加載順序及加載幅值對瀝青混合料性能的影響分析

丁 彪，鄭傳超，陳團結(jié)，彭子馨，鄒 玲

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075 ；2.長安大學 教育部特殊地區(qū)公路工程重點實驗室，陜西 西安 710064；3.西安西北民航項目管理公司，陜西 西安 710075 )

0 引 言

1 試驗準備

1.1 試驗方案

試驗時溫度分別為5、15、25 ℃，加載頻率為10 Hz，各級應(yīng)變分別為600、400、200 με，試驗中采用設(shè)定的次數(shù)來作為小梁的終止條件，如圖1，試驗分兩級加載，每級加載10 000次，試驗方案如表1，試驗終止條件設(shè)置示意圖見圖1，試驗中主要考慮加載順序及加載幅值對瀝青混合料勁度模量的變化、相位角的影響。

表1 試驗方案Table 1 Test programs

圖1 終止條件設(shè)置示意Fig. 1 Schematic diagram of setting termination conditions

1.2 試驗材料

試驗所采用的材料為SMA13瀝青混凝土。結(jié)合料采用陜西國琳華泰瀝青產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青，其主要技術(shù)指標為表2[8]。瀝青用量采用馬歇爾試驗進行，馬歇爾試驗結(jié)果如表3，根據(jù)馬歇爾各性能指標與油石比的關(guān)系，得出最佳油石比為6%。

表2 SBS改性瀝青技術(shù)性能參數(shù)Table 2 Technical performance parameters of SBS modified asphalt

表3 馬歇爾試驗結(jié)果Table 3 Marshall test results

2 加載順序及加載幅值對瀝青混合料參數(shù)變化分析

2.1 加載順序及加載幅值對勁度變化的影響

試驗結(jié)果如圖2～圖4：

圖2 5 ℃加載順序及加載幅值對勁度變化的影響Fig. 2 Effect of load sequence and load amplitude on the stiffness change of asphalt mixture at 5 ℃

圖3 15 ℃加載順序及加載幅值對勁度變化的影響Fig. 3 Effect of load sequence and load amplitude on the stiffness change of asphalt mixture at 15 ℃

圖4 25 ℃加載順序及加載幅值對勁度變化的影響Fig. 4 Effect of load sequence and load amplitude on the stiffness change of asphalt mixture at 25 ℃

從圖2～圖4中可以看出，試驗中采用的應(yīng)變越小，則瀝青混合料的初始勁度越大；低高順序加載過程中，第2階段的高應(yīng)變相同，第1階段的低應(yīng)變越低，則高應(yīng)變初始階段的勁度會越高，但是隨著加載次數(shù)的增加，兩者之間的差異逐漸減小。這主要是由于第1階段的應(yīng)變值越低，瀝青混合料的損傷越小，所以高應(yīng)變控制的初始階段勁度會相對變大。高低順序加載過程中，低應(yīng)變控制階段的勁度變化出現(xiàn)兩種情況，400 με作用下勁度表現(xiàn)為衰減現(xiàn)象，而200 με作用下勁度先逐漸增大然后逐漸減小。

2.2 加載順序及加載幅值對相位角變化的影響

相位角反應(yīng)的是黏彈性材料的黏性成分和彈性成分的比例，相位角越大表示黏性成分越多，越小表示彈性越強，一般情況下，將其與復(fù)模量一起評價瀝青或瀝青混合料的高溫性能。本節(jié)主要研究了不同加載順序和加載幅值的變化對瀝青混合料的相位角的影響，試驗結(jié)果如圖5～圖7。

圖5 5 ℃加載順序及加載幅值對相位角變化的影響Fig. 5 Effect of load sequence and load amplitude on the phase angle change of asphalt mixture at 5 ℃

圖6 15 ℃加載順序及加載幅值對相位角變化的影響Fig. 6 Effect of load sequence and load amplitude on the phase angle change of asphalt mixture at 15 ℃

圖7 25 ℃加載順序及加載幅值對相位角變化的影響Fig. 7 Effect of load sequence and load amplitude on the phase angle change of asphalt mixture at 25 ℃

從圖5～圖7中可以看出，5 ℃和15 ℃條件下，加載順序?qū)ο辔唤堑淖兓杏绊?，而?5 ℃條件下，加載順序?qū)ο辔唤堑挠绊戄^小。由圖5和圖6可以看出，低高荷載順序作用下，第1階段的低應(yīng)變值越低，初始相位角越小，(200+600) με和(400+600) με兩種加載條件下高應(yīng)變階段相位角的變化趨于一致，這種現(xiàn)象說明對于低高荷載，相位角最終變化結(jié)果由第2階段的高應(yīng)變決定。在高低荷載順序作用下，相位角的變化會出現(xiàn)兩種情況，當?shù)蛻?yīng)變的幅值與前一階段的高應(yīng)變較為接近時，相位角會隨著荷載作用次數(shù)的增加而增加，當?shù)蛻?yīng)變的幅值與高應(yīng)變相差較大時，相位角先減小后增加。這種現(xiàn)象與勁度的變化趨勢正好相反，圖8為兩種變量在高低應(yīng)變順序作用條件下200 με控制階段的變化趨勢，相位角先下降后上升，勁度模量先上升后下降。

在應(yīng)變疲勞試驗中，瀝青混合料的勁度模量為復(fù)數(shù)模量，其值為應(yīng)力和相應(yīng)的應(yīng)變之比，假設(shè)對試驗的小梁施加一個正弦交變應(yīng)變γ(t)=γ0sinωt，該試樣做出的應(yīng)力響應(yīng)會超前于應(yīng)變一個相位角δ，記為τ(t)=τ0exp[i(ωt+δ)] ，則復(fù)數(shù)模量G*表示為

G*=|G*|(cosδ+isinδ)=G′+iG″

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

同時可以根據(jù)式(2)和式(3)計算出彈性模量和黏性模量的值。為了能夠直觀的表達高低應(yīng)變加載條件下彈性模量與黏性模量的變化，筆者選取了5 ℃(600+200) με加載條件下兩種模量隨加載次數(shù)的變化結(jié)果，分別見圖9和圖10。

圖10 (600+200) με作用下200 με控制時兩種模量變化圖Fig. 10 Variation of two kinds of modulus in the stage of 200 με under (600+200) με

從以上兩幅圖中可以看出，在5 ℃時，瀝青混合料的彈性成分所占的比例較大，在600 με控制階段，彈性模量和黏性模量都隨著荷載作用次數(shù)的增加而減小，彈性模量下降的幅度比較大，黏性模量下降幅度較?。辉?00 με控制階段，0～2 000次作用左右，彈性模量有所增加，在2 000～10 000次范圍內(nèi)，又逐漸降低，但幅度較小，而黏性模量隨著荷載作用的增加一直減小。因此可以判定第2階段的勁度模量的增大以及相位角的減小主要是由于彈性模量的恢復(fù)引起的，在高低順序作用下，當?shù)?階段采用的應(yīng)變控制值較大時，損傷占主導(dǎo)地位，彈性模量依然逐漸降低，因此出現(xiàn)當?shù)?階段采用400 με作用時，勁度模量下降，相位角增大的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

以設(shè)定的加載次數(shù)作為瀝青混合料疲勞試驗的終止條件，采用了不同的應(yīng)變幅值，分析了不同加載順序條件下瀝青混合料的動態(tài)黏彈性特性，得出了以下結(jié)論：

1) 當采用先低后高的加載順序，瀝青混合料的勁度在前后兩階段都會隨著加載次數(shù)的增加而逐漸遞減；相位角在前后兩階段都隨著加載次數(shù)的增加而增大。

2) 采用先高后低的加載順序，勁度在高應(yīng)變條件下隨著加載次數(shù)的增加而減小，相位角隨著加載次數(shù)的增加而增大；在低應(yīng)變控制階段，兩種參數(shù)的變化與加載的幅值變化有關(guān)，當兩者變化幅值不大時，勁度會隨著加載次數(shù)的增加而減小，相位角隨著加載次數(shù)的增加而增大，當?shù)蛻?yīng)變與高應(yīng)變兩者差異較大時，勁度會先增加而減小，相位角則先減小后增大。

3) 作為黏彈性材料，無論是高應(yīng)變還是低應(yīng)變階段，瀝青混合料的黏性模量隨著加載次數(shù)的增加是逐漸減小的，而彈性模量在低應(yīng)變控制的初始階段是有所恢復(fù)的，在先高后低加載順序中勁度與相位角的變化與彈性模量的恢復(fù)是有關(guān)聯(lián)的。

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