摘要：瀝青混合屬于一種典型的粘彈性材料，路面結(jié)構(gòu)的粘彈性力學(xué)行為可以較好的反映荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況。本文結(jié)合最新瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，介紹了研究瀝青粘彈性力學(xué)行為的意義，分析了影響瀝青路面粘彈性力學(xué)響應(yīng)的因素，介紹了表征粘彈性力學(xué)行為的力學(xué)模型。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；粘彈性；影響因素；力學(xué)模型

1  瀝青路面粘彈性力學(xué)研究意義

瀝青路面以其優(yōu)良的行車性能而獲得青睞，成為各國(guó)公路建設(shè)路面結(jié)構(gòu)形式的首選，新建路面90％以上采用了半剛性基層瀝青路面。但是，瀝青路面早期破壞嚴(yán)重問題，即在沒有達(dá)到設(shè)計(jì)年限，就由于反射裂縫、溫度裂縫、車轍、剝離、泛油、水損害等原因喪失其良好的行車性能。其中尤以開裂和車轍最為普遍嚴(yán)重。

路面設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是確保其壽命期間不發(fā)生不可接受的損壞，這是不同設(shè)計(jì)方法的共同目標(biāo)。選擇合適的分析方法來對(duì)瀝青面層中的應(yīng)力進(jìn)行定量分析是十分必要的。過去，大多采用多層彈性層狀體系的解析解，采用靜態(tài)模量對(duì)路面進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)存在很大局限性。因此，現(xiàn)行規(guī)范提出瀝青混合料層采用動(dòng)態(tài)模量作為力學(xué)計(jì)算的基本力學(xué)指標(biāo)，與靜態(tài)模量相比，以動(dòng)態(tài)模量表征瀝青混合料的材料特性能更好地接近路面的工作狀態(tài)。因此從路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)出發(fā)，深入研究瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量及動(dòng)態(tài)特性具有十分重要的意義。

2  影響瀝青路面粘彈性力學(xué)響應(yīng)的因素分析

2.1瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的獲得途徑

瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)是研究混合料試件在不同溫度、不同荷載作用頻率以及不同加載方式下瀝青混合料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以較好地了解瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)隨溫度和時(shí)間的變化規(guī)律，可采用簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)（SPT）測(cè)試瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，也可以采用UTM試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，還可采用萬能試驗(yàn)機(jī)（保證豎向變形測(cè)試準(zhǔn)確）。測(cè)試動(dòng)態(tài)模量的試驗(yàn)往往費(fèi)用較高，規(guī)范中規(guī)定了三種水平：水平一是通過室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)測(cè)確定，宜適用于通過室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)測(cè)確定（設(shè)計(jì)階段可采用水平二或三）；水平二是利用已有經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式確定，水平三參照典型數(shù)值確定，水平二和三可用于二級(jí)或二級(jí)以下公路采用。不同方式獲得的瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量存在一定的差距，有條件的情況下對(duì)實(shí)際使用材料進(jìn)行測(cè)試可以提高道路設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量。

2.2 動(dòng)態(tài)模量影響因素研究

瀝青混合料作為典型的粘彈性材料，當(dāng)受到不同溫度和頻率的影響時(shí)，瀝青混合料在會(huì)呈現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì)。或者呈現(xiàn)彈性性質(zhì)，或者呈現(xiàn)粘塑性性質(zhì)，而正常情況下瀝青混合料會(huì)同時(shí)呈現(xiàn)上述兩種性質(zhì)即粘彈性性質(zhì)。而若研究瀝青混合料的粘彈性性質(zhì)，材料的蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象就需要被我們研究。在保證其它條件不變的情況下，由瀝青混合料的蠕變?cè)囼?yàn)我們可以發(fā)現(xiàn)粘彈性材料的變形會(huì)受到時(shí)間和應(yīng)力的影響。當(dāng)施加的作用力很小時(shí)，直至小于彈性極限或屈服極限的時(shí)候，一部分變形在應(yīng)力作用后瞬時(shí)產(chǎn)生，并在應(yīng)力撤除之后瞬時(shí)消失，我們稱這種變形為彈性變形，在這一范圍內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系為直線關(guān)系。而另一部分變形受應(yīng)力作用時(shí)間的影響，隨著時(shí)間的增加緩慢變大，變形在應(yīng)力撤銷后會(huì)隨著時(shí)間增加而緩慢消失，我們稱這部分變形稱為粘彈性變形。但是當(dāng)瀝青混合料受力較大時(shí)（高于彈性極限和屈服點(diǎn)），因其有很短的受力作用時(shí)間，材料會(huì)呈現(xiàn)彈性或者兼有一部分粘彈性的性質(zhì)。而在很長(zhǎng)的時(shí)間時(shí)，材料的變形除了有瞬時(shí)彈性變形和粘彈性變形之外，還會(huì)有粘塑性變形。部分變形不會(huì)在應(yīng)力撤除之后恢復(fù)，我們稱之為塑性變形。而瀝青混合料應(yīng)力一應(yīng)變狀態(tài)下的應(yīng)力松弛特性的了解有助于我們了解瀝青混合料的工作狀況。應(yīng)力松弛的定義是可變形的物體在恒定應(yīng)變下條件時(shí)，此物體的應(yīng)力隨時(shí)間下降的過程。荷載作用時(shí)間與應(yīng)力松弛時(shí)間的比值可以決定瀝青混合料是彈性還是粘塑性，若荷載作用時(shí)間遠(yuǎn)大于應(yīng)力松弛時(shí)間，混合料表現(xiàn)為粘塑性。若荷載作用時(shí)間遠(yuǎn)小于應(yīng)力松弛時(shí)間，混合料則表現(xiàn)為彈性。而當(dāng)荷載作用時(shí)間等于應(yīng)力松弛時(shí)間，就會(huì)表現(xiàn)為粘彈性。

瀝青混合料呈現(xiàn)出粘彈性的溫度范圍是比較寬泛的。而動(dòng)態(tài)模量與蠕變?nèi)崃亢退沙谀Ａ靠梢悦枋龌旌狭险硰椥孕再|(zhì)。這些基本參數(shù)可以描述多種性質(zhì)包括：材料的非線性粘彈性質(zhì)、破壞特性以及材料的線性粘彈性性質(zhì)。而它們都能表征材料基本的蠕變和松弛特性，也可以說這三個(gè)參數(shù)所包含的信息是相同的。那么也就是這三個(gè)參數(shù)是可以相互轉(zhuǎn)換的。但是在實(shí)際的試驗(yàn)當(dāng)中，難以實(shí)現(xiàn)的是直接測(cè)量松弛模量的恒應(yīng)變松弛試驗(yàn)。雖然要實(shí)現(xiàn)測(cè)量蠕變?nèi)崃康暮銘?yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)相比較容易，可是同樣的存在問題，那就是一個(gè)真正的矩形荷載在試驗(yàn)中不可能被得到。不論任何儀器，讓施加的荷載達(dá)到目標(biāo)值都是需要時(shí)間的，這就使誤差產(chǎn)生了。與以上兩個(gè)試驗(yàn)相比，容易實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)是測(cè)量動(dòng)態(tài)模量，還能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精確度。

3  表征粘彈性力學(xué)行為的力學(xué)模型

1）基本力學(xué)元件

（1）彈簧[H]

彈簧代表胡克彈性體，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律，在t₀時(shí)刻施加一恒定荷載，彈簧會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生變形ε并保持不變，在t₁時(shí)刻撤除外力后彈簧的變形ε也立即完全恢復(fù)。

（2）粘壺[N]

粘壺在外力施加的瞬時(shí)不會(huì)瞬間使粘性液體產(chǎn)生變形流動(dòng)，保持外力不變，粘壺的粘性液體將與時(shí)間成比例持續(xù)發(fā)生流動(dòng)變形，且卸去荷載后變形不能夠恢復(fù)。

（3）Kelvin元件[K]

開爾文元件是由一個(gè)彈簧與一個(gè)粘壺并聯(lián)而成的基本元件。[K]可以用來模擬瀝青混合料的蠕變和延遲彈性，進(jìn)一步的分析瀝青混合料中粘性成分與彈性成分的比例。當(dāng)在[K]元件上施加一外荷載σ時(shí)，由于粘壺[N]的限制，彈簧[H]不會(huì)在施加外荷載的瞬間產(chǎn)生變形，應(yīng)力全部由粘壺承擔(dān)，隨時(shí)間增加[N]發(fā)生粘性流動(dòng)，[H]和[N]一起緩慢變形，兩者的變形量相同。[K]元件所承受的應(yīng)力等于[H]和[N]分別承受的應(yīng)力之和。

（4）Maxwell元件[M]

Maxwell元件是由一個(gè)彈簧與一個(gè)粘壺串聯(lián)而成的基本元件。[M]元件的本構(gòu)方程可按照各截面的應(yīng)力相等、應(yīng)變兩者相加的原則建立。這一元件常用來模擬應(yīng)力松弛。

2）典型本構(gòu)方程

[K]元件和[M]元件是描述瀝青混合料粘彈性力學(xué)應(yīng)為的重要部件，但是瀝青混合料本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各單一元件不能有效地表征瀝青混合料的力學(xué)行為：[K]元件只適合描述材料的蠕變行為而無法表達(dá)松弛過程，而[M]元件僅適合描述應(yīng)力松弛行為而無法表征材料的延遲彈性彈性。

（1）Burgers模型

Burgers模型是由[K]元件和[M]元件串聯(lián)而成，可以描述彈性變形、粘彈性變形和粘性變形。Burgers模型中，Maxwell元件中的E₁為瞬時(shí)彈性模量，表征了瀝青混合料在高速荷載作用下抵抗變形的能力，產(chǎn)生的變形在卸載后可完全恢復(fù)；粘性參數(shù)η₁反映了材料抵抗產(chǎn)生永久變形的能力，其值越大，產(chǎn)生的永久變形越小。Kelvin元件的彈性模量E₂和η₂表征了卸載后隨時(shí)間推移能逐漸恢復(fù)的變形。Burgers模型具備了瞬時(shí)彈性和無限遠(yuǎn)時(shí)間內(nèi)的粘性流動(dòng)性質(zhì)。

（2）Maxwell模型

廣義的Maxwell模型是由一個(gè)彈簧[H]和若干個(gè)[M]并聯(lián)而成，可以用來描述較為復(fù)雜的松弛行為。

3  小結(jié)

瀝青路面粘彈性力學(xué)分析的主要力學(xué)參數(shù)之一為動(dòng)態(tài)模量，動(dòng)態(tài)模量可以有多種方法測(cè)試得到，SPT簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的結(jié)果較為精確，可以根據(jù)不同的研究問題選擇不同的模型進(jìn)行描述，使得瀝青路面粘彈性力學(xué)分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。

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