雙層組合瀝青混合料的蠕變特性

游慶龍,黃之懿,魏丙華,趙勝前,姚 遠

(1.長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064; 2.德通智能科技股份有限公司, 河南 許昌 461000)

1 前 言

瀝青混合料是由瀝青、集料、礦粉以及外加劑混合而成的復合材料,因其優良的使用性能在各類鋪面工程中得到廣泛應用。由于瀝青是一種典型的黏彈性材料,使得瀝青混合料的性能表現出一定的溫度依賴性,特別是在高溫時,極易誘發因永久變形而表現的各類病害。瀝青混合料永久變形的產生是荷載反復作用下,材料蠕變過程塑性變形的累積。針對瀝青混合料的蠕變機理,張俊等[1]在經典Burgers模型的基礎上提出一種新的黏彈塑性本構模型,探究了在動態循環荷載下的應力-應變關系。程懷磊等[2]基于有限元模型,從雙模量的角度分析瀝青混合料的動態壓-拉模量特征,并對荷載作用下路面力學響應進行了預測。羅文波等[3]在分數階微分Zener模型的基礎上,提出了一種改進的分數階微分模型,并利用改進的模型探究了瀝青混合料的動態黏彈性力學特性。李志鵬等[4]利用離散元的方法,從細觀的角度探究了含智能感知器件的瀝青路面材料力學特性。Underwood等[5-6]基于連續介質力學和斷裂力學等,建立了一種瀝青混合料黏彈性損傷模型,并設計試驗獲取了模型的參數并驗證模型的準確性,據此設計了一套簡化的計算程序。Robert等[7]基于黏彈性斷裂力學的基本理論,通過室內試驗研究了填料類型和孔隙率對瀝青混合料和膠泥基本斷裂極限的影響。Fan等[8]在傳統的連續介質力學損傷模型基礎上提出了一種微觀力學損傷模型,從根本上闡述了瀝青混合料界面剝離的機理。

基于瀝青混合料的蠕變理論,大量研究人員設計了各種室內試驗,探究了瀝青混合料的蠕變特性。顧興宇 等[9]基于壓剪破壞理論,利用了三軸動態蠕變試驗,建立了密級配瀝青混合料高溫蠕變失穩點預測模型,并研究了模型參數的影響因素。吳玲玲等[10]選取了SMA-13等三種瀝青混合料,進行了單軸蠕變等室內試驗,對比分析了不同瀝青混合料的高溫穩定性。張啟鵬等[11]提出了一種分數階蠕變損傷模型,并用單軸壓縮試驗結果擬合出模型參數,進而從統計學的角度推導出瀝青混合料的損傷演化方程。安文靜等[12-13]提出一種非線性黏彈塑性蠕變模型,并結合室內試驗結果證明了該模型能更好地描述瀝青混合料加速蠕變階段,彌補了傳統Burgers模型的不足。You等[14-16]通過多種室內試驗探究了不同種類瀝青混合料和瀝青膠漿的高溫蠕變特性,并提出了一種優化的瀝青混合料級配以達到抗車轍的效果。Li等[17]選取了AC-13等三種典型的瀝青混合料,基于Burgers模型探究了其蠕變機理。

為了探究雙層組合瀝青混合料的蠕變特性,本研究對我國常用的上面層AC13瀝青混合料和中面層AC20瀝青混合料,按照常用的4 cm+6 cm組合模式在室內成型試件,再對制備的試件進行不同條件下的單軸壓縮試驗,在此基礎上構建有限元分析模型,確定了雙層瀝青混合料的蠕變模型參數。

2 試驗方案

為了研究不同溫度不同應力水平下的蠕變規律,本試驗選取的試驗溫度為40 ℃、50 ℃、60 ℃,試驗應力水平為0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa。

2.1 試件的成型方法

采用靜壓法將上面層AC-13C瀝青混合料與中面層AC-20C瀝青混合料進行組合形成雙層組合瀝青混合料試件。試件尺寸為φ10 cm×H10 cm(φ15 cm×H12 cm成型后鉆芯成φ10 cm×H12 cm,然后上、下層各切割1 cm),最終得到上面層4 cm、中面層6 cm的組合試件,試件成型過程如圖1所示。其中,部分試件按照瀝青混合料總質量的0.4%摻入抗車轍劑,組合方案如表1所示,不同組合方案得到的試件用A、B、C、D表示。

圖1 室內成型的試件 (a)靜壓成型的試件;(b)鉆芯后的試件;(c)端面切割后的試件

表1 雙層組合瀝青混合料蠕變試驗方案

2.2 加載方式

采用萬能試驗機對單層及雙層組合瀝青混合料進行單軸蠕變試驗。為了消除接觸空隙,避免加、卸載時的沖擊與脫空,需對試件進行預壓。以加載應力的5%作為預載應力,預載時間為1 min,加載60 min,卸載到預應力并保持10 min,如圖2所示。同時,數據采集系統記錄下不同時刻的軸向變形,生成時間-變形曲線。

圖2 試驗施加荷載隨時間變化示意圖

3 試驗結果及分析

3.1 蠕變試驗結果

雙層組合瀝青混合料在各試驗溫度下的蠕變試驗曲線如圖3～圖5所示。

圖3 40 ℃單軸蠕變試驗曲線 (a)0.3 MPa; (b)0.5 MPa; (c)0.7 MPa

圖4 50 ℃單軸蠕變試驗曲線 (a)0.3 MPa;(b)0.5 MPa;(c)0.7 MPa

圖5 60 ℃單軸蠕變試驗曲線 (a)0.3 MPa;(b)0.5 MPa;(c)0.7 MPa

由圖可知：在施加荷載的瞬間,瀝青混合料發生瞬時彈性變形,此階段的試件變形量很大,曲線斜率接近90°;隨著荷載作用時間的增加,試件的變形速率逐漸變小并趨于穩定,此階段的變形量很小,說明瀝青混合料抵抗變形的能力逐漸增強。上述蠕變過程與瀝青路面實際發生車轍的情況吻合。瀝青混合料蠕變性能隨著殘余應變比(殘余變形/累積變形)的減小而提高,隨著勁度模量的減小而降低。

雙層均摻加抗車轍劑的組合材料蠕變性能優于單層摻加抗車轍劑的組合材料,單層摻加抗車轍劑的組合材料優于雙層均不摻加抗車轍劑。其中雙層AC-13C摻加抗車轍劑的組合材料優于雙層AC-20C摻加抗車轍劑,其蠕變性能(同一溫度荷載作用下)差別在作用時間1 000 s后更為明顯。

對于同種雙層組合材料,同一溫度不同應力條件下的蠕變結果表明：隨著應力水平的增加,組合材料的蠕變性能逐漸降低;在40 ℃相對較低的溫度下,隨著應力的增加蠕變結果變化不太明顯;但當溫度升高到50℃、60 ℃時,在同一溫度下同種組合材料隨應力的增大變化相對比較明顯,應力從0.3 MPa增至0.5 MPa時累積變形增大了0～10%,而應力從0.5 MPa增至0.7 MPa時累積變形增大了10%～20%,蠕變性能降低速率加快。

對于同種雙層組合材料,同一應力不同溫度條件下的蠕變結果表明：隨著溫度水平的升高,組合材料的蠕變性能逐漸降低;在同一應力條件下,溫度從40 ℃升高到60 ℃,蠕變勁度模量降低了44%～63%,殘余變形增大了0.7～1.2倍;在同一溫度條件下,應力從0.3 MPa增大到0.7 MPa,蠕變勁度模量降低了18%～29%,殘余變形增大了30%～48%。綜上所述溫度和應力均可以影響雙層組合瀝青混合料的蠕變性能,且溫度對雙層組合材料蠕變性能的影響更為顯著。

3.2 主曲線的構建

3.2.1移位因子的計算 參考文獻[18],本研究利用WLF方程構建主曲線。選取40 ℃為基準溫度,移位因子lg(αT)的計算方法按式(1)計算,瀝青混合料蠕變柔量按式(2)計算。

(1)

式中：C1、C2為材料常數,本研究取C1=8.86,C2=101.6;T為移位溫度溫度,℃;T0為基準溫度,本研究選取40 ℃。

(2)

式中：J(t)為與加載時間t有關的蠕變柔量,MPa-1;ε(t)為施加恒定恒載后試驗試件產生的蠕變應變;σ0為施加的恒定荷載,MPa;U(t)為蠕變變形量,mm;h為試件的有效高度,本研究取100 mm。

根據加載條件為0.3 MPa的試驗結果計算得到移位因子結果如表2所示。

表2 移位因子lg(αT)(0.3 MPa)

3.2.2主曲線的擬合 為了更好地擬合試驗數據,本研究采用修正的Burgers模型,即“四單元、五參數”模型,如圖6所示。表達式見式(3)。

(3)

圖6 修正的Burgers模型示意圖

式中：E1和E2為彈簧的楊氏模量;η2為黏壺的黏度系數;A、B為外部黏壺參數。

雙層組合瀝青混合料蠕變試驗數據與擬合曲線呈現出良好的相關性,R2均在0.92以上。其中,組合AC-20C摻加抗車轍劑的混合料在0.5 MPa下的擬合效果最佳,R2為0.9 984;組合不加抗車轍劑和AC-13C摻加抗車轍劑的混合料在0.3 MPa條件下擬合效果相對較差,R2接近于0.92。0.3 MPa條件下參數擬合結果見表3,將擬合數據繪制于圖7。

圖7 主曲線圖(0.3 MPa) (a)A;(b)B;(c)C;(d)D

表3 參數擬合結果(0.3 MPa)

從圖7中可以看出,通過移位后獲得的瀝青混合料蠕變柔量主曲線的時間范圍大幅度延長,從10-2到104。這對于分析瀝青混合料在荷載長期作用下的蠕變變形趨勢具有重要的意義。

4 有限元分析

為了驗證試驗的準確性,本研究依托數值軟件進行有限元分析。瀝青混合料的本構模型采用廣義的Maxwell模型,表達式見式(4)。根據蠕變試驗得到的時間-應變數據,通過式(3)計算出各時刻的蠕變柔量J(t),再利用MATLAB中的curve fitting功能擬合出式(4)中的參數Ji,在本實驗分析中,n=7。

(4)

式中：J0為玻璃態蠕變柔量,MPa-1;t為加載時間,s;η0為長期黏度,對于瀝青混合料,其為無窮大;Ji為延遲強度,MPa-1;τi為延遲時間,s。

在參數Ji的擬合結果中,60 ℃,0.7MPa條件下的試驗結果擬合相關性相較于其他條件下較差,R2在0.9到0.95之間。以雙層組合瀝青在60 ℃條件下的單軸壓縮試驗為例,根據擬合數據建立有限元模型獲取變形與時間的關系如圖8所示。

圖8 60 ℃單軸蠕變試驗模擬結果 (a)0.3 MPa; (b)0.5 MPa;(c)0.7 MPa

由圖8可知,由于網格類型和密度等原因,分析結果相較于試驗結果偏大。盡管如此,所得分析結果與試驗數據整體上仍保持了較好的相關性,因此用廣義Maxwell模型可以較好地表征雙層瀝青的高溫蠕變特性。

5 結 論

針對雙層組合瀝青混合料的蠕變性能進行分析,具體結論如下：

1．溫度和應力均可以影響雙層組合瀝青混合料蠕變性能,且溫度對雙層組合材料蠕變性能的影響更為顯著。

2．抗車轍劑對于提升雙層瀝青混合料的蠕變性能有明顯的作用。雙層均摻加抗車轍劑的組合材料蠕變性能最優。單層摻加抗車轍劑的組合材料優于雙層均不摻加抗車轍劑,其中向上面層AC-13C摻加抗車轍劑的組合材料優于向中面層AC-20C摻加抗車轍劑。隨著時間地推移,抗車轍劑對瀝青混合料高溫性能地提升更加明顯。

3．修正的Burgers模型能有效地擬合蠕變試驗的結果,可以較好地描述單層和雙層組合瀝青混合料的蠕變特性。

4．根據試驗結果擬合得到的廣義Maxwell模型的參數Ji誤差均不大。由60 ℃單軸蠕變試驗的有限元模擬結果可以看出,模擬得到的蠕變曲線與試驗得到的蠕變曲線有較好的相關性。