基于动态蠕变试验的沥青混合料黏弹性分析(1)

1、第32卷第1期2010年1月南京工业大学学报(自然科学版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基于动态蠕变试验的沥青混合料黏弹性分析侯曙光1, 2(1. 长安大学公路学院, 陕西西安710075; 2. 南京工业大学土木工程学院, 江苏南京210009收稿日期:2009-04-09基金项目:中交寒区道路工程重点实验室开放基金资助项目; 南

2、京工业大学学科基金资助项目; 山东交通科技计划基金资助项目(2007Y02 作者简介:侯曙光(1977 , 男, 甘肃定西人, 副教授, 博士后, 主要研究方向为路面新材料及技术, E 2mail:houshuguangsina . com.摘要:基于沥青混合料Burgers 模型的黏弹性理论, 通过动态蠕变试验进行AC -20, 得到不同温度及应力下的混合料变形特征曲线及Burgers 模型4. , 永久变形随之增大, , E 1、E 2增大, 1、2减小; 在同一应力水平下, , E E 22. 因此应力及温度对沥青混合料黏性及弹性影响程度不同, ; , 则弹性降低而黏性增加, 该结论与路

3、面关键词:; 黏弹性理论; Burgers 模型; 永久变形中图分类号:U416. 217文献标志码:A 文章编号: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沥青混合料是一种黏弹性材料1, 其力学性能与温度和荷载作用时间密切相关2. 沥青混合料在高温条件下或长时间承受荷载作用下, 会产生显著的变形, 其中不能恢复的部分称为永久变形, 将会降低路面使用性能, 危及行车安全, 从而缩短沥青路面的使用寿

9、命, 高速公路的车辙是沥青路面最有危害的破坏形式之一. 沥青混合料所固有的黏弹性特征是影响沥青路面高温特性的主要因素, 因此为了更好地认识与解决沥青路面永久变形问题3, 必须从沥青混合料在温度和荷载条件下的黏弹性本构模型出发进行研究4-5. 本文基于沥青混合料动态蠕变试验3, 分析沥青混合料高温变形特征并对典型的沥青混合料Burgers 模型参数进行了计算.1沥青混合料黏弹性理论研究者认为, Burgers 模型1. Kel vin 模型串联组成的1所示1.图1Burgers 模型4元件F i g . 1Burgers m odel s four com ponen ts沥青混合料在蠕变试验中

10、, 其总蠕变应变由3部分组成:瞬时弹性应变1=/1(1 纯黏性应变2=(/1 t(2 黏弹性变形32(1-e -2t 2(1-e -k (3 总的蠕变为上述3部分变形之和, 即(t 1+1t +2(1-e -k (4 式中:为应力; 1、2为弹性模量; 1、2为黏度; t为时间; k=22为延迟时间, 表示黏弹性体中黏性体和弹性体的强度比例.2混合料动态蠕变试验本文采用AC -20沥青混合料进行动态蠕变试验, 混合料所用沥青为70#A 基质沥青6-7, 集料为石灰岩, 混合料级配如表1所示1表1AC -20沥青混合料级配Table 1Grada ti on of AC -20a spha lt

11、 m i xture粒径/mm筛孔通过率/%粒径/mm筛孔通过率/%43085040, 试100mm, 蠕变应力分别为014、017加载方式采用011s 加载和019s 间歇的半正弦动态荷载, 试验在UT M -25万能机上进行, 图2为动态蠕变试验装置, 试验曲线如图3、图4所示. 由图3、图4可见:沥青混合料在荷载重复作用下, 会出现3阶段变形规律, 即迅速压密的迁移期、变形线性增大的稳定期和变形迅速发展的破坏期1在同一温度下, 应力水平增大, 在相同的荷载作用次数下永久变形会随之增大, 稳定期永久应变发展速率增大且破坏期会提前到来; 同样, 在同一应力水平下, 在相同的荷载作用次数时永久

12、变形会随温度升高而增大, 也会出现破坏期提前到来的现象1这一方面说明, 温度和应力对沥青混合料高温抗变形的性能有很大的影响, 应当通过改善胶结料性能和级配等途径来提高沥青路面在高温和重载下的抗变形性能; 另一方面也说明, 温度、应力和时间之间均会存在等效关系, 即高温(高应力 短时间与低温(低应力 长时间在产生永久变形上, 效果是相同的13蠕变曲线分析及黏弹性参数计算通过动态蠕变试验, 得到的沥青混合料蠕变试验特征曲线, 如图5所示. 同一种沥青混合料, 因试验温度、应力等的不同, 蠕变试验曲线有所不同, 但基本形状相似.图5中1、2、3为测试结果, 利用这3部分应变, 结合试验应力, 即可计

13、算出Burgers 模型中的1、1、1和2.基于沥青混合料AC -20在不同应力条件下进行40和60蠕变试验所得结果, 应用上述曲线分析方法, 得到沥青混合料AC -20的Burgers 模型4个参数, 计算结果见表2.43南京工业大学学报(自然科学版 第32卷 图2动态蠕变试验装置F i g . 2I n st a ll a ti on of dynam i c creep test图340下沥青混合料蠕变曲线F i g . 3Spha lt m i xture creep curves a t 40 图460下沥青混合料蠕变曲线F i g . 4Spha lt m i xture curv

14、es a t 60图5蠕变试验变形曲线F i g . 5Creep test defor ma ti on curves表2动态蠕变试验黏弹性计算结果Table 2V iscoel a sti c param eter ca lcul a teld results from dynam i c creep test试验温度/MPaMax well 元件Voigt 元件E 1/MPa1/(kPa s E 2/MPa2/(kPa s 400142110012601930128由表2可知:沥青混合料Burgers 模型4个参数随温度及应力变化而变化, 每个参数的变化幅度各异. 在相同温度下, 随着应

15、力增加, E 1、E 2增大, 1、1减小; 在相同应力水平下, 随着温度升高, E 1、E 2减小, 1、1增大(除少数离散点外 . 说明应力及温度变化对沥青混合料弹性部分及黏性部分影响不同, 随着应力增加, 弹性增强而黏性降低; 随着温度升高, 则弹性降低而黏性增加, 该结论与路面实际使用状况完全一致.4结论沥青混合料在荷载重复作用下, 会出现3阶段变形规律, 即迅速压密的迁移期、变形线性增大的稳定期和变形迅速发展的破坏期. 在同一温度下, 应力水平增大, 在相同的荷载作用次数下永久变形会随之增大, 稳定期永久应变发展速率增大且破坏期会提前到来; 同样, 在同一应力水平下, 在相同的荷载作

16、用次数时永久变形也会随温度升高而增大, 也会53第1期侯曙光:基于动态蠕变试验的沥青混合料黏弹性分析出现破坏期提前到来的现象.沥青混合料Burgers 模型4个参数随温度及应力变化而变化, 每个参数的变化幅度各异. 随着应力增加, 沥青混合料弹性增强而黏性降低, 随温度升高, 则弹性降低而黏性增加, 该结论与路面实际使用状况完全一致. 参考文献:1沈金安. 沥青与沥青混合料路用性能M.北京:人民交通出版社, 2001.2黄晓明, 张久鹏, 刘伟民. 用黏弹性理论预测沥青混合料的劈裂疲劳寿命J .华南理工大学学报:自然科学版, 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谭积青, 张肖宁. 三层式沥青面层车辙组成及发展的调查与分析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张久鹏, 黄晓明, 王晓磊. 基于黏弹塑性理论的沥青路面车辙分析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页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

23、a M , et al . Glycer ol hydr ogenol 2ysis on carbon 2supported Pt Ru and AuRu bi m etallic catalysts J .J Catal, 2007, 251(2 :281-294.10Maris E P, Davis R J. Hydr ogenolysis of glycer ol over carbon 2sup 2ported Ru and Pt catalysts J .J Catal, 2007, 249(2 :328-337.11M iyaza wa T, Kos o S, Kuni m ori K, et al . Devel opment of a Ru /Ccatalyst f or glycer ol hydr ogenolysis in combinati on with an i on 2ex 2change resinJ .App l Catal A Gen, 2007, 318(2 :244-2