再生沥青混凝土黏弹特性实验研究

徐家伟 叶 永 谢旋

(三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002)

我国的公路交通事业飞速发展,随着公路路网的不断完善以及人民环保意识的增强,绿色公路的理念逐渐深入人心.沥青混凝土柔性路面因其相较于混凝土刚性路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、振动与噪音低、耐磨、不扬尘、施工期短、维修简单等特点而被广泛应用[1].但是,随着道路交通量的不断增加,路面疲劳以及车辙问题日趋严重,道路的维修养护成本巨大.在道路工作者研究下,沥青回收料(recycled asphalt pavement,RAP)的合理利用,不仅能使热再生路面的路用性能指标与新拌沥青混合料路面相当,还能节省大约1/5的工程成本[2].

随着RAP材料的加入,会改变沥青混凝土的力学性能,盲目参考规范取值不是合理的做法,RAP材料用量不同,会对路面路用性能以及疲劳特性产生较大影响,其用量也需要经过认真的考量以及规范的试验研究.因此,深入研究再生沥青混凝土的力学行为,重新构建材料的本构关系,对于RAP 材料的回收利用、提高其路用性能、增强道路工作者环保意识,具有重要的社会和经济效益.

1 蠕变实验

1.1 配合比设计

采用马歇尔设计法对再生沥青混凝土按照AC-20的沥青混凝土进行配合比设计,级配合成见表1.

表1 再生沥青混凝土合成级配百分率 (单位：%)

1.2 试验设计

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)成型马歇尔标准试件,试件尺寸101.6 mm×63.5 mm(直径×高度),在万能试验机上进行蠕变试验.由于再生沥青混凝土材料的特殊性,原有试验参数无法实现试件的保载试验,需事先调试万能试验机,使其能正常进行保载试验.试验开始后,万能机以3 mm/min的速度轴向压缩,达到额定荷载后保持荷载不变进行保载试验,试验持续时间为5 400 s.

根据作者前期工作[3],确定应力范围,设计如下方案.方案1：在相同荷载条件下,对10%、20%、30%、40%共4种RAP掺量的再生沥青混凝土进行蠕变试验；方案2：在同一RAP 掺量条件下,对试件分别进行30、40、50 kN 荷载的保载蠕变试验.

为消除人为因素而导致的机械误差,实验前对试件进行预加载措施,其荷载为10 N,时间是3 min,然后以3 mm/min压缩速度将应力增长到设计值.每组实验进行3次,取平均值作为该组实验结果.

1.3 试验结果

图1表示同一荷载强度(30 k N),不同RAP掺量对应的蠕变曲线.

图1 不同RAP掺量再生沥青混凝土蠕变曲线图(30 k N)

由图1可知,在同一荷载条件下,再生沥青混凝土的应变都随着时间的推移不断增大,实验开始时的荷载增加阶段,轴向位移增加较快,随后在荷载保持阶段位移增加相对变慢且更加均匀；在相同时间下,随着RAP掺量的增加,再生沥青混凝土的蠕变斜率呈递减趋势.

图2表示相同RAP 掺量、不同荷载作用下的蠕变曲线.如图2所示,荷载为30 kN 时,再生沥青混凝土并没有出现蠕变的第三阶段,但随着荷载的增加,试件的蠕变率不断增加,蠕变第二阶段的持续时间不断减少,并出现了蠕变的第三阶段.该试验的蠕变曲线反映了材料明显的力学特点.

图2 不同荷载再生沥青混凝土蠕变曲线图

2 压缩实验

2.1 实验设计

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011),利用万能试验机进行单轴压缩试验.设置试验程序,选择试验式样形状为棒材,加载速度为2 mm/min,试验结束定力参数为90 k N,定力衰减率为60%.

为消除人为误差,在正式试验之前需进行预加载措施,将试验仪器预加载到10 N,立即将载荷和变形清零即可进行正式试验.每组实验进行3次,3次试验的平均值作为该组实验结果.

2.2 实验结果

图3为4种不同RAP掺量下的再生沥青混凝土的压缩曲线,可以看到4条曲线均是由两部分组成,第一部分显示试件的轴向位移随荷载强度的增加而不断增大,当荷载达到试件的抗压强度值时,材料内部出现裂缝,开始发生破坏,材料的抗变形能力降低,定力衰减率达到60%,则试验结束,万能机所加荷载逐渐减小,位移值继续快速增加,直到完全破坏.由图3可知,随着试件RAP掺量的增加,再生沥青混凝土的抗压强度以及达到抗压强度时的轴向位移呈递增趋势.由于试验的曲线是在施加恒定荷载速率的条件下得到的,因此曲线不仅体现了时间效应,也体现了再生沥青混凝土材料的非线性特征.

图3 不同RAP掺量下的再生沥青混凝土的压缩曲线

3 常用黏弹性本构模型

基于流变学的黏弹性理论,通过采用粘性和弹性的力学元件之间串并联组合的方式,来描述和模拟再生沥青混凝土的力学特性[4-7].

1)三参数固体模型：又称为标准线性固体模型,是由一个Kelvin模型和一个弹簧元件串联组成.三参数固体模型的瞬时弹性和稳态渐进性均能呈现出固体材料的特性,其蠕变方程为：

2)Burgers模型：又称为四参数流体模型,是由一个Maxwell模型和一个Kelvin模型串联组合而成,结合了两种模型的优缺点,可以对黏弹性材料进行更加完整的描述,该模型也表现出一定的流体特征.其蠕变方程为：

3)四参数固体模型：由两个Kelvin模型串联组合而成,可以表述比较复杂的材料性质,描述一般的黏弹性力学行为.其蠕变方程为：

4 模型对比分析

利用Origin绘图软件自带的数据拟合功能,将以上黏弹性本构模型与试验数据进行拟合,得到各本构模型在同一RAP掺量不同荷载强度和同一荷载不同RAP掺量下的模型参数及相关系数,通过对比分析,找到最能反应再生沥青混合料蠕变特性的本构模型.

图4是荷载为30 k N、RAP 掺量为20%时,3种黏弹性本构模型与试验结果的拟合曲线.在蠕变初始阶段,三参数固体模型位移值小于试验数据,而Burgers模型和四参数固体模型位移值略大于试验数据,且相对于三参数固体模型均能较好拟合再生沥青混凝土的初始蠕变.在等速蠕变阶段,三参数固体模型的拟合结果与试验曲线有明显偏差,拟合效果较差,四参数固体模型与Burgers模型拟合曲线与试验曲线较为接近,在600 s之前两种模型的拟合曲线均大于试验值,但是四参数固体模型与试验值更为接近,之后两种模型的拟合曲线几乎与试验曲线重合,总体偏差较小.

图4 3种黏弹性本构模型与试验结果拟合曲线

表2为RAP掺量20%时,荷载分别为30、40、50 kN 时的相关参数；表3为再生沥青混凝土在荷载为30 kN 时,RAP掺量分别为10%、20%、30%、40%时的相关参数.可以发现,四参数固体模型的相关系数最高,且在蠕变的起始阶段,模型的拟合曲线更接近于试验曲线,在蠕变的第二阶段蠕变斜率更接近于试验曲线的蠕变斜率.

表2 RAP掺量为20%拟合相关参数

表3 荷载为30 kN 拟合相关参数

综上所述,四参数固体模型相比于其他常用的黏弹性本构模型,更能反映再生沥青混凝土的蠕变特性.

5 最优模型参数研究

对四参数固体模型参数在不同荷载和不同RAP掺量下的变化规律进行研究.表4是在再生沥青混凝土RAP掺量为20%时,荷载为30、40和50 kN 时的模型参数E1、E2、η1、η2的值.可知,在RAP 掺量一定时,四参数固体模型参数E1、E2随着荷载强度的增大而增大,而模型参数η1、η2随着荷载强度的增大而减小.

表4 RAP掺量为20%的模型参数

表5是再生沥青混凝土荷载为30 kN 的条件下,RAP掺量为10%、20%、30%和40%时的模型参数E1、E2、η1、η2的值.可知在荷载强度一定时,四参数固体模型的参数E1、E2随RAP掺量变化较小,而模型参数η1、η2随RAP掺量的增大而不断增大.

表5 荷载为30 kN 的模型参数

6 结论

对RAP掺量为10%、20%、30%、40%的再生沥青混凝土进行了单轴压缩试验和荷载为30、40、50 kN 的蠕变试验,并利用3种常用的黏弹性本构模型对试验数据进行拟合分析,得出如下结论：

1)随着RAP掺量的增加,再生沥青混凝土的抗压强度逐渐增加.表明在温度一定的情况下,再生沥青混合料的抗压强度与RAP 掺量具有较好的相关性.

2)不同RAP掺量的再生沥青混合料在低荷载条件下,随着时间的增加,出现蠕变的第一阶段和第二阶段,在高荷载条件下,随着时间会出现蠕变的第三阶段,即试件内部发生破坏,导致蠕变速率加快.在RAP掺量一定时,随着荷载强度的增加,蠕变的初始应变也随之增加,蠕变速率也越快.在荷载强度相同时,RAP掺量的增加对于蠕变的初始应变影响不大,但是蠕变第二阶段的蠕变速率相应降低,即RAP 掺量的提高会降低再生沥青混凝土对应力的敏感度.

3)3种常用的黏弹性本构模型与试验数据拟合结果相比较,四参数固体模型的初始应变点更接近试验数据,拟合曲线也更能反映再生沥青混凝土蠕变情况.结合拟合相关系数的大小分析,四参数固体模型相对其他两种模型,能更好地反映再生沥青混凝土在不同掺量条件下的蠕变特征.

4)在不同荷载强度下,四参数固体模型参数E1、E2随着荷载强度的增加而增大,模型参数η1、η2随着荷载强度的增大而减小.在不同RAP掺量条件下,四参数固体模型的参数E1、E2随RAP 掺量变化较小,而模型参数η1、η2随RAP 掺量的增大而不断增大.荷载强度与RAP掺量相比较而言,模型参数对于荷载的变化具有更好的相关性,而RAP 掺量的改变对于模型参数的影响较小.