采用間接拉伸蠕變試驗評價瀝青混合料低溫抗裂性能*

銀 花，高世強

(1.內蒙古大學 交通學院，呼和浩特 010070；2.內蒙古大學 橋梁檢測與維修加固工程技術研究中心，呼和浩特 010070)

0 引 言

熱拌瀝青混合料是一種典型的黏彈性材料，其應力應變響應取決于施加荷載的溫度和時間，因此，測量黏彈性材料在很寬的頻率和溫度范圍內的黏彈性特性顯得尤為重要[1-4]。其中最常用的方法之一是測量材料在不同溫度和時間下的蠕變行為，并采用時間-溫度等效原理建立蠕變主曲線[5]。瀝青混合料的蠕變試驗是有效的試驗措施，因為這個測試可以確定并分離與時間無關的應變(彈性應變)和依賴時間的應變(黏彈性和塑性)響應[6]。

蠕變試驗主要采用兩種試驗方式，即間接拉伸蠕變和單軸壓縮(拉伸)蠕變試驗，其中單軸壓縮(拉伸)蠕變試驗通常稱作單軸蠕變試驗，主要用于預測熱拌瀝青混合料的車轍變形；而間接拉伸蠕變試驗主要用于預測熱拌瀝青混合料在低溫條件下在路面產生的裂縫[7]。間接拉伸蠕變試驗最初是由Roque R等[8]于1995年在美國SHRP計劃中用來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，間接拉伸試驗比較其它試驗的優點是使用一種壓縮加載方法，從而使圓柱體試樣在垂直方向上產生均勻的拉應力狀態。Christensen D W等[9]認為間接拉伸試驗是預測瀝青混合料低溫性能最有效的方法。尤其適用于確定熱拌瀝青混合料的抗裂性能，美國AASHTO T332已將此方法定為測定熱拌瀝青混合料蠕變柔量和強度的標準試驗方法[10]。通過間接拉伸蠕變試驗可以確定熱拌瀝青混合料的蠕變柔量、抗拉強度和泊松比，該試驗能夠描述瀝青混合料在低溫條件下對變形的適應能力，蠕變柔量的大小能夠代表瀝青混合料對低溫變形的適應能力的大小[11-13]。

本文首先采用馬歇爾配合比設計方法得到了3種不同配合比的AC-20型瀝青混合料，其次對3種級配的瀝青混合料在3個不同溫度下進行了間接拉伸低溫蠕變試驗，然后采用冪函數模型建立了3種瀝青混合料的低溫蠕變柔量主曲線，最后分析了3種瀝青混合料的低溫抗裂性能。

1 實 驗

1.1 試件的制備

本文采用90#基質瀝青，試驗所用粗集料、細集料及礦粉均按工程實際采用標準。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)和《公路工程集料試驗規程》JTG E42-2005對瀝青、粗(細)集料及礦粉的技術指標進行測定。制作平行試件數量為3個，采用旋轉壓實儀成型直徑為150 mm、高110 mm的圓柱形試件，之后切割成直徑為150 mm、高40 mm的圓柱形試件，采用動態伺服液壓瀝青混合料試驗系統(UTM-100)進行試驗，間接拉伸蠕變試件如圖1所示[14]。

圖1 間接拉伸蠕變試件Fig 1 Indirect tensile creep test specimen

1.2 間接拉伸低溫蠕變試驗

根據美國AASHTO(T322-03)規范[10]，對3種AC-20瀝青混合料進行間接拉伸蠕變試驗，選擇3個溫度(0，-10和-20 ℃)下進行試驗(考慮依托工程在使用過程中低溫條件下平均溫度的情況，在進行間接拉伸蠕變試驗時最低溫度選取-20 ℃)，試驗設備為動態伺服液壓瀝青混合料試驗系統(UTM-100)，加載方式為徑向加載，加載時間持續1 000 s[14]，其試驗使用儀器及加載過程如圖2所示。

圖2 間接拉伸低溫蠕變試驗使用儀器及加載過程Fig 2 Instrument and loading process of indirect tensile creep test at low temperature

2 瀝青混合料低溫蠕變性能分析方法

2.1 蠕變柔量計算方法

熱拌瀝青混合料的蠕變柔量曲線可以分為初始階段、第二階段和第三階段[15-16]，但是在低溫條件下有限時間內的蠕變基本上處在初始和第二兩個階段[14]。

瀝青混合料間接拉伸蠕變試驗，在每一個試驗條件下，平行試驗采用3個試件，在每個試件試驗過程中，對試件施加靜載，采用LVDT采集每一面上的水平和豎直位移。考慮每個試件在切割加工過程中存在一定的誤差，需要考慮試件的尺寸對試驗結果的影響，之后再計算瀝青混合料的蠕變柔量和泊松比。瀝青混合料間接拉伸蠕變柔量計算公式如式(1)所示：

(1)

其中，D(t)為t時刻的蠕變柔量，據式(1)計算得到每一時刻的蠕變柔量。

2.2 主曲線建立方法

瀝青混合料的兩種最常用的表示蠕變柔量主曲線(CCMC)的數學模型是冪函數和Prony級數，冪函數模型通常用于分析繪制在對數坐標上的CCMC的次要部分，如式(2)所示

D(t)=D0+D1×tm

(2)

其中，D(t)為t時刻的蠕變柔量；D0為瞬間蠕變柔量；D1為某一時間的蠕變柔量；t為加載時間，s；m為回歸系數。

熱拌瀝青混合料等黏彈性材料的響應依賴于時間和溫度的變化。一般蠕變試驗需要在幾個不同的溫度下進行，依賴時間和溫度的蠕變響應可以通過時間-溫度等效原理得到的參數減縮時間(tr)來表示[17]。冪函數模型的主曲線方程如式(3)所示：

D(tr)=D0+D1×(tr)m

(3)

其中，tr為減縮時間；D0為瞬間蠕變柔量；D1為某一時間的蠕變柔量；m為回歸系數。

在每個溫度下所需的移位量稱為移位因子a(T)，它是一個常數，根據這個常數，在每個溫度下的加載時間可以被劃分為主曲線的一個減縮時間tr，由式(4)計算得到

(4)

其中，tr為減縮時間；t為加載時間；a(T)為移位因子。

3 瀝青混合料低溫蠕變柔量主曲線的建立

3.1 間接拉伸低溫蠕變試驗結果與分析

從3種AC-20瀝青混合料間接拉伸低溫蠕變試驗獲得數據后，先采用式(1)計算得到每一時刻的蠕變柔量，然后采用冪函數模型(式(2))進行擬合得到蠕變柔量與時間的冪函數模型相關參數。AC-20 Ⅰ(粗級配型)、AC-20 Ⅱ(中級配型)和AC-20 Ⅲ(細級配型)3種級配AC-20瀝青混合料的蠕變柔量曲線如圖3所示，擬合得到的參數如表1所示。

從圖3可以看出，同一種級配AC-20的瀝青混合料，在雙對數坐標中，蠕變柔量均隨著時間的增長在逐漸增大，其蠕變柔量也隨著溫度的升高而增長，其混合料產生相同收縮應變而引起的內部應力也變小，因而溫度在0 ℃時，3種AC-20瀝青混合料的低溫抗裂性能逐漸變好。由圖3可知，在3個不同溫度條件下，3種級配混合料的蠕變柔量呈現出不同的規律。在0 ℃時，AC-20 Ⅱ和AC-20 Ⅲ兩種級配的蠕變柔量隨著時間的增長趨勢基本一致，明顯高于AC-20 Ⅰ的蠕變柔量，且中間級配(AC-20 Ⅱ)的混合料蠕變柔量最大，其低溫抗裂性能最好，而在-10和-20 ℃時，AC-20 Ⅱ和AC-20 Ⅲ兩種級配的蠕變柔量隨著時間的增長趨勢基本一致，但是均小于AC-20 Ⅰ，因此粗級配型(AC-20 Ⅰ)混合料的低溫抗裂性能最好，說明瀝青混合料級配變粗，其混合料低溫抗裂性能較好。

圖3 AC-20瀝青混合料蠕變柔量曲線Fig 3 Creep compliance curves of AC-20 asphalt mixtures

表1為AC-20瀝青混合料間接拉伸蠕變參數。從擬合結果來看，其R2均大于0.94，且3個參數的標準差均小于0.0025，說明擬合結果較好。此外，由表1中可知，同一級配的瀝青混合料，隨著溫度的升高，其初始蠕變柔量值D0也逐漸升高，但D1無明顯規律；冪函數指數m值，也隨著溫度的升高而增大，表明隨著溫度的升高，瀝青混合料蠕變柔量隨時間的增長越快，即瀝青混合料的蠕變速率越大，其低溫抗裂性能越好，適應變形的能力也就越強。

表1 AC-20瀝青混合料間接拉伸蠕變參數Table 1 Indirect tensile creep parameters of AC-20

3.2 蠕變柔量主曲線的建立

本文在3個溫度(-20，-10和0 ℃)下進行AC-20瀝青混合料間接拉伸蠕變試驗，在得到每一個溫度下的1 000 s的蠕變柔量值后，基于冪函數模型的主曲線方程(式(3))和移位因子(式(4))，在Excel中進行規劃求解得到溫度移位因子以及平移的蠕變柔量，以-10 ℃作為參考溫度得到瀝青混合料蠕變柔量曲線。表2為不同溫度(-20，-10和0 ℃)下產生的位移因子。

表2 溫度移位因子Table 2 Temperature shift factor

圖4為建立的AC-20瀝青混合料低溫蠕變柔量主曲線，使用的單位為1/GPa，這是因為原始的柔量在1/Pa中非常接近于零。建立主曲線時，坐標采用半對數坐標形式，即減縮時間才采用對數坐標，蠕變柔量采用常數坐標，并采用冪級數模型對主曲線進行擬合，擬合參數如表3所示。分析中剔除了在蠕變試驗開始和結束時測量到的離散的蠕變柔量數據。由圖4可知，在整個時間范圍內，3種AC-20瀝青混合料的蠕變柔量均隨著時間的延長而增長，且在1 000 s左右出現明顯的轉折，在1 000 s之后蠕變柔量隨著時間的增長速率顯著增大，且AC-20II的蠕變柔量一直小于另外兩種混合料，但是時間范圍較AC-20III的廣泛，最終的蠕變柔量超過AC-20III，但是仍小于AC-20I。最終的蠕變柔量大小為：AC-20 Ⅰ>AC-20 Ⅱ>AC-20 Ⅲ，這代表了3種瀝青混合料在低溫條件下抵抗變形的能力的強弱。

圖4 AC-20瀝青混合料蠕變柔量主曲線Fig 4 Creep compliance master curve of asphalt mixtures

表3為 AC-20瀝青混合料低溫蠕變柔量主曲線擬合參數。從表3可以看出，冪函數模型較好地描述了瀝青混合料低溫蠕變柔量主曲線，相關系數R2接近1.0，3種瀝青混合料的D0均在同一個量級上，且冪指數m值均在0.5以上。參數冪指數m值可以表示蠕變速率，其值大小也可以表示瀝青混合料的低溫松弛能力，m值越大，瀝青混合料低溫松弛性能越好，其在寬時間范圍內細級配(AC-20 Ⅲ)型混合料的低溫抗裂性能也就越好。

表3 AC-20瀝青混合料低溫蠕變柔量主曲線擬合參數Table 3 Fitting parameters of low temperature creep compliance master curve of AC-20 asphalt mixtures

4 結 論

(1)同一種級配AC-20瀝青混合料的蠕變柔量均隨著時間的增長而逐漸增大，其蠕變柔量也隨著溫度的升高而逐漸增大，其混合料產生相同收縮應變而引起的內部應力也變小，因而溫度在0 ℃時，其混合料的低溫抗裂性能也越好。

(2)3種不同級配混合料的蠕變柔量，在3個不同溫度條件下顯現出不同的規律，溫度在0 ℃時，中間級配(AC-20 Ⅱ)混合料的低溫抗裂性能最好，而隨著溫度降低到-20 ℃時，粗級配(AC-20 Ⅰ)瀝青混合料的低溫抗裂性能變最好。

(3)采用冪函數模型能夠較好地描述瀝青混合料擴寬時間域的低溫間接拉伸蠕變柔量主曲線，其參數冪指數m可以較好地顯示瀝青混合料的低溫松弛能力，在寬時間域內，細級配(AC-20 Ⅲ)瀝青混合料的低溫松弛性能最好，其低溫抗裂性也最好。