复合多聚磷酸改性沥青混合料高温蠕变特性与本构关系研究_李超.pdf

收稿日期：2022-11-22基金项目：内蒙古自治区自然科学基金（2020LH01004）；博士基金（BS2020042）；高校科技英才（NJYT22079）作者简介：李超，男，副教授，博士，主要研究方向为道路工程材料。通讯作者：王岚，女，教授，博士，主要研究方向为道路工程材料。引文格式：李超，李金成，赵延庆，等.复合多聚磷酸改性沥青混合料高温蠕变特性与本构关系研究 J.市政技术，2023，41（3）：1-6，157.（LIC，LI J C，ZHAO Y Q，et al.Study on high temperature creep properties and constitutive structure relation of composite polyphosphatemodified asphalt mixes J.Journal of municipal technology，2023，41（3）：1-6，157.）文章编号：1009-7767（2023）03-0001-07第41卷第3期2023年3月Vol.41，No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.001Journal of Municipal Technology复合多聚磷酸改性沥青混合料高温蠕变特性与本构关系研究李超1，李金成1，赵延庆2，王岚1*（1.内蒙古工业大学 内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室，内蒙古自治区 呼和浩特 010051；2.大连理工大学 交通运输学院，辽宁 大连 116000）摘要：为了研究复合多聚磷酸（PPA）改性沥青混合料的高温蠕变特性，采用三轴重复蠕变恢复试验，根据竖向永久变形、应变速率和流动指数指标，对比分析了不同条件下 SBS 改性沥青混合料与 PPA+SBS 复合改性沥青混合料高温蠕变特性；综合运用黏弹塑性力学和损伤力学理论，建立了重复荷载作用下沥青混合料竖向永久变形的蠕变损伤力学模型。研究结果表明：在不同温度和应力水平下，PPA+SBS 复合改性沥青混合料竖向永久变形和应变速率均小于 SBS 改性沥青混合料，但其流动指数却远大于 SBS 改性沥青混合料；将 Burgers 模型中串联的黏壶替换为黏塑性元件所形成的损伤本构模型，可以全面反映沥青混合料三阶段的竖向永久变形特性。关键词：复合多聚磷酸改性沥青混合料；三轴重复蠕变恢复试验；竖向永久变形特性；蠕变损伤力学模型中图分类号：U 414文献标志码：AStudy on High Temperature Creep Properties and Constitutive StructureRelation of Composite Polyphosphate Modified Asphalt MixesLi Chao1，Li Jincheng1，Zhao Yanqing2，Wang Lan1*（1.Key Laboratory of Civil Engineering Structure and Mechanics，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China；2.School of Transportation，Dalian University of Technology，Dalian 116000，China）Abstract：In order to study the high temperature creep properties of composite polyphosphoric acid（PPA）modifiedasphalt mixtures，the high temperature creep properties of SBS and PPA+SBS modified asphalt mixtures were com-pared by triaxial repetitive creep recovery test under different conditions based on indicators of vertical permanentdeformation，strain rate and flow index（FN）；By viscoelastic-plastic and damage mechanics theory，the creep damagemechanics model for the vertical permanent deformation of asphalt mixtures under repeated loading was established.The results show that both the vertical permanent deformation and strain rate of the PPA+SBS composite modifiedasphalt mixture are smaller than those of the SBS one at different temperatures and stress levels，while the flow indexis much larger than that of the SBS one；The damage constitutive model formed by replacing the viscoplastic elementwith the viscoplastic element of Burgers model can fully reflect vertical permanent deformation characteristics of theasphalt mixtures at three stages.Key words：composite polyphosphate modified asphalt mixes；triaxial repetitive creep recovery test；vertical perma-nent deformation characteristics；creep damage mechanical modelJournal of Municipal Technology第41卷目前，沥青混合料是我国高等级公路建设的主要路面材料，但沥青路面因高温问题而导致的道路病害也日益严重。已有研究发现，在沥青中掺加聚合物改性剂可改善基质沥青的路用性能。还有学者1-6通过研究验证了改性沥青混合料在高温条件下的性能；Mohammad等7建立了一种可以确定流动时间（FT）的数学模型，该模型可以很好地表征静态蠕变曲线的3个阶段，并能简单、高效、精确地计算出FT值；部分学者8-10通过单轴静载蠕变试验发现，沥青混合料的流变参数变化趋势与沥青相似，因此用沥青的流变性也可推导出沥青混合料的流变性；祁峰11、李谟忍等12通过不同条件下的重复蠕变试验与车辙试验研究了沥青混合料高温性能，并发现重复蠕变试验可以评价沥青混合料高温抗车辙性能；其他学者13-15对温拌前后不同目数的胶粉改性沥青混合料进行了三轴重复蠕变试验，并根据Burgers模型拟合出的黏弹参数进一步解释了胶粉改性沥青混合料高温性能的变化规律；吴传海16、张裕卿等17对沥青混合料永久变形的三轴重复荷载试验方法进行了研究，重点分析了温度和荷载对沥青混合料流变数的影响，最终确定出最佳试验温度和轴向应力。与三轴重复荷载试验相比，三轴重复蠕变恢复试验产生了可恢复的加载应变，更加贴切于路面结构中材料实际的工作状态；试验所得指标具有明确的物理意义，并能很好地表征沥青混合料高温特性；试验结果可以很好地拟合永久变形模型且与路面性能相关性较好18。鉴于此，笔者采用三轴重复蠕变恢复试验，根据竖向永久变形、应变速率和流动指数指标，研究不同条件下复合多聚磷酸（PPA）改性沥青混合料的高温蠕变特性，并建立蠕变损伤力学模型。1试验1.1原材料采用盘锦90号基质沥青，工业级质量分数为116%的多聚磷酸（H6P4O13）和星型为4303的热塑性丁苯橡胶SBS作改性剂；PPA+SBS复合改性沥青混合料中含有3.0%的SBS和1.0%的PPA，制备了掺量为4.0%的SBS改性沥青混合料与之形成对比（其中改性剂的掺量是占基质沥青的质量百分数）；粗集料和细集料均为花岗岩，填料为矿粉和消石灰（Ca（OH）2）。相关试验参照JTG E202011公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行，相关指标见表1、2。表1填料和集料性能指标Tab.1 Filler performance indexes试验项目吸水率/%表观密度/（g/cm3）毛体积密度/（g/cm3）2.5412.6582.6382.6922.6250.612.6702.6270.732.6742.6230.162.6622.650填料消石灰2.36 mm2.364.75 mm集料36 mm612 mm1220 mm2.548矿粉表3AC-13C设计级配Tab.3 AC-13C gradation design筛孔尺寸/mm26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075质量通过率/%10010010092.4081.5052.2032.4022.8016.9012.209.506.10试验项目针入度（25，100 g，5 s）/0.1 mm软化点/延度10（5）/cm45.072.034.0（12.4）49.063.564.0（25.1）测试值PPA+SBSSBS表2PPA+SBS复合改性沥青混合料与SBS改性沥青混合料性能指标Tab.2 Performance indexes of PPA+SBS compositemodified asphalt mixture and SBS modified asphalt1.2混合料制备混合料采用AC-13C连续级配，设计级配见表3。通过JTG F402017公路沥青路面施工技术规范确定PPA+SBS复合改性沥青混合料最佳油石比为5.0%，SBS改性沥青混合料最佳油石比为5.1%。采用旋转压实仪分别制备上述2种沥青混合料试件（圆柱形），试件尺寸均为直径高=150 mm100 mm。1.3试验方法采用UTM-100试验机，分别在不同温度（30、40、50、60）条件下对2种沥青混合料试件进行三轴重复蠕变恢复试验。试验中每个温度条件下的围压均2第3期保持在276 kPa，偏应力水平分别为0.9、1.1 MPa。加载方式为半正弦间歇荷载加载0.1s，卸载0.9s，预加荷载取偏应力的5%。试验终止条件为循环加载10 000次或变形达到5%。试验前需将试件保温6 h以上，且相同试验条件下的平行试验应不少于3个试件。2结果与分析2.1竖向永久变形分析对2种沥青混合料试件分别在4个温度（30、40、50、60）、2个偏应力水平（0.9、1.1 MPa）和围压为276 kPa的条件下进行三轴重复蠕变恢复试验，得到不同条件下的竖向永久变形曲线，见图1。由图1可知，2种沥青混合料试件竖向永久变形均随着温度的升高而增大，破坏期提前，原因是温度升高会促使沥青胶结料强度降低，从而润滑集料，降低混合料的结构强度，使其高温性能变差；当温度分别为30、40 时，2种沥青混合料平稳蠕变期持续时间更长、破坏蠕变期滞后或不出现，说明温度较低时，沥青混合料黏性流动性较差，竖向永久变形十分微小。c）1.1 MPa时PPA+SBS复合改性沥青混合料d）1.1 MPa时SBS改性沥青混合料图1不同条件下2种沥青混合料竖向永久变形曲线Fig.1 Vertical permanent deformations of two asphalt mixtures under different conditionsa）0.9 MPa时PPA