熱力耦合作用下澆注式瀝青混凝土三軸蠕變特性研究

姜明陽,張 彬,孫 琦

(遼寧工程技術大學土木與交通學院,阜新 123000)

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熱力耦合作用下澆注式瀝青混凝土三軸蠕變特性研究

姜明陽,張 彬,孫 琦

(遼寧工程技術大學土木與交通學院,阜新 123000)

為了深入研究澆注式瀝青混凝土瀝青混合料在溫度、應力耦合作用下的三軸蠕變特性,采用MTS815試驗機開展了不同溫度、不同應力水平和不同圍壓條件下的三軸蠕變試驗,獲取了相應的蠕變曲線,并將改進的Burgers模型推廣到三維形式,用來描述澆注式瀝青混凝土的蠕變本構關系。研究結果表明：澆注式瀝青混凝土蠕變曲線的第一階段不明顯,這反映出其內部空隙率較低；蠕變變形值隨溫度升高和偏應力水平增大而明顯增大,這反映出高溫重載共同作用是澆注式瀝青混凝土路面出現車轍的決定性因素；蠕變變形隨圍壓增大略有減小,圍壓對蠕變變形有抑制作用,三軸蠕變試驗獲得的蠕變規律較之單軸蠕變試驗更能反映實際受力過程中的變形規律,三維的改進Burgers模型能夠準確反映熱力耦合作用下澆注式瀝青混凝土的蠕變特性。

道路工程； 蠕變特性； 三軸蠕變試驗； 澆注式瀝青混凝土； 熱力耦合

1 引 言

澆注式瀝青混凝土具有優良的力學性能,近年來在鋼橋面鋪裝中被廣泛使用[1-3]。澆注式瀝青混凝土作為路面材料,在溫度場和應力場的長期作用下,發生了蠕變變形,且溫度場和應力場之間相互作用、相互影響,這種耦合作用對瀝青混凝土性能有較大影響,導致路面出現車轍和裂縫[4-6],考慮圍壓條件下澆注式瀝青混凝土的蠕變變形能夠較好地描述澆注式瀝青混凝土在溫度和應力耦合作用下的變形特征,有利于預測和防治澆注式瀝青混凝土的車轍和裂縫,因此探討熱力耦合作用下澆注式瀝青混凝土的蠕變特性對于澆注式瀝青混凝土的理論研究與工程應用有重要的指導意義。

近年來,國內外學者開展了對澆注式瀝青混凝土的研究,趙國云[7]等通過改變關鍵篩孔的通過百分率來探索澆注式瀝青混合料級配對材料性能的影響；張銳[8]等進行了澆注式瀝青混凝土的級配設計并提出了兩階段設計方法；張華等[9]在考慮溫度因素的情況下分析了澆注式瀝青混凝土的疲勞損傷規律；楊軍[10]等對國產澆注式瀝青混凝土性能進行了研究；樊葉華[11]等進行了下層澆注式瀝青混凝土上層環氧瀝青混凝土的復合結構的路用性能研究。這些研究對澆注式瀝青混凝土的路用性能和配合比進行了深入研究,但對其蠕變變性能研究成果較少,在澆注式瀝青混凝土蠕變特性研究方面僅有少量成果,鄭彧[12]等采用貫入度試驗對澆注式瀝青混凝土的蠕變特性進行了研究,但其成果是建立在單向加載作用下獲得的,未分析其三軸蠕變特性,而其他類型瀝青混凝土三軸蠕變特性研究成果較多[13-16],但澆注式瀝青混凝土有自身的特點,不能簡單套用其他類型瀝青混凝土的蠕變規律。

本文分析澆注式瀝青混凝土在熱力耦合作用下的三軸蠕變特性,建立符合澆注式瀝青混凝土特性的蠕變本構方程,為澆注式瀝青混凝土路面的研究和應用提供指導。

2 試 驗

2.1 試驗材料

(1)瀝青：瀝青為TLA湖瀝青與SBS改性瀝青摻配而成,其中湖瀝青占30%,SBS改性瀝青占70%,瀝青的三大指標如表1所示；

表1 瀝青性能指標Tab.1 Performance index of asphalt

(2)粗集料：石灰巖碎石；

(4)填料:石灰巖礦粉。

瀝青混凝土配合比如表2所示,將瀝青混合料在在220～240 ℃時進行拌和,然后制成尺寸為φ50 mm×100 mm的圓柱體試件。

表2 瀝青混凝土配合比Tab.2 Composition of the asphalt concrete /%

2.2 試驗方法

試驗設備為MTS815材料試驗機,試驗溫度分別為20 ℃、40 ℃和60 ℃,偏應力分別為0.5 MPa、0.7 MPa和1.0 MPa,圍壓分別為0.1 MPa和0.2 MPa 。

3 結果與討論

從試驗曲線可以看出(圖1),澆注式瀝青混凝土的蠕變壓密階段不明顯,這主要是由于其孔隙率較低而導致的,這反映出澆注式瀝青混凝土具有較高的密實度；澆注式瀝青混凝土的蠕變變形受溫度和偏應力值影響較大,隨溫度升高和偏應力增大呈現明顯的增長趨勢,這反映出高溫重載作用下更容易出現車轍破壞,這說明高溫重載作用是澆注式瀝青混凝土出現車轍破壞的決定性因素；澆注式瀝青混凝土的蠕變變形受到圍壓作用影響,隨圍壓增大,蠕變變形呈現一定的減小趨勢,這反映出在三向應力狀態下其蠕變性能與單向應力作用下存在一定差異,三軸蠕變試驗更能反映澆注式瀝青混凝土的蠕變性能。

圖1 蠕變曲線(a)偏應力為0.5 MPa;(b)偏應力為0.7 MPa;(c)偏應力為1.0 MPaFig.1 Creep curves

瀝青混合料是典型的粘彈性材料,溫度場和應力場的耦合作用對其性能影響較大[17],對于澆注式瀝青混凝土來說,其熱力耦合主要體現在溫度場對應力場以及瀝青混凝土本身性質的影響,溫度場的變化會導致應力場的變化,同時也會改變瀝青混凝土的力學性質；本文在不同溫度和不同應力水平下開展三軸蠕變試驗能夠揭示熱力耦合作用下澆注式瀝青混凝土的蠕變規律。

4 澆注式瀝青混凝土蠕變本構模型

4.1 一維模型

在全球恐怖事件頻發的窘境下，我國的恐怖犯罪問題治理取得了突出的成效，但是我們仍應保持警惕，不斷提高防范恐怖主義的能力。面對反恐新局面，創新反恐機制，強化反恐國際合作，維護國家海內外利益，實現國家和社會的長治久安。

圖2 改進的Burgers模型Fig.2 Modified Burgers model

在瀝青混合料的粘彈性本構模型方面,采用四元件五參數的改進Burgers模型[5]較多(其模型如圖2所示),文獻[12]也采用該模型的一維形式描述澆注式瀝青混凝土的單軸蠕變特性,但在瀝青混合料實際是在三向受力狀態下,僅采用改進的Burgers模型的一維形式來進行描述其蠕變特性顯然是不合適的,因此本文將其一維形式推廣到三維狀態,用以描述澆注式瀝青混凝土的蠕變特性。

對于四元件五參數的改進Burgers模型,其一維狀態下的蠕變本構方程為[17]：

(1)

其中:η1=AeBt,ε(t)為應變值,σ為應力值,E1、E2分別為兩個虎克體的彈性模量,A、B分別為外部粘壺的粘度參數η1、η2分別為兩個粘壺的粘滯系數,t為蠕變持續的時間。

4.2 三維模型

在三維狀態下,應變由剪切應變和體積應變構成,彈性模量在此由剪切模量和體積模量取代,式(1)中的彈性模量E1應由剪切模量G1和體積模量K取代,而E2則應由第二個虎克體的剪切模量G2取代[18]。在三維狀態下,改進Burgers模型的總應變值為：

(2)

首先研究彈性體的應變,三維狀態下應為：

(3)

式中：eij為彈性體的應變偏張量,Sij為彈性體的應力偏張量,ekk為彈性體的應變張量第一不變量,σkk為彈性體的應力張量。

(4)

式中：σmδij為球應力張量。

然后研究黏彈性體的應變,在三維狀態下：

(5)

再研究粘性體的應變,在三維狀態下:

(6)

故改進的Burgers模型的三維狀態下的蠕變本構方程為：

(7)

在假三軸蠕變試驗中,σ2=σ3,則

(8)

將式(8)代入式(7)中可得

(9)

式(9)即為假三軸狀態下的改進的Burgers模型的三維蠕變本構方程,將四單元五參數模型改為了一個四單元六參數的三維蠕變本構模型。

4.3 蠕變參數的擬合

根據式(9)和試驗數據,對蠕變參數進行擬合,將擬合獲得的參數,填寫到表3中。

從表3可以看出,擬合得到的參數的相關系數較高,反映出推廣到三維后的改進Burgers模型計算獲得的蠕變變形值與試驗數據吻合較好,能夠準確反映熱力耦合作用下澆注式瀝青混凝土的蠕變特性。

表3 蠕變參數表Tab.3 Creep parameters

5 結 論

通過室內試驗和理論分析,得到如下結論：

(1) 澆注式瀝青混凝土的蠕變壓密階段不明顯,這主要是由于其孔隙率較低而導致的,這反映出澆注式瀝青混凝土具有較高的密實度；

(2)澆注式瀝青混凝土的蠕變變形受溫度和偏應力值影響較大,隨溫度升高和偏應力增大呈現明顯的增長趨勢,這反映出高溫重載作用下更容易出現車轍破壞,這說明高溫重載作用是澆注式瀝青混凝土出現車轍破壞的決定性因素；

(3)澆注式瀝青混凝土的蠕變變形受到圍壓作用影響,隨圍壓增大,蠕變變形呈現一定的減小趨勢,這反映出在三向應力狀態下其蠕變性能與單向應力作用下存在一定差異,三軸蠕變試驗更能反映澆注式瀝青混凝土的蠕變性能;

(4) 三維的改進Burgers模型計算獲得的蠕變變形值與試驗數據吻合較好,能夠準確反映熱力耦合作用下澆注式瀝青混凝土的蠕變特性。

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Triaxial Creep Properties of Gussasphalt Concrete under the Thermal Coupling

JIANGMing-yang,ZHANGBin,SUNQi

(College of Civil & Transportation Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

In order to further research the triaxial creep properties of bituminous mixture of gussasphalt concrete under the effect of temperature and stress coupling, MTS815 testing machine was adopted to carry out triaxial creep test under circumstance of different temperatures, different stress levels and confining pressures, and the corresponding creep curves were obtained, and generalizes the modified Burgers model to three dimensional form in order to describe the creep constitutive relation of gussasphalt concrete. The results show that the first phase of creep curve of gussasphalt concrete is not obvious,which reflects that the internal void ratio is lower. The creep deformation value sharply increases with the rise of temperature and the increase of deviatoric stress level, which reflects that the combined action of high temperature heavy load is a decisive factor of the rutting on asphalt concrete pavement. The creep deformation slightly decreases with the increase of confining pressure, and the confining pressure has inhibitory effect on creep deformation. The creep rule got from the triaxial creep test, compared with uniaxial creep test, is more able to reflect the deformation law in the process of actual load,and three-dimensional and modified Burgers model can accurately reflect the creep properties of bituminous mixture of gussasphalt concrete under the effect of temperature and stress coupling.Key words：road engineering;creep property;triaxial creep test;gussasphalt concrete;thermal mechanical coupling

國家自然科學基金(51504125)；遼寧省教育廳一般項目(L2014136)

姜明陽(1985-),女,博士,講師.主要從事建筑材料等方面研究.

TU521

A

1001-1625(2016)09-2962-05