瀝青混合料高溫穩(wěn)定性參數(shù)研究

祁峰+劉嶄+蘇彥龍

摘要：為了能更好地評(píng)價(jià)車(chē)轍隨溫度和應(yīng)力的變化規(guī)律，對(duì)三種不同級(jí)配瀝青混合料，在不同溫度和荷載水平下進(jìn)行單軸靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)，提取多種反映瀝青混合料高溫變形性能的力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)一步分析了這些參數(shù)在不同溫度和荷載水平下的變化規(guī)律。結(jié)果表明，殘余應(yīng)變比、勁度模量和第二階段的斜率b在隨溫度和應(yīng)力的變化具有一定的規(guī)律性，且溫度在50 ℃、荷載為0.7 MPa時(shí)具有較好的區(qū)分度。

關(guān)鍵詞：道路工程；瀝青混合料；單軸靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)；力學(xué)參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U414.03文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

瀝青混合料是一種典型的粘彈性材料。混合料的變形隨荷載作用時(shí)間的長(zhǎng)短而不同，因而在研究其變形性質(zhì)時(shí)必須說(shuō)明變形所處的時(shí)間；另一方面，瀝青混合料的變形隨溫度的變化而變化，高溫時(shí)其彈性效應(yīng)降低，粘性性質(zhì)增強(qiáng)，低溫時(shí)剛度增大，彈性效應(yīng)明顯，粘性性質(zhì)減弱，故評(píng)價(jià)瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)必須說(shuō)明其所處的條件。瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性是瀝青混合料的重要性能之一，通常所說(shuō)的“高溫穩(wěn)定性”是指瀝青混合料在高溫下能保持原有強(qiáng)度、剛度等性能，高溫穩(wěn)定性不足的主要表現(xiàn)形式就是車(chē)轍的產(chǎn)生。

由于車(chē)轍試驗(yàn)不能記錄瀝青混合料隨時(shí)間的變形機(jī)理，所以采用車(chē)轍試驗(yàn)研究瀝青混合料力學(xué)特性顯然是不夠的。蠕變?cè)囼?yàn)可以模擬瀝青混合料發(fā)生蠕變破壞的全過(guò)程，通過(guò)測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程中瀝青混合料的應(yīng)力、應(yīng)變而得到的蠕變曲線來(lái)檢驗(yàn)瀝青混合料的粘彈性。單軸靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)是分析瀝青混合料高溫變形特性最簡(jiǎn)單、最適用的方法。它是對(duì)一圓柱形試件在軸向施加一荷載，并保持這一荷載大小不變，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間再卸載，使試件的變形得到部分恢復(fù)，由此得到蠕變曲線來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

1原材料及試驗(yàn)方法

1.1材料選擇及試驗(yàn)設(shè)備

瀝青采用SBS改性瀝青，其性質(zhì)符合重交通道路石油瀝青質(zhì)量要求。粗、細(xì)集料采用陜西西戶高速公路大修工程用角閃巖，礦粉為磨細(xì)石灰石。為使試驗(yàn)結(jié)果具有普遍性，采用AC13、AC16、AC20三種級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)儀器采用美國(guó)生產(chǎn)的810MTS（Material Test Systerm）材料試驗(yàn)機(jī)，該儀器利用電液伺服閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)路面材料按靜載的方式加載，計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行加載、卸載和數(shù)據(jù)的采集工作。

1.2試驗(yàn)方法

為了使試驗(yàn)結(jié)果能較好地表征不同混合料的高溫特性，單軸靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)應(yīng)在一定溫度和荷載條件下進(jìn)行。由于中國(guó)大部分地區(qū)夏季路面最高氣溫可達(dá)到60 ℃～65 ℃以上，同時(shí)考慮到中國(guó)超載、重載現(xiàn)象較為普遍，為了便于和車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，選擇在40 ℃、50 ℃和60 ℃三個(gè)溫度以及0.3、0.5、0.7 MPa三種應(yīng)力下進(jìn)行無(wú)側(cè)限單軸靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)。

為了提高試驗(yàn)精度，消除加載應(yīng)力、試件高度和試件端面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型Φ150 mm×150 mm的大型試件，再鉆芯切割出Φ100 mm×110 mm的試件。試驗(yàn)前試件在要求溫度下保溫24 h；為消除試件端部約束效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)精度的影響，試驗(yàn)中在試件上下端面各墊一張3 mm厚的聚四氟乙烯薄膜，并在薄膜間涂潤(rùn)滑油；為消除應(yīng)力影響，預(yù)加載（0005 MPa） 10 min，然后瞬時(shí)加載到所要求荷載并持載60 min，之后瞬時(shí)卸載到0.005 MPa并保持60 min。測(cè)量并記錄試驗(yàn)全過(guò)程試件變形隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。

2試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)AC13、AC16、AC20三種級(jí)配瀝青混合料分別在40 ℃、50 ℃、60 ℃進(jìn)行單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)，得到蠕變曲線如圖1所示。通過(guò)蠕變曲線提取累積變形、殘余變形、殘余應(yīng)變比、勁度模量和斜率等參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1溫度對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的影響

瀝青混合料是一種典型的溫度敏感性材料，其力學(xué)特性和路用性能隨溫度的變化比較顯著。車(chē)轍作為瀝青路面結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的破壞形式之一，其產(chǎn)生機(jī)理和發(fā)展過(guò)程都與路面溫度的變化密切相關(guān)。

（1） 瀝青混合料的勁度模量在40 ℃～60 ℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高逐漸減小。說(shuō)明隨著溫度的升高，瀝青混合料的抗車(chē)轍變形能力在逐步減弱。溫度的升高使瀝青混合料中的瀝青膠結(jié)料慢慢軟化，而軟化的膠結(jié)料會(huì)對(duì)集料之間的嵌擠產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，必然會(huì)導(dǎo)致混合料內(nèi)摩擦力減小，從而使整個(gè)混合料的強(qiáng)度降低，表現(xiàn)為勁度模量隨著溫度的增加而減小，這也是混合料在高溫狀態(tài)下容易產(chǎn)生車(chē)轍的主要原因。

（2） 對(duì)于三種不同的瀝青混合料，殘余應(yīng)變比隨著溫度的升高均逐漸增大。這是因?yàn)椋诩虞d過(guò)程中，隨著溫度的升高，作為膠結(jié)料的瀝青逐漸變軟并接近軟化點(diǎn)，主要以粘性為主，此時(shí)瀝青混合料的彈性性能顯著降低。表明在加載過(guò)程中隨著溫度的升高瀝青混合料的永久塑性變形占總變形的比例越高，車(chē)轍越明顯。由此可知，殘余應(yīng)變比對(duì)溫度有很高的依賴性。

（3） 瀝青混合料第二階段的斜率表征的是蠕變應(yīng)變速率隨時(shí)間的變化規(guī)律，斜率越大則說(shuō)明蠕變應(yīng)變速率越大。從圖2（c）中可以看出，第二階段的斜率隨著溫度的升高而增大，溫度越高，瀝青混合料的抗變形能力越小，蠕變應(yīng)變速率可以用來(lái)表征瀝青混合料抵抗車(chē)轍變形的能力。

（4） 通過(guò)對(duì)比可知，勁度模量、殘余應(yīng)變比和斜率在50 ℃時(shí)對(duì)于三種混合料有著較好的區(qū)分度。

3.2應(yīng)力對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的影響

對(duì)于線彈性材料來(lái)說(shuō)，隨著應(yīng)力水平的增加，材料的變形或模量也隨之線性增加；但對(duì)于粘彈性材料來(lái)說(shuō)，應(yīng)力應(yīng)變曲線不是線性變化的，荷載越大，瀝青混合料的粘性越突出。三種瀝青混合料在03、0.5、0.7 MPa三種不同應(yīng)力水平下勁度模量、殘余應(yīng)變比和第二階段斜率的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3不同參數(shù)隨應(yīng)力的變化趨勢(shì)（1） 一般研究結(jié)果認(rèn)為勁度模量隨著荷載應(yīng)力的增大而增大，而圖4（a）表明，在60 ℃時(shí)瀝青混合料的勁度模量并非隨著應(yīng)力的增大而逐漸增大，而是隨著應(yīng)力水平的增加，三種瀝青混合料的勁度模量先增大后減小。這是由于蠕變?cè)囼?yàn)試件的變形量并不與荷載的變化幅度同步，因此瀝青混合料的蠕變勁度模量并非隨荷載的增大而增大。究其原因，可能是在較小的應(yīng)力下，瀝青混合料一直處于硬化狀態(tài)，其中0.5 MPa下的硬化現(xiàn)象比0.3 MPa下顯著下降，而當(dāng)應(yīng)力增大到07 MPa時(shí)，由于靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)為無(wú)側(cè)限加載，試件膨脹導(dǎo)致出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，而使勁度顯著降低。這說(shuō)明對(duì)一定規(guī)格的試件，當(dāng)應(yīng)力小于一定值時(shí)勁度模量是隨著應(yīng)力的增大而增大的，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定數(shù)值，其試件的變形量變化幅度大于應(yīng)力增大幅度時(shí)，瀝青混合料的勁度模量便逐漸減小。然而，從圖3（a）中可以看出三種不同瀝青混合料的勁度模量隨應(yīng)力的變化趨勢(shì)是一致的，因此可以斷定勁度具有應(yīng)力依賴性。endprint

（2） 瀝青混合料的殘余應(yīng)變比隨著應(yīng)力的增加其增大的趨勢(shì)并不十分明顯。其中AC16混合料的殘余應(yīng)變比有較大幅度的增加，而AC13和AC20兩種瀝青混合料的殘余應(yīng)變比隨應(yīng)力的變化基本成一條水平直線，變化并不顯著。說(shuō)明殘余應(yīng)變比對(duì)于應(yīng)力的依賴性較小。

（3） 瀝青混合料進(jìn)入穩(wěn)定加載階段的斜率隨著應(yīng)力的增加基本呈線性增加，表明荷載的增大可以加速瀝青混合料的變形速率，這與瀝青路面在重載下容易產(chǎn)生車(chē)轍病害的現(xiàn)象是一致的。

（4） 通過(guò)對(duì)比可知，勁度模量和斜率在0.7 MPa下對(duì)于三種不同混合料的區(qū)分度最大，而殘余應(yīng)變比在3個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下的區(qū)分度均不明顯，表明其對(duì)應(yīng)力的依賴性較小。

5結(jié)語(yǔ)

（1） 瀝青混合料的蠕變勁度模量通常隨溫度的增加而逐漸減小，當(dāng)應(yīng)力小于一定值時(shí)勁度模量是隨著應(yīng)力的增大而增大的，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定數(shù)值，其試件的變形量變化幅度大于應(yīng)力增大幅度時(shí)，瀝青混合料的勁度模量便逐漸減小。

（2） 瀝青混合料的殘余應(yīng)變比隨著溫度的增加而增大，表現(xiàn)出較好的規(guī)律性，隨著荷載的增加其變化并不十分顯著。對(duì)其能否有效地評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

（3） 瀝青混合料第二階段的斜率隨著溫度和荷載的增加而逐漸增大，表現(xiàn)出較好的溫度敏感性和應(yīng)力依賴性，可以用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

（4） 當(dāng)試驗(yàn)溫度為50 ℃、加載應(yīng)力為0.7 MPa時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)獲得的蠕變勁度、殘余應(yīng)變比和斜率對(duì)于不同混合料均有著較好的區(qū)分度，因此推薦采用50 ℃、0.7 MPa作為其標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度和應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]張爭(zhēng)奇，陶晶，楊博.瀝青混合料高溫性能設(shè)計(jì)參數(shù)研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2009，22（1）：2328.

[2]傅志勇.瀝青混合料高溫性能試驗(yàn)方法研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2005.

[3]魏密，周進(jìn)川.旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的高溫蠕變特性研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，23（5）：5558.

[4]李靜.瀝青混合料路用性能預(yù)測(cè)模型的研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

[5]李輝，張久鵬，黃曉明.瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)[J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，27（3）：4851.

[6]徐世法.瀝青混合料高溫變形特性的試驗(yàn)研究[J].力學(xué)與實(shí)踐，1994，16（3）：3436.

[責(zé)任編輯：袁寶燕]endprint

（2） 瀝青混合料的殘余應(yīng)變比隨著應(yīng)力的增加其增大的趨勢(shì)并不十分明顯。其中AC16混合料的殘余應(yīng)變比有較大幅度的增加，而AC13和AC20兩種瀝青混合料的殘余應(yīng)變比隨應(yīng)力的變化基本成一條水平直線，變化并不顯著。說(shuō)明殘余應(yīng)變比對(duì)于應(yīng)力的依賴性較小。

（3） 瀝青混合料進(jìn)入穩(wěn)定加載階段的斜率隨著應(yīng)力的增加基本呈線性增加，表明荷載的增大可以加速瀝青混合料的變形速率，這與瀝青路面在重載下容易產(chǎn)生車(chē)轍病害的現(xiàn)象是一致的。

（4） 通過(guò)對(duì)比可知，勁度模量和斜率在0.7 MPa下對(duì)于三種不同混合料的區(qū)分度最大，而殘余應(yīng)變比在3個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下的區(qū)分度均不明顯，表明其對(duì)應(yīng)力的依賴性較小。

5結(jié)語(yǔ)

（1） 瀝青混合料的蠕變勁度模量通常隨溫度的增加而逐漸減小，當(dāng)應(yīng)力小于一定值時(shí)勁度模量是隨著應(yīng)力的增大而增大的，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定數(shù)值，其試件的變形量變化幅度大于應(yīng)力增大幅度時(shí)，瀝青混合料的勁度模量便逐漸減小。

（2） 瀝青混合料的殘余應(yīng)變比隨著溫度的增加而增大，表現(xiàn)出較好的規(guī)律性，隨著荷載的增加其變化并不十分顯著。對(duì)其能否有效地評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

（3） 瀝青混合料第二階段的斜率隨著溫度和荷載的增加而逐漸增大，表現(xiàn)出較好的溫度敏感性和應(yīng)力依賴性，可以用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

（4） 當(dāng)試驗(yàn)溫度為50 ℃、加載應(yīng)力為0.7 MPa時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)獲得的蠕變勁度、殘余應(yīng)變比和斜率對(duì)于不同混合料均有著較好的區(qū)分度，因此推薦采用50 ℃、0.7 MPa作為其標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度和應(yīng)力。

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（2） 瀝青混合料的殘余應(yīng)變比隨著應(yīng)力的增加其增大的趨勢(shì)并不十分明顯。其中AC16混合料的殘余應(yīng)變比有較大幅度的增加，而AC13和AC20兩種瀝青混合料的殘余應(yīng)變比隨應(yīng)力的變化基本成一條水平直線，變化并不顯著。說(shuō)明殘余應(yīng)變比對(duì)于應(yīng)力的依賴性較小。

（3） 瀝青混合料進(jìn)入穩(wěn)定加載階段的斜率隨著應(yīng)力的增加基本呈線性增加，表明荷載的增大可以加速瀝青混合料的變形速率，這與瀝青路面在重載下容易產(chǎn)生車(chē)轍病害的現(xiàn)象是一致的。

（4） 通過(guò)對(duì)比可知，勁度模量和斜率在0.7 MPa下對(duì)于三種不同混合料的區(qū)分度最大，而殘余應(yīng)變比在3個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下的區(qū)分度均不明顯，表明其對(duì)應(yīng)力的依賴性較小。

5結(jié)語(yǔ)

（1） 瀝青混合料的蠕變勁度模量通常隨溫度的增加而逐漸減小，當(dāng)應(yīng)力小于一定值時(shí)勁度模量是隨著應(yīng)力的增大而增大的，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定數(shù)值，其試件的變形量變化幅度大于應(yīng)力增大幅度時(shí)，瀝青混合料的勁度模量便逐漸減小。

（2） 瀝青混合料的殘余應(yīng)變比隨著溫度的增加而增大，表現(xiàn)出較好的規(guī)律性，隨著荷載的增加其變化并不十分顯著。對(duì)其能否有效地評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

（3） 瀝青混合料第二階段的斜率隨著溫度和荷載的增加而逐漸增大，表現(xiàn)出較好的溫度敏感性和應(yīng)力依賴性，可以用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

（4） 當(dāng)試驗(yàn)溫度為50 ℃、加載應(yīng)力為0.7 MPa時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)獲得的蠕變勁度、殘余應(yīng)變比和斜率對(duì)于不同混合料均有著較好的區(qū)分度，因此推薦采用50 ℃、0.7 MPa作為其標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度和應(yīng)力。

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