瀝青路面面層材料的結(jié)構(gòu)與機(jī)理

第三章瀝青路面面層材料的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度機(jī)理瀝青混凝土混合料是由適當(dāng)比例的粗集料、細(xì)集料及填料組成的符合規(guī)定級配的礦料，與瀝青結(jié)合料拌和而制成的符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的瀝青混合料(AC).第一節(jié)三相體系與壓實(shí)性能

1、三相體系與無量綱參數(shù)瀝青混合料是具有空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多相分散體系，由集料、瀝青、空氣組成的三相體系。Va視體積Vc真體積ra=(Pe+Pg)/Va視容重rc=(Pe+Pg)/Vc真容重?zé)o量綱參數(shù)空隙率

試件的礦料間隙率試件的有效飽和度

γf測定的試件的毛體積相對密度γt瀝青混合料的最大理論相對密度γse礦料的有效相對密度γsb礦料混合料的合成毛體積相對密度無量綱參數(shù)三相體系沒有考慮集料吸收的瀝青四相體系：空氣、有效瀝青、吸收瀝青和集料；rse礦料的有效相對密度C礦料的瀝青吸收系數(shù)rsb礦料的毛體積相對密度rsa礦料的表觀相對密度2、瀝青路面的壓實(shí)性能瀝青混合料經(jīng)過拌合、攤鋪、碾壓形成路面結(jié)構(gòu)碾壓對混合料強(qiáng)度起重要作用。壓實(shí)度K=D/D0×100壓實(shí)度計(jì)算某高速公路瀝青下面層施工結(jié)束后，取芯檢測壓實(shí)度，芯樣毛體積密度分別為：2.468、2.442、2.451、2.455、2.461、2.474，室內(nèi)馬歇爾擊實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)密度為2.494，瀝青混合料的最大理論密度為2.598。該路段壓實(shí)度是多少？試件的空隙率平均值是多少？瀝青路面的壓實(shí)規(guī)律靜態(tài)壓實(shí)實(shí)驗(yàn)規(guī)律：隨著壓實(shí)應(yīng)力的增加,瀝青混合料的壓實(shí)度初期增加很快,而后逐漸變緩。隨著瀝青用量的增加,瀝青混合料顯得更容易被壓實(shí)。三種瀝青用量的瀝青混合料壓實(shí)試驗(yàn)壓實(shí)對瀝青混合料強(qiáng)度的影響瀝青混合料密實(shí)程度的大小直接影響到材料的強(qiáng)度，如抗壓強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度。在相同條件下,密實(shí)程度好的材料具有較高的強(qiáng)度；反之，則較低。影響壓實(shí)性能的主要因素有壓實(shí)溫度、壓實(shí)速度、壓實(shí)應(yīng)力、瀝青用量、級配等。在給定骨料級配及瀝青用量的情況下,

瀝青混合料有時是可壓實(shí)操作的,有時即使有較大的壓實(shí)應(yīng)力也是不能達(dá)到某一壓實(shí)程度的。第二節(jié)瀝青路面的結(jié)構(gòu)類型1.瀝青混合料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)壓實(shí)成型的瀝青混合料是由石質(zhì)骨料、瀝青膠結(jié)料和殘余空隙所組成的一種具有空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多相分散體系,其材料屬性為顆粒性材料。顆粒性材料的強(qiáng)度構(gòu)成起源于內(nèi)摩阻力和粘結(jié)力。對于瀝青混合料,它的力學(xué)強(qiáng)度主要取決于骨料顆粒間的摩擦力和嵌擠力、瀝青膠結(jié)料的粘結(jié)性以及瀝青與骨料之間的粘附性等方面。1.瀝青混合料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同級配組成的瀝青混合料,具有不同的空間結(jié)構(gòu)類型,也就具有不同的內(nèi)摩阻力和粘結(jié)力。瀝青混合料的結(jié)構(gòu)組成對其強(qiáng)度構(gòu)成起著舉足輕重的作用。按瀝青混合料強(qiáng)度構(gòu)成原則的不同,其結(jié)構(gòu)可分為按嵌擠原理構(gòu)成的結(jié)構(gòu)和按密實(shí)級配原理構(gòu)成的結(jié)構(gòu)兩大類。1.1瀝青混合料嵌擠結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：采用較粗的、顆粒尺寸較均勻的骨料。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要依賴于骨料顆粒之間相互嵌擠所產(chǎn)生的內(nèi)摩阻力。瀝青碎石、OGFC路面。受溫度的影響相對較小。1.2瀝青混合料密實(shí)結(jié)構(gòu)最大密實(shí)原則進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以瀝青與骨料之間的粘結(jié)力為主、以骨料顆粒間的嵌擠力和內(nèi)摩阻力為輔。瀝青混凝土路面屬于此類。路面的性能受溫度的影響相對較大。2.瀝青混合料結(jié)構(gòu)類型按混合料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中“嵌擠成分″和“密實(shí)成分”所占的比例不同,瀝青混合料的組成結(jié)構(gòu)形態(tài)有三種典型類型,①密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu);②骨架空隙結(jié)構(gòu);③密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)。2.1密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)形態(tài)的瀝青混合料,通常采用連續(xù)型密級配,骨料的顆粒尺寸由大到小連續(xù)存在。材料中含有大量細(xì)料,而粗料數(shù)量較少,且相互間沒有接觸,不能形成骨架,粗顆粒猶如“懸浮”于細(xì)顆粒之中。瀝青混合料表現(xiàn)為粘結(jié)力較高,而內(nèi)摩阻力較小。修筑的路面受瀝青材料性質(zhì)的影響較大，穩(wěn)定性較差。2.2骨架空隙結(jié)構(gòu)

在瀝青混合料中,粗骨料較多,而細(xì)料數(shù)量過少,因此,雖然能夠形成骨架,但其殘余空隙較大。材料的內(nèi)摩阻力較大,而粘結(jié)力較小。修筑的瀝青路面,受瀝青性質(zhì)的影響較小,因而其穩(wěn)定性較好。排水路面。2.3密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)

是綜合以上兩種類型組成的結(jié)構(gòu)。混合料既有一定數(shù)量的粗骨料形成骨架,又根據(jù)殘余空隙的多少加入細(xì)料,從而形成較高的密實(shí)度。瀝青混合料同時具有較高的粘結(jié)力和內(nèi)摩阻力。間斷級配即是按此原理構(gòu)成的。第三節(jié)瀝青路面強(qiáng)度理論與強(qiáng)度參數(shù)1.強(qiáng)度構(gòu)成來源①由于瀝青的存在而產(chǎn)生的粘結(jié)力；②由于骨料的存在而產(chǎn)生的內(nèi)摩阻力。2.摩爾—庫侖(Mohr—Coulomb)理論2.1引進(jìn)兩個強(qiáng)度參數(shù)——粘結(jié)力c和內(nèi)摩阻角φ2.2參數(shù)獲取純?yōu)r青材料的c≠0，φ=0;干燥骨料的c=0，φ≠

0；瀝青混合料,其c≠0，φ≠

0。參數(shù)c、φ值的確定理論準(zhǔn)則與實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合。理論準(zhǔn)則采用摩爾—庫侖理論。實(shí)驗(yàn)方法：三軸實(shí)驗(yàn)、簡單拉壓實(shí)驗(yàn)或直剪實(shí)驗(yàn)。2.2參數(shù)獲取三軸實(shí)驗(yàn)對于三軸實(shí)驗(yàn)來說,由圖可得其摩爾一庫侖的理論表達(dá)式為:三軸實(shí)驗(yàn)在給定試驗(yàn)條件下，σ1和σ3之間具有線性關(guān)系簡單拉壓實(shí)驗(yàn)

c、φ值通過測定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度R和抗拉強(qiáng)度γ換算。無側(cè)限抗壓：σ3=0，σ1=R抗拉：σ1=0，σ3=γ假定：在相同條件下，瀝青混合料在壓縮和拉伸兩種加載方式下內(nèi)在參數(shù)值相同。第四節(jié)瀝青路面的力學(xué)特性4.1基本力學(xué)特征1、瀝青路面材料的研究體系瀝青混合料是一種土工材料；根據(jù)瀝青混合料的材料組成及其結(jié)構(gòu)的松散程度,它又是一種顆粒性材料(GranularMaterials)。顆粒性材料特點(diǎn):⑴材料由顆粒組成;⑵顆粒的自身強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其聯(lián)結(jié)強(qiáng)度;⑶在外力作用下,顆粒間發(fā)生錯位與移動,從而導(dǎo)致破壞。土工材料的研究方法四類方法：本構(gòu)關(guān)系：應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。實(shí)驗(yàn)?zāi)M：流變模型-計(jì)算機(jī)模擬-流變參數(shù)-瀝青混合料特性;結(jié)構(gòu)計(jì)算：設(shè)計(jì)理論與方法、結(jié)構(gòu)計(jì)算的數(shù)值解;使用性能：疲勞、車轍。我國在路面的使用性能方面所做的工作較多。以流變學(xué)理論為基礎(chǔ),開展對瀝青混合料流變特性的研究,是材料科學(xué)發(fā)展的一個趨勢。2.影響瀝青路面的力學(xué)特性和使用性能的因素根據(jù)瀝青混合料的材料組成和力學(xué)屬性,可以把這些因素歸納為兩大類。材料組成變量,如集料的性質(zhì)與級配、瀝青的品質(zhì)與用量、混合料的壓實(shí)度及空隙率等;力學(xué)激勵變量,如激勵方式、試驗(yàn)溫度、三軸實(shí)驗(yàn)的圍壓、激勵速率等。3、瀝青路面材料的顆粒性特征⑴顆粒性材料的力學(xué)特性與其壓實(shí)度有關(guān)。隨著混合料壓實(shí)度的增加,材料的強(qiáng)度與剛度模量均增加。瀝青路面材料的顆粒性特征⑵顆粒性材料的力學(xué)特性與三軸實(shí)驗(yàn)的圍壓σ3有關(guān)。對瀝青混合料進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)時,變化不同的圍壓,材料的強(qiáng)度與剛度均隨σ3

的增加而增加。顆粒性材料也是一種異質(zhì)材料,為非連續(xù)性介質(zhì),異質(zhì)材料的抗壓強(qiáng)度一般遠(yuǎn)大干其抗拉強(qiáng)度;而均質(zhì)材料的拉壓強(qiáng)度在數(shù)值上比較接近。4.瀝青混合料的粘彈性性質(zhì)與力學(xué)模型

4.1瀝青路面材料的非彈性特征瀝青混合料是典型的彈粘塑性體小變形范圍內(nèi)為線形粘彈性體大變形流動范圍變現(xiàn)為粘塑性體過渡范圍內(nèi)則為一般粘彈性體材料的非彈性主要表現(xiàn)：變形在卸載后的不可回復(fù)性（塑性）不可瞬時回復(fù)性（粘性）

σ-ε關(guān)系的曲線特性

4.2粘彈性材料的基本性質(zhì)

粘彈性材料力學(xué)性能的基本特征:應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的曲線性及其不可逆性。這類材料不像金屬材料具有明顯的屈服點(diǎn)彈性極限)。對加載速度(時間效應(yīng))和試驗(yàn)溫度(溫度效應(yīng))的依賴性,服從時間溫度換算法則。具有明顯的蠕變與應(yīng)力松弛特性。4.3常溫下瀝青混合料應(yīng)力應(yīng)變曲線σ-ε曲線具有三個區(qū)域:Ⅰ彈性區(qū)域在加荷初期的極短時間內(nèi),應(yīng)變值較小(ε

＜10-4),切線模量為常數(shù)；E(t)=dσ(t)/dε(t）應(yīng)力應(yīng)變具有線性比例關(guān)系；材料基本上處于彈性工作狀態(tài),圖OA段;Ⅱ粘彈性區(qū)域隨著加載時間的增長,切線模量不再為常數(shù),逐漸變小,減小的速度逐漸加快；E(t)=dσ(t)/dε(t）σ-ε曲線具有曲線特征，

AB段。III塑性區(qū)域

當(dāng)加載時間繼續(xù)延長超過B點(diǎn)后，應(yīng)力不再增加，切線模量為0；曲線呈水平直線，材料發(fā)生塑性流動；應(yīng)力極限值與加載速度有關(guān),

在C點(diǎn)卸載后會產(chǎn)生較大的永久變形。4.4時間溫度換算法則

試驗(yàn)溫度一定時給定不同的加載條件ε(t）=ai(t),達(dá)到相同的應(yīng)變水平時,其響應(yīng)表現(xiàn)為應(yīng)力隨加載速度的加快或加載時間的縮短而增大。時間溫度換算法則加載速度一定給定不同的試驗(yàn)溫度,相同時間內(nèi)達(dá)到同樣的應(yīng)變水平時,粘彈性材料響應(yīng)的應(yīng)力水平隨溫度的升高而降低。試驗(yàn)溫度的升高相當(dāng)于慢速加載,加載時間的延長,

粘彈性材料的這種特性稱為時間溫度換算法則。問題：為什么城市道路交叉口（信號控制）的車轍比較嚴(yán)重？4.5蠕變與松弛蠕變是當(dāng)應(yīng)力為一恒定值時,應(yīng)變隨時間逐漸增加的現(xiàn)象。應(yīng)力松弛當(dāng)應(yīng)變恒定時，應(yīng)力隨時間而衰減的過程。材料的應(yīng)力松弛服從冪指數(shù)衰減函數(shù)5、基本流變模型根據(jù)流變學(xué)的模型理論,認(rèn)為彈、粘、塑性是認(rèn)識材料力學(xué)特性的最基本單元；基本單元用一定的力學(xué)模型及本構(gòu)關(guān)系來表達(dá),即稱為力學(xué)元件。力學(xué)元件通過并聯(lián)和串聯(lián)組成更為復(fù)雜的組合模型,從而最大限度地反映材料真實(shí)的力學(xué)特性。流變模型力學(xué)元件及特性力學(xué)元件經(jīng)串聯(lián)與并聯(lián)組合，形成新的力學(xué)模型；串聯(lián)時總應(yīng)力等于各個分應(yīng)力，總應(yīng)變等于各應(yīng)變之和；并聯(lián)時總應(yīng)力等于各分應(yīng)力之和，總應(yīng)變等于各分應(yīng)變；Maxwe