瀝青混合料重復加載蠕變試驗研究

崔世萍

（山東省交通科學研究院,山東 濟南 250102）

0 引言

在道路使用過程中，永久變形是發(fā)生在瀝青路面結(jié)構中與荷載相聯(lián)系的破壞形式之一。目前在我國，半剛性基層瀝青路面結(jié)構在高等級公路得到了普遍的應用，使得土基、無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料基層產(chǎn)生的永久變形占路面車轍總量的比例較少。

在瀝青路面設計中，永久變形是一個關鍵的考慮因素。當交通荷載和輪胎壓力增加時，往往會導致瀝青層的永久變形。為了評估瀝青混合料的抗永久變形性能并確定車轍深度，需要確定瀝青混合料的永久變形參數(shù)。永久變形的參數(shù)是指柔性路面在特定條件下（如交通荷載和輪胎壓力）下發(fā)生變形的能力。瀝青混合料的永久變形指標包括抗剪強度、抗疲勞性能和穩(wěn)定性等指標。這些指標可以用來評估瀝青混合料在交通荷載作用下的變形情況。

為了評價瀝青混合料的永久變形性能，一種常用的方法是通過實驗室試驗來獲得永久變形參數(shù)。例如，可以使用動態(tài)剪切流變儀來測試瀝青混合料的剪切模量、相位角和重復變形等參數(shù)。這些參數(shù)可以提供瀝青混合料的抗永久變形性能的定量評估。另外，還可以使用數(shù)學模型來模擬瀝青混合料在交通荷載下的變形行為。通過建立模型，并將其校正和驗證，可以預測路面在不同交通荷載情況下的永久變形情況，有助于設計瀝青路面的結(jié)構和性能，以提高其抗永久變形性能。

對于瀝青路面設計來說，了解和評估瀝青混合料的永久變形性能是至關重要的。通過確定瀝青混合料的永久變形參數(shù)，可以更好地設計和評估瀝青路面的結(jié)構和性能，從而提高其抗永久變形性能。瀝青混合料的永久變形試驗應盡可能地再現(xiàn)路面的真實狀況，包括材料承受的應力狀況、環(huán)境條件和材料的響應特性等情況。

評估瀝青混合料的高溫性能有許多可選擇的試驗方法，包括重復荷載試驗、剪切試驗、彎曲蠕變試驗、車轍試驗等。這些試驗都能用于評價瀝青混凝土的彈性、黏彈性、塑性和剪切強度參數(shù)。三軸重復荷載試驗比單軸蠕變試驗更能代表瀝青混合料的受力狀態(tài)，可以獲得與材料性能相關的力學指標，更適用于研究瀝青混合料的永久性變形性能。三軸重復加載蠕變試驗能較好地模擬瀝青混合料在實際路面上的受力狀況，試驗結(jié)果能區(qū)分不同瀝青混合料間的性能差異[1]。該研究選擇三軸重復加載蠕變試驗進行瀝青混合料高溫性能研究，重點關注瀝青混合料流動數(shù)測試的影響因素，以及測試方法的可靠性。

1 混合料設計

按照NCHRP 9-29試驗方法，選擇LSPM-30、AC-20、AC-25及SMA-13這四種常用的瀝青混合料進行重復加載蠕變試驗[2]，見圖1和表1。

表1 級配通過率 /%

圖1 瀝青混合料級配

四種瀝青混合料的設計組成及體積指標如表2所示。為了更接近現(xiàn)場的實際情況，瀝青混合料試件的成型孔隙率與現(xiàn)場壓實混合料的孔隙率相同。

2 重復加載蠕變試驗

2.1 流動數(shù)（Flow Number）概念

瀝青混合料的永久變形在通常情況要經(jīng)歷三個不同的階段見圖2：第一階段，永久變形發(fā)展速度很快，塑性變形率逐漸降低，該階段永久變形主要是由體積變化引起的；第二階段的永久變形發(fā)展趨于穩(wěn)定，變形包括體積變化、剪切變形率逐漸增加；第三階段，永久變形快速發(fā)展，由剪切變形引起[3]。

流動數(shù)（Flow Number）是瀝青混合料重復加載蠕變試驗的一個重要指標，反映瀝青混合料的抗永久變形性能，定義為剪切變形開始時（第三階段開始）的重復加載次數(shù)。在特定的溫度條件下，對瀝青混合料試件施加一個周期性荷載，持續(xù)時間為0.1 s，間隔為0.9 s，記錄加載時間及加載次數(shù)對應的軸向應變，計算軸向應變隨時間的變化率，當變化率為最小時的加載次數(shù)即為流動數(shù)（Flow Number）。

2.2 試驗

三軸重復加載蠕變試驗通常使用圓柱體試件，試驗試件通過鉆芯取得，其標準尺寸為直徑100 mm，高度150 mm的圓柱體試件。首先，使用旋轉(zhuǎn)壓實儀（SGC）進行成型，得到高度175 mm的圓柱體試件，再用取芯機從該試件中取出直徑為Φ100 mm的芯樣，最后使用雙面鋸將芯樣切割出符合高度要求的標準試件，端部光滑處理，磨光，確保所得試驗樣品為光滑平整的圓柱形，并且無凹凸。用SPT簡單性能試驗儀進行試驗。對于高溫重載下的瀝青混合料來說，間歇時間的長短極大地影響了試件恢復其形狀的程度。當間歇時間增加至一定程度時，試件的形狀恢復效果變得不太明顯。SPT試驗的荷載間歇時間0.9 s。試驗時在試件的上下表面分別墊上一層光滑的聚四氟乙烯塑料薄膜，以降低接觸面摩擦對試件結(jié)果產(chǎn)生的影響，使用計算機采集和處理所有數(shù)據(jù)。重復荷載蠕變試驗是破壞性試驗，試驗在同一溫度荷載水平下進行。該文采用45 ℃高溫下，加載模式為歷時0.1 s和間歇0.9 s的半正弦荷載，600 kPa壓應力在無圍壓條件下進行試驗，當最大重復荷載作用次數(shù)達到20 000次，或達到最大變形為50 000微應變，試驗自動停止。為了確保試驗機的壓頭與試件端面充分接觸，以避免偏心荷載的生成并在加載過程中避免對試件造成沖擊，以及在卸載過程中壓頭和試件之間產(chǎn)生間隙。這樣可以保證試驗過程中的準確性和穩(wěn)定性。預先載荷的施加能夠使試件適應試驗條件，并減小了試件在加載時的初始沖擊，有助于減少試驗過程中的干擾因素，同時還可以減少試驗過程中試件的變形或損壞。

3 結(jié)果與分析

目前可以使用SPT簡單性能試驗機進行重復加載作用次數(shù)最大20 000次，達到最大永久變形50 000微應變重復加載試驗。試驗時間的長短與試驗溫度及混合料的性能有關。個別試件試驗時間過長，長達近3 h。重復加載蠕變試驗可以模擬實際荷載施加于瀝青混合料路面的情況。對于三軸重復荷載永久變形試驗，流動數(shù)（Flow Number）是反映瀝青混合料高溫性能的重要指標。研究表明，流動數(shù)（Flow Number）與實測的車轍深度之間存在較強的相關關系，并且隨著車轍深度的增加，流動數(shù)呈遞減趨勢。不同瀝青混合料的蠕變試驗結(jié)果見表3。

表3 流動數(shù)試驗結(jié)果

不同瀝青混合料重復加載次數(shù)與瀝青混合料的永久變形關系見圖3~4。從試驗結(jié)果得到以下結(jié)論：

圖3 流動數(shù)大小比較

（1）如上圖及表可知，雖然同種材料不同試驗試件的試驗結(jié)果不完全相同，但總的來看，在相同加載條件下試件軸向永久變形大小排列順序為AC-25>LSPM-30>AC-20>SMA-13。軸向永久變形越小，混合料抗永久變形能力越強。

（2）從試驗結(jié)果看，不同瀝青混合料的流動數(shù)有明顯的區(qū)別。流動數(shù)越大說明混合料抗永久變形能力越大。不同混合料流動數(shù)平均值大小排列為AC-20>LSPM-30>AC-25>SMA-13。

（3）流動數(shù)的塑性應變作為判斷混合料抗永久變形性能指標應謹慎使用。如圖4所示，為流動數(shù)、流動數(shù)塑性應變、總加載次數(shù)塑性應變比較。

（4）從試驗結(jié)果看，在重復加載試驗中總變形或流動數(shù)變形與流動數(shù)的大小并不一致，即不一定是流動數(shù)大，總變形或流動數(shù)就小，因此用流動數(shù)、流動數(shù)的塑性應變、總應變?nèi)齻€指標來對其進行綜合評價，從而能夠更加精確地判斷和識別混合料的永久變形性能。

4 結(jié)論

（1）三軸重復加載蠕變試驗可以更深入地研究瀝青混凝土路面整個結(jié)構層的蠕變情況，現(xiàn)場取芯工作也非常方便。

（2）通過三軸重復加載蠕變試驗，研究其力學性能規(guī)律，旨在為路面結(jié)構的設計提供可靠的數(shù)據(jù)支持，以及更有價值的信息。

（3）通過三軸重復加載蠕變試驗，可以更準確地模擬在實際路面上瀝青混合料的受力情況，并且通過試驗結(jié)果來區(qū)分不同類型的瀝青混合料之間的性能差異，以便更好地了解瀝青混合料的力學特性。

（4）通過三軸重復加載蠕變試驗，判斷不同瀝青混合料類型的永久變形性能，需綜合多項指標判定。