基于重復加載蠕變試驗的瀝青混合料高溫穩定性能研究

祁 峰

（西安公路研究院，陜西 西安710054）

0 引言

瀝青混合料是一種典型的黏彈性材料。混合料的變形程度隨荷載作用時間的長短而不同，因而在研究其變形性質時必須說明變形所處的時間。另一方面，瀝青混合料的變形隨溫度的變化而變化，高溫時其彈性效應降低，黏性性質增強；低溫時剛度增大，彈性效應明顯，黏性性質減弱，故評價瀝青混合料的力學性質必須說明其所處的條件。瀝青混合料的高溫穩定性是其重要的性能之一，通常是指瀝青混合料在高溫下能保持原有強度、剛度等性能，其高溫穩定性不足的主要表現形式就是車轍的產生。

由于車轍試驗不能記錄瀝青混合料隨時間的變形機理，所以采用車轍試驗研究瀝青混合料力學特性顯然是不夠的。蠕變試驗可以模擬瀝青混合料發生蠕變破壞的全過程，可通過測定試驗過程中瀝青混合料的應力、應變而得到蠕變曲線來檢驗瀝青混合料的黏彈性。重復加載蠕變試驗能夠有效模擬路面在行車荷載作用下的變形發展過程，通過對試驗條件的設定能全面地反映材料的抗高溫變形能力，試驗得到的指標參數能較好地評價瀝青混合料的高溫性能。

1 原材料及試驗方法

1.1 材料選擇及試驗設備

瀝青采用SBS改性瀝青，其性質符合重交通道路石油瀝青質量要求。粗、細集料采用陜西西戶高速公路大修工程用角閃巖，礦粉為磨細石灰石。為使試驗結果具有普遍性，采用AC—13、AC—16、AC—20三種級配進行試驗研究；試驗儀器采用美國生產的810MTS（Material Test System）材料試驗機，該儀器利用電液伺服閉環系統對路面材料按靜載的方式加載，通過計算機采集加載和卸載數據。

1.2 試驗方法

為了更好地模擬實際路面材料受力狀態和行車荷載特性，試驗采用MTS 材料試驗機進行重復加載蠕變試驗。由于我國大部分地區夏季路面最高氣溫可能達到60～65℃以上，同時考慮到我國超載、重載較為普遍，試驗采用40℃、50℃和60℃三個溫度，以標準軸載0.7MPa 的半正弦波間歇荷載進行重復加載，加載時間為0.1s，間歇時間為0.9s，試驗加載過程如圖1 所示。為消除應力影響，試驗開始時以5%的軸心應力預壓10min。

圖1 重復蠕變試驗原理圖

為了提高試驗精度，消除加載應力、試件高度和試件端面對試驗結果的影響，試件采用旋轉壓實儀成型Φ150mm×H150mm 的大型試件，再鉆芯并切割出尺寸為Φ100mm×H110mm 的試件，試驗前試件在要求溫度下保溫24h；為消除試件端部約束效應對試驗結果和試驗精度的影響，試驗中對試件上下端面各墊一張3mm 厚聚四氟乙烯薄膜，薄膜間涂潤滑油。

2 試驗結果

對AC—13、AC—16、AC—20 三種級配瀝青混合料分別在40℃、50℃、60℃進行重復加載蠕變試驗，得到蠕變曲線如圖2所示。

圖2 不同級配和溫度下的重復加載蠕變曲線

由圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）的重復加載蠕變曲線可以看出，隨著荷載作用次數的增加，三種不同的瀝青混合料在荷載作用下的變形均經歷三個階段：（1）遷移期：在荷載作用下，變形迅速增大，但應變速率隨時間增加逐漸減小；（2）穩定期：在荷載作用下，應變穩定增長，但應變速率基本保持不變；（3）破壞期：在荷載作用下，應變、應變速率隨時間增加迅速增大直至破壞。

由圖2（d）、圖2（e）、圖2（f）可知，瀝青混合料在荷載作用下隨著溫度的增加其變形量發展相應較快。隨著溫度的增大，瀝青混合料變形加快，破壞期會提前到來，說明溫度的升高會加速路面車轍的產生。

3 試驗結果分析

瀝青混合料是一種典型的溫度敏感性材料，其力學特性和路用性能隨溫度的變化而顯著變化。車轍作為瀝青路面結構最常見的破壞形式之一，其產生機理和發展過程都與路面溫度的變化密切相關。

通過對重復加載蠕變曲線進行分析、處理得到蠕變勁度E、流變次數Fn及相應永久應變ξp，在雙對數坐標系下回歸得到截距a和斜率b（見表1），七個參數隨溫度變化的變化規律見圖3。流變次數Fn定義為第三階段開始點對應的荷載作用次數。可以通過計算得到永久應變ξp對荷載作用次數n的變化率(ξpslope)，當永久應變率降低到最小后會保持恒定一段時間，其開始增大的點對應的荷載作用次數即為流動次數Fn。

表1 重復加載蠕變試驗高溫穩定性參數提取

圖3 不同參數隨溫度的變化趨勢

（1）由圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）可以看出，在一定頻率下，荷載作用次數為500、1 000、2 000、3 000次時的勁度模量隨溫度變化的變化規律基本保持一致，即隨著溫度的升高，蠕變勁度E逐漸減小。這是因為當加載頻率一定時，隨著混合料溫度的升高，作為結合料瀝青的勁度模量降低，在應力作用下，混合料集料骨架的變形行為變得明顯，吸收部分能量，回彈能力減弱，表現為混合料勁度模量的降低。

（2）流變次數Fn隨著溫度的升高而逐漸減小。這是由于，隨著溫度的增加，瀝青混合料中的膠結料瀝青逐漸軟化，而軟化的膠結料會對集料之間的嵌擠產生潤滑作用，必然會導致混合料內摩擦力的減小，從而使整個混合料的強度降低，表現出流動次數隨著溫度增加而逐漸減小的趨勢。而圖3（f）表明流動次數Fn所對應的永久變形ξp隨著溫度的變化沒有明顯的規律性。

（3）截距a隨著溫度的變化沒有明顯的規律性，而斜率b則隨著溫度的增加而增大，溫度從40℃增加到50℃時斜率b增大的幅度相對較小，而從50℃增加到60℃時其增大的幅度較為明顯，說明溫度越高斜率增加的幅度越大。

（4）當加載應力為0.7MPa、溫度為60℃時，勁度模量、流動次數和斜率b對于三種不同的混合料區分度最大。因此，將60℃作為重復加載蠕變試驗的標準溫度是可行的。

4 結論

（1）重復蠕變試驗原理與路面實際荷載-變形響應模型比較接近，能夠充分考慮改性瀝青延遲彈性恢復性能對高溫性能的影響，是一種比較科學的試驗方法。

（2）在相同的荷載應力下，隨著溫度的增大，瀝青混合料變形加快。隨著溫度的增加勁度模量逐漸減小，流動次數Fn值下降，斜率b增大；永久變形ξp隨著溫度的變化沒有明顯的規律性。

（3）加載應力為0.7MPa、溫度為60℃時，勁度模量、流動次數和斜率b對于三種不同的混合料區分度最大。因此，可將0.7MPa、60℃作為重復加載蠕變試驗的標準試驗條件。

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