李 峰，黃頌昌

（交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100088）

裂縫是瀝青路面主要病害之一.采用密封膠進(jìn)行路面開(kāi)槽灌縫、封閉路面裂縫、防止水滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，是國(guó)際上公認(rèn)的減緩路面病害出現(xiàn)、延長(zhǎng)路面使用壽命的有效手段［1］.目前，國(guó)內(nèi)采用的密封膠來(lái)源廣泛，但使用效果不佳，特別是低溫性能普遍較差，很多密封膠一到冬季即與裂縫壁撕裂，失去了防水效果［2］.密封膠的低溫性能已成為制約瀝青路面灌縫技術(shù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素［3］.2009年，交通運(yùn)輸部頒布了《路面橡膠瀝青灌縫膠》（JT／T 740—2009）［4］，為規(guī)范我國(guó)瀝青路面密封膠的質(zhì)量提供技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).該標(biāo)準(zhǔn)采用低溫拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)密封膠的低溫性能，針對(duì)不同類(lèi)型密封膠，規(guī)定不同的試驗(yàn)溫度，并提出相應(yīng)的技術(shù)要求.經(jīng)過(guò)兩年多的應(yīng)用，證實(shí)該標(biāo)準(zhǔn)可以有效地區(qū)分不同密封膠的低溫性能，但仍然存在一些不足之處，主要體現(xiàn)在低溫拉伸試驗(yàn)不能反映密封膠的低溫應(yīng)力松弛能力.在北方地區(qū)（特別是新疆、內(nèi)蒙、黑龍江等地），平均氣溫在0℃以下的月份長(zhǎng)達(dá)2～3個(gè)月，路面裂縫處于長(zhǎng)期擴(kuò)張狀態(tài)，密封膠也因此長(zhǎng)期處于大應(yīng)變拉伸階段.部分密封膠在室內(nèi)低溫拉伸試驗(yàn)中表現(xiàn)良好，但在實(shí)際應(yīng)用中冬季仍出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，主要是由于其低溫松弛能力差，密封膠內(nèi)部積累的應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間不能釋放，最終導(dǎo)致密封膠與裂縫壁撕裂.因此，低溫應(yīng)力松弛能力是反映密封膠低溫性能的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，良好的低溫松弛能力對(duì)保證裂縫修補(bǔ)效果具有重要意義.

1 試驗(yàn)方案

國(guó)際上通行以ASTM D5329—04［5］的黏結(jié)試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青路面密封膠的低溫性能.我國(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《路面橡膠瀝青灌縫膠》（JT／T 740—2009）中的低溫拉伸試驗(yàn)也引自該試驗(yàn).本文參考我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低溫拉伸試驗(yàn)，先進(jìn)行常應(yīng)變拉伸試驗(yàn)，隨后進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn).采用的拉伸試驗(yàn)機(jī)由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、低溫箱和電腦組成，圖1為拉伸試驗(yàn)示意圖.試驗(yàn)的工作原理是通過(guò)螺栓將拉伸試件固定在夾具上，然后通過(guò)傳力桿帶動(dòng)拉伸試件產(chǎn)生位移變形.試驗(yàn)具體過(guò)程是：把如圖2所示的密封膠試件置于低溫箱中保溫不少于4h后，啟動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，以0.05mm· min－1的速度拉伸密封膠試件，位移達(dá)到7.5mm（50%應(yīng)變）后，停止拉伸進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程保持規(guī)定的試驗(yàn)溫度，試驗(yàn)結(jié)束后由電腦自動(dòng)輸出試驗(yàn)過(guò)程的應(yīng)力—時(shí)間曲線(xiàn).

瀝青路面裂縫密封膠按施工溫度可分為加熱型和常溫型兩種.加熱型密封膠是指橡膠瀝青密封膠，是高等級(jí)瀝青路面裂縫修補(bǔ)最常用的材料.我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：加熱型密封膠分為高溫型、普通型、低溫型和嚴(yán)寒型四類(lèi)，分別適用于最低氣溫不低于0，－10，－20，－30℃的地區(qū)，拉伸試驗(yàn)應(yīng)采取對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)溫度.有機(jī)硅密封膠具有優(yōu)越的溫度惰性，不同試驗(yàn)溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果基本上沒(méi)有影響，拉伸試驗(yàn)采用－30℃作為試驗(yàn)溫度.

2 三參數(shù)固體模型

在黏彈性力學(xué)（流變學(xué)）中，蠕變和應(yīng)力松弛是兩個(gè)最基本的力學(xué)行為特征.當(dāng)應(yīng)變恒定時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間而減小的現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力松弛.圖3表示一般應(yīng)力松弛過(guò)程，開(kāi)始時(shí)應(yīng)力衰減很快，而后逐漸降低并趨于某一恒定值.多數(shù)工程材料都具有應(yīng)力松弛能力，對(duì)于裂縫密封膠，應(yīng)力松弛有利于裂縫槽－密封膠體系的安全.冬季降溫時(shí)，密封膠應(yīng)力松弛能力可使降溫收縮產(chǎn)生的溫度應(yīng)力逐漸衰減，從而不至于超過(guò)材料的應(yīng)力允許值而發(fā)生破壞，有利體系安全.

圖3 一般應(yīng)力松弛過(guò)程Fig.3 Stress relaxation

材料的黏彈性性質(zhì)，可采用模型理論來(lái)表示和描述.這些力學(xué)模型是由離散的彈性元件（彈簧）和黏性元件（黏壺）按不同連接方式組合而成［6］.文獻(xiàn)［7］經(jīng)過(guò)比較分析，選擇了三參數(shù)固體模型作為密封膠的黏彈性理論模型.該模型如圖4所示，其由一個(gè)彈性元件和一個(gè)麥克斯維爾模型并聯(lián)而成，微分型本構(gòu)關(guān)系如下所示：

式中：σ，ε分別為模型的應(yīng)力和應(yīng)變；E1，E2分別為模型中彈性元件的彈簧模量；η1為模型中黏性元件的黏度系數(shù)；σ·，ε·分別為應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù).

圖4 三參數(shù)固體模型Fig.4 Three－parameter solid model

在常應(yīng)變速率條件下，式（1）的應(yīng)力解析解為

式中：t為時(shí)間.

考慮常應(yīng)變速率ε′拉伸至σ0～ε0后的松弛過(guò)程，當(dāng)時(shí)間t＞t0時(shí)，則有應(yīng)變速率ε·＝0，代入式（2），可得該模型的應(yīng)力松弛方程為

式中：σ0為松弛階段的初始應(yīng)力，ε0為松弛階段的初始應(yīng)變，t0為常應(yīng)變速率的拉伸時(shí)間.當(dāng)時(shí)間歷程無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，該模型的應(yīng)力趨于有限值E2ε0.

黏彈性模型中，除了彈簧模量E1，E2和黏度系數(shù)η1以外，另外兩個(gè)參數(shù)經(jīng)常用到.一個(gè)是最大松弛比例λ，另一個(gè)是松弛時(shí)間τK，它們與彈簧模量、黏度系數(shù)的關(guān)系式為

因此，圖4所示三參數(shù)固體模型的特征也可用λ，τK和E2來(lái)表征.

3 黏彈性特征參數(shù)分析

選擇四種加熱型密封膠（H1～H4）和兩種有機(jī)硅密封膠（C1～C2）進(jìn)行低溫拉伸試驗(yàn).利用Origin軟件進(jìn)行非線(xiàn)性擬合分析，擬合前首先需要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力歸零處理，對(duì)不同時(shí)刻應(yīng)力值加減一個(gè)常數(shù)，使得t＝0時(shí)，σ＝0.采用三參數(shù)固體模型擬合應(yīng)力松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所得六種材料的應(yīng)力—時(shí)間擬合曲線(xiàn)如圖5所示.圖5中，實(shí)線(xiàn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，虛線(xiàn)為擬合曲線(xiàn).前半段上升曲線(xiàn)為常應(yīng)變拉伸階段，拉伸到50%應(yīng)變后，保持此應(yīng)變恒定，后半段曲線(xiàn)即為應(yīng)力松弛階段.從圖中可以直觀地看出，在拉伸階段，加熱型密封膠呈明顯的黏彈性特征，而有機(jī)硅密封膠接近于虎克彈性體；在松弛階段，加熱型密封膠應(yīng)力松弛得很快，而有機(jī)硅密封膠應(yīng)力松弛得較慢.

圖5 六種材料的應(yīng)力—時(shí)間擬合曲線(xiàn)Fig.5 Stress－time fitting curves of six types of material

擬合曲線(xiàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差主要出現(xiàn)在兩個(gè)局部區(qū)域：在試驗(yàn)初始階段，由于試件安裝誤差出現(xiàn)的偏差；在應(yīng)力松弛起始階段，黏彈性模型理論與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的偏差.忽略這些局部區(qū)域，擬合曲線(xiàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好，表明采用三參數(shù)固體模型分析密封膠的黏彈性力學(xué)行為是可行的.密封膠的黏彈性特征參數(shù)如表1所示.

表1 密封膠的黏彈性特征參數(shù)Tab.1 Viscoelastic parameters of sealants

最大松弛比例λ的物理意義為在趨于無(wú)限時(shí)間段可松弛應(yīng)力占瞬時(shí)加載條件下產(chǎn)生的應(yīng)力σmax的比例.表1中，加熱型密封膠的黏性很大，最大松弛比例都接近于1.也就是說(shuō)，彈簧模量E2遠(yuǎn)小于E1，當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，加載產(chǎn)生的應(yīng)力趨于完全松弛.有機(jī)硅密封膠的黏性較小，最大松弛比例在0.5左右.也就是說(shuō)，當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，加載產(chǎn)生的應(yīng)力只能松弛初始值的一半.通過(guò)比較最大松弛比例可知，有機(jī)硅密封膠的松弛能力只及加熱型密封膠的一半.在各自試驗(yàn)溫度下，六種密封膠的應(yīng)力松弛能力排序?yàn)椋篊1＜C2＜H1＜H2＜H3＜H4.

松弛時(shí)間τK的物理意義為可松弛應(yīng)力降至原值1／e的時(shí)間，也是表示材料松弛性能的一個(gè)特征量.松弛時(shí)間越短，材料松弛能力越強(qiáng).表1中，通過(guò)比較松弛時(shí)間可知，在各自試驗(yàn)溫度下，六種密封膠的應(yīng)力松弛能力排序?yàn)椋篊1＜C2＜H1＜H2＜H3＜H4，與最大松弛比例指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果一致.

由上面分析可知，本文選用六種密封膠進(jìn)行低溫應(yīng)力松弛試驗(yàn)，采用三參數(shù)固體模型的黏彈性特征參數(shù)評(píng)價(jià)不同密封膠的低溫應(yīng)力松弛能力是可行的.但是，該方法也存在兩點(diǎn)不足之處：① 適用于描述材料黏彈性特征的理論模型不是唯一的，不同模型對(duì)應(yīng)的黏彈性參數(shù)含義也不盡相同；② 黏彈性參數(shù)需要對(duì)松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到，擬合過(guò)程復(fù)雜，指標(biāo)的實(shí)用性較差.

4 松弛指數(shù)

為了提出一個(gè)更實(shí)用的應(yīng)力松弛能力評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)上述應(yīng)力松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以拉伸過(guò)程結(jié)束時(shí)刻為起始點(diǎn)，每隔0.5小時(shí)獲取試驗(yàn)的應(yīng)力值（見(jiàn)表2）.

從表2中可以看出，松弛試驗(yàn)的應(yīng)力松弛速率先快后慢，最后趨于穩(wěn)定.比較不同時(shí)刻的應(yīng)力值，不同密封膠的變化趨勢(shì)是基本一致的.采用黏彈性特征參數(shù)雖然可以評(píng)價(jià)密封膠的低溫應(yīng)力松弛能力，但是過(guò)于復(fù)雜，實(shí)用性較差.為了方便地評(píng)價(jià)密封膠的低溫應(yīng)力松弛能力，定義應(yīng)力松弛指數(shù)

表2 松弛過(guò)程的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)Tab.2 The stress data during stress relaxation process

式中：σ0指應(yīng)力松弛起始時(shí)刻的應(yīng)力，kPa；σt指應(yīng)力松弛t時(shí)間后的應(yīng)力，kPa.

松弛時(shí)間越長(zhǎng)，應(yīng)力越趨于穩(wěn)定，但試驗(yàn)所需的時(shí)間也越長(zhǎng).綜合考慮試驗(yàn)精度和可操作性，本文將密封膠松弛指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)條件定為：應(yīng)變量50%，松弛時(shí)間60min.表2給出六種密封膠的松弛指數(shù)分別為46.8，46.9，49.5，55.2，4.8和9.0，在各自試驗(yàn)溫度下，應(yīng)力松弛能力排序?yàn)镃1＜C2＜H1＜H2＜H3＜H4.這個(gè)分析結(jié)果與上文采用最大松弛比例和松弛時(shí)間指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果是一致的.這表明，采用松弛指數(shù)作為密封膠的低溫松弛能力評(píng)價(jià)指標(biāo)是可行的，只需以現(xiàn)行密封膠行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低溫拉伸試驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，然后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理即可.該指標(biāo)的實(shí)用性和可操作性較強(qiáng)，可作為密封膠行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)低溫性能評(píng)價(jià)的一個(gè)補(bǔ)充指標(biāo).

5 結(jié)語(yǔ)

（1）瀝青路面裂縫密封膠的低溫應(yīng)力松弛能力是評(píng)價(jià)密封膠低溫性能的一個(gè)重要指標(biāo)，良好的低溫松弛能力對(duì)保證裂縫修補(bǔ)效果具有重要意義.

（2）進(jìn)行了以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)低溫拉伸試驗(yàn)為基礎(chǔ)的應(yīng)力松弛試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用三參數(shù)固體模型可以理想地?cái)M合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，模型的最大松弛比例和松弛時(shí)間可以有效地評(píng)價(jià)不同密封膠的低溫松弛能力.

（3）提出了松弛指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)采用松弛指數(shù)評(píng)價(jià)密封膠低溫松弛能力與采用黏彈性特征參數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果一致，松弛指數(shù)的實(shí)用性和可操作性較強(qiáng)，可作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低溫性能評(píng)價(jià)的補(bǔ)充.

（4）本文提出松弛指數(shù)作為密封膠低溫性能指標(biāo)，結(jié)合低溫拉伸指標(biāo)和松弛指數(shù)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)密封膠的低溫性能.根據(jù)松弛試驗(yàn)結(jié)果，加熱型密封膠的松弛指標(biāo)要求可高于有機(jī)硅密封膠.相應(yīng)地，為保持在相同地區(qū)獲得相同低溫路用性能，有機(jī)硅密封膠的低溫拉伸試驗(yàn)指標(biāo)要求應(yīng)高于加熱型密封膠.

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