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        水工瀝青混凝土粘彈性能的實(shí)驗(yàn)研究

        2015-05-30 10:48:04葉永向鵬
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年15期
        關(guān)鍵詞:粘彈性

        葉永 向鵬

        摘 要:進(jìn)行水工瀝青混凝土在不同加載應(yīng)力和不同實(shí)驗(yàn)溫度下的單軸蠕變實(shí)驗(yàn),將四種常用粘彈性模型編入非線性擬合程序?qū)θ渥兦€進(jìn)行擬合,得到擬合曲線、模型參數(shù)值及相關(guān)系數(shù),對(duì)比擬合曲線與實(shí)驗(yàn)曲線,分析四種本構(gòu)模型的優(yōu)勢(shì)和不足,選出最優(yōu)模型,并研究其參數(shù)在不同實(shí)驗(yàn)條件下的變化規(guī)律,結(jié)果表明Burgers模型能夠較好地反映蠕變的第一、第二階段特征,可用來(lái)描述水工瀝青混凝土粘彈性能。

        關(guān)鍵詞:水工瀝青混凝土;粘彈性;蠕變實(shí)驗(yàn);Burgers模型;模型參數(shù)

        水工瀝青混凝土是一種由瀝青、骨料和填料組成的混合物,其具有良好的柔性、防滲性和耐久性,常作為防滲體應(yīng)用于瀝青混凝土面板、瀝青混凝土心墻、蓄水庫(kù)防滲護(hù)面及渠道防滲襯砌等水利工程中[1]。同時(shí),它也是一種典型的粘彈性材料,在實(shí)際工作范圍內(nèi)表現(xiàn)為粘彈性體,其粘彈性能與荷載作用時(shí)間、溫度等條件有關(guān)[2]。蠕變實(shí)驗(yàn)是研究瀝青混凝土粘彈性行為的最基本的實(shí)驗(yàn)手段之一[3]。文章通過(guò)蠕變實(shí)驗(yàn),選用常用的四種粘彈性模型對(duì)蠕變曲線進(jìn)行擬合,對(duì)比所得擬合曲線與實(shí)驗(yàn)曲線,分析這四種本構(gòu)模型的優(yōu)勢(shì)和不足,選出最優(yōu)模型,并研究其參數(shù)在不同實(shí)驗(yàn)條件下的變化規(guī)律。

        1 蠕變實(shí)驗(yàn)

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        (1)瀝青:采用SBS改性瀝青,主要技術(shù)指標(biāo)為針入度52(0.1mm),軟化點(diǎn)53.5℃,延度162cm(15℃條件下)。(2)粗骨料:采用玄武巖,主要技術(shù)指標(biāo)為表觀密度2.719g/cm3,吸水率0.8%,針片狀顆粒含量6.8%,黏附性4級(jí)。(3)細(xì)骨料:采用河沙,主要技術(shù)指標(biāo)為表觀密度2.742g/cm3,吸水率0.6%,水穩(wěn)定等級(jí)8級(jí)。(4)填料:采用水泥,主要技術(shù)指標(biāo)為表觀密度為3.223g/cm3,含水率0.16%,親水系數(shù)0.9%。瀝青含量為6%,粗骨料含量為49.8%,細(xì)骨料含量為32.9%,填料含量為11.3%,級(jí)配指數(shù)為0.4。以上原材料技術(shù)指標(biāo)符合《水工碾壓式瀝青混凝土施工規(guī)范(DL/T 5363-2006)和《水工瀝青混凝土施工規(guī)范》(DL/T5363-2006)的要求。

        1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        按照《水工瀝青混凝土施工規(guī)范》(DL/T5363-2006)要求制備試件,試件為101.6mm×87mm(直徑×高)的圓柱體。利用溫度箱、加載裝置和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行單軸蠕變實(shí)驗(yàn),具體方案如下:

        方案1:在實(shí)驗(yàn)溫度為20℃的條件下,分別施加0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa五種加載應(yīng)力。方案2:在加載應(yīng)力為0.1MPa的條件下,實(shí)驗(yàn)溫度保持為20℃、25℃、30℃、35℃、40℃。實(shí)驗(yàn)前,對(duì)試件進(jìn)行預(yù)熱和預(yù)加載,預(yù)熱溫度為規(guī)定的實(shí)驗(yàn)溫度,保持1個(gè)小時(shí)以上,預(yù)加載為0.005MPa,保持5min。實(shí)驗(yàn)時(shí),保載時(shí)間為3500s。每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次,結(jié)果取平均值。

        1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        圖1是在實(shí)驗(yàn)溫度為20℃下,不同加載應(yīng)力的蠕變曲線。從圖中可以看到,蠕變曲線分為兩個(gè)階段。第一階段為在減速蠕變階段,試件受到荷載后,產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性變形值隨加載應(yīng)力的增加而增加,此階段主要表現(xiàn)為彈性變形。第二階段為等速蠕變階段,各蠕變曲線的變形值都隨荷載作用時(shí)間的增長(zhǎng)而緩慢增加,應(yīng)變率保持不變,此階段主要表現(xiàn)為粘性流動(dòng)變形。

        圖2是在加載應(yīng)力為0.1MPa下,不同實(shí)驗(yàn)溫度的蠕變曲線。從圖中可以看到,蠕變曲線同樣分為兩個(gè)階段。在減速蠕變階段,各試件產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性變形值都隨著溫度的增加而增加。在等速蠕變階段,各蠕變曲線的變形值都隨時(shí)間增長(zhǎng)而緩慢增加,應(yīng)變率保持不變。

        2 粘彈性模型

        粘彈性本構(gòu)模型由離散的彈性元件和粘性元件-彈簧和阻尼器-以不同的方式組合而成[4]。彈簧服從胡克定律,阻尼器服從牛頓粘性定律。最簡(jiǎn)單的粘彈性模型由一個(gè)彈簧和一個(gè)阻尼器串聯(lián)或者并聯(lián)而成,這就是Maxwell模型和Kelvin模型。下面介紹四種常用的粘彈性模型,它們是由Maxwell模型和Kelvin模型以不同方式組合而成。

        (1)三參數(shù)固體模型:由一個(gè)Kelvin模型和一個(gè)彈簧串聯(lián)而成,蠕變方程為:

        (2)三參數(shù)流體模型:由一個(gè)Kelvin模型和一個(gè)阻尼器串聯(lián)而成,蠕變方程為:

        (3)四參數(shù)固體模型:由兩個(gè)Kelvin模型串聯(lián)而成,蠕變方程為:

        (4)四參數(shù)流體模型(Burgers模型):由一個(gè)Kelvin模型和一個(gè)Maxwell模型串聯(lián)而成,蠕變方程為:

        3 模型對(duì)比

        利用MATLAB,根據(jù)最小二乘法原理,將四種粘彈性模型編入非線性擬合程序,通過(guò)輸入合適的模型參數(shù)初始值,對(duì)蠕變曲線進(jìn)行擬合,得到擬合曲線、模型參數(shù)值及相關(guān)系數(shù)。

        圖3是四種模型在加載應(yīng)力為0.2MPa下的擬合結(jié)果??梢钥闯觯谇?00s時(shí)間范圍內(nèi),除了三參數(shù)流體模型,其他三種模型都能夠較好擬合蠕變曲線及蠕變初始值。在200s以后,四參數(shù)流體模型依然能較好的擬合減速蠕變階段和等速蠕變階段,而三參數(shù)固體模型和四參數(shù)固體模型都不同程度偏離實(shí)驗(yàn)曲線,其中三參數(shù)固體模型偏離程度更大。三參數(shù)流體模型擬合最差。

        圖4是四種模型在實(shí)驗(yàn)溫度為30℃下的擬合結(jié)果。同樣可以看出,四參數(shù)流體模型能較好擬合蠕變曲線,而其他三種模型都發(fā)生不同程度的偏離。

        不同加載應(yīng)力條件下各模型擬合相關(guān)系數(shù)平均值分別為:三參數(shù)固體模型0.9735;三參數(shù)流體模型0.9525;四參數(shù)固體模型0.9729;四參數(shù)流體模型0.9979。不同實(shí)驗(yàn)溫度條件下各模型擬合相關(guān)系數(shù)平均值分別為:三參數(shù)固體模型0.9759;三參數(shù)流體模型0.9515;四參數(shù)固體模型0.9744;四參數(shù)流體模型0.9967。由模型擬合對(duì)比分析及相關(guān)系數(shù)可知:四參數(shù)流體模型最能反映蠕變第一、第二階段特征,擬合精度高,其次為三參數(shù)固體模型,接著為四參數(shù)流體模型,三參數(shù)流體模型最差。因此,四參數(shù)流體模型,即Burgers模型為最優(yōu)模型,可以用它來(lái)描述水工瀝青混凝土粘彈性行為。

        4 模型參數(shù)研究

        模型參數(shù)是通過(guò)非線性擬合程序循環(huán)反演求得,表1是Burgers模型各參數(shù)的擬合結(jié)果。

        可以看出,模型參數(shù)具有一定規(guī)律性:在不同加載應(yīng)力條件下彈性系數(shù)E1隨著加載應(yīng)力的增加而減小,彈性系數(shù)E2、粘性系數(shù)?濁1和粘性系數(shù)?濁2整體都隨著加載應(yīng)力的增加而增加,而在不同實(shí)驗(yàn)溫度條件下彈性系數(shù)E1、彈性系數(shù)E2、粘性系數(shù)?濁1和粘性系數(shù)?濁2整體都隨著溫度的增加而減小。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        (1)水工瀝青混凝土蠕變曲線在常溫、低應(yīng)力條件下呈現(xiàn)兩個(gè)階段,第一階段主要表現(xiàn)為彈性變形,瞬時(shí)彈性變形隨著加載應(yīng)力和溫度的增加而增加,第二階段主要表現(xiàn)為粘性流動(dòng)變形。(2)Burgers模型能較好地反映水工瀝青混凝土蠕變的第一、第二階段特征,且擬合精度高,可用來(lái)描述水工瀝青混凝土粘彈性行為。(3)Burgers模型參數(shù)中,粘性系數(shù)受加載應(yīng)力和溫度的影響大于彈性系數(shù),且隨著加載應(yīng)力的增加而增加,隨著溫度的增加而減小。

        參考文獻(xiàn)

        [1]岳躍真.水工瀝青混凝土防滲技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

        [2]朱磊.瀝青混合料粘彈性能[D].重慶交通大學(xué),2010.

        [3]楊挺青.粘彈性力學(xué)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1990.

        [4]周光泉.影粘彈性理論[M].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1996.

        作者簡(jiǎn)介:*通訊作者:葉永(1969-),男,教授,博士后, 從事瀝青路面材料力學(xué)行為研究。

        向鵬(1989-),男,研究生,從事水利工程研究。

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