沥青混合料及沥青砂浆的黏弹性能试验

沥青混合料及沥青砂浆的黏弹性能试验沥青路面设计理论近二十年来迅速发展的主要标志，一是层状体系理论和计算方法的深入研究，并将其成果应用到路面设计中；二是对路面材料进行深入研究，进一步揭示了其物理力学性质，为沥青路面设计提供了强度标准和参数[i]。一般情况下，沥青混合料属于典型的黏弹性材料，其力学参数受时间和温度的影响较大，而采用单条件模量参数—抗压回弹模量显然不能真实反映路面材料的力学性能。为了使沥青路面的设计参数更加符合路面结构的实际工作状态，需对沥青混合料进行黏弹性能试验，确定其黏弹性参数，继而应用其进行沥青路面设计。考虑到沥青路面工作在较宽的时间和温度范围内，因此必须采用多种试验方法才能将考察的区域完全包含。沥青混合料的黏弹性能试验主要分为以时间为变量的蠕变试验和松弛试验，以及以频率为变量的动态模量试验。由于松弛试验对仪器设备要求较高，因此一般通过蠕变试验求得蠕变柔量，再根据蠕变柔量与松弛模量的关系进行变换求得松弛模量。为此，本文将对沥青混合料及沥青砂浆进行蠕变试验和动态模量试验，得到其不同工况下黏弹性参数变化规律。1沥青混合料及沥青砂浆试件1.1试验材料试验采用辽河AH-90#沥青，粗集料和石屑采用辽宁本溪的石灰岩，砂子和矿粉产地为辽宁辽阳。沥青混合料选择三种级配类型，密级配AC-13、AC-16和间断级配SAC-16，按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)推荐的级配范围进行设计，级配组成见表3.1。由于本文细观研究的需要，分别采用与AC-13、AC-16沥青混合料中细集料(2.36mm)比例相同的集料与沥青组成沥青砂浆，集料级配见表3.2。1.2最佳沥青用量的确定(1)沥青混合料沥青用量是影响沥青混合料性能的重要因素。沥青混合料最佳沥青用量的确定方法主要有马歇尔试验方法和Superpave设计方法，前者属于经验性方法，其与后者相比，方法简单且易于掌握，因此目前应用较为广泛。本文采用马歇尔试验方法来确定最佳沥青用量，试验结果见表3.3。从表3.3可以看出，三种级配中，SAC-16级配沥青混合料的最佳沥青用量最小。这是因为该级配中粗集料所占比例较大，相对于同质量的细集料表面积减少，沥青用量随之减少。表3.1沥青混合料级配组成Tab.3.1Gradationofasphaltmixtures级配类型粒径/mm191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-13累计通过百分率/%—1009676.5533726.51913.510.56AC-16100958470483424.517.512.59.56SAC-1610099.392.48139.225.721.517.814.511.49.3表3.2沥青砂浆级配组成Tab.3.2Gradationofasphaltmortar级配类型粒径/mm2.361.180.60.30.150.075AS-13累计通过百分率/%10071.6251.3536.4928.3816.22AS-1610072.0651.4736.7627.9417.65表3.3马歇尔试验结果Tab.3.3ResultsofMarshalltest级配类型最佳沥青用量/%评价指标毛体积密度/g.cm-3空隙率/%稳定度/kN流值/0.1mmAC-134.292.4364.008.6725.7AC-164.372.4424.009.8226.8SAC-163.912.4604.0010.8229.8(2)沥青砂浆沥青砂浆由沥青和细集料组成，由于缺乏粗集料骨架支撑，空隙较少，性能与沥青混合料有较大差异，因此不能延用马歇尔试验来确定最佳沥青用量。一些学者采用体积比的方法来直接确定沥青用量[ii]，然而其缺乏充分理论依据。鉴于本文沥青砂浆中集料与已确定最佳沥青用量的沥青混合料中细集料比例相同，下面来探讨两种计算方法。①比表面积法根据沥青混合料中粗集料与细集料的表面积比例求出其中细集料所需的沥青用量，再根据细集料所占集料的质量比例，推算出含全部细集料沥青砂浆的沥青用量。这种方法看似简单，但实际计算中集料的表面积要根据单个集料颗粒的粒径来求得，矿粉颗粒的粒径很小，需要复杂的土工试验来进行筛分，因此不便于计算。图3.1沥青包裹集料颗粒Fig.3.1Sphericalaggregateandthecoatingbinderfilm②逆推法矿粉在计算中可视为细集料的所属范围，由于细集料的表面积求解存在问题，因此可逆向求解，即直接计算粗集料包裹沥青量，剩余部分即为细集料沥青用量，再通过细集料所占集料的质量比例求出沥青砂浆的沥青用量，方法如下：假设沥青混合料中的集料为球体，其中粗集料按粒径分为i级(i=1,2…n)，沥青包裹集料颗粒见图3.1。某一个沥青包裹集料球体积为tiV，则tisiaiVVV(3.1)式中，siV、aiV分别为沥青膜体积和集料颗粒体积。将球体积公式343Vr代入式(3.1)，则其可改写为FE3344()33tiiaisiisiVaFEVVaV(3.2)式中，FE为沥青膜厚度；ia为第i级球形颗粒平均半径。沥青膜体积siV可表示为334()3siiiVaFEa(3.3)集料颗粒的体积为aiV，第i级集料颗粒数目iN可表示为334iiiiaiiimmNVa(3.4)式中，im、i分别为第i级集料质量和毛体积密度；第i级集料包裹沥青体积iV，有iisiVNV(3.5)由式(3.3)—(3.5)，粗集料包裹沥青总体积cV以求和的形式表示为33311()nniiiciiiiimaFEaVVa(3.6)由式(3.6)可求得沥青砂浆中油石比faC为acafafmCVCmP(3.7)式中，m为集料总质量；aC为混合料油石比；a为沥青密度；fP为集料中细集料所占质量百分含量。表3.4沥青砂浆沥青用量的计算Tab.3.4AsphaltcontentcalculationofasphaltmortarAC-13AC-16粗集料细集料总数粗集料细集料总数质量/g63371006634100包裹沥青体积/mm3195.354133.154328.50185.844229.624415.46包裹沥青质量/g0.204.284.480.194.384.57沥青用量/%10.3611.41式(3.7)中，沥青膜厚度FE为未知量，沥青薄膜的厚度对沥青混合料性能有很大影响。文献[iii]提出，对于空隙率3%—6%的沥青混合料，最佳沥青薄膜厚度为0.008mm。为此，本文采用FE=0.008mm来计算沥青砂浆沥青用量，计算结果见表3.4。1.3试件制作方法沥青混合料和沥青砂浆试件共5组，分别为AC-13、AC-16、SAC-16、AS-13和AS-16，尺寸为直径1002.0mm，高度1002.0mm，试件制作方法严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)中沥青混合料试件制作方法(静压法)要求进行。2蠕变性能试验根据不同的受力状态，蠕变试验主要分为单轴蠕变、三轴蠕变、弯曲蠕变和剪切蠕变等，施加荷载分为静载和动载两种方式。实际路面结构受车轮间歇荷载作用，动载下的三轴蠕变试验更符合路面的实际受力状态，但由于试验条件限制，目前国内关于沥青混合料蠕变性能的研究主要以单轴蠕变、弯曲蠕变为主。本文采用单轴静载加载方式，蠕变试验在MTS810材料性能试验机上进行。图3.2蠕变试验装置Fig.3.2Creeptestequipment2.1试验方法蠕变应力采用0.12MPa，加载时间3600s，卸载时间900s。为了研究温度的影响，AC-13、AC-16和SAC-16三种沥青混合料分别在常温(20℃)和高温(60℃)条件下进行蠕变试验。考虑到沥青砂浆在60℃条件下强度过低，因此AS-13和AS-16仅在20℃条件下进行蠕变试验。试件置于温控箱中保持试验温度3小时，试验前以200N压力预压60s，消除接触间隙，试验装置见图3.2。2.2试验结果分析沥青混合料在常温和高温下的蠕变试验曲线见图3.3。从该图可以看出，在加载初始，沥青混合料产生瞬时弹性变形。随着加载时间增加，蠕变变形速率减小，变形逐渐趋于稳定。卸载后，弹性变形可瞬时恢复，黏弹性变形随时间逐渐恢复，塑性变形将不可恢复。090018002700360045000.000.050.100.150.200.25T=20℃SAC-16AC-16AC-13时间/s轴向变形/mm090018002700360045000.00.10.20.30.40.50.60.7T=60℃AC-13AC-16SAC-16轴向变形/mm时间/s(a)20℃(b)60℃图3.3不同温度下沥青混合料的蠕变试验曲线Fig.3.3Creepcurvesofasphaltmixturesatdifferenttemperatures加载过程中，常温条件下SAC-16、AC-16、AC-13三种级配沥青混合料的蠕变变形依次增大，最大变形量分别为0.14mm、0.18mm和0.20mm，这与马歇尔稳定度依次减少的规律恰好相反，由此可见常温条件下沥青混合料的蠕变变形是以矿料间的嵌挤力和内摩阻力起主要作用；高温条件下三种级配沥青混合料的变形规律与常温时基本相同，但沥青混合料的蠕变变形增大，最大变形增加至0.5mm左右；AC-16与SAC-16的蠕变变形曲线较为接近，卸载后产生较为相同的残余变形，约为0.43mm。卸载过程中，常温条件下AC-16的可恢复变形值为0.068mm，相比于AC-13和SAC-16的0.037mm和0.053mm具有良好的抗变形性能。但在高温条件下沥青混合料的可恢复变形相对最大变形的比例减小，常温条件下AC-16的比例为36.5%，高温条件下比例下降为14.8%，表明高温条件下沥青混合料的蠕变变形更多演化为不可恢复的塑性变形。090018002700360045000.00.20.40.60.81.01.21.4T=20℃AS-13AS-16时间/s轴向变形/mm图3.4沥青砂浆的蠕变试验曲线Fig.3.4Creepcurvesofasphaltmortar图3.4为常温条件下两种级配沥青砂浆的蠕变试验曲线。通过与图3.3(a)比较可以发现，沥青混合料的变形量较沥青砂浆的小，AS-16的最大变形为1.22mm，而AC-16的最大变形仅为0.18mm，这表明粗集料的加入可以明显改善沥青砂浆的蠕变性能。通常意义上，沥青砂浆的性能在很大程度上决定着沥青混合料的性能，但在本试验中，AS-16变形量比AS-13大，最大变形相差0.5mm，而AC-16沥青混合料最大变形量却较AC-13小0.02mm，这说明粗集料的粒径组成会对沥青混合料的蠕变性能产生更为直接的影响，当粗集料粒径较大，形成足够的骨架支撑，对沥青砂浆蠕变性能有着较好的改善效果。2.3蠕变性能分析根据第二章可知，材料的蠕变性能可以用黏弹性数学模型表征。Burgers模型可以较好的反映沥青混合料的蠕变和松弛性能，在沥青混合料及沥青砂浆的黏弹性能研究中得到较为广泛的应用[iv-v]。因此，本文采用Burgers模型来研究沥青混合料及沥青砂浆的黏弹性能。由式(2.21)，Burgers模型应变函数表达式为/011211()(1)ttteEE(3.8)式中，22/E；0为蠕变应力。(1)模型参数Burgers模型参数可以采用数学迭代法获得，计算机软件的应用使这一复杂的迭代过程得到简化。本文采用1stOpt数学优化分析软件进行参数拟合，该软件可以随机给出参数初值，通过其独特的全局优化算法，最终找出最优解。模型参数拟合结果见表3.5。表3.5沥青混合料及沥青砂浆的Burgers模型参数Tab.3.5Burgersmodelparametersofasphaltmixturesandasphaltmortar级配类型Burgers模型参数20℃60℃E1/MPaη