瀝青混合料高溫性能評價指標概述

1、瀝青混)疑土高溫性能指標概述李清霞姚輝寧(山東公路建設(shè)集團 濟南250012)摘要：通過對瀝青混合料高溫性能指標研究過程的回顧，先后介紹了從實際出發(fā)模擬車轍變 形的試驗，通過對路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分析，獲取混合料的抗剪切性能的試驗，以及從設(shè)計模量 本身出發(fā)，研究混合料模量與混合料性能的試驗。關(guān)鍵詞：高溫性能車轍剪切模量1、背景自從道路工程師使用瀝青混凝土鋪筑路面后，就在尋求評價瀝青混合料高溫性能的簡單 方法。歷史上最廣泛使用的馬歇爾法，采用成型的圓柱體試件在60r溫度下抵抗荷載的能 力評價混合料穩(wěn)定性，但是其擊實的成型方法并不能的模擬路面碾壓成型過程，評價指標馬 歇爾穩(wěn)定度也有很高的變異性，與路用性

2、能并不存在好的相關(guān)性。從上世紀70年代到80年代，一種新型混合料路用性能高溫指標評價方法出現(xiàn)，即車輪 在成型的板狀瀝青混合料上行駛，觀察其瀝青混合料的變形情況，這一時期，出現(xiàn)了很多該 原理下的輪式試驗測試設(shè)備，如輪轍儀，法國車轍R(French Laboratory Rutting Tester) 諾丁漢車轍儀(Nottingham tester)、漢堡車轍儀(Hamburg Wheel Rut Tester)、瀝青路 面分析儀(APA)等。圖1法國車轍儀圖2漢堡車轍儀這些試驗設(shè)備可以對試件所處環(huán)境進行模擬，如溫度、濕度等，具有一定的實際意義， 但是得到的輪轍變形結(jié)果如輪轍深度、相對變形量、動

3、穩(wěn)定度等只是一種經(jīng)驗指標，并且試 驗結(jié)果受到很多限制，如車輪形狀、試件形狀、試件與試模的邊際效應(yīng)等。因此必須從力學(xué) 原理上研究車轍的產(chǎn)生機理，并使用相應(yīng)的技術(shù)手段提高混合料的抗車轍能力。2、力學(xué)分析根據(jù)NCHRP A-318報告及其他大量研究認為，剪切變形是引起瀝青混凝土路面車轍的 主要因素。由于車輪荷載的剪應(yīng)力超過瀝青混合料的抗剪切強度，致使瀝青混凝土出現(xiàn)了剪 切變形，剪切變形不斷累積，生成了兩側(cè)隆起中間凹陷的路面車轍現(xiàn)象。為研究路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力情況，采用殼牌（shell）公司的bisar3.0進行分析計算， 計算采用雙圓垂直荷載體系下標準軸載BZZ-100作為設(shè)計應(yīng)力，按一般高速公路設(shè)計選

4、取結(jié) 構(gòu)層組合以及各層層厚及設(shè)計模量。表1普通路面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表層位厚度（cm）模量(MPa)泊松比上面層414000.25中面層614000.25下面層815000.25基層306000.25路基500.35計算雙圓荷載中心的路面表面下剪切應(yīng)力分布，距離x為各點到雙圓荷載輪隙中心橫向距 離，計算結(jié)果如表2。 .深 度 距離x 表2剪切應(yīng)力分布表246810121416180.266250.2320.21570.19970.18510.17440.15770.13830.11490.084590.2130.036790.089050.11750.12670.12680.1180.1050.0883

5、70.066430.15980.00650.013030.018260.022890.026610.02990.03190.032620.032240.10650.02310.061830.07990.078070.06670.050560.034070.017490.012160.05330.21580.17880.14330.11420.092760.06980.04980.031160.010540.030.076330.10650.095710.077220.062610.04690.03350.021210.00770.140.120.10.040.02IEIIEIIf0123456

6、789 深度(cm)圖3剪切應(yīng)力分布剪應(yīng)辨0.063、高溫性能與抗剪能力由圖3可以看出，在瀝青路面結(jié)構(gòu)層中，中上面層受到比較的剪切應(yīng)力，可以從混合料抗剪切性能方面研究其高溫性能。3.1簡單剪切試驗SHRP開發(fā)了一個簡單剪切試驗（SPT）設(shè)備直接測量瀝青混凝土的剪切特性，該設(shè)備是 一套液壓伺服閉環(huán)試驗系統(tǒng)，包括加載系統(tǒng)、試驗控制系統(tǒng)、數(shù)值采集系統(tǒng)、環(huán)境控制箱 和液壓系統(tǒng)。試驗過程是將圓柱體試件膠結(jié)在兩塊鋼板之間，在試件的頂面和底面施加剪力， 并且在試件上施加一個軸向力以保持試件的高度不變，這樣就保證在整個試驗過程中，試件 的體積不變，試件的應(yīng)力狀態(tài)接近于純剪切狀態(tài)。目前，簡單剪切試驗的結(jié)果顯示出

7、了較大 的變異性，由于公稱最大粒徑的原因，使得圓柱體的直徑與高度受到了影響。因此需要改善 圓柱體的尺寸或形狀，有文獻建議長高比不得小于3,并推薦使用長方體試件。3.2單軸和三軸試驗將瀝青混合料視為顆粒材料，采用摩爾-庫侖強度理論分析瀝青混合料的強度特性，通 過單軸或三軸試驗獲得試驗數(shù)據(jù)，采用公式（1）和公式（2）計算得到抗剪能力指標如中值。t = c + b tan 9（ 1）f1t = （b b ） cos 91b =（b + b ） （b b ） sin 9 t剪應(yīng)力b正應(yīng)力b、b、b 單位立方體三個方向的主應(yīng)力c粘聚力9內(nèi)摩阻角一般認為單軸試驗的溫度條件和荷載水平與實際的路面溫度和荷載水

8、平相似，單軸試驗 是將圓柱體試件放在鋼板與壓頭之間，通過壓頭施加荷載，獲得試驗數(shù)據(jù)，孫立軍通過對道 路實際荷載的分布研究及單軸試驗的分析，給出了單軸貫入下的抗剪方程推導(dǎo)公式和抗剪基 本參數(shù)ig 4g 3ub 4 一 sin 9c = u ()2 cos 9b中 =arcsin( 4=)b + b - bb g4、b g 3(3)單軸貫入試驗的第一和第三主應(yīng)力無側(cè)限抗壓試驗的抗壓強度表3單軸試驗參數(shù)表b g 4b g 3max參數(shù)0.7650.08720.3390如試件的抗壓強度為0.5MPa，試件的貫入強度為1.5MPa。b = 4.5 x 0.765 = 4.4475 MPab = 4.5

9、x 0.0872 = 0.4308 MPa則t= 4.5 x 0.339 = 0.5085 MPa4.4475 - 0.4308 - 0.5中=arcsin = 44 .6 4.4475 + 0.4308 - 0.5=0.4424 MPa0.5 4 sin(44.6。)2 cos( 44 .60 )根據(jù)摩爾-庫侖原理，得到的混合料內(nèi)摩擦角越大，則混合料抵抗剪切破壞的能力越強。但是剪切應(yīng)力仍然只是材料參數(shù)，雖然能夠?qū)ふ也牧系男阅芘c高溫性能的關(guān)系，仍無法 與道路結(jié)構(gòu)設(shè)計聯(lián)系起來。3、動態(tài)模量與高溫性能在所有基于力學(xué)方法的瀝青路面設(shè)計中，瀝青混合料的模量是最重要的參數(shù)之一，也是 連接材料性能與路面結(jié)

10、構(gòu)性能的橋梁，我國的公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范選取的是20r靜 態(tài)抗壓回彈模量。仍以表4的路面結(jié)構(gòu)厚度，變化各層模量進行計算，得到不同模量下的剪切應(yīng)力值。由 表4中可以看出，當(dāng)模量增大時，對剪切應(yīng)力有一定的影響，而高模量的瀝青混凝土顯然具表4模量變化表層位模量(MPa)1模量(MPa)2模量(MPa)3上面層140014001400中面層140020002500下面層150020002500基層600600600路基505050表4不同模量下的剪切應(yīng)力計算深度4681012141618模量2模量值10.02310.061830.07990.078070.06670.050560.034070.017

11、490.001216模量值20.01860.056460.079590.080240.068630.052670.035830.018080.0034模量值30.015650.052060.078130.080840.070240.05460.037560.018890.0049有更高的剪切模量，在剪切應(yīng)力變化不大的情況下，其剪應(yīng)變更小，從而有更好的抗剪切能力，因此可以從模量角度來考慮瀝青混合料的高溫性能。路面結(jié)構(gòu)實際上受到車輛、氣候、人文等因素的不斷變化作用，它的實際工作狀態(tài)無論是力學(xué)模型、材料的性質(zhì)都與現(xiàn)行的靜態(tài)力學(xué)體系有較大差距。由于瀝青混合料材料的粘彈 塑性性質(zhì)，對時間的影響因素十分敏

12、感，因此必須研究動態(tài)荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)的動力特 性和動力參數(shù)，使得整個瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計體系由靜態(tài)力學(xué)體系向動態(tài)力學(xué)體系發(fā)展。據(jù)此美國的AASHTO2002瀝青路面設(shè)計指南及NCHRP1-A均將動態(tài)模量作為基本的設(shè) 計參數(shù)。動態(tài)模量是瀝青混合料的基本特征之一，瀝青混合料（HMA）是一種線性的粘彈性材料， 在連續(xù)的正弦荷載作用下，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以用復(fù)合模量表達，E* = E + E i式中E、E分別是彈性模量和粘性模量E = b cos（。） / （4）E =b sin（。）/b 0最大壓應(yīng)力0 最大可恢復(fù)軸向應(yīng)變4 相位角動態(tài)模量E *|是復(fù)合模量E*的絕對值，|e*|=、= %（E ）2

13、+ （E ）2（5）02002年，美國馬里蘭大學(xué)Witczak教授利用西部環(huán)道試驗（westrack）、美國聯(lián)邦公路 局 （FHWA）的加速加載試驗（ALF）等試驗路的瀝青混合料成型試件，在不同頻率和溫度下 進行無約束加載動態(tài)模量試驗，結(jié)果表明，瀝青路面的永久變形與無約束的E */sin 4有很高的相關(guān)性。2003年Zhou及Scullion對動態(tài)模量作為路用性能預(yù)測因子作了進一步的野外試驗驗 證，利用SHRP SPS-1試驗路評判混合料的抗車轍能力，也得到了較好的相關(guān)性，如動態(tài)模 量增加，車轍減?。粍討B(tài)模量E *|與|e *|/sin 4高度相關(guān)。由于動態(tài)模量測試試驗手段昂貴復(fù)雜，因此研究者

14、將動態(tài)模量與材料屬性相結(jié)合，得到 一些相關(guān)關(guān)系式。Witczak將美國瀝青學(xué)會（AI）提供的200多組混合料設(shè)計材料進行評估，得到2800 多個動態(tài)模量數(shù)據(jù)，建立了 HMA動態(tài)模量|e *|預(yù)估公式（6）log E J = -1.249937 + 0.02932 P0 075 0.001767 (P0 075 )2 0.002841 P4 75 0.058097 W 一 0.0802208 匕 3.871977 0.0021 與皿 + 0.003958 P95 0.000017 (P95)2 + 0.005470 二V + VV1 + e (0.6031313 0.313351 xlog f

15、0.393532 xlog T|)式中門瀝青粘度f加載頻率七一一有效瀝青用量VV空隙率P P P P為各自篩孔的通過率2005年christensen等人得到另一種預(yù)測模型E *1mix=P 4200000(1 VMA/100) + 3g * VFA x VMA + (1 Pc)1 VMA/100 + c瀝青 _ 100042000VMA 13VFA| G *| 瀝青3 + A *瀝青0.678其中P =c(8)VMAVFA x G *396 + 瀝耕0.678VMAVMA礦料間隙率VFA瀝青飽和度G *|瀝青復(fù)合剪切模量研究發(fā)現(xiàn)，19mm及以上尺寸可以提供較高的動態(tài)模量，間斷級配或較低的4.

16、75通過 率的瀝青混合料，同樣可以產(chǎn)生較高的動態(tài)模量?？障堵逝c瀝青用量增加都會降低動態(tài)模量， 瀝青的粘度降低也會降低動態(tài)模量。4、總結(jié)經(jīng)過對高溫性能評價指標的回顧，可以發(fā)現(xiàn)，評價指標的發(fā)展伴隨著對瀝青路面認識的 不斷加深，有越來越的相關(guān)學(xué)科加入進來進行研究，同時，伴隨著結(jié)構(gòu)與材料的一體化，整 個瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計體系也在由靜態(tài)向動態(tài)演變。參考文獻1、 彭妙娟 許志鴻瀝青混凝土路面永久變形實驗方法評述J同濟大學(xué)學(xué)報2006 62、 陳祥義吳劍國外瀝青混合料抗車轍性能試驗方法評述J中外公路2007.23、呂偉民瀝青穩(wěn)定基層瀝青混凝土路面抗剪性能的理論分析J公路2006.44、Raj Donggre Leslie Myers Field Evaluation and Hi