高模量瀝青混凝土蠕變特性研究

周慶華，沙愛民

(1.陜西交通職業技術學院公路工程系，陜西 西安710021;2.長安大學公路學院，陜西西安710064)

0 前言

高模量瀝青混凝土作為一種新型道路材料，在減少車轍病害、延長路面的使用壽命方面具有顯著的優勢.目前高模量瀝青混凝土在我國的應用還處于初期階段，研究人員大多圍繞著高模量瀝青混凝土的材料組成和施工工藝展開研究，對高模量瀝青混凝土的變形特性還沒有足夠的認識，因而無法針對高模量瀝青混凝土的行為特性進行合理的道路結構設計［1］.考慮到瀝青混凝土的蠕變性能是評價混合料黏彈行為特性的重要指標，筆者將針對使用低標號瀝青(50#瀝青)和添加外摻劑的兩種高模量瀝青混凝土分別進行單軸靜載蠕變試驗和低溫彎曲蠕變試驗，結合試驗結果，分析不同的組成材料對高模量瀝青混凝土蠕變特性的影響規律，為高模量瀝青混凝土路面結構設計提供依據.

1 材料組成

1.1 原材料

本研究中的瀝青材料選用了兩種50#瀝青，并選取兩種70#瀝青和一種SBS改性瀝青作為對比材料，分別記為 50#瀝青-1、50#瀝青-2、70#瀝青-1、70#瀝青-2和SBS改性瀝青.經測試，采用的瀝青材料各項指標均滿足規范中相應類別內A級瀝青的要求，SBS改性瀝青也滿足規范相應規定.同時還按照美國戰略研究計劃(SHRP)中瀝青膠結料路用性能規范中的試驗方法對所選用的瀝青材料進行路用等級劃分，結果見表1.

表1 瀝青材料SHRP路用等級劃分結果Tab.1 SHRP grading results of bitumen materials

集料采用優質石灰巖.經測試，集料的各項指標均滿足規范要求.

選擇專用的外摻劑進行高模量瀝青混凝土相關試驗研究，外摻劑各指標檢驗結果如表2.

1.2 混合料級配

考慮到高模量瀝青混凝土在國外路面道路結構中主要起承重層的作用，擬將高模量瀝青混合料鋪于瀝青路面的中、下面層，結合強度、穩定性的主要問題，試驗選用代表我國規范中值級配的AC20型級配，并通過瀝青混合料馬歇爾設計方法確定相應油石比(表3).外摻劑的用量為瀝青混合料質量的0.7%.

表2 高模量外摻劑技術指標Tab.2 Technical indexes of high module additives

表3 瀝青混合料級配數據Tab.3 Asphalt grading data

2 試驗分析

2.1 單軸靜載壓縮蠕變試驗

2.1.1 試驗方法

在眾多蠕變試驗方法中，研究人員較多采用的主要有單軸靜載壓縮蠕變、動態三軸壓縮蠕變、彎曲蠕變和劈裂蠕變等［2－4］.由于實際路用瀝青混凝土的受力狀況為三向受力，因此動態三軸壓縮蠕變試驗最為理想，但是由于三軸試驗設備的復雜性，實際應用較少.目前國內外所采用的蠕變試驗方法主要以單軸靜載壓縮蠕變和彎曲蠕變最具代表性，考慮到試驗的簡便性，采用單軸靜載壓縮蠕變試驗.

筆者采用美國進口的MTS-810材料試驗機，試件標準尺寸為Φ100 mm×100 mm;試驗溫度為40℃.在試驗前對試件端面進行處理，使試件表面平整.將試件置于環境箱中保溫3 h.施加恒應力 0.10 MPa，預載水平為 2%即 0.002 MPa，預壓時間120 s;加載時間60 min，卸載時間30 min;豎向應變每6 s采集一次.

2.1.2 試驗結果

圖1 不同類型瀝青混合料蠕變曲線圖Fig.1 Creep curves of asphalt mixtures

不同類型的高模量瀝青混凝土蠕變過程中試件豎直方向產生的累積應變隨時間的變化規律如圖1所示.按照蠕變累積應變的大小排序，呈現如下的規律：摻0.7%外摻劑的70#-1瀝青混合料＜SBS改性瀝青＜50#-2瀝青混合料＜70#-2瀝青混合料＜70#-1瀝青混合料＜50#-1瀝青混合料.在所選的幾種混合料類型中，50#-1瀝青混凝土的累積應變最大，說明其抵抗變形的能力最弱，同為50#瀝青混合料，50#-2瀝青混凝土的累積應變只有前者的70%左右;摻0.7%外摻劑的70#-1瀝青混凝土累積應變最小，其高溫抗變形能力最強，與未添加外摻劑的70#-1瀝青混凝土相比，累積應變降低了20%左右.

另外，不同瀝青混合料蠕變曲線的走勢也存在區別.分析兩種70#瀝青混凝土的蠕變曲線走勢可以發現，70#-1瀝青在加載瞬間的變形量較小，但隨著荷載的持續作用，混合料的變形在快速增加，相比較而言，70#-2瀝青初始變形較大，但隨荷載的作用變形發展的速度較為緩慢，使得70#-2瀝青混凝土的累積變形反而小于70#-1瀝青混凝土;使用50#瀝青的兩種瀝青混凝土蠕變曲線的差異較為明顯，其中50#-2瀝青混凝土的蠕變累積變形明顯小于50#-1;50#-2瀝青混凝土的蠕變曲線與70#-2瀝青混凝土的蠕變曲線走勢十分接近.對比SHRP路用等級劃分結果，可以發現兩種50#瀝青材料的高溫性能存在著一定差異，說明使用高溫性能存在差異的50#瀝青，會使得混合料的累積應變相差很大.

除了觀測瀝青混凝土試件的蠕變累積應變之外，蠕變勁度模量是該試驗獲得的另一重要參數，蠕變勁度模量計算公式為

式中：S(t)為瀝青混凝土的蠕變勁度模量，MPa;σ0為蠕變試驗中的應力，MPa;ε(t)為瀝青混凝土產生的應變;加載階段瀝青混凝土蠕變勁度模量隨時間變化的曲線如圖2所示.

通過計算，可以得知幾種不同類型瀝青混合料在加載瞬間的40℃勁度模量，具體結果見表4.

2.1.3 結果分析

蠕變曲線是瀝青混合料黏彈性能的具體表現，不同的蠕變行為也說明50#瀝青和外摻劑對瀝青混合料的黏彈塑性產生一定影響.為明確50#瀝青和高模量外摻劑對瀝青混合料黏彈性能的影響規律，采用黏彈塑性模型來描述瀝青混合料的蠕變行為，從模型參數的變化分析不同類型的瀝青混合料黏彈塑性能的特點.

圖2 不同瀝青混合料的蠕變勁度模量Fig.2 Creep stiffness modulus of asphalt mixtures

表4 不同瀝青混合料加載瞬間的40℃勁度模量Tab.4 40℃stiffness modulus of asphalt mixtures at loading instant MPa

目前，常用于表征其黏彈塑性的模型往往是若干力學元件的組合，其中Burgers模型(圖3)能夠在一定程度上模擬瀝青混合料的變形特性，因而被廣為引用.按照Burgers模型中各參數的意義，對表征瀝青混合料黏彈塑性的參數進行求取.

圖3 Burgers模型Fig.3 Burgers model

Burgers模型的蠕變方程如式2所示.

式中：ε(t)為瀝青混凝土產生的應變;σ0為蠕變試驗中的應力，MPa;E1為Maxwell模型的彈簧常數;E2為Kelvin模型的彈簧常數;η2為 Maxwell模型的阻尼常數;η1為Kelvin模型的阻尼常數.

式中的第一項代表彈性元件所產生的瞬時彈性變形;第二項代表永久變形;第三項代表由Maxwell模型所產生的黏彈塑性變形，該部分變形會隨著時間逐漸增大.

采用專業擬合軟件對高溫蠕變數據進行擬合，可以得到不同類型瀝青混合料的黏彈性參數，見表5.

通過對Burgers模型參數的對比可以發現，與未添加外摻劑的70#瀝青混合料和SBS改性瀝青相比，50#瀝青和外摻劑對瀝青混合料的黏彈性產生了一定的影響.從模型參數的變化趨勢可以看出，50#瀝青和外摻劑能夠明顯提高瀝青混合料的勁度模量，降低瀝青混合料在高溫蠕變過程中的瞬間變形和黏彈性變形發展的速度，從而降低瀝青混合料的累積變形.由于瀝青混合料黏彈性能的變化是影響其高溫穩定性和低溫抗裂性的關鍵，因此在對高模量瀝青混凝土路面進行結構分析時應考慮材料的黏彈性能.

表5 瀝青混合料Burgers模型參數Tab.5 Burgers model parameters of asphalt mixtures MPa

2.2 低溫彎曲蠕變試驗

低溫彎曲蠕變試驗是“八五”攻關專題提出的評價瀝青混合料低溫抗裂性能的試驗方法，其試驗方法相對簡單，評價指標明確，多數研究人員在評價瀝青混合料低溫抗裂性能時均采用此方法［5－7］.對規定尺寸的小梁試件，在跨中施加恒定的集中荷載，測定隨時間不斷增長的蠕變變形.蠕變速率是單位應力條件下，變形等速增長的穩定期內小梁試件在單位時間內應變的變化值.在同等的低溫試驗條件下，混合料的蠕變速率越大，說明混合料的變形能力越強，韌性越強，也就是抗低溫開裂能力越好.

2.2.1 試驗方法

試件尺寸：30 mm×35 mm×250 mm;試驗溫度：0℃;加載方式：中央集中加載，大小為最大彎曲破壞應力的0.1倍;加載速度：50 mm/min;加載時間：60 min.

2.2.2 試驗結果

不同類型的高模量瀝青混凝土蠕變過程中試件豎直方向產生的累積應變隨時間的變化規律如圖4所示.

圖4 瀝青混合料低溫彎曲蠕變曲線Fig.4 Low temperature creep curves of asphalt mixturves

從圖4中的蠕變曲線可明顯看出兩個階段，即第一階段——遷移期和第二階段——穩定期.在遷移期，蠕變速率不斷降低;在穩定期，蠕變速率為一定值.考慮到時間因素，本試驗中未體現破壞期.經計算可得各種瀝青混合料的低溫蠕變速率如圖5所示：

圖5 瀝青混合料低溫蠕變速率Fig.5 Low temperature creep rates of asphalt mixtuves

圖5中的結果表明，SBS改性瀝青低溫彎曲蠕變速率值最大，其低溫抗變形能力最好，兩種50#瀝青低溫彎曲蠕變速率值最小，說明50#瀝青混合料的變形能力最差，抗裂性能不如SBS改性瀝青和70#瀝青混合料，添加高模量外摻劑后瀝青混合料的低溫彎曲蠕變速率值也一定程度地下降，混合料的低溫抗裂能力有所下降，高模量外摻劑對瀝青混合料的低溫韌性和變形能力會造成一定不利影響.對比50#瀝青混合料與添加外摻劑的瀝青混合料試驗數據，可以發現添加外摻劑的低溫彎曲蠕變速率要明顯高于兩種50#瀝青混合料，添加外摻劑后瀝青混合料低溫彎曲蠕變速率下降了31.5%，兩種50#瀝青混合料的低溫彎曲蠕變速率下降幅度分別達到了65%和91%，外摻劑對瀝青混合料低溫變形能力的影響程度要明顯小于50#瀝青對混合料的影響程度，通過兩種途徑制備的高模量瀝青混凝土在低溫抗裂性能上是存在一定差異的.

3 結論

(1)50#瀝青和外摻劑對瀝青混合料高溫蠕變性能的影響明顯，添加外摻劑的瀝青混凝土累積應變最小，勁度模量比普通瀝青混凝土明顯提高;使用高溫性能存在差異的50#瀝青，會使得混合料的累積應變和勁度模量相差很大.

(2)對比各種瀝青混合料Burgers模型參數，總結出50#瀝青和外摻劑對瀝青混合料黏彈性的影響規律是，50#瀝青和外摻劑能夠明顯提高瀝青混合料的勁度模量，降低瀝青混合料在高溫蠕變過程中的瞬間變形和黏彈性變形發展的速度，從而降低瀝青混合料的累積變形.

(3)與70#瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料相比，50#瀝青混合料和添加外摻劑的瀝青混合料彎曲蠕變速率較低，表明50#瀝青和高模量外摻劑會影響瀝青混合料在低溫條件下的變形能力，造成混合料對持續彎拉應力的松弛能力有所降低，且外摻劑對瀝青混合料低溫變形能力的影響程度要明顯小于50#瀝青對混合料的影響程度，兩種高模量瀝青混凝土的低溫抗裂性能存在一定差異.

［1］周慶華.高模量瀝青混凝土性能與路面結構研究［D］.長安大學公路學院，2010.

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