沥青混合料的特性指标1

沥青混合料的特性虽然沥青混合料中单个材料的性能对混合料的性能起十分重要的作用，但是，由于沥青混合料中沥青和集料组成统一的系统，其组合特性对沥青混合料的性能影响更大。

沥青混合料性能指标包括永久变形、疲劳开裂、低温开裂、应力—应变特性、强度特性。

1．永久变形永久变形是在重复荷载的作用下路面塑性变形的累积，它是一种不可恢复的变形。

轮迹线上的变形一般认为主要有两个原因：一是作用在土基、底基层、基层和沥青表面层的重复应力较大，虽然面层材料对减少这种类型的车辙起着很重要的作用，但一般认为路面车辙是路面的一种结构组合问题，对于路面面层很薄的结构层车辙较为严重，主要是因为面层太薄而导致，作用在路基顶面的应力较大；对于路面结构在水的作用下土基较为软弱的情况，主要是由于土基的累积变形而引起。

路面软化产生的车辙见图9-7。

二是路面面层在重复荷载的作用下的累积变形，这种累积变形是由于沥青面层抵抗重复荷载的抗剪强度较小，一般这种车辙是由于沥青面层的强度太弱。

路面的永久变形是由于面层和土基两个原因总和引起。

沥青软化产生的车辙见图9-8。

沥青路面的车辙主要是因为在荷载的作用下产生的很小但不可恢复的永久变形累积引起的。

沥青混合料的剪切应力将导致垂直变形和侧向流动，当荷载作用足够的次数以后，路面的累积永久变形不断增加，车辙就出现。

路面出现车辙以后，由于在辙槽内的水将导致水溅或结冰而影响行车安全。

当沥青稠度低、加载时间长或温度较高时，沥青混合料表现为弹—粘一塑性体，应力重复作用下将会出现较大数量的累积变形。

对沥青混合料永久变形特性的研究，可利用静态蠕变（单轴受压）试验或重复三轴压缩试验进行。

前一种试验较简单，而后一种试验同实际受力状况相符，但二者所得到的累积应变一时间关系的规律基本一致，因为重复应力下塑性应变的逐步累积实质上也是一种蠕变现象。

密实型沥青碎石混合料经受重复三轴试验的结果表明，塑性应变量承重复作用次数而增加，温度越高，塑性应变累积量越大。

许多试验结果表明，在同一温度条件下，控制累积应变量是总加荷时间，而不是重复作用次数；加荷频率以及应力循环间的停歇时间对累积应变一时间关系的影响都不大。

影响累积量的因素，除了温度、作用应力大小和加荷时间外，还同集料的情况有关。

有棱角的集料比圆形集料能提供较高的劲度，即塑性变形累积量较低；密级配沥青碎石，由于集料具有良好的级配特性，其变形累积量低于含沥青较多的沥青混凝土。

压实的方法和程度会影响混合料的空隙率和结构，因而也会影响变形累积规律。

此外，侧限应力的大小也有影响。

2．疲劳开裂沥青路面的疲劳开裂同样是由于重复荷载的作用在行车道出现的一种破坏。

疲劳开裂的早期现象是路面在纵向出现不间断的裂缝，之后，路面出现更多的变形，疲劳开裂的最终结果是路面出现坑槽。

沥青混合料如果具有较高刚度，路面结构在荷载作用下的变形较小，则路面的疲劳开裂较小。

柔的材料，高的变形，高的应力水平，则路面的疲劳寿命较低。

一般说来，路面沥青混合料不透水，且受水的影响较小。

但在一些地方，水分使得沥青与矿料之间的粘结力减弱。

由于沥青下面层的沥青混合料的剥离而产生的沥青路面的疲劳开裂一般不为人们所重视，如排水层。

因此，必须重视材料选择，由于路面结构在荷载的作用下，路面底面将产生拉应力，因此，必须有较高的抗拉强度以抵抗荷载作用产生的拉应力。

沥青混合料疲劳特性的室内研究，是在简支小梁、劈裂试件、梯形悬臂式或旋转弯曲试件上施加正弦或脉冲式变化的反复应力进行的。

由于沥青混合料的弹性模量（劲度）较低，应力反复施加过程中，试件的实际应力状态和应变量不断发生变化。

为此，常采用两种试验方法：控制应力或控制应变试验。

控制应力试验是在试验过程中保持荷载或应力值始终不变。

这时，由于试件内的微裂隙逐步扩展，材料的劲度也不断下降，因而荷载或应力虽然未变，而应变量的增长速率地不断增大。

控制应变是在试验过程中不断调节所施加的荷载或应力，使应变量始终保持不变，由于在试验中材料的劲度不断下降，维持相同应变量所需要的应力值也不断减小。

因而，在前一种试验中材料的疲劳破坏往往以试件出现断裂为标志，而后一种试验并不出现明显的疲劳破坏现象，只有主观地以劲度下降到初始劲度的某一百分率（例如50％或40%）作为疲劳破坏的统一标准。

同时，在采用同一初始应力和应变条件下，控制应变法所得到的材料疲劳寿命要比控制应力法的大得多。

采用控制应变的试验方法，也可以得到相似的疲劳方程，但从几个不同试验温度下的疲劳曲线可以看出，它们具有同控制应力试验法相反的规律，即随着温度的升高（劲度降低），材料的疲劳寿命反而增加。

两种试验方法得到沥青混合料的不同疲劳特性，其原因可以用破坏机理的差异来说明。

应力集中点产生微裂隙后，在应力控制试验中，随材料劲度的降低，裂隙迅速扩展，导致疲劳寿命下降。

而在应变控制试验过程中，应力不断减小，裂隙的扩展便延续很长时间。

材料的劲度越低，延续的时间越长，于是劲度低的材料，疲劳寿命长。

车辆荷载是以车轮的接触压力施加于路面上，而不是变形。

从这个意义上说，整个路面结构是受到应力控制的加荷体系。

因而，对于厚的面层，其结构强度在整个路面体系中起主要作用，应采用控制应力试验方法；而对于较薄的面层，本身结构强度不大，基本上是跟着下面各结构层一起位移的，宜采用控制应变试验方法。

C. L. Monismith等人提出厚面层的下限约为15cm，薄面层的上限约为5cm，处于两者之间的厚度，可用两种试验方法之间的某一加荷形式。

室内试验的条件同路面在野外的工作状况有很大差别，因而所得到的疲劳方程在定量上会同实际有出入。

例如，作用在路面上的车辆荷载不会象在试验室中加载那样连续重复作用，而实际间隔时间的增大，将会延长材料的疲劳寿命（据观测分析，可为室内试验的5倍），同时，室内试验是以试件底面出现裂缝作为疲劳破坏的标准，而在路面上，从结构层底面出现裂缝到它沿层厚度逐渐扩展到表面，还可经受轮载多次重复作用（据估计，约可增多7倍）。

此外，考虑到轮迹在路面上的横向分布，所能承受的重复作用次数又要比室内多1~3倍。

因此，应在考虑上述情况后，对室内试验的结果给予适当调整，对回归常数经过现场验证后进行修正。

以减少可能造成的误差。

2.混合料组成对疲劳性状的影响从疲劳方程式（9-11）可以明显地看出，决定沥青路面寿命长短的关键因素是材料所承受的最大主拉应变值。

主拉应变越大，出现疲劳破坏时所能经受的反复作用次数就越少。

在相同荷载级位下，材料的劲度对主拉应变值往往有决定性影响。

因而，混合料的劲度对于材料的疲劳性状也有关键性作用，任何影响混合料劲度的因素也同样会影响材料的疲劳性状。

一般来说，沥青含量多、针入度小的密实型沥青混合料，其劲度高，对疲劳开裂的抵抗能力强，使用寿命长；而空隙含量多、沥青含量少的沥青碎石混合料，疲劳寿命短。

3．低温开裂路面的低温开裂主要与环境因素有关。

其主要特征是路面每隔一定距离出现横向开裂。

低温开裂主要是因为低温时路面的收缩变形引起。

由于路面收缩，路面内出现拉应力，在路面的特定位置，路面的拉应力超过了材料的抗拉强度，路面就出现了开裂。

一般路面的低温开裂出现在温度的单一循环中。

也有人认为是路面的温度疲劳引起的。

但两者都认为路面的低温开裂与路面材料有关，一般硬的材料比柔的材料更容易出现低温开裂。

沥青在环境因素的作用下出现氧化就更容易出现低温开裂。

因此，为了减少低温开裂，必须选用软的沥青，减少沥青混合料的空隙率。

4．沥青混合料的应力—应变特性沥青混合料的应力—应变特性同粘性土和颗粒材料有很大差别。

由于沥青混合料中所含沥青具有依赖于温度和加荷时间的粘——弹性性状，沥青混合料在荷载作用下的变形也具有随温度和荷载作用时间而变的特性。

1）应力一应变关系通过沥青混合料三轴试验，在固定应力作用下，可得到应变和应力作用时间的关系曲线，如图9-10所示。

其中，图9-10a）为施加应力相当小的情况，一部分应变在施加荷载后立即产生，而卸荷后这部分应变又立即消灭。

这是混合料的弹性应变，应力和应变成正比例关系。

另一部分应变随加荷时间的增加而增加，卸荷后随时间增长而逐渐消失（或基本消失），这是混合料的粘弹性应变。

这一现象说明，沥青混合料在受力较小时，特别是受荷时间短促时，基本上处于弹性状态并兼有粘弹性的性质。

图9-10b)表示应力足够大的情况。

这时，除有瞬时弹性应变和滞后弹性应变外，还存在着随时间而发展的近似直线变化的粘性和塑性流动，卸荷后这部分应变不再恢复而成为塑性应变。

这说明沥青混合料受荷达一定值，特别是受荷时间又较长时，不仅出现弹性应变，而且有随时间而发展的塑性应变。

对比左右两图可以看出，随施加应力的级位和作用时间的不同，沥青混合料的应力—应变关系分别呈现出弹性、弹—粘性和弹—粘—塑性等不同性状。

沥青劲度与时间的关系见图9-11。

2）劲度反映沥青和沥青混合料在给定温度和加荷时间条件下的应力—应变关系的参数，称作劲度S ，也即：,,t T t TS σε⎛⎫= ⎪⎝⎭ 式中的脚标t 和T 分别表示加荷时间和温度。

加荷时间和温度对沥青劲度S b 的影响情况，可由图9-12所示的试验曲线看出。

加荷时间短时，曲线接近水平，表明材料处于弹性性状；加荷时间很长时，便表现为粘滞性性状；处于二者之间时则兼有弹—粘性性状。

各种温度下的S-t 关系曲线具有相似的形状，如果将曲线作水平向移动，则将可将它们重合在一起。

这意味着温度对劲度的影响同一定量的加载时间对劲度的影响效果相当。

温度和加载时间对劲度影响的这一互换性，是沥青材料的一个重要性质。

利用这一性质，可以通过采用变换试验温度的方法，把在有限时间范围内得到的试验结果扩大到很长的时段。

Vander Poel 对47种不同流变类型的沥青材料在较宽的加载时间和温度范围内做了大量试验，得出了能预估不同加荷时间和温度下沥青劲度的诺漠图。

此诺漠图根据影响沥青劲度的三项参数查用：(1)加荷时间t ；(2)温度T 同沥青材料软化点S 。

的差值，即温差S p -T;(3)针入度指数PI ，表明沥青对温度的敏感性，按25℃时的针入度P 和软化点S p 的大小由下式确定：1951.4500l g 2050l g 120.14p p P S P I PS --=-- 大部分道路用沥青的PI 值变化在-1到＋1范围内。

PI 越小，沥青材料的温度敏感性越高。

煤沥青的PI值可低到-3，比绝大部分沥青容易受到温度变化的影响。

沥青混合料的劲度可通过三轴压缩、梯形悬臂弯曲、小梁弯曲或旋转弯曲试验，在控制温度和加荷时间条件下，测定应力和相应的应变值后，按式（9-8）确定。

对各种混合料在不同加荷时间和温度条件下测得相应的劲度值后，可点绘出该种混合料的劲度曲线图（图9-13）。