高弹改性沥青混合料黏弹性变形规律研究.pdf

总662期2023年第32期（11月 中）收稿日期：2023-05-08作者简介：王罡（1986），男，河北石家庄人，硕士，工程师，研究方向为桥梁与结构工程施工与监控。高弹改性沥青混合料黏弹性变形规律研究王罡（山西诚达公路勘察设计有限公司，山西 太原 030006）摘要：为更准确地预测高弹改性沥青路面黏弹性变形的发展规律，通过制作高弹改性沥青混合料试件，开展动态模量试验、单轴贯入蠕变试验，分析荷载、温度、作用时间对混合料黏弹性变形特征的影响。研究发现：温度与加载频率都对沥青混合料的黏弹性有较大影响；高温低频时，高弹沥青混合料弹性增大，动态模量提高；低温高频时，混合料应变阻尼与黏性增大，动态模量减小；温度对弹性性能的影响程度超过对黏性的影响；蠕变变形随时间的延长而增大，且蠕变速率逐渐减小；温度或加载频率的增大，都将导致混合料应变的增加；荷载对静态蠕变的影响更显著。关键词：高弹改性沥青；动态模量；静态蠕变；黏弹性变形中图分类号：U414文献标识码：B0 引言车辙病害对路面的平整性产生不利影响，严重的会导致路面结构强度降低，加速路面破坏。因此准确地预测沥青路面黏弹性变形的发展趋势，有利于在设计与养护工作中制定车辙病害的预防措施。沥青混合料属于黏弹性感温材料，温度对其性能有较大影响，同时在荷载作用下会表现出蠕变变形特征1。鉴于此，本文将通过制作高弹改性沥青混合料试件，开展动态模量试验与静态蠕变试验，研究应力、温度、作用时间等因素对沥青混合料黏弹性变形的影响。1 原材料与配合比1.1 沥青试验所选择的高弹改性沥青具有高弹性恢复率、高耐疲劳性等特点，能避免高温下沥青性能大幅下降影响蠕变观察效果。表1所示为高弹改性沥青的性能参数，各项指标均能满足规范要求。指标规范值实测值25 针入度/（0.1 mm）408061软化点/90925 延度/cm304060 黏度/（Pas）60 000107 44025 弹性恢复（%）9597黏韧性/（Nm）2534闪点/280348相对密度1.0101.021表1 高弹改性沥青性能指标技术要求及试验结果1.2 集料试验所采用的粗细集料为玄武岩石料，矿粉采用石灰岩。集料需保证表面清洁、干燥、无杂质。集料性能检测结果如表2、表3所示，各项指标均满足规范要求。表2 粗集料性能指标技术要求及试验结果指标规范值实测值表观相对密度/（g/cm3）2.52.826吸水率（%）21.14洛杉矶磨耗值（%）3011.6针片状含量（%）155.4石料压碎值（%）2610.50.075 mm颗粒含量（%）10.18表3 细集料性能指标技术要求及试验结果指标规范值实测值表观相对密度/（g/cm3）2.52.750砂当量（%）6097亚甲蓝值30.5棱角性（流动时间/s）3047.11.3 配合比设计试验确定的混合料级配曲线如图1所示。按照级配及初定沥青用量（4.5%,5%,5.5%,6%,6.5%）制作试件开展马歇尔试验，按照公路工程沥青路面施工技术规38交通世界TRANSPOWORLD范（JTG F402004）要求确定最佳沥青用量为6.1%。1.4 沥青混合料基本性能按照试验确定的级配与最佳沥青用量成型试件，开展车辙试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验，评价混合料的基本路用性能，验证所选材料、级配及沥青用量的合理性。路用性能试验结果如表4所示。混合料的基本性能满足规范要求，可用于蠕变试验。表4 高弹改性沥青混合料路用性能指标试验结果指标实测值动稳定度/（次/mm）10 675低温弯曲应变（）3 581劈裂强度比（%）93抗压强度/MPa15 7.420 5.1回弹模量/MPa15 1 55320 1 4092 动态模量试验及结果分析2.1 试验方案按照AASHTOTP-62试验方法的要求，制作直径为150 mm、高度为100 mm的圆柱体试件，利用Superpave简单性能试验机测定试件的动态模量2。试验温度设定为5档，频率设置为7档，对应的荷载重复次数分别为200，200，200，100，20，15，15 次，对试件施加偏移正弦波轴向压力荷载。在黏弹性范围内，测定不同温度、不同加载频率下的混合料单轴压缩动态模量。2.2 温度及荷载对动态模量的影响图2所示为动态模量试验结果。可以发现，相同荷载频率下，混合料动态模量随着温度升高而降低；相同温度下，动态模量随着荷载频率增大而增大。温度较高时，不同频率下的动态模量值均较低；当温度为55 时，各频率下的动态模量值差异很小，曲线近乎平行于X轴。为充分表征混合料黏弹性受加载频率及温度的影响，依据时温等效原理，以25 为参考，将不同温度、不同荷载频率下的数据进行缩减与平移处理，采用Sigmoidal模型对动态模量主曲线进行参数提取2，结果如图3所示（取双对数坐标）。由图3可知，沥青混合料动态模量受温度影响显著，温度越高，动态模量越低。根据沥青混合料时温等效原理，长时间低温的作用等效于短时间高温的作用2。高温低频时，高弹沥青混合料储存较多能量，弹性增大，动态模量提高；低温高频时，分子自由运动增加，混合料损耗能量增加，应变阻尼与黏性增大，动态模量减小。2.3 温度及荷载对相位角的影响图4所示为相位角与温度和及加载频率的关系。相位角越大，表明材料的黏性越强，损失的能量越多，弹性越小，应变滞后应力的现象就越明显3。当温度超过40 时，随着频率的增加，相位角增大；温度小于40 时，频率增大，相位角减小。选择参考温度25，利用Sigmoidal模型构建相位角-频率的主曲线3可以发现，相位角-频率曲线为上凸曲线，随着频率增大，相位角表现为先增大后减小的趋势。当缩减频率为-0.12时（对应频率 0.758 Hz），相位角取得的最大值为1.456。频率无穷小（无加载）时，应变无变化；频率无限大（近似恒压）时，应变随着荷载作用持续增加。筛孔尺寸/mm0246810121416级配上限级配下限目标级配100806040200筛孔通过率（%）图1 沥青混合料级配曲线图0.10.5151020 25加载频率/Hz10 0008 0006 0004 0002 0000动态模量/MPa55 40 25 15 5 图2 动态模量与温度及加载频率的关系4.03.53.02.52.0动态模量（log）/MPa-4-3-2-101234加载频率（log）/Hz55 40 25 15 5 图3 25 动态模量主曲线图39总662期2023年第32期（11月 中）3 静态蠕变试验及结果分析3.1 试验方案采用Superpave旋转压实法成型直径为150 mm、高度为100 mm的混合料试件，利用78-B7015型万能试验机开展单轴贯入静态蠕变试验。荷载确定为 600 KPa，转速为30.1 rpm，旋转角为1.25。环境温度设置为3档（20、40、60），静态加载水平设置为 3 档（0.55 MPa、0.70 MPa、0.85 MPa）。3.2 加载应力对静态蠕变的影响图5所示为相同温度下，静态蠕变随加载应力的变化趋势图。蠕变变形随荷载时间的延长而增大。当温度与时间一定时蠕变变形随应力等级的增大而增大，温度越高，趋势越显著。当试验温度为60 时，0.55 MPa、0.70 MPa、0.85 MPa应力等级下加载试验结束时的蠕变应变分别为0.03、0.04、0.06，温度的升高加强了应力对蠕变的作用效果，原因在于温度的增大导致材料的黏性增强，混合料线弹性减弱，对应力的敏感度提高4。3.3 温度对静态蠕变的影响图6所示为应力0.85 MPa下混合料静态蠕变随温度的变化趋势曲线。由图6可知，在各个温度下，蠕变均随着加载时间的延长而增大。温度由20 升至40 时，应变增长率为8.8%；温度由40 升至60 时，应变增长率为62.2%。随着温度的上升，静态蠕变的发展趋势增强。在常温状态下，蠕变曲线在加载后期趋于平行X轴。当温度为60、时间为3 600 s时，0.55 MPa下的应变为 0.029；0.70 MPa 下为 0.038，提升 31.0%；0.85MPa下为0.062，比0.55 MPa时提升113.8%。表明荷载等级对长期静态蠕变的影响更显著。4 结论本文通过动态模量试验与静态蠕变试验，分析温度及加载频率对高弹改性沥青混合料的黏弹性变形影响，主要结论如下。1）温度与加载频率都对沥青混合料的黏弹性有较大影响。高温低频时，高弹沥青混合料储存较多能量，弹性增大，动态模量提高；低温高频时，分子自由运动增加，混合料损耗能量增加，应变阻尼与黏性增大，动态模量减小。结合相位角曲线来看，温度对弹性性能的影响程度超过对黏性的影响。2）沥青混合料的蠕变变形随时间的延长而增大，且蠕变速率逐渐减小。温度或加载频率的增大，都将导致混合料应变的增加。相较而言荷载对静态蠕变的影响更明显，随着应力等级的上升，静态蠕变的发展趋势增强。参考文献：1 张启鹏，顾兴宇，丁济同，等.沥青混合料蠕变损伤模型与损伤演化J.交通运输工程学报，2021，21（5）：104-113.2 栗培龙，张争奇，王秉纲.沥青混合料高温蠕变变形行为及机理J.建筑材料学报，2012，15（3）：422-426.3 安文静，盛冬发，张思成，等.基于应力和温度影响下沥青混合料蠕变模型J.功能材料，2021，52（11）：11113-11119.4 王晓军，叶奋，胡诗园，等.沥青混合料复合结构单轴贯入试验研究J.上海公路，2019（4）：65-68，89，4.0.10.51510 20 25加载频率/Hz图4 相位角与温度及加载频率的关系相位角/3025201510555 40 25 15 5 06001 2001 8002 4003 0003 600时间/s0.55 MPa0.70 MPa0.85 MPa1.0 MPa0.060.050.040.030.020.010.00蠕变应变图5 不同应力水平下的蠕变趋势（60）06001 2001 8002 4003 0003 600时间/s图6 不同温度下的蠕变曲线（0.85 MPa）60 40 20 0.070.060.050.040.030.020.010.00蠕变应变40