Aging Behavior and Creep Characteristics of CACB

沥青老化对水泥沥青复合胶结料蠕变特性的影响研究

李云良, 刘钰泽, 徐垒, 何鑫, 孙海蛟

(哈尔滨工业大学交通科学与工程学院, 哈尔滨, 150090)

摘 要：水泥沥青复合胶结料是由水泥、沥青及多种外加剂胶结固化形成的复合胶结材料,沥青的老化会对水泥沥青复合胶结料的蠕变特性产生影响。通过水泥沥青复合胶结料不同老化程度下的蠕变试验得到其蠕变柔量,结合分数导数修正博格斯模型的蠕变柔量进行了试验结果的曲线拟合,分析了沥青老化及材料配比等因素对水泥沥青复合胶结料蠕变特性的影响。研究表明,随着沥青老化时间的增加,复合胶结料抵抗瞬时弹性变形及粘性流动变形的能力增强,弹性成分增加而粘性成分减少,材料的变形能力变差,呈现出弹性材料的变形特性。在老化初期（老化时间小于12h）,沥青老化对复合胶结料的黏弹性力学性能影响较大,而在老化后期（老化时间大于12h）,沥青老化对复合胶结料的黏弹性力学性能影响较小。在老化初期,提高沥青用量可以增强复合胶结料的蠕变变形能力;在老化后期,沥青含量对复合胶结料的蠕变变形能力影响较小。

关键词：水泥沥青复合胶结料;老化;蠕变;黏弹性。

创新点说明：

（1）建立了考虑老化的水泥沥青复合胶结料黏弹性本构模型;

（2）基于本构模型参数建立了水泥沥青复合胶结料的老化表征方法与指标。

     

冻融对CACB材料粘弹性力学行为的影响

为了研究冻融循环作用下水泥沥青复合胶结料的粘弹性力学行为,本文进行了CACB材料的冻融及蠕变试验。建立了四元件五参数的粘弹性力学模型,通过对蠕变试验结果的拟合分析,建立了CACB材料的本构方程。基于本构方程参数随冻融次数的变化,分析了冻融对CACB材料粘弹性力学行为的影响规律。研究表明:冻融作用降低了CACB材料抵抗瞬时弹性变形及剪切流动变形的能力,CACB材料的弹性性能受冻融作用的影响更为显著。粘弹性本构方程材料参数的变化可以反映CACB材料宏观力学性能的冻融损伤过程。冻融循环作用没有改变CACB材料的粘弹性属性,随着沥青含量的增加及温度的提高,CACB材料趋向于粘性材料的性质,抵抗载荷的能力降低、变形能力增强。     

SEAM改性沥青流变特性

采用动态剪切流变试验测试了沥青胶浆在原始状态、旋转薄膜老化状态及压力老化状态下的复数模量、相位角、车辙因子、疲劳因子。采用弯曲梁流变试验测试了沥青胶浆的蠕变劲度及蠕变劲度变化率。结果表明,长期老化后,改性剂质量分数为10%的SEAM改性沥青车辙因子显著增强,且疲劳因子满足SHRP沥青胶结料规范。随着改性剂含量的增加,沥青蠕变劲度增加,蠕变劲度变化率降低。综合分析上述各项流变指标可知,SEAM改性剂对沥青流变特性影响显著,适当含量(质量分数为10%)的SEAM改性剂可以有效改善沥青流变效果,而高含量(质量分数为20%以上)的SEAM改性剂会使沥青流变效果降低。     

水泥乳化沥青复合材料粘弹性能及微观作用机理研究进展

水泥乳化沥青复合材料兼具水泥和乳化沥青胶结料的优良性能,作为一种复合胶结材料可使水泥乳化沥青混凝土成为道路铺面材料选择之一.从水泥乳化沥青复合材料的粘弹性能和微观作用机理两方面概括了水泥乳化沥青复合材料的研究进展,综述了采用不同仪器方法和不同水泥乳化沥青沥青质量比(C/A)的水泥乳化沥青复合材料的粘弹性能研究情况以及水泥乳化沥青复合材料粘弹性能的模拟表征方法,并概述了水泥乳化沥青复合材料的微观结构和两者相互作用的研究进展.最后,总结了当前水泥乳化沥青复合材料及其混凝土研究中存在的不足,并提出了相应的改善措施和未来研究方向.     

旧SBS类沥青路面胶结料性状分析及老化等级评定

基于实际工程选取10种SBS改性沥青路面铣刨料,抽提回收得到旧沥青胶结料,通过环球软化点、布氏黏度、延度、针入度、动态剪切流变和简支梁弯曲蠕变等试验,对旧沥青胶结料进行了性状分析与老化分级.结果表明:沥青路面的使用年限是影响沥青老化的主要因素,铣刨料结构层沥青类型及性质影响旧料的老化试验结果;相对于软化点、延度、蠕变劲度,135℃黏度、疲劳设计温度、25℃针入度可更好地区分各类旧沥青路面胶结料的老化程度;采用135℃黏度、25℃针入度2个指标将旧沥青路面胶结料划分为6个等级,相对于现行规范采用单一针入度指标分级更为合理.     

光稳定改性沥青材料热老化行为特征研究

为了明确高温老化对光稳定改性沥青材料的作用效应,优选受阻胺光稳定剂制备改性沥青,设置热老化温度及时间对光稳定改性沥青进行热老化处置,借助三大指标试验及布氏黏度试验系统研究热老化作用对光稳定改性沥青胶结料路用性能的影响规律,采用原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)表征不同热老化条件下光稳定改性沥青表面粗糙度变化,通过3D形貌重建深入分析热老化作用对于沥青微观形貌的影响,明确热老化作用对于光稳定改性沥青的影响。结果表明:T770改性剂能够缓解热老化作用对于沥青胶结料的影响;在热老化时间大于6 h后,基质沥青中均有蜂状结构出现,随着老化时间的增加,基质沥青表面形成的特殊结构逐渐变小; T770改性沥青在老化时间6 h和9 h时均出现了蜂状结构;根据粗糙度的数据对比,改性沥青的表面起伏程度要比基质沥青更大。这表明在热老化作用下T770改性沥青的表面粗糙度变化程度要略高于基质沥青胶结料,即光稳定改性沥青材料对于热老化具有更高的敏感性。     

GMA浇筑式沥青混合料的制备及性能

以特立尼达湖沥青（TLA）和A-70# 基质沥青配制了复合沥青,并将其与集料拌和得到浇筑式沥青混合料（GMA）,重点研究了沥青胶结料和拌和时间对GMA混合料性能的影响。结果表明:随着沥青胶结料中TLA质量分数的增加,沥青胶结料的热温度敏感性降低,混合料性的流动性变差、硬度变大,TLA最佳的质量分数为70%;混合料拌和时间的延长,沥青胶结料的老化程度增大,混合料的高温性能、流动性变好,但冲击韧性（抗疲劳性）降低,最佳的拌和时间为1.5~3.5 h。     

橡胶沥青水老化试验研究

沥青路面的长期使用过程中,水是影响沥青老化的主要因素之一。为研究水老化作用方式及水量对橡胶沥青老化性能的影响,本文以橡胶沥青和TOR橡胶沥青两种材料为例,通过改变水作用阶段和用水量试验研究不同水老化方式对橡胶沥青老化后软化点、粘度、疲劳因子、蠕变劲度、蠕变速率的影响。试验结果表明：选择在压力老化前三分之一时间（400min）进行加水压力老化试验,后三分之二时间进行无水压力老化试验的水老化作用方式最具可行性;对比无水压力老化试验和加水压力老化试验可知,水的存在促进了橡胶沥青的热氧老化;随水量的增加,TOR橡胶沥青的高温稳定性能降低,抗疲劳开裂能力和低温性能降低,沥青老化加剧。     

橡胶沥青水老化试验研究

为研究水老化作用方式及水量对橡胶沥青老化性能的影响,以橡胶沥青和TOR橡胶沥青2种材料为例,通过改变水作用阶段和用水量试验研究不同水老化方式对橡胶沥青老化后软化点、黏度、疲劳因子、蠕变劲度、蠕变速率的影响。试验结果表明:选择在压力老化前三分之一时间(400 min)进行加水压力老化试验,后三分之二时间进行无水压力老化试验的水老化作用方式最具可行性;对比无水压力老化试验和加水压力老化试验可知,水的存在促进了橡胶沥青的热氧老化;随水量的增加,TOR橡胶沥青的高温稳定性能降低,抗疲劳开裂能力和低温性能降低,沥青老化加剧。     

SBR-水性环氧-脱色乳化沥青复合胶结料性能研究

为提升脱色乳化沥青的柔韧性和黏附性,探究SBR-水性环氧-脱色乳化沥青复合胶结料的最佳配比,在室内制备了不同配比的SBR-水性环氧-脱色乳化沥青复合胶结料,并采用拉拔试验、拉伸试验、低温韧性试验、荧光显微镜试验等方法,对复合胶结料的黏附性、强度、低温抗裂性等进行了测试。研究结果表明：水性环氧树脂掺量为50%、SBR掺量为4%时,复合胶结料的强度和柔韧性显著提升;水性环氧树脂的掺量为50%、SBR的掺量小于5%范围内,SBR-水性环氧-脱色乳化沥青复合胶结料具有稳定的交联结构体系且稳定性最好;水性环氧树脂掺量不超过40%,其低温抗裂性最好;推荐水性环氧树脂掺量为50%、SBR掺量为4%时为SBR-水性环氧-脱色乳化沥青复合胶结料最佳配比。     

沥青砂动态剪切蠕变特性

为了解沥青砂的复杂力学行为,给沥青混合料细观力学研究提供数据支持,将几种沥青混合料的配合比转变为沥青砂的配比,采用自主研发的沥青砂成型装置及流变仪夹具获取沥青砂的动态剪切蠕变曲线,基于Burgers模型对蠕变曲线进行拟合,获取动态剪切荷载下沥青砂的黏弹性参数,分析黏弹性参数及松弛模量的变化规律。试验结果显示,Burgers模型对沥青砂动态剪切蠕变曲线具有较好的拟合效果。相同加载时间内,相比于AC-20级配沥青混合料,SMA-16级配沥青混合料蠕变变形量更大。橡胶沥青砂的抗剪切蠕变性能最优。沥青砂蠕变变形影响规律与混合料车辙变形一般影响规律相符。试验温度、沥青用量、沥青种类和级配类型均对沥青砂的黏弹性参数和松弛模量影响显著。     

表征沥青及沥青混合料性能的流变学模型

本文结合由高、低温蠕变实验所得到的沥青混合料的变形特性,在分析现有流变学模型性能的基础上,提出了一种能较准确地表征沥青混合料变形特性的流变学模型,推导了其蠕变方程,并通过蠕变实验结果确定了材料的模型参数,为采用流变学理论和粘弹性理论研究沥青混合料及沥青路面奠定了基础。     

软岩非定常蠕变参数辨识

岩石的流变特性是年岩石重要的力学特性之一,它控制着岩石的蠕变参数.某矿区岩石具有显著流变性,因此,矿区岩石蠕变规律研究成为一项重要的基础工作.为此,对矿区软弱复杂矿岩蠕变特性进行了试验研究.采用多级循环单轴压缩进行试验,在对试验数据深入分析时,考虑了加载历史对岩石试件变形的影响,真实地反映了岩石试件本身的流变力学行为.选取Burgers模型来反映岩石的蠕变特性,建立了一维情况下非定常粘弹性模型的蠕变方程,结果表明非定常粘弹性模型比定常粘弹性模型更为准确地反映了岩石的粘弹性变形性能.     

沥青路面结构足尺力学响应实测与仿真

为探究沥青路面在荷载作用下力学响应,通过基于辽宁省沥青路面足尺加速加载试验,开展路面结构力学仿真方法及力学响应特征研究.采用光纤光栅传感器实测足尺加速加载路面的面层底部、基层底部和路基顶面的力学响应,利用单轴压缩动态模量试验获取沥青混合料的粘弹性参数,通过FWD弯沉盆反算得到基层及土基的弹性模量,利用接触痕迹得到轮胎的接触面分布;通过单轴压缩动态模量试验及四点弯曲动态模量试验对传感器进行了标定.在此基础上,采用有限元软件ABAQUS建立基于实测参数的路面结构力学仿真模型,分析路面结构在不同加载位置和速度下的力学响应,并与实测结果进行对比.结果表明:所建立的路面力学仿真模型能较合理地模拟沥青层底三向应变、半刚性材料层底纵向、横向应变以及土基顶面的压应力.沥青混合料粘弹特性导致弹性后效,使力学响应曲线表现出非对称特点.随着温度的增加和加载速度的减小,沥青层底三向应变、半刚性基层底的水平应变以及土基顶面压应力的响应幅值增加.     

沥青胶结料疲劳性能评价的研究进展

沥青胶结料的疲劳特性对沥青混合料的疲劳寿命起着重要作用,沥青混合料的疲劳特性直接影响路面耐久性和长期使用性能,评价沥青胶结料的疲劳寿命是研究路面疲劳破坏的基础问题。文章概述了沥青疲劳评价方法的进展,对比了疲劳寿命Ⅳ劢、能量比ER、累计耗散能变化率DER、疲劳因子G~*·sinδ、耗散能变化率DR、简化能量耗散变化率RDR等指标对沥青胶结料疲劳性能评价的可靠性,阐述了其优缺点;结合实际路面荷载作用与破坏模式对沥青胶结料的疲劳问题进行综合分析,阐明了基于动态剪切流变仪(DSR)的时间扫描试验方法、加载方式以及沥青触变性、自愈性等因素对沥青胶结料疲劳性能的影响,阐述了6种沥青胶结料疲劳性能评价指标在实际中的应用情况,展望了沥青胶结料疲劳研究的方向。     

废石尾砂胶结充填试验研究

对废石尾砂胶结充填进行系统试验研究.研究废石尾砂胶结充填集料特性规律,废石尾砂胶结充填体强度与充填材料配比之间关系规律,废石尾砂胶结充填体强度影响性因素试验等,为废石尾砂胶结充填体评价提供一种新试验方法.结果表明:废石尾砂胶结充填体不存在影响胶结体强度的化学反应危害;废石尾砂胶结充填体强度由水泥含量和废石含量决定,水泥及废石含量增加均能有效提高废石尾砂胶结充填体强度;废石尾砂胶结充填能有效减少水泥用量,节约充填成本,同时试验结果也为试验矿山充填配比设计提供参考依据.     

应力吸收层沥青混合料的力学性能评价

为评价应力吸收层沥青混合料的力学性能,在室内试验测定沥青材料技术性能的基础上,基于马歇尔设计法,针对齐鲁70#沥青、稳定型橡胶改性沥青及应力吸收沥青设计了三种砂粒式应力吸收层沥青混合料。通过基本性能试验系统测定应力吸收层沥青混合料的动态模量,并建立动态模量和相位角的主曲线,主要探索了以齐鲁70#、稳定型橡胶改性沥青及应力吸收沥青作为胶结料的应力吸收层沥青混合料的力学特性。结果表明,稳定型橡胶改性沥青和应力吸收沥青作为胶结料用于应力吸收层均有良好的力学性能。     

泡沫温拌再生沥青高低温性能研究

为研究回收沥青掺量对泡沫温拌沥青高低温性能的影响,分别对掺加0%、20%、40%、60%、80%回收沥青的泡沫温拌沥青进行软化点、DSR和BBR试验。试验表明:随着回收沥青掺量的增加,泡沫温拌再生沥青的软化点、车辙因子和破坏温度值逐渐升高;当回收沥青的掺量达到60%及以上时,泡沫温拌再生沥青胶结料的高温性能明显改善;胶结料试样的低温抗裂性能随着回收沥青掺量比例的增加而逐渐降低,当回收沥青的掺量大于40%时,泡沫温拌再生沥青的蠕变劲度S和蠕变速率m值不能满足规范要求,低温抗裂性能较差;建议回收沥青的掺量小于60%。     

热流变复杂行为对沥青温度应力计算的影响

为了完善现有沥青胶结料温度应力计算方法,利用弯曲梁流变试验（BBR）得到沥青材料的蠕变柔量,代入线性粘弹性的Burgers模型的应变-应力关系式得到不同温度下的流变参数,再利用Burgers模型的本构状态方程的解析解,计算沥青层下温度应力的数值解（增量法）,并将计算结果与传统Hopkins & Hamming算法的结果进行对比。结果表明:总体来看两种方法大致吻合,但在较低的温度下（-30 ℃左右）,Hopkins & Hamming算法的结果较增量法偏小,低估了热可逆老化的影响;低温养护对沥青的硬化效果与沥青的流变性质相关,流变性质越复杂的沥青,受到低温养护的硬化效果越明显;当处于低温或者长期加载时,热流变复杂沥青的主曲线会偏离时间温度叠加原理。     

基于灰色关联度的矿料对沥青混合料力学性能的影响分析

为分析矿料含量对沥青混合料力学性能的影响,利用旋转压实方法制备了4种级配沥青混合料,并通过劈裂试验、压缩试验以及蠕变试验研究了4种级配沥青混合料的低温抗开裂能力、常温抗拉/压破坏能力以及蠕变性能。随后,利用卷积积分和Laplace变换推导了4种沥青混合料的松弛模量随加载时间的变化趋势,并结合Burgers模型和二阶广义Maxwell模型对蠕变和松弛特性进行了拟合分析。最后,根据灰色关联度算法计算了矿料含量与沥青混合料力学性能的关联度,分析了矿料含量对混合料力学性能的影响。结果表明:沥青混合料的低温抗开裂、常温抗拉/压性能主要与0.15～0.3 mm和1.18～2.36 mm两档矿料的含量具有较高的相关度;而常温抗蠕变能力主要受0.6～1.18 mm和2.36～4.75 mm两档矿料的影响;温度升高后,抗蠕变能力受矿料含量变化的影响程度增加;松弛强度受细集料含量影响较大,而松弛时间主要受较大粒径矿料含量的影响。