馬華寶 李浩天

(河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心1) 石家莊 050091)

端部效應(yīng)對(duì)瀝青混合料粘彈力學(xué)特性測(cè)試結(jié)果的影響

馬華寶1,2)李浩天1,2)

(河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心1)石家莊 050091)

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院2)石家莊 050091)

端部效應(yīng)會(huì)影響瀝青混合料粘彈力學(xué)特性測(cè)試的結(jié)果.開展了聚四氟乙烯膜、橡膠膜涂硅油、雙層PP膜夾滑石粉層共3種端部效應(yīng)消減措施下動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)和重復(fù)剪切流動(dòng)試驗(yàn)，分析不同消減措施對(duì)動(dòng)態(tài)模量和流動(dòng)剪切速率數(shù)據(jù)影響；使用0.25，0.5，1.5 mm共3種厚度聚四氟乙烯膜進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量測(cè)試，分析聚四氟乙烯膜厚度對(duì)動(dòng)態(tài)模量的影響.結(jié)論顯示，消減措施的施加會(huì)在總體上減小動(dòng)態(tài)模量測(cè)試值，且頻率越小，減幅越高；聚四氟乙烯膜厚度越大，動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果變異系數(shù)越小.采用端部效應(yīng)消減措施，會(huì)使試件剪切流動(dòng)速率變大.

瀝青混合料；端部效應(yīng)；動(dòng)態(tài)模量；剪切流動(dòng)速率；變異系數(shù)

0 引 言

動(dòng)態(tài)模量和重復(fù)荷載剪切流動(dòng)在所有瀝青混合料粘彈力學(xué)特性測(cè)試試驗(yàn)中受關(guān)注度最高[1].2種試驗(yàn)均采取單軸壓縮的荷載施加方式，在這種加載方式下，荷載盤與測(cè)試試件接觸處的端部摩擦?xí)?duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響[2-4]，因此，研究端部效應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)模量和重復(fù)荷載剪切流動(dòng)測(cè)試結(jié)果的影響具有十分重要的價(jià)值.

目前關(guān)于瀝青混合料單軸壓縮類試驗(yàn)中端部效應(yīng)影響的文獻(xiàn)較少，端部效應(yīng)影響未能引起足夠的重視.Ramon[5]在NHRCPReport629中給出了端部效應(yīng)的存在會(huì)造成重復(fù)荷載剪切流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果偏高的結(jié)論，但并未對(duì)偏高的程度予以量化，僅僅建議做該試驗(yàn)時(shí)需消除端部效應(yīng)影響，這也是很多標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法所采取的觀點(diǎn)[6-7].常見的消除端部效應(yīng)的方法有聚四氟乙烯膜和橡膠膜涂潤(rùn)滑劑2種.Adam等[8]對(duì)比分析了上述2種方法的優(yōu)劣，指出使用聚四氟乙烯膜的試件破壞特征不符合重復(fù)荷載剪切流動(dòng)試驗(yàn)原理(試件等體積剪切破壞)，同時(shí)通過比較測(cè)試結(jié)果的離散情況，提出了橡膠膜涂潤(rùn)滑劑的推薦最佳用量.而對(duì)于不同種類方法消減程度的深入對(duì)比研究則很少.在目前采用聚四氟乙烯膜的方法中，一般采用的聚四氟乙烯膜的厚度多為0.25 mm，鮮有不同厚度優(yōu)劣選擇的研究.

鑒于此，文中開展了聚四氟乙烯膜特氟龍、橡膠膜涂硅油、雙層PP膜夾滑石粉層共3種方法的消減程度的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)和重復(fù)剪切流動(dòng)試驗(yàn)，以文獻(xiàn)[6]規(guī)定所使用的聚四氟乙烯膜的測(cè)試結(jié)果為對(duì)照，分析其他2種消減措施對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；開展了0.25，0.5，1.5 mm共3種厚度聚四氟乙烯膜對(duì)動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果影響的對(duì)比，分析了聚四氟乙烯膜厚度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，分析結(jié)果可為瀝青混合料粘彈性力學(xué)特性測(cè)試精度的提高提供參考.

1 試驗(yàn)情況

選取SBS瀝青AC13/SMA 、橡膠瀝青ARHM20、70號(hào)瀝青ATB25、70號(hào)瀝青AC25共5種河北省常用瀝青混合料類型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量和重復(fù)荷載剪切流動(dòng)試驗(yàn).所有混合料所使用集料、瀝青指標(biāo)均符合文獻(xiàn)[6]要求，具體測(cè)試結(jié)果參見文獻(xiàn)[9].

端部效應(yīng)消除方式分別采用聚四氟乙烯膜、雙層橡膠膜涂硅油、雙層PP膜夾滑石粉層.其中，聚四氟乙烯膜厚度選取了0.25，0.5，1.5 mm共3種；橡膠膜所涂硅油用量參考Adam研究成果選為0.15 g/cm2；雙層PP膜所使用滑石粉的用量以目測(cè)滑石粉均勻滿布PP膜面為原則，選定為0.1 g/cm2.

按照文獻(xiàn)[6]要求，成型、制備用于動(dòng)態(tài)模量測(cè)試的試件，平行試件不少于3個(gè)，測(cè)試值取平均值.在20 ℃條件下共進(jìn)行5個(gè)頻率(25，10，5，1，0.1 Hz)的動(dòng)態(tài)模量測(cè)試.考慮到動(dòng)態(tài)模量測(cè)試是在線彈性范圍內(nèi)，認(rèn)為一次試驗(yàn)未對(duì)試件形成損傷，因此依次使用不同消減端部效應(yīng)方式對(duì)同一試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量測(cè)試.

同時(shí)，按照文獻(xiàn)[6]要求，另成型、制備用于重復(fù)剪切流動(dòng)試驗(yàn)的試件，平行試件不少于3個(gè)，在55 ℃條件下進(jìn)行重復(fù)荷載剪切流動(dòng)測(cè)試.

2 結(jié)果與討論

每種級(jí)配制備動(dòng)態(tài)模量試件3個(gè)，重復(fù)剪切流動(dòng)試件3個(gè)，總計(jì)制備30個(gè)試件，對(duì)試件進(jìn)行體積指標(biāo)測(cè)試，將平行試件測(cè)試參數(shù)取平均并列于表1和表2中.對(duì)比分析不同消減方式、聚四氟乙烯膜厚度對(duì)動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果的影響，以及不同消減方式對(duì)重復(fù)荷載剪切流動(dòng)測(cè)試結(jié)果的影響.

表1 動(dòng)態(tài)模量試件體積指標(biāo) %

表2 重復(fù)剪切流動(dòng)試件體積指標(biāo) %

2.1 不同端部效應(yīng)消減方式對(duì)動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果的影響

將5種混合料在不同端部效應(yīng)消減方式下進(jìn)行不同頻率動(dòng)態(tài)模量測(cè)試的對(duì)比，同時(shí)將無消減措施下的動(dòng)態(tài)模量值作為參考組，繪制見圖1.限于篇幅，圖中僅給出10 Hz下動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果，AC25混合料未能測(cè)得橡膠膜涂硅油消減措施下的動(dòng)態(tài)模量.分析圖中的數(shù)據(jù)以及其他荷載頻率的模量值，與無任何措施相比，端部效應(yīng)消減措施的施加造成動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果有增有減，浮動(dòng)比例范圍在-20.2%～7.0%.總體上看，減少的情況居多，且頻率越低，減少的幅度越大.說明端部效應(yīng)的存在會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果偏小，這與文獻(xiàn)[5]的結(jié)論相符.動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)過程中必須施加端部效應(yīng)消減措施.

圖1 不同消減措施對(duì)動(dòng)態(tài)模量的影響

分析圖1中的數(shù)據(jù)以及其他荷載頻率的模量值，與規(guī)范中規(guī)定使用的聚四氟乙烯膜相比，采用PP膜夾滑石粉層和橡膠膜涂硅油措施下的動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果均出現(xiàn)增大的現(xiàn)象.且頻率越大，增加的幅度越大.因此，規(guī)范中推薦使用聚四氟乙烯的端部效應(yīng)消減方式所取得的動(dòng)態(tài)模量偏保守.

測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于橡膠膜涂硅油的方式，由于硅油的摩擦系數(shù)極小，若混合料本身的模量較高，當(dāng)施加高頻率的動(dòng)態(tài)壓縮荷載時(shí)，荷載盤會(huì)與試件產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，進(jìn)而造成試件偏心承載，影響測(cè)試結(jié)果，更有可能造成試件從荷載臺(tái)跌落而造成設(shè)備損傷.因此，不建議使用橡膠膜涂硅油的方式來消減端部效應(yīng).

對(duì)不同消減措施下動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果的變異性進(jìn)行分析，計(jì)算其變異系數(shù)，限于篇幅，這里僅給出10 Hz下的計(jì)算結(jié)果，見表3.端部效應(yīng)的施加，會(huì)降低試驗(yàn)結(jié)果的變異波動(dòng).由于硅油本身極小的摩擦系數(shù)，直接導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的變異性最小，但與PP膜夾滑石粉層相比，聚四氟乙烯的變異性略高.端部效應(yīng)的存在是造成單軸壓縮類試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)的肇因之一.

表3 不同消減措施下動(dòng)態(tài)模量變異系數(shù) %

2.2 聚四氟乙烯膜厚度對(duì)動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果的影響

考慮到聚四氟乙烯是諸多標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法所推薦的端部效應(yīng)消減方式，因此以其為主要對(duì)象，對(duì)比研究了其厚度對(duì)動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果的影響.3種厚度聚四氟乙烯(單層)下動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果見圖2.限于篇幅，圖中僅給出10 Hz下動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果.分析圖2中的數(shù)據(jù)以及其他荷載頻率的模量值，通過比較可以發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯膜的厚度對(duì)測(cè)試結(jié)果存在影響，但對(duì)于不同種類的混合料所體現(xiàn)出的規(guī)律不盡相同.不同厚度下的動(dòng)態(tài)模量的測(cè)試結(jié)果的差異會(huì)隨著荷載頻率的增加而出現(xiàn)增大.

圖2 聚四氟乙烯膜厚度對(duì)動(dòng)態(tài)模量的影響

計(jì)算不同厚度聚四氟乙烯膜消減措施下動(dòng)態(tài)模量的變異系數(shù)，見表4.限于篇幅，表中僅列出10 Hz下的計(jì)算結(jié)果，從中可以看出，在相同試驗(yàn)條件下，1.5 mm厚聚四氟乙烯膜測(cè)試組的測(cè)試結(jié)果變異性最小，即隨著聚四氟乙烯膜厚度的增加，試驗(yàn)結(jié)果將更趨均勻.從總體上看，不同聚四氟乙烯膜厚度下的測(cè)試結(jié)果變異系數(shù)均小于2.8%，測(cè)試結(jié)果的精度均可接受.

表4 不同厚度聚四氟乙烯措施下動(dòng)態(tài)模量變異系數(shù)

值得一提的是，聚四氟乙烯本身屬于高分子材料，其自身在荷載作用下會(huì)呈現(xiàn)流變特性，可能會(huì)對(duì)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果造成影響，厚度越厚影響的程度可能會(huì)越大.因此，規(guī)范中所規(guī)定的0.25 mm聚四氟乙烯作為端部效應(yīng)消減措施更加合理.

2.3 不同消減方式對(duì)重復(fù)剪切流動(dòng)測(cè)試結(jié)果的影響

重復(fù)剪切流動(dòng)試驗(yàn)最廣為人知的是流動(dòng)度指標(biāo).流動(dòng)度點(diǎn)對(duì)應(yīng)于塑性變形速率值最小點(diǎn)，通過對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行5點(diǎn)移動(dòng)平均的平滑化處理[10-13]，得到1條相對(duì)平滑的曲線后，找到塑性變形率最小值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，即流動(dòng)度點(diǎn).實(shí)測(cè)的類即塑性變形曲線為1條鋸齒狀波動(dòng)的曲線，按照極值函數(shù)理論，曲線自身存在眾多拐點(diǎn)，即最小值的點(diǎn)很多，這時(shí)便取第1次出現(xiàn)最低點(diǎn)的點(diǎn)位為流動(dòng)度點(diǎn)，很顯然，這樣的取點(diǎn)方法偏于保守.此外，流動(dòng)點(diǎn)位的確定過程中還存在另外一個(gè)棘手的困難——累積塑性變形率不出現(xiàn)快速流動(dòng)(塑性變形的第3階段)，尤其是在試驗(yàn)過程中施加圍壓的情況下，即使加大偏應(yīng)力，試件也幾乎很難出現(xiàn)塑性變形快速發(fā)展的現(xiàn)象，直至設(shè)備荷載作用次數(shù)達(dá)到終止條件20 000次，一直處于塑性變形發(fā)展的第2階段，根本無法找到流動(dòng)度點(diǎn).見圖3.

文中在開展試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，凡是在施加圍壓的情況下，無論何種級(jí)配類型的混合料，均不發(fā)生剪切流動(dòng)，即使是在55 ℃高溫情況下也不例外，這給尋找流動(dòng)度點(diǎn)帶來了無法解決的困難.借鑒文獻(xiàn)[14]中的方法，使用累積塑性變形第2階段的數(shù)據(jù)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中使用線性回歸得到回歸系數(shù)a(截距)和b(斜率)，并將b命名為剪切流動(dòng)速率(簡(jiǎn)稱“流動(dòng)速率”)，確認(rèn)為塑性變形發(fā)展的速率，作為重復(fù)剪切流動(dòng)試驗(yàn)的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo).剪切流動(dòng)速率越大，則混合料本身可能面臨著更大的永久變形風(fēng)險(xiǎn).

圖3 重復(fù)剪切流動(dòng)試驗(yàn)剪切變形

對(duì)表2中所示試件進(jìn)行重復(fù)剪切流動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果見表5.對(duì)比表5中的數(shù)據(jù)，可以看出：

1) 端部效應(yīng)消減方式的施加，會(huì)使試件剪切流動(dòng)速率增大，即試件在有端部效應(yīng)消減措施的情況下，承受更大的剪切荷載，從而引起更快的剪切變形，這種規(guī)律適用于任何一種混合料.

2) 施加圍壓前，試件剪切流動(dòng)速率因采取端部效應(yīng)消減措施而帶來的最大增幅為178.4%，而施加圍壓后，最大增幅下降為62.1%.圍壓的施加減小了端部效應(yīng)帶來的試驗(yàn)誤差.

表5 不同消減措施下剪切流動(dòng)斜率

對(duì)比表5中PP膜夾滑石粉層和橡膠膜涂硅油方式的測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者的區(qū)別不明顯，效果基本一致.然而，重復(fù)剪切流動(dòng)試驗(yàn)本身試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，1次試驗(yàn)試件需經(jīng)受約10 000次的剪切荷載作用，而使用橡膠膜涂硅油的方式，會(huì)造成硅油從橡膠膜邊緣漬出的現(xiàn)象，硅油會(huì)在試件的表面形成油斑，如圖4，也一定程度上影響了端部效應(yīng)消減的效果.

圖4 重復(fù)剪切流動(dòng)試驗(yàn)試件油污

3 結(jié) 論

1) 與無任何措施相比，采取端部效應(yīng)消減措施，使動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果有增有減，浮動(dòng)比例范圍-20.2%～7.0%.總體上看，減少的情況居多，且頻率越低，減少的幅度越大.

2) 使用聚四氟乙烯膜時(shí)動(dòng)態(tài)模量的測(cè)試結(jié)果最小，而PP膜夾滑石粉層和橡膠膜涂硅油的動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果相當(dāng).聚四氟乙烯膜與PP膜夾滑石粉層相比，前者的試驗(yàn)結(jié)果變異系數(shù)更大.

3) 聚四氟乙烯膜的厚度對(duì)動(dòng)態(tài)模量測(cè)試結(jié)果存在影響.從測(cè)試結(jié)果變異系數(shù)來看，隨著聚四氟乙烯膜厚度的增加，試驗(yàn)結(jié)果將更趨均勻.

4) 端部效應(yīng)消減方式的施加，會(huì)使試件剪切流動(dòng)速率增大.而圍壓的施加減小了端部效應(yīng)帶來的試驗(yàn)誤差.

[1]WITCZAK M W, KALOUSH K, PELLINEN T, et al. Simple performance test for superpave mix design[R]. NCHRP Report 465, National Cooperative Highway Research Program, Washington D C,2002.

[2]汪水銀,王旭東.考慮尺寸效應(yīng)和端部效應(yīng)下的水泥穩(wěn)定材料的強(qiáng)度試驗(yàn)[J].公路,2007(3)：119-124.

[3]何浩宇,石露,白冰.端部摩擦對(duì)不同加載方式真三軸試驗(yàn)的影響[J].交通科學(xué)與工程,2014,30(3)：1-5.

[4]董建軍,邵龍?zhí)?考慮端部效應(yīng)影響的非飽和壓實(shí)土三軸試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(9)：1937-1944.

[5]RAMON B. Ruggedness testing of the dynamic modulus and flow number tests with the simple performance tester[R]. NCHRP Report 629，National Cooperative Highway Research Program, Washington D C,2008.

[6]中華人民共和國(guó)交通部公路科學(xué)研究所.瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程:JTG E20-2011 T[S].北京:人民交通出版社,2011.

[7]American Association of State Highway of Transportation Officials. Determining the dynamic modulus and flow number for hot mix asphalt using the asphalt mixture performance tester: TP79-11[S]. AASHTO,2009.

[8]ADAM T, NAM T. Comparing friction reducers for use in ampt testing[R]. NCAT Report 15-01，2015.

[9]河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院.基于AMPT的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及瀝青混合料性能評(píng)價(jià)研究[R].石家莊：河北省交通運(yùn)輸廳,2016.

[10]BONAQUIST R F, CHRISTENSEN D W, WILLIAM S. Simple performance tester for superpave mix design: first-article development and evaluation[R]. NCHRP Report513, National Cooperative Highway Research Program, Washington D C,2003.

[11]RAMON B. Evaluation of flow number (fn) as a discriminating hma mixture property[R]. WHRP Report 12-01, Wisconsin Department of Tansportation, Madison, WI, June,2012.

[12]ADRIAN R A, LUIS G D, SAMUEL H C. Proposed method to determine the flow number from laboratory axial repeated loading tests in bituminous mixtures[C]. Transportation Research Board 86thAnnual Meeting, Report Number: 07-1901, Washington D C,2007.

[13]ALEX K A. Flow number predictive models from volumetric and binder properties[J]. Construction and Building Materials,2014，64：240-245.

[14]HAROLD L V Q, JAGANNATH M, RAMON B,et al. Calibration of rutting models for structural and mix design[R]. NCHRP Report 719, National Cooperative Highway Research Program, Washington D C,2012.

Effects of End Friction on Asphalt Mixture Viscoelastic Mechanical Properties Testing

MA Huabao1,2)LI Haotian1,2)

(RoadStructureandMaterialTechnologyResearchCenterofHebeiProvince,Shijiazhuang050091,China)1)(HebeiProvincialCommunicationsPlanningandDesignInstitute,Shijiazhuang050091,China)2)

Asphalt mixture viscoelastic mechanical properties testing results depend on the effects of end friction. Dynamic modulus tests and repeated shearing flow tests are conducted for three types of end friction reducers that are Teflon, latex membranes pasted by silicone oil and PP membranes pasted by tale powder. The effects of different reducers on dynamic modulus tests and repeated shearing flow tests are analyzed. The effects of Teflon thickness on dynamic modulus are investigated for three thicknesses: 0.25 mm, 0.5 mm and 1.5 mm. Results show that the application of reducer reduces the dynamic modulus testing results and this effect enhances as loading frequencies become lower. In addition, lower coefficient of variation (COV) results can be achieved for thicker Teflon. Besides, the application of end friction reducer could increase the shearing flow slope.

asphalt mixture; end friction; dynamic modulus; shearing flow slope; COV

2016-10-20

U416

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.031

馬華寶(1988—)：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)槁坊访婀こ?/p>