再生瀝青混凝土黏彈特性實(shí)驗(yàn)研究

徐家偉 葉 永 謝旋

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

我國的公路交通事業(yè)飛速發(fā)展,隨著公路路網(wǎng)的不斷完善以及人民環(huán)保意識的增強(qiáng),綠色公路的理念逐漸深入人心.瀝青混凝土柔性路面因其相較于混凝土剛性路面具有表面平整、無接縫、行車舒適、振動與噪音低、耐磨、不揚(yáng)塵、施工期短、維修簡單等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[1].但是,隨著道路交通量的不斷增加,路面疲勞以及車轍問題日趨嚴(yán)重,道路的維修養(yǎng)護(hù)成本巨大.在道路工作者研究下,瀝青回收料(recycled asphalt pavement,RAP)的合理利用,不僅能使熱再生路面的路用性能指標(biāo)與新拌瀝青混合料路面相當(dāng),還能節(jié)省大約1/5的工程成本[2].

隨著RAP材料的加入,會改變?yōu)r青混凝土的力學(xué)性能,盲目參考規(guī)范取值不是合理的做法,RAP材料用量不同,會對路面路用性能以及疲勞特性產(chǎn)生較大影響,其用量也需要經(jīng)過認(rèn)真的考量以及規(guī)范的試驗(yàn)研究.因此,深入研究再生瀝青混凝土的力學(xué)行為,重新構(gòu)建材料的本構(gòu)關(guān)系,對于RAP 材料的回收利用、提高其路用性能、增強(qiáng)道路工作者環(huán)保意識,具有重要的社會和經(jīng)濟(jì)效益.

1 蠕變實(shí)驗(yàn)

1.1 配合比設(shè)計(jì)

采用馬歇爾設(shè)計(jì)法對再生瀝青混凝土按照AC-20的瀝青混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),級配合成見表1.

表1 再生瀝青混凝土合成級配百分率 (單位：%)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)成型馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件,試件尺寸101.6 mm×63.5 mm(直徑×高度),在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行蠕變試驗(yàn).由于再生瀝青混凝土材料的特殊性,原有試驗(yàn)參數(shù)無法實(shí)現(xiàn)試件的保載試驗(yàn),需事先調(diào)試萬能試驗(yàn)機(jī),使其能正常進(jìn)行保載試驗(yàn).試驗(yàn)開始后,萬能機(jī)以3 mm/min的速度軸向壓縮,達(dá)到額定荷載后保持荷載不變進(jìn)行保載試驗(yàn),試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為5 400 s.

根據(jù)作者前期工作[3],確定應(yīng)力范圍,設(shè)計(jì)如下方案.方案1：在相同荷載條件下,對10%、20%、30%、40%共4種RAP摻量的再生瀝青混凝土進(jìn)行蠕變試驗(yàn)；方案2：在同一RAP 摻量條件下,對試件分別進(jìn)行30、40、50 kN 荷載的保載蠕變試驗(yàn).

為消除人為因素而導(dǎo)致的機(jī)械誤差,實(shí)驗(yàn)前對試件進(jìn)行預(yù)加載措施,其荷載為10 N,時(shí)間是3 min,然后以3 mm/min壓縮速度將應(yīng)力增長到設(shè)計(jì)值.每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次,取平均值作為該組實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖1表示同一荷載強(qiáng)度(30 k N),不同RAP摻量對應(yīng)的蠕變曲線.

圖1 不同RAP摻量再生瀝青混凝土蠕變曲線圖(30 k N)

由圖1可知,在同一荷載條件下,再生瀝青混凝土的應(yīng)變都隨著時(shí)間的推移不斷增大,實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的荷載增加階段,軸向位移增加較快,隨后在荷載保持階段位移增加相對變慢且更加均勻；在相同時(shí)間下,隨著RAP摻量的增加,再生瀝青混凝土的蠕變斜率呈遞減趨勢.

圖2表示相同RAP 摻量、不同荷載作用下的蠕變曲線.如圖2所示,荷載為30 kN 時(shí),再生瀝青混凝土并沒有出現(xiàn)蠕變的第三階段,但隨著荷載的增加,試件的蠕變率不斷增加,蠕變第二階段的持續(xù)時(shí)間不斷減少,并出現(xiàn)了蠕變的第三階段.該試驗(yàn)的蠕變曲線反映了材料明顯的力學(xué)特點(diǎn).

圖2 不同荷載再生瀝青混凝土蠕變曲線圖

2 壓縮實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011),利用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn).設(shè)置試驗(yàn)程序,選擇試驗(yàn)式樣形狀為棒材,加載速度為2 mm/min,試驗(yàn)結(jié)束定力參數(shù)為90 k N,定力衰減率為60%.

為消除人為誤差,在正式試驗(yàn)之前需進(jìn)行預(yù)加載措施,將試驗(yàn)儀器預(yù)加載到10 N,立即將載荷和變形清零即可進(jìn)行正式試驗(yàn).每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次,3次試驗(yàn)的平均值作為該組實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為4種不同RAP摻量下的再生瀝青混凝土的壓縮曲線,可以看到4條曲線均是由兩部分組成,第一部分顯示試件的軸向位移隨荷載強(qiáng)度的增加而不斷增大,當(dāng)荷載達(dá)到試件的抗壓強(qiáng)度值時(shí),材料內(nèi)部出現(xiàn)裂縫,開始發(fā)生破壞,材料的抗變形能力降低,定力衰減率達(dá)到60%,則試驗(yàn)結(jié)束,萬能機(jī)所加荷載逐漸減小,位移值繼續(xù)快速增加,直到完全破壞.由圖3可知,隨著試件RAP摻量的增加,再生瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度以及達(dá)到抗壓強(qiáng)度時(shí)的軸向位移呈遞增趨勢.由于試驗(yàn)的曲線是在施加恒定荷載速率的條件下得到的,因此曲線不僅體現(xiàn)了時(shí)間效應(yīng),也體現(xiàn)了再生瀝青混凝土材料的非線性特征.

圖3 不同RAP摻量下的再生瀝青混凝土的壓縮曲線

3 常用黏彈性本構(gòu)模型

基于流變學(xué)的黏彈性理論,通過采用粘性和彈性的力學(xué)元件之間串并聯(lián)組合的方式,來描述和模擬再生瀝青混凝土的力學(xué)特性[4-7].

1)三參數(shù)固體模型：又稱為標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型,是由一個(gè)Kelvin模型和一個(gè)彈簧元件串聯(lián)組成.三參數(shù)固體模型的瞬時(shí)彈性和穩(wěn)態(tài)漸進(jìn)性均能呈現(xiàn)出固體材料的特性,其蠕變方程為：

2)Burgers模型：又稱為四參數(shù)流體模型,是由一個(gè)Maxwell模型和一個(gè)Kelvin模型串聯(lián)組合而成,結(jié)合了兩種模型的優(yōu)缺點(diǎn),可以對黏彈性材料進(jìn)行更加完整的描述,該模型也表現(xiàn)出一定的流體特征.其蠕變方程為：

3)四參數(shù)固體模型：由兩個(gè)Kelvin模型串聯(lián)組合而成,可以表述比較復(fù)雜的材料性質(zhì),描述一般的黏彈性力學(xué)行為.其蠕變方程為：

4 模型對比分析

利用Origin繪圖軟件自帶的數(shù)據(jù)擬合功能,將以上黏彈性本構(gòu)模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到各本構(gòu)模型在同一RAP摻量不同荷載強(qiáng)度和同一荷載不同RAP摻量下的模型參數(shù)及相關(guān)系數(shù),通過對比分析,找到最能反應(yīng)再生瀝青混合料蠕變特性的本構(gòu)模型.

圖4是荷載為30 k N、RAP 摻量為20%時(shí),3種黏彈性本構(gòu)模型與試驗(yàn)結(jié)果的擬合曲線.在蠕變初始階段,三參數(shù)固體模型位移值小于試驗(yàn)數(shù)據(jù),而Burgers模型和四參數(shù)固體模型位移值略大于試驗(yàn)數(shù)據(jù),且相對于三參數(shù)固體模型均能較好擬合再生瀝青混凝土的初始蠕變.在等速蠕變階段,三參數(shù)固體模型的擬合結(jié)果與試驗(yàn)曲線有明顯偏差,擬合效果較差,四參數(shù)固體模型與Burgers模型擬合曲線與試驗(yàn)曲線較為接近,在600 s之前兩種模型的擬合曲線均大于試驗(yàn)值,但是四參數(shù)固體模型與試驗(yàn)值更為接近,之后兩種模型的擬合曲線幾乎與試驗(yàn)曲線重合,總體偏差較小.

圖4 3種黏彈性本構(gòu)模型與試驗(yàn)結(jié)果擬合曲線

表2為RAP摻量20%時(shí),荷載分別為30、40、50 kN 時(shí)的相關(guān)參數(shù)；表3為再生瀝青混凝土在荷載為30 kN 時(shí),RAP摻量分別為10%、20%、30%、40%時(shí)的相關(guān)參數(shù).可以發(fā)現(xiàn),四參數(shù)固體模型的相關(guān)系數(shù)最高,且在蠕變的起始階段,模型的擬合曲線更接近于試驗(yàn)曲線,在蠕變的第二階段蠕變斜率更接近于試驗(yàn)曲線的蠕變斜率.

表2 RAP摻量為20%擬合相關(guān)參數(shù)

表3 荷載為30 kN 擬合相關(guān)參數(shù)

綜上所述,四參數(shù)固體模型相比于其他常用的黏彈性本構(gòu)模型,更能反映再生瀝青混凝土的蠕變特性.

5 最優(yōu)模型參數(shù)研究

對四參數(shù)固體模型參數(shù)在不同荷載和不同RAP摻量下的變化規(guī)律進(jìn)行研究.表4是在再生瀝青混凝土RAP摻量為20%時(shí),荷載為30、40和50 kN 時(shí)的模型參數(shù)E1、E2、η1、η2的值.可知,在RAP 摻量一定時(shí),四參數(shù)固體模型參數(shù)E1、E2隨著荷載強(qiáng)度的增大而增大,而模型參數(shù)η1、η2隨著荷載強(qiáng)度的增大而減小.

表4 RAP摻量為20%的模型參數(shù)

表5是再生瀝青混凝土荷載為30 kN 的條件下,RAP摻量為10%、20%、30%和40%時(shí)的模型參數(shù)E1、E2、η1、η2的值.可知在荷載強(qiáng)度一定時(shí),四參數(shù)固體模型的參數(shù)E1、E2隨RAP摻量變化較小,而模型參數(shù)η1、η2隨RAP摻量的增大而不斷增大.

表5 荷載為30 kN 的模型參數(shù)

6 結(jié)論

對RAP摻量為10%、20%、30%、40%的再生瀝青混凝土進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)和荷載為30、40、50 kN 的蠕變試驗(yàn),并利用3種常用的黏彈性本構(gòu)模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,得出如下結(jié)論：

1)隨著RAP摻量的增加,再生瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增加.表明在溫度一定的情況下,再生瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度與RAP 摻量具有較好的相關(guān)性.

2)不同RAP摻量的再生瀝青混合料在低荷載條件下,隨著時(shí)間的增加,出現(xiàn)蠕變的第一階段和第二階段,在高荷載條件下,隨著時(shí)間會出現(xiàn)蠕變的第三階段,即試件內(nèi)部發(fā)生破壞,導(dǎo)致蠕變速率加快.在RAP摻量一定時(shí),隨著荷載強(qiáng)度的增加,蠕變的初始應(yīng)變也隨之增加,蠕變速率也越快.在荷載強(qiáng)度相同時(shí),RAP摻量的增加對于蠕變的初始應(yīng)變影響不大,但是蠕變第二階段的蠕變速率相應(yīng)降低,即RAP 摻量的提高會降低再生瀝青混凝土對應(yīng)力的敏感度.

3)3種常用的黏彈性本構(gòu)模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果相比較,四參數(shù)固體模型的初始應(yīng)變點(diǎn)更接近試驗(yàn)數(shù)據(jù),擬合曲線也更能反映再生瀝青混凝土蠕變情況.結(jié)合擬合相關(guān)系數(shù)的大小分析,四參數(shù)固體模型相對其他兩種模型,能更好地反映再生瀝青混凝土在不同摻量條件下的蠕變特征.

4)在不同荷載強(qiáng)度下,四參數(shù)固體模型參數(shù)E1、E2隨著荷載強(qiáng)度的增加而增大,模型參數(shù)η1、η2隨著荷載強(qiáng)度的增大而減小.在不同RAP摻量條件下,四參數(shù)固體模型的參數(shù)E1、E2隨RAP 摻量變化較小,而模型參數(shù)η1、η2隨RAP 摻量的增大而不斷增大.荷載強(qiáng)度與RAP摻量相比較而言,模型參數(shù)對于荷載的變化具有更好的相關(guān)性,而RAP 摻量的改變對于模型參數(shù)的影響較小.