加载顺序及加载幅值对沥青混合料性能的影响分析

丁 彪，郑传超，陈团结，彭子馨，邹 玲

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075 ；2.长安大学 教育部特殊地区公路工程重点实验室，陕西 西安 710064；3.西安西北民航项目管理公司，陕西 西安 710075 )

0 引 言

1 试验准备

1.1 试验方案

试验时温度分别为5、15、25 ℃，加载频率为10 Hz，各级应变分别为600、400、200 με，试验中采用设定的次数来作为小梁的终止条件，如图1，试验分两级加载，每级加载10 000次，试验方案如表1，试验终止条件设置示意图见图1，试验中主要考虑加载顺序及加载幅值对沥青混合料劲度模量的变化、相位角的影响。

表1 试验方案Table 1 Test programs

图1 终止条件设置示意Fig. 1 Schematic diagram of setting termination conditions

1.2 试验材料

试验所采用的材料为SMA13沥青混凝土。结合料采用陕西国琳华泰沥青产品有限公司生产的SBS改性沥青，其主要技术指标为表2[8]。沥青用量采用马歇尔试验进行，马歇尔试验结果如表3，根据马歇尔各性能指标与油石比的关系，得出最佳油石比为6%。

表2 SBS改性沥青技术性能参数Table 2 Technical performance parameters of SBS modified asphalt

表3 马歇尔试验结果Table 3 Marshall test results

2 加载顺序及加载幅值对沥青混合料参数变化分析

2.1 加载顺序及加载幅值对劲度变化的影响

试验结果如图2～图4：

图2 5 ℃加载顺序及加载幅值对劲度变化的影响Fig. 2 Effect of load sequence and load amplitude on the stiffness change of asphalt mixture at 5 ℃

图3 15 ℃加载顺序及加载幅值对劲度变化的影响Fig. 3 Effect of load sequence and load amplitude on the stiffness change of asphalt mixture at 15 ℃

图4 25 ℃加载顺序及加载幅值对劲度变化的影响Fig. 4 Effect of load sequence and load amplitude on the stiffness change of asphalt mixture at 25 ℃

从图2～图4中可以看出，试验中采用的应变越小，则沥青混合料的初始劲度越大；低高顺序加载过程中，第2阶段的高应变相同，第1阶段的低应变越低，则高应变初始阶段的劲度会越高，但是随着加载次数的增加，两者之间的差异逐渐减小。这主要是由于第1阶段的应变值越低，沥青混合料的损伤越小，所以高应变控制的初始阶段劲度会相对变大。高低顺序加载过程中，低应变控制阶段的劲度变化出现两种情况，400 με作用下劲度表现为衰减现象，而200 με作用下劲度先逐渐增大然后逐渐减小。

2.2 加载顺序及加载幅值对相位角变化的影响

相位角反应的是黏弹性材料的黏性成分和弹性成分的比例，相位角越大表示黏性成分越多，越小表示弹性越强，一般情况下，将其与复模量一起评价沥青或沥青混合料的高温性能。本节主要研究了不同加载顺序和加载幅值的变化对沥青混合料的相位角的影响，试验结果如图5～图7。

图5 5 ℃加载顺序及加载幅值对相位角变化的影响Fig. 5 Effect of load sequence and load amplitude on the phase angle change of asphalt mixture at 5 ℃

图6 15 ℃加载顺序及加载幅值对相位角变化的影响Fig. 6 Effect of load sequence and load amplitude on the phase angle change of asphalt mixture at 15 ℃

图7 25 ℃加载顺序及加载幅值对相位角变化的影响Fig. 7 Effect of load sequence and load amplitude on the phase angle change of asphalt mixture at 25 ℃

从图5～图7中可以看出，5 ℃和15 ℃条件下，加载顺序对相位角的变化有影响，而在25 ℃条件下，加载顺序对相位角的影响较小。由图5和图6可以看出，低高荷载顺序作用下，第1阶段的低应变值越低，初始相位角越小，(200+600) με和(400+600) με两种加载条件下高应变阶段相位角的变化趋于一致，这种现象说明对于低高荷载，相位角最终变化结果由第2阶段的高应变决定。在高低荷载顺序作用下，相位角的变化会出现两种情况，当低应变的幅值与前一阶段的高应变较为接近时，相位角会随着荷载作用次数的增加而增加，当低应变的幅值与高应变相差较大时，相位角先减小后增加。这种现象与劲度的变化趋势正好相反，图8为两种变量在高低应变顺序作用条件下200 με控制阶段的变化趋势，相位角先下降后上升，劲度模量先上升后下降。

在应变疲劳试验中，沥青混合料的劲度模量为复数模量，其值为应力和相应的应变之比，假设对试验的小梁施加一个正弦交变应变γ(t)=γ0sinωt，该试样做出的应力响应会超前于应变一个相位角δ，记为τ(t)=τ0exp[i(ωt+δ)] ，则复数模量G*表示为

G*=|G*|(cosδ+isinδ)=G′+iG″

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

同时可以根据式(2)和式(3)计算出弹性模量和黏性模量的值。为了能够直观的表达高低应变加载条件下弹性模量与黏性模量的变化，笔者选取了5 ℃(600+200) με加载条件下两种模量随加载次数的变化结果，分别见图9和图10。

图10 (600+200) με作用下200 με控制时两种模量变化图Fig. 10 Variation of two kinds of modulus in the stage of 200 με under (600+200) με

从以上两幅图中可以看出，在5 ℃时，沥青混合料的弹性成分所占的比例较大，在600 με控制阶段，弹性模量和黏性模量都随着荷载作用次数的增加而减小，弹性模量下降的幅度比较大，黏性模量下降幅度较小；在200 με控制阶段，0～2 000次作用左右，弹性模量有所增加，在2 000～10 000次范围内，又逐渐降低，但幅度较小，而黏性模量随着荷载作用的增加一直减小。因此可以判定第2阶段的劲度模量的增大以及相位角的减小主要是由于弹性模量的恢复引起的，在高低顺序作用下，当第2阶段采用的应变控制值较大时，损伤占主导地位，弹性模量依然逐渐降低，因此出现当第2阶段采用400 με作用时，劲度模量下降，相位角增大的现象。

3 结 论

以设定的加载次数作为沥青混合料疲劳试验的终止条件，采用了不同的应变幅值，分析了不同加载顺序条件下沥青混合料的动态黏弹性特性，得出了以下结论：

1) 当采用先低后高的加载顺序，沥青混合料的劲度在前后两阶段都会随着加载次数的增加而逐渐递减；相位角在前后两阶段都随着加载次数的增加而增大。

2) 采用先高后低的加载顺序，劲度在高应变条件下随着加载次数的增加而减小，相位角随着加载次数的增加而增大；在低应变控制阶段，两种参数的变化与加载的幅值变化有关，当两者变化幅值不大时，劲度会随着加载次数的增加而减小，相位角随着加载次数的增加而增大，当低应变与高应变两者差异较大时，劲度会先增加而减小，相位角则先减小后增大。

3) 作为黏弹性材料，无论是高应变还是低应变阶段，沥青混合料的黏性模量随着加载次数的增加是逐渐减小的，而弹性模量在低应变控制的初始阶段是有所恢复的，在先高后低加载顺序中劲度与相位角的变化与弹性模量的恢复是有关联的。

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