双层组合沥青混合料的蠕变特性

2023-03-16游庆龙黄之懿魏丙华赵胜前

材料科学与工程学报 2023年6期

游庆龙,黄之懿,魏丙华,赵胜前,姚远

(1.长安大学公路学院, 陕西西安 710064; 2.德通智能科技股份有限公司, 河南许昌 461000)

1 前言

沥青混合料是由沥青、集料、矿粉以及外加剂混合而成的复合材料,因其优良的使用性能在各类铺面工程中得到广泛应用。由于沥青是一种典型的黏弹性材料,使得沥青混合料的性能表现出一定的温度依赖性,特别是在高温时,极易诱发因永久变形而表现的各类病害。沥青混合料永久变形的产生是荷载反复作用下,材料蠕变过程塑性变形的累积。针对沥青混合料的蠕变机理,张俊等[1]在经典Burgers模型的基础上提出一种新的黏弹塑性本构模型,探究了在动态循环荷载下的应力-应变关系。程怀磊等[2]基于有限元模型,从双模量的角度分析沥青混合料的动态压-拉模量特征,并对荷载作用下路面力学响应进行了预测。罗文波等[3]在分数阶微分Zener模型的基础上,提出了一种改进的分数阶微分模型,并利用改进的模型探究了沥青混合料的动态黏弹性力学特性。李志鹏等[4]利用离散元的方法,从细观的角度探究了含智能感知器件的沥青路面材料力学特性。Underwood等[5-6]基于连续介质力学和断裂力学等,建立了一种沥青混合料黏弹性损伤模型,并设计试验获取了模型的参数并验证模型的准确性,据此设计了一套简化的计算程序。Robert等[7]基于黏弹性断裂力学的基本理论,通过室内试验研究了填料类型和孔隙率对沥青混合料和胶泥基本断裂极限的影响。Fan等[8]在传统的连续介质力学损伤模型基础上提出了一种微观力学损伤模型,从根本上阐述了沥青混合料界面剥离的机理。

基于沥青混合料的蠕变理论,大量研究人员设计了各种室内试验,探究了沥青混合料的蠕变特性。顾兴宇等[9]基于压剪破坏理论,利用了三轴动态蠕变试验,建立了密级配沥青混合料高温蠕变失稳点预测模型,并研究了模型参数的影响因素。吴玲玲等[10]选取了SMA-13等三种沥青混合料,进行了单轴蠕变等室内试验,对比分析了不同沥青混合料的高温稳定性。张启鹏等[11]提出了一种分数阶蠕变损伤模型,并用单轴压缩试验结果拟合出模型参数,进而从统计学的角度推导出沥青混合料的损伤演化方程。安文静等[12-13]提出一种非线性黏弹塑性蠕变模型,并结合室内试验结果证明了该模型能更好地描述沥青混合料加速蠕变阶段,弥补了传统Burgers模型的不足。You等[14-16]通过多种室内试验探究了不同种类沥青混合料和沥青胶浆的高温蠕变特性,并提出了一种优化的沥青混合料级配以达到抗车辙的效果。Li等[17]选取了AC-13等三种典型的沥青混合料,基于Burgers模型探究了其蠕变机理。

为了探究双层组合沥青混合料的蠕变特性,本研究对我国常用的上面层AC13沥青混合料和中面层AC20沥青混合料,按照常用的4 cm+6 cm组合模式在室内成型试件,再对制备的试件进行不同条件下的单轴压缩试验,在此基础上构建有限元分析模型,确定了双层沥青混合料的蠕变模型参数。

2 试验方案

为了研究不同温度不同应力水平下的蠕变规律,本试验选取的试验温度为40 ℃、50 ℃、60 ℃,试验应力水平为0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa。

2.1 试件的成型方法

采用静压法将上面层AC-13C沥青混合料与中面层AC-20C沥青混合料进行组合形成双层组合沥青混合料试件。试件尺寸为φ10 cm×H10 cm(φ15 cm×H12 cm成型后钻芯成φ10 cm×H12 cm,然后上、下层各切割1 cm),最终得到上面层4 cm、中面层6 cm的组合试件,试件成型过程如图1所示。其中,部分试件按照沥青混合料总质量的0.4%掺入抗车辙剂,组合方案如表1所示,不同组合方案得到的试件用A、B、C、D表示。

图1 室内成型的试件 (a)静压成型的试件;(b)钻芯后的试件;(c)端面切割后的试件

表1 双层组合沥青混合料蠕变试验方案

2.2 加载方式

采用万能试验机对单层及双层组合沥青混合料进行单轴蠕变试验。为了消除接触空隙,避免加、卸载时的冲击与脱空,需对试件进行预压。以加载应力的5%作为预载应力,预载时间为1 min,加载60 min,卸载到预应力并保持10 min,如图2所示。同时,数据采集系统记录下不同时刻的轴向变形,生成时间-变形曲线。

图2 试验施加荷载随时间变化示意图

3 试验结果及分析

3.1 蠕变试验结果

双层组合沥青混合料在各试验温度下的蠕变试验曲线如图3～图5所示。

图3 40 ℃单轴蠕变试验曲线 (a)0.3 MPa; (b)0.5 MPa; (c)0.7 MPa

图4 50 ℃单轴蠕变试验曲线 (a)0.3 MPa;(b)0.5 MPa;(c)0.7 MPa

图5 60 ℃单轴蠕变试验曲线 (a)0.3 MPa;(b)0.5 MPa;(c)0.7 MPa

由图可知：在施加荷载的瞬间,沥青混合料发生瞬时弹性变形,此阶段的试件变形量很大,曲线斜率接近90°;随着荷载作用时间的增加,试件的变形速率逐渐变小并趋于稳定,此阶段的变形量很小,说明沥青混合料抵抗变形的能力逐渐增强。上述蠕变过程与沥青路面实际发生车辙的情况吻合。沥青混合料蠕变性能随着残余应变比(残余变形/累积变形)的减小而提高,随着劲度模量的减小而降低。

双层均掺加抗车辙剂的组合材料蠕变性能优于单层掺加抗车辙剂的组合材料,单层掺加抗车辙剂的组合材料优于双层均不掺加抗车辙剂。其中双层AC-13C掺加抗车辙剂的组合材料优于双层AC-20C掺加抗车辙剂,其蠕变性能(同一温度荷载作用下)差别在作用时间1 000 s后更为明显。

对于同种双层组合材料,同一温度不同应力条件下的蠕变结果表明：随着应力水平的增加,组合材料的蠕变性能逐渐降低;在40 ℃相对较低的温度下,随着应力的增加蠕变结果变化不太明显;但当温度升高到50℃、60 ℃时,在同一温度下同种组合材料随应力的增大变化相对比较明显,应力从0.3 MPa增至0.5 MPa时累积变形增大了0～10%,而应力从0.5 MPa增至0.7 MPa时累积变形增大了10%～20%,蠕变性能降低速率加快。

对于同种双层组合材料,同一应力不同温度条件下的蠕变结果表明：随着温度水平的升高,组合材料的蠕变性能逐渐降低;在同一应力条件下,温度从40 ℃升高到60 ℃,蠕变劲度模量降低了44%～63%,残余变形增大了0.7～1.2倍;在同一温度条件下,应力从0.3 MPa增大到0.7 MPa,蠕变劲度模量降低了18%～29%,残余变形增大了30%～48%。综上所述温度和应力均可以影响双层组合沥青混合料的蠕变性能,且温度对双层组合材料蠕变性能的影响更为显著。

3.2 主曲线的构建

3.2.1移位因子的计算参考文献[18],本研究利用WLF方程构建主曲线。选取40 ℃为基准温度,移位因子lg(αT)的计算方法按式(1)计算,沥青混合料蠕变柔量按式(2)计算。

(1)

式中：C1、C2为材料常数,本研究取C1=8.86,C2=101.6;T为移位温度温度,℃;T0为基准温度,本研究选取40 ℃。

(2)

式中：J(t)为与加载时间t有关的蠕变柔量,MPa-1;ε(t)为施加恒定恒载后试验试件产生的蠕变应变;σ0为施加的恒定荷载,MPa;U(t)为蠕变变形量,mm;h为试件的有效高度,本研究取100 mm。

根据加载条件为0.3 MPa的试验结果计算得到移位因子结果如表2所示。

表2 移位因子lg(αT)(0.3 MPa)

3.2.2主曲线的拟合为了更好地拟合试验数据,本研究采用修正的Burgers模型,即“四单元、五参数”模型,如图6所示。表达式见式(3)。

(3)

图6 修正的Burgers模型示意图

式中：E1和E2为弹簧的杨氏模量;η2为黏壶的黏度系数;A、B为外部黏壶参数。

双层组合沥青混合料蠕变试验数据与拟合曲线呈现出良好的相关性,R2均在0.92以上。其中,组合AC-20C掺加抗车辙剂的混合料在0.5 MPa下的拟合效果最佳,R2为0.9 984;组合不加抗车辙剂和AC-13C掺加抗车辙剂的混合料在0.3 MPa条件下拟合效果相对较差,R2接近于0.92。0.3 MPa条件下参数拟合结果见表3,将拟合数据绘制于图7。

图7 主曲线图(0.3 MPa) (a)A;(b)B;(c)C;(d)D

表3 参数拟合结果(0.3 MPa)

从图7中可以看出,通过移位后获得的沥青混合料蠕变柔量主曲线的时间范围大幅度延长,从10-2到104。这对于分析沥青混合料在荷载长期作用下的蠕变变形趋势具有重要的意义。

4 有限元分析

为了验证试验的准确性,本研究依托数值软件进行有限元分析。沥青混合料的本构模型采用广义的Maxwell模型,表达式见式(4)。根据蠕变试验得到的时间-应变数据,通过式(3)计算出各时刻的蠕变柔量J(t),再利用MATLAB中的curve fitting功能拟合出式(4)中的参数Ji,在本实验分析中,n=7。

(4)

式中：J0为玻璃态蠕变柔量,MPa-1;t为加载时间,s;η0为长期黏度,对于沥青混合料,其为无穷大;Ji为延迟强度,MPa-1;τi为延迟时间,s。

在参数Ji的拟合结果中,60 ℃,0.7MPa条件下的试验结果拟合相关性相较于其他条件下较差,R2在0.9到0.95之间。以双层组合沥青在60 ℃条件下的单轴压缩试验为例,根据拟合数据建立有限元模型获取变形与时间的关系如图8所示。