基于重复加载蠕变试验的沥青混合料高温稳定性能研究

祁 峰

（西安公路研究院，陕西 西安710054）

0 引言

沥青混合料是一种典型的黏弹性材料。混合料的变形程度随荷载作用时间的长短而不同，因而在研究其变形性质时必须说明变形所处的时间。另一方面，沥青混合料的变形随温度的变化而变化，高温时其弹性效应降低，黏性性质增强；低温时刚度增大，弹性效应明显，黏性性质减弱，故评价沥青混合料的力学性质必须说明其所处的条件。沥青混合料的高温稳定性是其重要的性能之一，通常是指沥青混合料在高温下能保持原有强度、刚度等性能，其高温稳定性不足的主要表现形式就是车辙的产生。

由于车辙试验不能记录沥青混合料随时间的变形机理，所以采用车辙试验研究沥青混合料力学特性显然是不够的。蠕变试验可以模拟沥青混合料发生蠕变破坏的全过程，可通过测定试验过程中沥青混合料的应力、应变而得到蠕变曲线来检验沥青混合料的黏弹性。重复加载蠕变试验能够有效模拟路面在行车荷载作用下的变形发展过程，通过对试验条件的设定能全面地反映材料的抗高温变形能力，试验得到的指标参数能较好地评价沥青混合料的高温性能。

1 原材料及试验方法

1.1 材料选择及试验设备

沥青采用SBS改性沥青，其性质符合重交通道路石油沥青质量要求。粗、细集料采用陕西西户高速公路大修工程用角闪岩，矿粉为磨细石灰石。为使试验结果具有普遍性，采用AC—13、AC—16、AC—20三种级配进行试验研究；试验仪器采用美国生产的810MTS（Material Test System）材料试验机，该仪器利用电液伺服闭环系统对路面材料按静载的方式加载，通过计算机采集加载和卸载数据。

1.2 试验方法

为了更好地模拟实际路面材料受力状态和行车荷载特性，试验采用MTS 材料试验机进行重复加载蠕变试验。由于我国大部分地区夏季路面最高气温可能达到60～65℃以上，同时考虑到我国超载、重载较为普遍，试验采用40℃、50℃和60℃三个温度，以标准轴载0.7MPa 的半正弦波间歇荷载进行重复加载，加载时间为0.1s，间歇时间为0.9s，试验加载过程如图1 所示。为消除应力影响，试验开始时以5%的轴心应力预压10min。

图1 重复蠕变试验原理图

为了提高试验精度，消除加载应力、试件高度和试件端面对试验结果的影响，试件采用旋转压实仪成型Φ150mm×H150mm 的大型试件，再钻芯并切割出尺寸为Φ100mm×H110mm 的试件，试验前试件在要求温度下保温24h；为消除试件端部约束效应对试验结果和试验精度的影响，试验中对试件上下端面各垫一张3mm 厚聚四氟乙烯薄膜，薄膜间涂润滑油。

2 试验结果

对AC—13、AC—16、AC—20 三种级配沥青混合料分别在40℃、50℃、60℃进行重复加载蠕变试验，得到蠕变曲线如图2所示。

图2 不同级配和温度下的重复加载蠕变曲线

由图2（a）、图2（b）、图2（c）的重复加载蠕变曲线可以看出，随着荷载作用次数的增加，三种不同的沥青混合料在荷载作用下的变形均经历三个阶段：（1）迁移期：在荷载作用下，变形迅速增大，但应变速率随时间增加逐渐减小；（2）稳定期：在荷载作用下，应变稳定增长，但应变速率基本保持不变；（3）破坏期：在荷载作用下，应变、应变速率随时间增加迅速增大直至破坏。

由图2（d）、图2（e）、图2（f）可知，沥青混合料在荷载作用下随着温度的增加其变形量发展相应较快。随着温度的增大，沥青混合料变形加快，破坏期会提前到来，说明温度的升高会加速路面车辙的产生。

3 试验结果分析

沥青混合料是一种典型的温度敏感性材料，其力学特性和路用性能随温度的变化而显著变化。车辙作为沥青路面结构最常见的破坏形式之一，其产生机理和发展过程都与路面温度的变化密切相关。

通过对重复加载蠕变曲线进行分析、处理得到蠕变劲度E、流变次数Fn及相应永久应变ξp，在双对数坐标系下回归得到截距a和斜率b（见表1），七个参数随温度变化的变化规律见图3。流变次数Fn定义为第三阶段开始点对应的荷载作用次数。可以通过计算得到永久应变ξp对荷载作用次数n的变化率(ξpslope)，当永久应变率降低到最小后会保持恒定一段时间，其开始增大的点对应的荷载作用次数即为流动次数Fn。

表1 重复加载蠕变试验高温稳定性参数提取

图3 不同参数随温度的变化趋势

（1）由图3（a）、图3（b）、图3（c）可以看出，在一定频率下，荷载作用次数为500、1 000、2 000、3 000次时的劲度模量随温度变化的变化规律基本保持一致，即随着温度的升高，蠕变劲度E逐渐减小。这是因为当加载频率一定时，随着混合料温度的升高，作为结合料沥青的劲度模量降低，在应力作用下，混合料集料骨架的变形行为变得明显，吸收部分能量，回弹能力减弱，表现为混合料劲度模量的降低。

（2）流变次数Fn随着温度的升高而逐渐减小。这是由于，随着温度的增加，沥青混合料中的胶结料沥青逐渐软化，而软化的胶结料会对集料之间的嵌挤产生润滑作用，必然会导致混合料内摩擦力的减小，从而使整个混合料的强度降低，表现出流动次数随着温度增加而逐渐减小的趋势。而图3（f）表明流动次数Fn所对应的永久变形ξp随着温度的变化没有明显的规律性。

（3）截距a随着温度的变化没有明显的规律性，而斜率b则随着温度的增加而增大，温度从40℃增加到50℃时斜率b增大的幅度相对较小，而从50℃增加到60℃时其增大的幅度较为明显，说明温度越高斜率增加的幅度越大。

（4）当加载应力为0.7MPa、温度为60℃时，劲度模量、流动次数和斜率b对于三种不同的混合料区分度最大。因此，将60℃作为重复加载蠕变试验的标准温度是可行的。

4 结论

（1）重复蠕变试验原理与路面实际荷载-变形响应模型比较接近，能够充分考虑改性沥青延迟弹性恢复性能对高温性能的影响，是一种比较科学的试验方法。

（2）在相同的荷载应力下，随着温度的增大，沥青混合料变形加快。随着温度的增加劲度模量逐渐减小，流动次数Fn值下降，斜率b增大；永久变形ξp随着温度的变化没有明显的规律性。

（3）加载应力为0.7MPa、温度为60℃时，劲度模量、流动次数和斜率b对于三种不同的混合料区分度最大。因此，可将0.7MPa、60℃作为重复加载蠕变试验的标准试验条件。

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