瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為的表征研究

吳峰，李鋼

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 信陽 464000）

0 引言

瀝青混合料的組成主要有細(xì)集料、 礦粉和瀝青等，所以其結(jié)構(gòu)具有較強的隨機性和多相性。 如果從荷載作用角度對其進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)其力學(xué)行為是比較復(fù)雜的。 因此，需要對瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為特點進(jìn)行深入分析，進(jìn)而改善其性能。

1 瀝青混合料黏彈性力學(xué)內(nèi)容

在我國建筑行業(yè)快速發(fā)展的背景下， 瀝青混合料得到了有效應(yīng)用。 其中一種典型的多相黏彈性復(fù)合材料，已被廣泛應(yīng)用于路面建設(shè)，但受客觀因素和本身因素的影響， 瀝青道路會出現(xiàn)一些難以防治的病害，如裂縫等。 相關(guān)研究證實[1]，通過對瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為和性能的研究， 能夠在明確瀝青混合料作用機理的基礎(chǔ)上， 達(dá)到對瀝青路面有效維修的目的，如圖1 所示。

圖1 瀝青混合料的穩(wěn)定度對比

黏彈性力學(xué)模型屬于當(dāng)前瀝青混合材料中的主要內(nèi)容，相關(guān)學(xué)者在以往的實驗和理論知識上，建立能夠考慮溫度效應(yīng)的黏彈性力學(xué)模型， 通過對此模型的分析， 了解瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為表征。 此材料會隨著溫度升高，黏性不斷增強，其彈性也會減弱。 在此基礎(chǔ)上，還要利用現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)，計算黏彈性的參數(shù)。在不同的溫度下，建立Burgers 模型，然后從黏彈性材料的基本特性出發(fā)，了解耗散能對損傷變量的影響。

2 瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為的表征研究內(nèi)容

2.1 建立Burgers 模型

由于瀝青混合料黏彈性力學(xué)內(nèi)容比較復(fù)雜，為了對其行為表征進(jìn)行深入研究， 需要建立Burgers模型。 相關(guān)學(xué)者在此模型的基礎(chǔ)上，對老化瀝青混合料黏彈性的疲勞損傷程度進(jìn)行分析，通過直接拉伸試驗，對瀝青混合料黏彈性參數(shù)進(jìn)行計算，然后求出其損傷函數(shù)。 此外，我們還可以結(jié)合疲勞損傷模型推導(dǎo)出瀝青混合料的臨界損傷度和壽命計算公式，進(jìn)而對瀝青混合材料的黏彈性進(jìn)行進(jìn)一步驗證。

與靜態(tài)黏彈性力學(xué)比較，瀝青混合料的動態(tài)黏彈性力學(xué)行為更能貼合路面的實際受力狀態(tài)， 所以其已經(jīng)受到了研究者的關(guān)注。 在此背景下，研究人員也發(fā)展了多種動態(tài)黏彈性能的模型，但是這些模型一般是經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，影響了瀝青混合料應(yīng)用的有效性。 因此，需要從材料的分?jǐn)?shù)階微分黏彈性理論內(nèi)容出發(fā)， 將分?jǐn)?shù)階微分Burgers 模型有效地應(yīng)用到動態(tài)黏彈性能表征中。 在此基礎(chǔ)上，相關(guān)的學(xué)者還要建立分?jǐn)?shù)階微分Zener 模型，然后采用此模型對瀝青混合料的實際黏彈性力學(xué)行為表征進(jìn)行研究，完善模型參數(shù)，保證瀝青混合料應(yīng)用的有效性[2]。

在對瀝青混合料動態(tài)黏彈性進(jìn)行分析時，一般都是以動態(tài)模量和相位角對其進(jìn)行描述，還可通過復(fù)模量試驗測得相關(guān)參數(shù)。 在此過程中，依據(jù)時間和溫度等效原理，將瀝青混合料在不同溫度及不同荷載頻率下的黏彈性能進(jìn)行分析。

2.2 復(fù)模量試驗

在此實驗中， 研究人員需在瀝青路面的表面層、 聯(lián)結(jié)層以及基層分別選取一種黏彈性力學(xué)行為，然后結(jié)合所加荷載的類型，將其分為靜態(tài)黏彈性力學(xué)行為和動態(tài)黏彈性力學(xué)行為。在對靜態(tài)黏彈性力學(xué)行為進(jìn)行分析時，主要是用蠕變?nèi)崃亢退沙谀Ａ繉ζ溥M(jìn)行描述。同時， 還可以通過蠕變和松弛試驗對其參數(shù)進(jìn)行檢測，然后從動態(tài)黏彈性力學(xué)理論角度對動態(tài)的模量和相位進(jìn)行分析。 但是，由于在復(fù)模量試驗中，會受到蠕變和松弛試驗耗時的影響，所以在具體的實驗中難以獲得更準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)。

這就需要從Boltzmann 的疊加原理出發(fā)，對其進(jìn)行深入分析，可以應(yīng)用松弛模量，計算瀝青混合料黏彈性力學(xué)的實際響應(yīng)。 此外，要想得到更加準(zhǔn)確的松弛模量和蠕變?nèi)崃浚?還要從瀝青混合料的靜、動態(tài)黏彈性力學(xué)性能和理論出發(fā)，通過對復(fù)模量試驗結(jié)果的分析，將其轉(zhuǎn)換成為松弛模量，從而進(jìn)一步提高瀝青混合料的應(yīng)用質(zhì)量。

3 瀝青混合料靜動態(tài)黏彈性力學(xué)性能的轉(zhuǎn)化方法

3.1 理論基礎(chǔ)

瀝青混合料的應(yīng)用與受力狀態(tài)和溫度等多種因素有關(guān)，并且其本身還具有明顯的各向異性和不連續(xù)性。由于瀝青混合料在受載情況下經(jīng)常會表現(xiàn)出比較明顯的非線性黏彈性，所以過去在對其力學(xué)進(jìn)行分析時，一般局限于線黏彈性，這會導(dǎo)致其優(yōu)良的力學(xué)性能得不到充分發(fā)揮。 因此，相關(guān)學(xué)者從黏彈性理論出發(fā)，整合研究的重點內(nèi)容，為日后瀝青混合料應(yīng)用的安全性和有效性提供基礎(chǔ)[3]，各項性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 混合料路用性能指標(biāo)

從理論角度對瀝青混合料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其在車載作用下的應(yīng)變能力是比較小的， 并且其力學(xué)影響能夠滿足線黏彈性理論。 在此基礎(chǔ)上，還要分析靜、 動態(tài)黏彈性力學(xué)性能的特點，完善相互轉(zhuǎn)換步驟的方案，促進(jìn)動態(tài)黏彈性力學(xué)性能向靜態(tài)黏彈性力學(xué)性能轉(zhuǎn)換，結(jié)合瀝青混合料的特點，對復(fù)模量試驗中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，然后在此基礎(chǔ)上沿著對數(shù)頻率坐標(biāo)軸，對其進(jìn)行適當(dāng)平移，最后構(gòu)成黏彈性能的主曲線。在此過程中，還要利用此模型，對黏彈性能的主曲線進(jìn)行科學(xué)模擬，進(jìn)而得到更加準(zhǔn)確的模型參數(shù)，保證各黏彈性能主曲線的完善性。

3.2 配置法

在對瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為表征進(jìn)行分析時， 要以瀝青混合料儲能模量主曲線為核心，然后通過對配置方式的合理應(yīng)用， 確定松弛模量和Prony 級數(shù)表達(dá)式中的相關(guān)參數(shù)，并且還要對儲能模量和損耗模量主曲線的特點進(jìn)行分析，結(jié)合配置法，確定模型蠕變?nèi)崃恐械母鲄?shù)。 為了加強對配置法有效應(yīng)用，優(yōu)化上述計算方法的步驟，需要從瀝青混合料黏彈性力學(xué)出發(fā)，對配置法進(jìn)行深入研究[4]。

此方式是一種通過預(yù)選配置點，對求解方程組進(jìn)行計算的方法， 在配置點上， 計算其試驗值。配置法求解松弛模量的步驟和求解蠕變?nèi)崃康牟襟E相似，一般分為以下幾部分內(nèi)容。

（1）首先研究人員需要利用模型對復(fù)模量試驗中的結(jié)果進(jìn)行科學(xué)模擬， 主要是為了得到更加準(zhǔn)確的儲能模量主曲線，然后再由儲能模量的主曲線對其中的平衡模量進(jìn)行計算。

（2）設(shè)定求解的松弛模量Prony 級數(shù)，保證配置點的科學(xué)性，結(jié)合儲能模量中的主曲線，將n 個配置點和主曲線有效結(jié)合，然后通過對求解方程的分析，得到相關(guān)參數(shù)。 因此，在設(shè)定配置點時，要提前分析預(yù)設(shè)配置點與松弛時間之間的關(guān)系，最后應(yīng)用方程組對其進(jìn)行求解， 進(jìn)而得到更加準(zhǔn)確的參數(shù)。

4 瀝青混合料的黏彈性應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，人們雖然已發(fā)展了大量能夠描述瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為的模型，但是這些模型本身存在一定的局限性，其只能在一定程度上表征瀝青混合料的靜態(tài)或是動態(tài)黏彈性能，并不能在原有基礎(chǔ)上同時描述瀝青混合料的靜、動態(tài)黏彈性能。因此，需要尋找一個可以對黏彈性力學(xué)行為完整描述的模型，從而加強對瀝青混合料性能的研究力度。

由于瀝青混合料在車載作用下所出現(xiàn)的應(yīng)變比較小， 要想對瀝青混合料力學(xué)行為進(jìn)行分析，需要從線黏彈性理論出發(fā)， 深入研究瀝青混合料的性能。 同時，研究人員還要從此材料的力學(xué)行為著手，不斷改善瀝青混合料的黏彈性能。此外，加強對瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為表征的研究，還能夠減少路面病害的發(fā)生。 但是，目前對黏彈性理論的路用性能研究內(nèi)容較少，還有待完善[5]。

5 結(jié)語

瀝青混合料在道路工程中的應(yīng)用受到不同溫度和應(yīng)力水平等多種因素的影響。結(jié)合單軸壓縮的蠕變試驗，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，計算模型參數(shù)，然后在此基礎(chǔ)上預(yù)測瀝青混合料在不同溫度和應(yīng)力水平下的蠕變曲線，強化瀝青混合料黏彈性力學(xué)行為的表征，改善瀝青混合料的性能。