基于逐級(jí)加載的彎曲蠕變?cè)囼?yàn)分析瀝青混合料低溫開裂性能

李超，潘科，王嵐

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特，010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特，010051)

在瀝青中加入改性劑制備成改性瀝青已經(jīng)廣泛運(yùn)用到道路建設(shè)中，常見的改性劑有苯乙烯丁二烯嵌段共聚物(SBS)、膠粉(CR)、丁苯橡膠(SBR)、乙烯醋酸乙烯脂(EVA)以及通過納米技術(shù)進(jìn)行嫁接的礦物質(zhì)[1-6]。裂縫是瀝青路面常見的病害，通常采取小梁彎曲、小梁彎曲蠕變以及半圓彎曲等試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試，通過最大彎拉應(yīng)變、蠕變速率、斷裂能等指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能，通過數(shù)值模擬分析力學(xué)性能的變化[7-8]。復(fù)合多聚磷酸改性瀝青是一種通過摻入多聚磷酸(PPA)和苯乙烯丁二烯嵌段共聚物(SBS)改性劑，改善瀝青結(jié)合料的綜合性能，從而提高瀝青路面使用性能的復(fù)合材料。復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料的高溫性能優(yōu)良[9-15]，學(xué)者們研究了復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料低溫性能[16-20]。曹曉娟等[9]通過半圓彎拉試驗(yàn)(SCB試驗(yàn))，采用斷裂能密度評(píng)價(jià)復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料和SBS 改性瀝青混合料低溫抗裂性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料低溫抗裂性能較好，并隨溫度降低，低溫抗裂性能提高；曹衛(wèi)東等[10]利用低溫彎曲試驗(yàn)方法，采用破壞勁度模量和破壞應(yīng)變能評(píng)價(jià)復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料和SBS 改性瀝青混合料低溫抗裂性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料低溫抗裂性能稍差或兩者性能差異不顯著；ZEGEYE等[20]采用間接拉伸試驗(yàn)及新開發(fā)的斷裂測(cè)試方法，分析了溫度和空隙率對(duì)復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料低溫?cái)嗔烟匦缘挠绊?，發(fā)現(xiàn)PPA部分替代SBS改性劑制得的復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料低溫?cái)嗔研阅芘c僅采用SBS 改性劑的混合料低溫抗裂性能相近。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料低溫性能研究主要集中在路用性能方面，對(duì)于復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料流變性能的研究相對(duì)較少。

本文研究復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料低溫流變性能，并與SBS 改性瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比。相對(duì)于SCB 試驗(yàn)中試件頂部會(huì)產(chǎn)生拱形受壓區(qū)，小梁彎曲試驗(yàn)中試件的彎曲拉伸受力狀態(tài)與應(yīng)力分布狀態(tài)與路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)一致，其試驗(yàn)結(jié)果具有更高的可靠性。因此，本文作者通過小梁彎曲試驗(yàn)，采用破壞時(shí)彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量等指標(biāo)評(píng)價(jià)不同試驗(yàn)溫度下2種瀝青混合料低溫抗裂性能；傳統(tǒng)小梁蠕變?cè)囼?yàn)由于施加恒定荷載，單一的加載水平與路面實(shí)際不斷變化的受力狀態(tài)不符，為了研究不同荷載水平下瀝青混合料的蠕變特性，采用逐級(jí)加載的方式進(jìn)行小梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)。依據(jù)蠕變速率、蠕變時(shí)間和蠕變破壞應(yīng)變等流變指標(biāo)，研究在-20，-10，0 和10 ℃試驗(yàn)溫度下，2 種瀝青混合料低溫流變性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

采用的花崗巖礦料來自寧夏石嘴山，集料規(guī)格：12～20，6～12，3～6和0～3 mm。礦物材料還有粒徑為0～0.6 mm 的礦粉及消石灰?；|(zhì)瀝青采用盤錦90號(hào)瀝青，工業(yè)級(jí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為116%的多聚磷酸(H6P4O13)，熱塑性丁苯橡膠SBS(4303 星型)。復(fù)合多聚磷酸改性瀝青中，SBS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%、PPA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%；為比較復(fù)合多聚磷酸改性瀝青與SBS 改性瀝青性能，還制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的SBS改性瀝青。集料及改性瀝青技術(shù)性能指標(biāo)結(jié)果分別見表1和表2。

表1 集料密度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of aggregate density

表2 復(fù)合多聚磷酸改性瀝青和SBS改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of composite polyphosphoric acid modified asphalt and SBS modified asphalt

1.2 混合料級(jí)配

內(nèi)蒙古地區(qū)冬季氣溫較低，為了增加路面的低溫抗裂性，多采用AC-13 作為面層以保證道路的使用性能，因此，本文采用AC-13 作為混合料試驗(yàn)級(jí)配，級(jí)配設(shè)計(jì)的組成結(jié)果見表3。

表3 級(jí)配的設(shè)計(jì)組成結(jié)果Table 3 Gradation design results

1.3 試驗(yàn)方案

瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)在-20，-10，0 和10 ℃的試驗(yàn)溫度下進(jìn)行單點(diǎn)加載直至破壞試驗(yàn)，加載速率為50 mm/min。瀝青混合料小梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)由4個(gè)試驗(yàn)溫度條件下的彎曲試驗(yàn)，測(cè)定得到破壞荷載P并求取平均值，為了研究實(shí)際使用瀝青路面的蠕變破壞機(jī)理以及縮短出現(xiàn)蠕變損傷3階段的時(shí)間，以破壞荷載的10%，30%，50%，70%和90%作為彎曲蠕變?cè)囼?yàn)的荷載逐級(jí)施加，每級(jí)荷載維持1 h，若本級(jí)荷載維持1 h 未出現(xiàn)蠕變破壞，則繼續(xù)施加第二級(jí)荷載，以此類推，直至出現(xiàn)蠕變破壞。瀝青混合料毛體積密度為2.359 g/cm3，空隙率為4.25%，試件采用剪切壓實(shí)儀將混合料制成長(zhǎng)×寬×高為45 cm×15 cm×18 cm的大板，再切制成規(guī)定尺寸的小梁試件(長(zhǎng)×寬×高為25 cm×3 cm×3.5 cm)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用UTM-100。

2 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)2種瀝青混合料進(jìn)行了不同溫度下的小梁彎曲試驗(yàn)，得到瀝青混合料破壞時(shí)彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量和應(yīng)變能密度，如圖1所示。

由圖1可知：在整個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)，復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度總體上比SBS 改性瀝青混合料的強(qiáng)度高，其中在10 ℃和-20 ℃時(shí)更明顯。說明在整個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)，復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料低溫下抵抗破壞的能力比SBS 改性瀝青混合料的強(qiáng)。隨溫度降低，兩者最大彎拉應(yīng)變呈單調(diào)下降趨勢(shì)。在整個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)，復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變比SBS改性瀝青混合料的大。這說明復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料在低溫破壞時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)變比SBS 改性瀝青混合料產(chǎn)生的應(yīng)變大。隨溫度降低，彎曲勁度模量呈單調(diào)上升趨勢(shì)，應(yīng)變能密度整體呈單調(diào)下降趨勢(shì)。在整個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)，復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料的彎曲勁度模量比SBS 改性瀝青混合料的小，而應(yīng)變能密度比SBS 改性瀝青混合料的高。這說明復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫抗裂性能比SBS改性瀝青混合料的好。

圖1 2種瀝青混合料破壞時(shí)抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量和應(yīng)變能密度隨溫度的變化曲線Fig.1 Curves of anti-bending strength,maximum bending strain,bending stiffness modulus and strain energy density with temperature during failure

瀝青混合料彎曲破壞按照能量損耗與能量平衡的機(jī)理如下：瀝青混合料黏彈性材料在破壞過程中，應(yīng)力所做的功一部分被作為彈性應(yīng)變能貯存，一部分伴隨流動(dòng)變形作為熱能被消耗，彈性應(yīng)變能累積到一定程度并超過材料的容許極限時(shí)材料將發(fā)生斷裂，當(dāng)黏性流動(dòng)變形具有較高比例時(shí)，應(yīng)力功主要轉(zhuǎn)化成熱能。復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料低溫抗裂性能比SBS 改性瀝青混合料的好，這是由于復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料低溫破壞時(shí)，發(fā)生彈性應(yīng)變累積的能量和黏性流動(dòng)變形作為熱能消耗的能量，都比SBS 改性瀝青混合料造成的大。

3 小梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)

對(duì)2種瀝青混合料在不同溫度下，采用不同蠕變荷載進(jìn)行逐級(jí)加載方式進(jìn)行試驗(yàn)，得到蠕變速率。

3.1 10 ℃下逐級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)分析

圖2所示為10 ℃時(shí)2種瀝青混合料小梁以各自破壞荷載的10%作為蠕變荷載的蠕變曲線圖，10 ℃復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料小梁破壞荷載的10%為1.132 MPa，SBS 改性瀝青混合料小梁破壞荷載的10%為0.991 MPa。由圖2可知：在1 h內(nèi)2種瀝青混合料小梁都出現(xiàn)了蠕變損傷3階段(遷移蠕變、穩(wěn)定蠕變和加速蠕變)，雖然SBS 改性瀝青混合料蠕變破壞時(shí)的變形較復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料的稍大，但復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料從遷移蠕變進(jìn)入穩(wěn)定蠕變所需的時(shí)間較SBS 改性瀝青混合料短，并且蠕變時(shí)間也短，在穩(wěn)定蠕變階段蠕變速率較SBS 改性瀝青混合料的大(復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料小梁蠕變速率為1.3×10-5(s·MPa)-1，SBS 改性瀝青混合料小梁的蠕變速率為9.0×10-6(s·MPa)-1，說明復(fù)合多聚磷酸混合料的應(yīng)力松弛能力強(qiáng)，抵抗溫度開裂的性能好。

圖2 10 ℃時(shí)2種瀝青混合料小梁蠕變曲線Fig.2 Creep curves of two kinds of asphalt mixture girder at 10 ℃

3.2 0 ℃下逐級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)分析

圖3所示為0 ℃時(shí)2 種瀝青混合料小梁分別以各自破壞荷載10%，30%和50%作為蠕變荷載逐級(jí)施加，各級(jí)荷載維持時(shí)間1 h 的蠕變曲線圖，0 ℃復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料小梁破壞荷載的10%，30%和50%分別為0.956，2.868和4.780 MPa，SBS改性瀝青混合料小梁破壞荷載的10%，30%和50%分別為0.867，2.601和4.335 MPa。

圖3 0 ℃時(shí)2種瀝青混合料小梁蠕變曲線圖Fig.3 Creep curves of two kinds of asphalt mixture girder at 0 ℃

由圖3可知：2 種瀝青混合料小梁分別以各自破壞荷載10%和30%作為蠕變荷載維持1 h都出現(xiàn)遷移蠕變和穩(wěn)定蠕變階段，沒有出現(xiàn)加速蠕變階段，說明蠕變荷載維持時(shí)間還不夠長(zhǎng)。復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料從遷移蠕變進(jìn)入穩(wěn)定蠕變所需的時(shí)間較SBS 改性瀝青混合料短，穩(wěn)定蠕變速率較SBS 改性瀝青混合料的都大(復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料小梁蠕變速率分別為4.4×10-7(s·MPa)-1和6.2×10-7(s·MPa)-1，SBS改性瀝青混合料小梁的蠕變速率分別為3.4×10-7(s·MPa)-1和4.1×10-7(s·MPa)-1)，說明復(fù)合多聚磷酸混合料的應(yīng)力松弛能力強(qiáng)，抵抗溫度開裂的性能好。2種瀝青混合料小梁以各自破壞荷載的50%作為蠕變荷載維持1 h內(nèi)出現(xiàn)了蠕變損傷3階段，雖然SBS改性瀝青混合料蠕變破壞時(shí)的變形較復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料的稍大，但復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料從遷移蠕變進(jìn)入穩(wěn)定蠕變所需的時(shí)間較SBS 改性瀝青混合料短，并且蠕變時(shí)間也短，在穩(wěn)定蠕變階段蠕變速率較SBS 改性瀝青混合料的大(復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料小梁蠕變速率為2.5×10-6(s·MPa)-1，SBS 改性瀝青混合料小梁的蠕變速率為1.2×10-6(s·MPa)-1，說明復(fù)合多聚磷酸混合料的應(yīng)力松弛能力強(qiáng)，抵抗溫度開裂的性能好。

3.3 -10 ℃下逐級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)分析

圖4所示為-10 ℃時(shí)2 種瀝青混合料小梁分別以各自破壞荷載10%，30%，50%和70%作為蠕變荷載，各級(jí)蠕變荷載維持時(shí)間為1 h 的蠕變曲線圖，-10 ℃時(shí)復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料小梁破壞荷載的10%，30%，50%和70%分別為0.959，2.877，4.795 和6.713 MPa，SBS 改性瀝青混合料小梁破壞荷載的10%，30%，50%和70%分別為0.929，2.788，4.647 和6.506 MPa。圖4(a)～4(c)表現(xiàn)出的特征與圖3(a)和圖3(b)相同，說明復(fù)合多聚磷酸混合料的應(yīng)力松弛能力強(qiáng)，抵抗溫度開裂的性能好。由圖4(d)可知：2 種瀝青混合料小梁以各自破壞荷載的70%作為蠕變荷載，復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料小梁在1 h 內(nèi)出現(xiàn)了蠕變損傷3 階段，而SBS 改性瀝青混合料小梁1.5 h 內(nèi)才出現(xiàn)蠕變損傷3階段，并且SBS改性瀝青混合料蠕變破壞時(shí)的變形較復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料的大，但復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料從遷移蠕變進(jìn)入穩(wěn)定蠕變所需的時(shí)間較SBS改性瀝青混合料的短，并且蠕變時(shí)間也短，在穩(wěn)定蠕變階段蠕變速率較SBS 改性瀝青混合料的大(復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料小梁蠕變速率為8.0×10-8(s·MPa)-1，SBS 改性瀝青混合料小梁的蠕變速率為4.7×10-8(s·MPa)-1，說明復(fù)合多聚磷酸混合料低溫環(huán)境下應(yīng)力能夠得到及時(shí)釋放，避免了應(yīng)力聚集導(dǎo)致的低溫開裂，應(yīng)力松弛能力強(qiáng)，抵抗溫度開裂的性能好。

圖4 -10 ℃時(shí)2種瀝青混合料蠕變曲線圖Fig.4 Creep curves of two kinds of asphalt mixture girder at-10 ℃

3.4 -20 ℃下逐級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)分析

圖5所示為-20 ℃下2 種瀝青混合料小梁分別以各自破壞荷載的10%，30%，50%，70%和90%作為蠕變荷載，各級(jí)蠕變荷載維持時(shí)間為1 h的蠕變曲線圖，-20 ℃時(shí)復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料小梁破壞荷載的10%，30%，50%，70%和90%分別 為0.966，2.898，4.830，6.762 和8.694 MPa，SBS 改性瀝青混合料小梁破壞荷載的10%，30%，50%，70% 和90% 分別為0.961，2.883，4.805，6.727 和8.649 MPa。由圖5可知：2 種瀝青混合料小梁分別以各自破壞荷載的10%，30%，50%和70%作為蠕變荷載各維持1 h都能夠出現(xiàn)遷移蠕變和穩(wěn)定蠕變2階段，沒有出現(xiàn)加速蠕變階段，說明蠕變荷載維持時(shí)間還不夠長(zhǎng)。在每級(jí)蠕變荷載下，穩(wěn)定蠕變階段2條曲線的斜率幾乎平行，從蠕變速率數(shù)值上看(復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料小梁蠕變速率為1.1×10-8，6.1×10-9，4.5×10-9和4.9×10-9(s·MPa)-1，SBS 改性瀝青混合料小梁的蠕變速率為1.0×10-8，5.1×10-9，4.3×10-9和4.6×10-9(s·MPa)-1)，復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料穩(wěn)定蠕變速率較SBS改性瀝青混合料的稍大，但復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料從遷移蠕變進(jìn)入穩(wěn)定蠕變所需的時(shí)間較SBS改性瀝青混合料的都短，這說明復(fù)合多聚磷酸混合料的應(yīng)力松弛能力強(qiáng)，抵抗溫度開裂的性能好。圖5(e)表現(xiàn)出的特征與圖4(d)相同，說明復(fù)合多聚磷酸混合料的應(yīng)力松弛能力強(qiáng)，低溫環(huán)境下應(yīng)力能夠得到及時(shí)釋放，避免了應(yīng)力聚集導(dǎo)致的低溫開裂。

圖5 -20 ℃時(shí)2種瀝青混合料蠕變曲線圖Fig.5 Creep curves of two kinds of asphalt mixture girder at-20 ℃

表4所示為2種瀝青混合料小梁不同溫度和不同蠕變荷載下，蠕變速率的對(duì)照表。由表4可知：兩者在相同的蠕變荷載下，隨溫度降低，蠕變速率都在減小，說明在-20～10 ℃隨溫度降低，兩者應(yīng)力松弛能力都在下降，低溫抗裂性能都在變差。兩者在相同的溫度下，隨蠕變荷載增大，蠕變速率并未都出現(xiàn)單調(diào)遞增或遞減的變化規(guī)律，在0 ℃時(shí)，隨蠕變荷載增大，蠕變速率在單調(diào)增大；在-10 ℃和-20 ℃時(shí)，隨蠕變荷載增大，蠕變速率先減小后增大，-10 ℃時(shí)拐點(diǎn)出現(xiàn)在破壞荷載的30%P，-20 ℃時(shí)拐點(diǎn)出現(xiàn)在破壞荷載的50%P。說明在0 ℃時(shí)，蠕變荷載越大，應(yīng)力松弛得越快；而在-10 ℃和-20 ℃時(shí)，隨蠕變荷載增大，應(yīng)力松弛先慢后快。這是由于瀝青混合料在不同溫度下，雖然荷載增加的比例一樣，但黏性成分引起應(yīng)變?cè)龃蟮谋壤灰恢略斐傻摹?/p>

表4 不同溫度和不同蠕變荷載下2種瀝青混合料蠕變速率對(duì)照表Table 4 Comparisons of creep rate of two asphalt mixtures at different temperatures and different creep loads (s·MPa)-1

4 結(jié)論

1)采用逐級(jí)加載的小梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)合小梁彎曲試驗(yàn)研究不同荷載水平下復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料的低溫開裂性能。

2)復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料應(yīng)力松弛性能優(yōu)良，在低溫環(huán)境下應(yīng)力能夠得到及時(shí)釋放，避免了應(yīng)力聚集導(dǎo)致的低溫開裂。

3)復(fù)合多聚磷酸改性瀝青混合料在不同溫度下，隨蠕變荷載增加，蠕變速率表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：在0 ℃時(shí)蠕變速率隨蠕變荷載增大而增大，當(dāng)溫度下降時(shí)蠕變速率隨蠕變荷載增大出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。