沥青混合料黏弹性力学行为的表征研究

吴峰，李钢

（信阳职业技术学院，河南 信阳 464000）

0 引言

沥青混合料的组成主要有细集料、 矿粉和沥青等，所以其结构具有较强的随机性和多相性。 如果从荷载作用角度对其进行分析， 发现其力学行为是比较复杂的。 因此，需要对沥青混合料黏弹性力学行为特点进行深入分析，进而改善其性能。

1 沥青混合料黏弹性力学内容

在我国建筑行业快速发展的背景下， 沥青混合料得到了有效应用。 其中一种典型的多相黏弹性复合材料，已被广泛应用于路面建设，但受客观因素和本身因素的影响， 沥青道路会出现一些难以防治的病害，如裂缝等。 相关研究证实[1]，通过对沥青混合料黏弹性力学行为和性能的研究， 能够在明确沥青混合料作用机理的基础上， 达到对沥青路面有效维修的目的，如图1 所示。

图1 沥青混合料的稳定度对比

黏弹性力学模型属于当前沥青混合材料中的主要内容，相关学者在以往的实验和理论知识上，建立能够考虑温度效应的黏弹性力学模型， 通过对此模型的分析， 了解沥青混合料黏弹性力学行为表征。 此材料会随着温度升高，黏性不断增强，其弹性也会减弱。 在此基础上，还要利用现有的实验数据，计算黏弹性的参数。在不同的温度下，建立Burgers 模型，然后从黏弹性材料的基本特性出发，了解耗散能对损伤变量的影响。

2 沥青混合料黏弹性力学行为的表征研究内容

2.1 建立Burgers 模型

由于沥青混合料黏弹性力学内容比较复杂，为了对其行为表征进行深入研究， 需要建立Burgers模型。 相关学者在此模型的基础上，对老化沥青混合料黏弹性的疲劳损伤程度进行分析，通过直接拉伸试验，对沥青混合料黏弹性参数进行计算，然后求出其损伤函数。 此外，我们还可以结合疲劳损伤模型推导出沥青混合料的临界损伤度和寿命计算公式，进而对沥青混合材料的黏弹性进行进一步验证。

与静态黏弹性力学比较，沥青混合料的动态黏弹性力学行为更能贴合路面的实际受力状态， 所以其已经受到了研究者的关注。 在此背景下，研究人员也发展了多种动态黏弹性能的模型，但是这些模型一般是经验模型，影响了沥青混合料应用的有效性。 因此，需要从材料的分数阶微分黏弹性理论内容出发， 将分数阶微分Burgers 模型有效地应用到动态黏弹性能表征中。 在此基础上，相关的学者还要建立分数阶微分Zener 模型，然后采用此模型对沥青混合料的实际黏弹性力学行为表征进行研究，完善模型参数，保证沥青混合料应用的有效性[2]。

在对沥青混合料动态黏弹性进行分析时，一般都是以动态模量和相位角对其进行描述，还可通过复模量试验测得相关参数。 在此过程中，依据时间和温度等效原理，将沥青混合料在不同温度及不同荷载频率下的黏弹性能进行分析。

2.2 复模量试验

在此实验中， 研究人员需在沥青路面的表面层、 联结层以及基层分别选取一种黏弹性力学行为，然后结合所加荷载的类型，将其分为静态黏弹性力学行为和动态黏弹性力学行为。在对静态黏弹性力学行为进行分析时，主要是用蠕变柔量和松弛模量对其进行描述。同时， 还可以通过蠕变和松弛试验对其参数进行检测，然后从动态黏弹性力学理论角度对动态的模量和相位进行分析。 但是，由于在复模量试验中，会受到蠕变和松弛试验耗时的影响，所以在具体的实验中难以获得更准确的试验数据。

这就需要从Boltzmann 的叠加原理出发，对其进行深入分析，可以应用松弛模量，计算沥青混合料黏弹性力学的实际响应。 此外，要想得到更加准确的松弛模量和蠕变柔量， 还要从沥青混合料的静、动态黏弹性力学性能和理论出发，通过对复模量试验结果的分析，将其转换成为松弛模量，从而进一步提高沥青混合料的应用质量。

3 沥青混合料静动态黏弹性力学性能的转化方法

3.1 理论基础

沥青混合料的应用与受力状态和温度等多种因素有关，并且其本身还具有明显的各向异性和不连续性。由于沥青混合料在受载情况下经常会表现出比较明显的非线性黏弹性，所以过去在对其力学进行分析时，一般局限于线黏弹性，这会导致其优良的力学性能得不到充分发挥。 因此，相关学者从黏弹性理论出发，整合研究的重点内容，为日后沥青混合料应用的安全性和有效性提供基础[3]，各项性能指标如表1 所示。

表1 混合料路用性能指标

从理论角度对沥青混合料进行分析，发现其在车载作用下的应变能力是比较小的， 并且其力学影响能够满足线黏弹性理论。 在此基础上，还要分析静、 动态黏弹性力学性能的特点，完善相互转换步骤的方案，促进动态黏弹性力学性能向静态黏弹性力学性能转换，结合沥青混合料的特点，对复模量试验中的数据进行整合，然后在此基础上沿着对数频率坐标轴，对其进行适当平移，最后构成黏弹性能的主曲线。在此过程中，还要利用此模型，对黏弹性能的主曲线进行科学模拟，进而得到更加准确的模型参数，保证各黏弹性能主曲线的完善性。

3.2 配置法

在对沥青混合料黏弹性力学行为表征进行分析时， 要以沥青混合料储能模量主曲线为核心，然后通过对配置方式的合理应用， 确定松弛模量和Prony 级数表达式中的相关参数，并且还要对储能模量和损耗模量主曲线的特点进行分析，结合配置法，确定模型蠕变柔量中的各参数。 为了加强对配置法有效应用，优化上述计算方法的步骤，需要从沥青混合料黏弹性力学出发，对配置法进行深入研究[4]。

此方式是一种通过预选配置点，对求解方程组进行计算的方法， 在配置点上， 计算其试验值。配置法求解松弛模量的步骤和求解蠕变柔量的步骤相似，一般分为以下几部分内容。

（1）首先研究人员需要利用模型对复模量试验中的结果进行科学模拟， 主要是为了得到更加准确的储能模量主曲线，然后再由储能模量的主曲线对其中的平衡模量进行计算。

（2）设定求解的松弛模量Prony 级数，保证配置点的科学性，结合储能模量中的主曲线，将n 个配置点和主曲线有效结合，然后通过对求解方程的分析，得到相关参数。 因此，在设定配置点时，要提前分析预设配置点与松弛时间之间的关系，最后应用方程组对其进行求解， 进而得到更加准确的参数。

4 沥青混合料的黏弹性应用现状

当前，人们虽然已发展了大量能够描述沥青混合料黏弹性力学行为的模型，但是这些模型本身存在一定的局限性，其只能在一定程度上表征沥青混合料的静态或是动态黏弹性能，并不能在原有基础上同时描述沥青混合料的静、动态黏弹性能。因此，需要寻找一个可以对黏弹性力学行为完整描述的模型，从而加强对沥青混合料性能的研究力度。

由于沥青混合料在车载作用下所出现的应变比较小， 要想对沥青混合料力学行为进行分析，需要从线黏弹性理论出发， 深入研究沥青混合料的性能。 同时，研究人员还要从此材料的力学行为着手，不断改善沥青混合料的黏弹性能。此外，加强对沥青混合料黏弹性力学行为表征的研究，还能够减少路面病害的发生。 但是，目前对黏弹性理论的路用性能研究内容较少，还有待完善[5]。

5 结语

沥青混合料在道路工程中的应用受到不同温度和应力水平等多种因素的影响。结合单轴压缩的蠕变试验，对数据信息进行分析，计算模型参数，然后在此基础上预测沥青混合料在不同温度和应力水平下的蠕变曲线，强化沥青混合料黏弹性力学行为的表征，改善沥青混合料的性能。