再生瀝青混凝土黏彈特性實驗研究

徐家偉 葉 永 謝旋

(三峽大學 水利與環境學院,湖北 宜昌 443002)

我國的公路交通事業飛速發展,隨著公路路網的不斷完善以及人民環保意識的增強,綠色公路的理念逐漸深入人心.瀝青混凝土柔性路面因其相較于混凝土剛性路面具有表面平整、無接縫、行車舒適、振動與噪音低、耐磨、不揚塵、施工期短、維修簡單等特點而被廣泛應用[1].但是,隨著道路交通量的不斷增加,路面疲勞以及車轍問題日趨嚴重,道路的維修養護成本巨大.在道路工作者研究下,瀝青回收料(recycled asphalt pavement,RAP)的合理利用,不僅能使熱再生路面的路用性能指標與新拌瀝青混合料路面相當,還能節省大約1/5的工程成本[2].

隨著RAP材料的加入,會改變瀝青混凝土的力學性能,盲目參考規范取值不是合理的做法,RAP材料用量不同,會對路面路用性能以及疲勞特性產生較大影響,其用量也需要經過認真的考量以及規范的試驗研究.因此,深入研究再生瀝青混凝土的力學行為,重新構建材料的本構關系,對于RAP 材料的回收利用、提高其路用性能、增強道路工作者環保意識,具有重要的社會和經濟效益.

1 蠕變實驗

1.1 配合比設計

采用馬歇爾設計法對再生瀝青混凝土按照AC-20的瀝青混凝土進行配合比設計,級配合成見表1.

表1 再生瀝青混凝土合成級配百分率 (單位：%)

1.2 試驗設計

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)成型馬歇爾標準試件,試件尺寸101.6 mm×63.5 mm(直徑×高度),在萬能試驗機上進行蠕變試驗.由于再生瀝青混凝土材料的特殊性,原有試驗參數無法實現試件的保載試驗,需事先調試萬能試驗機,使其能正常進行保載試驗.試驗開始后,萬能機以3 mm/min的速度軸向壓縮,達到額定荷載后保持荷載不變進行保載試驗,試驗持續時間為5 400 s.

根據作者前期工作[3],確定應力范圍,設計如下方案.方案1：在相同荷載條件下,對10%、20%、30%、40%共4種RAP摻量的再生瀝青混凝土進行蠕變試驗；方案2：在同一RAP 摻量條件下,對試件分別進行30、40、50 kN 荷載的保載蠕變試驗.

為消除人為因素而導致的機械誤差,實驗前對試件進行預加載措施,其荷載為10 N,時間是3 min,然后以3 mm/min壓縮速度將應力增長到設計值.每組實驗進行3次,取平均值作為該組實驗結果.

1.3 試驗結果

圖1表示同一荷載強度(30 k N),不同RAP摻量對應的蠕變曲線.

圖1 不同RAP摻量再生瀝青混凝土蠕變曲線圖(30 k N)

由圖1可知,在同一荷載條件下,再生瀝青混凝土的應變都隨著時間的推移不斷增大,實驗開始時的荷載增加階段,軸向位移增加較快,隨后在荷載保持階段位移增加相對變慢且更加均勻；在相同時間下,隨著RAP摻量的增加,再生瀝青混凝土的蠕變斜率呈遞減趨勢.

圖2表示相同RAP 摻量、不同荷載作用下的蠕變曲線.如圖2所示,荷載為30 kN 時,再生瀝青混凝土并沒有出現蠕變的第三階段,但隨著荷載的增加,試件的蠕變率不斷增加,蠕變第二階段的持續時間不斷減少,并出現了蠕變的第三階段.該試驗的蠕變曲線反映了材料明顯的力學特點.

圖2 不同荷載再生瀝青混凝土蠕變曲線圖

2 壓縮實驗

2.1 實驗設計

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011),利用萬能試驗機進行單軸壓縮試驗.設置試驗程序,選擇試驗式樣形狀為棒材,加載速度為2 mm/min,試驗結束定力參數為90 k N,定力衰減率為60%.

為消除人為誤差,在正式試驗之前需進行預加載措施,將試驗儀器預加載到10 N,立即將載荷和變形清零即可進行正式試驗.每組實驗進行3次,3次試驗的平均值作為該組實驗結果.

2.2 實驗結果

圖3為4種不同RAP摻量下的再生瀝青混凝土的壓縮曲線,可以看到4條曲線均是由兩部分組成,第一部分顯示試件的軸向位移隨荷載強度的增加而不斷增大,當荷載達到試件的抗壓強度值時,材料內部出現裂縫,開始發生破壞,材料的抗變形能力降低,定力衰減率達到60%,則試驗結束,萬能機所加荷載逐漸減小,位移值繼續快速增加,直到完全破壞.由圖3可知,隨著試件RAP摻量的增加,再生瀝青混凝土的抗壓強度以及達到抗壓強度時的軸向位移呈遞增趨勢.由于試驗的曲線是在施加恒定荷載速率的條件下得到的,因此曲線不僅體現了時間效應,也體現了再生瀝青混凝土材料的非線性特征.

圖3 不同RAP摻量下的再生瀝青混凝土的壓縮曲線

3 常用黏彈性本構模型

基于流變學的黏彈性理論,通過采用粘性和彈性的力學元件之間串并聯組合的方式,來描述和模擬再生瀝青混凝土的力學特性[4-7].

1)三參數固體模型：又稱為標準線性固體模型,是由一個Kelvin模型和一個彈簧元件串聯組成.三參數固體模型的瞬時彈性和穩態漸進性均能呈現出固體材料的特性,其蠕變方程為：

2)Burgers模型：又稱為四參數流體模型,是由一個Maxwell模型和一個Kelvin模型串聯組合而成,結合了兩種模型的優缺點,可以對黏彈性材料進行更加完整的描述,該模型也表現出一定的流體特征.其蠕變方程為：

3)四參數固體模型：由兩個Kelvin模型串聯組合而成,可以表述比較復雜的材料性質,描述一般的黏彈性力學行為.其蠕變方程為：

4 模型對比分析

利用Origin繪圖軟件自帶的數據擬合功能,將以上黏彈性本構模型與試驗數據進行擬合,得到各本構模型在同一RAP摻量不同荷載強度和同一荷載不同RAP摻量下的模型參數及相關系數,通過對比分析,找到最能反應再生瀝青混合料蠕變特性的本構模型.

圖4是荷載為30 k N、RAP 摻量為20%時,3種黏彈性本構模型與試驗結果的擬合曲線.在蠕變初始階段,三參數固體模型位移值小于試驗數據,而Burgers模型和四參數固體模型位移值略大于試驗數據,且相對于三參數固體模型均能較好擬合再生瀝青混凝土的初始蠕變.在等速蠕變階段,三參數固體模型的擬合結果與試驗曲線有明顯偏差,擬合效果較差,四參數固體模型與Burgers模型擬合曲線與試驗曲線較為接近,在600 s之前兩種模型的擬合曲線均大于試驗值,但是四參數固體模型與試驗值更為接近,之后兩種模型的擬合曲線幾乎與試驗曲線重合,總體偏差較小.

圖4 3種黏彈性本構模型與試驗結果擬合曲線

表2為RAP摻量20%時,荷載分別為30、40、50 kN 時的相關參數；表3為再生瀝青混凝土在荷載為30 kN 時,RAP摻量分別為10%、20%、30%、40%時的相關參數.可以發現,四參數固體模型的相關系數最高,且在蠕變的起始階段,模型的擬合曲線更接近于試驗曲線,在蠕變的第二階段蠕變斜率更接近于試驗曲線的蠕變斜率.

表2 RAP摻量為20%擬合相關參數

表3 荷載為30 kN 擬合相關參數

綜上所述,四參數固體模型相比于其他常用的黏彈性本構模型,更能反映再生瀝青混凝土的蠕變特性.

5 最優模型參數研究

對四參數固體模型參數在不同荷載和不同RAP摻量下的變化規律進行研究.表4是在再生瀝青混凝土RAP摻量為20%時,荷載為30、40和50 kN 時的模型參數E1、E2、η1、η2的值.可知,在RAP 摻量一定時,四參數固體模型參數E1、E2隨著荷載強度的增大而增大,而模型參數η1、η2隨著荷載強度的增大而減小.

表4 RAP摻量為20%的模型參數

表5是再生瀝青混凝土荷載為30 kN 的條件下,RAP摻量為10%、20%、30%和40%時的模型參數E1、E2、η1、η2的值.可知在荷載強度一定時,四參數固體模型的參數E1、E2隨RAP摻量變化較小,而模型參數η1、η2隨RAP摻量的增大而不斷增大.

表5 荷載為30 kN 的模型參數

6 結論

對RAP摻量為10%、20%、30%、40%的再生瀝青混凝土進行了單軸壓縮試驗和荷載為30、40、50 kN 的蠕變試驗,并利用3種常用的黏彈性本構模型對試驗數據進行擬合分析,得出如下結論：

1)隨著RAP摻量的增加,再生瀝青混凝土的抗壓強度逐漸增加.表明在溫度一定的情況下,再生瀝青混合料的抗壓強度與RAP 摻量具有較好的相關性.

2)不同RAP摻量的再生瀝青混合料在低荷載條件下,隨著時間的增加,出現蠕變的第一階段和第二階段,在高荷載條件下,隨著時間會出現蠕變的第三階段,即試件內部發生破壞,導致蠕變速率加快.在RAP摻量一定時,隨著荷載強度的增加,蠕變的初始應變也隨之增加,蠕變速率也越快.在荷載強度相同時,RAP摻量的增加對于蠕變的初始應變影響不大,但是蠕變第二階段的蠕變速率相應降低,即RAP 摻量的提高會降低再生瀝青混凝土對應力的敏感度.

3)3種常用的黏彈性本構模型與試驗數據擬合結果相比較,四參數固體模型的初始應變點更接近試驗數據,擬合曲線也更能反映再生瀝青混凝土蠕變情況.結合擬合相關系數的大小分析,四參數固體模型相對其他兩種模型,能更好地反映再生瀝青混凝土在不同摻量條件下的蠕變特征.

4)在不同荷載強度下,四參數固體模型參數E1、E2隨著荷載強度的增加而增大,模型參數η1、η2隨著荷載強度的增大而減小.在不同RAP摻量條件下,四參數固體模型的參數E1、E2隨RAP 摻量變化較小,而模型參數η1、η2隨RAP 摻量的增大而不斷增大.荷載強度與RAP摻量相比較而言,模型參數對于荷載的變化具有更好的相關性,而RAP 摻量的改變對于模型參數的影響較小.