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用压缩动模试验确定沥青混合料的永久变形与断裂特征

Yuqing Zhang¹; Rong Luo, Ph.D., P.E., M.ASCE²; and Robert L. Lytton, Ph.D., P.E., F.ASCE³

摘要：当沥青混合物受到压力永久变形和断裂可能同时发生。该项研究的目的是从粘弹性排除粘塑性和粘断裂，这样没有粘弹性的影响，这样沥青混合料永久变形和断裂特征可以单独地、准确地表征。有两种类型的粘结剂，二空隙率的内容，以及两个老化条件的完好的16沥青混合料首先通过进行无损蠕变试验和无损动态模量试验中获得。测试结果是通过使用线性粘弹性理论分析，粘弹性理论分析由蠕变柔量和的松弛模量由普罗尼模型建模。未受损的沥青混合料的动态弹性模量和相位角保持与负载周期不变。然后将未损坏的沥青混合料用于执行该破坏性动态模量的测试中，在该测试中已损坏的沥青混合料的动态模量和相位角与负载周期而变化。这表明塑料演变和裂纹扩展。裂纹的增长的主要标志是仅发生在第三阶段的增加的相位角。测得的总应变采用伪应变概念和扩展弹性粘弹性对应 原理成功地分解为弹性应变，应变粘弹性，塑性应变，粘塑性应变和粘断裂应变。所分离的粘塑性应变使用预测模型来表征永久变形。所分离的粘弹性裂缝应变使用断裂应变模型来表征，其中，流数被确定沥青混合物和裂纹的断裂速度指标提出。16个样品的对比表明，具有低空隙率老化的沥青混合料有更好的抗永久变形和断裂性能。DOI：10.1061/（ASCE）MT.1943-5533.0000471。 copy;2012美国社会土木工程师。

CE数据库主题词：沥青;混合物; 形变;开裂; 分解

关键词：沥青混合料;永久变形; 断裂;应变分解;动态模量试验。

引言

永久变形（即，车辙）和断裂（即，开裂）是沥青路面的两个主要的病害。车辙变现为在车轮路径的表面凹陷。它是一个沥青混凝土层塑性变形的累积和没有能力承受因交通负荷产生的应力的结果。（利顿等人，1993）。车辙存水，并导致雨天因为轮胎 - 路面摩擦减小，轮胎打滑而发生事故。在车辙第一阶段和第二阶段车辆荷载积攒能量，最终引发并传播裂缝车辙，导致在第三阶段三级流动。（利顿2000;周和2002年斯卡利恩）。开裂伴随车辙然后加速永久变形的发展，并最终降低了在役路面的使用寿命。因此，从根本上力学建模和永久变形的实验室评价和断裂的沥青混合料构成的重要组成部分用于沥青路面的设计和分析，以确保足够的现场性能。

¹研究生研究助理，土木工程，德州Zachry公司部

A＆M大学，德州农工大学3136，CE/ TTI大厦601C，学院站，TX77843 -3136（通讯作者）。电子邮件：zyqtamu@tamu.edu

²副研究工程师，得克萨斯州运输研究所，德州A＆M大学。系统，3135 TAMU，CE / TTI大厦503C，学院站，TX77843-3135。电子信箱:rongluo@tamu.edu

³教授弗雷德J. Benson的主席，土木工程系Zachry公司，

得克萨斯州A＆M大学，德州农工大学3136，CE/ TTI大厦503A，学院站，

TX77843-3136。电子信箱：r-lytton@civil.tamu.edu

注意：这份手稿被提交于2011年7月31日;批准于2011年12月28日; 于2011年12月29日在网上公布。讨论期开放至2012年12月1日; 单独讨论必须提交个人论文。本文是土木工程材料的一部分，Vol. 24, No. 7, July 1, 2012. copy;ASCE, ISSN 0899-1561/2012/7-898–906/$25.00.

沥青混合料的永久变形主要是不可恢复粘弹性变形的结果，这已通过使用连续介质力学详细的研究。(Sides et al. 1985; Uzan 1996; Levenberg and Uzan 2004)。索萨（1993年，1994年）提出的非线性粘弹性损坏模型预测沥青混合料的永久变形; 该模型包括一个容积部分以解决的致密化

空气空隙和一个偏量组件负责软化或硬化过程。弗洛雷亚（1994年a，1994年b）开发的一个关联的和非关联的粘塑性模型来描述的沥青混合料的机械性能。Schapery（1997年，1999年）使用纳入内部状态变量热力学原理发展与粘弹性效果相关的本构关系，粘塑性，越来越多的伤害和老化。在Schapery粘弹性连续模型的基础上，吉布森（2003）研究了在非限制沥青混合料的特性压缩状态，Chehab（2003年）预测在单轴拉伸状态的沥青混合料的响应。摩萨德和其他研究人员（Huang等人2007; Saadeh等人2007;马苏德等。2008; Darabi等2011）Masad等研究人员采用Schapery非线性粘弹性模型（Schapery1969）和Perzyna粘塑性模型（Perzyna1971），Perzyna粘塑性模型反应与损伤密度函数相关联的表征沥青混合料的综合性能。这些方法得到的结果与实验室测试和有限元模拟产生的结果之间有很好的一致性。

沥青混合料连续模型的优点是计算简单（即，该材料的反应，例如永久变形，一旦模型设置好参数可以容易地估计）。对于不同材质的性能的粘弹性，粘塑性，和用于沥青混合料粘断裂的性质需要被单独地调查，以确定准确的模型参数。因此，有必要进行应变分解，这通常是通过运行蠕变和恢复试验完成（Sides等人1985; Drescher的等。1993; Uzan1996; Masad等。 2009年;Darabi等。 2011年）。图。 1示出了在蠕变和恢复的典型应变与时间曲线试验，其中有三个不同的应变阶段：（1）在初级阶段应变率逐渐减小;（2）第二阶段具有固定的应变率；（3）第三阶段，应变率逐渐增加。总应变分解为四个部分：（1）弹性应变可恢复和时间无关; （2）粘弹性应变可恢复有时间依赖性; （3）塑性应变，这是不可挽回的和时间无关; （4）粘塑性应变是不可恢复的有时间依赖性。在恢复期间，瞬时恢复应变为弹性应变和滞后恢复应变是粘弹性应变。这种应变分解法假定恢复时间足够长，使粘弹性应变是完全恢复，剩余应变是粘塑性应变和塑性应变的总和。然而，这种应变分解方法有三个问题：（1）在测试徐变过程中直接分离应变分量是不可能的，所需的恢复加载时间增加了测试时间; （2）在每个恢复周期结束时累积的应变可包括塑性应变和粘塑性应变，因为在测试的有限的恢复时间已经不是恢复了粘弹性应变; （3）本方法没有考虑到粘断裂应变。事实上，当总的应变到达第三阶段，因为裂纹的增长,粘断裂应变会发展。结果是，总的应变应该分解成五个部分，包括粘断裂应变和上述四个应变分量。

图1 在蠕变应变分解和积恢复测试示意图

为了解决当前应变分解法以前的问题，本文的目的是：

1.把沥青混合物经受压缩载荷时的粘塑性应变和粘弹性应变与其他变分量完全分开；

2.准确地表征永久变形和没有粘弹性影响沥青混合料的断裂。

为了实现这2个目标，本文提出了一种新的应变分解方法，分解材料的总应变分为五个部分，由式（1）：

其中，是总应变;是弹性（即，瞬时） 应变;是粘弹性应变;是塑性应变;是粘塑性应变;是粘弹性应变。因为裂缝增加应变速率和粘塑性降低

应变率，在第三阶段，增加应变速率表示只有在第三阶段发展。一旦总应变分解，分离的和然后分别用于表征沥青混合料的永久变形和断裂。

本文组织如下。“实验室实验”讨论了建议应变分解的实验室实验。这之后是线性粘弹性表征未损坏的沥青混合料。“应变分解”通过使用扩展的弹性粘弹性对应原理和伪应变概念呈现提出应变分解方法。“定性永久变形和沥青混合料的“断裂，通过使用分离的粘塑性应变曲线表征的永久变形同时表征分离的粘弹性断裂的基础上破坏性压缩动态模量实验应变数据。“结论”总结了本文主要研究结果。

实验室实验

测试方案，其中包括的加载的序列和测试方法，测试方法根据表征沥青混合料的粘塑性和粘弹性机械理论设计。在本文中，粘塑性和粘弹性区别在粘塑性采用应变分解方法。这为选择加载顺序产生了两个原则：（1）从所述未损坏的条件出发量化的损害多大（包括粘塑性和粘断裂），首先需要通过使用非破坏性测试来表征粘弹性（即，在一个属性未损坏的材料）（2）引入到显著损害沥青混合料，所述压力水平需要在破坏性测试，继续增加，直到该材料在第三变形阶段失效。因此在上述原则的基础上，制订实验方案包括三个测试：（1）非破坏性的压缩蠕变试验以获得蠕变柔和未损坏的沥青混合料的松弛模量; （2）一个非破坏性的压缩动态模量测试，以获得未损坏沥青混合料的动态模量和相位角; （3）压缩无损动态模量测试以获得沥青混合料的受损的动态模量和相位角。在破坏性动态模量试验中测定的总应变被用来进行应变分解。

十六个在实验室制作的，实验室压制（LMLC）沥青混合料标本制作具有以下变量：

bull;两种类型的沥青结合料，其中被标记AAM和AAD在战略公路研究计划（SHRP）材料参考库（MR）（琼斯1993年）;

bull;4%和7%的孔隙率（上下浮动）

bull;两老化条件，即未老化和老化（连续六个月在60°C）沥青混合料。

用每个组合的复制标本进行测试沥青结合料，空气空隙率，老化状况。使用常见的得克萨斯石灰石和骨料的等级是通过得克萨斯运输部门（2004年的TxDOT）指定一个C型致密渐变的基础上确定。最佳沥青用量计算遵循TxDOT测试程序（2008年的TxDOT）。沥青混合料试样用的Superpave的旋转压实仪压实得到到150毫米直径和175毫米的高度圆柱形样品。然后将样品芯切至100mm的直径和150毫米的高度。图。图2示出了试验协议的三个试验具有相同的试验配置，其中具有90毫米的测量长度的三个垂直线性可变差动变压器（LVDT的）呈120℃安装在沥青混合物试样的侧表面上的。该样品在40℃的温度下储存在万能试验机（UTM）的环境室至少3小时，以达到稳定温度。图3示出实验方案中所用的装载顺序。无损蠕变试验是先使用UTM进行，试验中给标本施加一个25千帕恒定压缩应力120秒。在蠕变试验结束时的总应变控制在小于150mu;ε，这被认为是在用于沥青混合料压缩的线性粘弹性限度（Levenberg和Uzan2004）。除去压缩负载和试样休息1小时。休息1小时后，同样的样品进行无损动态模量试验，即用最大应力值70千帕600周期在1赫兹的频率的正弦压应力施加到样品。测得的动态模量和相位角保持不变，这表明没有损坏被引入到样品。再经过1小时的休息时间，同样完好的标本进行破坏性动态模量试验，即将20千帕的最小压力和600千帕的最大应力在1赫兹的频率下的正弦压缩负荷与施加到样品。总变形是通过使用三个的LVDT记录相对于时间直到试样在第三变形阶段失效。一小时的休息时间被用来（1）完全恢复在非破坏性试验所产生的粘弹性应变，避免影响随后的测试的结果（2）补偿从试验的设置和操作期间打开UTM室的门而产生的温度损失。

图2.蠕变试验和动态模量试验（图片由 Y. Zhang）的配置

图3.在测试中使用的加载顺序的示意图（无缩放）

线性粘弹特性

未损坏的沥青混合料的线性粘弹性表征提供量化到的受损（包括粘塑性和断裂）和离开无损状态的基础。当沥青混合料变形量小时可被表征为一个线性粘弹性材料。（例如，当该应变被控制低于拉伸100mu;ε和压缩150mu;ε）（Levenberg和2004年 Uzan）。

蠕变柔量和松弛模量

本研究采用Prony级数模型，包括多个开尔文系列中的元素和一个弹簧来表示沥青混合料的粘弹性性质。蠕变和松弛模量Prony级数模型如下：

其中D(t)是蠕变柔量；是瞬时柔量；Di是蠕变柔量的组成部分；tau;i是延迟时间; E(t)是松弛模量; Einfin;是长期平衡模量; Ej是松弛模量的分量; Kj是松弛时间; M是在普罗尼系列机型开尔文元素的总数。蠕变柔和松弛模量由下式相关关系（Findley等，1989）：

其中(s)和(s)是E(t)和D（t）的拉普拉斯变换，s是在拉普拉斯域中的变量。通过采取逆拉普拉斯变换方程。 （4），如果其他材料特性是已知的是可以解决松弛模量或蠕变柔量的。

在无损压缩蠕变试验中，恒应力为sigma;=25Kpa,应变是由长度90mm量规划分的变形（由三个LVDT的测量）平均值。蠕变柔然后直接通过D（t）=ε(t)/ sigma;计算，这个公式完全由方程（2）拟合。松弛模量是通过使用 （4）公式估算,然后通过公式（3）拟合。例如，在样品AAD14（AAD粘合剂，7%空隙含量，未老化），在图4中40°C时D(t)和E(t)在Prony模型和观测数据之间很好的拟合。

杨氏模量（EY）表示材料的瞬时（即，弹性）响应，在方程（2） - （4）基础上=E(0)=1/D(0) 测得的杨氏模量的结果将是中说明“动态模量和相位角”，连同粘结剂类型，空隙率、老化条件不同的16个未损坏沥青混合料标本的动态模量和相位角。

动态模量和相位角

在实际中负载施加到沥青路面不是静态负荷，例如一个移动的交通负载的动态负载，装载时段0.1秒对应于64公里每小时的车速（黄2004）。蠕变测试的在这么短的装载时段测得的应变数据是不可靠的，因为瞬态效果可能几秒钟的时间就消失。因此，该松弛模量和蠕变柔量只能表征材料的长期粘弹性。动态模量测试是为了得到动态模量和相位角数据，动态模量和相位角可以表征粘弹性材料的短周期性质。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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