瀝青與瀝青混合料.doc

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,lIUlN'jVt Jl IoING¨I JNHEl 一、液體的粘性流動變形 流動變形是液體的基本屬性。液體的流動變形行為具有依賴時(shí)問、依賴溫度、不町恢復(fù)等行為特點(diǎn).瀝青及瀝青混合料這一類粘彈性材料的力學(xué)行為之所以錯綜復(fù)雜、變化萬千，根本原因在于這類材料表現(xiàn)了彈性變形與流動變形綜合的力學(xué)行為特點(diǎn)。因此，如果沒有對于液體流動變形行為的深入了解，我們就可能無法掌握包括流動變形行為在內(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變形特性，路面工程中利用這

2、種依賴于溫度的流動特性實(shí)現(xiàn)瀝青混合料的拌和與攤鋪.僅僅從評價(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)了解液體的流動變形行為。 在這章中,我們主要以道路石油瀝青作為研究對象，重點(diǎn)討論液體的粘性流動特性。第一節(jié)液體的非牛頓流動特性 I糊E液體的牛頓流動特性 流動是物質(zhì)存在的一種形式,自然界幾乎所有的物質(zhì)都處于流動之中.物質(zhì)的流動形態(tài)多種多樣，最簡單或者說最理想的流動是以牛頓內(nèi)摩擦定律描述酌牛頓液體。牛頓在1687年首先提出過流動阻力正比于相鄰部分流體相對流動速度的假設(shè)，19世紀(jì)上半葉，法國科學(xué)家Cauchy,Poisson及英國科學(xué)家Stocks等人通過進(jìn)

3、83;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，使上平板沿所在平面以速度y運(yùn)動，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,并一層一層地向下影響，各層10相層 產(chǎn) 正SBS/SIS對簡單，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約占世界市場總量的44%，SB約為10%，EVA約為11%，廢舊輪胎膠粉約為9EPDM約為12%，PE約為3，Betaplast約為7%，其他4%，由此可見，SBS改性劑占據(jù)了道路瀝青改性劑的半數(shù)

4、左右。要和FIl三瀝青混合料砂、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。瀝青混合料種類繁多,大致可以分類如南陽稻度狀和化能含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，列級眥分類概念的常見病害筑及壓實(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。隨著社會發(fā)展,現(xiàn)代交通對于路面的質(zhì)量要生顯著的變化. 1永久變形 瀝青路面的

5、永久變形主要指車轍變形和縱向推移引起的平整度劣化。永久變形主要發(fā)生在高溫季節(jié)，與車輛軸載、行駛狀態(tài)等因素有關(guān)?？谇暗臑r青混合料沒計(jì)方法主要根據(jù)高溫抵抗永久變形的能力確定礦質(zhì)混合料級配和瀝青用量。 2低溫開裂 在降溫過程中道路結(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)力超過材料強(qiáng)度而開裂。低溫開裂主要表現(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。低溫開裂和極限溫度與極限降溫速度有關(guān)，也叮能來源于重復(fù)的升降溫過程. 3。疲勞開裂 當(dāng)瀝青路面承受重復(fù)的車輪載荷時(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)

6、生裂縫并發(fā)展為（鱷魚皮狀】碎裂。疲勞特性的預(yù)測及評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程中高溫引起的老化，稱之為短期老化；也可能包括長期使用過程中的熱老化、光老化和氧老化，稱之為長期老化。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

7、隙減少,最終將瀝青膠漿擠壓到路表發(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 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

8、 路破 一腚拙 一一 瀝疲一 一麒挑 俏料生 桃撤賄 黜 壞 一一一 具粹順 域容撒 牌 同青開 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 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?？刂茷r

9、青及瀝青混合料的路用性能與施工質(zhì)量，減少第一節(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，并明確r各個(gè)等級的定義，給出了相應(yīng)的介紹與說明。 性能規(guī)范(performance specification）描

10、述如何在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)路面工程任務(wù).這些規(guī)范的基礎(chǔ)應(yīng)該是路面性能項(xiàng)目( LIPP)長期的研究成果，結(jié)合一系列新的試驗(yàn)方法，保證路面在長期使用過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（perfonnancebased 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)測模型的變量預(yù)測路面的性能。基于性能的規(guī)范試圖聚焦于以性能特性來改善現(xiàn)有的質(zhì)量水平。然而，材料和施工過程質(zhì)量特征的檢測并不能及時(shí)為承包商提供相關(guān)信息，日前可能無法對施工過程進(jìn)行調(diào)整。 與

11、性能相關(guān)的規(guī)范(performancerelated 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)，并可以用來預(yù)測路面性能.同時(shí)這些因素可以在施工的過程中予以檢測.與性能相關(guān)的規(guī)范試圖通過確認(rèn)施工項(xiàng)目的質(zhì)量水平來實(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)品分級標(biāo)準(zhǔn)主要有二類，

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

13、e Graded，簡記為PG）的道路瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。SHRP PG分級依賴于瀝青的粘彈性進(jìn)行分級，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分級直接依據(jù)路面工作環(huán)境、交通荷載和沒計(jì)溫度評價(jià)瀝青性能，并且充分考慮了瀝青使用過程中熱老化對于分級的影響。 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10年努力，SHRP PG性能分級作為一項(xiàng)新技術(shù)，已經(jīng)在美國得到普遍的推廣應(yīng)用。 定盡管其后發(fā)現(xiàn)SHRP PG分級對于改性瀝青的評價(jià)存在一些關(guān)鍵性的技術(shù)缺陷,美國聯(lián)邦公路局組織有關(guān)技術(shù)專家繼續(xù)采用粘彈力學(xué)方法研

14、究PG分級的改進(jìn)。通過美國國家協(xié)作研究項(xiàng)目NCHRP9 - 10課題研究,已經(jīng)使得該成果對于改性瀝青的適用性得到增強(qiáng)。盡管PG性能分級要求的技術(shù)指標(biāo)大部分是過去經(jīng)驗(yàn)型分級標(biāo)準(zhǔn)中從未有過的，需要采用專用的試驗(yàn)儀器和方法,目前尚未得到世界各國的采納和應(yīng)用，但PG分級成果促進(jìn)各國紛紛修訂自己的瀝青技術(shù)指標(biāo)。各國瀝青技術(shù)指標(biāo)修訂的趨勢是盡量采用具有明確粘彈力學(xué)依據(jù)的指標(biāo)(例如60動力粘度)來代替或簡化針人度分級指標(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

15、驗(yàn)、動態(tài)模量試驗(yàn)等,均在全世界引起強(qiáng)烈反響。這些研究全部采用粘彈性力學(xué)手段與方法研究或評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，美國正在加緊瀝青混合料性能評價(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

16、隨時(shí)間增加而保持恒定的值，消除外力后變形可以瞬間回復(fù)。描述粘性流動的是牛頓定律,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變形是互相對立的兩種變形行為。 任何互相對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的能力。對于工程技術(shù)人員來說，重要的是認(rèn)識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

17、數(shù)千牛頓的荷載也不會產(chǎn)生過大的變形.這是因?yàn)槟踢^程中混凝土內(nèi)部發(fā)生了水化反應(yīng)，使得原來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)生熔融的溫度稱為熔點(diǎn)。熔融過程是物質(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)稱為無定形結(jié)構(gòu)或玻璃質(zhì).具有無定形結(jié)構(gòu)的物質(zhì)可以不經(jīng)過化學(xué)變化或者熔融過程實(shí)現(xiàn)由粘性流動狀態(tài)向彈性變形狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。與晶體結(jié)構(gòu)不同，無 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)間長短的漸變過程.瀝青的性能具有顯著的無定形結(jié)構(gòu)物特征，并影響了瀝青

18、混合料的力學(xué)行為。, l_F、溫度對于變形形態(tài)的影響 變形隨溫度變化的過程可以用熱機(jī)械曲線來描述。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)無異，故稱之為普彈態(tài)或玻璃態(tài). 當(dāng)溫度較高時(shí),經(jīng)過一個(gè)過渡階段，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)行為類似于橡膠，故稱之為橡膠態(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，并開始粘性

19、流動，這是物體的粘流態(tài)。 粞Zi 晌§ 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)過渡的轉(zhuǎn)變溫度稱為玻璃轉(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12中的高彈區(qū)

20、，變形不僅對于溫度的依賴性不明顯，而日,高彈變形也具有瞬時(shí)性，因此高彈變形也稱為平衡高彈。對于多數(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)間過程.H 13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)。對于無定形結(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，那么也可以得到類似于熱機(jī)械曲線的變形時(shí)間曲線（如圖

21、1-3）。由于變形對于時(shí)間的依賴是粘性流動的固有特性，也稱延遲彈性為粘彈惶. 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.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

22、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,粘彈性力學(xué)不僅通過粘彈性變形這一特殊的運(yùn)動形式來指導(dǎo)我們認(rèn)識物質(zhì)世界的宏觀現(xiàn)象，更重要的是通過延遲彈性變形機(jī)理的研究，指導(dǎo)我們認(rèn)識材料微觀結(jié)構(gòu)組成形式與材料宏觀物質(zhì)運(yùn)動形式的內(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說明韌體產(chǎn)生瞬時(shí)彈性、粘彈性及粘性流動的變形機(jī)理，還可以根據(jù)大分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來說明一定條件

23、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，可以說粘彈性力學(xué)是一門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)研究方法稱為實(shí)驗(yàn)粘彈力學(xué)，實(shí)驗(yàn)粘彈力學(xué)更側(cè)重對于材料宏觀力學(xué)變形規(guī)律的描述與預(yù)測。對于工程材料,實(shí)驗(yàn)粘彈力學(xué)的主要研究目的是通過適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)手段，根據(jù)生產(chǎn)活動中遇到

24、的實(shí)際問題,模擬產(chǎn)生這些問題的應(yīng)力條件、變形歷程、溫度及環(huán)境，建立經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)一半理論公式來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于溫度和時(shí)間，在一些情況下還可能依賴于應(yīng)力水平而表現(xiàn)出非線性，這類材料的試驗(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)力或者動態(tài)虛力進(jìn)行試驗(yàn)測定.近年來，由于動態(tài)加載設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，采用動態(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

25、像高聚物那樣確定的造成延遲彈性的變形機(jī)理，但在一定的觀測時(shí)間下，這些材料也表變形明顯依賴于時(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

26、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 ! 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。一般說來，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)生相互錯位移動。 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) 下問題： 髟式 瀝青混合料的變形特性與破壞特性依賴于加荷方式,三軸試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)等

27、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）的鏡像影射不對稱問題。 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

28、 的特點(diǎn)，其級配組成對于瀝青混合料的粘彈性力學(xué)行為特征具有顯著的影響。盡管一些研窮 人員或研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行過許多努力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)測瀝 陛材 青混合料的力學(xué)行為。 彈性 最后，對于道路領(lǐng)域的研究人員來說，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，lIUlN'jVt Jl

29、IoING¨I JNHEl 一、二司液體的粘性流動變形 流動變形是液體的基本屬性。液體的流動變形行為具有依賴時(shí)問、依賴溫度、不町恢復(fù)等行為特點(diǎn)。瀝青及瀝青混合料這一類粘彈性材料的力學(xué)行為之所以錯綜復(fù)雜、變化萬千，根本原因在于這類材料表現(xiàn)了彈性變形與流動變形綜合的力學(xué)行為特點(diǎn)。因此,如果沒有對于液體流動變形行為的深入了解，我們就可能無法掌握包括流動變形行為在內(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變形特性,路面工程中利用這種依賴于溫度的流動特性實(shí)現(xiàn)瀝青混合料的拌和與攤鋪。僅僅從評價(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)

30、了解液體的流動變形行為。 在這章中，我們主要以道路石油瀝青作為研究對象,重點(diǎn)討論液體的粘性流動特性.第一節(jié)液體的非牛頓流動特性 I糊E液體的牛頓流動特性 流動是物質(zhì)存在的一種形式，自然界幾乎所有的物質(zhì)都處于流動之中。物質(zhì)的流動形態(tài)多種多樣,最簡單或者說最理想的流動是以牛頓內(nèi)摩擦定律描述酌牛頓液體.牛頓在1687年首先提出過流動阻力正比于相鄰部分流體相對流動速度的假設(shè)，19世紀(jì)上半葉，法國科學(xué)家Cauchy，Poisson及英國科學(xué)家Stocks等人通過進(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

31、距離日，以y為法線方向。保持下平板固定不動,使上平板沿所在平面以速度y運(yùn)動，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,并一層一層地向下影響,各層10相層 產(chǎn) 正 相繼流動 層的速度 上平 產(chǎn)生對于 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 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： L j j需臻需要熙禽婺煞踴霜墨墨翟鷺剖州Nl¨

32、uN¨w“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d=Ee或r：Gy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)變對于時(shí)間的依賴性，因此牛頓內(nèi)摩擦定律描述的流體流動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，我們來分析線性粘性流動的特點(diǎn). 由于D：譬:立，積分后叮以得到流動開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

33、的流動變形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,表明流動變形與虎克彈性變形不同，具有時(shí)間依賴性。 在施加剪應(yīng)力的零時(shí)刻，流動變形值為零，表明不可能使得流體在施加荷載的瞬間產(chǎn)生變形，或者說只有施加無窮大的應(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，牛頓流體的流動變形具有不可逆特性，或者說流動變形是小川回復(fù)的。 在工程領(lǐng)域的研究中，我們通常稱虎克定律描述的變形特性為彈性變形，與之相應(yīng)，我們可以稱牛頓內(nèi)摩擦定律描述

34、的變形行為為粘性流動變形。 硼E液體的非牛頓流動特性 牛頓流體的粘度不依賴于應(yīng)力水平。但瀝青等許多物質(zhì)的流動行為卻并非總是如此,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）。具有流動性而其流動行為不能用牛頓定律描述或者說不服從牛頓定律的流體，可以統(tǒng)稱為非牛頓流體.非牛頓流體流動行為具有多樣一阽,我們首先來討論·下非牛頓流體的基本流動類型. 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曲線示于圖24a）中。 DD 圖2_3牛頓流體的變形特·陀 圖24液體的臚f：傾流動特陀 24b)中所示的SD曲線代表了準(zhǔn)粘性流體的流

35、動變形特性。與牛頓流體不同,準(zhǔn)粘性流體的流動曲線雖然也通過坐標(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 12第二章 液體的粘性流動變形變形抵抗已經(jīng)不再是一個(gè)恒定的數(shù)值，而依賴于剪應(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應(yīng)的粘性流動抵抗能力，一般可將粘度的概念外延，稱SD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

36、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)行材料流動變形的實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，重要的問題是確定實(shí)驗(yàn)材料的指數(shù)仇，m的大小代表r流動變形抵抗對于剪應(yīng)力的依賴程度。與此對稱，也可以將SD關(guān)系i己為： S=r/NDri 此時(shí)，指數(shù)凡稱為流變指數(shù),當(dāng)n=1時(shí)為牛頓流體，粘度不隨剪切速率D的變化而變化；當(dāng)0<n<l時(shí)粘度隨剪切速率D的增大而下降，通常稱為假塑性流體；當(dāng)nl時(shí)粘度隨剪切速率D的增大而增大，通常稱為脹流性流體。 流變指數(shù)凡的大小代表j,非牛頓流體偏離牛頓流動特性的樣式和程度。，不同流體,流變指數(shù)

37、n,不同。同一神流體的凡也不是常數(shù)，所有影響流體非牛頓特性的兇素均對門有影響。、如溫度-F降，剪變率升高，凡值都會產(chǎn)生變化. 流變指數(shù)n在瀝青材料流變學(xué)研究領(lǐng)域中稱為復(fù)合流動度（有時(shí)記為c），是很重要的概念。多數(shù)石油瀝青的nl，其數(shù)值在(0，1）區(qū)間內(nèi),流變曲線為通過坐標(biāo)原點(diǎn)并向上凸的曲線，EL九值越接近于0，其偏離牛頓流動的程度越遠(yuǎn)?？梢岳脦字档拇笮≡u價(jià)不同瀝青的流變學(xué)特性，并通過測定n值以確定瀝青由牛頓流體變?yōu)榉桥ｎD流體的溫度。以后我們將證明,流變指數(shù)具有明確的物理意義，對于實(shí)驗(yàn)粘彈力學(xué)的理論與應(yīng)用具有重要意義。 流動特性如圖2-4c）所示的材料稱為賓漢流體或理想塑性流體。賓漢流體具有所

38、謂的范。陛，j與剪應(yīng)力S小于臨界值So時(shí)，材料不發(fā)生流動,當(dāng)剪應(yīng)力一旦超過臨界值So后，材料就以與牛頓流體同樣的SD直線關(guān)系發(fā)生流動。牙膏、油漆、制作陶瓷的粘土都具有賓漢流體的流動行為。 D=77（S- So) (25。2) 盡管剪應(yīng)力超過臨界值后，賓漢流體的流動曲線與牛頓流體完全相同，但賓漢流體的剪變率不是與剪應(yīng)力5，而是與剪應(yīng)力差S - So保持線性關(guān)系，因此也不再滿足牛頓定律.此時(shí)式(2-5。2)中的叩稱為偽粘庋,其倒數(shù)m=17稱為易動度。 將準(zhǔn)粘性流體與賓漢流體的流動性綜合在起,就得到圖如24d）所示的流動曲線。這一·流動曲線被稱為偽塑性流體.可以經(jīng)驗(yàn)地將偽塑性流體的流動變形

39、特性描述為： D= dddy= a(.S - SO）n(2-5。3） 與準(zhǔn)粘性流體和賓漢流體不同,偽塑性流體的流動變形曲線(圖24d）要用三個(gè)參數(shù)來描述。 上述的討論隱含著這樣一種假定，即所有的牛頓流體和非牛頓流體的流動行為都處于層 13瀝青與瀝青混合料鏨蛹蜀宙國置墨蠡蓄重蕾剖滁”尊NI。IXUEYLIANJ，IJIYIN(；YON；肯暑蔑囂肯篙需囂觜篇篇流狀態(tài)，但對材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，如果沒有足夠適用的測試儀器，那么要施加足夠高的剪切速度而不產(chǎn)生湍流是十分困難的.圖24中的非牛頓流體的經(jīng)典分類提出的年代較早，必然受到當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)材料類型限制而無法接近真實(shí)的材料流動行為.事實(shí)上,當(dāng)變形速度增加到足夠高而不產(chǎn)生湍流時(shí),一些原來被認(rèn)為是牛頓流體的材料也有可能表現(xiàn)出非牛頓流體的流動特性，流動曲線也可能表現(xiàn)出比較復(fù)雜的形態(tài)。 倫克【7 3曾經(jīng)指出，所有的非牛頓流動特性都可以歸結(jié)為一條如圖2-5所示的綜合流動曲線（也可稱之為普適流動曲線）。 在這條綜合流動曲線上，當(dāng)剪應(yīng)力或剪變率較小時(shí)，材料具有