Civil Engineering and Technology December 2013, Volume 2, Issue 4, PP.79-82
Simulated Vehicle Loads of Asphalt Stress Relaxation Testing Research Xingye Zhou 1, 2†, Xudong Wang 1, Xiu Liu 2 1. Key Laboratory of Road Structure & Material MOC, Research Institute of Highway Ministry of Transport, Beijing 100088, China 2. School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China †Email:
zhouxingye1982@163.com
Abstract During the service period of pavement, the stress relaxation of pavement material is cumulated, stacked and inherited under the one-way instantaneous cyclical load. In this process, the mechanical performances of the material, such as modulus and strength, are as affected by the stress relaxation. In order to study the characteristics of asphalt stress relaxation in the case of vehicle loads, the simulation results obtained from the random vehicle loading of a sampled highway as the basis contributing to the investigation on the representative asphalt; by means of MTS equipment and the testing method to simulate asphalt stress relaxation under this case has been designed taking into consideration the analog of vehicle loadings. Experimental results show that the asphalt stress relaxation can be divided into two phases in the case of simulated vehicle loadings: that is, at first the stress decreased rapidly, i.e. that relaxation velocity is faster; then, the curve tends to be flat, namely, relaxation rate slows down. Keywords: Road Engineering; Asphalt Mixture; Vehicle Load; Stress Relaxation; Performance
模拟车辆荷载的沥青混合料应力松弛试验研究* 周兴业 1,2，王旭东 1，刘秀 2 1. 交通运输部公路科学研究院 道路结构与材料交通行业重点实验室（北京），北京 100088 2. 哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090 摘 要：路面的服役过程实际上是单向瞬时车辆荷载反复作用下路面材料应力松弛不断累积和遗传的过程，在这个过程中 材料内部出现的松弛应力会影响路用材料的性能变化。为了研究车辆荷载作用下沥青混合料应力松弛特性，以某高速公 路车辆随机荷载的模拟结果为基础研究了代表性沥青混合料的应力松弛试验特性；采用 MTS 设备综合考虑高速公路货车 随机车辆荷载模拟表达式设计了模拟车辆荷载作用的沥青混合料应力松弛试验方法。试验结果表明，在模拟车辆荷载作 用下沥青混合料的应力松弛试验可以分为两个阶段：第 1 阶段应力下降迅速即松弛速度较快，第 2 阶段曲线趋于平缓即 松弛速度减慢。 关键词：道路工程；沥青混合料；车辆荷载；应力松弛；性能
引言 沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，它的力学行为受到荷载、环境的影响十分显著。车辆荷载是影 响沥青路面服役性能的关键因素之一，其对路面结构和沥青混合料的作用一直是国内外道路工程领域研究 的重点，车辆荷载对沥青路面真实作用的描述和模拟也是一切分析的基础。沥青路面在随机、瞬时车辆荷 载作用下会产生一定的响应。如果荷载小、作用时间短、路面温度低时，荷载卸去后路面的应力、应变和 位移会瞬间消失。而当荷载较大、作用时间长、路面温度较高时，荷载作用结束的瞬间路面会存在一个初 *
基金资助：受中央级公益性科研所基本科研业务费专项资金项目支持资助（2012-9001） 。 - 79 http://www.ivypub.org/cet
始应变量，因沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，当荷载卸去而有应变出现时材料将会出现应力松弛现 象。一般情况下，由于受到荷载大小、环境温度、材料性能等的影响，应力松弛时间是不具有普遍规律性 的，短的几分钟、长的可达数小时或者数天，因此在实际路面中会经常出现单次车辆荷载作用后所产生的 应变尚未完全松弛时，新的车辆荷载已经作用到该断面的路面结构上并产生新的应变响应和应力松弛，两 次应力松弛作用出现累积和叠加。可以说，路面的服役过程实际上就是上述这种情况的多次反复，即单 向、瞬时车辆荷载的反复作用下路面材料应力松弛不断累积、叠加和遗传的过程，在这个过程当中材料内 部出现的松弛应力会引起材料基本性能的变化。因此，笔者认为研究车辆瞬时荷载多次作用下沥青混合料 应力松弛累积、叠加和遗传的特性，是描述和模拟车辆荷载对路面结构真实作用的基础，具有重要的意 义。本文主要以某高速公路车辆随机荷载的模拟结果为基础研究沥青混合料的应力松弛试验。
1
高速公路货车随机车辆荷载模拟 笔者认为，高速公路上行驶的车辆始终是单向、快速前行的，当从道路中选取某一断面时会发现，如
果按照现行《公路沥青路面设计规范》将车轮简化成半径δ=10.65cm 的圆形均布荷载，则速度为 80km/h 的 车辆通过该断面的时间仅为 0.009585 秒≈0.01 秒、是瞬间通过的，实际道路使用过程中承受着千万次以上 这种瞬时车辆荷载的作用。 根据笔者前期的研究工作，通过对某高速公路货车单轴轴载调查结果的统计分析发现，该条高速公路 的货车单轴轴载呈现多峰分布的特点，不能用简单的单峰概率分布密度函数表示，为了模拟随机车重的概 率分布，按照随机过程理论、采用 Monte-Carlo 方法、通过分段多项式曲线拟合了货车单轴轴载的累积分布 函数的反函数，与实测结果相比具有较好的拟合性，见式（1）；采用泊松过程描述了高速公路车辆荷载随 机过程，得到了简化表达式，见式（2）。式（1）、（2）可以综合起来作为高速公路货车随机车辆荷载模 拟表达式。
xj
88.8 j3 - 34.1 j2 10.2 j 0.3(0 j 0.421) 241.7 j3 - 337.2 j2 155.3 j - 21.9(0.421 j 0.689) G 1 ( x j ) 3 2 265.9 j - 618.6 j 537.7 j - 137.0(0.689 j 0.981) 12762.3 j3 - 36443.1 j2 34525.9 j - 10920.7(0.981 j 1) 0 (t 0) F (t ) t (t 0) 1 e
2
(2)
试验材料及组成设计
2.1 沥青材料 本试验采用的是 SBS 改性沥青，其各项技术指标如表 1 所示。 表 1 SBS 改性沥青试验结果 序号
试验项目
1 2 3
针入度（2 5℃，100g，5s） 软化点 T R A B 动力粘度（60℃）
4
运动粘度（135℃）
5 6 7 8 9 10
延度(5℃，5cm/min) 闪点（COC） 弹性恢复 25℃ 溶解度（三氯乙烯） 储存稳定性离析，48h 软化点差 密度（25℃）
（0.1mm） （℃） （ P a ·s ） （P a ·s ） （cm） （℃） （％） （％） （℃） （ g/ c m 3 ）
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(1)
技术 指标 40～60 ＞60 ＞5000
检测 结果 53 77 －
＜3
2
≥20 ≥230 ≥75 ≥99.0 ≤2.5 实测
29.9 317.3 89.1 99.22 1.8 1.032
试验 方法 T0604 T0606 T0620 T0625 T0619 T0605 T0611 T0662 T0607 T0661 T0603
序号
11
试验项目 薄膜加热 试验 （163℃，5h）
质量损失，不大于 （％） 针入度比（25℃） （％） 残留延度（5℃，5cm/min）（cm）
技术 指标 ±1 ≥65 ≥15
检测 结果 -0.09 83.4 17
试验 方法 T0609 T0604 T0605
2.2 矿料级配 所用集料产地、规格、材质分别为：竹篙山料场 0-3mm 石灰岩机制砂；罗成料场 5-10mm 辉绿岩碎 石；罗成料场 10~15mm 辉绿岩碎石。沥青混合料采用 AC-16，级配设计曲线如下表所示。 表 2 AC-16 沥青混合料矿料级配组成 筛孔/mm
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
通过率/%
100
82.6
59.6
30
23.5
18.4
14.5
11.4
8.9
7
2.3 确定最佳沥青用量 为了确定出最佳油石比，成型了油石比为 4.0%、4.4%、4.8%、5.2%、5.6%的 5 组马歇尔试件。马歇尔 试件击实成型温度为 160℃，每个试件击实次数为双面各 75 次。经过马歇尔配合比设计分析，最终确定最 佳油石比为 4.4%。
3
应力松弛试验设计
3.1 试件的制备 本试验主要研究沥青混合料在模拟车辆荷载作用下的应力松弛特性。试件选用 100mm×100 mm 的圆柱 体试件，采用静压法成型。
3.2 应力松弛试验方案 应力松弛是指在应变恒定的条件下，应力随时间衰减的特性。为了模拟车辆荷载的作用，在进行应力 松弛试验时，需要考虑前述提到的高速公路货车随机车辆荷载模拟表达式——式（1）和式（2）。 本试验采用 MTS-810 液压伺服系统，综合考虑式（1）和式（2）进行计算机编程，以完成模拟车辆荷 载作用的加载方式进行应力松弛试验，即：每隔一段时间 t 便对圆柱体试件施加瞬间位移（本试验取 0.3mm），其后保持不变，直至下次施加为止，采集试验过程中的相关参数。根据加载测得的荷载 F、位移 d 及试件面积 A、长度, 相应温度下的瞬时弹性模量 E 为： R F d Fl E / E A l Ad
3.3 试验结果与分析 通过上述试验，笔者开展了 AC-16 沥青混合料的应力松弛试验，试验结果绘于图 1 中。
图 1 模拟车辆荷载作用下 AC-16 沥青混合料应力松弛试验结果 - 81 http://www.ivypub.org/cet
(3)
由图 1 可知，在模拟车辆荷载作用下 AC-16 沥青混合料的应力松弛试验可以分为两个阶段：第 1 阶 段，应力下降迅速，即松弛速度较快；第 2 阶段，曲线趋于平缓，即松弛速度减慢。这是由于在第 1 阶段 中，试件承受着较大的应力，矿料颗粒间要产生较大的相对位移，沥青分子的构象调整剧烈，形成了较大 的内部流动。因第 1 阶段已将大部分应力松弛掉，故第 2 阶段中应力松弛缓慢。
4
结语 本文以某高速公路车辆随机荷载的模拟结果为基础研究了代表性沥青混合料 AC-16 的应力松弛试验特
性。采用 MTS-810 液压伺服系统综合考虑高速公路货车随机车辆荷载模拟表达式设计了模拟车辆荷载作用 的沥青混合料应力松弛试验方法。通过 AC-16 的试验结果表明，在模拟车辆荷载作用下 AC-16 沥青混合料 的应力松弛试验可以分为两个阶段：第 1 阶段，应力下降迅速，即松弛速度较快；第 2 阶段，曲线趋于平 缓，即松弛速度减慢。
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【作者简介】 1
周兴业（1982-），男，汉族，博士，
2
王旭东（1968-），男，汉族，博士，研究员，道路工程，
副研究员，道路工程，哈尔滨工业大学
同济大学毕业。Email: xy.zhou@rioh.cn
毕业。
3
Email: zhouxingye1982@163.com
程，哈尔滨工业大学毕业。Email: 66274251@qq.com
刘秀（1980-），男，汉族，博士，高级工程师，道路工
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