沥青砂动态剪切蠕变特性
沥青砂是由粒径小于 2. 36 mm 的机制砂、矿粉和沥青组成的沥青混合料，分析沥青砂的黏弹特性有助于理解沥青砂及沥青混合料复杂的力学行为，对沥青混合料细观力学的建模研究以及较细集料的沥青砂力学性能的分析均具有重要的意义，国内外研究人员主要采用离散元技术、有限元方法及数字图像处理技术对沥青混合料的细观力学特性进行研究，其中获取准确的沥青砂蠕变力学参数是确保细观力学分析结果可靠的关键因素之一，此外，沥青砂在路面灌缝养护、压电材料制备和桥面铺装等工况下也有应用的黏弹性力学性能对沥青砂性能评价及施工应用具有借鉴意义，对于沥青砂的性能研究已由简单的强度分析转移到更复杂的蠕变力学行为研究上来在静态力学测试条件下建立了沥青砂的蠕变模型，并充分分析了沥青砂的蠕变行为。但是，由于材料的动态力学行为更能反映材料在使用条件下的力学性能，动态黏弹测试方法已成为有效模拟路面动荷载作用下的变形特性以表征沥青性能的最有效手段之一 。大量研究采用动态剪切流变仪分析沥青的流变性质，取得了十分有效的研究数据。侯航舰等人采用流变仪对沥青玛蹄脂施加静态剪切荷载，分析了温度对玛蹄脂黏弹性参数的影响规律 但是没有明确沥青砂的成型方法，试验过程中施加静荷载; M ITCHELL 等人采用动态剪切流变仪研究了沥青砂的疲劳性能 。张延双等人采用动态剪切流变仪对不同老化条件下的沥青砂低温松弛性能进行了测试 。可见动态力学测试已成为沥青砂性能分析的重要手段，为此，本研究采用 DHR( discov-ery hybrid rheometer) 动态剪切流变仪、自主开发的沥青砂成型及试验夹具对几种沥青混合料的沥青砂动态剪切蠕变曲线进行测试，采用 Burgers 模型对几种沥青混合料的黏弹性参数进行拟合分析。
原材料及配比设计
1.1 原材料
试验采用 70 #基质沥青、SBS 改性沥青和橡胶沥青三种沥青，沥青的检测结果如表 1 所示。矿料采用安山岩机制砂。
1. 2 配合比设计
为了使本研究沥青砂的级配与沥青混合料的级配具有很好的对应性，以便为沥青混合料细观力学的研究提供参考，首先设计了 AC20 － 1、AC20 － 2和 SM A16 三种级配。分别采用 70 # 沥青、SBS 改性沥青和橡胶沥青及AC20 － 1 级配进行马歇尔击实试验，确定沥青用量( 质量分数) 分别为 4. 1% 、4. 5% 和 5. 0% ;采用 70#沥青及 AC20 － 2 和 SM A16 级配进行马歇尔击实试验，确定沥青用量分别为 4. 4% 和5. 7% 。依据文献[18]在 SM A16 中掺加了优质纤维，用量为 0. 3% ( 质量分数) 。然后根据文献[19]附录 B 中公式B． 6. 8-1 和公式 B． 6. 8-2 可计算出被集料吸收利用沥青的比例及沥青混合料中有效沥青用量( 计算过程中采用的沥青膜厚度为 8 μm) ，再采用矿料中 0. 075 mm 通过率与有效沥青用量的比值计算粉胶比，以粉胶比恒定为原则，可计算出沥青砂中沥青含量，即沥青砂中的沥青用量，得到沥青砂的配合比。共采用 7 种沥青砂，配合比如表 3 所示。其中采用70#沥青及 AC20 － 1 级配，将沥青用量上下浮动 0. 3% ，分析沥青用量对沥青砂黏弹性参数的影响。
2 沥青砂动态剪切蠕变试验设计
2.1 沥青砂试件成型方式
本研究参照马歇尔击实仪进行沥青砂成型装置的设计，因沥青砂的最大粒径为2. 36 mm，对应的沥青混合料为AC20，最大粒径为19 ～26. 5 mm，两者最大粒径相差10 倍左右。按照几何尺寸的比例进行相似性设计，将马歇尔击实仪缩尺10 倍，设计了沥青砂的击实装置来成型可用于 DHR 测试的试件。首先采用拌和锅每次拌制不少于100 g 砂浆，按照最大理论密度和试件尺寸取样，本研究成型沥青砂试件尺寸为直径 × 高 = 6 mm ×40 mm的圆柱，取样质量约为 12 g。将沥青砂装入模具后，进行插捣，正反两面击实 75 次。成型后脱模冷却备用。为了验证成型方式的可行性，将采用本方法成型的砂浆试件与旋转压实成型砂浆试件的毛体积相对密度进行了比对。测试结果表明，采用本方法成型的表 3 中 1 # 砂浆的毛体积相对密度为1. 981，而旋转压实成型试件的毛体积相对密度为1994，相差仅为0. 7% ，因此该成型方法是可行的。可以看出，不同工况下沥青砂的动态剪切蠕变曲线明显不同，级配类型、沥青品种、沥青用量和试验温度对沥青砂的剪切蠕变曲线均有显著影响。SM A16 沥青混合料对应的沥青砂剪切蠕变变形速度很快，在 180 s 的试验时间内即表现出明显的三阶段变形特性，出现了明显的加速失稳变形阶段，140 s 时，其剪切蠕变应变达到 300，而 AC类沥青混合料对应的沥青砂浆剪切蠕变应变仅仅为0. 2 ～ 1. 2，分析原因可能在于 SM A16 沥青混合料沥青砂浆含有大量的矿粉及较大的沥青用量，而2. 360 ～ 0. 075 mm 粒的机制砂含量很少，所拌制而成的沥青砂浆在高温变形时难以具有骨架作用，因此剪切蠕变速度较快。
2.2 动态剪切蠕变试验方法
进行沥青砂的剪切蠕变试验前，采用 AB 胶将试件两端黏接到固定端子上，待 AB 胶完全固化后，将试件装到 DHR 试验仪上进行试验，试件安装在试验前加载 5 N 的荷载并保持 20 s，消除夹具与试件端子之间的空隙。本研究进行了不同温度下沥青砂的剪切蠕变测试，试验温度分别为45、60 和 75 ，在控温到达试验温度后，持续控温30min 再进行试验。相关研究表明，沥青砂的抗剪强度在 400 kPa 左右究选择了约为 75% 的应力比进行试验，试验应力设置为 300 kPa，数据采集时间为 180 s，试验过程中实时采集剪切蠕变应变和加载时间数据。
3 结论
本研究采用DHR对沥青砂进行动态剪切蠕变试验，应用Burgers 模型对剪切蠕变曲线进行拟合，分析了该力学模式下沥青砂的黏弹性参数规律，得出以下试验结论:
(1)测试温度、沥青用量、沥青种类及级配类型对沥青砂浆的动态剪切蠕变特性影响很大，温度越高、沥青用量越大，沥青砂的动态剪切蠕变速度就越大，SM A16 沥青混合料对应的沥青砂剪切蠕变变形速度很快，橡胶沥青砂的抗剪切蠕变性能最优。
(2)不考虑级配，沥青砂的动态剪切试验规律与沥青砂所对应的沥青混合料抗车辙性能普遍规律相关性较好，可以作为评价沥青混合料抗车辙性能的依据。
(3)采用Burgers 模型对沥青砂动态剪切蠕变曲线拟合得到的相关系数较高。不同温度、沥青用量、沥青种类和级配类型均对Burgers 模型的参数具有显著影响。SM A16 沥青砂的抵抗高速荷载的瞬时变形能力较差，橡胶沥青砂抗瞬时变形能力较好，AC 类沥青砂抵抗不可恢复残余变形能力较强。
(4)通过拟合的Burgers 模型参数计算了沥青砂的松弛模量，相对AC 类沥青混合料，SM A16 沥青砂的松弛模量很小，松弛模量数据可以为沥青砂的数值模拟提供数据支持。 2100433B
