评价沥青的实用耐久性指标

评价路面沥青的实用流变性指标

流变学研究的流体,可分为牛顿型流体和非牛顿型流体,所谓流变性实质是固—液两相同存,是一种粘弹性的表现。沥青也是一种高分子化合物,具有粘性和弹性,属于非牛顿型流体,其流变特性与沥青的针入度、延度、粘度及路面的性能等都有很大的关系。

1.沥青的组成对其流变特性的影响

根据流变学沥青粘度定义有:

(1)

η=ηγ

c

取对数得沥青的复合流动度为:

c= Δlgη /Δlgγ (2)

从式(2)可看出,当复合流动系数c较小时,即剪应力(η)随剪变率(γ)的变化较小,L・W・科尔贝特曾用上式考察沥青各组分对其流变特性的影响。他将沥青质分别分散于饱和酚(At)、环烷—芳香酚(N—A)和极性—芳香酚(P—A)中,配成不同含量组成成分的沥青样品,在各种样品的组成中沥青质含量均为35%,然后测

定各样品的剪应力(η)与剪变率(γ)之关系。当组成的样品为极性—芳香酚(P—A)与沥青质(A)时,c=1.0,为牛顿型流体,其他各组成样品皆为非牛顿型流体。由此表明沥青分散介质的性质与沥青的流变特性有密切的关系,即沥青的组成不同,其流变特性也不同。

2.沥青的流变模型

2.1 理想弹性元件

理想弹性元件的基本元件只有一个弹簧,即材料是线弹性的,不存在粘性,遵循Hooke定律,用数学模型来描述即为ζ=E ε,其中E为杨氏模量。

2.2 粘性元件

粘性元件的基本元件是阻尼器,材料的变形与材料所受的力不是正比关系,当加上荷载之后,杆被拉长,伸长的时间变化率 d(εl) /dt与作用力成正比,用

应力应变表示,有:ζ=Fdε/dt=Fε,此处用“・”表示对时间t的常微分或偏微分,量ε称为应变率。应力正比于应变率的材料叫作粘性材料,F为粘性系数。

2.3 Maxwell模型

Maxwell模型是由弹性元件与阻尼器元件相互串联,总应变为:

ε=ε′+ε″ (3) 其中,ε′为弹性元件的应变;ε″为阻尼元件的应变,对式(3)进行微分可得:

ε=ε′+ε″=ζ/E +ζ/F

将此式改写为标志形式后可得Maxwell流体的本构方程为:

ζ+p1ζ=q1ε(p1=F/E ,q1=F) (4) 方程(4)可以分为两个阶段理解,第一阶段假设在初始时刻对杆施加一个突加恒值荷载ζ=ζ0H(t),H(t)称为单位阶跃函数或Heaviside函数,求此式应变ε为多少;第二阶段从t=t1开始,应变ε固定为ε1,也就是说杆端固定不动,此时应力将发生怎样的变化。

2.4 Kelvin模型

Kelvin模型是由弹性元件和粘壶元件相互并联组成的,在所有时刻,两个元件的伸长ε总是相同的,其总应力为

△ε=ε′+ε″= Eε+Fε,将其改写成标准形式:

ζ=q0ε+q1ε(q0=E,q1=F) (5) 式(5)为Kelvin模型的本构方程。

以上四种模型为粘弹性材料的最基本模型,在实际应用中可以根据实际情况选择,也可以根据实际情况应用这几种基本元件构建更复杂的模型,其本构方程可根据以上四个方程的思路来建立,只是方程更为复杂而已。

2.5 用Burgers流变模型评价沥青与混合料的关系

沥青与沥青混合料在高温和长时间荷载作用下,其变形则以粘性流动为主;在大多数实际使用情况下,它们的变形处于粘弹性状态,因此可以用Burgers二模型来描述其流变行为,Burgers二模型的本构方程如下:

ε(t)=ζ0 1 /E1+1/η1+1/E2(1-eE 2η2t )(6)

其中,ζ

0为压缩荷载；t为加载时间;E

1

为Maxwell模型中的弹性模量；η

1

为Maxwell模型中的粘性系数；E

2为Kelvin模型中的弹性模量；η

2

为Kelvin

模型中的粘性系数。在Burgers模型的四参数中,η

1

是评价抗流动变形的主要指

标[3],道路产生永久变形的主要原因来自于沥青混合料的η

1

,部分也来自E2和η2,而沥青混合料所具有的粘弹性,是因为它继承了沥青的粘弹性,因此求得了沥青Burgers模型的四个参数，也就可以预测沥青混合料的粘弹性性质,从而也就可以预估沥青路面的车辙,这与美国的SHRP规范和英国的Shell设计思想是一致的。

3.沥青流变性的测定方法及与路面性能的关系

1)沥青的流变性质可以采用各种形式流变仪,如同轴旋转流变仪、动态剪切流变仪、梁弯曲流变仪等对其流变性质进行研究。在不同的剪变率下,测定沥青的粘度来进行研究,通常包括测定沥青物系的弹性、粘性、蠕变、应力松弛、结构粘度、应变时效、触变性、劲度模量等。在模型理论中,沥青的弹性、粘性和塑性可以用弹簧、滑板等元件组成各种模型来描述沥青的流变行为。动态剪切流变试验,通过测量沥青的复数模量G3和相位角δ来确定沥青的疲劳因子达到极限时的温度,表征沥青在常温温度域的较低温度状态下的抗疲劳开裂能力。弯曲梁流变试验,通过量测沥青结合料在路面最低设计温度下的蠕变劲度s和蠕变速率m值来反映沥青结合料的抗低温开裂特性。

2)针入度与路面性能的关系。在不同的环境条件下,沥青所表现出的流变特性是不一样的。根据沥青的流变特性来判断沥青路用性能的好坏。不同针入度,道路的使用寿命也不同,通过试验,根据沥青胶结料硬化对HMA路面裂缝发展影响的研究得出了以下结论:a.当沥青胶结料在25℃时的针入度降至20以下时,可能发生严重路面开裂;b.当针入度介于20～30之间时,可能出现某种程度的开裂;c.当混合料设计良好,压实充分,且沥青胶结料针入度高于30时,可能具有高度开裂抗力;d.为确保长的寿命,应在不低于防止交通变形所要求的最小稳定度的情况下,尽可能采用软的沥青胶结料。

3)延度与路面性能的关系。试验表明:路面老化是由于针入度逐渐降低与粘度值逐渐提高。沥青老化后其延度减小,当路面承受的荷载超过路面不被破坏所能承受的荷载时,由于混合料延度的降低,路面就会被破坏。另外,在外界温度降低时,沥青的流动性减小,延度也减小,沥青的劲度增大,易产生路面开裂。

4)劲度与路面性能的关系。对公路路面面层而言,理想的情况是在高服务温度期望提高沥青胶结料劲度以避免车辙,而在低服务温度期望沥青胶结料降低劲度以抵抗低温收缩开裂。在低温地区,常常由于路面温度的降低,使沥青的劲度增大,在荷载的作用下,路面产生开裂。为此常在沥青中加入一定的改性剂,把普通