基于芯樣車(chē)轍試驗(yàn)的瀝青混合料蠕變參數(shù)

張爭(zhēng)奇,芮照誠(chéng),2,趙勤勝,李乃強(qiáng),李宏偉

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064; 2.山東省交通科學(xué)研究院, 山東 濟(jì)南 250102;3.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 山東 濟(jì)南 250101; 4.唐山高速公路集團(tuán)有限公司, 河北 唐山 063000)

1 前 言

時(shí)間硬化蠕變模型是表征瀝青混合料蠕變規(guī)律的模型之一,在ABAQUS中該模型常被用于瀝青路面車(chē)轍變形預(yù)估[1-4]。時(shí)間硬化蠕變模型參數(shù)對(duì)于預(yù)估的準(zhǔn)確性具有重要影響,目前該參數(shù)一般通過(guò)單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)獲取變形曲線,采用時(shí)間硬化蠕變模型進(jìn)行擬合,進(jìn)而得到表征瀝青混合料變形特性的蠕變參數(shù)[5-6]。然而,該試驗(yàn)所采用的試件并非路面現(xiàn)場(chǎng)取樣的試件,而是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成型獲得,這樣得到的蠕變參數(shù)并未考慮施工過(guò)程中各種因素對(duì)瀝青路面質(zhì)量的影響,難以準(zhǔn)確地預(yù)估瀝青路面車(chē)轍變形。

路面芯樣是代表路面性能的有效單元,可以全面反映路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量。因此,利用路面芯樣獲取表征路面材料變形特性的蠕變參數(shù)對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)車(chē)轍變形具有重要意義。車(chē)轍試驗(yàn)儀是一種實(shí)驗(yàn)室常備試驗(yàn)設(shè)備,用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫抗變形能力。通過(guò)分析車(chē)轍試驗(yàn)中試件的受力特點(diǎn)和變形曲線特征發(fā)現(xiàn),車(chē)轍試驗(yàn)可近似視為混合料的一種蠕變過(guò)程[7-10],且該試驗(yàn)方法更能體現(xiàn)瀝青混合料車(chē)轍變形機(jī)理。方昊[11]通過(guò)時(shí)間硬化蠕變模型擬合室內(nèi)車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果,得到了瀝青混合料不同溫度下的蠕變參數(shù)。因此,為獲取能夠反映瀝青路面材料黏彈性的蠕變參數(shù),本研究提出采用芯樣車(chē)轍試驗(yàn)代替單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)確定模型參數(shù),研究分析其可行性與合理性。

借助時(shí)間硬化蠕變模型分別對(duì)瀝青混合料單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果、車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果以及路面芯樣車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,得到不同試驗(yàn)條件下的路面材料蠕變參數(shù)并進(jìn)行相關(guān)性分析,并驗(yàn)證材料蠕變參數(shù)的合理性。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

選用SBS-1改性瀝青、SBS-2改性瀝青和SK-70基質(zhì)瀝青,粗、細(xì)集料均采用石灰?guī)r,礦粉采用石灰?guī)r粉。經(jīng)檢驗(yàn),上述試驗(yàn)材料均滿足相關(guān)規(guī)范要求。選用三種常用級(jí)配類(lèi)型AC-13、AC-20和AC-25,其組成見(jiàn)表1。

表1 瀝青混合料級(jí)配組成

采用Superpave體積設(shè)計(jì)法確定最佳油石比,分別為4.9%、4.3%和3.9%。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)制備的瀝青混合料試件和路面芯樣分別進(jìn)行單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)和車(chē)轍試驗(yàn)。

2.2.1單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn) 采用Troxler4140型旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型尺寸為φ150 mm×170 mm的圓柱形試件,鉆芯得到尺寸為φ100 mm×150 mm的試件(圖1)。采用UTM-30型萬(wàn)能材料機(jī)進(jìn)行單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn),試驗(yàn)溫度為30～70 ℃。

圖1 單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)試件

2.2.2車(chē)轍試驗(yàn) 采用瀝青混合料圓柱形試件和路面芯樣進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)[12-13],設(shè)計(jì)了圓柱形試件車(chē)轍試驗(yàn)?zāi)＞?圖2),將成型圓柱形試件或路面芯樣按照尺寸切割并放置于車(chē)轍試驗(yàn)?zāi)＞咧羞M(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 圓柱形試件車(chē)轍試驗(yàn)?zāi)＞?單位：mm)

具體試驗(yàn)方案如下：將旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型的瀝青混合料試件或路面芯樣,按照模具尺寸進(jìn)行切割(見(jiàn)圖3);根據(jù)試件厚度選擇合適的墊片,將切割后的試件和墊片放入模具(見(jiàn)圖4);將車(chē)轍試件置于試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn);試驗(yàn)輪壓強(qiáng)為0.7 MPa,試驗(yàn)溫度與單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)相同。

圖3 切割后的圓柱形試件

圖4 由切割后的圓柱形試件與模具組合而成的車(chē)轍試件

3 基于單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)的瀝青混合料蠕變參數(shù)

3.1 時(shí)間硬化蠕變模型

為探究瀝青路面材料的蠕變特性,采用Bailey-Norton蠕變規(guī)律對(duì)瀝青混合料及路面芯樣的變形進(jìn)x行分析,時(shí)間硬化蠕變模型可表示為：

εcr=C1qC2tC3

(1)

式中：εcr為蠕變量;q為應(yīng)力;t為時(shí)間;C1、C2、C3為模型參數(shù),一般C2≥0,C3≤1。

當(dāng)應(yīng)力不變時(shí),對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得蠕變變化率的表達(dá)式：

(2)

令：A=C1C3,冪法則乘數(shù);m=C2,等階應(yīng)力階次;n=C3-1,時(shí)間階次。

則有：

(3)

3.2 室內(nèi)圓柱形試件單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)

在30～70 ℃(10 ℃為一個(gè)間隔)條件下,對(duì)所成型的圓柱形試件進(jìn)行單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn),得到不同溫度下混合料的蠕變變形隨時(shí)間的變化規(guī)律。在處理蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)時(shí)需將應(yīng)變對(duì)數(shù)化處理,得到三種瀝青混合料在不同溫度下的應(yīng)變,如圖5所示。

圖5 瀝青混合料單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果 (a)AC-13;(b)AC-20;(c)AC-25

從圖5可知,瀝青混合料的蠕變變形隨時(shí)間逐漸增大;在同一時(shí)間,變形隨溫度增大而增大;AC-25的蠕變變形最大,AC-13和AC-20變形相差較小。三種瀝青混合料蠕變發(fā)展趨勢(shì)基本相同,在應(yīng)力加載的初始階段,混合料的變形發(fā)展迅速,在300 s左右時(shí),試件的變形增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩,從500 s左右開(kāi)始,瀝青混合料的蠕變變形大致呈現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展趨勢(shì)。

借助式(1)對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)得到的蠕變參數(shù)變異性較大,這是因?yàn)閰?shù)C1、C2、C3并非相互獨(dú)立,而是存在一定相關(guān)性。為解決這一問(wèn)題,根據(jù)文獻(xiàn)[14-15],固定C2=0.65即m=0.65,擬合結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性較高,相關(guān)系數(shù)均在0.95以上。相關(guān)蠕變參數(shù)如表2所示。

表2 瀝青混合料單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)的時(shí)間硬化蠕變模型參數(shù)

由表2可知,瀝青混合料的蠕變參數(shù)冪法則乘數(shù)(A)和時(shí)間階次(n)均隨溫度呈增大趨勢(shì)。三種級(jí)配瀝青混合料中,A在60 ℃及以下時(shí),大小及變化趨勢(shì)幾乎一致,在70 ℃時(shí)相差較大;n隨溫度變化逐漸增大,其中AC-25最大,AC-13最小。

4 基于圓柱形試件和路面芯樣車(chē)轍試驗(yàn)的蠕變參數(shù)

4.1 室內(nèi)圓柱形試件車(chē)轍試驗(yàn)

車(chē)轍試驗(yàn)變形量累積過(guò)程可反映瀝青混合料在荷載作用下的黏彈變形發(fā)展趨勢(shì)。采用車(chē)轍試驗(yàn)儀對(duì)圓柱形試件進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn),得到的蠕變曲線見(jiàn)圖6。

圖6 瀝青混合料的車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果 (a)AC-13;(b)AC-20;(c)AC-25

由圖6可知,瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)變形量隨時(shí)間大致呈冪函數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì),與單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果相似性較高,因此,利用時(shí)間硬化蠕變模型擬合車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果具有可行性。車(chē)轍試驗(yàn)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)是變形量隨時(shí)間的變化,而式(1)表征的是應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律,故需對(duì)車(chē)轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將試件變形量轉(zhuǎn)化為應(yīng)變進(jìn)行擬合。擬合得到的蠕變參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)的時(shí)間硬化蠕變模型參數(shù)

由表3可知,室內(nèi)圓柱形試件車(chē)轍試驗(yàn)的A隨溫度增加呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),在30和40 ℃條件下,三種瀝青混合料相差不大,在50 ℃及以上時(shí),AC-25最大,AC-20和AC-13次之;n隨溫度也呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),其中,AC-13隨溫度變化增長(zhǎng)不明顯,AC-20和AC-25隨溫度增長(zhǎng)較快。

4.2 路面芯樣車(chē)轍試驗(yàn)

基于室內(nèi)圓柱形試件車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果,得到了時(shí)間硬化蠕變模型參數(shù),但這并不能夠代表瀝青路面材料的變形特性。因?yàn)樵跒r青路面的實(shí)際建設(shè)過(guò)程中會(huì)受到各種因素的影響,即使是同樣設(shè)計(jì)的瀝青混合料,建成后路面的變形特性與室內(nèi)成型的試件相比仍存在較大的差異,而現(xiàn)場(chǎng)鉆取的芯樣更能反映瀝青路面混合料的實(shí)際性能。在施工現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行芯樣車(chē)轍試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證車(chē)轍試驗(yàn)獲取蠕變參數(shù)的合理性,同時(shí)也對(duì)室內(nèi)車(chē)轍試驗(yàn)的時(shí)間硬化蠕變模型參數(shù)進(jìn)行修正。芯樣車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 路面芯樣車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果 (a)AC-13;(b)AC-20;(c)AC-25

通過(guò)鉆取路面芯樣,經(jīng)切割獲取芯樣車(chē)轍試驗(yàn)試件,對(duì)芯樣試件進(jìn)行不同溫度條件下的車(chē)轍試驗(yàn),并利用時(shí)間硬化蠕變模型進(jìn)行參數(shù)擬合。在擬合過(guò)程中發(fā)現(xiàn)芯樣車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定階段的應(yīng)變變化速率與室內(nèi)圓柱形試件十分接近,故n與圓柱形試件車(chē)轍試驗(yàn)擬合結(jié)果保持一致,根據(jù)芯樣車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果確定A,擬合得到的蠕變參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 路面芯樣車(chē)轍試驗(yàn)的時(shí)間硬化蠕變模型參數(shù)

由表4可知,與圓柱形試件車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果擬合數(shù)據(jù)相比,A值偏大,這是因?yàn)槁访媸┕がF(xiàn)場(chǎng)因素眾多,條件復(fù)雜,很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)室所制備的試件質(zhì)量,導(dǎo)致路面芯樣的抗變形能力稍弱。

5 蠕變參數(shù)相關(guān)性分析

兩種車(chē)轍試驗(yàn)條件下的時(shí)間硬化蠕變模型參數(shù)冪法則乘數(shù)(A)之間的相關(guān)性如圖8所示,換算公式見(jiàn)表5。

圖8 路面芯樣與瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)的參數(shù)(A)相關(guān)性分析 (a)AC-13;(b)AC-20;(c)AC-25

表5 路面芯樣與瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)參數(shù)(A)換算公式

同理,根據(jù)單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果和芯樣車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果,可以得到兩者蠕變參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,換算公式見(jiàn)表6。

表6 路面芯樣與瀝青混合料的蠕變參數(shù)(A)和(n)換算公式

由表6可知,基于單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)的瀝青混合料試件蠕變參數(shù)與基于路面芯樣修正后的蠕變參數(shù)之間具有良好的相關(guān)性,可以建立可靠的換算公式,前者是基于室內(nèi)成型的試件得出,可以代表瀝青混合料的變形特性,后者則代表瀝青路面驗(yàn)收階段的變形特性,兩者之間良好的換算關(guān)系證明采用芯樣車(chē)轍試驗(yàn)代替單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)獲取蠕變參數(shù)是可行的。因此,在瀝青路面驗(yàn)收階段,可以通過(guò)鉆取路面芯樣進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn),獲取表征瀝青路面材料變形特性的蠕變參數(shù),進(jìn)而采用有限元法對(duì)車(chē)轍進(jìn)行預(yù)估,以評(píng)價(jià)瀝青路面的抗車(chē)轍能力。

6 結(jié) 論

圓柱形試件車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果與芯樣車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果相似性高,采用時(shí)間硬化蠕變模型對(duì)兩條試驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合得到的冪法則乘數(shù)(A)之間存在線性換算關(guān)系,這說(shuō)明芯樣試件可以表征路面材料的變形特性。

基于單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果擬合得到的蠕變參數(shù)與基于路面芯樣車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果修正得到的蠕變參數(shù)之間具有良好的相關(guān)性,說(shuō)明采用路面芯樣車(chē)轍試驗(yàn)獲得的時(shí)間硬化蠕變模型參數(shù)具有可行性及合理性,可用于有限元法瀝青路面車(chē)轍預(yù)估模型,評(píng)價(jià)其抗車(chē)轍能力。