基于黏弹性原理的低标号沥青低温应力分析-包卫星.pdf

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1、第19卷第4期 建筑材料 学 报 V0119，No42016年8月 JOURNAL OF BUILDING MATERIALS Aug，2016文章编号：10079629(2016)04070204基于黏弹性原理的低标号沥青低温应力分析包卫星12， 李 鹏4， 中爱琴4， 郭寅川 4(1交通运输部公路科学研究所，北京100088；2清华大学土木工程系，北京100083；3新疆交通建设管理局，新疆乌鲁木齐830049； 4长安大学公路学院，陕西西安710064)摘要：通过小梁低温弯曲试验(BBR)得到了沥青的低温黏弹性特征参数，采用广义Maxwell模型构建了低标号沥青黏弹性本构模型，并应用此模

2、型计算了不同降温速率和温度下508沥青的低温应力，并与70 o，90 4沥青和SBS改性沥青进行了对比结果表明：在相同降温速率下，SBS改性沥青的温度应力最小，508沥青的温度应力最大，表明低标号沥青容易发生低温开裂；降温速率对沥青的温度应力有显著影响，降温速率越大，沥青的应力越大；在实际工程中使用低标号沥青必须考虑环境温度的影响，应通过低温应力的计算来确定路面结构的可行性关键词：黏弹性；低温应力；小梁低温弯曲试验；低标号沥青；松弛模量中图分类号：U416217 文献标志码：A doi：103969jissn1007-9629201604016Thermal Stress Analysis o

3、f Low Penetration Asphalt Binder Basedon Viscoelastic PrincipleBAO Weixin912“，LI Peng 4，SHEN Aiqin 4，GUO Yinchuan 4(1Research Institute of Highway，Ministry of Transport，Beijing 100088，China；2Department of Civil Engineering，Tsinghua University，Bering 100083，China；3Xinjiang Management Bureau of Traffi

4、c Construction，Urumqi 830049，China；4School of Highway，Changan University，Xian 710064，China)Abstract：The 10W temperature viscoelastic characteristics of asphalt binder were measured using bendingbeam rheometer(BBR)The general Maxwell model was adopted as the constitutive model to describe theviscoela

5、stic behaviorThermal stress of 50 8 asphalt binder under different temperature decrease rates wascalculated based on viscoelastic theoryOther three types of asphalt binders，70 8，90 8 and SBS modifiedasphalt binder，were also tested and analyzed for comparisonIt has been found that at the same tempera

6、ture decrease rate，SBS modified asphalt binder has the lowest thermal stress while 508 asphalt binder hasthe greatestAs temperature decrease rate increases，the thermal stress increases significantlyThe temperature effect must be considered in field application when using low penetration asphalt bind

7、er and thethermal stress should be taken into consideration for the pavement structureKey words：viscoelasticity；thermal stress；bending beam rheometer(BBR)；low penetration asphalt binder；relaxation modulus新疆地处欧亚大陆腹地，远离海洋，气候干旱，昼夜、年内温差大依据气候特征，新疆公路沥青路面设计指导手册将疆内划分为4个区域，即：水稳及冻稳区、低温抗裂区、高低温过渡区和高温抗车辙区在高温抗车辙区

8、，夏季炎热，日照时间长，导致车辙成为当地的主要路面病害之一低标号沥青针入度低，软化点高，相对于普通沥青具有更好的高温稳定性，并且较大的高温黏度可收稿日期：201504一10；修订日期：20150731基金项目：新疆交通运输厅科技项目(201408)第一作者：包卫星(1979一)，男，新疆乌鲁木齐人，交通运输部公路科学研究所高级工程师，博士Email：baowx163com万方数据第4期 包卫星，等：基于黏弹性原理的低标号沥青低温应力分析 703提高其与石料的黏附性能，因此，使用这种沥青能有效提高沥青混合料的抗车辙能力和水稳定性1-5由于不需使用任何添加剂、改性剂，低标号沥青混合料的成本远低于改

9、性沥青混合料，使之在新疆高温地区具有广阔的应用前景但是，目前对低标号沥青的系统性研究尚未见报道另外，低标号沥青的低温抗裂性较弱，使用不当可能导致沥青路面低温开裂，并引发水损害，因此必须对低标号沥青路面的温度应力分布及低温开裂机理展开研究经典低温开裂理论认为，当材料由低温收缩引起的应力大于其强度时将发生断裂沥青作为一种黏弹性材料，其温度应力大小受温度及降温速率影青的适用环境，必须基于其温度应力的计算和分析本文通过小梁低温弯曲试验(BBR)得到沥青的低温黏弹性特征参数，采用广义Maxwell模型构建低标号沥青黏弹性本构模型，进而计算不同温度和降温速率下沥青的温度应力，为其路面结构的温度应力分析及开

10、裂温度的判断奠定理论基础1 试验材料低标号沥青为50。沥青，并选用708，908沥青和SBS改性沥青(其中的沥青为908沥青)作为对比沥青，各沥青的主要技术指标见表1由表1可见，4种沥青的技术指标均符合JTG F40-2004公响判断低标号沥青路面的开裂温度，推荐低标号沥 路沥青路面施工技术规范要求裹1沥青主要技术指标Table 1 Lab measured technical data for four types of asphalt bMdersamAfter RTFO Penetration ratio(25)(163，5 h)Ductility(10，5 cmmm一1)cmDucti

11、lity(55 emmm一1)era07005971640070076642低温蠕变特性测试采用小梁弯曲试验测试沥青的低温蠕变特性通过测试小梁在恒定荷载下挠度随时间的变化量来计算其应力、应变，进而得到沥青蠕变柔量(creepcompliance)随时间的变化量试验过程及计算依照AASHTO T3 1 3Determining the Flexural CreepStiffness of Asphalt Binder Using the BendingBeam Rheometer(BBR)进行沥青样品均经过短期(RTFO)和长期(PAV)老化50 8，70 8和90 8沥青的试验温度为一6，一1

12、2，一18，SBS改性沥青的试验温度为一12，一18，一24需要指出的是：劲度模量只是表征、比较材料抵御变形能力的参数，不能直接当作材料的本构模型参数，也不能用于计算黏弹性材料的应力或应变，而且，在实验室无法准确加载瞬时应变，松弛模量无法直接测试，必须通过蠕变柔量进行转换图1为一18时4种沥青劲度模量随加载时间的变化曲线由图1可见，4种沥青均呈黏弹特性，在加载时间20 S时，沥青的劲度模量随加载时间的延长显著降低，之后劲度模量的降低趋势减缓在4种沥青中，SBS改性沥青的劲度模量最低，508沥青的劲度模量最高在相同温缩应变下，劲度模量越低，沥青的温度应力越小，其抗低温开裂能力也越强图1 4种沥青

13、劲度模量随加载时间的变化曲线Fig1 Stiffness modulus at different loading time offour types of asphalt binders(一18)万方数据704 建筑材料学报 第19卷3低温收缩应力分析在一维状态下，线性黏弹性材料的应力可由式(1)63计算础)一jt0扪掌L1Ld (1)J式中：t为加载时间；盯()为t时的应力；拿(T)为温度丁下的等效加载时间；，(T)为温度T下的局部等效加载时间；E“丁卜f(丁，为车(T)一(T)时的松弛模量；为t时的应变在特定温度下，线性黏弹性材料蠕变柔量和松弛模量的关系邙3为： 1一f。D，。TdE(r

14、)dr(2)1一I D，。了_一 (2)式中：r为局部时间；D一为一r时的蠕变柔量；E(r)为r时的松弛模量然而，在大多数情况下，式(2)无法得到解析解对于沥青材料，当加载时间较短时，其蠕变柔量随时间的变化关系7为：D()一D。t” (3)式中：D()为t时的蠕变柔量；D。，行为大于0的常数将式(3)代人式(2)，通过卷积分可得蠕变柔量和松弛模量的转换关系83为： E()D()=业(4)咒7c本文以50 8沥青为例，对其蠕变柔量和松弛模量进行了转换，结果如图2所示，其中D，。，E，。分别表示测试温度为18时的蠕变柔量和松弛模量，余此类推j。 l ： 。 。 。s坩z。E引： ：i； i102

15、I 器苣篁墼D=0007 8t。269 810k弘邕兰霎三兰孑,d I一图2 50 8沥青蠕变柔量和松弛模量的转换Fig2 Conversion between creep compliance and relaxationmodulus of 50 8 asphalt binder首先将3个温度下508沥青蠕变柔量和加载时间的关系用指数函数(相关系数均大于0990 0)表示，之后将指数72代人温度时间转换方程(式(5)计算相应的松弛模量为了计算508沥青在较长等效时间作用下的温度应力，以一18为基准温度，通过温度一时间等效法则将数据平移，得到松弛模量主曲线(见图3)，并用式(5)进行回归参照

16、文献8，采用广义Maxwell模型(式(6)对试验数据进行拟合，拟合参数见表2，测试数据与拟合曲线见图4搴一10a0+a1T+42f t (5)式中：e为等效加载时间；n。，a，口。为回归常数、N+一IE(O=：Eie-以t (6)=f式中：E。，Ai为回归常数；E(O为拿时的松弛模量L。二。J102 103 104 10Times图3 50沥青的松弛模量主曲线Fig3 Master curve of relaxation modulusof 50 8 asphalt binder裹2 508沥青的拟合参数Table 2 Fitted COefficients of general Maxwe

17、ll modelfor 50。asphalt binderE5800593790271811176047621041228103112510256591016443图4测试数据与拟合曲线Fig4 Comparison between measured data and fitted data图5为不同降温速率下50 8沥青的温度应力由图5可见，当降温速率提高时，沥青的温度应力显著增加万方数据第4期 包卫星，等：基于黏弹性原理的低标号沥青低温应力分析 705Temperature*C图5不同降温速率下508沥青的温度应力Fig5 Thermal stress of 508 asphalt bin

18、der atdifferent temperature decrease rates在降温速率01min下4种沥青的温度应力如图6所示由图6可见，50 8沥青的温度应力最高，SBS改性沥青的温度应力最小这表明：50 8沥青的低温性能较SBS改性沥青差TemperatureR：图6在01min降温速率下4种沥青的温度应力Fig6 Thermal stress of four types of asphalt binders(temperature decrease rate 01rain)4 结论(1)在相同降温速率下，SBS改性沥青的温度应力最小，508沥青的温度应力最大在实际工程中，使用低标

19、号沥青必须考虑环境温度的影响，应通过温度应力的计算来确定路面结构的可行性(2)降温速率对沥青的温度应力有显著影响，降温速率越大，沥青的温度应力也越大(3)本文提出的温度应力计算方法可应用于沥青及其混合料的温度应力计算这可为低标号沥青在新疆地区的工程应用起指导作用参考文献：1王玉顺硬质沥青用于沥青混凝土的性能研究刀公路交通科技，2005，22(5)：6567WANG YushunApphcation of tow penetration asphalt binderfor asphalt concreteJJournal of Highway and Transportation Researc

20、h and Development，2005，22(5)：65-67(in Chi-nese)2朱浩然，杨军硬质沥青抗车辙性能的比较分析J中外公路，2006，26(6)：214216ZHU Haoran，YANG JunRutting resistance analysis of lowpenetration asphalt binderJJournal of China and ForeignHighway，2006，26(6)：214216(in Chinese)3黄拓，钱国平，李辉忠30 4硬质沥青及其混合料低温性能试验研究J中外公路，2008，28(6)：224226HUANG Tuo

21、，QIAN Guoping，LI HuizhongLow temperature performance of 30。low penetration asphalt binder andconcreteJJournal of China and Foreign Highway，2008，28(6)：224226(in Chinese)4 曹江AH一50硬质沥青路面材料性能研究D西安：长安大学，2006CAO JiangPavement performance study of AH一50 low penetration asphalt binder and concreteDXian：Chan

22、gan University，2006(in Chinese)5罗立硬质沥青及其混合料路用性能的试验研究D长沙：长沙理工大学，2009LUO LiLaboratory study of low penetration asphalt binder andconcreteDChangsha：Changsha University of Science&Technology，2009(in Chinese)6CHRISTENSEN R MTheory of viscoelasticityM2nd edNew York：Academic，1982：3-147ARA IncGuide for mech

23、anistic-empirical design of new andrehabilitated pavement structures-Appendix HH：Field ealibration of the thermal cracking modelRWashington DC：Transportation Research Board，20008 HUANG Y HPavement analysis and designMUpper Saddle River：Pearson Education Inc，2004：655-670_E：山叫五，s们2石一g1Q上卜砖山茎ssuJl焉uJJ3c卜万方数据