沥青混合料力学性能指标2

10.2 沥青路面材料的力学特性与温度稳定性——这三个你仔细看一下吧
10.2.1 沥青混合料的强度特性
表征沥青混合料力学强度的参数是：抗压强度、抗剪强度和抗拉（包括抗弯拉）强度。

一般沥青混合料均具有较高的抗压强度，而抗剪和抗拉强度则较低。

因此，沥青路面的损坏，往往是由拉裂或滑移开始而逐渐扩展。

1、抗剪强度(shearing strength)
沥青混合料的剪切破坏可按摩尔一库仑原理进行分析。

材料在外力作用下如不产生剪切破坏，则应具备下列条件：
τmax< σ tg φ+c （2-4）
式中：τmax — 在外荷载作用下，某一点所产生最大的剪应力；
σ — 在外荷载作用下，在同一剪切面上的正应力；
c — 材料的粘结力；
φ — 材料的内摩阻角；
在沥青路面的最不利位置取一单元体，设其三个方向的主应力为σ1、σ2和σ3，且σ1>σ2>σ3。

由于单元体中最不利的剪切条件取决于σ1和σ3，故仅根据σ1和σ3分析单元体的应力状况。

图2-17为单元体应力状况的摩尔圆。

图2-17 应力状况摩尔圆图 图2-18 三轴剪切实验装置 1-压力环；2-活塞；3-出水口；4-保温罩；5-进水口；6-接压力盒；7-试件；8-接水银压力计
从图2-17可得： ()φσστcos 2131-=
（2-5）
()φφφσσσ2231sin cos 21tg c -+= （2-6）
将式(2-5)、(2-6)代人式(2-4)得： ()()[]c
≤+--φσσσσφsin cos 213131 （2-7a ） ()c
tg ≤--φτσφτmax max cos (2-7b)
式(2-7a)或(2-7b)为沥青路面材料强度的判别式。

式左端称为活动剪应力，当活动剪应力等于粘结力c 时，材料处于极限平衡，若大于粘结力c ，材料出现塑性变形。

根据式(2-7a)或(2-7b)可求得沥青路面材料应具有的c 和Φ值。

c 和Φ值可通过三轴剪切试验取得。

三轴剪切试验的装置如图2-18所示。

三轴剪切试验所用试件的直径应大于矿料最大粒径的4倍，试件的高与直径之比应大于
2。

矿料最大粒径小于25cm 时，试件直径为10cm ，高为20m 。

试验时，将一组试件分别在不同侧压力下以一定加荷速度施加垂直压力，直至试件破坏。

此时测得的最大垂直压力，即为沥青混合料的最大主应力σ1 ,侧压力即为最小主应力σ3(σ1=σ3)。

根据各试件的侧压力和最大垂直压力给出相应的摩尔圆，这些圆的公切线称为摩尔包线，切线与τ轴相交的截距即为粘结力，切线的斜率即为内摩阻角Φ（见图2-19)。

由于温度对沥青混合料的抗剪强度有很大的影响，故试件应在高温条件(65℃或50℃)下进行测试。

粘结力c 和内摩阻角Φ值，也可根据无侧限抗压和轴向拉伸试验取得的抗压强度和抗拉强度来计算：
抗压强度
⎪⎭⎫ ⎝⎛+=242φπctg R （2-8） 抗拉强度 ⎪⎭⎫ ⎝⎛+=
242φπtg c r （2-9）
从式（2-8）或（2-9）可得： ⎪⎭⎫
⎝⎛+-=r R r R －1sin φ （2-10） Rr c 5.0= （2-11）
沥青混合料的抗剪强度主要取决于沥青与矿料相互作用而产生的粘结力，以及矿料在沥青混合料中相互嵌挤而产生的内摩阻角。

沥青混合料的粘结力取决于许多因素，其中最主要的是沥青粘滞度，沥青含量与矿粉含量的比值，以及沥青与矿料相互作用的特性。

沥青混合料的粘结力主要影响因素有：
●沥青粘滞度:沥青的粘滞度越高，粘结力就越大，因为高粘滞度的沥青能使沥青混合料
的粘滞阻力增大，因而具有较高的抗剪强度。

●沥青含量与矿粉含量的比值:随着沥青含量增加，矿料颗粒间自由沥青增加，沥青混合
料的内摩擦角和粘结力随即下降(表2-16)。

在沥青与矿料的相界面上，由于分子的吸附作用，愈靠近矿料表面，沥青的粘滞度越高。

矿料的比面积和矿料周围沥青膜的厚度对沥青混合料的粘结力有很大的影响。

矿料颗粒越小,比面积越大,包覆矿料颗粒的沥青膜越薄，粘结力就越大。

●沥青与矿料相互作用的特性:沥青的表面活性越强，矿料对沥青的亲和性越好，吸附作
用就越强烈，粘结力也越大。

碱性的矿料与沥青粘结时，会发生化学吸附过程，在矿料与沥青接触面上形成新的化合物，因而粘结力较高。

酸性的矿料与沥青粘结时，不会形成化学吸附过程，粘结力就较低。

●矿料的级配、颗粒的形状和表面特性，都对沥青混合料的内摩阻力产生影响。

随着颗
粒尺寸的增大，内摩阻力也就增大。

颗粒表面粗糙、棱角尖锐的混合料，由于颗粒相互嵌紧，其内摩阻力要比圆滑颗粒的混合料大得多。

此外，沥青混合料中沥青的存在总是会降低矿质混合料的内摩阻力。

沥青含量过多时，不仅内摩阻力显著地降低，而且粘结力也下降。

2、抗拉强度(tensile strength)
在气候较寒冷地区，冬季气温下降，特别是急骤降温时，沥青混合料发生收缩，如果收缩受阻，就会产生拉应力，该应力超过沥青混合料的抗拉强度，路面就会产生开裂。

沥青混合料的抗拉强度，可用直接拉伸试验或间接拉伸试验—劈裂试验确定。

直接拉伸试验（见图2-20）是将沥青混合料制成圆柱形试件，试件两端粘结在球形铰接的金属盖帽上，试件上安置变形传感器。

在给定温度时，以一定加荷速度拉伸，记录各荷载应力下的变形值。

应力一应变曲线中的最大应力值即为极限抗拉强度。

间接拉伸试验(劈裂试验，见图2-21)是将沥青混合料用马歇尔标准击实法制成直径101.6±0.25mm 、高63.5±1.3mm ，或从轮碾机成型的板块试件或从道路现场钻取直径Φ100±2或Φ150±2.5mm ，高为40±5mm 的圆柱体试件。

试件两侧垫上金属压条。

试件直径为100±2mm 或为101.6±0.25mm 时，压条宽度为12.7mm ，内侧曲率半径50.8mm ；试件直径为150±2.5mm 时，压条宽度为19mm ，内侧曲率半径75mm ，压条两端均应磨圆。

在给定温度下，沿试件直径方向通过试件两侧压条按一定加荷速度施加压力，直到试件劈裂破坏。

图2-20 直接拉伸试验示意图 图2-21 直接拉伸试验示意图
1-上盖帽；2-变形传感器；3-金属帽； 1-压条；2-试件
4-下盖帽；5-试件
计算式中正号为拉应力，负号为压应力。

沥青混合料施加荷载时大都是沿垂直直径的平面产生拉力劈裂而开始破坏，因此，沥青混合料的极限抗拉强度St 由下式求得： td P S t πmax
2=（2-18）
沥青混合料在低温下的抗拉强度同沥青的性质、沥青含量、矿质混合料的级配、测试时的温度等因素有关。

试验表明，沥青有较高的抗拉强度。

强度较开级配混合料高。

在低温形成一个峰值（脆化点），低于脆化点后则强度下降。

我国现行的《公路沥青路面设计规范（TJTD15-2006)》中沥青混凝土和半刚性材料的抗拉强度采用劈裂试验测得的劈裂强度。

表11-4、11-5列出了沥青混凝土和半刚性材料劈裂强度的常见范围。

3、抗弯拉强度(bending-tensile strength)
沥青路面在行车重复荷载作用下，往往因路面弯曲而产生开裂破坏，因此，必须验算沥青混合料的抗弯拉强度。

沥青混合料的抗弯拉强度在室内用梁式试件在简支受力情况下测定。

梁式试件的高和宽应不小于矿料最大粒径的4倍，梁的跨径为高的3倍。

常用的试件尺寸为:
粗粒式沥青混合料用150mm×150mm×550mm的大梁，跨径为450mm；
中粒式、细粒式沥青混合料用100×100mm×400mm的中梁，跨径为300mm；
砂质沥青混合料用50mm×50mm×240mm的小梁，跨径为150mm。

试验时用三分点法加荷，梁中间部分处于纯弯拉状态(见图2-23)。

我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ052-2000》规定的试件尺寸是由轮碾成型后切制的长250±2.0mm，宽30±2.0mm，高35±2.0mm的棱柱体小梁，其跨径为200±0.5mm。

试验温度采用15±0.5℃。

当用于评价沥青混合料低温拉伸性能时，宜采用试验温度-10±0.5℃。

此外，为了能更好地反映沥青混合料的特性，相关研究认为梁式试件宜采用更大的尺寸。

如著名的美国公路战略研究计划（SHRP)，采用的小梁试件的宽和高分别为6.35和5.0cm，梁的长度为38.1cm，两端支点的距离是35.6cm。

沥青混合料的抗弯拉强度为：
21bh PL
=σ (2-19)
式中：P —最大荷载,MN ；
b —试件宽度,m ；
h —试件高度,m ；
L —跨径,m 。

沥青混合料的抗弯拉强度，取决于所用材料的性质(沥青的性质、沥青的用量、矿料的性质、混合料的均匀性)及结构破坏过程的加荷状况(重复次数、应力增长速度等)。

此外，计算时期的温度状况对抗弯拉强度也有很大的影响。

10.2.2 应力—应变特性
沥青混合料是一种弹—粘塑性材料，在应力—应变关系中呈现出不同的性质。

有时仅呈现为弹性性质，有时则主要呈粘塑性性质。

而大多数情况下，几乎同时综合呈现上述性质。

掌握表征这些性质的指标，就能正确地判断沥青混合料在不同条件下的特性，特别是沥青混合料在最高和最低温度下的变形特性。

为了研究沥青混合料的工作性质，必须考虑材料的蠕变和应力松弛现象。

蠕变是材料在固定的应力作用下，变形随时间而发展的过程。

沥青混合料的蠕变试验表明，在作用应力恒定的情况下，弹—粘塑性材料的的变形随时间的发展，取决于作用应力的大小。

当作用应力相当小，即低于弹性极限或屈服点时(见图2-24a)，应力作用后，一部分变形瞬即在该材料中产生，并在应力撤除之后，仍以同样的速度消失，这是沥青混合料的纯弹性变形(或称瞬时弹性变形)，在这个范围内应力和应变呈直线关系。

另一部分变形随力的作用时间而缓慢增大，应力撤除后，变形也随时间增加而缓慢地消失，这是沥青混合料的粘弹性变形(或称滞后弹性变形)。

这种情况说明，沥青混合料受力较大时，即高于弹性极限或屈服点，特别是受力的时间很短促时，材料呈现出弹性或兼有粘弹性的性质。

当作用力相当大时(见图2-24b)，在相当长的时间内(超过弹性变形发展的时间)，材料的变形除有瞬时弹性变形和滞后弹性变形外，还存在粘滞性塑性流动变形。

应力撤除后，这部分变形不再消失，即塑性变形。

这种情况说明，沥青混合料受力相当大，且受力时间又较长时，材料不仅产生弹性变形，而且有随时间而发展的塑性变形。

为了正确地了解沥青混合料的工作状况，还应考虑沥青混合料在应力—应变状态下呈现出应力松弛特性。

应力松弛是变形物体在恒定应变下应力随时间而自动降低的过程，这是由于物体内部流动的结果。

为使物体保持变形的状态，随着时间的推移，所需的力越来越小，应力下降到初始数值的那段时间，叫做松弛时间。

这是表征松弛过程的主要因素。

图2-24 应力作用下变形的发展
a)低于屈服点；b)高于屈服点
弹性粘塑体松弛时间't 与粘滞度η和弹性模量E 的关系为： E t η=
' （2-20）
可见沥青混合料的松弛时间主要取决于粘滞度。

随着温度的增高与粘滞度的降低，沥青混合料松弛时间也就缩短。

沥青混合料呈现为弹性还是粘塑性质，只决定于荷载作用时间与应力松弛时间的比值、温度的高低而定。

同一温度时；
若荷载作用时间比应力松弛时间短得多，材料就呈现为理想的弹性体。

若荷载作用的时间比应力松弛时间长得多，则呈现为粘塑性体。

若荷载作用时间与应力松弛时间相同，则材料是弹—粘—塑性，同时呈现弹性和流动。

沥青混合料在冬季低温时具有很高的粘滞度，因而应力松弛时间大大超过荷载作用时间。

在此情况下，沥青混合料就呈现为弹性体，并且具有弹性体的变形特性。

夏季高温时，沥青混合料的粘滞度迅速降低，因此，应力松弛时间也就大大缩短，与荷载作用时间接近或比它短得多，在临界状态下就产生塑性变形。

由此可见，沥青混合料的应力—应变特性，不仅同荷载大小和作用时间有关，而且与材料的温度有关。

考虑到荷载作用时间和温度对沥青及沥青混合料应力—应变特性的影响，C.范德甫(Vander Poel)提出用劲度模量(简称劲度)作为表征弹—粘塑材料的性质指标。

所谓劲度模量，就是材料在给定的荷载作用时间和温度条件下应力与总应变的比值。

即：
T t T t S ,,⎪⎭⎫ ⎝⎛=εσ (2-21)
式中：St,T —劲度模量,MPa ；
σ—施加的应力,MPa ；
ε—总应变；
t —荷载作用时间,S ；
T —材料的温度,℃。

10.2.3 疲劳特性(fatigue characteristic)
如同其它路面材料一样，沥青混合料的变形和破坏，不仅与荷载应力的大小有关，而且同荷载作用次数有很大关系。

路面材料在低于极限抗拉强度下经受重复拉应力或拉应变而最终导致破坏，成为疲劳破坏。

导致路面材料最终破坏（即开始疲劳开裂）的荷载作用次数，称为疲劳寿命。

影响沥青混合料疲劳特性的因素：
1）材料的性质(种类、组成等)、环境因素(温度、湿度等)、加荷方式等因素；
2）沥青混合料的劲度。

因此，任何影响劲度的因素（矿料级配、沥青种类和用量、混合料的压实程度和空隙率、试验的温度、加荷速度和应力级等）对混合料的疲劳特性都有影响。

沥青混合料的疲劳特性可用多种室内试验方法测定。

通常采用的方法是在简支的小梁上作重复加荷弯曲试验，也可采用重复加荷间接拉伸试验(劈裂试验)测定。

疲劳试验可以用控制应力或控制应变两种方式控制加荷。

控制应力方式:每次对试件施加的荷载为常量。

由于施加荷载过程中，在应力集中处开始产生裂缝，随着荷载作用次数增多，试件不断受到损伤，劲度随之而降低，故荷载应力尽管不变，实际的弯曲应变则随施加荷载次数的增加而增大。

控制应变方式:在测试过程中，始终保持每次荷载下应变值不变，要不断改变荷载使梁产生一固定值的挠曲，因此，应力随施加荷载次数的增加而不断减小。

试验表明:同一种沥青混合料因试验时所采用的控制方式不同，试件达到破坏的荷载用总次数有一定的差别。

一般情况下，按应力控制得出的疲劳寿命较短。

路面设计时，用应力控制还是用应变控制，主要取决于路面的应力状态更接近于那一种试验的受力状态。

这也是目前学术界广泛开展研究的课题，尚有争议。

由于应变便于量测，因此，国际上大多数有影响的设计方法采用应变作为设计指标。

10.2.4 沥青路面高温稳定性(high-temperature stability)
沥青面层的主要特点之一是强度和抗变形能力因温度升高而显著降低。

夏季高温时沥青面层表面最高温度可达60~70℃，汽车轮胎对路面的竖向压力一般为0.5~0.7MPa，在启动和制动，特别是在紧急制动时最大的水平应力可达竖向应力的0.7~0.9倍。

故当沥青面层材料在高温下的强度和刚度不足时，就会在停车场、站、交叉口和车辆经常变速的路段上，出现以推移和车辙为特征的路面剪切变形和塑性累积变形。

对沥青混合料高温稳定性的分析大都借助于试验的方法，如三轴压缩、马歇尔稳定度、无侧限抗压强度，车辙试验等。

影响因素：沥青和矿料的性质及其相互作用，矿料的组成等
对混合料高温稳定性的要求，可根据面层的承载力同材料的剪切强度之间的关系，采用c和φ作为指标来评定。

面层混合料应具有的c和φ值，由作用在面层上的车轮接触压力大小，利用极限平衡(承载力)公式确定。

混合料的c和φ值则由三轴压缩试验测得。

目前许多国家采用马歇尔(Marshall)试验方法，以稳定度(kN)和流值(mm)指标来评定混合料的高温稳定性。

评定的标准依据混合料在试验路上的实际使用性能制定。

因而，这是一种经验的方法，所制订的标准同试验路段所处的环境和加荷条件有关。

表2-19所列为对热拌沥青混合料所规定的技术标准。

马歇尔试验所需的设备和方法均较三轴试验简便。

然而，不少研究结果表明，马歇尔稳定度和流值指标并不能确切反映混合料在高温时产生永久变形的机理。

也即，不能完全依据稳定度和流值指标来正确判别不同混合料高温稳定性的优劣。

为此，提出了采用蠕变试验所得到的蠕变模量作为指标的方法。

利用不同温度和加荷时间条件下得到的混合料蠕变模量值，可以估算沥青面层的永久变形(车辙)量Δh。

提高沥青混合料的高温稳定性途径：
一是提高内摩阻角φ，可采用增加粗集料的用量，保持良好的级配以形成稳定而密实的骨架结构和选用纹理粗糙、棱角多的集料等措施，提高内摩阻角。

φ值大，可相应降低对粘结力的要求。

国外研究建议混合料的摩阻角φ≮25°。

二是提高粘结力，如提高沥青的稠度(具有较高的软化点)，采用具有较高活性的石灰石矿粉，控制沥青用量等，在沥青中掺入橡胶粉、硫磺和聚乙烯等外掺剂，也可取得良好效果。

车辙试验可测得混合料的动稳定度，给定温度和规定轮栽的重复作用下，累计产生1mm 塑性变形时轮载重复作用的次数。

研究表明，采用动稳定度来表征沥青混合料的热稳定性是适宜的。

10.2.5 沥青路面低温缩裂
沥青面层在低温时虽然强度很高，但刚度也很大，变形能力大为降低。

温度降低，特别是气温骤降时，面层材料受基层和周围材料的约束而不能自由收缩，便产生很大的拉应力；当这一应力超过材料的许可限度，面层便会发生开裂。

裂缝的出现，往往是路况恶化的开始，随水分的下渗和轮载的反复作用，裂缝会进一步扩展，形成网裂，以至出现沉陷变形。

低温缩裂一般以横缝形式出现，大多发生于寒冷地区，在我国东北和北方地区有一定的普遍性。

影响低温缩裂的因素有：气温和温度下降速率、沥青的性质和用量、集料的性质和组成、混合料的密实度、面层同底层的粘结程度及施工质量。

减少沥青路面低温裂缝途径：
就材料组成来说，一是提高混合料低温强度；二是降低温度收缩系数。

具体措施如下：
采用稠度较稀的沥青；
矿粉和沥青用量的比例不宜偏大，适当控制矿粉的含量，增大沥青含量；
混合料拌和均匀等。

这些要求同高温稳定性的要求有矛盾时，应根据当地的气候条件，选用能同时满足这两方面要求的混合料。

此外，在沥青中掺入某些高分子化合物，如橡胶、聚氯乙烯等，也可获得良好效果。

10.2.6 沥青路面抗滑性(skid-resistance)
路面的抗滑性能取决于路面的细构造和粗构造。

对于沥青面层来说，所谓细构造是指集料表面的构造(粗糙度)，而粗构造则是指由面层表面外露集料之间形成的凹凸构造。

行车速度不高，路面水来得及排出，细构造便对潮湿表面的抗滑能力起决定的作用。

当行车速度较高时，提供通道，使水迅速排出，粗构造对路面抗滑起主要作用。

保证路面的抗滑性能措施：
1）选用坚硬耐磨的集料。

如未风化的花岗岩、片麻岩、砂岩、石英岩等。

鉴于这些酸性石料同沥青的粘结性不好，可采取掺入石灰粉或用石灰水处理石料表面等措施予以改善。

2）增加面层上层(磨耗层)中粗集料的含量。

粗集料如采用较大的粒径，可形成较深的构造，因而可使摩阻系数随车速增加而少降低些；
3）对沥青的用量要严格控制。

偏少，使集料容易松散；过多，则易使集料下沉，沥青溢出表面而形成光面，从而降低路面的抗滑性能。

10.2.7 沥青路面的水稳定性。