基于三轴重复加载蠕变试验的温拌胶粉改性沥青混合料高温性能研究

张 飞，王 岚，邢永明

(1.内蒙古工业大学 理学院 呼和浩特市 010051; 2.内蒙古工业大学 土木工程学院 呼和浩特市 010051)

0 引言

随着我国汽车保有量的增加，废旧轮胎的处理问题变得日益突出，胶粉改性沥青技术为解决废轮胎的处理问题提供了有效途径，但是热拌胶粉改性沥青混合料施工温度很高，施工过程会释放大量有毒、有害气体，结合温拌技术可解决热拌胶粉改性沥青混合料的技术缺陷[1-2]。已有研究表明[3]，温拌胶粉改性沥青混合料可以在保证沥青路面路用性能的基础上减少能源消耗、降低有害气体排放。

赵毅等[4]在不同偏应力、温度下进行了三轴重复加载蠕变试验，建立了三种沥青混合料的黏弹力学模型，并提出了沥青混合料永久变形预估方法。黄刚等[5]对四种类型的沥青混合料在不同试验温度及应力水平下开展了重复蠕变试验研究，并给出了轴向应变、轴向应变率与加载次数的幂函数关系。

为了对比温拌前、后不同目数的胶粉改性沥青混合料的抗高温变形能力，同时对比温拌前、后胶粉改性沥青混合料的黏弹参数，特开展相关研究。由于三轴重复加载蠕变试验可以更加真实地模拟实际路面的受力状态[6]，故采用三轴重复加载蠕变试验研究温拌胶粉改性沥青混合料的高温性能。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料性能

(1)胶粉改性沥青

胶粉改性沥青统一由基质沥青与橡胶粉及温拌剂制备而成。橡胶粉采用60目、混和目数两种细度且掺量均为基质沥青的20%(外掺)，温拌剂采用SDYK型表面活性剂。

(2)集料

集料应洁净、干燥、无风化且具有足够的强度和耐磨性，本次试验集料统一采用玄武岩，矿粉是由石灰岩磨细而成且各项指标均满足规范要求。

1.2 试验方案

(1)三轴重复加载蠕变试验

试件采用旋转压实仪成型，然后取芯、切割为Φ100mm×H150mm的试验试件，加载方式：加载0.1s、卸载0.9s；围压：138kPa；偏应力：0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa；试验温度：40℃、50℃、60℃。试验前在预定的试验温度下至少保温4h；加载波形：半正弦间歇荷载；试验终止条件：循环加载10000次或者变形达到5%(NCHRP9-19)。

(2)三轴重复加载蠕变试验的改进Burgers模型拟合

利用1stopt 软件的麦夸特法(LM)“标准+通用全局优化法”对得到的曲线进行非线性拟合，并将得到的数值作为origin非线性拟合的初值，进一步采用origin求出改进Burgers的各个黏弹参数。

2 试验结果分析及讨论

2.1 三轴重复加载蠕变试验结果分析

试验对四种不同类型的胶粉改性沥青混合料分别在40℃、50℃、60℃的试验温度下进行三轴重复加载蠕变试验，每一个试验温度下又进行了偏应力分别为0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa的性能测试，试验过程中围压统一取138kPa，具体试验结果如下：

图1 不同胶粉改性沥青混合料40℃-0.7MPa的轴向应变

图2 不同胶粉改性沥青混合料50℃-0.9MPa的轴向应变

图3 不同胶粉改性沥青混合料60℃-1.1MPa的轴向应变

图1～图3是四种胶粉改性沥青混合料的实验结果，由图可知：

对热拌沥青混合料：当温度和偏应力较低时，60目胶粉改性沥青混合料的轴应变小于混合目数的胶粉改性沥青混合料的轴应变，说明此时前者的高温性能比后者强；当温度和偏应力水平较高时，60目胶粉改性沥青混合料的轴应变大于混合目数的胶粉改性沥青混合料的轴应变，说明前者的高温性能比后者差。对温拌沥青混合料：60目胶粉改性沥青混合料的轴应变大于混合目数的胶粉改性沥青混合料的轴应变，说明前者的高温性能始终比后者差。出现这种现象的主要原因是由于前者沥青胶浆的黏度比后者小且敏感性也比后者高，在相同的外界条件下，前者形成的沥青混合料结构的黏聚力不如后者，表现为后者具有更好的高温性能。对温拌前、后的沥青混合料：温拌后沥青混合料的轴向应变降低且循环次数越大效果越明显，混合目数的胶粉改性沥青混合料的降低幅度比60目胶粉改性沥青混合料的更加突出，同时发现温拌后沥青混合料稳定期的持续时间变长、破坏期滞后出现或者不出现，说明温拌后的高温性能确实得到了改善且混合目数的胶粉改性沥青混合料的效果更加明显。进一步说明温拌混合目胶粉改性沥青混合料高温性能最优，这一结论与车辙试验结果一致。

2.2 胶粉改性沥青混合料的高温流变特性研究

在描述黏弹性的本构方程中，由四个元件构成的Burgers 黏弹性模型[7]应用较为广泛，然而Burgers模型中的黏性流动变形随时间的延长无限增长，实际上沥青混合料流动变形随时间的推移，变形速率不断减小，最终使得黏性流动变形趋于稳定，即存在所谓的“固结效应”，徐世法针对Burgers模型不能反映固结效应的缺陷，提出改进的Burgers模型，即“四单位五参数[8]”模型。该模型中，Maxwell模型的粘壶黏度具有非线性，记为：

η(t)=AeBt

(1)

式中A、B均为正的材料参数。

文献[9]认为改进Burgers模型克服了Burgers模型不能反映沥青混合料固结效应的严重缺陷。许多研究也表明改进Burgers模型作为描述沥青混合料的黏弹模型是合理、实用的。

图4 改进的Burgers模型

2.2.1模型参数拟合

汽车荷载对路面的作用是一个不断加卸载的循环过程，而且二次加卸载之间存在时间间隔，本论文采用半正弦间歇荷载模拟该过程，该间歇荷载的分段函数表达式如下所示:

(2)

式中：σt—t时刻的偏应力；

σ0—偏应力最大值(即半弦波峰)；

t0—每个周期的加载时间；

T—周期，T=t0+td=1s。

修正Burgers模型一个加载周期内的本构方程为：

(3)

第i个半正弦波荷载作用产生的黏性流动应变为：

(4)

黏性流动变形是不可恢复的，在N次荷载作用后其大小变为：

(5)

根据Boltzmann线性叠加原理，第i个半正弦波产生的黏弹性变形到第i个半正弦波作用时刻结束，残余的黏弹性变形为：

(6)

N次荷载作用后残余的黏弹性变形为：

(7)

在间歇时间内，弹性变形可以完全恢复，最后只留下黏性流动变形和残余黏弹性变形。即εp,N=εv,N+εR,ve,N

去城南的游人比较多，但去城北的比较少。雪萤一贯喜欢人少的地方，一杭便只好同意。两人在终点站下了车，开始步行。那天没有云，也没有风。冬天的成都平原，干冷干冷的。他们像深入一片绿色的森林，毫无目的地往前走。先还远远近近地看到不少农家小院儿，掩映在茂林修竹之间。慢慢地，人烟少了，开阔的平原上，绿绿的油菜苗已经长起来，还有青幽幽的厚皮菜。在一条蚯蚓一样细小的泥路尽头，出现一条逶迤的小河。

代入求得：

(8)

所以：

εP,N=σ0δ1(1-e-δ2Nt0)+σ0δ3(1-e-δ4NT)

(9)

已知t0=0.1s，T=1s。模型中的4个黏弹参数A、B、E1、η1可以通过软件origin配合1stopt求出，具体结果见图5、图6。

2.2.2模型黏弹参数分析

(1)偏应力、温度对黏弹参数的影响(以温拌混合目胶粉改性沥青混合料为例)

从图5可以看出：随偏应力的增大，代表黏弹变形的参数η1、E1都在不断减小，也就是说偏应力增大，沥青混合料黏弹变形增大；代表黏性流动变形的参数η(t)也在不断减小，说明偏应力增大，沥青混合料黏性流动变形也增大，综合参数η1、E1、η(t)变化规律说明黏弹变形和黏性流动变形随着偏应力的增加都增大了，说明在40℃的试验温度下，轴向变形与轴向力已不再是简单的线性关系，且偏应力对轴向变形有很大影响。同理，随着温度的升高，参数η1、E1、η(t)均减小，说明轴向应变也随之增大，这是由于温度升高导致沥青结合料的黏性增大，抗变形能力降低。这些指标的变化都说明高温会导致较大的轴向变形,即产生较大的轴向应变。

(a)偏应力0.7、0.9MPa粘弹参数η(t)

(b)偏应力1.1MPa粘弹参数η(t)

(c)粘弹参数E1

(d)粘弹参数η1图5 胶粉改性沥青混合料黏弹参数

(a)40、50℃粘弹参数η(t)

(b)60℃粘弹参数η(t)

(c)粘弹参数E1

(d)粘弹参数η1图6 胶粉改性沥青混合料0.7MPa下的黏弹参数

(2)沥青混合料类型对黏弹参数的影响(以偏应力0.7MPa为例说明)

从图6可知：在0.7MPa的偏应力作用下，对热拌沥青混合料，60目胶粉改性沥青混合料的黏弹参数E1、η1在试验的任何温度下始终大于混合胶粉改性沥青混合料的黏弹参数，说明前者的黏弹变形能力比后者弱。不过这并不能直接说明前者的高温性能就比后者好，观察发现，前者的参数η(t)总比后者小且温度越高、偏应力越大越明显，说明前者的黏性流动变形能力比后者强。较高温度、短时间作用，沥青混合料黏弹变形起主导作用，表现为前者的轴向应变比后者小，即前者比后者的高温性能好；高温、长时间作用，黏性流动变形起主导作用，表现为前者的轴向应变比后者大，即后者比前者的高温性能好。对温拌沥青混合料：60目胶粉改性沥青混合料的黏弹参数E1、η1在任何温度下始终小于混合胶粉改性沥青混合料的对应参数，说明前者的黏弹弹性变形能力比后者强；同时参数η(t)总比后者小，进一步说明前者的高温性能确实不如后者。对比温拌前、后的胶粉改性沥青混合料发现：温拌后沥青混合料的黏弹参数变大，说明沥青混合料的高温性能得到了改善。综上可知，温拌混合目胶粉改性沥青混合料的高温性能最优。

2.3 应变的三维曲面

由图7偏应力―循环次数―轴向应变的三维曲面可知：随着偏应力、循环次数的增加，应变不断增大，随着温度的升高三维曲面向上移动，温度越高曲面在两个方向的变化率越快，说明在温度较高的地区采用高温性能良好的道路工程材料是必要的。

图7 胶粉改性沥青混合料的三维曲面

3 结论

(1)三轴试验结果表明:对热拌沥青混合料：较高温度、较小应力下，60目胶粉改性沥青混合料的高温性能优于混合胶粉改性沥青混合料；高温、大应力下，混合胶粉改性沥青混合料的高温性能优于60目胶粉改性沥青混合料。对温拌沥青混合料：混合胶粉改性沥青混合料的高温性能始终优于60目胶粉改性沥青混合料。对温拌前、后的沥青混合料：温拌后沥青混合料的高温性能得到改善。

(2)基于流变理论求出改进Burgers模型的黏弹参数，结果表明：参数随温度的升高、偏应力的增加均减小，进一步证明了温度升高沥青混合料的流变性增加，相同条件下温拌混合目胶粉改性沥青混合料的黏弹参数最大，表明温拌混合目胶粉改性沥青混合料的高温性能最好。