張 飛，王 嵐，邢永明

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院 呼和浩特市 010051; 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 呼和浩特市 010051)

0 引言

隨著我國(guó)汽車保有量的增加，廢舊輪胎的處理問(wèn)題變得日益突出，膠粉改性瀝青技術(shù)為解決廢輪胎的處理問(wèn)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(guò)程會(huì)釋放大量有毒、有害氣體，結(jié)合溫拌技術(shù)可解決熱拌膠粉改性瀝青混合料的技術(shù)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(chǔ)上減少能源消耗、降低有害氣體排放。

趙毅等[4]在不同偏應(yīng)力、溫度下進(jìn)行了三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)，建立了三種瀝青混合料的黏彈力學(xué)模型，并提出了瀝青混合料永久變形預(yù)估方法。黃剛等[5]對(duì)四種類型的瀝青混合料在不同試驗(yàn)溫度及應(yīng)力水平下開(kāi)展了重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)研究，并給出了軸向應(yīng)變、軸向應(yīng)變率與加載次數(shù)的冪函數(shù)關(guān)系。

為了對(duì)比溫拌前、后不同目數(shù)的膠粉改性瀝青混合料的抗高溫變形能力，同時(shí)對(duì)比溫拌前、后膠粉改性瀝青混合料的黏彈參數(shù)，特開(kāi)展相關(guān)研究。由于三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)可以更加真實(shí)地模擬實(shí)際路面的受力狀態(tài)[6]，故采用三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)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(yàn)方案

1.1 原材料性能

(1)膠粉改性瀝青

膠粉改性瀝青統(tǒng)一由基質(zhì)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(shù)兩種細(xì)度且摻量均為基質(zhì)瀝青的20%(外摻)，溫拌劑采用SDYK型表面活性劑。

(2)集料

集料應(yīng)潔凈、干燥、無(wú)風(fēng)化且具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，本次試驗(yàn)集料統(tǒng)一采用玄武巖，礦粉是由石灰?guī)r磨細(xì)而成且各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

1.2 試驗(yàn)方案

(1)三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)

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

(2)三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)的改進(jìn)Burgers模型擬合

利用1stopt 軟件的麥夸特法(LM)“標(biāo)準(zhǔn)+通用全局優(yōu)化法”對(duì)得到的曲線進(jìn)行非線性擬合，并將得到的數(shù)值作為origin非線性擬合的初值，進(jìn)一步采用origin求出改進(jìn)Burgers的各個(gè)黏彈參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.1 三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)對(duì)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(yàn)溫度下進(jìn)行三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)，每一個(gè)試驗(yàn)溫度下又進(jìn)行了偏應(yīng)力分別為0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa的性能測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程中圍壓統(tǒng)一取138kPa，具體試驗(yàn)結(jié)果如下：

圖1 不同膠粉改性瀝青混合料40℃-0.7MPa的軸向應(yīng)變

圖2 不同膠粉改性瀝青混合料50℃-0.9MPa的軸向應(yīng)變

圖3 不同膠粉改性瀝青混合料60℃-1.1MPa的軸向應(yīng)變

圖1～圖3是四種膠粉改性瀝青混合料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由圖可知：

對(duì)熱拌瀝青混合料：當(dāng)溫度和偏應(yīng)力較低時(shí)，60目膠粉改性瀝青混合料的軸應(yīng)變小于混合目數(shù)的膠粉改性瀝青混合料的軸應(yīng)變，說(shuō)明此時(shí)前者的高溫性能比后者強(qiáng)；當(dāng)溫度和偏應(yīng)力水平較高時(shí)，60目膠粉改性瀝青混合料的軸應(yīng)變大于混合目數(shù)的膠粉改性瀝青混合料的軸應(yīng)變，說(shuō)明前者的高溫性能比后者差。對(duì)溫拌瀝青混合料：60目膠粉改性瀝青混合料的軸應(yīng)變大于混合目數(shù)的膠粉改性瀝青混合料的軸應(yīng)變，說(shuō)明前者的高溫性能始終比后者差。出現(xiàn)這種現(xiàn)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(jié)構(gòu)的黏聚力不如后者，表現(xiàn)為后者具有更好的高溫性能。對(duì)溫拌前、后的瀝青混合料：溫拌后瀝青混合料的軸向應(yīng)變降低且循環(huán)次數(shù)越大效果越明顯，混合目數(shù)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(shí)發(fā)現(xiàn)溫拌后瀝青混合料穩(wěn)定期的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)、破壞期滯后出現(xiàn)或者不出現(xiàn)，說(shuō)明溫拌后的高溫性能確實(shí)得到了改善且混合目數(shù)的膠粉改性瀝青混合料的效果更加明顯。進(jìn)一步說(shuō)明溫拌混合目膠粉改性瀝青混合料高溫性能最優(yōu)，這一結(jié)論與車轍試驗(yàn)結(jié)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(gòu)方程中，由四個(gè)元件構(gòu)成的Burgers 黏彈性模型[7]應(yīng)用較為廣泛，然而B(niǎo)urgers模型中的黏性流動(dòng)變形隨時(shí)間的延長(zhǎng)無(wú)限增長(zhǎng)，實(shí)際上瀝青混合料流動(dòng)變形隨時(shí)間的推移，變形速率不斷減小，最終使得黏性流動(dòng)變形趨于穩(wěn)定，即存在所謂的“固結(jié)效應(yīng)”，徐世法針對(duì)Burgers模型不能反映固結(jié)效應(yīng)的缺陷，提出改進(jìn)的Burgers模型，即“四單位五參數(shù)[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(shù)。

文獻(xiàn)[9]認(rèn)為改進(jìn)Burgers模型克服了Burgers模型不能反映瀝青混合料固結(jié)效應(yīng)的嚴(yán)重缺陷。許多研究也表明改進(jìn)Burgers模型作為描述瀝青混合料的黏彈模型是合理、實(shí)用的。

圖4 改進(jìn)的Burgers模型

2.2.1模型參數(shù)擬合

汽車荷載對(duì)路面的作用是一個(gè)不斷加卸載的循環(huán)過(guò)程，而且二次加卸載之間存在時(shí)間間隔，本論文采用半正弦間歇荷載模擬該過(guò)程，該間歇荷載的分段函數(shù)表達(dá)式如下所示:

(2)

式中：σt—t時(shí)刻的偏應(yīng)力；

σ0—偏應(yīng)力最大值(即半弦波峰)；

t0—每個(gè)周期的加載時(shí)間；

T—周期，T=t0+td=1s。

修正Burgers模型一個(gè)加載周期內(nèi)的本構(gòu)方程為：

(3)

第i個(gè)半正弦波荷載作用產(chǎn)生的黏性流動(dòng)應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(4)

黏性流動(dòng)變形是不可恢復(fù)的，在N次荷載作用后其大小變?yōu)椋?/p>

(5)

根據(jù)Boltzmann線性疊加原理，第i個(gè)半正弦波產(chǎn)生的黏彈性變形到第i個(gè)半正弦波作用時(shí)刻結(jié)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(shí)間內(nèi)，彈性變形可以完全恢復(fù)，最后只留下黏性流動(dòng)變形和殘余黏彈性變形。即εp,N=εv,N+εR,ve,N

去城南的游人比較多，但去城北的比較少。雪螢一貫喜歡人少的地方，一杭便只好同意。兩人在終點(diǎn)站下了車，開(kāi)始步行。那天沒(méi)有云，也沒(méi)有風(fēng)。冬天的成都平原，干冷干冷的。他們像深入一片綠色的森林，毫無(wú)目的地往前走。先還遠(yuǎn)遠(yuǎn)近近地看到不少農(nóng)家小院兒，掩映在茂林修竹之間。慢慢地，人煙少了，開(kāi)闊的平原上，綠綠的油菜苗已經(jīng)長(zhǎng)起來(lái)，還有青幽幽的厚皮菜。在一條蚯蚓一樣細(xì)小的泥路盡頭，出現(xiàn)一條逶迤的小河。

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(gè)黏彈參數(shù)A、B、E1、η1可以通過(guò)軟件origin配合1stopt求出，具體結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

2.2.2模型黏彈參數(shù)分析

(1)偏應(yīng)力、溫度對(duì)黏彈參數(shù)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(yīng)力的增大，代表黏彈變形的參數(shù)η1、E1都在不斷減小，也就是說(shuō)偏應(yīng)力增大，瀝青混合料黏彈變形增大；代表黏性流動(dòng)變形的參數(shù)η(t)也在不斷減小，說(shuō)明偏應(yīng)力增大，瀝青混合料黏性流動(dòng)變形也增大，綜合參數(shù)η1、E1、η(t)變化規(guī)律說(shuō)明黏彈變形和黏性流動(dòng)變形隨著偏應(yīng)力的增加都增大了，說(shuō)明在40℃的試驗(yàn)溫度下，軸向變形與軸向力已不再是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，且偏應(yīng)力對(duì)軸向變形有很大影響。同理，隨著溫度的升高，參數(shù)η1、E1、η(t)均減小，說(shuō)明軸向應(yīng)變也隨之增大，這是由于溫度升高導(dǎo)致瀝青結(jié)合料的黏性增大，抗變形能力降低。這些指標(biāo)的變化都說(shuō)明高溫會(huì)導(dǎo)致較大的軸向變形,即產(chǎn)生較大的軸向應(yīng)變。

(a)偏應(yīng)力0.7、0.9MPa粘彈參數(shù)η(t)

(b)偏應(yīng)力1.1MPa粘彈參數(shù)η(t)

(c)粘彈參數(shù)E1

(d)粘彈參數(shù)η1圖5 膠粉改性瀝青混合料黏彈參數(shù)

(a)40、50℃粘彈參數(shù)η(t)

(b)60℃粘彈參數(shù)η(t)

(c)粘彈參數(shù)E1

(d)粘彈參數(shù)η1圖6 膠粉改性瀝青混合料0.7MPa下的黏彈參數(shù)

(2)瀝青混合料類型對(duì)黏彈參數(shù)的影響(以偏應(yīng)力0.7MPa為例說(shuō)明)

從圖6可知：在0.7MPa的偏應(yīng)力作用下，對(duì)熱拌瀝青混合料，60目膠粉改性瀝青混合料的黏彈參數(shù)E1、η1在試驗(yàn)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(shù)，說(shuō)明前者的黏彈變形能力比后者弱。不過(guò)這并不能直接說(shuō)明前者的高溫性能就比后者好，觀察發(fā)現(xiàn)，前者的參數(shù)η(t)總比后者小且溫度越高、偏應(yīng)力越大越明顯，說(shuō)明前者的黏性流動(dòng)變形能力比后者強(qiáng)。較高溫度、短時(shí)間作用，瀝青混合料黏彈變形起主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為前者的軸向應(yīng)變比后者小，即前者比后者的高溫性能好；高溫、長(zhǎng)時(shí)間作用，黏性流動(dòng)變形起主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為前者的軸向應(yīng)變比后者大，即后者比前者的高溫性能好。對(duì)溫拌瀝青混合料：60目膠粉改性瀝青混合料的黏彈參數(shù)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(duì)應(yīng)參數(shù)，說(shuō)明前者的黏彈彈性變形能力比后者強(qiáng)；同時(shí)參數(shù)η(t)總比后者小，進(jìn)一步說(shuō)明前者的高溫性能確實(shí)不如后者。對(duì)比溫拌前、后的膠粉改性瀝青混合料發(fā)現(xiàn)：溫拌后瀝青混合料的黏彈參數(shù)變大，說(shuō)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(yōu)。

2.3 應(yīng)變的三維曲面

由圖7偏應(yīng)力―循環(huán)次數(shù)―軸向應(yīng)變的三維曲面可知：隨著偏應(yīng)力、循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)變不斷增大，隨著溫度的升高三維曲面向上移動(dòng)，溫度越高曲面在兩個(gè)方向的變化率越快，說(shuō)明在溫度較高的地區(qū)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(jié)論

(1)三軸試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)熱拌瀝青混合料：較高溫度、較小應(yīng)力下，60目膠粉改性瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于混合膠粉改性瀝青混合料；高溫、大應(yīng)力下，混合膠粉改性瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于60目膠粉改性瀝青混合料。對(duì)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(yōu)于60目膠粉改性瀝青混合料。對(duì)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(jìn)Burgers模型的黏彈參數(shù)，結(jié)果表明：參數(shù)隨溫度的升高、偏應(yīng)力的增加均減小，進(jìn)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(shù)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。