基于芯樣車轍試驗的瀝青混合料蠕變參數

張爭奇,芮照誠,2,趙勤勝,李乃強,李宏偉

(1.長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室, 陜西 西安 710064; 2.山東省交通科學研究院, 山東 濟南 250102;3.山東省交通規劃設計院集團有限公司, 山東 濟南 250101; 4.唐山高速公路集團有限公司, 河北 唐山 063000)

1 前 言

時間硬化蠕變模型是表征瀝青混合料蠕變規律的模型之一,在ABAQUS中該模型常被用于瀝青路面車轍變形預估[1-4]。時間硬化蠕變模型參數對于預估的準確性具有重要影響,目前該參數一般通過單軸靜載蠕變試驗獲取變形曲線,采用時間硬化蠕變模型進行擬合,進而得到表征瀝青混合料變形特性的蠕變參數[5-6]。然而,該試驗所采用的試件并非路面現場取樣的試件,而是在實驗室內成型獲得,這樣得到的蠕變參數并未考慮施工過程中各種因素對瀝青路面質量的影響,難以準確地預估瀝青路面車轍變形。

路面芯樣是代表路面性能的有效單元,可以全面反映路面結構設計和施工質量。因此,利用路面芯樣獲取表征路面材料變形特性的蠕變參數對準確預測車轍變形具有重要意義。車轍試驗儀是一種實驗室常備試驗設備,用來評價瀝青混合料的高溫抗變形能力。通過分析車轍試驗中試件的受力特點和變形曲線特征發現,車轍試驗可近似視為混合料的一種蠕變過程[7-10],且該試驗方法更能體現瀝青混合料車轍變形機理。方昊[11]通過時間硬化蠕變模型擬合室內車轍試驗結果,得到了瀝青混合料不同溫度下的蠕變參數。因此,為獲取能夠反映瀝青路面材料黏彈性的蠕變參數,本研究提出采用芯樣車轍試驗代替單軸靜載蠕變試驗確定模型參數,研究分析其可行性與合理性。

借助時間硬化蠕變模型分別對瀝青混合料單軸靜載蠕變試驗結果、車轍試驗結果以及路面芯樣車轍試驗結果進行擬合,得到不同試驗條件下的路面材料蠕變參數并進行相關性分析,并驗證材料蠕變參數的合理性。

2 實 驗

2.1 原材料

選用SBS-1改性瀝青、SBS-2改性瀝青和SK-70基質瀝青,粗、細集料均采用石灰巖,礦粉采用石灰巖粉。經檢驗,上述試驗材料均滿足相關規范要求。選用三種常用級配類型AC-13、AC-20和AC-25,其組成見表1。

表1 瀝青混合料級配組成

采用Superpave體積設計法確定最佳油石比,分別為4.9%、4.3%和3.9%。

2.2 實驗方法

對制備的瀝青混合料試件和路面芯樣分別進行單軸靜載蠕變試驗和車轍試驗。

2.2.1單軸靜載蠕變試驗 采用Troxler4140型旋轉壓實儀成型尺寸為φ150 mm×170 mm的圓柱形試件,鉆芯得到尺寸為φ100 mm×150 mm的試件(圖1)。采用UTM-30型萬能材料機進行單軸靜載蠕變試驗,試驗溫度為30～70 ℃。

圖1 單軸靜載蠕變試驗試件

2.2.2車轍試驗 采用瀝青混合料圓柱形試件和路面芯樣進行車轍試驗[12-13],設計了圓柱形試件車轍試驗模具(圖2),將成型圓柱形試件或路面芯樣按照尺寸切割并放置于車轍試驗模具中進行試驗。

圖2 圓柱形試件車轍試驗模具(單位：mm)

具體試驗方案如下：將旋轉壓實儀成型的瀝青混合料試件或路面芯樣,按照模具尺寸進行切割(見圖3);根據試件厚度選擇合適的墊片,將切割后的試件和墊片放入模具(見圖4);將車轍試件置于試驗儀進行試驗;試驗輪壓強為0.7 MPa,試驗溫度與單軸靜載蠕變試驗相同。

圖3 切割后的圓柱形試件

圖4 由切割后的圓柱形試件與模具組合而成的車轍試件

3 基于單軸靜載蠕變試驗的瀝青混合料蠕變參數

3.1 時間硬化蠕變模型

為探究瀝青路面材料的蠕變特性,采用Bailey-Norton蠕變規律對瀝青混合料及路面芯樣的變形進x行分析,時間硬化蠕變模型可表示為：

εcr=C1qC2tC3

(1)

式中：εcr為蠕變量;q為應力;t為時間;C1、C2、C3為模型參數,一般C2≥0,C3≤1。

當應力不變時,對時間求導可得蠕變變化率的表達式：

(2)

令：A=C1C3,冪法則乘數;m=C2,等階應力階次;n=C3-1,時間階次。

則有：

(3)

3.2 室內圓柱形試件單軸靜載蠕變試驗

在30～70 ℃(10 ℃為一個間隔)條件下,對所成型的圓柱形試件進行單軸靜載蠕變試驗,得到不同溫度下混合料的蠕變變形隨時間的變化規律。在處理蠕變試驗數據時需將應變對數化處理,得到三種瀝青混合料在不同溫度下的應變,如圖5所示。

圖5 瀝青混合料單軸靜載蠕變試驗結果 (a)AC-13;(b)AC-20;(c)AC-25

從圖5可知,瀝青混合料的蠕變變形隨時間逐漸增大;在同一時間,變形隨溫度增大而增大;AC-25的蠕變變形最大,AC-13和AC-20變形相差較小。三種瀝青混合料蠕變發展趨勢基本相同,在應力加載的初始階段,混合料的變形發展迅速,在300 s左右時,試件的變形增長趨勢減緩,從500 s左右開始,瀝青混合料的蠕變變形大致呈現穩定發展趨勢。

借助式(1)對上述試驗結果進行擬合,發現得到的蠕變參數變異性較大,這是因為參數C1、C2、C3并非相互獨立,而是存在一定相關性。為解決這一問題,根據文獻[14-15],固定C2=0.65即m=0.65,擬合結果與試驗實測數據相關性較高,相關系數均在0.95以上。相關蠕變參數如表2所示。

表2 瀝青混合料單軸靜載蠕變試驗的時間硬化蠕變模型參數

由表2可知,瀝青混合料的蠕變參數冪法則乘數(A)和時間階次(n)均隨溫度呈增大趨勢。三種級配瀝青混合料中,A在60 ℃及以下時,大小及變化趨勢幾乎一致,在70 ℃時相差較大;n隨溫度變化逐漸增大,其中AC-25最大,AC-13最小。

4 基于圓柱形試件和路面芯樣車轍試驗的蠕變參數

4.1 室內圓柱形試件車轍試驗

車轍試驗變形量累積過程可反映瀝青混合料在荷載作用下的黏彈變形發展趨勢。采用車轍試驗儀對圓柱形試件進行車轍試驗,得到的蠕變曲線見圖6。

圖6 瀝青混合料的車轍試驗結果 (a)AC-13;(b)AC-20;(c)AC-25

由圖6可知,瀝青混合料車轍試驗變形量隨時間大致呈冪函數增長趨勢,與單軸靜載蠕變試驗結果相似性較高,因此,利用時間硬化蠕變模型擬合車轍試驗結果具有可行性。車轍試驗所得試驗數據是變形量隨時間的變化,而式(1)表征的是應變隨時間的變化規律,故需對車轍試驗數據進行處理,將試件變形量轉化為應變進行擬合。擬合得到的蠕變參數見表3。

表3 瀝青混合料車轍試驗的時間硬化蠕變模型參數

由表3可知,室內圓柱形試件車轍試驗的A隨溫度增加呈線性增長趨勢,在30和40 ℃條件下,三種瀝青混合料相差不大,在50 ℃及以上時,AC-25最大,AC-20和AC-13次之;n隨溫度也呈線性增長趨勢,其中,AC-13隨溫度變化增長不明顯,AC-20和AC-25隨溫度增長較快。

4.2 路面芯樣車轍試驗

基于室內圓柱形試件車轍試驗結果,得到了時間硬化蠕變模型參數,但這并不能夠代表瀝青路面材料的變形特性。因為在瀝青路面的實際建設過程中會受到各種因素的影響,即使是同樣設計的瀝青混合料,建成后路面的變形特性與室內成型的試件相比仍存在較大的差異,而現場鉆取的芯樣更能反映瀝青路面混合料的實際性能。在施工現場取樣進行芯樣車轍試驗,進一步驗證車轍試驗獲取蠕變參數的合理性,同時也對室內車轍試驗的時間硬化蠕變模型參數進行修正。芯樣車轍試驗結果見圖7。

圖7 路面芯樣車轍試驗結果 (a)AC-13;(b)AC-20;(c)AC-25

通過鉆取路面芯樣,經切割獲取芯樣車轍試驗試件,對芯樣試件進行不同溫度條件下的車轍試驗,并利用時間硬化蠕變模型進行參數擬合。在擬合過程中發現芯樣車轍試驗結果穩定階段的應變變化速率與室內圓柱形試件十分接近,故n與圓柱形試件車轍試驗擬合結果保持一致,根據芯樣車轍試驗結果確定A,擬合得到的蠕變參數見表4。

表4 路面芯樣車轍試驗的時間硬化蠕變模型參數

由表4可知,與圓柱形試件車轍試驗結果擬合數據相比,A值偏大,這是因為路面施工現場因素眾多,條件復雜,很難達到實驗室所制備的試件質量,導致路面芯樣的抗變形能力稍弱。

5 蠕變參數相關性分析

兩種車轍試驗條件下的時間硬化蠕變模型參數冪法則乘數(A)之間的相關性如圖8所示,換算公式見表5。

圖8 路面芯樣與瀝青混合料車轍試驗的參數(A)相關性分析 (a)AC-13;(b)AC-20;(c)AC-25

表5 路面芯樣與瀝青混合料車轍試驗參數(A)換算公式

同理,根據單軸靜載蠕變試驗結果和芯樣車轍試驗結果,可以得到兩者蠕變參數之間的相關關系,換算公式見表6。

表6 路面芯樣與瀝青混合料的蠕變參數(A)和(n)換算公式

由表6可知,基于單軸靜載蠕變試驗的瀝青混合料試件蠕變參數與基于路面芯樣修正后的蠕變參數之間具有良好的相關性,可以建立可靠的換算公式,前者是基于室內成型的試件得出,可以代表瀝青混合料的變形特性,后者則代表瀝青路面驗收階段的變形特性,兩者之間良好的換算關系證明采用芯樣車轍試驗代替單軸靜載蠕變試驗獲取蠕變參數是可行的。因此,在瀝青路面驗收階段,可以通過鉆取路面芯樣進行車轍試驗,獲取表征瀝青路面材料變形特性的蠕變參數,進而采用有限元法對車轍進行預估,以評價瀝青路面的抗車轍能力。

6 結 論

圓柱形試件車轍試驗結果與芯樣車轍試驗結果相似性高,采用時間硬化蠕變模型對兩條試驗曲線進行擬合得到的冪法則乘數(A)之間存在線性換算關系,這說明芯樣試件可以表征路面材料的變形特性。

基于單軸靜載蠕變試驗結果擬合得到的蠕變參數與基于路面芯樣車轍試驗結果修正得到的蠕變參數之間具有良好的相關性,說明采用路面芯樣車轍試驗獲得的時間硬化蠕變模型參數具有可行性及合理性,可用于有限元法瀝青路面車轍預估模型,評價其抗車轍能力。