沥青混合料动态蠕变黏弹性特性分析

黄 刚 何兆益 黄 涛

(1重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074)

(2中交二航局第二工程有限公司，重庆 400042)

沥青混合料动态蠕变黏弹性特性分析

黄 刚1何兆益1黄 涛2

(1重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074)

(2中交二航局第二工程有限公司，重庆 400042)

采用不同温度和应力水平的动态蠕变试验，对AC-25，SUP-20，AC-16和SMA-13混合料的黏弹性特性展开系统研究，揭示永久变形与沥青混合料类型、应力水平、温度和时间的关系.试验证明，沥青混合料轴向应变和应变速率与加卸载次数均存在幂函数对应关系.通过计算，给出了相应回归幂函数方程中指数参数的参考取值范围.通过对试验数据的分析，得出了蠕变试验中混合料在轴向受力初始状态下应变响应是线性的结论.提出了试验中准确判断沥青混合料处于稳定期的方法，根据此方法判断出了不同温度与应力水平下4种混合料的变形稳定期，并建议应根据应变速率图形中拐点(流变点)出现的正确位置来判断混合料变形是否进入破坏期.采用轴向应变数据对4种混合料在2个温度水平下的修正Burgers模型进行了拟合计算，分析了试验温度变化对模型中黏弹性常数的影响.为准确判断沥青混合料变形的变化趋势，建议在试验中调整试验预压荷载水平，延长试验时间.

轴向应变;应变速率;线性;判断方法

沥青混合料属于黏弹塑性材料，其永久变形与沥青混合料类型、应力水平、温度和时间直接相关.采用动态蠕变试验方法对不同类型的沥青混合料进行研究，相比于静态试验更符合路面实际状况，对沥青混合料的性能分析更为准确.本文通过不同应力水平和温度组合的动态蠕变试验，对AC-25，SUP-20，AC-16和SMA-13混合料的力学性能和抗永久变形能力进行研究，以便更好地揭示沥青路面性能变化规律，从而延长沥青路面的使用寿命.

1 沥青混合料类型、材料和试验方案

本文研究对象为 SMA-13，AC-16，SUP-20，AC-25C四种不同类型的沥青混合料.其中，AC-16，SUP-20和 AC-25C的原材料采用国产普通70#A级沥青，石灰岩粗、细集料，SMA-13的原材料采用SBS I-D改性沥青，玄武岩粗、细集料，原材料质量均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)［1］要求，矿料级配均经过实践验证.试验先按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052—2000)［2］规定以轮碾成型制备成标准车辙试件(300 mm×300 mm×50 mm)，然后在车辙试件中钻取芯样(φ100 mm)作为动态蠕变试验试件，试件高度为48 mm.动态蠕变试验在英国COOPER公司的NU-14气动沥青混合料伺服试验系统上完成，试验参照欧洲标准 prEN 12697-25［3］，先施加预压荷载10 kPa，预压时间为10 min，载荷加载波形为方波，加载频率1 Hz，2 s为一个周期，每个试件按1 800个周期加载，共3 600次加卸载循环.试验温度与加载荷载水平组合为:35℃(100，300，500 kPa)，45 ℃ (100，300 kPa)，60℃(100 kPa).

2 轴向应变、轴向应变速率与蠕变模量

研究表明［4］，沥青混合料在荷载重复作用下，会出现3阶段变形规律:第1阶段是迅速压密的迁移期(又称初期蠕变阶段)，此阶段蠕变曲线的变化特征是ε-t曲线向上弯曲，其应变速率逐渐递减;第2阶段是变形线性增大后的稳定期(又称等效蠕变期)，此阶段蠕变曲线的变化特征是ε-t曲线斜率基本保持不变，即应变速率呈稳定状态;第3阶段是变形迅速发展的破坏期，进入此阶段后，应变呈加速增长，即应变速率不断递增，导致试件迅速破坏.第2阶段和第3阶段连接的临界点(流变点)对应的轴向应变变化率最小，根据 AASHTO TP 79-09［5］和 NCHRP 9-29［6］的规定，将该点对应的加载次数定义为流变次数，对应的时间称为流变时间.蠕变试验结果如表1所示.

表1 不同沥青混合料的最大应变、蠕变模量与流变次数

2.1 轴向应变

分析试验数据可知，4种沥青混合料轴向应变与加卸载次数均符合ε=ANB的幂函数方程，其中ε为轴向应变，A，B为试验参数，N为加卸载次数.而且回归方程的决定系数很高，除了SUP-20与AC-25在45℃，300 kPa的蠕变试验中，回归方程的决定系数分别为R2=0.93和R2=0.975外，其余回归方程中决定系数R2＞0.99.同时，采用Origin软件对4种混合料在3个温度水平下的参数B进行了总体正态测试(normality test)，证明参数B满足正态分布要求.因此，根据试验数据按99%保证率给出参数B在3个温度水平中的取值范围:B∈(0.06，0.30).应变典型曲线如图1所示.

由图2～图4可知，在同一温度水平下，随着应力水平增加，混合料永久变形会随之增大;在同一应力水平，不同温度的混合料永久变形会随温度升高而增大;其中，SUP-20在3个温度水平的高应力状态下变形最大，AC-25其次，而 AC-16和SMA-13表现较好，SMA-13在60℃时永久变形最小，证明采用改性沥青和骨架密实级配的沥青混合料高温稳定性好.

图1 4种沥青混合料轴向应变典型曲线图

图2 35℃不同应力水平下最大应变变化趋势图

图3 45℃不同应力水平下最大应变变化趋势图

图4 60℃100 kPa时最大应变

在分析中还发现，4种混合料在加载初期第10～100次加卸载循环范围内，轴向应变ε与加卸载次数N存在良好的线性关系，采用ε=a'+b'N(N≤100)的线性方程拟合，得到的混合料回归方程的截距、回归系数和决定系数如表2所示.

表2 不同沥青混合料加卸载10～100次范围线性回归方程参数

由表2可知，在10～100次加卸载范围内，恒定动荷载作用下，应变基本保持了线性变化，说明沥青混合料在轴向受力初始状态，变形响应是线性的.但如果将初始0～10次加卸载循环的试验数据纳入回归方程，反而会大幅降低方程的相关性.作者认为出现这种情况的原因主要是试验预压阶段没有完全消除包括非荷载因素在内的其他影响，如预压荷载偏小，试件与加载单元间没有完全接触，或者加载系统自身在加载初期存在微小调整变形等.因此，为了提高试验数据的可靠性，建议试验中可以根据试验动荷载大小，调整预压阶段静压荷载水平，而不是统一采用一个定值，同时适当延长预压时间.

2.2 轴向应变速率

采用Origin软件通过应变计算出相应应变速率，分析数据可知，4种沥青混合料在3个温度水平上轴向应变速率与加卸载次数同样符合Vε=aNb幂函数方程，其中Vε为轴向应变速率，a，b为试验参数，决定系数R2＞0.98.对4种混合料在3个温度水平下的b参数进行总体正态测试，证明参数b满足正态分布要求.根据试验数据，按99%保证率给出参数b在3个温度水平中的取值范围:b∈(－0.98，－0.69).应变速率典型曲线如图5所示.

图5 4种沥青混合料轴向应变速率典型曲线

由于第2阶段轴向应变速率基本稳定，变化很小，即可认为应变速率曲线接近于水平线，因此，本文判断混合料应变是否处于稳定期的依据是对该阶段应变速率数据与加卸载次数进行线性拟合，得到回归方程y=kVε+C，若方程相关性较好，回归方程斜率k非常小，趋近于零，则证明混合料处于第2阶段，据此可以准确判断沥青混合料处于变形稳定期的时间范围.根据上述方法，对4种沥青混合料的应变速率与加卸载次数进行线性拟合，根据回归方程斜率k，找到其对应加卸载次数范围，判断出沥青混合料的变形稳定期，数据如表3所示.

分析数据和应变速率图形可判断，在3 600次加卸载循环的动态蠕变试验中，除了 SUP-20(45℃，300 kPa，见图 6)和 AC-25(45℃，300 kPa)、AC-25(60℃，100 kPa)在试验中混合料变形进入第3阶段破坏期外，其余温度与应力的试验组合中混合料均处于第2阶段稳定期.本文认为欧洲标准prEN 12697-25中提出的“如果永久变形超过4.0×10－2，试件可能已经破坏”是不合适的，因为试验证明经过3 600个加卸载循环，混合料永久变形即使超过4.0×10－2，其变形仍然可能处于变形稳定期，没有进入破坏期.因此，建议应根据应变速率图形中拐点(流变点)出现的正确位置来判断混合料变形是否进入到破坏期.图6中箭头所指即为SUP-20混合料在温度45℃、应力300 kPa的蠕变试验中流变点的准确位置(加卸载1 400次).同时，为了能准确判断流变点出现位置，进一步研究稳定期、破坏期阶段对沥青混合料性能的影响，可延长试验时间，而不是局限于3 600次加卸载循环.

表3 不同沥青混合料变形稳定期范围

图6 SUP-20在45℃300 kPa的流变点位置

2.3 蠕变模量

4种沥青混合料在3个温度水平下蠕变模量的变化趋势如图7～图9所示.由图7～图9可知:在同一温度下，4种沥青混合料的蠕变模量随着应力的增加而增大;在同一应力水平、不同温度下，蠕变模量随着温度的升高而降低.其中在35，45℃时，高应力状态下AC-16蠕变模量最大，60℃时SMA-13蠕变模量最大，证明SMA-13与AC-16的抗车辙性能较好［7］.

图8 4种混合料45℃蠕变模量变化趋势

图9 4种混合料在60℃100 kPa时的蠕变模量

3 修正Burgers模型黏弹性常数计算

“四单元五参数”修正Burgers模型的加载时蠕变方程为

将动态蠕变试验获得的应变数据采用1stopt软件对修正Burgers模型进行拟合计算，得到的模型黏弹性常数如表4所示［8-10］.

由表4可知:在Burgers修正模型的黏弹性常数中，4种沥青混合料的瞬时弹性模量E1和延迟弹性模量E2都随着试验温度的升高而降低，说明当沥青路面温度较高时，沥青混合料的变形恢复能力减弱;同时，AC-25和SUP-20的弹性模量都高于AC-16和SMA-13，这与前2种混合料采用的集料颗粒粒径较大，属于粗粒式、中粒式矿料级配类型有关.模型中4种沥青混合料在35℃时的黏性系数η2均高于45℃时η2值，说明温度升高会导致沥青黏聚力下降，而SMA-13的η2值较大，证明其黏聚力较好，这是由于SMA-13混合料采用了SBS改性沥青，而在相同温度条件下，SBS改性沥青黏聚力要高于基质沥青黏聚力.

表4 修正Burgers模型黏弹性常数拟合结果

4 结论

1)沥青混合料轴向应变和轴向应变速率变化与加载次数均存在幂函数关系，轴向应变ε与加载次数N满足ε=ANB方程，B∈(0.06，0.30);轴向应变速率Vε与加载次数N满足Vε=aNb方程，b∈(－0.98，－0.69).试验证明SMA-13与AC-16的高温性能较好.

2)沥青混合料在轴向受力初始状态，应变响应为线性;试验中应注意根据实验动荷载设定值大小，调整预压荷载水平，延长预压时间.

3)可采用“根据应变速率拟合线性回归方程的斜率k是否趋近于零”的方法判断沥青混合料变形处于稳定期的范围.

4)变形永久变形超过4.0×10－2，沥青混合料不一定进入破坏阶段，应根据应变速率图形中是否出现拐点(流变点)来判断变形是否进入破坏期，同时，为准确判断流变点位置，掌握沥青混合料性能，应延长试验时间.

5)采用应变数据对4种沥青混合料的35，45℃修正Burgers模型进行拟合，得到模型中黏弹性常数值，分析了试验温度变化对黏弹性常数的影响.

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Analysis of viscoelastic characteristics of asphalt mixtures in dynamic creep test

Huang Gang1He Zhaoyi1Huang Tao2

(1School of Civil Engineering and Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

(2China Communications 2nd Navigational Bureau 2nd Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 400042，China)

For systematically studying viscoelastic characteristics of AC-25，SUP-20，AC-16 and SMA-13 mixture，dynamic creep tests at different temperatures and stress levels were conducted to reveal the relationship between permanent deformation and asphalt mixture types，stress level，temperature and time.The tests prove that both the axial strain and the strain rate of asphalt mixtures have a power function relationship with the numbers of loading and unloading.The definite range of corresponding index parameters in regression power function equation is given by calculation.A conclusion is obtained by test data analysis that the strain response of mixture is considered to be linear at the first stage of axial loading.A method is put forward to judge whether the axial strain belongs to the stationary phase of deformation or not.The stationary phase of deformation of four mixtures at different temperatures and stress levels is judged by this method.It is suggested that whether the mixture deformation enters into damage period or not can be judged by the correct position of the inflection point(flow point)in strain rate graphs.Fitting calculation of the modified Burgers model about four types of asphalt mixtures with two temperature levels is completed using data of axial strain.The influence of change of test temperature on viscoelastic constants of the model is analyzed.Adjusting the preloading load level of the test and increasing test time are suggested in order to accurately judge the trend of asphalt mixtures deformation.

axial strain;strain rate;linear;adjustment method

U416.2

A

1001－0505(2012)06-1211-06

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.034

2012-02-16.

黄刚(1971—)，男，博士，副教授，hg_2004@126.com.

国家自然科学基金资助项目(51078372)、高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20105522110002).

黄刚，何兆益，黄涛.沥青混合料动态蠕变黏弹性特性分析［J］.东南大学学报:自然科学版，2012，42(6):1211-1216.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.034］