三轴重复加载永久变形试验研究_李谟忍
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（ 1） 重复加载蠕变试验可以较为接近地模拟路 面实际荷载 － 变形的情况，能够充分考虑影响高温 性能的因素中改性沥青延迟弹性恢复性能的作用， 是一种比较科学的试验方法。
（ 2） 流动次数 Fn 与温度的关系没有明显的规 律性，所以，不推荐将它作为评价沥青混合料高温变 形性能的指标。
由图 4 ～ 图 7 可以看出，当荷载作用下的沥青 混合料的温度增加时，沥青混合料的变形量发展相 应也较快，破坏期会提前到来，这说明温度的升高会 加速路面车辙的产生。 2． 2 车辙试验
在 40℃ 、50℃ 、60℃ 下对 GAC － 13、GAC － 20 两 种级配沥青混合料进行车辙试验，试验结果如表 2。
— 86 — 文章编号： 1673 － 6052（ 2015） 10 － 0086 － 05
北方交通 DOI： 10． 15996 / j． cnki． bfjt． 2015． 10． 023
2015 年 第 10 期
三轴重复加载永久变形试验研究
李谟忍1 ，吴 栋1 ，于 峰1 ，但瑞强1 ，何 林2
（ 1． 长沙理工大学交通运输工程学院 长沙市 410114； 2． 95890 部队 武汉市 430022）
摘 要： 考虑沥青混合料在不同温度条件下的车辙情况，充分模拟路面的实际受力情况，进行四种不同级配沥
青混合料（ 分别为 GAC － 13、GAC － 20、GAC － 25 和 ATB － 25） 三轴重复加载永久变形试验，分析和研究沥青混合料
试验参数如下： 预加载： 以 5% 的轴心应力预压 1min； 应力： 标准轴载 0． 7 MPa；
温度水平： 30℃ 、40℃ 、50℃ 、60℃ ； 荷载波形： 半正弦波间歇荷载加载时间为 0． 1 s，间歇时间为 0． 9s。 试件成型方式采取旋转压实成型，试件尺寸为 Φ100 mm × H100 mm。每组试验平行试件为 2 个。 试验前试件在规定的温度保温 3h，试验中在试件上 下两个端面各垫一张 A4 纸，其目的是为了减弱试 件两端约束效应对试验结果和精度的影响。 2 三轴重复加载永久变形试验结果及数据分析 2． 1 三轴重复加载永久变形试验结果 对 GAC － 13、GAC － 20、GAC － 25 和 ATB － 25 四种不同级配沥青混合料在四个温度条件下 （ 30℃ 、40℃ 、50℃ 、60℃ ） 进行试验，试验数据如表 1。
17854 18011 18798 18913 13996 14944 18785 21013 21846 23908 27208 29819 17284 21885 30206 36511
斜率
0． 1087 0． 2228 0． 3123 0． 3988 0． 1047 0． 1764 0． 4170 0． 4741 0． 2356 0． 4905 1． 4825 1． 7826 0． 2357 0． 4767 1． 5859 1． 9915
2015 年 第 10 期
李谟忍等： 三轴重复加载永久变形试验研究
— 89 —
图 8 流动次数 Fn 随温度的变化
图 12 动稳定度随温度的变化
图 9 永久轴向微应变随温度的变化
图 10 车辙深度随温度的变化
高时永久轴向微应变逐渐增加的现象。这与车辙试 验车辙深度随温度变化的规律一致，也与沥青路面 实际使用性能基本吻合，所以永久轴向微应变作为 评价沥 青 混 合 料 高 温 稳 定 性 的 指 标 是 比 较 合 适 的［5］。
表 2 车辙试验数据
级配
温度（ ℃）
动稳定度 动稳定度平均值 （ 次/mm） （ 次/mm）
车辙深度平均值 相对变形率
（ mm）
（ %）
22130
40
21357
20584
15068
GAC － 13 50
15495
15922
11454
60
12661
13868
24876
40
25124
25372
22734
蠕变试 验 采 用 沥 青 混 合 料 基 本 性 能 试 验 仪 SPT，IPC SPT 专 门 用 于 做 美 国 公 路 研 究 计 划 NCHＲP9 － 19 所开发出来的三个候选试验： 静态蠕 变（ Flow time 流变时间） ，重复荷载（ Flow number 流 变次数） 和动态模量（ E* ） 试验，用于精确地评估和 预测沥青混合料路面的路用性能。
GAC － 20 50
23453
24172
23333
60
22519
21705
0． 957
1． 914
1． 102
2． 204
1． 464
2． 928
0． 866
1． 732
0． 914
1． 828
1． 138
2． 276
由试验数据可知： 沥青混合料的动稳定度随温 度的增加表现出减小的趋势，但此趋势变化的幅度 随着温度的不断升高变化的不明显。随着温度的上 升，车辙深度表现出不断上升的趋势，而且上升的趋 势越来越明显。在后面将Biblioteka Baidu与三轴试验的结果进行 比较。 2． 3 温度对各参数的影响
表 1 三轴重复加载永久变形试验数据
序号
级配
应力 温度 流变次数 永久轴向
（ MPa） （ ℃ ） （ Ft）
微应变
1
30
2
40
GAC － 13
3
50
4
60
1
30
2
40
GAC － 20
3
50
4
60
0． 7
1
30
2
40
GAC － 25
3
50
4
60
1
30
2
40
ATB － 25
3
50
4
60
7157 6079 9556 8397 4995 7479 9745 9539 10671 6643 5695 4141 5573 4652 6835 5900
沥青混合料作为一种典型的温度敏感性材料， 当温度变化时，其力学特性和路用性能也会显著变 化。温度也影响车辙的产生与发展，而路面最常见 的破坏形式之一便是车辙［4］。实践表明，在路面温 度较高的情况下，一般路面都会产生车辙损坏。在 路面温度较低时，沥青混合料粘性流动性较高温时 都比较差，所以造成的永久变形也是非常微小的，基 本可以忽略不计。因此，本研究在 30℃ 、40℃ 、50℃ 和 60℃ 四 种 温 度 下，对 四 种 级 配 沥 青 混 合 料 （ GAC － 13、GAC － 20、GAC － 25 和 ATB － 25） 进行 重复加载蠕变试验。流动次数 Fn、永久轴向微应变 和第二阶段的斜率 b2 三个参数随温度的变化规律 如图 8，图 9 和图 10 所示。
图 1 IPC SPT 沥青混合料基本性能仪
经过先前研究人员大量研究，沥青混合料在荷 载作用下的变形大致可以分为三个阶段，他们分别 是迁移期、稳定期、破坏期。
（ 1） 第一个阶段是迁移期，在荷载作用下，应变 会迅速增大，但是同时应变速率随时间增加而逐渐
2015 年 第 10 期
李谟忍等： 三轴重复加载永久变形试验研究
图 11 斜率 b2 随温度的变化
为评价沥青混合料高温稳定性的指标是合适的。 从图 9、图 10、图 11、图 12 可以看到，在加载应
力为 0． 7MPa、温度 60℃ 的情况下，对于四种不同的 混合料的永久轴向微应变和斜率 b2 的区分度都达 到最大，所 以，重 复 加 载 蠕 变 试 验 的 标 准 条 件 设 为 0． 7 MPa、60℃ 比较合适。 3 结论
NCHＲP 报告建议把第三阶段开始点对应的荷 载作用次数定义为流变次数 Fn。永久应变率降低 到最小时，会 保 持 稳 定 一 定 的 时 间，随 后 便 开 始 增 大，开始增大的点对应的荷载作用即定义为流动次 数 Fn。 1． 2 试验方法与试件成型
本文进行三轴重复加载永久变形试验所采用的 主要仪器是 IPC SPT 沥青混合料基本性能仪，其目 的是模拟实际路面材料受力状态和行车荷载特性。 对四种不同级配沥青混合料（ GAC － 13、GAC － 20、 GAC － 25 和 ATB － 25） 在四个高温水平进行性能试 验。
本次的蠕变试验设定的循环次数为 10000 次， 相邻两次加载之间有一个模拟路面相邻两次行车荷 载之间的 0． 9s 的间歇期的回复时间［1］。实际上，这 可以充分地体现改性沥青的延迟弹性在抗高温车辙 过程中的作用。该实验在较为全面地考虑材料的抗 高温变形的情况下，也较为合适地模拟了路面在荷 载反复作用下发生流动变形的过程，所以从该试验 中得到的评价指标可以较好地评测沥青混合料的高 温性能。
— 87 —
图 2 重复加载永久变形试验加载及永久轴向应变示意图
图 3 重复加载永久变形试验数据示例
减小。 （ 2） 第二个阶段是稳定期，在荷载作用下，应变
在保持速率基本不变的情况下稳定增长。 （ 3） 第 三 个 阶 段 是 破 坏 期，在 荷 载 作 用 下，应
变、应变速率随时间的增加而迅速增大，最后会被破 坏［2］。
（ 1） 第一阶段是迁移期，在荷载作用下的沥青 混合料的变形迅速增大，然而应变速率随时间增加 逐渐减小；
（ 2） 第二个阶段是稳定期，在荷载作用下，应变
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北方交通
2015 年 第 10 期
图 4 GAC － 13 不同温度下永久轴向微应变
图 5 GAC － 20 不同温度下永久轴向微应变
由图 8 可以看出，相同的级配，当温度升高时， 流变次数增大减小都会发生，与温度无明显的联系， 没有什么规律可以找出，所以流变次数 Fn 不合适作 为评价沥青高温稳定性的指标。
由图 9 与图 10 可以看出，当荷载一定时，永久 轴向微应变随着温度的升高而逐渐增加，这是因为 混合料内摩擦力减小的缘故，其原因是温度的升高 使沥青混合料中的胶结料沥青软化，因而这也会润 滑 集 料 ，降 低 混 凝 土 的 强 度 ，所 以 会 出 现 当 温 度 升
在标准轴载 0． 7MPa 与不同温度水平作用下的流动变形特性，并将三轴试验与车辙试验的结果进行比较。目的在
于提出能够有效评价沥青混合料高温性能的指标。
关键词： 三轴重复加载永久变形试验； 车辙试验； 蠕变； 重复加载； 动态模量
中图分类号： U416． 03
文献标识码： B
沥青混合料是一种力学性能与温度和荷载密切 相关的粘弹性有机材料。路面发生车辙一般多为正 常的汽车荷载作用下，气温高于 25℃ ，路面温度高 于 40℃ 的高温情况。在我国，路面车辙大部分都发 生在夏季。温度是路面车辙的重要影响因素之一， 所以，对高温下沥青混合料流动变形的影响研究有 很重要的意义。 1 试验原理与方法及试件成型 1． 1 试验原理
SPT 沥青混合料基本性能仪，如图 1 所示。重 复加载永久变形试验是在规定的试验温度下对试件 施加一个重复的每 1． 0 s 为一个加载周期、加载 0． 1 s、间歇 0． 9 s 的轴向半正弦压缩荷载脉冲。试验在 有围压或无围压条件下测定相应时间的永久轴向应 变，如图 2 所示。流变次数 Fn 是指其变化率再次开 始增大时的加载次数，永久轴向应变最小变化率所 对应的加载次数，如图 3 所示。重复加载永久变形 试验可较为贴切地模拟沥青路面的实际荷载的影响 作用，并且也可以模拟车辙的形成过程。
从图 11 ～ 图 12 中可以看到，斜率 b2 随着温度 的增加而增大，温度从 30℃ 增加到 40℃ 时斜率 b2 增 大的幅度相对较小，而从 40℃ 增加到 60℃ 时其增大 的幅度较为明显，说明温度越高斜率增加的幅度越 大［6］。这与动稳定度指标随温度变化的规律一致， 也与沥青路面实际使用性能相吻合，所以斜率 b2 作
为模拟路面的实际受力状态，主要针对沥青混 合料的影响因素中的温度进行研究，对四种级配沥 青混合料（ GAC － 13、GAC － 20、GAC － 25 和 ATB － 25） 进行三轴重复加载永久变形试验，试验结果整 理得到的重复蠕变曲线如图 4 ～ 图 7 所示。
我们可以从图 4 ～ 图 7 的重复蠕变曲线中看 出，在荷载作用下，可以根据荷载作用次数将四种不 同沥青混合料的变形分为三个阶段：
图 6 GAC － 25 不同温度下永久轴向微应变
图 7 ATB － 25 不同温度下永久轴向微应变
会在应变速率基本保持不变的情况下稳定增长； （ 3） 第 三 个 阶 段 是 破 坏 期，在 荷 载 作 用 下，应
变、应变速 率 随 时 间 增 加 迅 速 增 大 且 最 终 达 到 破 坏［3］。
（ 2） 流动次数 Fn 与温度的关系没有明显的规 律性，所以，不推荐将它作为评价沥青混合料高温变 形性能的指标。
由图 4 ～ 图 7 可以看出，当荷载作用下的沥青 混合料的温度增加时，沥青混合料的变形量发展相 应也较快，破坏期会提前到来，这说明温度的升高会 加速路面车辙的产生。 2． 2 车辙试验
在 40℃ 、50℃ 、60℃ 下对 GAC － 13、GAC － 20 两 种级配沥青混合料进行车辙试验，试验结果如表 2。
— 86 — 文章编号： 1673 － 6052（ 2015） 10 － 0086 － 05
北方交通 DOI： 10． 15996 / j． cnki． bfjt． 2015． 10． 023
2015 年 第 10 期
三轴重复加载永久变形试验研究
李谟忍1 ，吴 栋1 ，于 峰1 ，但瑞强1 ，何 林2
（ 1． 长沙理工大学交通运输工程学院 长沙市 410114； 2． 95890 部队 武汉市 430022）
摘 要： 考虑沥青混合料在不同温度条件下的车辙情况，充分模拟路面的实际受力情况，进行四种不同级配沥
青混合料（ 分别为 GAC － 13、GAC － 20、GAC － 25 和 ATB － 25） 三轴重复加载永久变形试验，分析和研究沥青混合料
试验参数如下： 预加载： 以 5% 的轴心应力预压 1min； 应力： 标准轴载 0． 7 MPa；
温度水平： 30℃ 、40℃ 、50℃ 、60℃ ； 荷载波形： 半正弦波间歇荷载加载时间为 0． 1 s，间歇时间为 0． 9s。 试件成型方式采取旋转压实成型，试件尺寸为 Φ100 mm × H100 mm。每组试验平行试件为 2 个。 试验前试件在规定的温度保温 3h，试验中在试件上 下两个端面各垫一张 A4 纸，其目的是为了减弱试 件两端约束效应对试验结果和精度的影响。 2 三轴重复加载永久变形试验结果及数据分析 2． 1 三轴重复加载永久变形试验结果 对 GAC － 13、GAC － 20、GAC － 25 和 ATB － 25 四种不同级配沥青混合料在四个温度条件下 （ 30℃ 、40℃ 、50℃ 、60℃ ） 进行试验，试验数据如表 1。
17854 18011 18798 18913 13996 14944 18785 21013 21846 23908 27208 29819 17284 21885 30206 36511
斜率
0． 1087 0． 2228 0． 3123 0． 3988 0． 1047 0． 1764 0． 4170 0． 4741 0． 2356 0． 4905 1． 4825 1． 7826 0． 2357 0． 4767 1． 5859 1． 9915
2015 年 第 10 期
李谟忍等： 三轴重复加载永久变形试验研究
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图 8 流动次数 Fn 随温度的变化
图 12 动稳定度随温度的变化
图 9 永久轴向微应变随温度的变化
图 10 车辙深度随温度的变化
高时永久轴向微应变逐渐增加的现象。这与车辙试 验车辙深度随温度变化的规律一致，也与沥青路面 实际使用性能基本吻合，所以永久轴向微应变作为 评价沥 青 混 合 料 高 温 稳 定 性 的 指 标 是 比 较 合 适 的［5］。
表 2 车辙试验数据
级配
温度（ ℃）
动稳定度 动稳定度平均值 （ 次/mm） （ 次/mm）
车辙深度平均值 相对变形率
（ mm）
（ %）
22130
40
21357
20584
15068
GAC － 13 50
15495
15922
11454
60
12661
13868
24876
40
25124
25372
22734
蠕变试 验 采 用 沥 青 混 合 料 基 本 性 能 试 验 仪 SPT，IPC SPT 专 门 用 于 做 美 国 公 路 研 究 计 划 NCHＲP9 － 19 所开发出来的三个候选试验： 静态蠕 变（ Flow time 流变时间） ，重复荷载（ Flow number 流 变次数） 和动态模量（ E* ） 试验，用于精确地评估和 预测沥青混合料路面的路用性能。
GAC － 20 50
23453
24172
23333
60
22519
21705
0． 957
1． 914
1． 102
2． 204
1． 464
2． 928
0． 866
1． 732
0． 914
1． 828
1． 138
2． 276
由试验数据可知： 沥青混合料的动稳定度随温 度的增加表现出减小的趋势，但此趋势变化的幅度 随着温度的不断升高变化的不明显。随着温度的上 升，车辙深度表现出不断上升的趋势，而且上升的趋 势越来越明显。在后面将Biblioteka Baidu与三轴试验的结果进行 比较。 2． 3 温度对各参数的影响
表 1 三轴重复加载永久变形试验数据
序号
级配
应力 温度 流变次数 永久轴向
（ MPa） （ ℃ ） （ Ft）
微应变
1
30
2
40
GAC － 13
3
50
4
60
1
30
2
40
GAC － 20
3
50
4
60
0． 7
1
30
2
40
GAC － 25
3
50
4
60
1
30
2
40
ATB － 25
3
50
4
60
7157 6079 9556 8397 4995 7479 9745 9539 10671 6643 5695 4141 5573 4652 6835 5900
沥青混合料作为一种典型的温度敏感性材料， 当温度变化时，其力学特性和路用性能也会显著变 化。温度也影响车辙的产生与发展，而路面最常见 的破坏形式之一便是车辙［4］。实践表明，在路面温 度较高的情况下，一般路面都会产生车辙损坏。在 路面温度较低时，沥青混合料粘性流动性较高温时 都比较差，所以造成的永久变形也是非常微小的，基 本可以忽略不计。因此，本研究在 30℃ 、40℃ 、50℃ 和 60℃ 四 种 温 度 下，对 四 种 级 配 沥 青 混 合 料 （ GAC － 13、GAC － 20、GAC － 25 和 ATB － 25） 进行 重复加载蠕变试验。流动次数 Fn、永久轴向微应变 和第二阶段的斜率 b2 三个参数随温度的变化规律 如图 8，图 9 和图 10 所示。
图 1 IPC SPT 沥青混合料基本性能仪
经过先前研究人员大量研究，沥青混合料在荷 载作用下的变形大致可以分为三个阶段，他们分别 是迁移期、稳定期、破坏期。
（ 1） 第一个阶段是迁移期，在荷载作用下，应变 会迅速增大，但是同时应变速率随时间增加而逐渐
2015 年 第 10 期
李谟忍等： 三轴重复加载永久变形试验研究
图 11 斜率 b2 随温度的变化
为评价沥青混合料高温稳定性的指标是合适的。 从图 9、图 10、图 11、图 12 可以看到，在加载应
力为 0． 7MPa、温度 60℃ 的情况下，对于四种不同的 混合料的永久轴向微应变和斜率 b2 的区分度都达 到最大，所 以，重 复 加 载 蠕 变 试 验 的 标 准 条 件 设 为 0． 7 MPa、60℃ 比较合适。 3 结论
NCHＲP 报告建议把第三阶段开始点对应的荷 载作用次数定义为流变次数 Fn。永久应变率降低 到最小时，会 保 持 稳 定 一 定 的 时 间，随 后 便 开 始 增 大，开始增大的点对应的荷载作用即定义为流动次 数 Fn。 1． 2 试验方法与试件成型
本文进行三轴重复加载永久变形试验所采用的 主要仪器是 IPC SPT 沥青混合料基本性能仪，其目 的是模拟实际路面材料受力状态和行车荷载特性。 对四种不同级配沥青混合料（ GAC － 13、GAC － 20、 GAC － 25 和 ATB － 25） 在四个高温水平进行性能试 验。
本次的蠕变试验设定的循环次数为 10000 次， 相邻两次加载之间有一个模拟路面相邻两次行车荷 载之间的 0． 9s 的间歇期的回复时间［1］。实际上，这 可以充分地体现改性沥青的延迟弹性在抗高温车辙 过程中的作用。该实验在较为全面地考虑材料的抗 高温变形的情况下，也较为合适地模拟了路面在荷 载反复作用下发生流动变形的过程，所以从该试验 中得到的评价指标可以较好地评测沥青混合料的高 温性能。
— 87 —
图 2 重复加载永久变形试验加载及永久轴向应变示意图
图 3 重复加载永久变形试验数据示例
减小。 （ 2） 第二个阶段是稳定期，在荷载作用下，应变
在保持速率基本不变的情况下稳定增长。 （ 3） 第 三 个 阶 段 是 破 坏 期，在 荷 载 作 用 下，应
变、应变速率随时间的增加而迅速增大，最后会被破 坏［2］。
（ 1） 第一阶段是迁移期，在荷载作用下的沥青 混合料的变形迅速增大，然而应变速率随时间增加 逐渐减小；
（ 2） 第二个阶段是稳定期，在荷载作用下，应变
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北方交通
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图 4 GAC － 13 不同温度下永久轴向微应变
图 5 GAC － 20 不同温度下永久轴向微应变
由图 8 可以看出，相同的级配，当温度升高时， 流变次数增大减小都会发生，与温度无明显的联系， 没有什么规律可以找出，所以流变次数 Fn 不合适作 为评价沥青高温稳定性的指标。
由图 9 与图 10 可以看出，当荷载一定时，永久 轴向微应变随着温度的升高而逐渐增加，这是因为 混合料内摩擦力减小的缘故，其原因是温度的升高 使沥青混合料中的胶结料沥青软化，因而这也会润 滑 集 料 ，降 低 混 凝 土 的 强 度 ，所 以 会 出 现 当 温 度 升
在标准轴载 0． 7MPa 与不同温度水平作用下的流动变形特性，并将三轴试验与车辙试验的结果进行比较。目的在
于提出能够有效评价沥青混合料高温性能的指标。
关键词： 三轴重复加载永久变形试验； 车辙试验； 蠕变； 重复加载； 动态模量
中图分类号： U416． 03
文献标识码： B
沥青混合料是一种力学性能与温度和荷载密切 相关的粘弹性有机材料。路面发生车辙一般多为正 常的汽车荷载作用下，气温高于 25℃ ，路面温度高 于 40℃ 的高温情况。在我国，路面车辙大部分都发 生在夏季。温度是路面车辙的重要影响因素之一， 所以，对高温下沥青混合料流动变形的影响研究有 很重要的意义。 1 试验原理与方法及试件成型 1． 1 试验原理
SPT 沥青混合料基本性能仪，如图 1 所示。重 复加载永久变形试验是在规定的试验温度下对试件 施加一个重复的每 1． 0 s 为一个加载周期、加载 0． 1 s、间歇 0． 9 s 的轴向半正弦压缩荷载脉冲。试验在 有围压或无围压条件下测定相应时间的永久轴向应 变，如图 2 所示。流变次数 Fn 是指其变化率再次开 始增大时的加载次数，永久轴向应变最小变化率所 对应的加载次数，如图 3 所示。重复加载永久变形 试验可较为贴切地模拟沥青路面的实际荷载的影响 作用，并且也可以模拟车辙的形成过程。
从图 11 ～ 图 12 中可以看到，斜率 b2 随着温度 的增加而增大，温度从 30℃ 增加到 40℃ 时斜率 b2 增 大的幅度相对较小，而从 40℃ 增加到 60℃ 时其增大 的幅度较为明显，说明温度越高斜率增加的幅度越 大［6］。这与动稳定度指标随温度变化的规律一致， 也与沥青路面实际使用性能相吻合，所以斜率 b2 作
为模拟路面的实际受力状态，主要针对沥青混 合料的影响因素中的温度进行研究，对四种级配沥 青混合料（ GAC － 13、GAC － 20、GAC － 25 和 ATB － 25） 进行三轴重复加载永久变形试验，试验结果整 理得到的重复蠕变曲线如图 4 ～ 图 7 所示。
我们可以从图 4 ～ 图 7 的重复蠕变曲线中看 出，在荷载作用下，可以根据荷载作用次数将四种不 同沥青混合料的变形分为三个阶段：
图 6 GAC － 25 不同温度下永久轴向微应变
图 7 ATB － 25 不同温度下永久轴向微应变
会在应变速率基本保持不变的情况下稳定增长； （ 3） 第 三 个 阶 段 是 破 坏 期，在 荷 载 作 用 下，应
变、应变速 率 随 时 间 增 加 迅 速 增 大 且 最 终 达 到 破 坏［3］。