瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)概述

1、瀝青混)疑土高溫性能指標(biāo)概述李清霞姚輝寧(山東公路建設(shè)集團(tuán) 濟(jì)南250012)摘要：通過(guò)對(duì)瀝青混合料高溫性能指標(biāo)研究過(guò)程的回顧，先后介紹了從實(shí)際出發(fā)模擬車轍變 形的試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)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(yàn)，以及從設(shè)計(jì)模量 本身出發(fā)，研究混合料模量與混合料性能的試驗(yàn)。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(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能的簡(jiǎn)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(píng)價(jià)混合料穩(wěn)定性，但是其擊實(shí)的成型方法并不能的模擬路面碾壓成型過(guò)程，評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jì)70年代到80年代，一種新型混合料路用性能高溫指標(biāo)評(píng)價(jià)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(shí)期，出現(xiàn)了很多該 原理下的輪式試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備，如輪轍儀，法國(guó)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(guó)車轍儀圖2漢堡車轍儀這些試驗(yàn)設(shè)備可以對(duì)試件所處環(huán)境進(jìn)行模擬，如溫度、濕度等，具有一定的實(shí)際意義， 但是得到的輪轍變形結(jié)果如輪轍深度、相對(duì)變形量、動(dòng)

3、穩(wěn)定度等只是一種經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，并且試 驗(yàn)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(jī)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(bào)告及其他大量研究認(rèn)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(guò)瀝青混合料的抗剪切強(qiáng)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(jìn)行分析計(jì)算， 計(jì)算采用雙圓垂直荷載體系下標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100作為設(shè)計(jì)應(yīng)力，按一般高速公路設(shè)計(jì)選

4、取結(jié) 構(gòu)層組合以及各層層厚及設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)到雙圓荷載輪隙中心橫向距 離，計(jì)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(jiǎn)單剪切試驗(yàn)SHRP開發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單剪切試驗(yàn)（SPT）設(shè)備直接測(cè)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(yàn)系統(tǒng)，包括加載系統(tǒng)、試驗(yàn)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(yàn)過(guò)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(gè)軸向力以保持試件的高度不變，這樣就保證在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)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(jiǎn)單剪切試驗(yàn)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(xiàn)建議長(zhǎng)高比不得小于3,并推薦使用長(zhǎng)方體試件。3.2單軸和三軸試驗(yàn)將瀝青混合料視為顆粒材料，采用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論分析瀝青混合料的強(qiáng)度特性，通 過(guò)單軸或三軸試驗(yàn)獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用公式（1）和公式（2）計(jì)算得到抗剪能力指標(biāo)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(gè)方向的主應(yīng)力c粘聚力9內(nèi)摩阻角一般認(rèn)為單軸試驗(yàn)的溫度條件和荷載水平與實(shí)際的路面溫度和荷載水

8、平相似，單軸試驗(yàn) 是將圓柱體試件放在鋼板與壓頭之間，通過(guò)壓頭施加荷載，獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，孫立軍通過(guò)對(duì)道 路實(shí)際荷載的分布研究及單軸試驗(yàn)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(yàn)的第一和第三主應(yīng)力無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度表3單軸試驗(yàn)參數(shù)表b g 4b g 3max參數(shù)0.7650.08720.3390如試件的抗壓強(qiáng)度為0.5MPa，試件的貫入強(qiáng)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(kù)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(qiáng)。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(wú)法 與道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)。3、動(dòng)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(jì)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(guó)的公路瀝青路面設(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)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(shí)，對(duì)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(jì)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(lái)考慮瀝青混合料的高溫性能。路面結(jié)構(gòu)實(shí)際上受到車輛、氣候、人文等因素的不斷變化作用，它的實(shí)際工作狀態(tài)無(wú)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(duì)時(shí)間的影響因素十分敏

12、感，因此必須研究動(dòng)態(tài)荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特 性和動(dòng)力參數(shù)，使得整個(gè)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系由靜態(tài)力學(xué)體系向動(dòng)態(tài)力學(xué)體系發(fā)展。據(jù)此美國(guó)的AASHTO2002瀝青路面設(shè)計(jì)指南及NCHRP1-A均將動(dòng)態(tài)模量作為基本的設(shè) 計(jì)參數(shù)。動(dòng)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(dá)，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(dòng)態(tài)模量E *|是復(fù)合模量E*的絕對(duì)值，|e*|=、= %（E ）2

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

14、將動(dòng)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(guó)瀝青學(xué)會(huì)（AI）提供的200多組混合料設(shè)計(jì)材料進(jìn)行評(píng)估，得到2800 多個(gè)動(dòng)態(tài)模量數(shù)據(jù)，建立了 HMA動(dòng)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(wàn)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(guò)率2005年christensen等人得到另一種預(yù)測(cè)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(dòng)態(tài)模量，間斷級(jí)配或較低的4.

16、75通過(guò) 率的瀝青混合料，同樣可以產(chǎn)生較高的動(dòng)態(tài)模量。空隙率與瀝青用量增加都會(huì)降低動(dòng)態(tài)模量， 瀝青的粘度降低也會(huì)降低動(dòng)態(tài)模量。4、總結(jié)經(jīng)過(guò)對(duì)高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的回顧，可以發(fā)現(xiàn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的發(fā)展伴隨著對(duì)瀝青路面認(rèn)識(shí)的 不斷加深，有越來(lái)越的相關(guān)學(xué)科加入進(jìn)來(lái)進(jìn)行研究，同時(shí)，伴隨著結(jié)構(gòu)與材料的一體化，整 個(gè)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系也在由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)演變。參考文獻(xiàn)1、 彭妙娟 許志鴻瀝青混凝土路面永久變形實(shí)驗(yàn)方法評(píng)述J同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)2006 62、 陳祥義吳劍國(guó)外瀝青混合料抗車轍性能試驗(yàn)方法評(píng)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