基于粘弹性参数的沥青砂紫外光老化研究

【摘 要】采用Burgers模型研究沥青砂的粘弹性力学行为，研究粘弹性参数在沥青砂紫外光老化中的变化，分析其变化规律，评价沥青砂紫外光老化。确定紫外光老化的试验方法和沥青砂试件制作方法，对紫外光老化的沥青砂试件进行单轴压缩蠕变试验得到应变和时间的蠕变曲线，拟合了Burgers模型的四参数。对粘弹性参数随老化程度的变化规律进行研究，根据粘弹性参数随老化程度的变化研究沥青砂性能的变化规律。对不同老化程度和相应的Burgers模型四参数进行拟合得到粘弹性参数和老化程度h之间的表达式J（h），用该关系式表示沥青砂的老化程度。

【关键词】沥青砂；紫外光老化；粘弹性参数；蠕变试验；老化程度

【Abstract】Burgers model were carried out to study the viscoelastic mechanics behavior of tar sands. By researching the change of viscoelastic parameters in the ultraviolet aging tar sands， analyze its change regulation and evaluate its aging extent. Determine ultraviolet aging test method and asphalt sand specimen producing method. Put the ultraviolet aging of asphalt sand specimen in uniaxial compression creep test to get the creep curves of strain and time， using the least squares fitting of the four parameters of Burgers model. Fitting the aging degree and the corresponding model parameters fitting， get the relation between viscoelastic parameters and aging degree and get the expression J （h） between creep compliance J and aging degree of， The aging of asphalt sand was expressed with J （h）.

【Key words】Asphalt mastic；Ultraviolet Radiation aging；Viscoelastic Parameters； creep test；Aging index

沥青路面老化的研究中最早引起关注的是沥青结合料本身，对沥青砂和沥青混合料的抗老化性能研究较少，至今仍没有评价其老化性能的标准试验方法[1，2]，应提出合理的老化试验方法和评价指标。针对沥青砂进行研究，考虑沥青砂的流变特性，从其粘弹性角度，研究沥青砂的老化性能。沥青混合料和沥青砂具有相似的压缩变形和蠕变变形曲线，本文进行的基于粘弹性参数的沥青砂老化程度研究可以为沥青混合料紫外光老化程度的研究提供依据。

1. 沥青混合料紫外光老化试验

1.1 老化试件制作。

试验采用沥青砂AS-16作为研究对象，其中沥青采用SBS改性沥青，集料为从拌合厂提取的机制砂经过筛分后得到粒径小于2.36mm的砂粒。沥青砂AS-16的级配按照规范中规定AC-16相应的细集料（粒径2.36mm）的相同比例进行设计，AC-16级配如表1，AS-16的级配如表2。因为沥青砂缺少粗集料作为骨架支撑，空隙率小，其性能不同于沥青混合料，不适宜采用马歇尔试验来确定最佳沥青用量。采用逆推法[3]确定沥青砂的最佳沥青用量，计算结果如表3。沥青砂试件制备参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052-2000）中T0704的方法对试件进行制作，制作试件直径为50mm，高50mm。

1.2 紫外光老化试验。

（1）试验中的紫外光老化试验箱采用1000w的紫外高压汞灯，辐射强度达到距离灯管约60cm处平均强度为200 W/m2。沥青砂试件实际老化周期为一年的需要试验时间为将近583小时，即沥青砂试件试验中在老化箱老化1小时相当于实际光照老化14.8小时。

（2）紫外光老化试验箱具有鼓风制冷设备， 并且设置有温度感应器， 可以显示老化箱内的温度， 整个实验过程为了确保沥青混合料试件是在紫外光照射下老化而不是因为热老化， 所以控制实验温度在 30°C 左右。

（3）试验研究的是不同紫外光照时间下沥青砂的粘弹性参数，试验中试件老化时间选取为2个月，4个月，6个月，8个月和12个月，根据已知的换算原则可以将以上选取的实际紫外光老化时间换算成实验室老化时间分别为97小时，194小时，292小时，388小时，583小时。将沥青砂试件按照要求的温度和时间分别进行紫外光老化，每组3个试件。

2. 沥青砂单轴压缩蠕变试验

实验在CMT5105微机控制电子万能试验机上进行紫外光老化沥青砂的单轴压缩蠕变试验，万能试验机带有环境温度箱，试验温度要求保持恒温20℃，并且保持1小时以上。加载初期位移速度控制在10mm/min，轴向应力达到0.1MPa后，保持荷载1200s。将进行了不同紫外光照时间的试件进行单轴压缩蠕变试验，试验结果如图1所示。

（1）未老化的沥青砂的应变值较大，随着老化时间的增加，沥青砂的变形越来越小，因为老化时间越长沥青砂的劲度模量越大，应变值就越小。

（2）老化 4 个月之前， 应变值随着老化时间的增加明显变小， 但在紫外光老化照射4 个月之后， 随着老化时间的增加， 应变值的变化幅度减小。表明紫外光老化对沥青砂的影响在其接受紫外光照的初期比较明显， 达到某个老化程度后，影响越来越小， 趋于稳定。

3. 紫外光老化沥青砂的粘弹性参数研究

Burgers模型是目前应用的最为广泛的粘弹性力学模型，能较好的反映沥青砂浆的粘弹特性[4]，能够描述蠕变的第一阶段和第二阶段[5]，Burgers模型比广义Maxwell模型更能准确表达沥青混合料的本构关系[6]，能反映瞬时弹性应变、粘弹性应变和粘性流动应变，将粘性流动应变描述为加载时间的线性函数[7]，因此本文选用Burgers模型描述沥青砂粘弹性能。

3.1 沥青砂粘弹性参数拟合结果及分析。

在对Burgers模型的参数进行拟合的过程中，参数初始值E0和η0的选取是重要的一步。因为初始值的选取如果与参数的实际值偏离太多，会造成迭代不收敛，或者造成迭代次数过多致使计算时间太长[8，9]。为了使获得的参数值与实际相符，参数初始值的选取就非常重要。本文采用一种计算的方法求得Burgers模型参数初始值，该方法分以下几步：

3.1.3 采用Matlab对多项式方程联立求解，就可以唯一的确定其他三个参数E2，η1、η2的值，把求得的四个参数值作为所需输入的参数初始值。

（1）采用分段拟合法[10]得到沥青砂在不同紫外光照时间下的粘弹性参数值，如表4，并绘制了四个参数随老化时间的变化曲线图，如图2所示。

上式表明可以用粘弹性参数和紫外光照时间相结合，用于评价沥青砂在不同老化时间下的紫外光老化程度。

4. 结论

（1）本文通过单轴压缩蠕变实验得到蠕变曲线，据此对Burgers模型本构方程中的参数进行拟合，从而确定了表述不同老化时间的沥青砂粘弹性参数，分析了粘弹性参数随老化程度的变化规律为随着老化时间的增加， 四个参数都在增加， 应变相应减小。因为 E1 ， E2 和 η2 和永久变形无关， η1影响沥青砂的永久变形，结果显示η1 随老化时间增加。

（2）对Burgers模型四参数和老化时间进行拟合，把拟合结果代人蠕变公式，得到蠕变柔量和老化时间的关系式J（h）。

（3）沥青混合料和沥青砂具有相似的压缩变形和蠕变变形曲线，对沥青砂材料的基于蠕变试验和Burgers模型参数得到和紫外光老化简单关系，可以用来作为研究沥青混合料紫外光老化的依据。

参考文献

[1] 沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[2] 虞将苗.沥青混合料老化模拟试验方法与验证研究[J].公路交通科技，2005（10）.

[3] 王志臣. 基于细观力学的沥青混合料黏弹性能研究[D]. 大连海事大学硕士论文，2011.

[4] 李晓军， 江丽华. 沥青砂浆粘弹特性试验与模型参数分析 [J]. 武汉理工大学学报，2011 （3） .

[5] 蔡宜洲， 叶永. 沥青砂粘弹特性实验研究 [J]. 工程力学， 2010（1） .

[6] 陈静云， 周长红， 王哲人. 沥青混合料蠕变试验数据处理与粘弹性计算 [J]. 东南大学学报（自然科学版），2007 （6） .

[7] 徐世法. 表征沥青及沥青混合料高低温蠕变性能的流变学模型 [J]. 力学与实践， 1992 （1） .

[8] 张肖宁.沥青与沥青混合料的粘弹力学原理及应用[M].北京： 人民交通出版社，2006.

[9] 黄晓明，朱湘.沥青路面设计[M]. 北京： 人民交通出版社， 2002.

[10] 田莉，胡霞光，刘玉，沙爱民.沥青玛蹄脂粘弹性模型参数分段线性拟合法[J].交通运输工程学报，2009（2）.

[文章编号]1619-2737（2014）07-09-751

[作者简介] 夏芳（1968-），男，籍贯：河南汝南人，学历：本科，工学学士，职称：高级工程师。主要研究方向：道路施工及路基处理技术。