沥青混合料高温性能评价指标概述

沥青混凝土高温性能指标概述

李清霞姚辉宁

（山东公路建设集团济南 250012）

摘要：通过对沥青混合料高温性能指标研究过程的回顾，先后介绍了从实际出发模拟车辙变形的试验，通过对路面结构应力的分析，获取混合料的抗剪切性能的试验，以及从设计模量本身出发，研究混合料模量与混合料性能的试验。

关键词：高温性能车辙剪切模量

1、背景

自从道路工程师使用沥青混凝土铺筑路面后，就在寻求评价沥青混合料高温性能的简单方法。历史上最广泛使用的马歇尔法，采用成型的圆柱体试件在60℃温度下抵抗荷载的能力评价混合料稳定性，但是其击实的成型方法并不能的模拟路面碾压成型过程，评价指标马歇尔稳定度也有很高的变异性，与路用性能并不存在好的相关性。

从上世纪70年代到80年代，一种新型混合料路用性能高温指标评价方法出现，即车轮在成型的板状沥青混合料上行驶，观察其沥青混合料的变形情况，这一时期，出现了很多该原理下的轮式试验测试设备，如轮辙仪，法国车辙仪(French Laboratory Rutting Tester)、诺丁汉车辙仪（Nottingham tester）、汉堡车辙仪（Hamburg Wheel Rut Tester）、沥青路面分析仪（APA）等。

图1法国车辙仪图2汉堡车辙仪

这些试验设备可以对试件所处环境进行模拟，如温度、湿度等，具有一定的实际意义，但是得到的轮辙变形结果如轮辙深度、相对变形量、动稳定度等只是一种经验指标，并且试验结果受到很多限制，如车轮形状、试件形状、试件与试模的边际效应等。因此必须从力学原理上研究车辙的产生机理，并使用相应的技术手段提高混合料的抗车辙能力。

2、力学分析

根据NCHRP A-318报告及其他大量研究认为，剪切变形是引起沥青混凝土路面车辙的主要因素。由于车轮荷载的剪应力超过沥青混合料的抗剪切强度，致使沥青混凝土出现了剪

切变形，剪切变形不断累积，生成了两侧隆起中间凹陷的路面车辙现象。

为研究路面结构内部受力情况，采用壳牌（shell）公司的bisar3.0进行分析计算，计算采用双圆垂直荷载体系下标准轴载BZZ-100作为设计应力，按一般高速公路设计选取结

构层组合以及各层层厚及设计模量。

表1普通路面结构数据表

层位厚度（cm）模量(MPa) 泊松比

上面层 4 1400 0.25

中面层 6 1400 0.25

下面层8 1500 0.25

基层30 600 0.25

路基50 0.35

计算双圆荷载中心的路面表面下剪切应力分布，距离x为各点到双圆荷载轮隙中心横向距

离，计算结果如表2。

表2 剪切应力分布表

0.26625 0.232 0.2157 0.1997 0.1851 0.1744 0.1577 0.1383 0.1149 0.08459 0.213 0.03679 0.08905 0.1175 0.1267 0.1268 0.118 0.105 0.08837 0.06643 0.1598 0.0065 0.01303 0.01826 0.02289 0.02661 0.0299 0.0319 0.03262 0.03224 0.1065 0.0231 0.06183 0.0799 0.07807 0.0667 0.05056 0.03407 0.01749 0.01216 0.0533 0.2158 0.1788 0.1433 0.1142 0.09276 0.0698 0.0498 0.03116 0.01054 0.03 0.07633 0.1065 0.09571 0.07722 0.06261 0.0469 0.0335 0.02121 0.0077

3、高温性能与抗剪能力

由图3可以看出，在沥青路面结构层中，中上面层受到比较的剪切应力，可以从混合料抗剪切性能方面研究其高温性能。

3.1简单剪切试验

SHRP 开发了一个简单剪切试验（SPT ）设备直接测量沥青混凝土的剪切特性，该设备是一套 液压伺服闭环试验系统，包括加载系统、试验控制系统、数值采集系统、环境控制箱和液压系统。试验过程是将圆柱体试件胶结在两块钢板之间，在试件的顶面和底面施加剪力，并且在试件上施加一个轴向力以保持试件的高度不变，这样就保证在整个试验过程中，试件的体积不变，试件的应力状态接近于纯剪切状态。目前，简单剪切试验的结果显示出了较大的变异性，由于公称最大粒径的原因，使得圆柱体的直径与高度受到了影响。因此需要改善圆柱体的尺寸或形状，有文献建议长高比不得小于3，并推荐使用长方体试件。

3.2单轴和三轴试验

将沥青混合料视为颗粒材料，采用摩尔-库仑强度理论分析沥青混合料的强度特性，通过单轴或三轴试验获得试验数据,采用公式（1）和公式（2）计算得到抗剪能力指标如ϕ值。

ϕστtan a c += （1）

⎪⎩

⎪⎨

⎧

--+=-=]

sin )()[(21

cos )(21312121ϕσσσσσϕσστ （2） τ——剪应力

a σ——正应力

321σσσ、、——单位立方体三个方向的主应力 c ——粘聚力 ϕ——内摩阻角

一般认为单轴试验的温度条件和荷载水平与实际的路面温度和荷载水平相似，单轴试验是将圆柱体试件放在钢板与压头之间，通过压头施加荷载，获得试验数据，孙立军通过对道路实际荷载的分布研究及单轴试验的分析，给出了单轴贯入下的抗剪方程推导公式和抗剪基本参数

⎪⎪⎩⎪⎪⎨

⎧

-=-+--=)

cos sin 1(2)arcsin(3131ϕϕσσσσσσσϕu u

g g u g g c （3） 1

g σ

、3

g σ

——单轴贯入试验的第一和第三主应力

u σ——无侧限抗压试验的抗压强度

表3 单轴试验参数表

如试件的抗压强度为0.5MPa ，试件的贯入强度为1.5MPa 。 则MPa c o

1124.0)

6.41cos()6.41sin(1[25.06

.415

.01308.01475.15.01308.01475.1arcsin

MPa 5085.0339.05.1MPa

1308.00872.05.1MPa 1475.1765.05.10

m ax 21=-==-+--==⨯==⨯==⨯=ϕτσσ

根据摩尔-库仑原理，得到的混合料内摩擦角越大，则混合料抵抗剪切破坏的能力越强。 但是剪切应力仍然只是材料参数，虽然能够寻找材料的性能与高温性能的关系，仍无法与道路结构设计联系起来。

3、 动态模量与高温性能

在所有基于力学方法的沥青路面设计中，沥青混合料的模量是最重要的参数之一，也是连接材料性能与路面结构性能的桥梁，我国的《公路沥青路面设计规范》选取的是20℃静态抗压回弹模量。

仍以表1的路面结构厚度，变化各层模量进行计算，得到不同模量下的剪切应力值。由表4中可以看出，当模量增大时，对剪切应力有一定的影响，而高模量的沥青混凝土显然具

表4 模量变化表

层位 模量(MPa)1 模量(MPa)2

模量(MPa)3 上面层 1400 1400 1400 中面层 1400 2000 2500 下面层 1500 2000 2500 基层

600

600

600