沥青路面面层材料的结构与机理
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态,图OA段;
Ⅱ粘弹性区域
随着加载时间的增长,切线模量不再为常数,逐渐变小,减 小的速度逐渐加快；
E(t)=dσ(t)/dε(t） σ- ε曲线具有曲线特征，
AB段。
III塑性区域
当加载时间继续延长超过B点后，应力不再增加，切线 模量为0；
曲线呈水平直线，材料发生塑性流动； 应力极限值与加载速度有关,
是一种颗粒性材料(Granular Materials) 。 颗粒性材料特点:
⑴材料由颗粒组成; ⑵颗粒的自身强度远大于其联结强度; ⑶在外力作用下,颗粒间发生错位与移动,从而导致破坏。
土工材料的研究方法
四类方法： 本构关系：应力应变关系。 实验模拟：流变模型-计算机模拟-流变参数-沥青混合料
摩阻力。 沥青碎石、OGFC路面。 受温度的影响相对较小。
1.2沥青混合料密实结构
最大密实原则进行配合比设计。 结构强度以沥青与骨料之间的粘结力为主、以骨料颗粒
间的嵌挤力和内摩阻力为辅。 沥青混凝土路面属于此类。 路面的性能受温度的影响相对较大。
2.沥青混合料结构类型
按混合料网络结构中“嵌挤成分″和“密实成分”所占 的比例不同,沥青混合料的组成结构形态有三种典型类 型,①密实悬浮结构;②骨架空隙结构;③密实骨架结构。
根据流变学的模型理论,认为弹、粘、塑性是认识材料 力学特性的最基本单元；
基本单元用一定的力学模型及本构关系来表达,即称为 力学元件。
力学元件通过并联和串联组成更为复杂的组合模型,从 而最大限度地反映材料真实的力学特性。
流变模型力学元件及特性
力学元件经串联与并 联组合，形成新的力 学模型；
串联时总应力等于各 个分应力，总应变等 于各应变之和；
Va视体积 Vc真体积 ra=(Pe+Pg)/Va 视容重 rc=(Pe+Pg)/V c 真容重
无量纲参数
试件的矿料间隙率 试件的有效饱和度
空隙率
γf测定的试件的毛体积相对密度 γt沥青混合料的最大理论相对密度
γse矿料的有效相对密度 γsb矿料混合料的合成毛体 积相对密度
无量纲参数
三相体系没有考虑集料吸收的沥青 四相体系：空气、有效沥青、吸收沥青和集料；
隙的多少加入细料,从而形成较高的密实度。 沥青混合料同时具有较高的粘结力和内摩阻力。 间断级配即是按此原理构成的。
第三节 沥青路面强度理论与强度参数
1.强度构成来源 ①由于沥青的存在而产生的粘结力； ②由于骨料的存在而产生的内摩阻力。
2.摩尔—库仑(Mohr—Coulomb )理论
2.1引进两个强度参数——粘结力c和内摩阻角φ
并联时总应力等于各 分应力之和，总应变 等于各分应变；
Maxwell模型
根据串联特性
由应力应变关系可得
对应变公式两边求导
Maxwell模型本构关系
Kelvin模型
根据并联特性： Kelvin模型本构关系
沥青路面材料的力学模型
分析材料的力学特性,建立的力学元件的并串联组合系统。 遵循原则:①模型能够很好地反映材料的力学特性;②模型应尽可能简单直
影响压实性能的主要因素有
压实温度、压实速度、压实应力、沥青用量、级配等。
在给定骨料级配及沥青用量的情况下, 沥青混合料有时是可压实操作的,有时 即使有较大的压实应力也是不能达到 某一压实程度的。
第二节 沥青路面的结构类型
1.沥青混合料结构特点 压实成型的沥青混合料是由石质骨料、沥青胶结料和残
余空隙所组成的一种具有空间网络结构的多相分散体系, 其材料属性为颗粒性材料。 颗粒性材料的强度构成起源于内摩阻力和粘结力。 对于沥青混合料,它的力学强度主要取决于骨料颗粒间的 摩擦力和嵌挤力、沥青胶结料的粘结性以及沥青与骨料 之间的粘附性等方面。
1.沥青混合料结构特点
不同级配组成的沥青混合料,具有不同的空间结构类型, 也就具有不同的内摩阻力和粘结力。
沥青混合料的结构组成对其强度构成起着举足轻重的作 用。
按沥青混合料强度构成原则的不同,其结构可分为按嵌 挤原理构成的结构和按密实级配原理构成的结构两大类。
1.1沥青混合料嵌挤结构
特点： 采用较粗的、颗粒尺寸较均匀的骨料。 结构强度主要依赖于骨料颗粒之间相互嵌挤所产生的内
慢速加载,加载时间的延长, 粘弹性材料的这种特性称为 时间温度换算法则。
问题： 为什么城市道路交叉口（信号控制）的车辙比较严重？
4.5蠕变与松弛
蠕变 是当应力为一恒定值时, 应变随时间逐渐增加的现象。
应力松弛
当应变恒定时，应力随 时间而衰减的过程。 材料的应力松弛服从幂指 数衰减函数
5、基本流变模型
量、混合料的压实度及空隙率等; 力学激励变量,如激励方式、试验温度、三轴实验的围
压、激励速率等。
3、沥青路面材料的颗粒性特征
⑴Βιβλιοθήκη Baidu粒性材料的力学特性与其压实度有关。随着混合料压
实度的增加,材料的强度与刚度模量均增加。
沥青路面材料的颗粒性特征
⑵颗粒性材料的力学特性与三轴实验的围压σ3有关。对沥
青混合料进行三轴实验时,变化不同的围压,材料的强度 与刚度均随σ3 的增加而增加。 颗粒性材料也是一种异质材料,为非连续性介质, 异质材 料的抗压强度一般远大干其抗拉强度;而均质材料的拉压 强度在数值上比较接近。
在C点卸载后会产生较大的永 久变形。
4.4时间温度换算法则
试验温度一定时 给定不同的加载条件ε(t） =ai (t), 达到相同的应变水平时,其响应
表现为应力随加载速度的加快或 加载时间的缩短而增大。
时间温度换算法则
加载速度一定 给定不同的试验温度,相同时间内达到同样的应变水平
时,粘弹性材料响应的应力水平随温度的升高而降低。 试验温度的升高相当于
特性; 结构计算：设计理论与方法、结构计算的数值解; 使用性能：疲劳、车辙。 我国在路面的使用性能方面所做的工作较多。 以流变学理论为基础,开展对沥青混合料流变特性的 研究,是材料科学发展的一个趋势。
2.影响沥青路面的力学特性和使用性能的因素
根据沥青混合料的材料组成和力学属性,可以把这些因素归 纳为两大类。 材料组成变量,如集料的性质与级配、沥青的品质与用
rse矿料的有效相对密度 C矿料的沥青吸收系数 rsb矿料的毛体积相对密度 rsa矿料的表观相对密度
2、沥青路面的压实性能
沥青混合料经过拌合、摊铺、碾压形成路面结构 碾压对混合料强度 起重要作用。
压实度 K=D/D0×100
压实度计算
某高速公路沥青下面层施工结束后，取芯检测压实度，芯样毛体 积密度分别为：2.468、2.442、2.451、2.455、2.461、2.474， 室内马歇尔击实的标准密度为2.494，沥青混合料的最大理论密度 为2.598。该路段压实度是多少？试件的空隙率平均值是多少？
4.沥青混合料的粘弹性性质与力学模型 4.1沥青路面材料的非弹性特征
沥青混合料是典型的弹粘塑性体 小变形范围内为线形粘弹性体 大变形流动范围变现为粘塑性体 过渡范围内则为一般粘弹性体 材料的非弹性主要表现： 变形在卸载后的不可回复性（塑性） 不可瞬时回复性（粘性） σ-ε关系的曲线特性
4.2粘弹性材料的基本性质
观,便于工程应用。 力学参数通过实验模拟的方法获得。 实验模拟方法分为三个步骤:①实验结果分析;②理论模型分析;③数值模拟
分析。
2.1密实悬浮结构
这种结构形态的沥青混合料,通常采用连续型密级配,骨料的颗 粒尺寸由大到小连续存在。
材料中含有大量细料,而粗料数量较少,且相互间没有接触,不能 形成骨架,粗颗粒犹如“悬浮”于细颗粒之中。
沥青混合料表现为粘结力较高,而内摩阻力较小。 修筑的路面受沥青材料性质的影响较大， 稳定性较差。
式为:
三轴实验
在给定试验条件下，σ1和σ3之间具有线性关系
简单拉压实验
c、φ值通过测定无侧限抗压强度R和抗拉强度γ换算。
无侧限抗压：σ3=0，σ1=R
抗拉： σ1=0，σ3= γ
假定：在相同条件下，沥青混合料在压缩和拉伸两 种加载方式下内在参数值相同。
第四节 沥青路面的力学特性
4.1 基本力学特征 1、沥青路面材料的研究体系 沥青混合料是一种土工材料； 根据沥青混合料的材料组成及其结构的松散程度,它又
粘弹性材料力学性能的基本特征: 应力应变关系的曲线性及其不可逆性。这类材料不像金属材料具
有明显的屈服点弹性极限)。 对加载速度(时间效应)和试验温度(温度效应)的依赖性,服从时间温
度换算法则。 具有明显的蠕变与应力松弛特性。
4.3常温下沥青混合料应力应变曲线
σ- ε曲线具有三个区域: Ⅰ弹性区域 在加荷初期的极短时间内,应变值较小(ε ＜10-4), 切线模量为常数； E(t)=dσ(t)/dε(t） 应力应变具有线性比例关系； 材料基本上处于弹性工作状
2.2参数获取
纯沥青材料的c≠0，φ=0; 干燥骨料的c=0，φ ≠ 0； 沥青混合料,其c≠0， φ ≠ 0 。 参数c 、φ值的确定 理论准则与实验结果结合。 理论准则采用摩尔—库仑理论。 实验方法：三轴实验、简单拉压实验或直剪实验。
2.2参数获取
三轴实验 对于三轴实验来说,由图可得其摩尔一库仑的理论表达
第三章 沥青路面面层材料的结构与强度机理
沥青混凝土混合料是由适当比例的粗集料、细集料及 填料组成的符合规定级配的矿料，与沥青结合料拌和 而制成的符合技术标准 的沥青混合料(AC) .
第一节 三相体系与压实性能
1、三相体系与无量纲参数 沥青混合料是具有空间网络结构的多相分散体系，由集料、 沥青、空气组成的三相体系。
沥青路面的压实规律
静态压实实验
规律： 随着压实应力的增加,沥青 混合料的压实度初期增加很 快,而后逐渐变缓。 随着沥青用量的增加,沥青 混合料显得更容易被压实。
三种沥青用量的沥青混合料压实试验
压实对沥青混合料强度的影响
沥青混合料密实程度的大小直接影响到材料的强度，如抗压强度或抗拉 强度。
在相同条件下,密实程度好的材料具有较高的强度；反之，则较低。
2.2骨架空隙结构
在沥青混合料中,粗骨料较多,而细料数量过少,因此,虽 然能够形成骨架,但其残余空隙较大。
材料的内摩阻力较大,而粘结力较小。 修筑的沥青路面,受沥青性质的影响较小,因而其稳定性
较好。 排水路面。
2.3密实骨架结构
是综合以上两种类型组成的结构。 混合料既有一定数量的粗骨料形成骨架,又根据残余空
Ⅱ粘弹性区域
随着加载时间的增长,切线模量不再为常数,逐渐变小,减 小的速度逐渐加快；
E(t)=dσ(t)/dε(t） σ- ε曲线具有曲线特征，
AB段。
III塑性区域
当加载时间继续延长超过B点后，应力不再增加，切线 模量为0；
曲线呈水平直线，材料发生塑性流动； 应力极限值与加载速度有关,
是一种颗粒性材料(Granular Materials) 。 颗粒性材料特点:
⑴材料由颗粒组成; ⑵颗粒的自身强度远大于其联结强度; ⑶在外力作用下,颗粒间发生错位与移动,从而导致破坏。
土工材料的研究方法
四类方法： 本构关系：应力应变关系。 实验模拟：流变模型-计算机模拟-流变参数-沥青混合料
摩阻力。 沥青碎石、OGFC路面。 受温度的影响相对较小。
1.2沥青混合料密实结构
最大密实原则进行配合比设计。 结构强度以沥青与骨料之间的粘结力为主、以骨料颗粒
间的嵌挤力和内摩阻力为辅。 沥青混凝土路面属于此类。 路面的性能受温度的影响相对较大。
2.沥青混合料结构类型
按混合料网络结构中“嵌挤成分″和“密实成分”所占 的比例不同,沥青混合料的组成结构形态有三种典型类 型,①密实悬浮结构;②骨架空隙结构;③密实骨架结构。
根据流变学的模型理论,认为弹、粘、塑性是认识材料 力学特性的最基本单元；
基本单元用一定的力学模型及本构关系来表达,即称为 力学元件。
力学元件通过并联和串联组成更为复杂的组合模型,从 而最大限度地反映材料真实的力学特性。
流变模型力学元件及特性
力学元件经串联与并 联组合，形成新的力 学模型；
串联时总应力等于各 个分应力，总应变等 于各应变之和；
Va视体积 Vc真体积 ra=(Pe+Pg)/Va 视容重 rc=(Pe+Pg)/V c 真容重
无量纲参数
试件的矿料间隙率 试件的有效饱和度
空隙率
γf测定的试件的毛体积相对密度 γt沥青混合料的最大理论相对密度
γse矿料的有效相对密度 γsb矿料混合料的合成毛体 积相对密度
无量纲参数
三相体系没有考虑集料吸收的沥青 四相体系：空气、有效沥青、吸收沥青和集料；
隙的多少加入细料,从而形成较高的密实度。 沥青混合料同时具有较高的粘结力和内摩阻力。 间断级配即是按此原理构成的。
第三节 沥青路面强度理论与强度参数
1.强度构成来源 ①由于沥青的存在而产生的粘结力； ②由于骨料的存在而产生的内摩阻力。
2.摩尔—库仑(Mohr—Coulomb )理论
2.1引进两个强度参数——粘结力c和内摩阻角φ
并联时总应力等于各 分应力之和，总应变 等于各分应变；
Maxwell模型
根据串联特性
由应力应变关系可得
对应变公式两边求导
Maxwell模型本构关系
Kelvin模型
根据并联特性： Kelvin模型本构关系
沥青路面材料的力学模型
分析材料的力学特性,建立的力学元件的并串联组合系统。 遵循原则:①模型能够很好地反映材料的力学特性;②模型应尽可能简单直
影响压实性能的主要因素有
压实温度、压实速度、压实应力、沥青用量、级配等。
在给定骨料级配及沥青用量的情况下, 沥青混合料有时是可压实操作的,有时 即使有较大的压实应力也是不能达到 某一压实程度的。
第二节 沥青路面的结构类型
1.沥青混合料结构特点 压实成型的沥青混合料是由石质骨料、沥青胶结料和残
余空隙所组成的一种具有空间网络结构的多相分散体系, 其材料属性为颗粒性材料。 颗粒性材料的强度构成起源于内摩阻力和粘结力。 对于沥青混合料,它的力学强度主要取决于骨料颗粒间的 摩擦力和嵌挤力、沥青胶结料的粘结性以及沥青与骨料 之间的粘附性等方面。
1.沥青混合料结构特点
不同级配组成的沥青混合料,具有不同的空间结构类型, 也就具有不同的内摩阻力和粘结力。
沥青混合料的结构组成对其强度构成起着举足轻重的作 用。
按沥青混合料强度构成原则的不同,其结构可分为按嵌 挤原理构成的结构和按密实级配原理构成的结构两大类。
1.1沥青混合料嵌挤结构
特点： 采用较粗的、颗粒尺寸较均匀的骨料。 结构强度主要依赖于骨料颗粒之间相互嵌挤所产生的内
慢速加载,加载时间的延长, 粘弹性材料的这种特性称为 时间温度换算法则。
问题： 为什么城市道路交叉口（信号控制）的车辙比较严重？
4.5蠕变与松弛
蠕变 是当应力为一恒定值时, 应变随时间逐渐增加的现象。
应力松弛
当应变恒定时，应力随 时间而衰减的过程。 材料的应力松弛服从幂指 数衰减函数
5、基本流变模型
量、混合料的压实度及空隙率等; 力学激励变量,如激励方式、试验温度、三轴实验的围
压、激励速率等。
3、沥青路面材料的颗粒性特征
⑴Βιβλιοθήκη Baidu粒性材料的力学特性与其压实度有关。随着混合料压
实度的增加,材料的强度与刚度模量均增加。
沥青路面材料的颗粒性特征
⑵颗粒性材料的力学特性与三轴实验的围压σ3有关。对沥
青混合料进行三轴实验时,变化不同的围压,材料的强度 与刚度均随σ3 的增加而增加。 颗粒性材料也是一种异质材料,为非连续性介质, 异质材 料的抗压强度一般远大干其抗拉强度;而均质材料的拉压 强度在数值上比较接近。
在C点卸载后会产生较大的永 久变形。
4.4时间温度换算法则
试验温度一定时 给定不同的加载条件ε(t） =ai (t), 达到相同的应变水平时,其响应
表现为应力随加载速度的加快或 加载时间的缩短而增大。
时间温度换算法则
加载速度一定 给定不同的试验温度,相同时间内达到同样的应变水平
时,粘弹性材料响应的应力水平随温度的升高而降低。 试验温度的升高相当于
特性; 结构计算：设计理论与方法、结构计算的数值解; 使用性能：疲劳、车辙。 我国在路面的使用性能方面所做的工作较多。 以流变学理论为基础,开展对沥青混合料流变特性的 研究,是材料科学发展的一个趋势。
2.影响沥青路面的力学特性和使用性能的因素
根据沥青混合料的材料组成和力学属性,可以把这些因素归 纳为两大类。 材料组成变量,如集料的性质与级配、沥青的品质与用
rse矿料的有效相对密度 C矿料的沥青吸收系数 rsb矿料的毛体积相对密度 rsa矿料的表观相对密度
2、沥青路面的压实性能
沥青混合料经过拌合、摊铺、碾压形成路面结构 碾压对混合料强度 起重要作用。
压实度 K=D/D0×100
压实度计算
某高速公路沥青下面层施工结束后，取芯检测压实度，芯样毛体 积密度分别为：2.468、2.442、2.451、2.455、2.461、2.474， 室内马歇尔击实的标准密度为2.494，沥青混合料的最大理论密度 为2.598。该路段压实度是多少？试件的空隙率平均值是多少？
4.沥青混合料的粘弹性性质与力学模型 4.1沥青路面材料的非弹性特征
沥青混合料是典型的弹粘塑性体 小变形范围内为线形粘弹性体 大变形流动范围变现为粘塑性体 过渡范围内则为一般粘弹性体 材料的非弹性主要表现： 变形在卸载后的不可回复性（塑性） 不可瞬时回复性（粘性） σ-ε关系的曲线特性
4.2粘弹性材料的基本性质
观,便于工程应用。 力学参数通过实验模拟的方法获得。 实验模拟方法分为三个步骤:①实验结果分析;②理论模型分析;③数值模拟
分析。
2.1密实悬浮结构
这种结构形态的沥青混合料,通常采用连续型密级配,骨料的颗 粒尺寸由大到小连续存在。
材料中含有大量细料,而粗料数量较少,且相互间没有接触,不能 形成骨架,粗颗粒犹如“悬浮”于细颗粒之中。
沥青混合料表现为粘结力较高,而内摩阻力较小。 修筑的路面受沥青材料性质的影响较大， 稳定性较差。
式为:
三轴实验
在给定试验条件下，σ1和σ3之间具有线性关系
简单拉压实验
c、φ值通过测定无侧限抗压强度R和抗拉强度γ换算。
无侧限抗压：σ3=0，σ1=R
抗拉： σ1=0，σ3= γ
假定：在相同条件下，沥青混合料在压缩和拉伸两 种加载方式下内在参数值相同。
第四节 沥青路面的力学特性
4.1 基本力学特征 1、沥青路面材料的研究体系 沥青混合料是一种土工材料； 根据沥青混合料的材料组成及其结构的松散程度,它又
粘弹性材料力学性能的基本特征: 应力应变关系的曲线性及其不可逆性。这类材料不像金属材料具
有明显的屈服点弹性极限)。 对加载速度(时间效应)和试验温度(温度效应)的依赖性,服从时间温
度换算法则。 具有明显的蠕变与应力松弛特性。
4.3常温下沥青混合料应力应变曲线
σ- ε曲线具有三个区域: Ⅰ弹性区域 在加荷初期的极短时间内,应变值较小(ε ＜10-4), 切线模量为常数； E(t)=dσ(t)/dε(t） 应力应变具有线性比例关系； 材料基本上处于弹性工作状
2.2参数获取
纯沥青材料的c≠0，φ=0; 干燥骨料的c=0，φ ≠ 0； 沥青混合料,其c≠0， φ ≠ 0 。 参数c 、φ值的确定 理论准则与实验结果结合。 理论准则采用摩尔—库仑理论。 实验方法：三轴实验、简单拉压实验或直剪实验。
2.2参数获取
三轴实验 对于三轴实验来说,由图可得其摩尔一库仑的理论表达
第三章 沥青路面面层材料的结构与强度机理
沥青混凝土混合料是由适当比例的粗集料、细集料及 填料组成的符合规定级配的矿料，与沥青结合料拌和 而制成的符合技术标准 的沥青混合料(AC) .
第一节 三相体系与压实性能
1、三相体系与无量纲参数 沥青混合料是具有空间网络结构的多相分散体系，由集料、 沥青、空气组成的三相体系。
沥青路面的压实规律
静态压实实验
规律： 随着压实应力的增加,沥青 混合料的压实度初期增加很 快,而后逐渐变缓。 随着沥青用量的增加,沥青 混合料显得更容易被压实。
三种沥青用量的沥青混合料压实试验
压实对沥青混合料强度的影响
沥青混合料密实程度的大小直接影响到材料的强度，如抗压强度或抗拉 强度。
在相同条件下,密实程度好的材料具有较高的强度；反之，则较低。
2.2骨架空隙结构
在沥青混合料中,粗骨料较多,而细料数量过少,因此,虽 然能够形成骨架,但其残余空隙较大。
材料的内摩阻力较大,而粘结力较小。 修筑的沥青路面,受沥青性质的影响较小,因而其稳定性
较好。 排水路面。
2.3密实骨架结构
是综合以上两种类型组成的结构。 混合料既有一定数量的粗骨料形成骨架,又根据残余空