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1、精品论文推荐沥青混凝土粘弹塑性试验方法及系统设计1廖敬梅，陆阳 西南交通大学土木工程学院，成都 （610031） E-mail：JML摘要：沥青混凝土的粘弹塑性可清晰地再现于试件的重复加卸载试验中，但由于沥青混凝 土对荷载作用时间十分敏感，需高度重视测试方法其粘弹塑性模型参数确定的影响。为此， 在满足加卸载对时间控制要求的同时，作者针对卸载时间难以量测的问题，引入了数据间断 采集子系统。成果分析表明，文中所述试验系统及方法是可行的，为沥青混凝土粘弹塑性模 型的应用提供了支持。关键词：沥青混凝土，粘弹塑性，循环加卸载试验重复荷载作用下，沥青混凝土宏观表现为受温度、荷载作用时间及历史影响的弹粘塑性
2、， 在低温瞬时荷载作用下以线弹性为主，但随着温度的升高及荷载作用时间的增长，它将显示 出越来越明显的粘弹塑性，直至达到以塑性流动为主要特征的破坏临界状态。因此试验确定 其弹粘塑性模型力学参数时，必须严格控制试验温度及加载时间。通过循环加载实验，文献1指出，沥青混凝土由外载引起的变形可分解为弹性、塑性、粘弹性及粘塑性等四个组 成部分。基于此，文献更进一步提出反映沥青混凝土力学行为的广义粘弹塑性模型， 文献将该模型应用于沥青路面的结构分析，同时指出沥青混凝土弹粘塑性模型的实际 应用取决于有关参数的正确选取。作为探索，本文在对文献的试验系统进行了较大改 进的基础上，研究了沥青混凝土的粘弹塑性参数的试
3、验确定方法。1. 试验系统的设计1.1 试件准备沥青混凝土的变形与荷载作用时间之间的关系，需由试验确定。为此，采用人工破碎花 岗岩作粗集料，天然砂为细集料，按表1级配制作沥青混凝土试件。试件中，矿粉为研磨细 的石灰石，其用量与细集料用量的重量比为 1:6；沥青针入度为，用量为 6.5%。试件制作 同马歇尔方法，所得试件的物理力学指标见表。然后将三个试件用沥青胶结成高约19mm、直径11mm 的圆柱体试件，由于试验仅量测试件中部1mm 的变形，试件的总高 度未加以严格控制。但是，鉴于沥青混凝土试件的压实密度对试验影响较大，因此在试验开 始之前，需对试件施加频率为1Hz 的动压（正弦波），其强度为
4、 0.38Mpa，预压时间 5min，预压时控制温度为 20C。表 1 沥青混凝土矿料级配（注：采用标准 BS594）筛孔尺寸（方孔，mm）2819149.52.360.60.2120.075矿料质量通过率10095.171.549.945.344.917.10.9表 2 沥青混凝土物理性质沥青含量重度m马歇尔稳定度流值mm空隙率VMA6.5232010.212.733.324.91本课题得到国家教育部博士点基金项目 (20040613018)的资助。- 3 -1.2 加载系统沥青混凝土粘弹塑性模型的建立与试验方法紧密相关，试验系统的设计因而起着至关重 要的作用。显然，准确地测定沥青混凝土的弹
5、、粘、塑性变形，必须选用适当的加载系统及 测量系统。文献指出，与加载时间长短无关的弹性应变的测定，只能在卸载的瞬间完 成，否则，粘性应变分量可能被附加进量测的弹性应变，导致偏小的弹性模量以及其它粘弹 塑性参数的改变。所以，沥青混凝土粘弹塑性模型有关参数的确定，首先要求加载系统能够 迅速的加卸载，为此，试验采用了 Dartec 加载系统，其加、卸载均由计算机控制。试验在三轴仪上进行，但使用三轴仪是保证压力室内试验温度的稳定，而不是施加围压。 试验温度为C，由流经压力室的循环水来加以控制，其精度为0.1C。试验中试件所受外载分别为 0.14、0. 34、0. 52、0. 70 及 0. 89MPa
6、，加载蠕变及卸载恢复时间均为秒。1.3 量测系统试验数据的可靠性受到量测系统精度的制约，对粘弹塑性材料，要求量测系统能对被测 材料的变形作出迅速的响应。试验量测系统包括组合应变计和记录软件。组合应变计上并排 焊接有四个电阻应变计，其中两个处于受压（SGC）、另外两个处于受拉（SGT），以此形 成一平衡电桥（图1）。当组合应变计产生变形时，其输入电流随之改变，以保持电桥平衡。 经千分表率定后，即可确定输入电流的大小与组合应变计变形之间的关系。试验中，为保证 试件均匀受压，采用四个组合应变计成均布在圆柱形沥青混凝土试件周围。同时，为避免试验过程中的端部效应，仅量测试件中部1mm 范围内的轴向变形。
7、试验记录包括连续和间断两个子系统。间断记录用于记录卸载瞬间试件的恢复变形，采 用荷兰贝克电器公司生产的 TeamPro 软件与组合应变计相偶合。该系统的数据采集频率达1Hz，且可进行记录数据的统计及可视化处理。但该系统的有效记录时间仅秒钟，之后系统必须重新充电以进行下一次记录。所以，与间断记录平行，试验中同时采用了由美国实验 室技术公司生产的 LabTech 软件系统进行连续记录，它可根据需要设定记录频率，其最大数 据采集频率为1Hz，但鉴于已采用间断记录子系统，为减少后处理工作量，试验中仅选取 2Hz。 量测系统联结示意图见图1。SGCSGT间断记录 系统 ( 连接 TeamPro 软件)混
8、合料试件计算机硬件SGTSGC连续记录 系统 ( 连接 LabTech 软件)图 1 量测系统示意图2. 试验成果分析2.1 粘弹塑性模型粘弹塑性模型的建立，必需与试验方法及精度相适应。一般认为，沥青混凝土材料在外载作用下，其变形响应包含了弹性、塑性、粘弹性及粘塑性四个组成部分，各分量可以在加、卸载的瞬间及加载蠕变和卸载恢复期间分别加以确定1、。但试验发现，加载系 统从零达到恒定荷载所需时间随应力水平大小而变化，应力水平越高，所需加载时间也越长。 于是，不同试验应力水平下测得的塑性分量不具备可比性。所以，文献将塑性应变作 为粘塑性应变的一个分量来考虑，其加载状态下的总应变t 可记为（图）： t
9、 = e + ve + vp(1)图 2 一加卸载循环下各应变分量关系示意图式中，e、ve、vp 分别为弹性、粘弹性及粘塑性应变。加载蠕变期间，粘弹性应变ve 可分解为应力函数 A()与时间函数 t的乘积；卸载恢复期间，粘弹性应变ve,recovery 还与 每一加卸载循环的历时长短 TL 有关。两者分别按公式（）、（）计算： ve= A( ) t (2) ve,re cov ery= A( ) t (t TL ) (3)其中为试验待定参数。注意图中，ve,recovery 为卸载期间尚未恢复的粘弹性应变，而ve 为已恢复粘弹性应变，按叠加原理由后面的（）计算。因粘塑性为不可恢复的永久变形，
10、故粘塑性应变vp 为各加载循环过程中不可恢复应变的总和，可由式（）计算：L vp= B( ) T ( N 1)b + B( ) t N b ( N 1)b 式中，B()为应力函数；、b 为试验待定参数；N 为加载次数。2.2 试验成果整理由（1）可见，粘弹塑性模型的建立是基于对弹性、粘弹性及粘塑性应变的正确划分。 文献6认为，沥青混凝土试件在加载过程中，时间与变形之间的关系曲线可以近似地分为 两个阶段，即初始加载线性变化阶段与粘滞性非线性变化阶段，而线性变化阶段所测得的变形即为弹性变形。但在本试验中，时间与变形之间并无明显的直线关系段（图a），因而只能由卸载瞬间恢复变形来确定弹性变形分量。由于
11、弹性变形与时间无关且可恢复，故在卸 载时间非常短的前提下，可忽略粘弹性变形的恢复量，而将测量所记录的恢复变形视为弹性 变形。这里问题的关键是正确确定卸载时间。试验表明，变形时间关系曲线不存在明显的 关系突变点，所以不能直接由该曲线获得弹性分量。但是荷载时间关系曲线则不同，当荷 载卸至设定值附近时，其荷载大小与时间之间存在着较为明显的转折点（图b），该点所 对应的时间即可视为卸载时间。根据已定卸载时间，即可在变形时间关系曲线（例如图a）上找出对应的弹性变形。鉴于弹性变形与加载次数无关，试验采用同级、多次卸载所 得恢复变形的平均值作为本级荷载的弹性变形，然后在不同级应力水平下卸载，由此统计出 试件
12、在 20C 时的弹性模量 E=4490MPa。(a)(b)图 3 TeamPro 卸载记录(扫描区间：-50 至 150 毫秒)（a）变形-时间关系曲线;（b）卸载-时间关系曲线粘弹性变形为随时间变化的可恢复变形，故有关参数的确定可由卸载期间的恢复变形与 时间的关系加以确定。由于粘弹性恢复变形为业已进行的加载次数的函数，粘弹性模型参数 的确定是一个十分复杂的分析过程。然而试验发现，粘弹性恢复应变并不随加卸载循环次数 多少而改变（图 4）。事实上，当参数的值较小且加卸载循环次数不大于 20 时，加载次 数对粘弹性恢复应变的影响可以忽略不计（见 4.2），于是可以对任一卸载期间的变形时间 进行数据
13、处理，以确定有关参数。按照粘弹性模型叠加原理，卸载期间的粘弹性恢复应变由 下式计算： ve = A( ) (t,TL )（5）L (t, TL) = T t + (t T )（6）L0.12恢复变形 / mm0.100.080.060.040.020.00卸载次数N=5N=10N=15N=200204060时间 /sec图 4 粘弹性恢复变形随时间变化关系（MPa）依照文献2提出的回归方法，得到试件粘弹性模型在 20C 时的待测参数为：A() =38.8210-5 1.02; = 0.47。虽然 A（）与近似成线性比例（图 5），但考虑到高温下这种关系可能不成立，故仍保留其指数形式。0.00040.0003A()y = 3.88E-4x1.02E+0R2 = 9.53E-10.00020.000100.00.20.40.60.81.0 MPa图 5 粘弹性应力函数应力关系根据测定的蠕变、弹性应变及计算的粘弹性应变，由公式（1）可计算得粘塑性变形， 再根据文献所建议的方法，先由第一加载循环蠕变测定值确定粘塑性应力函数 B()= 1.14 10-3 1。89 及待定参数，然后采用回归分析方法确定参数 b=0.39，图 6、7。10.1塑性变形 / mm0.010.14Mpa0.34Mpa0.52Mpa0.70Mpa0.89Mpa0.001110100时间 /sec
