍的產(chǎn)生。

由于車轍試驗(yàn)不能記錄瀝青混合料隨時間的變形機(jī)理，所以采用車轍試驗(yàn)研究瀝青混合料力學(xué)特性顯然是不夠的。蠕變試驗(yàn)可以模擬瀝青混合料發(fā)生蠕變破壞的全過程，可通過測定試驗(yàn)過程中瀝青混合料的應(yīng)力、應(yīng)變而得到蠕變曲線來檢驗(yàn)瀝青混合料的黏彈性。重復(fù)加載蠕變試驗(yàn)?zāi)軌蛴行M路面在行車荷載作用下的變形發(fā)展過程，通過對試驗(yàn)條件的設(shè)定能全面地反映材料的抗高溫變形能力，試驗(yàn)得到的指標(biāo)參數(shù)能較好地評價瀝青混合料的高溫性能。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 材料選擇及試驗(yàn)設(shè)備

瀝青采用SBS改性瀝青，其性質(zhì)符合重交通道路石油瀝青質(zhì)量要求。粗、細(xì)集料采用陜西西戶高速公路大修工程用角閃巖，礦粉為磨細(xì)石灰石。為使試驗(yàn)結(jié)果具有普遍性，采用AC—13、AC—16、AC—20三種級配進(jìn)行試驗(yàn)研究；試驗(yàn)儀器采用美國生產(chǎn)的810MTS（Material Test System）材料試驗(yàn)機(jī)，該儀器利用電液伺服閉環(huán)系統(tǒng)對路面材料按靜載的方式加載，通過計(jì)算機(jī)采集加載和卸載數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)方法

為了更好地模擬實(shí)際路面材料受力狀態(tài)和行車荷載特性，試驗(yàn)采用MTS 材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行重復(fù)加載蠕變試驗(yàn)。由于我國大部分地區(qū)夏季路面最高氣溫可能達(dá)到60～65℃以上，同時考慮到我國超載、重載較為普遍，試驗(yàn)采用40℃、50℃和60℃三個溫度，以標(biāo)準(zhǔn)軸載0.7MPa 的半正弦波間歇荷載進(jìn)行重復(fù)加載，加載時間為0.1s，間歇時間為0.9s，試驗(yàn)加載過程如圖1 所示。為消除應(yīng)力影響，試驗(yàn)開始時以5%的軸心應(yīng)力預(yù)壓10min。

圖1 重復(fù)蠕變試驗(yàn)原理圖

為了提高試驗(yàn)精度，消除加載應(yīng)力、試件高度和試件端面對試驗(yàn)結(jié)果的影響，試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型Φ150mm×H150mm 的大型試件，再鉆芯并切割出尺寸為Φ100mm×H110mm 的試件，試驗(yàn)前試件在要求溫度下保溫24h；為消除試件端部約束效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)精度的影響，試驗(yàn)中對試件上下端面各墊一張3mm 厚聚四氟乙烯薄膜，薄膜間涂潤滑油。

2 試驗(yàn)結(jié)果

對AC—13、AC—16、AC—20 三種級配瀝青混合料分別在40℃、50℃、60℃進(jìn)行重復(fù)加載蠕變試驗(yàn)，得到蠕變曲線如圖2所示。

圖2 不同級配和溫度下的重復(fù)加載蠕變曲線

由圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）的重復(fù)加載蠕變曲線可以看出，隨著荷載作用次數(shù)的增加，三種不同的瀝青混合料在荷載作用下的變形均經(jīng)歷三個階段：（1）遷移期：在荷載作用下，變形迅速增大，但應(yīng)變速率隨時間增加逐漸減?。唬?）穩(wěn)定期：在荷載作用下，應(yīng)變穩(wěn)定增長，但應(yīng)變速率基本保持不變；（3）破壞期：在荷載作用下，應(yīng)變、應(yīng)變速率隨時間增加迅速增大直至破壞。

由圖2（d）、圖2（e）、圖2（f）可知，瀝青混合料在荷載作用下隨著溫度的增加其變形量發(fā)展相應(yīng)較快。隨著溫度的增大，瀝青混合料變形加快，破壞期會提前到來，說明溫度的升高會加速路面車轍的產(chǎn)生。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

瀝青混合料是一種典型的溫度敏感性材料，其力學(xué)特性和路用性能隨溫度的變化而顯著變化。車轍作為瀝青路面結(jié)構(gòu)最常見的破壞形式之一，其產(chǎn)生機(jī)理和發(fā)展過程都與路面溫度的變化密切相關(guān)。

通過對重復(fù)加載蠕變曲線進(jìn)行分析、處理得到蠕變勁度E、流變次數(shù)Fn及相應(yīng)永久應(yīng)變ξp，在雙對數(shù)坐標(biāo)系下回歸得到截距a和斜率b（見表1），七個參數(shù)隨溫度變化的變化規(guī)律見圖3。流變次數(shù)Fn定義為第三階段開始點(diǎn)對應(yīng)的荷載作用次數(shù)?？梢酝ㄟ^計(jì)算得到永久應(yīng)變ξp對荷載作用次數(shù)n的變化率(ξpslope)，當(dāng)永久應(yīng)變率降低到最小后會保持恒定一段時間，其開始增大的點(diǎn)對應(yīng)的荷載作用次數(shù)即為流動次數(shù)Fn。

表1 重復(fù)加載蠕變試驗(yàn)高溫穩(wěn)定性參數(shù)提取

圖3 不同參數(shù)隨溫度的變化趨勢

（1）由圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）可以看出，在一定頻率下，荷載作用次數(shù)為500、1 000、2 000、3 000次時的勁度模量隨溫度變化的變化規(guī)律基本保持一致，即隨著溫度的升高，蠕變勁度E逐漸減小。這是因?yàn)楫?dāng)加載頻率一定時，隨著混合料溫度的升高，作為結(jié)合料瀝青的勁度模量降低，在應(yīng)力作用下，混合料集料骨架的變形行為變得明顯，吸收部分能量，回彈能力減弱，表現(xiàn)為混合料勁度模量的降低。

（2）流變次數(shù)Fn隨著溫度的升高而逐漸減小。這是由于，隨著溫度的增加，瀝青混合料中的膠結(jié)料瀝青逐漸軟化，而軟化的膠結(jié)料會對集料之間的嵌擠產(chǎn)生潤滑作用，必然會導(dǎo)致混合料內(nèi)摩擦力的減小，從而使整個混合料的強(qiáng)度降低，表現(xiàn)出流動次數(shù)隨著溫度增加而逐漸減小的趨勢。而圖3（f）表明流動次數(shù)Fn所對應(yīng)的永久變形ξp隨著溫度的變化沒有明顯的規(guī)律性。

（3）截距a隨著溫度的變化沒有明顯的規(guī)律性，而斜率b則隨著溫度的增加而增大，溫度從40℃增加到50℃時斜率b增大的幅度相對較小，而從50℃增加到60℃時其增大的幅度較為明顯，說明溫度越高斜率增加的幅度越大。

（4）當(dāng)加載應(yīng)力為0.7MPa、溫度為60℃時，勁度模量、流動次數(shù)和斜率b對于三種不同的混合料區(qū)分度最大。因此，將60℃作為重復(fù)加載蠕變試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)溫度是可行的。

4 結(jié)論

（1）重復(fù)蠕變試驗(yàn)原理與路面實(shí)際荷載-變形響應(yīng)模型比較接近，能夠充分考慮改性瀝青延遲彈性恢復(fù)性能對高溫性能的影響，是一種比較科學(xué)的試驗(yàn)方法。

（2）在相同的荷載應(yīng)力下，隨著溫度的增大，瀝青混合料變形加快。隨著溫度的增加勁度模量逐漸減小，流動次數(shù)Fn值下降，斜率b增大；永久變形ξp隨著溫度的變化沒有明顯的規(guī)律性。

（3）加載應(yīng)力為0.7MPa、溫度為60℃時，勁度模量、流動次數(shù)和斜率b對于三種不同的混合料區(qū)分度最大。因此，可將0.7MPa、60℃作為重復(fù)加載蠕變試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件。

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