瀝青混合料高溫蠕變失穩(wěn)點預(yù)測模型及參數(shù)影響

顧興宇 呂俊秀 張小元 鄒曉勇

(1東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096)(2金華市公路管理局, 金華 321103)

瀝青混合料高溫蠕變失穩(wěn)點預(yù)測模型及參數(shù)影響

顧興宇1呂俊秀1張小元1鄒曉勇2

(1東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096)(2金華市公路管理局, 金華 321103)

基于壓剪破壞理論,建立了密級配瀝青混合料高溫蠕變失穩(wěn)點預(yù)測模型,并研究了模型參數(shù)的影響因素．利用三軸壓縮試驗,獲得瀝青混合料不同圍壓下高溫抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度參數(shù)．在相同溫度及對應(yīng)圍壓下,實施不同載荷水平的三軸動態(tài)蠕變試驗,得到混合料高溫失穩(wěn)點對應(yīng)的流變次數(shù)FN,分析了不同圍壓下FN變化規(guī)律,建立了一個新的預(yù)測FN模型．此外,通過試驗對摻加不同添加劑混合料的FN預(yù)測值進(jìn)行了驗證,進(jìn)一步分析了級配及溫度對模型參數(shù)的影響．結(jié)果表明,瀝青混合料失穩(wěn)點FN預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果有較好一致性,改變級配或試驗溫度均會對預(yù)測模型參數(shù)產(chǎn)生較大影響,而添加劑的影響則可忽略,當(dāng)溫度為60 ℃時AC20級配混合料參數(shù)a，b值比AC13級配參數(shù)分別減小約52.1%，18.3%,且同一級配材料隨溫度升高,參數(shù)a波動較大,b則增長明顯．

瀝青混合料;蠕變失穩(wěn)點;三軸試驗;預(yù)測模型

Abstract: The prediction models of the creep instability points of dense-graded asphalt mixtures were established at high temperatures, and the influence factors of model parameters were studied, based on the pressure-shear failure theory. First, the compressive strength values under different confining pressures and shear strength parameters were obtained through triaxial compression tests at high temperatures. Secondly, multiple repeated pressure values were applied to dynamic triaxial creep tests at the same temperature and corresponding confining pressure, and the rheological numbers (FN) corresponding to the creep instability points of the asphalt mixtures were obtained. Thirdly, the prediction models of the asphalt mixtures were established by analyzing the change law ofFNunder different confining pressures and cyclic loading pressures. Finally, theFNvalues of the different additive mixtures were predicted using the models. The reliability of the prediction results was verified by the test. Furthermore, the influence factors of model parameters were studied by changing the graduation and test temperatures. Results show that the predictedFNvalues of the asphalt mixtures are in agreement with the experimental results, and the model parameters are affected by the graduation and test temperatures. But the influence of additive can be ignored. The parametersaandbof AC20 gradation mixture are reduced by nearly 52.1% and 18.3%, respectively. The parameterawaves significantly, and the parameterbincreases obviously with the increase of the temperature under the same gradation mixture.

Keywords: asphalt mixture; creep instability points; triaxial test; prediction model

車轍是我國半剛性基層瀝青混凝土路面的主要破壞形式之一,其中失穩(wěn)型車轍的出現(xiàn)嚴(yán)重地降低了路面的平整度及安全性[1-2]．國內(nèi)外在進(jìn)行高溫車轍變形研究過程中,常采用單軸及三軸靜態(tài)或動態(tài)蠕變試驗[3-4]．文獻(xiàn)[5-6]模擬了實際路面受力,提出了基于實際路面抗剪環(huán)境的單軸貫入試驗及局部三軸試驗．這些方法可有效比較不同瀝青混合料高溫性能,獲取抗剪參數(shù)指標(biāo),為評價和預(yù)測瀝青混凝土路面車轍提供了參數(shù)．此外,通過分析重復(fù)荷載下瀝青混合料蠕變曲線的變化規(guī)律,文獻(xiàn)[7-8]建立了車轍預(yù)估模型,但主要集中于對車轍深度的預(yù)測,而對車轍失穩(wěn)出現(xiàn)時間的研究則相對較少．文獻(xiàn)[9]研究表明,瀝青混合料的蠕變過程一般會經(jīng)歷初始壓密、穩(wěn)定增長及加速失穩(wěn)3個階段．在初始壓密階段,主要表現(xiàn)為瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新調(diào)整引起混合料體積變形;穩(wěn)定增長階段主要為瀝青混合料黏彈塑性累積及內(nèi)部石料破碎引起混凝土強(qiáng)度降低形成的變形;加速失穩(wěn)階段主要為混合料強(qiáng)度失穩(wěn)導(dǎo)致的變形過大．其中流變次數(shù)FN(即第3階段起始點所對應(yīng)的荷載作用次數(shù),該點所對應(yīng)的應(yīng)變變化率最小)是評價混合料高溫穩(wěn)定性的常用指標(biāo)．

由于瀝青混合料本構(gòu)的復(fù)雜性,其累積變形及失穩(wěn)過程是多因素作用的結(jié)果,涉及材料本構(gòu)、溫度、荷載等多方面因素,采用精確的模型來預(yù)測失穩(wěn)點仍有較大難度．但從瀝青混合料蠕變試驗可看出,其本質(zhì)是特定溫度、特定荷載作用下瀝青混合料蠕變及壓剪循環(huán)引起的變形累積與變形失穩(wěn),因此可基于壓剪破壞對這一現(xiàn)象作出解釋．為此,本文將通過三軸壓縮試驗來獲取特定溫度下瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù),再利用不同圍壓、加載壓應(yīng)力下瀝青混合料三軸動態(tài)蠕變曲線得到對應(yīng)失穩(wěn)點的流變次數(shù)FN,建立表征荷載與失穩(wěn)點流變次數(shù)相關(guān)的壓剪破壞方程,實現(xiàn)對瀝青混合料蠕變失穩(wěn)點的預(yù)測,進(jìn)一步對預(yù)測模型進(jìn)行驗證及參數(shù)影響因素研究．

1 材料與試驗方法

1.1 材料

試驗選用AC13和AC20兩種密級配瀝青混合料,瀝青為等級PG76-22的SBS改性瀝青．AC13級配的粗集料為玄武巖,而該級配的細(xì)集料及AC20級配的集料則均采用石灰?guī)r．填料均為石灰?guī)r礦粉,粒徑小于0.075 mm．原材料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)程JTG E20—2011[10]的要求,2種瀝青混合料設(shè)計級配見表1．AC13和AC20級配瀝青混合料油石質(zhì)量比分別為4.9%和4.4%．

表1 瀝青混合料級配

1.2 試驗方法與試件成型

三軸試驗中材料受力狀態(tài)與實際路面三向受力狀態(tài)較為接近,因此本文均采用三軸壓縮試驗以獲取瀝青混合料抗剪強(qiáng)度參數(shù),采用三軸動態(tài)蠕變試驗來研究和預(yù)測混合料高溫性能及失穩(wěn)點,其中循環(huán)加載波型為加載0.1 s、卸載0.9 s的半正弦波．試驗均在萬能材料試驗機(jī)UTM-25中進(jìn)行,加載前將試件置于空氣浴中保溫4 h以上,以確保實際加載試件內(nèi)部均達(dá)到試驗溫度．

試驗利用空氣壓力機(jī)加壓三軸室內(nèi)氣體,以保證試件所受圍壓均勻,三軸試驗裝置如圖1所示．試件采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型獲得尺寸為φ150 mm×170 mm的圓柱形試件,再鉆芯得到φ100 mm×150 mm的加載試件,其中每組試驗均采用3個平行試件．

圖1 三軸試驗裝置及試樣

2 抗剪強(qiáng)度理論與參數(shù)

2.1 基本理論

瀝青混合料是由強(qiáng)度較高的粒料與黏結(jié)力較弱的瀝青材料構(gòu)成的混合體,屬于分散體系,根據(jù)其顆粒性特征,可認(rèn)為瀝青混合料強(qiáng)度構(gòu)成源于2方面:① 瀝青產(chǎn)生黏結(jié)力;② 骨料產(chǎn)生內(nèi)摩阻力．因此,在對瀝青混合料強(qiáng)度構(gòu)成特性開展研究時,諸多學(xué)者普遍采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則作為分析瀝青混合料的強(qiáng)度理論,并用黏結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ作為強(qiáng)度理論的分析指標(biāo)[11]．

通過三軸壓縮試驗,獲得零圍壓及某一非零圍壓σ3下的抗壓強(qiáng)度σu及σ1,以此做出相應(yīng)莫爾圓,可得到抗剪強(qiáng)度參數(shù)c,φ及破壞面上的抗剪值τ0.此外,假設(shè)在三軸動態(tài)蠕變試驗中,試件在循環(huán)荷載σn作用過程中破壞面未發(fā)生失穩(wěn),則破壞面上剪應(yīng)力值為τn,如圖2所示,抗剪強(qiáng)度參數(shù)及破壞面上剪應(yīng)力值的計算式為

(1)

(2)

(3)

圖2 破壞面上剪應(yīng)力值求解示意圖

(4)

式中,σ3為三軸壓縮試驗中試件所受圍壓;σ1為非零圍壓σ3作用下的材料抗壓強(qiáng)度;σn為循環(huán)荷載,數(shù)值小于相同試驗條件下的σ1;τ0為三軸受壓破壞時破壞面上的剪應(yīng)力;τn為三軸蠕變試驗過程中破壞面上的剪應(yīng)力．

將式(1)、(2)分別代入到式(3)、(4)中,消去中間變量,可得

(5)

(6)

即τ0與τn和抗剪強(qiáng)度參數(shù)c，φ值及混合料受力狀態(tài)相關(guān)．

2.2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

設(shè)定溫度為60 ℃,圍壓分別為0,69,138 kPa,對AC13及AC20級配瀝青混合料分別進(jìn)行三軸壓縮破壞試驗．基于莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則,獲得各圍壓下的莫爾圓,并根據(jù)零圍壓及任意非零圍壓下的莫爾圓組合得到相應(yīng)抗剪強(qiáng)度參數(shù)c,φ,取均值用于后續(xù)研究．試驗結(jié)果如表2所示．

表2 三軸壓縮試驗結(jié)果

3 三軸動態(tài)蠕變試驗結(jié)果及失穩(wěn)點預(yù)測模型

3.1 流變次數(shù)FN合理性分析

基于表2中AC13混合料的試驗結(jié)果,在各圍壓下分別設(shè)置小于對應(yīng)抗壓強(qiáng)度值的5個壓應(yīng)力載荷σn,分別進(jìn)行三軸動態(tài)蠕變試驗,各圍壓下分別進(jìn)行3組試驗(組1,組2和組3)．由此可獲得材料應(yīng)變與循環(huán)加載數(shù)之間的關(guān)系,即蠕變曲線,進(jìn)而可利用該曲線獲得材料失穩(wěn)點所對應(yīng)的流變次數(shù)FN,即材料破壞的壽命,結(jié)果如圖3所示．

由圖3可知,圍壓值相同時,隨荷載增加,FN值呈指數(shù)下降;當(dāng)荷載相同時,如壓應(yīng)力σn為0.9 MPa時,圍壓越大,混合料試驗所獲得的FN值越大,即壽命越長,此時相對于圍壓0,69和138 kPa下試件FN值分別增加了約73.3%和333.3%．

根據(jù)15個試件失穩(wěn)點對應(yīng)的FN試驗結(jié)果作圖,如圖4所示.由圖可見,FN值均位于2倍安全因子分散帶內(nèi),這說明試驗所得的FN值較為合理[12]．與此同時,試件所受的壓應(yīng)力σn越大,數(shù)據(jù)的離散性也相對越大;而隨著σn的逐漸減小,FN值也越接近中值線,即離散性也越小.總體而言，數(shù)據(jù)用于循環(huán)破壞分析是合理的．

3.2 流變次數(shù)FN預(yù)測模型

取三軸動態(tài)蠕變試驗所得的流變次數(shù)FN的均值(即2倍安全因子分散帶的中值)作為60 ℃時混合料壽命進(jìn)行分析,進(jìn)一步從壓剪破壞角度對不同應(yīng)力水平下混合料變形失穩(wěn)開展研究,其中破壞面上剪應(yīng)力值τn可通過式(6)得到,c,φ值的試驗結(jié)果見表2．

(a) 圍壓0 kPa

(b) 圍壓69 kPa

(c) 圍壓138 kPa

圖3AC13級配瀝青混合料流變次數(shù)FN試驗結(jié)果

由圖5(a)可知,對同種瀝青混合料,圍壓一定時,隨τn值的減小,FN值呈指數(shù)上升趨勢,在τn值減小到一定程度時，F(xiàn)N趨于無窮,且圍壓值越大,瀝青混合料壽命越長，破壞極限剪應(yīng)力值越大．

為得到較為統(tǒng)一的失穩(wěn)預(yù)估模型,將混合料在某一圍壓下三軸動態(tài)蠕變試驗和壓縮試驗所得破壞面上的剪應(yīng)力比值τn/τ0作為變形曲線的x軸,對應(yīng)的循環(huán)加載所得流變次數(shù)FN作為y軸,可得到消除圍壓影響的壽命曲線,如圖5(b)所示．

選用以下指數(shù)函數(shù)模型來反映圖5(b)的變化規(guī)律:

(7)

式中,a,b為待求參數(shù)．τn和τ0可分別通過式(5)、(6)計算得到．

(a) 圍壓0 kPa

(b) 圍壓69 kPa

(c) 圍壓138 kPa

圖4AC13瀝青混合料流變次數(shù)FN兩倍安全因子分散帶

通過擬合試驗結(jié)果，得到AC13瀝青混合料變形失穩(wěn)點的預(yù)估模型,即

(8)

其中,a=550.541 420,b=-4.851 116．

3.3FN預(yù)測模型的驗證

在實際工程中,為增加瀝青路面上層材料的高溫穩(wěn)定性,通常在瀝青混合料中加入一定比例的添加劑,如纖維和抗車轍劑[13]．增加添加劑可改變?yōu)r青膠結(jié)料的性能,增強(qiáng)其黏結(jié)能力,從而使得混合料抗剪強(qiáng)度參數(shù)c增大．而瀝青混合料內(nèi)摩擦角φ不僅與集料間的摩擦有關(guān),還受集料與瀝青間的黏

(a)τn-FN曲線

(b)τn/τ0-FN曲線

圖5AC13瀝青混合料流變次數(shù)FN變化曲線

結(jié)力影響,隨黏結(jié)力c增大,φ也增大．級配未改變時,只需測出模型中的c,φ值,并在某一圍壓下根據(jù)循環(huán)加載值σn,利用式(5)和(6)就可得到模型(8)的剪應(yīng)力比值τn/τ0,進(jìn)而可通過模型(8)預(yù)測對應(yīng)受力狀態(tài)下失穩(wěn)點的FN值．

本文在AC13級配混合料中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%和0.3%的抗車轍劑Domix和玄武巖纖維,在60 ℃下對FN值的預(yù)測模型(8)進(jìn)行驗證．通過三軸壓縮試驗后,分別獲得抗剪參數(shù)值,見表3.其中，AC13-DX表示在混合料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%抗車轍劑Domix;AC13-BF表示在混合料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%玄武巖纖維．在138 kPa圍壓下,對2種混合料進(jìn)行壓應(yīng)力載荷σn分別為0.9,1.0,1.2,1.5 MPa的三軸動態(tài)蠕變試驗，以此來驗證模型預(yù)測結(jié)果的合理性．

由圖6(a)可知,FN試驗值與模型預(yù)測值變化規(guī)律一致．圖6(b)表明,試驗結(jié)果均在預(yù)測值的2倍因子分散帶內(nèi),說明預(yù)測模型是合理的.因此本模型可對混合料失穩(wěn)點出現(xiàn)的時間進(jìn)行有效預(yù)測．同時也說明溫度相同時,膠結(jié)料性質(zhì)的改變主要體現(xiàn)在c,φ值上,即在模型剪應(yīng)力比τn/τ0中得以反映,對模型參數(shù)a和b的影響可忽略．

表3 含添加劑AC13瀝青混合料三軸壓縮試驗結(jié)果

4 模型參數(shù)影響因素分析

由上述研究可知,試驗溫度相同時,在瀝青混合料中加入纖維或抗車轍劑后,膠結(jié)料性質(zhì)發(fā)生改變,對模型的影響主要與剪應(yīng)力比值有關(guān),與a，b的取值無關(guān)．為進(jìn)一步研究對模型參數(shù)a和b的影響因素,本文分別改變了混合料級配及試驗溫度,利用上述相同方法獲得相應(yīng)預(yù)測模型．

4.1 級配類型

通過三軸受壓破壞試驗獲得溫度為60 ℃,圍壓分別為0,69,138 kPa的AC20級配瀝青混合料抗壓強(qiáng)度值,見表2．以此結(jié)果為基礎(chǔ),在圍壓138 kPa下,設(shè)置小于對應(yīng)抗壓強(qiáng)度值的5個壓應(yīng)力值σn分別進(jìn)行三軸動態(tài)蠕變試驗.與AC13瀝青混合料的試驗方法相同,在獲得材料失穩(wěn)點所對應(yīng)的流變次數(shù)FN后，取FN的均值,即2倍安全因子分散帶的中值作為該溫度下試件的壽命,試驗結(jié)果如圖7(a)所示．由圖可知,對于AC20級配瀝青混合料,在138 kPa圍壓下隨破壞面上剪應(yīng)力值τn的減小,流變次數(shù)FN呈指數(shù)上升趨勢,并在τn減小到一定程度時趨于無窮.對比同一圍壓下2種瀝青混合料的τn-FN曲線可知,在剪應(yīng)力值τn相同時,AC20級配瀝青混合料的壽命要明顯小于AC13級配混合料的壽命,破壞極限剪應(yīng)力值也相對較?。?/p>

類似于AC13混合料的處理方法,利用指數(shù)函數(shù)模型(7)擬合圖7(b)中的點，可得到相應(yīng)的變形曲線.AC20瀝青混合料的變形失穩(wěn)點的預(yù)估模型為

(9)

式中,a=263.488 930,b=-5.739 202．

由圖7(b)可知,在剪應(yīng)力比τn/τ0相同時,AC13級配瀝青混合料壽命相對較好，破壞極限也相對較高．對比預(yù)測模型(8)和(9)可知,參數(shù)a,b值發(fā)生了明顯改變,相對于AC13級配,AC20級配瀝青混合料預(yù)測模型參數(shù)a，b值分別減小了52.1%和18.3%,因此級配對模型參數(shù)的影響不可忽略．

4.2 溫度

通過三軸受壓破壞試驗獲得溫度分別為40,50,70 ℃,圍壓分別為0,69,138 kPa時,AC13級配瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度值,見表4．以此結(jié)果為基礎(chǔ),在圍壓0 kPa下,設(shè)置小于對應(yīng)抗壓強(qiáng)度值的多個壓應(yīng)力值σn,分別進(jìn)行三軸動態(tài)蠕變試驗.與前述試驗方法相同，先獲得材料失穩(wěn)點對應(yīng)的流變次數(shù)FN,并對其合理性進(jìn)行分析,取2倍安全因子分散帶的中值來擬合τn/τ0-FN曲線,如圖8(a)所示．

(a) τn-FN曲線

(b) τn/τ0-FN曲線

表4 不同溫度下AC13級配混合料三軸壓縮試驗結(jié)果

(a)τn/τ0-FN曲線

(b) 預(yù)測模型參數(shù)的變化情況

圖8溫度對AC13級配瀝青混合料預(yù)測模型的影響

由圖8(a)可知,當(dāng)剪應(yīng)力比值τn/τ0較大時,溫度對流變次數(shù)FN值的影響較小;隨τn/τ0的減小,溫度越低,混合料的壽命越長,破壞極限也越大．混合料在40 ℃的破壞極限相較70 ℃提高了近37.5%．因此溫度對瀝青混合料失穩(wěn)點預(yù)測模型參數(shù)的影響較大,利用指數(shù)函數(shù)模型(7)擬合各溫度下試驗結(jié)果所得的a和b值如圖8(b)所示．

5 結(jié)論

1) 通過研究AC13級配瀝青混合料在60 ℃下高溫蠕變的變化規(guī)律,建立了破壞面上剪應(yīng)力比值與流變次數(shù)FN相關(guān)的預(yù)測模型,并利用含纖維及抗車轍劑的同級配瀝青混合料的試驗,驗證了預(yù)測模型的合理性．

2) 僅改變?yōu)r青混合料膠結(jié)料的性能,如加入添加劑,不會對預(yù)測模型中參數(shù)a和b產(chǎn)生明顯影響;而改變?yōu)r青混合料的級配及試驗溫度,均會對預(yù)測模型參數(shù)a和b值產(chǎn)生較大影響．

3) 相對于AC13級配,AC20級配瀝青混合料在60 ℃下的預(yù)測模型參數(shù)a，b值分別減小了52.1%和18.3%;而隨著溫度的升高,AC13級配瀝青混合料預(yù)測模型參數(shù)a整體呈現(xiàn)波動趨勢,b則呈現(xiàn)增長趨勢．

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Predictionmodelsofcreepinstabilitypointsforasphalt
mixturesathightemperatureandparameterseffectsonmodel

Gu Xingyu1Lü Junxiu1Zhang Xiaoyuan1Zou Xiaoyong2

(1School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096,China)
(2Jinhua Highway Administration Bureau, Jinhua 321103, China)

U416.217

A

1001-0505(2017)05-1013-07

2017-03-03.

顧興宇(1976—),男,博士,副教授,博士生導(dǎo)師,guxingyu1976@163.com．

國家自然科學(xué)基金資助項目 (51108082)．

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10.3969/j.issn.1001-0505.2017.05.027.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.05.027