级配理论

（2）沥青混合料的散体颗粒性特征沥青混合料颗粒性力学特性（参见图2—3）表现为：(1)材料的力学特性与其压实度有关，一般随着压实度的增加，其强度与刚度均会增加；(2)材料的力学特征与三轴实验的围压σ3有关，围压增大时，沥青混合料强度与刚度也增加。

有关研究结果表明[4]，沥青混合料强度、刚度与压实度、围压有良好的线性关系。

正因为沥青混合料具有典型的颗粒性材料特性，所以传统上常用摩尔——库仑Mohr-Coulomb［5］强度理论来表征沥青混合料的力学强度。

根据Mohr-Coulomb理论，沥青混合料的力学强度主要来源于骨料颗粒间的摩擦力和嵌挤力、沥青胶结料的粘结力，并引进两个强度参数，即粘聚力C和摩阻角θ，以此作为强度理论的分析指标。

通常用三轴试验、简单拉压或直剪试验确定C、θ值。

σ压围实压度ε图2—3 沥青混合料的颗粒力学特征在此引用文献［5］的有关试验数据资料进行分析，见表2—1。

围压σ3（Mpa）σ1（普通沥青混合料）（Mpa）σ1（改性沥青混合料）（Mpa）备注0 0.2 0.4 2.292.893.532.6253.193.84沥青用量7.3%，温度230C，压实度93.6%，加载速率1%/min加载速率（%/min）0.25 1 4 2.452.893.6952.693.194.105沥青用量7.3%，温度230C，压实度93.6%，围压0.2Mpa若用传统的Mohr-Coulomb理论模型表征沥青混合料的力学特性，则沥青混合料的力学模型为：τ=σ·tgθ+ C，（式中τ为沥青混合料的抗剪强度，σ为材料受到的正应力）。

对表2—1的数据用应力圆表示为图2—4（a）、（b）。

从图（a）中可见，改性沥青和普通沥青的混合料θ值相差很小（分别为30.34°、30.82°），C值则有较大差异（前者C=0.748Mpa，后者为0.648Mpa），其原因是这两种混合料的集料级配和压实度相同（所以摩擦角θ值相近），而沥青结合料性质不同（改性沥青因为粘度大而C值较大，故凝聚力有差异，）。

从图（b）中发现：变化加载速率的应力圆公切线却为一垂直线，说明Mohr-Coulomb理论不能很好解释沥青混合料在不同应变速率条件下强度不同的现象（即流变性），另一方面也表明强度公式τ=σ·tgθ+ C成立是有前提条件的（在应变速率和温度不变的条件下）。

示意图2—4（c）则显示加载速率增加后，沥青混合料的C值增加较大，θ值变化很小，表明C值对加载速率有较大相关性。

另外，沥青混合料的C值与温度也有较大的相关性（温度升高，C值降低），因此可以推知，C值具有粘性性质[8] [9]。

（a）（b）小加载速率大加载速率 S （σ2）σ （σ1） σσ=σ1+σ2η（c ） （d ）图2—4 沥青混合料三轴试验结果分析图示若用流变学理论对沥青混合料的力学特征进行表述，则沥青混合料的力学模型有许多种，在此仅考察沥青混合料的粘塑性（描述沥青混合料达到破坏的第III 区域，见图2—2），并假设此时沥青混合料的力学模型为并联的Bingham 宾汉姆模型，如图2—4（d ）所示。

0=ε σ2＜SS +⋅=•εησ σ2≥S式中 ε 为材料的应变，.ε为材料的应变率，σ为材料受到的应力，η 为沥青混合料的粘性参数，S 为沥青混合料的塑性参数，σ2为并联Bingham 模型中塑性元件上分担的应力。

回归得Bingham 模型的参数η、S 为：普通沥青η=0.3138MPa ·min S=2.4625 Mpa （r=0.9863） 改性沥青η=0.3567MPa ·min S=2.7042Mpa （r=0.9863）从η、S 参数分析结果看出，改性沥青混合料的两个粘塑性参数指标均高于普通沥青混合料，这与混合料的实际路用性能规律相同，表明用流变学模型同样能分辨出沥青混合料的优劣，有较好的说服力。

当然流变学模型也不是十全十美，它不能反映沥青混合料的散体颗粒特征（材料的强度与围压和压实度有关）。

从上面的分析可知，Mohr-Coulomb 模型能较好反映沥青混合料的散体特性，且Mohr-Coulomb 模型的C 值具有粘性性质，在本例中，混合料的C 值大小规律与其流变学模型参数变化趋势一致（改性沥青混合料的C 值较普通沥青混合料的大，η、S 参数也是如此），由此可推论：参数C 与η、S 流变参数之间可能存在某种联系，用C= C （η，s ）表示，所以，对沥青混合料的强度可用式τ=σ·tg θ+ C （η，s ） 表示。

θ表征沥青混合料的颗粒特性，C（η，s）表征混合料的流变特性C（η，s）（不为常数，而是与温度、加载速率有关的变量，因为η、S都是温度的函数），这样就可把沥青混合料的流变性和颗粒性都体现出来。

2.2 沥青混合料的强度机理对于沥青混合料的强度形成理论有传统的表面理论和近代的胶浆理论。

表面理论认为沥青混合料是由矿质骨架（由粗集料、细集料和填料组配而成）和沥青组成，沥青分布在矿质骨架表面，将矿质骨架胶结成为具有强度的整体；胶浆理论则认为沥青混合料是一种3级空间网状结构的分散系：以粗集料为分散相分散在沥青砂浆中，沥青砂浆则以细集料为分散相分散在沥青胶浆中，沥青胶浆又以填料为分散相分散在沥青介质中。

这3级分散系以沥青胶浆最为重要，它的组成结构决定了沥青混合料的高低温性能[7]。

普遍观点认为，构成沥青混合料强度因素包括两方面，即由矿质颗粒之间的内摩阻力和嵌挤力，以及沥青胶结料及其与矿料之间的粘结力和内聚力所构成。

影响沥青混合料强度的因素与构成沥青混合料结构特性的因素（见图2—1所示）是一致的，这些因素包括：1）沥青结合料沥青结合料对沥青混合料强度的影响主要表现在沥青用量和粘度两方面。

沥青混合料强度与沥青用量有很大关系，在材料性能相同的情况下，沥青用量过高或过低都会降低混合料的强度。

沥青用量太大时，自由沥青过多，沥青膜厚，混合料中空隙率太低，此时矿料颗粒被互相分离，粘结力主要由自由沥青产生，这会使混合料强度降低；反之，则不足以形成理想的沥青膜裹覆矿料，故混合料强度较低，同时还缺乏足够的耐久性。

所以在设计混合料时，沥青用量要适度，由此而产生了最佳沥青用量。

2）矿质集料矿质集料对混合料强度的影响主要有矿料级配类型、矿料物理特性等。

混合料强度与集料级配组成有密切关系，一般而言，具有良好级配的沥青混合料，既有坚实的矿质骨架网络，密实度也相对较高，所以路用性能较好。

此外混合料中矿料表面的粗糙度及微孔隙、形状、酸碱性均对混合料强度有明显影响。

根据表面理论，沥青混合料的强度由两部分构成：一部分是矿质集料骨架的强度，表现为颗粒材料的摩擦阻力，由摩阻角θ表示；一部分是沥青的胶结强度，表现为粘结力、粘聚力、抗拉力，用粘聚力C表示。

矿质集料属于散体材料，其强度（在一定约束条件下抵抗应力应变作用的能力）主要源于散体颗粒间的接触压力和接触表面摩擦力，颗粒间的摩擦力性质与固体表面摩擦力性质完全一样，矿质集料的强度是大量固体颗粒材料的压应力、摩擦力矢量和。

根据固体摩擦力学可知，摩擦力的本源是固体表面的微观不平整纹理的存在，粗糙的表面有咬合、锁结等阻止物体发生相对移动的作用，即能产生摩擦力；摩擦力大小不但与表面的粗糙度（用表面粗糙度系数f表示）有关，而且与固体接触面上的垂直压力N有关，即摩擦力F=f·N。

如果将表面粗糙度系数f用正切函数tgθ表示，则表面的粗糙度可用摩阻角θ来区分。

对于散体颗粒材料摩阻角θ则度量了材料内部颗粒之间的综合表面粗糙度和颗粒形状，摩阻角θ的大小决定了矿质集料的抗剪切应力的能力。

根据摩尔——库仑准则，材料的抗剪强度 =σ·tgθ，σ为材料的正应力，为外部施加的力，属于抗剪强度的外因，而tgθ则为材料的本质属性，为抗剪强度的内因。

对于沥青胶结料，其强度本源则来自于沥青分子胶团之间的吸引力，这些吸引力的大小决定了沥青凝聚力C的数值大小。

沥青胶团之间的吸引力与温度、沥青分子量、沥青分子胶团的结构、化学键之间的作用大小等因素有关。

当然，沥青混合料的强度参数C、θ绝不是沥青的粘结力C和矿质集料的θ的简单组合，它们是相互作用，相互影响的。

根据胶浆理论，则沥青混合料的强度由分散系中分散相数量多少和分散介质的强度性质决定：分散相数量越多，分散系的模量就越大，则混合料的抗压强度越大；分散介质的稠度越大，混合料的抗拉强度就越大。

胶浆理论认为在沥青混合料的3级分散系中，沥青胶浆（填料和沥青组成，又称细胶泥）对混合料强度起着决定性作用，因此，改善沥青混合料路用性能应该主要从改善沥青胶浆性能入手。

表面理论根据混合料矿质骨架的特点把沥青混合料分为了上述的三种结构组成类型，即悬浮—密实结构，骨架—空隙结构，骨架—密实结构。

传统观点认为，悬浮—密实结构沥青混合料的摩阻角θ较小粘聚力C较大，整体强度主要取决于混合料的粘聚力C，所以抗拉强度较大而抗压能力较弱，竖向变形较大，粘结力C随温度升高衰减幅度较大而高温稳定性能较差，但空隙率小，密实防水而水稳性耐久性好；骨架—空隙结构，则是摩阻角θ较大而粘聚力C太小，故高温稳定性好而低温抗裂能力弱，水稳性和耐久性差；骨架—密实结构不仅具有较高粘聚力C，摩阻角θ也较大，整体强度很大，性能很好，不仅高温稳定性、水稳性、耐久性好，而且低温抗裂能力强。

传统观点认为摩阻角θ在提高混合料的高温稳定性能方面起着重要作用（因为摩阻角θ的温度敏感性较小），粘聚力C则在抗剪切、抗弯拉等荷载作用中发挥较大影响。

摩阻角θ的大小主要由矿质集料结构决定，粘聚力C则主要受沥青的粘度和沥青与矿粉的相互作用影响。

在沥青及沥青混合料质量有较大提高的今天，沥青路面的各种高温病害并未成为历史，随着车辆轴重不断增加，因混合料高温稳定性不足产生的病害一直是沥青路面的主要病害之一。

因此，按传统强度观念，为增强混合料的高温抗车辙能力，应该首先优化矿质集料级配，以增加混合料的摩阻角θ。

所以如今的沥青混合料发展趋势是粗集料含量不断增加（从AC-I 到AC-II、AK、SAC，再发展到如今的SMA），以期形成抗车辙的粗集料骨架。

而大量实验资料[3][5][6]分析表明：沥青混合料级配的改变对摩阻角θ影响较小，而对粘聚力C影响较大；同时矿料性质、沥青品质和沥青用量对粘聚力C的影响也相对较大。

由此可见，采用性能更为优良的改性沥青对于提高沥青路面的高温稳定性能将更为有效。

胶浆理论认为，在影响沥青混合料强度的因素中，起主要作用的是沥青胶浆分散介质的性质，沥青胶浆分散介质的组成结构决定了混合料的高温稳定性和低温抗裂能力。

因此胶浆理论更加重视沥青的稠度和沥青与矿粉的相互作用，而粗集料等分散相对混合料的强度影响，是通过其数量增减改变了分散介质模量表现出来的。