基于動態(tài)蠕變試驗的瀝青混合料黏彈性分析(1)

1、第32卷第1期2010年1月南京工業(yè)大學學報(自然科學版JOURNAL OF NANJ I N G UN I V ERSI TY OF TECHNOLOGY (Natural Science Editi on Vol . 32No . 1Jan . 2010doi:10. 3969/j . issn . 1671-7627. 2010. 01. 007基于動態(tài)蠕變試驗的瀝青混合料黏彈性分析侯曙光1, 2(1. 長安大學公路學院, 陜西西安710075; 2. 南京工業(yè)大學土木工程學院, 江蘇南京210009收稿日期:2009-04-09基金項目:中交寒區(qū)道路工程重點實驗室開放基金資助項目; 南

2、京工業(yè)大學學科基金資助項目; 山東交通科技計劃基金資助項目(2007Y02 作者簡介:侯曙光(1977 , 男, 甘肅定西人, 副教授, 博士后, 主要研究方向為路面新材料及技術, E 2mail:houshuguangsina . com.摘要:基于瀝青混合料Burgers 模型的黏彈性理論, 通過動態(tài)蠕變試驗進行AC -20, 得到不同溫度及應力下的混合料變形特征曲線及Burgers 模型4. , 永久變形隨之增大, , E 1、E 2增大, 1、2減小; 在同一應力水平下, , E E 22. 因此應力及溫度對瀝青混合料黏性及彈性影響程度不同, ; , 則彈性降低而黏性增加, 該結論與路

3、面關鍵詞:; 黏彈性理論; Burgers 模型; 永久變形中圖分類號:U416. 217文獻標志碼:A 文章編號:1671-7627(2010 01-0033-04V iscoel a sti c ana lysis of a spha lt m i xture ba sed on dynam i c creep testHOU Shu 2guang1, 2(1. School of H igh way, Chang an University, Xi an 710075, China;2. College of Civil Engineering, Nanjing University o

4、f Technol ogy, Nanjing 210009, China Abstract:Based on the viscoelastic theory of Burgers model on the as phalt m ixture and according t o the viscoelastic analysis of AC 220by a dyna m ic creep test, the def or mati on characteristic curve of the m ixture and the patterns of variati ons on the four

5、 para meters of Burgers model at different te mperatures and p res 2sures were obtained . Results shown that at the same temperature, with increasing of the stress level, the per manent def or mati on as well as the devel opment rate of per manent strain in stable peri od increased, and failure peri

6、 od could come earlier, the para meters of Burgermodel E 1, E 2increased, but 1, 2decreased . A t the sa me stress level, with the increasing of the te mperature, the per manent def or mati on increased andE 1, E 2decreased, but 1, 2increased. Theref ore, the influences of the stress and the te mper

7、ature on the viscosity and the elasticity of the as phalt m ixture were different in degrees . W ith increasing of the stress and the elasticity increased the viscosity decreased; with increasing of the te mperature, the elasticity de 2creased, but the viscosity increased . The conclusi on was in ag

8、ree ment with the p ractical service perf or 2mence of pave ments .Key words:as phalt m ixture; dyna m ic creep test; viscoelastic theory; Burgers model; per manent def or mati on瀝青混合料是一種黏彈性材料1, 其力學性能與溫度和荷載作用時間密切相關2. 瀝青混合料在高溫條件下或長時間承受荷載作用下, 會產(chǎn)生顯著的變形, 其中不能恢復的部分稱為永久變形, 將會降低路面使用性能, 危及行車安全, 從而縮短瀝青路面的使用壽

9、命, 高速公路的車轍是瀝青路面最有危害的破壞形式之一. 瀝青混合料所固有的黏彈性特征是影響瀝青路面高溫特性的主要因素, 因此為了更好地認識與解決瀝青路面永久變形問題3, 必須從瀝青混合料在溫度和荷載條件下的黏彈性本構模型出發(fā)進行研究4-5. 本文基于瀝青混合料動態(tài)蠕變試驗3, 分析瀝青混合料高溫變形特征并對典型的瀝青混合料Burgers 模型參數(shù)進行了計算.1瀝青混合料黏彈性理論研究者認為, Burgers 模型1. Kel vin 模型串聯(lián)組成的1所示1.圖1Burgers 模型4元件F i g . 1Burgers m odel s four com ponen ts瀝青混合料在蠕變試驗中

10、, 其總蠕變應變由3部分組成:瞬時彈性應變1=/1(1 純黏性應變2=(/1 t(2 黏彈性變形32(1-e -2t 2(1-e -k (3 總的蠕變?yōu)樯鲜?部分變形之和, 即(t 1+1t +2(1-e -k (4 式中:為應力; 1、2為彈性模量; 1、2為黏度; t為時間; k=22為延遲時間, 表示黏彈性體中黏性體和彈性體的強度比例.2混合料動態(tài)蠕變試驗本文采用AC -20瀝青混合料進行動態(tài)蠕變試驗, 混合料所用瀝青為70#A 基質瀝青6-7, 集料為石灰?guī)r, 混合料級配如表1所示1表1AC -20瀝青混合料級配Table 1Grada ti on of AC -20a spha lt

11、 m i xture粒徑/mm篩孔通過率/%粒徑/mm篩孔通過率/%43085040, 試100mm, 蠕變應力分別為014、017加載方式采用011s 加載和019s 間歇的半正弦動態(tài)荷載, 試驗在UT M -25萬能機上進行, 圖2為動態(tài)蠕變試驗裝置, 試驗曲線如圖3、圖4所示. 由圖3、圖4可見:瀝青混合料在荷載重復作用下, 會出現(xiàn)3階段變形規(guī)律, 即迅速壓密的遷移期、變形線性增大的穩(wěn)定期和變形迅速發(fā)展的破壞期1在同一溫度下, 應力水平增大, 在相同的荷載作用次數(shù)下永久變形會隨之增大, 穩(wěn)定期永久應變發(fā)展速率增大且破壞期會提前到來; 同樣, 在同一應力水平下, 在相同的荷載作用次數(shù)時永久

12、變形會隨溫度升高而增大, 也會出現(xiàn)破壞期提前到來的現(xiàn)象1這一方面說明, 溫度和應力對瀝青混合料高溫抗變形的性能有很大的影響, 應當通過改善膠結料性能和級配等途徑來提高瀝青路面在高溫和重載下的抗變形性能; 另一方面也說明, 溫度、應力和時間之間均會存在等效關系, 即高溫(高應力 短時間與低溫(低應力 長時間在產(chǎn)生永久變形上, 效果是相同的13蠕變曲線分析及黏彈性參數(shù)計算通過動態(tài)蠕變試驗, 得到的瀝青混合料蠕變試驗特征曲線, 如圖5所示. 同一種瀝青混合料, 因試驗溫度、應力等的不同, 蠕變試驗曲線有所不同, 但基本形狀相似.圖5中1、2、3為測試結果, 利用這3部分應變, 結合試驗應力, 即可計

13、算出Burgers 模型中的1、1、1和2.基于瀝青混合料AC -20在不同應力條件下進行40和60蠕變試驗所得結果, 應用上述曲線分析方法, 得到瀝青混合料AC -20的Burgers 模型4個參數(shù), 計算結果見表2.43南京工業(yè)大學學報(自然科學版 第32卷 圖2動態(tài)蠕變試驗裝置F i g . 2I n st a ll a ti on of dynam i c creep test圖340下瀝青混合料蠕變曲線F i g . 3Spha lt m i xture creep curves a t 40 圖460下瀝青混合料蠕變曲線F i g . 4Spha lt m i xture curv

14、es a t 60圖5蠕變試驗變形曲線F i g . 5Creep test defor ma ti on curves表2動態(tài)蠕變試驗黏彈性計算結果Table 2V iscoel a sti c param eter ca lcul a teld results from dynam i c creep test試驗溫度/MPaMax well 元件Voigt 元件E 1/MPa1/(kPa s E 2/MPa2/(kPa s 400142110012601930128由表2可知:瀝青混合料Burgers 模型4個參數(shù)隨溫度及應力變化而變化, 每個參數(shù)的變化幅度各異. 在相同溫度下, 隨著應

15、力增加, E 1、E 2增大, 1、1減小; 在相同應力水平下, 隨著溫度升高, E 1、E 2減小, 1、1增大(除少數(shù)離散點外 . 說明應力及溫度變化對瀝青混合料彈性部分及黏性部分影響不同, 隨著應力增加, 彈性增強而黏性降低; 隨著溫度升高, 則彈性降低而黏性增加, 該結論與路面實際使用狀況完全一致.4結論瀝青混合料在荷載重復作用下, 會出現(xiàn)3階段變形規(guī)律, 即迅速壓密的遷移期、變形線性增大的穩(wěn)定期和變形迅速發(fā)展的破壞期. 在同一溫度下, 應力水平增大, 在相同的荷載作用次數(shù)下永久變形會隨之增大, 穩(wěn)定期永久應變發(fā)展速率增大且破壞期會提前到來; 同樣, 在同一應力水平下, 在相同的荷載作

16、用次數(shù)時永久變形也會隨溫度升高而增大, 也會53第1期侯曙光:基于動態(tài)蠕變試驗的瀝青混合料黏彈性分析出現(xiàn)破壞期提前到來的現(xiàn)象.瀝青混合料Burgers 模型4個參數(shù)隨溫度及應力變化而變化, 每個參數(shù)的變化幅度各異. 隨著應力增加, 瀝青混合料彈性增強而黏性降低, 隨溫度升高, 則彈性降低而黏性增加, 該結論與路面實際使用狀況完全一致. 參考文獻:1沈金安. 瀝青與瀝青混合料路用性能M.北京:人民交通出版社, 2001.2黃曉明, 張久鵬, 劉偉民. 用黏彈性理論預測瀝青混合料的劈裂疲勞壽命J .華南理工大學學報:自然科學版, 2008, 36(6 :56-61.Huang Xiaom ing,

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18、l oad J .Journal of H ighway and Trans portati on Research and Devel 2opment, 2008, 25(4 :1-6.4譚積青, 張肖寧. 三層式瀝青面層車轍組成及發(fā)展的調查與分析J .公路交通科技, 2006, 23(1 :20-23.Tan J iqing, Zhang Xiaoning . I nvestigati on and analysis of three 2layer as phalt surface rutting and its devel opmentJ .Journal of H ighway and

19、 Trans portati on Research and Devel opment, 2006, 23(1 :20-23.5張久鵬, 黃曉明, 王曉磊. 基于黏彈塑性理論的瀝青路面車轍分析J .公路交通科技, 2007, 24(10 :20-24.Zhang J iupeng, Huang Xiaom ing, W ang Xiaolei . Analysis of as 2phalt pave ment rut base on elastic 2viscop lastic theoryJ .Journal of H ighway and Trans portati on and Deve

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21、Jiang, L i Guofen, Hou Shuguang . Effect of diat om ite on water resistance of as phalt m ixtureJ .Journal of Nanjing University of Technol ogy:Natural Science Editi on, 2008, 30(3 :97-100.(上接第11頁7Dasari M A, Kiatsi m kul P P, Sutterlin W R, et al . Low 2p ressurehydr ogenolysis of glycer ol t o p r

22、 opylene glycolJ .App l Catal A:Gen, 2005, 281(1 :225-231.8M iyaza wa T, Kusunoki Y, Kuni m ori K, et al . Glycer ol conversi onin the aqueous s oluti on under hydr ogen over Ru /C+an i on 2ex 2change resin and its reacti on mechanis m J .J Catal, 2006, 240(2 :213-221.9Maris E P, Ketchie W C,Murayam

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