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基于粘彈性參數(shù)的瀝青砂紫外光老化研究
采用Burgers模型研究瀝青砂的粘彈性力學(xué)行為，研究粘彈性參數(shù)在瀝青砂紫外光老化中的變化，分析其變化規(guī)律，評(píng)價(jià)瀝青砂紫外光老化。確定紫外光老化的試驗(yàn)方法和瀝青砂試件制作方法，對(duì)紫外光老化的瀝青砂試件進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)得到應(yīng)變和時(shí)間的蠕變曲線，擬合了Burgers模型的四參數(shù)。對(duì)粘彈性參數(shù)隨老化程度的變化規(guī)律進(jìn)行研究，根據(jù)粘彈性參數(shù)隨老化程度的變化研究瀝青砂性能的變化規(guī)律。對(duì)不同老化程度和相應(yīng)的Burgers模型四參數(shù)進(jìn)行擬合得到粘彈性參數(shù)和老化程度h之間的表達(dá)式J（h），用該關(guān)系式表示瀝青砂的老化程度。
瀝青路面老化的研究中最早引起關(guān)注的是瀝青結(jié)合料本身，對(duì)瀝青砂和瀝青混合料的抗老化性能研究較少，至今仍沒(méi)有評(píng)價(jià)其老化性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[1，2]，應(yīng)提出合理的老化試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)。針對(duì)瀝青砂進(jìn)行研究，考慮瀝青砂的流變特性，從其粘彈性角度，研究瀝青砂的老化性能。瀝青混合料和瀝青砂具有相似的壓縮變形和蠕變變形曲線，本文進(jìn)行的基于粘彈性參數(shù)的瀝青砂老化程度研究可以為瀝青混合料紫外光老化程度的研究提供依據(jù)。
1. 瀝青混合料紫外光老化試驗(yàn)
1.1 老化試件制作。
試驗(yàn)采用瀝青砂AS-16作為研究對(duì)象，其中瀝青采用SBS改性瀝青，集料為從拌合廠提取的機(jī)制砂經(jīng)過(guò)篩分后得到粒徑小于2.36mm的砂粒。瀝青砂AS-16的級(jí)配按照規(guī)范中規(guī)定AC-16相應(yīng)的細(xì)集料（粒徑2.36mm）的相同比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，AC-16級(jí)配如表1，AS-16的級(jí)配如表2。因?yàn)闉r青砂缺少粗集料作為骨架支撐，空隙率小，其性能不同于瀝青混合料，不適宜采用馬歇爾試驗(yàn)來(lái)確定最佳瀝青用量。采用逆推法[3]確定瀝青砂的最佳瀝青用量，計(jì)算結(jié)果如表3。瀝青砂試件制備參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052-2000）中T0704的方法對(duì)試件進(jìn)行制作，制作試件直徑為50mm，高50mm。
1.2 紫外光老化試驗(yàn)。
?。?/span>1）試驗(yàn)中的紫外光老化試驗(yàn)箱采用1000w的紫外高壓汞燈，輻射強(qiáng)度達(dá)到距離燈管約60cm處平均強(qiáng)度為200 W/m2。瀝青砂試件實(shí)際老化周期為一年的需要試驗(yàn)時(shí)間為將近583小時(shí)，即瀝青砂試件試驗(yàn)中在老化箱老化1小時(shí)相當(dāng)于實(shí)際光照老化14.8小時(shí)。
?。?/span>2）紫外光老化試驗(yàn)箱具有鼓風(fēng)制冷設(shè)備， 并且設(shè)置有溫度感應(yīng)器， 可以顯示老化箱內(nèi)的溫度， 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程為了確保瀝青混合料試件是在紫外光照射下老化而不是因?yàn)闊崂匣?所以控制實(shí)驗(yàn)溫度在 30°C 左右。
?。?/span>3）試驗(yàn)研究的是不同紫外光照時(shí)間下瀝青砂的粘彈性參數(shù)，試驗(yàn)中試件老化時(shí)間選取為2個(gè)月，4個(gè)月，6個(gè)月，8個(gè)月和12個(gè)月，根據(jù)已知的換算原則可以將以上選取的實(shí)際紫外光老化時(shí)間換算成實(shí)驗(yàn)室老化時(shí)間分別為97小時(shí)，194小時(shí)，292小時(shí)，388小時(shí)，583小時(shí)。將瀝青砂試件按照要求的溫度和時(shí)間分別進(jìn)行紫外光老化，每組3個(gè)試件。
2. 瀝青砂單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)
實(shí)驗(yàn)在CMT5105微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行紫外光老化瀝青砂的單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)帶有環(huán)境溫度箱，試驗(yàn)溫度要求保持恒溫20℃，并且保持1小時(shí)以上。加載初期位移速度控制在10mm/min，軸向應(yīng)力達(dá)到0.1MPa后，保持荷載1200s。將進(jìn)行了不同紫外光照時(shí)間的試件進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。
?。?/span>1）未老化的瀝青砂的應(yīng)變值較大，隨著老化時(shí)間的增加，瀝青砂的變形越來(lái)越小，因?yàn)槔匣瘯r(shí)間越長(zhǎng)瀝青砂的勁度模量越大，應(yīng)變值就越小。
?。?/span>2）老化 4 個(gè)月之前， 應(yīng)變值隨著老化時(shí)間的增加明顯變小， 但在紫外光老化照射4 個(gè)月之后， 隨著老化時(shí)間的增加， 應(yīng)變值的變化幅度減小。表明紫外光老化對(duì)瀝青砂的影響在其接受紫外光照的初期比較明顯， 達(dá)到某個(gè)老化程度后，影響越來(lái)越小， 趨于穩(wěn)定。
3. 紫外光老化瀝青砂的粘彈性參數(shù)研究
Burgers模型是目前應(yīng)用的最為廣泛的粘彈性力學(xué)模型，能較好的反映瀝青砂漿的粘彈特性[4]，能夠描述蠕變的第一階段和第二階段[5]，Burgers模型比廣義Maxwell模型更能準(zhǔn)確表達(dá)瀝青混合料的本構(gòu)關(guān)系[6]，能反映瞬時(shí)彈性應(yīng)變、粘彈性應(yīng)變和粘性流動(dòng)應(yīng)變，將粘性流動(dòng)應(yīng)變描述為加載時(shí)間的線性函數(shù)[7]，因此本文選用Burgers模型描述瀝青砂粘彈性能。
3.1 瀝青砂粘彈性參數(shù)擬合結(jié)果及分析。
在對(duì)Burgers模型的參數(shù)進(jìn)行擬合的過(guò)程中，參數(shù)初始值E0和η0的選取是重要的一步。因?yàn)槌跏贾档倪x取如果與參數(shù)的實(shí)際值偏離太多，會(huì)造成迭代不收斂，或者造成迭代次數(shù)過(guò)多致使計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)[8，9]。為了使獲得的參數(shù)值與實(shí)際相符，參數(shù)初始值的選取就非常重要。本文采用一種計(jì)算的方法求得Burgers模型參數(shù)初始值，該方法分以下幾步：
3.1.3 采用Matlab對(duì)多項(xiàng)式方程聯(lián)立求解，就可以唯一的確定其他三個(gè)參數(shù)E2，η1、η2的值，把求得的四個(gè)參數(shù)值作為所需輸入的參數(shù)初始值。
可以用粘彈性參數(shù)和紫外光照時(shí)間相結(jié)合，用于評(píng)價(jià)瀝青砂在不同老化時(shí)間下的紫外光老化程度來(lái)表明。
4. 結(jié)論
?。?/span>1）本文通過(guò)單軸壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)得到蠕變曲線，據(jù)此對(duì)Burgers模型本構(gòu)方程中的參數(shù)進(jìn)行擬合，從而確定了表述不同老化時(shí)間的瀝青砂粘彈性參數(shù)，分析了粘彈性參數(shù)隨老化程度的變化規(guī)律為隨著老化時(shí)間的增加， 四個(gè)參數(shù)都在增加， 應(yīng)變相應(yīng)減小。因?yàn)?E1 ， E2 和 η2 和永久變形無(wú)關(guān)， η1影響瀝青砂的永久變形，結(jié)果顯示η1 隨老化時(shí)間增加。
（2）對(duì)Burgers模型四參數(shù)和老化時(shí)間進(jìn)行擬合，把擬合結(jié)果代人蠕變公式，得到蠕變?nèi)崃亢屠匣瘯r(shí)間的關(guān)系式J（h）。
（3）瀝青混合料和瀝青砂具有相似的壓縮變形和蠕變變形曲線，對(duì)瀝青砂材料的基于蠕變?cè)囼?yàn)和Burgers模型參數(shù)得到和紫外光老化簡(jiǎn)單關(guān)系，可以用來(lái)作為研究瀝青混合料紫外光老化的依據(jù)。
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