瀝青與瀝青混合料

1、瀝青與瀝青混合料 IQIN(.VUI IQJNOIIIJNHF.l 黧螬瞬E蕃蓬翟量翟宙E宣言ij。Nu，lIUlNjVt Jl IoINGI JNHEl 一、液體的粘性流動(dòng)變形 流動(dòng)變形是液體的基本屬性。液體的流動(dòng)變形行為具有依賴(lài)時(shí)問(wèn)、依賴(lài)溫度、不町恢復(fù)等行為特點(diǎn)。瀝青及瀝青混合料這一類(lèi)粘彈性材料的力學(xué)行為之所以錯(cuò)綜復(fù)雜、變化萬(wàn)千，根本原因在于這類(lèi)材料表現(xiàn)了彈性變形與流動(dòng)變形綜合的力學(xué)行為特點(diǎn)。因此，如果沒(méi)有對(duì)于液體流動(dòng)變形行為的深入了解，我們就可能無(wú)法掌握包括流動(dòng)變形行為在內(nèi)的粘彈性力學(xué)行為。 另一方面，瀝青在一定的溫度條件一卜具有單純的流動(dòng)變形特性，路面工程中利用這種依賴(lài)于溫度的流動(dòng)特性

2、實(shí)現(xiàn)瀝青混合料的拌和與攤鋪。僅僅從評(píng)價(jià)瀝青性能、設(shè)計(jì)瀝青混合料、控制瀝青路面_L：程質(zhì)量的角度出發(fā)，我們也需要詳細(xì)了解液體的流動(dòng)變形行為。 在這章中，我們主要以道路石油瀝青作為研究對(duì)象，重點(diǎn)討論液體的粘性流動(dòng)特性。第一節(jié)液體的非牛頓流動(dòng)特性 I糊E液體的牛頓流動(dòng)特性 流動(dòng)是物質(zhì)存在的一種形式，自然界幾乎所有的物質(zhì)都處于流動(dòng)之中。物質(zhì)的流動(dòng)形態(tài)多種多樣，最簡(jiǎn)單或者說(shuō)最理想的流動(dòng)是以牛頓內(nèi)摩擦定律描述酌牛頓液體。牛頓在1687年首先提出過(guò)流動(dòng)阻力正比于相鄰部分流體相對(duì)流動(dòng)速度的假設(shè)，19世紀(jì)上半葉，法國(guó)科學(xué)家Cauchy，Poisson及英國(guó)科學(xué)家Stocks等人通過(guò)進(jìn)步的試驗(yàn)研究完善了這一體系的

3、基本理論。 假定液體在一定外力作用下表現(xiàn)為圖2-1所示的層流。即假設(shè)在兩塊平行平板間充滿流體，兩平板間距離日，以y為法線方向。保持下平板固定不動(dòng)，使上平板沿所在平面以速度y運(yùn)動(dòng)，于是粘附于上平板表面的一層流體隨平板以速度y運(yùn)動(dòng)，并一層一層地向下影響，各層10相層 產(chǎn) 正SBS/SIS對(duì)簡(jiǎn)單，能夠全面地改善瀝青路用性能，因而得到廣泛應(yīng)用。與其他改性瀝青比較，sBSsIs約占世界市場(chǎng)總量的44%，SB約為10%，EVA約為11%，廢舊輪胎膠粉約為9%EPDM約為12%,PE約為3%，Betaplast約為7%，其他4%，由此可見(jiàn)，SBS改性劑占據(jù)了道路瀝青改性劑的半數(shù)左右。要和FIl三瀝青混合料砂

4、、碎石、礦粉等礦質(zhì)原料，按照一定比例（必結(jié)料具有適宜粘度時(shí)，將瀝青混合料充分拌面。瀝青混合料種類(lèi)繁多，大致可以分類(lèi)如南陽(yáng)稻度狀和化能含j瀝j表型外，和膠路青青青瀝瀝瀝油在的一一一料磅足結(jié)料滿膠填為為他成一一一青包鋪瀝也攤 時(shí)后： RmimIIHWIll 第一章概 述_._-_._-_._._-_.|瀝青路面瀝青混合料在制造、車(chē)輛荷載、溫度環(huán)境與降求日益提高，交通荷載也 岡1一I i種媳，列級(jí)眥分類(lèi)概念的常見(jiàn)病害筑及壓實(shí)之后，必須考慮它的路用性能。影響路用性能的因素包括、瀝青材料的老化等。隨著社會(huì)發(fā)展，現(xiàn)代交通對(duì)于路面的質(zhì)量要生顯著的變化。 1永久變形 瀝青路面的永久變形主要指車(chē)轍變形和縱向推移

5、引起的平整度劣化。永久變形主要發(fā)生在高溫季節(jié)，與車(chē)輛軸載、行駛狀態(tài)等因素有關(guān)?？谇暗臑r青混合料沒(méi)計(jì)方法主要根據(jù)高溫抵抗永久變形的能力確定礦質(zhì)混合料級(jí)配和瀝青用量。 2低溫開(kāi)裂 在降溫過(guò)程中道路結(jié)構(gòu)約束r面層瀝青混合料的溫度收縮，導(dǎo)致瀝青面層產(chǎn)生溫度應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度而開(kāi)裂。低溫開(kāi)裂主要表現(xiàn)為垂直于道路中線的橫向裂縫，裂縫處的承載力下降導(dǎo)致路面碎裂。低溫開(kāi)裂和極限溫度與極限降溫速度有關(guān)，也叮能來(lái)源于重復(fù)的升降溫過(guò)程。 3.疲勞開(kāi)裂 當(dāng)瀝青路面承受重復(fù)的車(chē)輪載荷時(shí)，瀝青層底部產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉應(yīng)變。如果路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備不足，或者水的浸入改變了基層支撐狀態(tài)，可能導(dǎo)致瀝青層產(chǎn)生裂縫并發(fā)展為（鱷魚(yú)皮狀】碎裂。

6、疲勞特性的預(yù)測(cè)及評(píng)估是目前瀝青路面設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。 4老化 瀝青是一種高分子材料，瀝青路面裸露在自然環(huán)境中必然發(fā)生老化。瀝青的老化包括拌和攤鋪過(guò)程中高溫引起的老化，稱(chēng)之為短期老化；也可能包括長(zhǎng)期使用過(guò)程中的熱老化、光老化和氧老化，稱(chēng)之為長(zhǎng)期老化。老化導(dǎo)致瀝青混合料變得脆硬，損傷其抵抗疲勞和低溫開(kāi)裂的能力。 5.松散磨損 瀝青膠漿從間隙間逸失導(dǎo)致道路表面出現(xiàn)磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生松散。瀝青混合料中瀝青含量和壓實(shí)程度是影響磨損與松散的主要原因。集料的逸失呵能來(lái)源于瀝青老化，集料表面瀝青漿的粘結(jié)力喪失或者瀝青膜脆裂。 6泛油 交通荷載作用使得瀝青混合料內(nèi)的集料不斷嵌緊而空隙減少，最終將瀝青膠漿擠壓到路表

7、發(fā)生泛油。泛油導(dǎo)致瀝青路面滑溜而影響交通安全。除瀝青含量偏高或空隙率偏小等原因外，瀝青過(guò)軟也是主要原因之。 3鋪水發(fā)已n絡(luò) 兇羋田 莛旨t吡筻E t， ， 常變有流 青 礦能；l 正后具有 瀝 仲路 x陌 于力須具 及 職奶觸睛 對(duì)外必該 青 一拗 黼一 。消都應(yīng) 瀝 舸蚴 一 仇蝴這 形取件料 的 一哆 岐勘 變望構(gòu)材 用 辨鼬 彈高 生希的說(shuō) 酮 丑x 發(fā)且愀一 一一一一一戳 際11； 一一一一匕 外產(chǎn)。一種 一一一一 椎黼敝在聆一 蝴一 曜猢秕 傲齜噠 一一一 其來(lái)粕一一一一 一IC一 一一一 一一 個(gè)面努 叵1邑 眶黼姚 鰳蝴旭 既 。 面壞 路破 一腚拙 一一 瀝疲一 一麒挑 俏料生

8、 桃撤賄 黜 壞 一一一 具粹順 域容撒 牌 同青開(kāi) 燃毗 軀肝嬲 裂 M瀝溫 時(shí)低 此止 易 猷徘已防 魁磯 瀝溫衍了酌緗褂形力魁硐黼路面復(fù)何能混其夠青路回幾的泥與足 力低瀝的夠的形水料在一一啪虬一一一一一一一一一一一一 一肝艮骶一一 瀝粕高 一一 度料，一一一一一 一靚威蒯一懶一一 件瀝合 條內(nèi)混 溫區(qū)青 用能定成 合 一一一一一一 ，百峻 帕姍一一 泡一一一趲蝻性要 明特重 使形一動(dòng) 混 之面 階毗姍 塒黝汁度件別 學(xué)卜，。 剛條特 辦1、1九第一章概 述 I_目瀝青及瀝青混合料的性能規(guī)范 瀝青及瀝青混合料是鋪筑瀝青路面最重要的工程材料。控制瀝青及瀝青混合料的路用性能與施工質(zhì)量，減少第一

9、節(jié)中述及的路面損壞現(xiàn)象，是一個(gè)提高工業(yè)化水平的問(wèn)題2，必須建立適應(yīng)工業(yè)化水平的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或者技術(shù)規(guī)范，來(lái)指導(dǎo)、控制、管理瀝青及瀝青混合料的技術(shù)性能，使其滿足瀝青路面建設(shè)的技術(shù)要求。 制定技術(shù)規(guī)范首先要適應(yīng)工業(yè)化進(jìn)程，同時(shí)也要具有可靠的科學(xué)技術(shù)依據(jù)。和其他工業(yè)領(lǐng)域一樣，道路T程的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)正由經(jīng)驗(yàn)型向理論性轉(zhuǎn)變。例如，NCHRP Synthesis 212(Cham-berlin 1996)將關(guān)于道路工程有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范劃分為三個(gè)等級(jí)，并明確r各個(gè)等級(jí)的定義，給出了相應(yīng)的介紹與說(shuō)明。 性能規(guī)范（performance specification）描述如何在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)路面工程任務(wù)。這些

10、規(guī)范的基礎(chǔ)應(yīng)該是路面性能項(xiàng)目( LIPP)長(zhǎng)期的研究成果，結(jié)合一系列新的試驗(yàn)方法，保證路面在長(zhǎng)期使用過(guò)程中滿足道路的使用性能要求。這些新的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該與路面的性能直接相關(guān)，而不僅僅是瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)。 基于性能的規(guī)范（perfonnance-based specifications】 描述基于T程性質(zhì)的期望水平。這些基本的工程性質(zhì)如回彈模鼉、疲勞特性等可以作為性能預(yù)測(cè)模型的變量預(yù)測(cè)路面的性能?；谛阅艿囊?guī)范試圖聚焦于以性能特性來(lái)改善現(xiàn)有的質(zhì)量水平。然而，材料和施工過(guò)程質(zhì)量特征的檢測(cè)并不能及時(shí)為承包商提供相關(guān)信息，日前可能無(wú)法對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行調(diào)整。 與性能相關(guān)的規(guī)范(performance-r

11、elated specification-PRS) 描述材料和施工諸因素的理想水平。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些因素與一些工程特性相關(guān)，并可以用來(lái)預(yù)測(cè)路面性能。同時(shí)這些因素可以在施工的過(guò)程中予以檢測(cè)。與性能相關(guān)的規(guī)范試圖通過(guò)確認(rèn)施工項(xiàng)目的質(zhì)量水平來(lái)實(shí)現(xiàn)成本和性能間的最佳平衡。與性能相關(guān)的規(guī)范常用的材料質(zhì)量特征包括空隙率和瀝青含量等。 NCHRP Synthesis 212的報(bào)告是針對(duì)整個(gè)道路建設(shè)技術(shù)領(lǐng)域的，因此，這份報(bào)告認(rèn)為推行性能規(guī)范為時(shí)尚早。但是，作為瀝青和瀝青混合料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究，目前已經(jīng)取得了一些重要的進(jìn)展。 到20世紀(jì)末，道路石油瀝青的產(chǎn)品分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要有二類(lèi)，即針入度分級(jí)和粘度分級(jí)。以瀝青針人度分級(jí)

12、的瀝青標(biāo)準(zhǔn)源于1918年美國(guó)公路局確定的針人度分級(jí)，即按照25針入度劃分瀝青牌號(hào)并輔以共他技術(shù)指標(biāo)來(lái)控制瀝青的質(zhì)量。1960年代提出粘度分級(jí)體系以適應(yīng)使用量逐漸增加的氧化瀝青。粘度分級(jí)是按真空毛細(xì)管測(cè)得的60粘度劃分瀝青的牌號(hào)并輔以其他技術(shù)指標(biāo)來(lái)控制瀝青的質(zhì)量。我國(guó)的道路石油瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一贏采用針人度分級(jí)。針入度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是典型的經(jīng)驗(yàn)型標(biāo)準(zhǔn)，粘度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)雖然較針人度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有所進(jìn)步，但仍然具有經(jīng)驗(yàn)性。 美國(guó)的公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(Strategic Highway Research Program，簡(jiǎn)稱(chēng)SHRP)提出了按照瀝青路用性能分級(jí)（Performance Graded，簡(jiǎn)記為PG）的道路瀝青

13、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。SHRP PG分級(jí)依賴(lài)于瀝青的粘彈性進(jìn)行分級(jí)，分別提出了施工溫度范圍、高溫、中等溫度和低溫條件下與路面使用環(huán)境相關(guān)的流變特性指標(biāo)。PC分級(jí)直接依據(jù)路面工作環(huán)境、交通荷載和沒(méi)計(jì)溫度評(píng)價(jià)瀝青性能，并且充分考慮了瀝青使用過(guò)程中熱老化對(duì)于分級(jí)的影響。 5瀝青與瀝青混合整鏨焉霉宙臣冒蟊重董置瞄E瀏j鼎鼢裂刪j嬲“。7“。囂嘉焉囂篇暑蔑篙黹黑芒 經(jīng)過(guò)10年努力，SHRP PG性能分級(jí)作為一項(xiàng)新技術(shù)，已經(jīng)在美國(guó)得到普遍的推廣應(yīng)用。 定盡管其后發(fā)現(xiàn)SHRP PG分級(jí)對(duì)于改性瀝青的評(píng)價(jià)存在一些關(guān)鍵性的技術(shù)缺陷，美國(guó)聯(lián)邦公路局組織有關(guān)技術(shù)專(zhuān)家繼續(xù)采用粘彈力學(xué)方法研究PG分級(jí)的改進(jìn)。通過(guò)美國(guó)國(guó)家協(xié)作研究項(xiàng)

14、目NCHRP9 - 10課題研究，已經(jīng)使得該成果對(duì)于改性瀝青的適用性得到增強(qiáng)。盡管PG性能分級(jí)要求的技術(shù)指標(biāo)大部分是過(guò)去經(jīng)驗(yàn)型分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中從未有過(guò)的，需要采用專(zhuān)用的試驗(yàn)儀器和方法，目前尚未得到世界各國(guó)的采納和應(yīng)用，但PG分級(jí)成果促進(jìn)各國(guó)紛紛修訂自己的瀝青技術(shù)指標(biāo)。各國(guó)瀝青技術(shù)指標(biāo)修訂的趨勢(shì)是盡量采用具有明確粘彈力學(xué)依據(jù)的指標(biāo)（例如60動(dòng)力粘度）來(lái)代替或簡(jiǎn)化針人度分級(jí)指標(biāo)體系。 寅 此外，盡管SHRP研究進(jìn)行的大量瀝青混合料性能評(píng)價(jià)方法研究，多數(shù)尚未能形成技術(shù)規(guī)范，但其中的大量研究成果如簡(jiǎn)單剪切試驗(yàn)( SST)、約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)(TSRST)、彎曲疲勞試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)等，均在全世界引起強(qiáng)烈反

15、響。這些研究全部采用粘彈性力學(xué)手段與方法研究或評(píng)份瀝青混合料的力學(xué)性能與路用性能。隨著2004 AASHTO路面設(shè)計(jì)指南編制的研究進(jìn)展，美國(guó)正在加緊瀝青混合料性能評(píng)價(jià)方面的研究，大力促進(jìn)新的路面設(shè)計(jì)指南真正成為力學(xué)經(jīng)驗(yàn)型的設(shè)計(jì)方法。 月 綜上所述，美國(guó)近20年在瀝青及瀝青混合料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范方面的研究中，始終堅(jiān)持采用粘彈力學(xué)的理論與方法作為應(yīng)用研究基礎(chǔ)，使得瀝青及瀝青昆合料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范越來(lái)越接近性能規(guī)范的水平。 ； 第三節(jié)粘彈力學(xué)的基本原理 l彈性、粘性與粘彈性 再經(jīng)典力學(xué)中，描述物體彈性行為的是虎克定律，即施加外力時(shí)物體在瞬間產(chǎn)生變形，并不隨時(shí)間增加而保持恒定的值，消除外力后變形

16、可以瞬間回復(fù)。描述粘性流動(dòng)的是牛頓定律，即變形速率與外力成比例，變形隨時(shí)間增加，取消外力后變形不能回復(fù)。顯然，彈性變形與粘性流動(dòng)變形是互相對(duì)立的兩種變形行為。 任何互相對(duì)立的事物都將在一定條件下向相反的方向轉(zhuǎn)化，工程材料的力學(xué)行為也都在一定條件下具有滿足使用要求的彈性，并在另外的條件下具有粘性流動(dòng)的能力。對(duì)于工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，重要的是認(rèn)識(shí)材料由粘性向彈性轉(zhuǎn)化的條件以及產(chǎn)生這種轉(zhuǎn)化的機(jī)理。 化學(xué)變化可以使物體改變自身的力學(xué)特性。例如，新拌制的水泥混疑土可以像液體一樣被澆注在模板之中，也可以使用管道運(yùn)送，但凝固之后的混凝土具有相當(dāng)高的彈性，即使每平方厘米承受數(shù)千牛頓的荷載也不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的變形。這是

17、因?yàn)槟踢^(guò)程中混凝土內(nèi)部發(fā)生了水化反應(yīng)，使得原來(lái)具有粘性的材料成為一種新的彈性材料。 鋼材、鑄鐵等金屬材料在固定的溫度下可以由固體變成液體，這樣的現(xiàn)象叫做熔融，發(fā)生熔融的溫度稱(chēng)為熔點(diǎn)。熔融過(guò)程是物質(zhì)的一種熱力學(xué)物理相變。相變是一種突變現(xiàn)象，只有具有晶體結(jié)構(gòu)的固體才具有固定的熔點(diǎn)。 不具有明顯晶體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)稱(chēng)為無(wú)定形結(jié)構(gòu)或玻璃質(zhì)。具有無(wú)定形結(jié)構(gòu)的物質(zhì)可以不經(jīng)過(guò)化學(xué)變化或者熔融過(guò)程實(shí)現(xiàn)由粘性流動(dòng)狀態(tài)向彈性變形狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。與晶體結(jié)構(gòu)不同，無(wú) 定形結(jié)構(gòu)物質(zhì)的這一轉(zhuǎn)變是個(gè)伴隨溫度變化或者外力作用時(shí)間長(zhǎng)短的漸變過(guò)程。瀝青的性能具有顯著的無(wú)定形結(jié)構(gòu)物特征，并影響了瀝青混合料的力學(xué)行為。， l_F、|溫度對(duì)于

18、變形形態(tài)的影響 變形隨溫度變化的過(guò)程可以用熱機(jī)械曲線來(lái)描述。如圖1.2所示，在不同溫度F，給物體施加相同的荷載，經(jīng)過(guò)同樣時(shí)間后可以得到完傘不同的變形行為。 當(dāng)溫度較低時(shí)，物體的變形很?。ú淮笥? 010）并在瞬間完成，變形可以用虎克定律描述。由于這一階段的變形可以完全回復(fù)，屬于彈性變形，其特性與普通的彈性物質(zhì)無(wú)異，故稱(chēng)之為普彈態(tài)或玻璃態(tài)。 當(dāng)溫度較高時(shí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡階段，物體的變形在較大的水平（可在IOO%1000%）E保持穩(wěn)定，外力消除后變形仍可以回復(fù)。此時(shí)物體的力學(xué)行為類(lèi)似于橡膠，故稱(chēng)之為橡膠態(tài)或高彈態(tài)。 當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，物體的變形急劇發(fā)展，并開(kāi)始粘性流動(dòng)，這是物體的粘流態(tài)。 粞Zi 晌

19、 商彈態(tài) 玻璃態(tài) f I矧1-2尢定形結(jié)構(gòu)物的熱機(jī)械曲線 物體由普彈態(tài)向高彈態(tài)過(guò)渡的轉(zhuǎn)變溫度稱(chēng)為玻璃轉(zhuǎn)移溫度或玻璃態(tài)轉(zhuǎn)移點(diǎn)，一般以Tg表示。高彈態(tài)向粘流態(tài)轉(zhuǎn)移的溫度稱(chēng)為粘流溫度，一般用乃表示。T和Tf是物體的固有溫度，在研究材料的力學(xué)衍為時(shí)，這兩個(gè)溫度具有極為重要的意義，特別是在發(fā)生玻璃態(tài)轉(zhuǎn)移前后，不僅物體的力學(xué)行為將要發(fā)生較大的變化，而且如熱膨脹系數(shù)、比熱、熱焓、光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)等許多性能也要發(fā)生變化。玻璃態(tài)轉(zhuǎn)移不伴隨物體性能的突變，并在一定程度上依賴(lài)于溫度變化的速率。因此，玻璃態(tài)轉(zhuǎn)移與代表熱力學(xué)相變的熔點(diǎn)具有本質(zhì)的不同。 在圖1-2中的高彈區(qū)，變形不僅對(duì)于溫度的依賴(lài)性不明顯，而日，高彈變

20、形也具有瞬時(shí)性，因此高彈變形也稱(chēng)為平衡高彈。對(duì)于多數(shù)的物體，平衡高彈的溫度范圍比較窄，有些物體可能根本不存在平衡高彈現(xiàn)象。此時(shí)，物體的變形雖然可以完全或者部分得到回復(fù)，但這一回復(fù)可能是一個(gè)明顯的時(shí)間過(guò)程。H 1-3延遲彈，陀-E延遲彈-陛如圖1.3所示，材料在外力作用F產(chǎn)生的變形緩慢增加，撤除外力后變形緩慢同復(fù)。這種加-卸荷過(guò)程，中變形不隨外力即時(shí)達(dá)到平衡而有所滯后的現(xiàn)象稱(chēng)為延遲彈性。 延遲彈性變形不僅是溫度的函數(shù)，也是時(shí)間的函數(shù)。對(duì)于無(wú)定形結(jié)構(gòu)物質(zhì)，如果保持溫度不變，觀察一定外力作用下變形隨時(shí)間發(fā)展，那么也可以得到類(lèi)似于熱機(jī)械曲線的變形-時(shí)間曲線（如圖1-3）。由于變形對(duì)于時(shí)間的依賴(lài)是粘性流

21、動(dòng)的固有特性，也稱(chēng)延遲彈性為粘彈惶。 7瀝青與瀝點(diǎn)混合料鏨愚翻囝臣臣蟊譽(yù)謄童基言NIANlArj.、”E/ LIAN“IJIY TNaY()N6崠累思焉黑眷囂篇愨篇 在圖1-3所示的曲線上，也可以定義一個(gè)與玻璃態(tài)轉(zhuǎn)移溫度Tg類(lèi)似的轉(zhuǎn)移時(shí)間。， logEr( tg)=吉(logE, +logE2) 式中，E為普彈模量；E2為平衡高彈模量。通常稱(chēng)。為示性松弛時(shí)間。 _l因粘彈力學(xué)的研究方法 以延遲彈性行為作為主要研究對(duì)象的力學(xué)學(xué)科是粘彈性力學(xué)，這一學(xué)科是流變學(xué)的一個(gè)重要分支，也是現(xiàn)代科學(xué)的一個(gè)新興領(lǐng)域。 與經(jīng)典力學(xué)不同，粘彈性力學(xué)不僅研究物體宏觀力學(xué)行為的一般規(guī)律，同時(shí)也研究導(dǎo)致物體宏觀力學(xué)行為多

22、種多樣性的變形機(jī)理，因此，粘彈性力學(xué)的較新定義是“與可變形物體的機(jī)理有關(guān)的一個(gè)物理學(xué)分支”。換句話說(shuō)，粘彈性力學(xué)不僅通過(guò)粘彈性變形這一特殊的運(yùn)動(dòng)形式來(lái)指導(dǎo)我們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的宏觀現(xiàn)象，更重要的是通過(guò)延遲彈性變形機(jī)理的研究，指導(dǎo)我們認(rèn)識(shí)材料微觀結(jié)構(gòu)組成形式與材料宏觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式的內(nèi)在聯(lián)系，使我們從本質(zhì)上了解材料力學(xué)行為的多種多樣性。 在這一方面取得顯著成果的是關(guān)于高分子合成材料聚合物的粘彈力學(xué)研究。在聚合物粘彈力學(xué)中，不僅可以根據(jù)分子的熱物理特性來(lái)說(shuō)明韌體產(chǎn)生瞬時(shí)彈性、粘彈性及粘性流動(dòng)的變形機(jī)理，還可以根據(jù)大分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)說(shuō)明一定條件下不同物體產(chǎn)生不同粘彈性力學(xué)行為的變形機(jī)理。因此，粘彈性力學(xué)這

23、一物理學(xué)分支的研究已經(jīng)涉及到物體的分子結(jié)構(gòu)理論、熱物理學(xué)、分子熱力學(xué)理論，并且與彈塑性力學(xué)、流體力學(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)等現(xiàn)代力學(xué)的研究成果緊密相關(guān)。在這一意義上，可以說(shuō)粘彈性力學(xué)是一門(mén)處于前沿地位的新興邊緣學(xué)科。 粘彈力學(xué)本身又是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。由于通常不得不采用唯象手段處理工程材料的粘彈性力學(xué)行為，實(shí)驗(yàn)研究就具有更加重要的實(shí)際意義。以實(shí)驗(yàn)作為基本手段的粘彈性力學(xué)研究方法稱(chēng)為實(shí)驗(yàn)粘彈力學(xué)，實(shí)驗(yàn)粘彈力學(xué)更側(cè)重對(duì)于材料宏觀力學(xué)變形規(guī)律的描述與預(yù)測(cè)。對(duì)于工程材料，實(shí)驗(yàn)粘彈力學(xué)的主要研究目的是通過(guò)適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)手段，根據(jù)生產(chǎn)活動(dòng)中遇到的實(shí)際問(wèn)題，模擬產(chǎn)生這些問(wèn)題的應(yīng)力條件、變形歷程、溫度及環(huán)境，

24、建立經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)一半理論公式來(lái)定量地描述材料的粘彈性力學(xué)行為。 由于粘彈性材料的變形行為依賴(lài)于溫度和時(shí)間，在一些情況下還可能依賴(lài)于應(yīng)力水平而表現(xiàn)出非線性，這類(lèi)材料的試驗(yàn)研究設(shè)備一般比較精密，需要能夠嚴(yán)格控制時(shí)間或變形速度、溫度或者降溫速度、穩(wěn)態(tài)應(yīng)力或者動(dòng)態(tài)虛力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。近年來(lái)，由于動(dòng)態(tài)加載設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，采用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析( DMA)研究瀝青及瀝青混合料粘彈特性的方法得到了迅速發(fā)展，成為實(shí)驗(yàn)粘彈力學(xué)研究的重要手段。 _l國(guó)瀝青與瀝青混合料的粘彈性力學(xué)行為 瀝青及瀝青昆合料一般具有相當(dāng)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，盡管這些材料就微觀結(jié)構(gòu)而言并在像高聚物那樣確定的造成延遲彈性的變形機(jī)理，但在一定的觀測(cè)時(shí)間下

25、，這些材料也表變形明顯依賴(lài)于時(shí)間的力學(xué)行為。但在研究瀝青與瀝青混合料的粘彈性力學(xué)行為時(shí)，還注意瀝青的材料結(jié)構(gòu)與瀝青混合料仍存在明顯的差異。 瀝青由多種化學(xué)成分極其復(fù)雜的碳?xì)浠衔锛捌浞墙饘僭氐难苌锼M成，盡管其加工成型的條件相當(dāng)復(fù) 8N_存出須 小，不現(xiàn)必 其f rJ 第一章概 述 l j 刪H-_-_ 分極其復(fù)雜，瀝青仍然具有無(wú)定形結(jié)構(gòu)物的基本特征。瀝青混合料則由作為膠結(jié)料的道路石 油瀝青和砂、碎石、礦粉等礦質(zhì)原料，按照一定比例（必要時(shí)也包括纖維等其他填料）共同組成。 它的力學(xué)特性既相似又有別于瀝青和集料。 在宏觀意義上講，瀝青是一種均質(zhì)的粘彈性材料，瀝青混合料是一種顆粒性的粘彈性材 l

26、 ! 料。在瀝青混合料中，瀝青薄膜裹覆集料顆粒形成骨架，其強(qiáng)度來(lái)源于骨架的嵌擠和瀝青的粘 j 結(jié)。延西利3曾經(jīng)著文指出，瀝青混合料的物理結(jié)構(gòu)從總體上看是松散的，可以認(rèn)為它是一種 一個(gè)j 典型的顆粒性材料。一般說(shuō)來(lái)，所有的顆粒性材料在宏觀上都具有這樣三個(gè)特征：材料由許多 顆粒組成；顆粒的自身強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其聯(lián)結(jié)強(qiáng)度；在外力作用下，顆粒間發(fā)生相互錯(cuò)位移動(dòng)。 l改物 j 由于這樣的差別，與瀝青材料粘彈性的研究方法不同，在研究瀝青混合料時(shí)，必須注意以 !g機(jī) 下問(wèn)題： 髟式 瀝青混合料的變形特性與破壞特性依賴(lài)于加荷方式，三軸試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)等方式有利 昌凳i 于發(fā)揮集料之間的嵌擠作用。迄今為止瀝青混合科

27、力學(xué)特性研究的一個(gè)難題仍然是力學(xué)響應(yīng) 的第一象限（純拉模式）與第三象限（純壓模式）的鏡像影射不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題。 由于瀝青材料的結(jié)構(gòu)組成在宏觀上可被認(rèn)為是均質(zhì)的，容易采用熱力學(xué)、損傷力學(xué)、斷裂 f I 力學(xué)等現(xiàn)代力學(xué)方法與手段研究瀝青的力學(xué)行為。瀝青混合料的宏觀材料結(jié)構(gòu)組成就很復(fù) 勿粘 昀變 ？ 雜，瀝青與礦料的表面物理化學(xué)作用使得其微觀或者亞微觀的結(jié)構(gòu)組成更加復(fù)雜，這些經(jīng)典能 阡為 研究手段很難不加以經(jīng)驗(yàn)性地處理而直接用于瀝青混合料的力學(xué)行為研究。 熱物 盡管瀝青和瀝青混合料均具有類(lèi)似的粘彈性力學(xué)行為，由于瀝青混合料仍具有顆粒材制 Pf究 的特點(diǎn)，其級(jí)配組成對(duì)于瀝青混合料的粘彈性力學(xué)行為特征具有顯著

28、的影響。盡管一些研窮 人員或研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行過(guò)許多努力I a，列，我們?nèi)匀徊荒苡勺鳛槟z結(jié)料的瀝青性能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)瀝 陛材 青混合料的力學(xué)行為。 彈性 最后，對(duì)于道路領(lǐng)域的研究人員來(lái)說(shuō)，瀝青混合料與瀝青不同， 瞪與 雜。不同的加工條件不僅導(dǎo)致瀝青混合料中體積特性（如VMA、空隙率、瀝青膜厚度）的差異 功中 而且會(huì)導(dǎo)致集料顆粒排列的顯著不同6。 瞼一 釅而 瞌、 到廣 I，成 不存 既出 磐須 喚成 9 瀝青與瀝青混合料 IQIN(.VUI IQJNOIIIJNHF.l 黧螬瞬E蕃蓬翟量翟宙E宣言ij。Nu，lIUlNjVt Jl IoINGI JNHEl 一、二司液體的粘性流動(dòng)變形 流動(dòng)變形是液體的基

29、本屬性。液體的流動(dòng)變形行為具有依賴(lài)時(shí)問(wèn)、依賴(lài)溫度、不町恢復(fù)等行為特點(diǎn)。瀝青及瀝青混合料這一類(lèi)粘彈性材料的力學(xué)行為之所以錯(cuò)綜復(fù)雜、變化萬(wàn)千，根本原因在于這類(lèi)材料表現(xiàn)了彈性變形與流動(dòng)變形綜合的力學(xué)行為特點(diǎn)。因此，如果沒(méi)有對(duì)于液體流動(dòng)變形行為的深入了解，我們就可能無(wú)法掌握包括流動(dòng)變形行為在內(nèi)的粘彈性力學(xué)行為。 另一方面，瀝青在一定的溫度條件一卜具有單純的流動(dòng)變形特性，路面工程中利用這種依賴(lài)于溫度的流動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)瀝青混合料的拌和與攤鋪。僅僅從評(píng)價(jià)瀝青性能、設(shè)計(jì)瀝青混合料、控制瀝青路面_L：程質(zhì)量的角度出發(fā)，我們也需要詳細(xì)了解液體的流動(dòng)變形行為。 在這章中，我們主要以道路石油瀝青作為研究對(duì)象，重點(diǎn)討論液體

30、的粘性流動(dòng)特性。第一節(jié)液體的非牛頓流動(dòng)特性 I糊E液體的牛頓流動(dòng)特性 流動(dòng)是物質(zhì)存在的一種形式，自然界幾乎所有的物質(zhì)都處于流動(dòng)之中。物質(zhì)的流動(dòng)形態(tài)多種多樣，最簡(jiǎn)單或者說(shuō)最理想的流動(dòng)是以牛頓內(nèi)摩擦定律描述酌牛頓液體。牛頓在1687年首先提出過(guò)流動(dòng)阻力正比于相鄰部分流體相對(duì)流動(dòng)速度的假設(shè)，19世紀(jì)上半葉，法國(guó)科學(xué)家Cauchy，Poisson及英國(guó)科學(xué)家Stocks等人通過(guò)進(jìn)步的試驗(yàn)研究完善了這一體系的基本理論。 假定液體在一定外力作用下表現(xiàn)為圖2-1所示的層流。即假設(shè)在兩塊平行平板間充滿流體，兩平板間距離日，以y為法線方向。保持下平板固定不動(dòng)，使上平板沿所在平面以速度y運(yùn)動(dòng)，于是粘附于上平板表面

31、的一層流體隨平板以速度y運(yùn)動(dòng)，并一層一層地向下影響，各層10相層 產(chǎn) 正 相繼流動(dòng) 層的速度 上平 產(chǎn)生對(duì)于 牛頓， f 正比，與朝 4 I復(fù)等 或 I根本 式(2 I于液 式中 行為。 l依賴(lài) 在厚， 抖、控 、 元除位移 o 得 I 記流一 以s 形態(tài) 摩擦定律 87年 ， 學(xué)家 l論。 或者 滿流 ？ 度v 各層 j 滿足： l j 變率D的 圖2-2所j 小的應(yīng)力一 為粘滯系！ 的量綱為 于剪應(yīng)力 度越大的； 大。氣體I 處于流動(dòng)： L j j需臻需要熙禽婺煞踴霜墨墨翟鷺剖州NluNw“ww 蕊E牛頓流體的變形特性 牛頓內(nèi)摩擦定律S=a7D表明流體的應(yīng)力與應(yīng)變速率具有比例關(guān)系，虎克定律

32、d=Ee或r：G-y則表明固體的應(yīng)力與應(yīng)變具有比例關(guān)系。盡管二者的比例關(guān)系具有形式上的一致性，但由于牛頓內(nèi)摩擦定律中的應(yīng)變速率表現(xiàn)了應(yīng)變對(duì)于時(shí)間的依賴(lài)性，因此牛頓內(nèi)摩擦定律描述的流體流動(dòng)變形行為與虎克定律描述的固體彈性變形行為完全不同。 假定在流體試樣上瞬時(shí)施加一個(gè)應(yīng)力5，然后保持不變，再在某時(shí)刻t。撤去應(yīng)力，我們來(lái)分析線性粘性流動(dòng)的特點(diǎn)。 由于D：譬：立，積分后叮以得到流動(dòng)開(kāi)始后牛頓流體在各時(shí)刻的變形： a )7 ，、 )，(t)=c昔 (24) 當(dāng)剪應(yīng)力|s一定時(shí)，牛頓流體的流動(dòng)變形y與歷時(shí)具有如圖2.3所示的線性比例關(guān)系。流體變形隨時(shí)間不斷增加，表明流動(dòng)變形與虎克彈性變形不同，具有時(shí)間依

33、賴(lài)性。 在施加剪應(yīng)力的零時(shí)刻，流動(dòng)變形值為零，表明不可能使得流體在施加荷載的瞬間產(chǎn)生變形，或者說(shuō)只有施加無(wú)窮大的應(yīng)力才有可能使得流體瞬間產(chǎn)生應(yīng)變。j虎克彈性體不同，牛頓流體不可能產(chǎn)生瞬H、r變形。在時(shí)刻扛o時(shí)，流體已產(chǎn)生有限變形yo，此時(shí)撤去勢(shì)應(yīng)力即令s：0，則t。時(shí)刻后牛頓流體將永遠(yuǎn)保持有限變形），o。這就表明，牛頓流體的流動(dòng)變形具有不可逆特性，或者說(shuō)流動(dòng)變形是小川回復(fù)的。 在工程領(lǐng)域的研究中，我們通常稱(chēng)虎克定律描述的變形特性為彈性變形，與之相應(yīng)，我們可以稱(chēng)牛頓內(nèi)摩擦定律描述的變形行為為粘性流動(dòng)變形。 硼E液體的非牛頓流動(dòng)特性 牛頓流體的粘度不依賴(lài)于應(yīng)力水平。但瀝青等許多物質(zhì)的流動(dòng)行為卻并非

34、總是如此，其流變變形曲線可能表現(xiàn)出應(yīng)力與應(yīng)變速率的非直線關(guān)系（流變曲線的非直線性）。具有流動(dòng)性而其流動(dòng)行為不能用牛頓定律描述或者說(shuō)不服從牛頓定律的流體，可以統(tǒng)稱(chēng)為非牛頓流體。非牛頓流體流動(dòng)行為具有多樣一阽，我們首先來(lái)討論下非牛頓流體的基本流動(dòng)類(lèi)型。 在圖24中給出了三種不同的非牛頓流體的SD曲線，作為參照，也將牛頓流體的流動(dòng)曲線示于圖24a）中。 DD 圖2_3牛頓流體的變形特陀 圖2-4液體的臚f：傾流動(dòng)特陀 2-4b)中所示的S-D曲線代表了準(zhǔn)粘性流體的流動(dòng)變形特性。與牛頓流體不同，準(zhǔn)粘性流體的流動(dòng)曲線雖然也通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，但其剪應(yīng)力與剪變率已經(jīng)不再具有牛頓流體那樣的線性比例關(guān)系。JsD曲線

35、成為向卜彎曲或者向下彎曲的曲線關(guān)系。曼然，準(zhǔn)粘性流體的流動(dòng) 12第二章 液體的粘性流動(dòng)變形變形抵抗已經(jīng)不再是一個(gè)恒定的數(shù)值，而依賴(lài)于剪應(yīng)力水平或剪變率水平不斷增加或者逐漸減小，牛頓定律中粘度的定義對(duì)此已經(jīng)不再適用。在實(shí)驗(yàn)研究中，為了唯象地描述不同剪應(yīng)力或剪變率水平所對(duì)應(yīng)的粘性流動(dòng)抵抗能力，一般可將粘度的概念外延，稱(chēng)S-D曲線上某一點(diǎn)切線或割線的斜率為表觀粘度。表觀粘度依賴(lài)于剪變率，因而與時(shí)間有關(guān)，記為77()。 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，多數(shù)準(zhǔn)粘性流體的剪應(yīng)力Js和剪變率D的關(guān)系曲線經(jīng)驗(yàn)地符合指數(shù)規(guī)律，可以記為： D= dddy= a.Sm(2-5.1) 式中，、m為經(jīng)驗(yàn)公式(2-5.1)的材料參數(shù)。進(jìn)行材料流動(dòng)變形的實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，重要的問(wèn)題是確定實(shí)驗(yàn)材料的指數(shù)仇，m的大小代表r流動(dòng)變形抵