采用间接拉伸蠕变试验评价沥青混合料低温抗裂性能*

银 花，高世强

(1.内蒙古大学 交通学院，呼和浩特 010070；2.内蒙古大学 桥梁检测与维修加固工程技术研究中心，呼和浩特 010070)

0 引 言

热拌沥青混合料是一种典型的黏弹性材料，其应力应变响应取决于施加荷载的温度和时间，因此，测量黏弹性材料在很宽的频率和温度范围内的黏弹性特性显得尤为重要[1-4]。其中最常用的方法之一是测量材料在不同温度和时间下的蠕变行为，并采用时间-温度等效原理建立蠕变主曲线[5]。沥青混合料的蠕变试验是有效的试验措施，因为这个测试可以确定并分离与时间无关的应变(弹性应变)和依赖时间的应变(黏弹性和塑性)响应[6]。

蠕变试验主要采用两种试验方式，即间接拉伸蠕变和单轴压缩(拉伸)蠕变试验，其中单轴压缩(拉伸)蠕变试验通常称作单轴蠕变试验，主要用于预测热拌沥青混合料的车辙变形；而间接拉伸蠕变试验主要用于预测热拌沥青混合料在低温条件下在路面产生的裂缝[7]。间接拉伸蠕变试验最初是由Roque R等[8]于1995年在美国SHRP计划中用来评价沥青混合料的低温抗裂性能，间接拉伸试验比较其它试验的优点是使用一种压缩加载方法，从而使圆柱体试样在垂直方向上产生均匀的拉应力状态。Christensen D W等[9]认为间接拉伸试验是预测沥青混合料低温性能最有效的方法。尤其适用于确定热拌沥青混合料的抗裂性能，美国AASHTO T332已将此方法定为测定热拌沥青混合料蠕变柔量和强度的标准试验方法[10]。通过间接拉伸蠕变试验可以确定热拌沥青混合料的蠕变柔量、抗拉强度和泊松比，该试验能够描述沥青混合料在低温条件下对变形的适应能力，蠕变柔量的大小能够代表沥青混合料对低温变形的适应能力的大小[11-13]。

本文首先采用马歇尔配合比设计方法得到了3种不同配合比的AC-20型沥青混合料，其次对3种级配的沥青混合料在3个不同温度下进行了间接拉伸低温蠕变试验，然后采用幂函数模型建立了3种沥青混合料的低温蠕变柔量主曲线，最后分析了3种沥青混合料的低温抗裂性能。

1 实 验

1.1 试件的制备

本文采用90#基质沥青，试验所用粗集料、细集料及矿粉均按工程实际采用标准。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)和《公路工程集料试验规程》JTG E42-2005对沥青、粗(细)集料及矿粉的技术指标进行测定。制作平行试件数量为3个，采用旋转压实仪成型直径为150 mm、高110 mm的圆柱形试件，之后切割成直径为150 mm、高40 mm的圆柱形试件，采用动态伺服液压沥青混合料试验系统(UTM-100)进行试验，间接拉伸蠕变试件如图1所示[14]。

图1 间接拉伸蠕变试件Fig 1 Indirect tensile creep test specimen

1.2 间接拉伸低温蠕变试验

根据美国AASHTO(T322-03)规范[10]，对3种AC-20沥青混合料进行间接拉伸蠕变试验，选择3个温度(0，-10和-20 ℃)下进行试验(考虑依托工程在使用过程中低温条件下平均温度的情况，在进行间接拉伸蠕变试验时最低温度选取-20 ℃)，试验设备为动态伺服液压沥青混合料试验系统(UTM-100)，加载方式为径向加载，加载时间持续1 000 s[14]，其试验使用仪器及加载过程如图2所示。

图2 间接拉伸低温蠕变试验使用仪器及加载过程Fig 2 Instrument and loading process of indirect tensile creep test at low temperature

2 沥青混合料低温蠕变性能分析方法

2.1 蠕变柔量计算方法

热拌沥青混合料的蠕变柔量曲线可以分为初始阶段、第二阶段和第三阶段[15-16]，但是在低温条件下有限时间内的蠕变基本上处在初始和第二两个阶段[14]。

沥青混合料间接拉伸蠕变试验，在每一个试验条件下，平行试验采用3个试件，在每个试件试验过程中，对试件施加静载，采用LVDT采集每一面上的水平和竖直位移。考虑每个试件在切割加工过程中存在一定的误差，需要考虑试件的尺寸对试验结果的影响，之后再计算沥青混合料的蠕变柔量和泊松比。沥青混合料间接拉伸蠕变柔量计算公式如式(1)所示：

(1)

其中，D(t)为t时刻的蠕变柔量，据式(1)计算得到每一时刻的蠕变柔量。

2.2 主曲线建立方法

沥青混合料的两种最常用的表示蠕变柔量主曲线(CCMC)的数学模型是幂函数和Prony级数，幂函数模型通常用于分析绘制在对数坐标上的CCMC的次要部分，如式(2)所示

D(t)=D0+D1×tm

(2)

其中，D(t)为t时刻的蠕变柔量；D0为瞬间蠕变柔量；D1为某一时间的蠕变柔量；t为加载时间，s；m为回归系数。

热拌沥青混合料等黏弹性材料的响应依赖于时间和温度的变化。一般蠕变试验需要在几个不同的温度下进行，依赖时间和温度的蠕变响应可以通过时间-温度等效原理得到的参数减缩时间(tr)来表示[17]。幂函数模型的主曲线方程如式(3)所示：

D(tr)=D0+D1×(tr)m

(3)

其中，tr为减缩时间；D0为瞬间蠕变柔量；D1为某一时间的蠕变柔量；m为回归系数。

在每个温度下所需的移位量称为移位因子a(T)，它是一个常数，根据这个常数，在每个温度下的加载时间可以被划分为主曲线的一个减缩时间tr，由式(4)计算得到

(4)

其中，tr为减缩时间；t为加载时间；a(T)为移位因子。

3 沥青混合料低温蠕变柔量主曲线的建立

3.1 间接拉伸低温蠕变试验结果与分析

从3种AC-20沥青混合料间接拉伸低温蠕变试验获得数据后，先采用式(1)计算得到每一时刻的蠕变柔量，然后采用幂函数模型(式(2))进行拟合得到蠕变柔量与时间的幂函数模型相关参数。AC-20 Ⅰ(粗级配型)、AC-20 Ⅱ(中级配型)和AC-20 Ⅲ(细级配型)3种级配AC-20沥青混合料的蠕变柔量曲线如图3所示，拟合得到的参数如表1所示。

从图3可以看出，同一种级配AC-20的沥青混合料，在双对数坐标中，蠕变柔量均随着时间的增长在逐渐增大，其蠕变柔量也随着温度的升高而增长，其混合料产生相同收缩应变而引起的内部应力也变小，因而温度在0 ℃时，3种AC-20沥青混合料的低温抗裂性能逐渐变好。由图3可知，在3个不同温度条件下，3种级配混合料的蠕变柔量呈现出不同的规律。在0 ℃时，AC-20 Ⅱ和AC-20 Ⅲ两种级配的蠕变柔量随着时间的增长趋势基本一致，明显高于AC-20 Ⅰ的蠕变柔量，且中间级配(AC-20 Ⅱ)的混合料蠕变柔量最大，其低温抗裂性能最好，而在-10和-20 ℃时，AC-20 Ⅱ和AC-20 Ⅲ两种级配的蠕变柔量随着时间的增长趋势基本一致，但是均小于AC-20 Ⅰ，因此粗级配型(AC-20 Ⅰ)混合料的低温抗裂性能最好，说明沥青混合料级配变粗，其混合料低温抗裂性能较好。

图3 AC-20沥青混合料蠕变柔量曲线Fig 3 Creep compliance curves of AC-20 asphalt mixtures

表1为AC-20沥青混合料间接拉伸蠕变参数。从拟合结果来看，其R2均大于0.94，且3个参数的标准差均小于0.0025，说明拟合结果较好。此外，由表1中可知，同一级配的沥青混合料，随着温度的升高，其初始蠕变柔量值D0也逐渐升高，但D1无明显规律；幂函数指数m值，也随着温度的升高而增大，表明随着温度的升高，沥青混合料蠕变柔量随时间的增长越快，即沥青混合料的蠕变速率越大，其低温抗裂性能越好，适应变形的能力也就越强。

表1 AC-20沥青混合料间接拉伸蠕变参数Table 1 Indirect tensile creep parameters of AC-20

3.2 蠕变柔量主曲线的建立

本文在3个温度(-20，-10和0 ℃)下进行AC-20沥青混合料间接拉伸蠕变试验，在得到每一个温度下的1 000 s的蠕变柔量值后，基于幂函数模型的主曲线方程(式(3))和移位因子(式(4))，在Excel中进行规划求解得到温度移位因子以及平移的蠕变柔量，以-10 ℃作为参考温度得到沥青混合料蠕变柔量曲线。表2为不同温度(-20，-10和0 ℃)下产生的位移因子。

表2 温度移位因子Table 2 Temperature shift factor

图4为建立的AC-20沥青混合料低温蠕变柔量主曲线，使用的单位为1/GPa，这是因为原始的柔量在1/Pa中非常接近于零。建立主曲线时，坐标采用半对数坐标形式，即减缩时间才采用对数坐标，蠕变柔量采用常数坐标，并采用幂级数模型对主曲线进行拟合，拟合参数如表3所示。分析中剔除了在蠕变试验开始和结束时测量到的离散的蠕变柔量数据。由图4可知，在整个时间范围内，3种AC-20沥青混合料的蠕变柔量均随着时间的延长而增长，且在1 000 s左右出现明显的转折，在1 000 s之后蠕变柔量随着时间的增长速率显著增大，且AC-20II的蠕变柔量一直小于另外两种混合料，但是时间范围较AC-20III的广泛，最终的蠕变柔量超过AC-20III，但是仍小于AC-20I。最终的蠕变柔量大小为：AC-20 Ⅰ>AC-20 Ⅱ>AC-20 Ⅲ，这代表了3种沥青混合料在低温条件下抵抗变形的能力的强弱。

图4 AC-20沥青混合料蠕变柔量主曲线Fig 4 Creep compliance master curve of asphalt mixtures

表3为 AC-20沥青混合料低温蠕变柔量主曲线拟合参数。从表3可以看出，幂函数模型较好地描述了沥青混合料低温蠕变柔量主曲线，相关系数R2接近1.0，3种沥青混合料的D0均在同一个量级上，且幂指数m值均在0.5以上。参数幂指数m值可以表示蠕变速率，其值大小也可以表示沥青混合料的低温松弛能力，m值越大，沥青混合料低温松弛性能越好，其在宽时间范围内细级配(AC-20 Ⅲ)型混合料的低温抗裂性能也就越好。

表3 AC-20沥青混合料低温蠕变柔量主曲线拟合参数Table 3 Fitting parameters of low temperature creep compliance master curve of AC-20 asphalt mixtures

4 结 论

(1)同一种级配AC-20沥青混合料的蠕变柔量均随着时间的增长而逐渐增大，其蠕变柔量也随着温度的升高而逐渐增大，其混合料产生相同收缩应变而引起的内部应力也变小，因而温度在0 ℃时，其混合料的低温抗裂性能也越好。

(2)3种不同级配混合料的蠕变柔量，在3个不同温度条件下显现出不同的规律，温度在0 ℃时，中间级配(AC-20 Ⅱ)混合料的低温抗裂性能最好，而随着温度降低到-20 ℃时，粗级配(AC-20 Ⅰ)沥青混合料的低温抗裂性能变最好。

(3)采用幂函数模型能够较好地描述沥青混合料扩宽时间域的低温间接拉伸蠕变柔量主曲线，其参数幂指数m可以较好地显示沥青混合料的低温松弛能力，在宽时间域内，细级配(AC-20 Ⅲ)沥青混合料的低温松弛性能最好，其低温抗裂性也最好。