瀝青混合料性能-使用環(huán)境-路面損害的基本關(guān)系

1、瀝青混合料性能瀝青混合料性能使用環(huán)境使用環(huán)境路面損害路面損害的基本關(guān)系的基本關(guān)系Basic Relations Among Asphalt Mixture Properties, Working Environment and Pavements Premature Destruction劉立新劉立新(L.X. Liu) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程 博士博士 副教授副教授Ph.D. & Asso. Prof. in Materials Science, Harbin Inst. of Tech. 加拿大麥克瑪斯特大學(xué)加拿大麥克瑪斯特大學(xué) 材料科學(xué)與工程材

2、料科學(xué)與工程 博士后博士后Post-Doctoral Fellow in Materials Science, McMaster Univ., Canada交通部公路司：攻克我國(guó)瀝青路面早期損害頑癥交通部公路司：攻克我國(guó)瀝青路面早期損害頑癥China: To Cure the Stubborn Disease of Pavement Premature Destruction 早期破壞早期破壞的的三個(gè)主要特點(diǎn)：三個(gè)主要特點(diǎn)： Characteristics of Premature Destruction: 損壞時(shí)間早，損壞面積寬，損壞程度重。損壞時(shí)間早，損壞面積寬，損壞程度重。 早期破壞早期

3、破壞的的三三種種主要主要形式形式： Patterns For Premature Destruction: 路面變形，路面裂縫，早期水損害。路面變形，路面裂縫，早期水損害。 路面服務(wù)性能的要求路面服務(wù)性能的要求路面的主要破壞方式路面的主要破壞方式美國(guó)提出路面服務(wù)性能指標(biāo)PSI（Pavement Serviceability Index）： 路面平整度路面平整度(Flatness): : 路面坑剿，松散，唧漿， 推移及擁包，橋面伸縮縫 路面裂縫路面裂縫(Cracking): : 溫度應(yīng)力裂紋，反射裂紋 車轍變形車轍變形(Rutting): :瀝青路面早期損壞原因分類瀝青路面早期損壞原因分類Cla

4、ssification for Factors Causing Premature Destruction外因外因 (External Factors) 工作環(huán)境工作環(huán)境 Working Environment內(nèi)因內(nèi)因 (Internal Factors) 瀝青混合料性能瀝青混合料性能 Asphalt Mix Properties 生產(chǎn)與施工質(zhì)量生產(chǎn)與施工質(zhì)量 Production & Paving Quality 外因外因: : 工作環(huán)境工作環(huán)境與路面服務(wù)性能與路面服務(wù)性能External Causes: Working Environment載荷環(huán)境載荷環(huán)境(Loading): :

5、 車流量，載重。車流量，載重。 行車載荷作用：剪切力； 沖擊載荷作用: 沖擊應(yīng)力； 往復(fù)載荷作用: “加工硬化”機(jī)械疲勞 氣候環(huán)境氣候環(huán)境(Weather): : 高溫，低溫，氣溫變化，雨水。高溫，低溫，氣溫變化，雨水。 氣溫：路面材料性能變化，溫度應(yīng)力， 溫度裂紋，溫度疲勞，高溫變形； 雨水：早期水破壞 地理環(huán)境地理環(huán)境(Geological): : 橋梁，坡道，隧道橋梁，坡道，隧道 瀝青混合料的構(gòu)成瀝青混合料的構(gòu)成Composition of Asphalt Mixture材料組成材料組成 = 多相復(fù)合材料多相復(fù)合材料(Multi-Phase Composite) 1）基體 = 瀝青；分散

6、相 = 集料+礦粉+纖維 2）分解： 瀝青混合料 = 瀝青膠泥+集料+空隙 瀝青膠泥 = 瀝青+礦粉+纖維力學(xué)行為力學(xué)行為 = 基體力學(xué)行為基體力學(xué)行為 + 分散相力學(xué)行為分散相力學(xué)行為 Mechanic Behavior = Combination of Matrix & Constituents Mechanic Behavior 1）基體力學(xué)行為 = 混合料的宏觀力學(xué)行為基礎(chǔ) 2）分散相力學(xué)行為 = 混合料的細(xì)觀力學(xué)行為 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理Viscoelastic Mechanics and Material Science For

7、Asphalt MixtureI I瀝青的基本材料性質(zhì)瀝青的基本材料性質(zhì)組成組成(Composition): 瀝青精(Asphaltene) 強(qiáng)度和彈性(脆性Brittle) 樹(shù)脂 (Resins) 粘聚 芳香(Aromatics) 粘聚 飽和族(Saturate) 韌性（柔性Flexibility）老化老化(Aging): 飽和族芳香樹(shù)脂瀝青精 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture IIII彈性體，粘性體，粘彈性體彈性體，粘性體，粘彈性體

8、彈性體彈性體 虎克定律虎克定律: = G 粘性體粘性體 牛頓定律：牛頓定律： = = 粘彈性體粘彈性體 彈性彈性( (粘性）粘性）- 粘彈性對(duì)應(yīng)粘彈性對(duì)應(yīng)CP法則法則 (Correspondance Principle) = G*（,t） = *（,t） 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture IIIIII瀝青粘彈性體的瀝青粘彈性體的“剪切變稀剪切變稀”現(xiàn)象現(xiàn)象 瀝青粘度瀝青粘度 剪切應(yīng)變速率的函數(shù)剪切應(yīng)變速率的函數(shù)“剪切變稀剪切變稀”現(xiàn)象現(xiàn)

9、象 Viscosity Function of Shear Strain Rate “Shear Dilution” PhenomenonCrossCross模型模型: : (o )/(-) = (K)m “冪律模型冪律模型” 中等剪切速率：中等剪切速率： = K2 n-1 Sisko模型模型 高剪切速率：高剪切速率： = + K2 n-1 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture IIIIII瀝青粘彈性體的瀝青粘彈性體的“剪切變稀剪切變稀”現(xiàn)

10、象現(xiàn)象 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 IIIIII瀝青粘彈性體的瀝青粘彈性體的“剪切變稀剪切變稀”現(xiàn)象現(xiàn)象 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 IIIIII瀝青粘彈性體的瀝青粘彈性體的“剪切變稀剪切變稀”現(xiàn)象現(xiàn)象 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture IIIIII剪切法向應(yīng)力與剪切法向應(yīng)力與“瀝青爬桿遷移瀝青爬桿遷移”現(xiàn)象現(xiàn)象 對(duì)于粘彈性體，剪切應(yīng)力可以產(chǎn)生法向應(yīng)力對(duì)于粘彈性

11、體，剪切應(yīng)力可以產(chǎn)生法向應(yīng)力: : N1 = xx yy = A2 + O(4) N2 = yy zz = B2 + O(4) 在一定剪切速率范圍內(nèi)，第一在一定剪切速率范圍內(nèi)，第一法向應(yīng)力具有冪律行為法向應(yīng)力具有冪律行為： N1 = A m 法向應(yīng)力法向應(yīng)力 “瀝青爬桿遷移瀝青爬桿遷移”（Weissenberg效應(yīng)）效應(yīng)） 改變?yōu)r青的原始分布狀況 路面離析 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture IVIV“剪切法向應(yīng)力剪切法向應(yīng)力”與與“瀝青

12、爬桿遷移瀝青爬桿遷移”現(xiàn)象現(xiàn)象 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture V V拉伸應(yīng)力應(yīng)變：屈服行為與拉伸應(yīng)力應(yīng)變：屈服行為與“應(yīng)變軟化應(yīng)變軟化” 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture VIVI 粘彈性變形的基本力學(xué)模型粘彈性變形的基本力學(xué)模型 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性

13、力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture VIVI 粘彈性變形的基本力學(xué)模型粘彈性變形的基本力學(xué)模型 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture VIVI 粘彈性變形的基本力學(xué)模型粘彈性變形的基本力學(xué)模型 開(kāi)爾芬模型開(kāi)爾芬模型: : (t) = G + (t) = (o /G)1-exp(-t/) 應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)推遲應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)推遲麥克斯韋模型：麥克

14、斯韋模型： + = (t）= o 1-exp(-t/) 應(yīng)力增長(zhǎng)推遲應(yīng)力增長(zhǎng)推遲 (t）= o exp(-t/) 應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛伯格斯（伯格斯（Burges）模型）模型 ： 特征時(shí)間：特征時(shí)間：= /G 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture VIIVII 蠕變與蠕變疲勞蠕變與蠕變疲勞(Creep and Fatigue)(Creep and Fatigue) 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoel

15、astic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture VIIVII 蠕變與蠕變疲勞蠕變與蠕變疲勞 蠕變與應(yīng)力的關(guān)系蠕變與應(yīng)力的關(guān)系: : = An 蠕變破壞強(qiáng)度蠕變破壞強(qiáng)度e 與蠕變變形強(qiáng)度與蠕變變形強(qiáng)度r 的定義：的定義：蠕變與溫度的關(guān)系蠕變與溫度的關(guān)系: : = d/dt = Aon e -k / T 蠕變疲勞：蠕變疲勞：Df = Af af tR 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mix

16、ture VIIIVIII 振蕩剪切動(dòng)態(tài)力學(xué)分析振蕩剪切動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(Oscillating Dynamic Analysis)(Oscillating Dynamic Analysis) 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture VIIIVIII 振蕩剪切動(dòng)態(tài)力學(xué)分析振蕩剪切動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(Oscillating Dynamic Analysis)(Oscillating Dynamic Analysis) 應(yīng)力分析：應(yīng)力分析： (t) = o

17、/(1+2 2)(cost - sint) (t) = G+ G 式中 G() = 2 /(1+2 2) = G22/(1+22) 動(dòng)態(tài)剛度（儲(chǔ)存模量） G ()= /(1+2 2) 剪切損耗模量 CP法則：法則：(t) = G*(t) G*() = io()exp(-i)d G* () = G () + i G() 復(fù)數(shù)剪切模量 tan = G () / G () 動(dòng)態(tài)損耗角因子瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture VIIIVIII 振蕩

18、剪切動(dòng)態(tài)力學(xué)分析振蕩剪切動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(Oscillating Dynamic Analysis)(Oscillating Dynamic Analysis) 瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理瀝青的粘彈性力學(xué)與材料學(xué)基本原理 Viscoelastic Mechanics and Material Science For Asphalt Mixture IXIX 描述瀝青力學(xué)行為的基本材料參數(shù)描述瀝青力學(xué)行為的基本材料參數(shù) 低溫瀝青低溫瀝青 準(zhǔn)彈性體準(zhǔn)彈性體 材料參數(shù)材料參數(shù)：模量（勁度）G， 屈服強(qiáng)度c，韌性c 材料破壞方式材料破壞方式：低溫蠕變脆性開(kāi)裂 高溫瀝青高溫瀝青 粘彈性體粘彈性體 材料

19、參數(shù)：材料參數(shù)：模量（勁度）G，粘度，相位角 判斷抗粘彈性變形能力綜合材料參數(shù)：復(fù)數(shù)剪切模量G* 判斷蠕變永久變形能力綜合材料參數(shù)：蠕變變形強(qiáng)度r 材料破壞方式材料破壞方式：高溫蠕變變形 + 蠕變疲勞開(kāi)裂路面損害形式路面損害形式 I. 車轍車轍變形變形Patterns For Pavement Premature Destruction I. Rutting 路面損害形式路面損害形式 I. 車轍車轍變形變形Patterns For Pavement Premature Destruction I. Rutting粘彈性變形力學(xué)模型（麥克斯韋模型）粘彈性變形力學(xué)模型（麥克斯韋模型） (to+t）

20、= (to+t）/ G2* = (o / G2*)1- exp(-to/) exp(-t/) 影響因素討論：影響因素討論： 載荷環(huán)境：載荷環(huán)境：載荷o； 行車速度（載荷作用時(shí)間to） 車流量（載荷間隙時(shí)間t） 溫度環(huán)境：溫度環(huán)境： 松弛復(fù)數(shù)剪切模量G2*，特征時(shí)間= /G 材料性能：材料性能：松弛復(fù)數(shù)剪切模量G2*，特征時(shí)間= /G路面損害形式路面損害形式 I. 車轍車轍變形變形Patterns For Pavement Premature Destruction I. Rutting 技術(shù)解決方案技術(shù)解決方案 (Technical Solutions) SMA等嵌擠結(jié)構(gòu)級(jí)配等嵌擠結(jié)構(gòu)級(jí)配(S

21、tone-to-Stone Contact) 瀝青改性瀝青改性(Asphalt Modification) 摻加纖維摻加纖維(Fiber Reinforcement) 懸浮結(jié)構(gòu)與嵌擠結(jié)構(gòu)級(jí)配懸浮結(jié)構(gòu)與嵌擠結(jié)構(gòu)級(jí)配密級(jí)配的粗集料骨架密級(jí)配的粗集料骨架嵌擠結(jié)構(gòu)嵌擠結(jié)構(gòu)(SMA)(SMA)的粗集料骨架的粗集料骨架“Stone on Stone” ContactWISCONSIN 1991 Courtesy of John Bukowski路面損害形式路面損害形式 II. 路面裂紋路面裂紋 Patterns For Pavement Premature Destruction II. Cracking

22、 路面路面溫度應(yīng)力裂紋的形成過(guò)程溫度應(yīng)力裂紋的形成過(guò)程 路面損害形式路面損害形式 II. 路面裂紋路面裂紋 Patterns For Pavement Premature Destruction II. Cracking 路面反射裂縫的形成過(guò)程路面反射裂縫的形成過(guò)程路面損害形式路面損害形式 II. 路面裂紋路面裂紋 Patterns For Pavement Premature Destruction II. Cracking 低溫壽命估算與技術(shù)解決方案低溫壽命估算與技術(shù)解決方案 低溫蠕變脆性開(kāi)裂壽命估算低溫蠕變脆性開(kāi)裂壽命估算 TR = A（1+m）om -1 技術(shù)解決方案：技術(shù)解決方案：

23、摻加纖維摻加纖維 提高混合料強(qiáng)度與韌性提高混合料強(qiáng)度與韌性 設(shè)置路基應(yīng)力層設(shè)置路基應(yīng)力層 釋放應(yīng)力釋放應(yīng)力路面損害形式路面損害形式 II. 路面裂紋路面裂紋 Patterns For Pavement Premature Destruction II. Cracking 路面反射裂縫的技術(shù)解決方案路面反射裂縫的技術(shù)解決方案路面損害形式路面損害形式 III. 早期水破壞早期水破壞 Patterns For Pavement Premature Destruction III. Water Damaging “ “瀝青爬桿遷移瀝青爬桿遷移”與早期水損害的關(guān)系與早期水損害的關(guān)系機(jī)理機(jī)理: : 瀝青瀝

24、青 粘彈性體粘彈性體 剪切應(yīng)力作用下產(chǎn)生剪切應(yīng)力作用下產(chǎn)生法向應(yīng)力法向應(yīng)力 集料集料 彈性體彈性體 不產(chǎn)生不產(chǎn)生法向應(yīng)力法向應(yīng)力 瀝青與集料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)瀝青與集料的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 瀝青遷移瀝青遷移 路面離析路面離析 基層空隙增大且連通基層空隙增大且連通 負(fù)壓負(fù)壓 吸水吸水技術(shù)解決方案：技術(shù)解決方案： 摻加纖維摻加纖維 增大瀝青遷移的內(nèi)磨擦阻力增大瀝青遷移的內(nèi)磨擦阻力路面損害形式路面損害形式 III. 早期水破壞早期水破壞 Patterns For Pavement Premature Destruction III. Water Damaging “ “水動(dòng)力作用水動(dòng)力作用”與早期水損害的關(guān)系與早期水

25、損害的關(guān)系機(jī)理機(jī)理: : 空隙水分空隙水分 車輛載荷車輛載荷 水動(dòng)力作用水動(dòng)力作用 瀝青粘度增大瀝青粘度增大 變脆變脆 開(kāi)裂開(kāi)裂 裂紋裂紋 滲水微通道滲水微通道 水損害水損害 技術(shù)解決方案：技術(shù)解決方案： 摻加纖維摻加纖維 提高抗裂能力提高抗裂能力路面損害形式路面損害形式 III. 早期水破壞早期水破壞 Patterns For Pavement Premature Destruction III. Water Damaging“ “不均勻收縮微裂紋不均勻收縮微裂紋”與早期水損害的關(guān)系與早期水損害的關(guān)系路面損害形式路面損害形式 III. 早期水破壞早期水破壞 Patterns For Pave

26、ment Premature Destruction III. Water Damaging“ “混合料離析混合料離析”與早期水損害的關(guān)系與早期水損害的關(guān)系Coarse GradationsConventional GradationsEqual AirVolumes(% VTM)- Finer Gradation-Smaller Sized Voids -(Less chance for inter- connected voids)- Coarser Gradation-Larger Sized Voids -(more chance for inter- connected voids)

27、 內(nèi)因：瀝青內(nèi)因：瀝青性能先天不足造成路面早期破損性能先天不足造成路面早期破損1.1.瀝青高溫軟化(粘度下降) + 載荷 + 高溫 = = 車轍變形車轍變形 2.2.瀝青低溫脆化（韌性與屈服強(qiáng)度太低 + 老化） = = 路面裂紋路面裂紋3.粘彈性遷移 + 脆性 + 雨水 = 早期水損害早期水損害 “ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite Micro-Mechanics For Fiber-Reinforcement改性瀝青改性瀝青 “合金化合金化”原理原理 局限性局

28、限性 關(guān)于加入量關(guān)于加入量： 1）受瀝青溶解度的嚴(yán)格限制 2）受拌合施工的限制 關(guān)于效果關(guān)于效果： 1）增大粘度：G= m1+CoK(T)M(T) 增粘因子隨溫度升高而急劇降低 2）提高強(qiáng)度：作用有限 3）提高韌性：非常困難（甚至起負(fù)面作用） 4）老化：改性劑同樣老化疲勞“ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementI. 增加粘度增加粘度 愛(ài)因斯坦粘度原理愛(ài)因斯坦粘度原理 “瀝青瀝青+ +纖維

29、纖維”的粘度：的粘度： C = m (1 + KE Vf ) 愛(ài)因斯坦粘度原理的重要意義：愛(ài)因斯坦粘度原理的重要意義： 1）與纖維加入量成線性正比； 2）纖維需與瀝青很好粘合及合適的長(zhǎng)徑比； 3）木質(zhì)素纖維“吸油”的謬論； 4） “增粘因子” 與溫度無(wú)關(guān)?！?“瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementI. 增加粘度增加粘度 愛(ài)因斯坦粘度原理愛(ài)因斯坦粘度原理“ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性

30、力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementI . 增加粘度增加粘度 中空管不利于抗車轍變形能力中空管不利于抗車轍變形能力 A.車轍變形速率: 礦物纖維比木纖約降低50%“ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementI . 增加

31、粘度增加粘度 中空管不利于抗車轍變形能力中空管不利于抗車轍變形能力 B. 動(dòng)穩(wěn)定度: 礦物纖維比木纖約提高40-60%“ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementI. 增加粘度增加粘度 愛(ài)因斯坦粘度原理愛(ài)因斯坦粘度原理“ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite Mi

32、cro-Mechanics For Fiber-ReinforcementI. 增加粘度增加粘度 愛(ài)因斯坦粘度原理愛(ài)因斯坦粘度原理012345678未加纖維加S BS加聚烯烴加木質(zhì)素纖維加礦物纖維瀝青析漏（% ）140155170“ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementII. 增加彈性模量增加彈性模量 復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理“瀝青瀝青+ +纖維纖維”的模量（勁度的模量（

33、勁度Stiffness）：）： G = Gm（1-Vf ）+ Gf Vf 1）與纖維加入量成線性正比關(guān)系； 2）與纖維彈性模量成線性正比關(guān)系?！?“瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementII. 增加彈性模量增加彈性模量 復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理 彈性模量 (kg/cm2) 25 40 AC20 8119 3085 AC20+0.4%礦物纖維 9979 4506 AC20+SB

34、S改性劑+0.4%礦物纖維 15430 5568 “ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementIII. 增強(qiáng)作用增強(qiáng)作用 復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理 “ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的強(qiáng)度的強(qiáng)度（Strength): : cu = fu Vf Co / K + mu (1-Vf) 1）與纖維強(qiáng)度成線性正比關(guān)系； 2）與纖維強(qiáng)度成線性正比關(guān)系； 3）關(guān)于聚脂等有機(jī)類纖維為何不適合瀝

35、青？“ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementIII. 增強(qiáng)作用增強(qiáng)作用 復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理 福倍安道路專用礦物纖維在福倍安道路專用礦物纖維在AC-13AC-13型級(jí)配中的試驗(yàn)結(jié)果型級(jí)配中的試驗(yàn)結(jié)果“ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite

36、Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementIV. 增韌作用增韌作用 復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理 “ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的韌性的韌性（Toughness)： 1）殘余應(yīng)變引起的裂紋尖端應(yīng)力集中因子降低量： K - 0.48GVfiiH1/2 /(1-) 2）顯微裂紋的“增韌”效果： K1 - 0.40 GT H1/2 3）顯微裂紋導(dǎo)致材料軟化產(chǎn)生的增韌效果： K2/K 1.42N “增韌增韌”效果效果： 與纖維加入量線性成正比關(guān)系與纖維加入量線性成正比關(guān)系“ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材

37、料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementIV. 增強(qiáng)增強(qiáng)增韌作用增韌作用 復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理“ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementIV. 增強(qiáng)增韌作用增強(qiáng)增韌作用 復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理福倍安礦物纖維在瀝青中的分布瀝青膜電

38、子顯微鏡照片“ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composite Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementIV. 長(zhǎng)效長(zhǎng)效增韌增韌 提高瀝青混合料抗老化性能提高瀝青混合料抗老化性能 纖維可減輕老化約纖維可減輕老化約20%-40%20%-40%，改性瀝青約減輕，改性瀝青約減輕0-20%0-20%。 “ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics a

39、nd Composite Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementV. 提高疲勞壽命提高疲勞壽命 力學(xué)損傷原理力學(xué)損傷原理 “ “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的疲勞壽命的疲勞壽命（Fatigue Life)： Nf = Acu/max (1-R) m R=min/max 由于纖維的大幅增強(qiáng)作用（由于纖維的大幅增強(qiáng)作用（cu），瀝青），瀝青路面疲勞壽命將得到更大的提高。路面疲勞壽命將得到更大的提高?！?“瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mechanics and Composi

40、te Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementVI. 纖維應(yīng)具備的基本條件纖維應(yīng)具備的基本條件 復(fù)合材料力學(xué)原理復(fù)合材料力學(xué)原理 1）優(yōu)秀的力學(xué)性能（強(qiáng)度和模量）優(yōu)秀的力學(xué)性能（強(qiáng)度和模量） 2）與瀝青有很好的表面親和力）與瀝青有很好的表面親和力 3）耐高溫性能）耐高溫性能 4）很好的分散性）很好的分散性 5）優(yōu)秀的耐化學(xué)腐蝕性）優(yōu)秀的耐化學(xué)腐蝕性 6）優(yōu)良的抗老化性能）優(yōu)良的抗老化性能 7）防水浸蝕且不吸水）防水浸蝕且不吸水 “瀝青瀝青+ +纖維纖維”的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理的粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理Viscoelastic Mecha

41、nics and Composite Micro-Mechanics For Fiber-ReinforcementVI. VI. 纖維應(yīng)具備的基本條件纖維應(yīng)具備的基本條件 美國(guó)福倍安道路專用礦物纖維美國(guó)福倍安道路專用礦物纖維Mineral400 : 1福倍安道路專用礦物纖維福倍安道路專用礦物纖維 - - 優(yōu)異的材料優(yōu)異的材料性能性能優(yōu)異的力學(xué)性能優(yōu)異的力學(xué)性能： 抗拉強(qiáng)度大約是鋼纖維的3倍，是有機(jī)類纖維（如聚合物，植物纖維）的6-10倍。彈性模量高，是有機(jī)類纖維的3倍以上。 表面浸潤(rùn)性好表面浸潤(rùn)性好： 與瀝青能很好地粘合，分散性好。既可確保對(duì)瀝青的加筋加強(qiáng)作用，也可作為瀝青的載體增大瀝青用量

42、，防止瀝青流失。工作溫度范圍大工作溫度范圍大： 熔點(diǎn)1500攝氏度，工作溫度-260至700攝氏度。不受瀝青混合料高溫拌合（180攝氏度）影響，可滿足瀝青路面的各種低溫工作條件。福倍安道路專用礦物纖維福倍安道路專用礦物纖維 - - 優(yōu)異的材料優(yōu)異的材料性能性能化學(xué)穩(wěn)定性好化學(xué)穩(wěn)定性好：拌合時(shí)不與瀝青產(chǎn)生任何化學(xué)反 應(yīng)，適應(yīng)瀝青路面的各種酸堿工作 環(huán)境?？估匣阅芎每估匣阅芎茫翰焕匣蛔冑|(zhì)退化。水穩(wěn)定性好水穩(wěn)定性好：不吸水，不怕潮。易于運(yùn)輸儲(chǔ)存，也有 助于抑制瀝青氧化老化。 絕熱性能好絕熱性能好：有助于瀝青油膜的高溫穩(wěn)定性。電絕緣性能好電絕緣性能好：可防止瀝青膜的電化學(xué)腐蝕。環(huán)保性好環(huán)保性好

43、: : 瀝青混合料可100%再生利用。福倍安礦物纖維成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)福倍安礦物纖維成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)被美國(guó)最早修建的被美國(guó)最早修建的SMASMA瀝青路面采用瀝青路面采用(1991(1991年年): ): 被美國(guó)被美國(guó)99%99%的的OGFCOGFC路面采用路面采用; ;被美國(guó)被美國(guó)4040多個(gè)州廣泛采用多個(gè)州廣泛采用; ;喬治亞州曾于喬治亞州曾于19941994年規(guī)定年規(guī)定: :所有州際公路一律采用所有州際公路一律采用; ; 對(duì)喬治亞州的交通事業(yè)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)：?jiǎn)讨蝸喼菀呀?jīng)連續(xù)多年被美國(guó)聯(lián)邦公路總署 （FHWA）評(píng)為建有全美最佳州際公路的州，在21133英里的州際公路中只有42英里即0.2%的路

44、況不好。 謝謝大家謝謝大家! ! Thank You All. Thank You All.推薦一本書(shū)：推薦一本書(shū)： 瀝青混合料粘彈性瀝青混合料粘彈性 力學(xué)與材料學(xué)原理力學(xué)與材料學(xué)原理 劉立新劉立新 著著 人民交通出版社人民交通出版社 20062006年年1 1月發(fā)行月發(fā)行 為何有機(jī)類纖維不適合作為路用纖維為何有機(jī)類纖維不適合作為路用纖維? ?木質(zhì)素纖維木質(zhì)素纖維（用于SMA）： 1. 1. 纖維強(qiáng)度太低：纖維強(qiáng)度太低：起不到加強(qiáng)作用； 2. 2. 與瀝青產(chǎn)生高溫溶解或分解反應(yīng)：與瀝青產(chǎn)生高溫溶解或分解反應(yīng)： 纖維自身性能被破壞; 瀝青將變得更脆; 3. 3. 纖維吸水：纖維吸水： 降低瀝青集

45、料界面結(jié)合力，易造成剝離； 4. 4. 無(wú)法再生利用無(wú)法再生利用 5. 5. 浪費(fèi)瀝青浪費(fèi)瀝青 為何有機(jī)類纖維不適合作為路用纖維為何有機(jī)類纖維不適合作為路用纖維? ?聚脂類纖維聚脂類纖維 (AC,橋面,坡道等) 1. 1. 纖維強(qiáng)度不高纖維強(qiáng)度不高: : 難以起到加強(qiáng)作用; 2. 2. 與瀝青產(chǎn)生高溫溶解或分解反應(yīng)與瀝青產(chǎn)生高溫溶解或分解反應(yīng) 纖維自身性能被破壞; 瀝青將變得更脆; 3. 3. 低溫脆化低溫脆化 4. 4. 與瀝青的表面親和力不強(qiáng)與瀝青的表面親和力不強(qiáng) 5. 5. 無(wú)法再生利用無(wú)法再生利用 為什么福倍安礦物纖維是最理想的選擇為什么福倍安礦物纖維是最理想的選擇 ? ? 福倍安道路

46、專用礦物纖維是美國(guó)福倍安 公司(Fiberand Corporation)為瀝青路面應(yīng) 用而開(kāi)發(fā)的專利產(chǎn)品。它以特選的玄武巖為 原料，經(jīng)過(guò)特定的預(yù)處理后，在1600高溫 熔融提煉抽絲制成。福倍安道路專用礦物纖維福倍安道路專用礦物纖維Asphalt StabilizerAsphalt Reinforcement三三. 福倍安礦物纖維對(duì)瀝青混合料性能的巨大改善福倍安礦物纖維對(duì)瀝青混合料性能的巨大改善 福倍安礦物纖維對(duì)各種瀝青混合料均具有顯著的作用：福倍安礦物纖維對(duì)各種瀝青混合料均具有顯著的作用：高溫性能高溫性能( (抗車轍變形能力抗車轍變形能力) ):提高約35% - 40%；低溫性能低溫性能(

47、(抗裂能力抗裂能力) ): 提高約60% - 70%;疲勞耐久性疲勞耐久性: 提高100%以上;水穩(wěn)定性：水穩(wěn)定性： 可避免早期水破壞的形成。3.1.3.1. 福倍安礦物纖維福倍安礦物纖維在在SMASMA與與OGFCOGFC中的應(yīng)用中的應(yīng)用SMA SMA 混合料的構(gòu)成混合料的構(gòu)成70%#713%#8910%#8107%Min. FillerExampleCoarse AggregateFine AggregateMineral Filler + AC + Fiber1. 1. 有效防止瀝青流失：有效防止瀝青流失：礦物纖維可有效防止瀝青流失礦物纖維可有效防止瀝青流失2 2提高瀝青混合料抗老化性能

48、提高瀝青混合料抗老化性能 纖維可減輕老化約20%-40%，改性瀝青約減輕0-20%。 3. 3. 提高抗拉性能及低溫抗裂能力提高抗拉性能及低溫抗裂能力A. 提高瀝青混合料抗拉強(qiáng)度：比加木纖約高25%3. 3. 提高抗拉性能及低溫抗裂能力提高抗拉性能及低溫抗裂能力B. 提高瀝青混合料韌性提高瀝青混合料韌性： 比加木纖約高30%; 注意: 加纖維的SMA 比不加纖維的AC的韌性仍低約30%?？梢韵胂螅患永w維的嵌擠結(jié)構(gòu)混合料（如AK，AM）多么脆弱！3. 3. 提高抗拉性能及低溫抗裂能力提高抗拉性能及低溫抗裂能力C.提高凍融劈裂殘余強(qiáng)度：大大優(yōu)于木纖4. 4. 改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性改善瀝青混合

49、料的水穩(wěn)定性浸水殘余強(qiáng)度TSR (%)：大大優(yōu)于木纖5.5.提高瀝青混合料疲勞耐久性提高瀝青混合料疲勞耐久性 福倍安礦物纖維可提高疲勞常數(shù)a達(dá)2至3個(gè)數(shù)量級(jí)（約80-400倍），比木纖約高10倍。改性瀝青提高疲勞常數(shù)a約60倍。 6 6提高抗車轍變形能力提高抗車轍變形能力A.車轍變形速率: 可降低3-5倍,改性瀝青可降低 5-20倍。6 6提高抗車轍變形能力提高抗車轍變形能力A.車轍變形速率: 比木纖約降低50%6 6提高抗車轍變形能力提高抗車轍變形能力B. 提高動(dòng)穩(wěn)定度: 比木纖約提高80%3.3. 3.3. 福倍安道路專用礦物纖維福倍安道路專用礦物纖維在水泥路面上加鋪瀝青面層的應(yīng)用在水泥路

50、面上加鋪瀝青面層的應(yīng)用可大幅提高瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度與韌性，有效增大瀝青膜厚度并增大瀝青粘合劑的彈性。因此，可有效阻止反射裂縫的產(chǎn)生。有效瀝青膜厚度的增大及抗拉強(qiáng)度的提高，可減少反射裂縫發(fā)生后松散與剝離的產(chǎn)生。3.4. 3.4. 福倍安道路專用礦物纖維福倍安道路專用礦物纖維在橋面鋪裝，坡道，隧道等的應(yīng)用在橋面鋪裝，坡道，隧道等的應(yīng)用可大幅提高瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度與韌性，有效增大瀝青膜厚度并增大瀝青粘合劑的彈性。因此，可有效阻止反射裂縫的產(chǎn)生。有效瀝青膜厚度的增大及抗拉強(qiáng)度的提高，可減少反射裂縫發(fā)生后松散與剝離的產(chǎn)生。四四. .福倍安礦物纖維的經(jīng)濟(jì)成本可行性福倍安礦物纖維的經(jīng)濟(jì)成本可行性 單價(jià):

51、 20,000元 / 噸; 單位用量建議: 0.4% (混合料); 每立方混合料纖維成本: 200元; 每平方米面積成本: 2元/公分厚; 減少路面厚度進(jìn)一步降低路面造價(jià)的可行性 (技術(shù)討論)四四. .福倍安礦物纖維的經(jīng)濟(jì)成本可行性福倍安礦物纖維的經(jīng)濟(jì)成本可行性 8-6-4面層結(jié)構(gòu) 6-5-4面層結(jié)構(gòu)+礦物纖維路面成本 180元/平米 168元/平米抗車轍能力 沒(méi)有提高 提高40%以上抗溫度裂紋能力 沒(méi)有提高 提高60%以上抗反射裂紋能力 提高20% 提高60%以上抗微觀收縮裂紋 （抗早期水破壞） 沒(méi)有提高 提高60%以上疲勞耐久性 提高20% 提高100%以上比較基準(zhǔn)：6-5-4路面結(jié)構(gòu)，不加纖維。五五. . 福倍安礦物纖維在中國(guó)的推廣應(yīng)用福倍安礦物纖維在中國(guó)的推廣應(yīng)用中國(guó)公路面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)中國(guó)公路面臨嚴(yán)峻考驗(yàn) 客觀因素: 超載嚴(yán)重, 氣溫變化快; 公路情況: 路面早期破壞嚴(yán)重,普遍 無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)壽命;福倍安礦物纖維是解決中國(guó)公路問(wèn)題福倍安礦物纖維是解決中國(guó)公路問(wèn)題的重要手段的重要手段2004年:開(kāi)始在中國(guó)的推廣工作;2005年: 引起了交通部及學(xué)術(shù)界