基于三軸重復加載蠕變試驗的溫拌膠粉改性瀝青混合料高溫性能研究

張 飛，王 嵐，邢永明

(1.內蒙古工業大學 理學院 呼和浩特市 010051; 2.內蒙古工業大學 土木工程學院 呼和浩特市 010051)

0 引言

隨著我國汽車保有量的增加，廢舊輪胎的處理問題變得日益突出，膠粉改性瀝青技術為解決廢輪胎的處理問題提供了有效途徑，但是熱拌膠粉改性瀝青混合料施工溫度很高，施工過程會釋放大量有毒、有害氣體，結合溫拌技術可解決熱拌膠粉改性瀝青混合料的技術缺陷[1-2]。已有研究表明[3]，溫拌膠粉改性瀝青混合料可以在保證瀝青路面路用性能的基礎上減少能源消耗、降低有害氣體排放。

趙毅等[4]在不同偏應力、溫度下進行了三軸重復加載蠕變試驗，建立了三種瀝青混合料的黏彈力學模型，并提出了瀝青混合料永久變形預估方法。黃剛等[5]對四種類型的瀝青混合料在不同試驗溫度及應力水平下開展了重復蠕變試驗研究，并給出了軸向應變、軸向應變率與加載次數的冪函數關系。

為了對比溫拌前、后不同目數的膠粉改性瀝青混合料的抗高溫變形能力，同時對比溫拌前、后膠粉改性瀝青混合料的黏彈參數，特開展相關研究。由于三軸重復加載蠕變試驗可以更加真實地模擬實際路面的受力狀態[6]，故采用三軸重復加載蠕變試驗研究溫拌膠粉改性瀝青混合料的高溫性能。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料性能

(1)膠粉改性瀝青

膠粉改性瀝青統一由基質瀝青與橡膠粉及溫拌劑制備而成。橡膠粉采用60目、混和目數兩種細度且摻量均為基質瀝青的20%(外摻)，溫拌劑采用SDYK型表面活性劑。

(2)集料

集料應潔凈、干燥、無風化且具有足夠的強度和耐磨性，本次試驗集料統一采用玄武巖，礦粉是由石灰巖磨細而成且各項指標均滿足規范要求。

1.2 試驗方案

(1)三軸重復加載蠕變試驗

試件采用旋轉壓實儀成型，然后取芯、切割為Φ100mm×H150mm的試驗試件，加載方式：加載0.1s、卸載0.9s；圍壓：138kPa；偏應力：0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa；試驗溫度：40℃、50℃、60℃。試驗前在預定的試驗溫度下至少保溫4h；加載波形：半正弦間歇荷載；試驗終止條件：循環加載10000次或者變形達到5%(NCHRP9-19)。

(2)三軸重復加載蠕變試驗的改進Burgers模型擬合

利用1stopt 軟件的麥夸特法(LM)“標準+通用全局優化法”對得到的曲線進行非線性擬合，并將得到的數值作為origin非線性擬合的初值，進一步采用origin求出改進Burgers的各個黏彈參數。

2 試驗結果分析及討論

2.1 三軸重復加載蠕變試驗結果分析

試驗對四種不同類型的膠粉改性瀝青混合料分別在40℃、50℃、60℃的試驗溫度下進行三軸重復加載蠕變試驗，每一個試驗溫度下又進行了偏應力分別為0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa的性能測試，試驗過程中圍壓統一取138kPa，具體試驗結果如下：

圖1 不同膠粉改性瀝青混合料40℃-0.7MPa的軸向應變

圖2 不同膠粉改性瀝青混合料50℃-0.9MPa的軸向應變

圖3 不同膠粉改性瀝青混合料60℃-1.1MPa的軸向應變

圖1～圖3是四種膠粉改性瀝青混合料的實驗結果，由圖可知：

對熱拌瀝青混合料：當溫度和偏應力較低時，60目膠粉改性瀝青混合料的軸應變小于混合目數的膠粉改性瀝青混合料的軸應變，說明此時前者的高溫性能比后者強；當溫度和偏應力水平較高時，60目膠粉改性瀝青混合料的軸應變大于混合目數的膠粉改性瀝青混合料的軸應變，說明前者的高溫性能比后者差。對溫拌瀝青混合料：60目膠粉改性瀝青混合料的軸應變大于混合目數的膠粉改性瀝青混合料的軸應變，說明前者的高溫性能始終比后者差。出現這種現象的主要原因是由于前者瀝青膠漿的黏度比后者小且敏感性也比后者高，在相同的外界條件下，前者形成的瀝青混合料結構的黏聚力不如后者，表現為后者具有更好的高溫性能。對溫拌前、后的瀝青混合料：溫拌后瀝青混合料的軸向應變降低且循環次數越大效果越明顯，混合目數的膠粉改性瀝青混合料的降低幅度比60目膠粉改性瀝青混合料的更加突出，同時發現溫拌后瀝青混合料穩定期的持續時間變長、破壞期滯后出現或者不出現，說明溫拌后的高溫性能確實得到了改善且混合目數的膠粉改性瀝青混合料的效果更加明顯。進一步說明溫拌混合目膠粉改性瀝青混合料高溫性能最優，這一結論與車轍試驗結果一致。

2.2 膠粉改性瀝青混合料的高溫流變特性研究

在描述黏彈性的本構方程中，由四個元件構成的Burgers 黏彈性模型[7]應用較為廣泛，然而Burgers模型中的黏性流動變形隨時間的延長無限增長，實際上瀝青混合料流動變形隨時間的推移，變形速率不斷減小，最終使得黏性流動變形趨于穩定，即存在所謂的“固結效應”，徐世法針對Burgers模型不能反映固結效應的缺陷，提出改進的Burgers模型，即“四單位五參數[8]”模型。該模型中，Maxwell模型的粘壺黏度具有非線性，記為：

η(t)=AeBt

(1)

式中A、B均為正的材料參數。

文獻[9]認為改進Burgers模型克服了Burgers模型不能反映瀝青混合料固結效應的嚴重缺陷。許多研究也表明改進Burgers模型作為描述瀝青混合料的黏彈模型是合理、實用的。

圖4 改進的Burgers模型

2.2.1模型參數擬合

汽車荷載對路面的作用是一個不斷加卸載的循環過程，而且二次加卸載之間存在時間間隔，本論文采用半正弦間歇荷載模擬該過程，該間歇荷載的分段函數表達式如下所示:

(2)

式中：σt—t時刻的偏應力；

σ0—偏應力最大值(即半弦波峰)；

t0—每個周期的加載時間；

T—周期，T=t0+td=1s。

修正Burgers模型一個加載周期內的本構方程為：

(3)

第i個半正弦波荷載作用產生的黏性流動應變為：

(4)

黏性流動變形是不可恢復的，在N次荷載作用后其大小變為：

(5)

根據Boltzmann線性疊加原理，第i個半正弦波產生的黏彈性變形到第i個半正弦波作用時刻結束，殘余的黏彈性變形為：

(6)

N次荷載作用后殘余的黏彈性變形為：

(7)

在間歇時間內，彈性變形可以完全恢復，最后只留下黏性流動變形和殘余黏彈性變形。即εp,N=εv,N+εR,ve,N

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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個黏彈參數A、B、E1、η1可以通過軟件origin配合1stopt求出，具體結果見圖5、圖6。

2.2.2模型黏彈參數分析

(1)偏應力、溫度對黏彈參數的影響(以溫拌混合目膠粉改性瀝青混合料為例)

從圖5可以看出：隨偏應力的增大，代表黏彈變形的參數η1、E1都在不斷減小，也就是說偏應力增大，瀝青混合料黏彈變形增大；代表黏性流動變形的參數η(t)也在不斷減小，說明偏應力增大，瀝青混合料黏性流動變形也增大，綜合參數η1、E1、η(t)變化規律說明黏彈變形和黏性流動變形隨著偏應力的增加都增大了，說明在40℃的試驗溫度下，軸向變形與軸向力已不再是簡單的線性關系，且偏應力對軸向變形有很大影響。同理，隨著溫度的升高，參數η1、E1、η(t)均減小，說明軸向應變也隨之增大，這是由于溫度升高導致瀝青結合料的黏性增大，抗變形能力降低。這些指標的變化都說明高溫會導致較大的軸向變形,即產生較大的軸向應變。

(a)偏應力0.7、0.9MPa粘彈參數η(t)

(b)偏應力1.1MPa粘彈參數η(t)

(c)粘彈參數E1

(d)粘彈參數η1圖5 膠粉改性瀝青混合料黏彈參數

(a)40、50℃粘彈參數η(t)

(b)60℃粘彈參數η(t)

(c)粘彈參數E1

(d)粘彈參數η1圖6 膠粉改性瀝青混合料0.7MPa下的黏彈參數

(2)瀝青混合料類型對黏彈參數的影響(以偏應力0.7MPa為例說明)

從圖6可知：在0.7MPa的偏應力作用下，對熱拌瀝青混合料，60目膠粉改性瀝青混合料的黏彈參數E1、η1在試驗的任何溫度下始終大于混合膠粉改性瀝青混合料的黏彈參數，說明前者的黏彈變形能力比后者弱。不過這并不能直接說明前者的高溫性能就比后者好，觀察發現，前者的參數η(t)總比后者小且溫度越高、偏應力越大越明顯，說明前者的黏性流動變形能力比后者強。較高溫度、短時間作用，瀝青混合料黏彈變形起主導作用，表現為前者的軸向應變比后者小，即前者比后者的高溫性能好；高溫、長時間作用，黏性流動變形起主導作用，表現為前者的軸向應變比后者大，即后者比前者的高溫性能好。對溫拌瀝青混合料：60目膠粉改性瀝青混合料的黏彈參數E1、η1在任何溫度下始終小于混合膠粉改性瀝青混合料的對應參數，說明前者的黏彈彈性變形能力比后者強；同時參數η(t)總比后者小，進一步說明前者的高溫性能確實不如后者。對比溫拌前、后的膠粉改性瀝青混合料發現：溫拌后瀝青混合料的黏彈參數變大，說明瀝青混合料的高溫性能得到了改善。綜上可知，溫拌混合目膠粉改性瀝青混合料的高溫性能最優。

2.3 應變的三維曲面

由圖7偏應力―循環次數―軸向應變的三維曲面可知：隨著偏應力、循環次數的增加，應變不斷增大，隨著溫度的升高三維曲面向上移動，溫度越高曲面在兩個方向的變化率越快，說明在溫度較高的地區采用高溫性能良好的道路工程材料是必要的。

圖7 膠粉改性瀝青混合料的三維曲面

3 結論

(1)三軸試驗結果表明:對熱拌瀝青混合料：較高溫度、較小應力下，60目膠粉改性瀝青混合料的高溫性能優于混合膠粉改性瀝青混合料；高溫、大應力下，混合膠粉改性瀝青混合料的高溫性能優于60目膠粉改性瀝青混合料。對溫拌瀝青混合料：混合膠粉改性瀝青混合料的高溫性能始終優于60目膠粉改性瀝青混合料。對溫拌前、后的瀝青混合料：溫拌后瀝青混合料的高溫性能得到改善。

(2)基于流變理論求出改進Burgers模型的黏彈參數，結果表明：參數隨溫度的升高、偏應力的增加均減小，進一步證明了溫度升高瀝青混合料的流變性增加，相同條件下溫拌混合目膠粉改性瀝青混合料的黏彈參數最大，表明溫拌混合目膠粉改性瀝青混合料的高溫性能最好。