沥青混合料温度稳定性与路面设计毕业论文.pdf

长安大学 硕士学位论文 沥青混合料温度稳定性与路面设计 姓名：李静 申请学位级别：硕士 专业：道路与铁道工程 指导教师：戴经梁 2001.6.1 摘要 高等级公路上繁重的交通量以及近年来出现的重载、超载现象，造成 了沥青路面的疲劳、车辙等破坏，降低了路面的使用寿命和服务水平。本 文从沥青混合料较大温度范围内的疲劳、车辙和蠕变试验入手，对沥青混 合料的疲劳和车辙性能进行了深入研究，并结合具体的气候情况计算出了 陕西省代表地区的疲劳当量温度和车辙有效温度，得出了各地区当量温度 下的疲劳方程和车辙规律以及材料设计参数；提出了车辙限值和车辙等效 的轴载换算公式，据此建立起基于疲劳、车辙的路面设计方法，并综合成 为多指标的路面设计体系。 关键词：沥青混合辑疲劳车辙蠕变试验轴载筷弃当量瘟度 路面设计 a b s t r a c t t h e p h e n o m e n o no fh e a v y d u t y t r a f f i c a p p e a r s i nr e c e n ty e a r s ，w h i c h c a u s e sf a t i g u ea n dr u ta n ds oo ni nb i t u m i n o u sp a v e m e n ta n dd e b a s e ss e r v i c el i f e a n dl e v e lo fp a v e m e n t b a s e do nt h ef a t i g u et e s t ，w h e e lt r a c k i n gt e s ta n dc r e e p t e s to f a s p h a l tm i x t u r ei n al a r g e s c a l eo f t e m p e r a t u r e ，t h i sp a p e rc a r r yt h r o u g h r e s e a r c ho nc h a r a c t e ro ff a t i g u ea n dr u to fa s p h a l tm i x t u r e a l s oc o m b i n e d w e a t h e rc o n d i t i o n ，t h i sp a p e ra c c o u n t st h ee q u i v a l e n tt e m p e r a t u r eo f f a t i g u ea n d r u ta sw e l la sd e s i g np a r a m e t e ru n d e rt h ee q u i v a l e n tt e m p e r a t u r eo f d e l e g a t ea r e a i ns h a a n x ip r o v i n c e a c c o r d i n gt h er e s e a r c ho v e r s e a sa n dd o m e s t i c ，t h i sp a p e r b r i n g sf o r w a r dr u tl i m i t a t i o n sa n da x l el o a dc o n v e r s i o nb a s e do nr u te q u i v a l e n t h e r e b y t h i sp a p e re s t a b l i s h e sp a v e m e n t d e s i g nm e t h o d o l o g y b a s e do n f a t i g u ea n d r u t ，a l s oc o l l i g a t et h o s ei n t om u l t i t a r g e td e s i g ns y s t e mo f a s p h a l tp a v e m e n t k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ，f a t i g u e ，r u t ，c r e e pt e s t ，a x l el o a dc o n v e r s i o n ， e q u i v a l e n tt e m p e r a t u r e ，p a v e m e n td e s i g n 沥青混合料温度穗定性与路面优化设计 第一章绪论 1 一l 课题的提出 在过去的十年中，随着经济的快速增长，我国公路建设取得了长足发 展，交通状况有了明显改善。公路总里程突破1 3 0 万公里，高速公路里程 突破了1 万公里，其中主要是沥青路面。与此同时，经济的发展带来了车 辆的大型化及繁重的交通量，重车、超载车大大增加，造成了沥青路面的 疲劳、车辙等各种形式的破坏，使路面的使用性能下降，并为其他各种形 式的损坏创造了条件，带来了道路行车的不安全隐患。因此有必要对沥青 路面的耐疲劳、抗车辙性能进行深入的研究。 我国现行的公路沥青路面设计规范( j t j0 1 4 _ _ 9 7 ) 采用双圆垂直均 布荷载作用下的多层弹性体系理论，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计 指标，计算路面结构厚度；对高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝 土面层和半刚性材料的基层、底基层进行层底拉应力的验算；在计算路面 厚度的专用设计程序中，当量轴次的计算是按弯沉等效或拉应力等效的原 则，将不同车型、不同轴载作用次数换算为与标准轴载1 0 0 k n 相当的作用 次数；在设计中引入了抗拉强度结构系数，以考虑沥青和半刚性材料疲劳 特性，并根据“八五”攻关专题“沥青路面疲劳规律的研究”，采用1 5 。c 作 为沥青路面的疲劳当量温度：而对车辙的考虑则体现在沥青混合料配合比 设计中。规范要求对高速公路、一级公路的表面层和中面层的沥青混凝土 作配合比设计时，应进行车辙试验，以检验沥青混凝土的高温稳定性。其 中高速公路的表面层、中面层沥青混合料动稳定度不应低于8 0 0 次m m ；一 级公路的表面层、中面层沥青混合料不应低于6 0 0 次瑚m 。 应用弯沉作为设计标准具有明显的优点，因为在野外很容易测量，加 之我国以前公路等级低，沥青面层薄，且基层强度低，使用弯沉作为设计 指标来控制路面的整体刚度是非常必要的。进入八十年代后，我国公路交 兰! 竺竺兰查兰苎竺兰竺! 垡! 兰兰芏 通步入高等级公路兴盛发展阶段，为适应交通量迅速增加，车辆荷载逐渐 增大的需要，半刚性基层沥青路面在全国各地的高等级公路建设中被广泛 地应用，这种路面具有强度高、刚度大、水稳性好等优点，但是近年来道 路上重载、超载车辆大量出现，导致轴载增大，再加上高压轮胎的广泛使 用，使路面的破坏更集中于路面表层。因此，应从路面的两大通害( 疲劳 和车辙) 角度出发，对沥青混合料进行深入研究，用以指导路面设计。 沥青路面使用期间在气温环境影响下经受车轮荷载的反复作用，长期 处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复超 过一定次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的 结构抗力，使路面出现裂纹，产生疲劳断裂破坏。而车辙则是沥青路面在 汽车荷载反复作用下产生竖直方向产生永久变形的积累。这种变形主要发 生在高温季节。在渠化交通的重交通道路上，当沥青路面采用半刚性基层 时，车辙主要发生在沥青面层。 由以上对疲劳和车辙的定义与分析可见，无论是防止面层因结构抗力 下降而产生裂纹还是抵抗永久变形的形成，沥青混合料的强度均与温度稳 定性有密切关系。因此，本文采用一种常用级配、沥青对沥青混合料的强 度与温度稳定性的关系进行进一步的研究，得出不同温度下沥青路面的疲 劳、车辙性质变化规律，然后结合陕西省具体的气候条件，分别计算出疲 劳和车辙当量温度，采用此当量温度下的设计参数，再根据本研究提出和 修正的设计方法，进行适应当地具体情况的路面多指标设计。 l 一2 国内外研究现状 国外对于疲劳现象认识较早。早在1 9 4 2 年o j 勃特就指出了路面在行 车作用下会产生疲劳破坏的现象。他发现有些柔性路面在0 5 , - - 0 7 5 m m 的小 弯沉的情况下车轮重复几百万次也会遭到破坏。l w 尼格贝尔在1 9 5 3 年指 出了路面疲劳裂纹的产生是重复行驶的车轮引起的弯拉应力超过材料抗拉 强度的结果，他把路面疲劳与应力应变状态联系起来了。6 0 年代以来，世 沥青混合料湿度穗定性与路面优化设计 界各国对路面疲劳特性进行了大量研究，对路面疲劳破坏机理也有了更多 科学的认识，并不断的得到深化。 车辙的问题提出较晚，在1 9 6 0 年以前很少有人关心车辙。在1 9 6 2 年 第届国际地沥青路面结构设计会议上，壳牌石油公司第一次提出考虑疲 劳和车辙的路面设计方法，车辙由路基顶面压应变控制。同时，为了解决 疲劳问题、路面加厚且沥青用量大，疲劳变得不太重要。但由于允许轴荷 载、轮胎压力的增加、交通量加大，2 5 3 0 c m 厚的沥青面层车辙明显，产 生了预测车辙的需要。 1 9 7 2 年，在第三届国际地沥青路面结构设计会议上，b a r k s d a l e 提出了 层应变方法，即利用材料的基本性质，在不同的加荷和环境条件下计算车 辙。1 9 7 6 年召开了沥青车辙研讨会，重点是车辙预估和试验方法。1 9 7 7 年， 在第四届国际地沥青路面结构设计会议上，提出了限制表面车辙和预测每 一层车辙的方法，主要有： ( 1 ) 根据车辙性能观察的统计方法( f i n n 等) ： ( 2 ) 限制路基应变方法( c l a e s s e n 等) ； ( 3 ) 蠕变试验数据加上弹性分析方法( h i l l & v a nd el o o ) ： ( 4 ) 线粘弹性分析方法。 车辙是沥青路面设计的一个重要指标。二十多年来，各国在这方面做 了不少工作，总结了许多路面材料的永久变形规律，有的还拟定了车辙设 计副体系。但至今仍未得到完满的解决，尚有待理论与实践的进一步检验。 由于沥青路面通常作为路面的面层，直接受车辆荷载作用和大气因素 的影响，需满足稳定性和耐久性的要求，许多国家提出了路面多指标设计 和最优化设计的方法。这类方法特点是控制路面性能的几个关键设计指标 ( 如弯沉、拉应力、疲劳、车辙、低温开裂、平整度和抗滑性等) ，并考虑 外界因素( 如交通条件和温度) 变化对材料特性( 线弹性、非线弹性、粘 弹性或疲劳断裂等) 和路面强度及应力应变的影响，使路面结构设计更加 合理，同时考虑经济因素，用最小的工程造价达到最大的经济效益。常见 兰竺竺兰兰墨兰墨竺皇竺苎苎! 兰苎兰 一 的路面多指标设计包括疲劳和车辙两个副体系。各国使用不同的疲劳和车 辙标准，摘列于下表1 1 ： 国外疲劳和车辙副体系计算公式表卜1 单位 疲劳车辙附注 名称 c l m 0 f 。= 13 3 1 0 7 n o 2 2 ： f = 20 1 3 1 0 一。o v 一9 5 路面总的 n i s m i t h 永久变形 英国l g n = 1 6 0 2 + ( 1 5 9 3 5 1 6 7 l g k路面总的 公路局 一8 6 9 5 l g 疋自) ( 3 2 0 5 l g c ，) 疋= 2 1 6 0 0 n o 2 8 永久变形 r e r o = ( 2 5 4 1 0 - 7 i - - 专。3 。 = 2 0 1 3 1 0 1 0 占。9 5 路面总的 o t 永久变形 l es a n n ，= nr 1 0 ” 一= 1 3 1 0 一22 5 一o 2 “乳化沥青 t u c o l 路面 芬兰 n - 3 2 1 0 - ”。：2 8 1 0 2 n 0 2 5机场道面 公路局 l 占 劲度疲劳曲线 占= 2 8 1 0 2 。0 2 5 路面总的 s h e l l 永久变形 劲度疲劳曲线 址c 。一凳 沥青层 永久变形 4 4 9 a 口n 0 2 5 比利时 琉( 丧 ) _ 吲沥青混合 幻= 正一圭( c r 2 ”，) 料 公路局 o ( 。) = o ( 1 ，7 3e 盯o 碎石基层 x 1 6 “ 0 ( 。) = 0 n 18 。岛 砂层 土基 0 ( 。) = 0 ( 1 ) ( o 6 2 + 0 7 1 9 n ) n ，= 6 7 7 1 0 1 4e x p i n c = - 2 1 3 2 - i - 4 3 3 4 1 n 口 e s s o 0 0 7 ( t 一5 ) 2 】1 6 6 7 2 0 “ n + o 2 1 4 o h i o 公 n f ：1 1 旦 乞= 爿( q ，彬) ”1 土基 沥青 路局 j na x “ 巳= a ( o - , ，彬，正) “”1 混凝土 4 沥青混合料温度稳定性与路面优化设计 设计时先假定路面结构的厚度，算出沥青层底部拉应变占，和土基顶面 压应变，分别代入疲劳和车辙公式算出相应的累积交通量n ，以较小的 n 值控制设计。若n 值大于或小于设计年限内总累积交通量的2 以内时， 则设计通过。否则应变更结构或改变层厚，重新计算至满足要求为止。f i n n 等1 9 8 6 年开发了p d m a p ( 沥青路面损伤概率统计模型) 计算程序能预测 沥青路面的疲劳开裂和车辙。 近年来，在沥青和沥青混合料研究方面取得较大进展的项目当属s h r p 计划。美国公路战略研究计划( s h r p ) 开始于1 9 8 7 年，在五年的时间里对沥 青、路面长期性能、公路营运和水泥混凝土与结构四个领域进行了深入研 究。沥青研究项目是整个s h r p 计划的第一大项，研究经费占整个s h r p 计划的三分之一。它的主要任务是制定一个以路面性能为基础的沥青胶结 料规范、沥青混合料规范以及相配套的沥青混合料设计方法。其基本思路 是一方面将沥青的化学和物理性质分别与路面性能的研究联系起来，同时 也研究沥青胶结料化学和物理性质之间的关系；另一方面将沥青混合科性 质和路面性能的研究联系起来，再由一个合同将上述研究结果和路面性能 试验结果加以验证。s h r p 项目a 0 0 3 a “陛能有关的沥青一集料界面和 混合料试验及测定”，对沥青混合料的疲劳响应进行了评价，推荐出确定沥 青混合料疲劳响应最适合的方法，并最终纳入沥青混合料分析系统。s h r p 提出了较新的思路，即将沥青及沥青混合料与路用性能紧密结合起来，但 其缺陷是未能将路面结构设计与混合料设计统一考虑。 国内对沥青路面的疲劳规律、车辙及设计方法也进行了大量研究。“六 五”期间重点科研项目“半刚性基层沥青路面的研究”对车辙的计算方法 与参数的确定进行了系统的研究。根据半刚性基层沥青路面的力学特性， 采用弹性层状体系理论为基础，结合室内外有关参数的研究成果及惠州试 验路的验证，提出了一种半刚性基层沥青路面车辙的计算和预估方法。“七 五”期间，沿用粘弹性理论计算车辙深度，并进行了车辙试验及少量环道 试验与快速加载试验；“八五”攻关专题三“沥青路面疲劳规律的研究”， 兰苎竺竺兰墨兰墨竺兰竺里苎兰兰兰一 通过对三种国产沥青、两种沥青混凝土的五种不同温度条件下的劈裂疲劳 试验得到3 0 个疲劳方程，在此基础上考虑当量疲劳温度和各种修正，提出 沥青混合料抗拉强度结构系数应用于沥青路面设计。 随着断裂力学和损伤力学的发展，其在路面工程中的应用也不断增加。 疲劳断裂理论、m i n e r 累积损伤理论、耗散能理论在路面的疲劳、永久变形 等损伤的研究中起到了重要作用。但是这些只是停留在探索阶段，今后在 损伤力学应用方面仍大有可为，对路面工程的发展将会起到很大的推动作 用。 1 3 本课题的研究内容和技术路线 ( 1 ) 研究内容 “八五”攻关专题“沥青路面疲劳规律的研究”中，根据m i n e r 法则， 各地月平均气温资料及其对应温度下的疲劳关系( 利用疲劳方程系数k ，n 随 温度变化规律可得到任意温度下的沥青混合料疲劳方程) ，得出不同月份平 均温度下路面结构的疲劳损伤，从而确定出疲劳损伤不利温度段；采用加 权平均温度法，得出疲劳当量温度。规范推荐个共同的疲劳当量温度1 5 。但考虑到我国幅员辽阔，气温悬殊，一个规范不可能使用于整个国家 的气温情况。本课题针对陕西省的具体情况，进行沥青混合料强度与温度 稳定性研究，得出其内在规律，在此基础上提出基于疲劳和车辙的沥青路 面设计方法。然后根据“八五”攻关沥青气候分区，选择适合各典型地区 的设计方法，从而由各地的不同情况，设计出更合理的路面，延长其使用 寿命。 ( 2 ) 技术路线 本文通过大量的室内试验对沥青混合料的疲劳和车辙特性进行了研 究，并根据m i n e r 累积损伤定律和试验规律分别计算出疲劳和车辙当量温 度。在此基础上，利用试验测得的参数选择和设计出合适的方法，以控制 疲劳和车辙达到设计标准，满足路面结构和使用要求。 6 沥 混合料温度穗定性与路面设计 第二章原材料性质试验 2 1 原材料试验 2 1 1 沥青试验 采用新加坡壳牌a h 一9 0 8 沥青，按照重交通道路石油沥青的技术要求 对其进行了表2 1 所示指标的试验： 额加坡壳牌9 0 4 沥青主要技术指标表2 1 编号项目 试验结果 1 针入度p ( 2 5 l g 5 。) ( 1 l o m m ) 9 2 2 延 度d ( 1 5 5 “l i l l ) ( c m ) 1 0 0 3 软化点t r b ( ) 4 7 2 4 密 度( g c m 3 ) 1 0 2 5 溶解度( 溶剂：三氯乙烯)9 9 3 4 5 6 闪 点( c o c ) t ) 3 0 0 7 含蜡量w ( 蒸馏法) ( )2 3 薄膜烘箱 延 度( 2 5 ) ( c m ) 1 0 0 8 加热试验 延 度( 1 5 “ c ) ( c m 、 3 3 6 r 1 6 3 ，5 5 ) 6 5 2 针入度比( ) 质量损失( )1 _ 0 2 试验结果满足重交通沥青a h 一9 0 4 技术指标。 2 1 2 集料试验 集料采用河南商丘地区所产石灰岩，经筛分后由逐级称量回配。其各 级粒径视密度见表2 2 和表2 3 ： 粗集料视密度( 广口瓶)表2 - - 2 l 粒径( 啪) 1 6 1 3 2 9 54 7 5 _ i 视密度( g ，c m ，) 2 7 5 2 2 7 4 9 2 7 5 22 7 4 1 7 沥- j r v 混合料温度j 睫定铝由路面设计 细集料视密度( 比重瓶)表2 3 l 粒径( m m ) 1 61 3 29 54 7 5i i 视密度( 。，) 27 5 2 2 7 4 92 7 5 227 4 1 l 0 0 7 5 r a m 及以下粒径采用石灰岩矿粉，试验测得其视密度为2 6 7 2 g c m 3 ，亲水系数小于1 。 2 1 3 级配 采用沥青面层常用的中粒式a c 一1 6 i 型沥青混合料，集料通过表2 4 所 示筛孔的百分率( ) 表2 4 i 粒径( m m ) 1 61 3 2 9 54 7 5 l 通过百分率( )1 0 09 7 58 2 56 8 l 粒径( m m ) 2 3 61 1 8 o 60 30 1 5 l 通过百分率( ) 4 1 2 9 52 21 61 1 2 2 马歇尔试验 马歇尔试验不是个好的评价沥青混合料高温性能的试验方法，但它 已经在实践中应用了多年，并积累了丰富经验，如今多用来确定最佳沥青 用量。因此本课题采用马歇尔试验来确定最佳油石比。 ( 1 ) 试验设备 采用沥青自动拌和锅拌和沥青混合料，马歇尔自动击实仪击实，自动 马歇尔仪采集试验数据。 ( 2 ) 试验方法 选择五个油石比4 0 、4 5 、5 0 、5 5 、6 0 分别制作试件，测定其密度、 空隙率、沥青饱和度等物理指标，以及马歇尔稳定度、流值等力学指标， 由此确定最佳油石比。并进行浸水马歇尔试验以检验其水稳性。 ( 3 ) 试验结果 8 兰! 兰竺壁璺垦竺奎竺皇竺! 兰茎 马歇尔实验测定的各项物理和力学指标见表2 5 沥青混合料马歇尔试验结果表2 - 5 项目 油瓠 密度空隙率稳定度流值饱和度 矿料间沥青体积百 马氏模数 【) ( g c m 3 )( ) ( k n )r 0 1 r a m ) ( 、 隙率( )分率( ) n 0 0 1 c m 4 o24 5 6 4 01 122 0 46 99 1 3 39 35 5 0 452 4 6 7 2 91 1 32 4 67 8 4 1 3 4l o 54 6 06 5 024 7 02 19 32 988 461 3 ，71 1 63 1 2 1 5 52 4 8 l1 08 73 3 39 271 3 71 272 6 0 4 6 02 、4 7 l o 78 、43 9 49 5 2 1 4 51 382 1 2 2 对马歇尔试验结果进行分析，结果见图2 1 2 5 。 4 5 ，、35 桨 蒋2 5 谥 译1 5 05 44 55 5 5 油石比( ) 图2 - 1油石比与空隙率关系图 2 蚰 罩2 4 8 兰 墨2 4 7 怪三 晕2 4 6 6 2 4 5 44 555 56 油石比( ) 图2 - 3 油石比与饱和度关系图 9 44 555 56 油石比( ) 图2 - 2油石比与视密度关系图 4 5 4 0 童3 5 g3 0 嚣2 8 2 0 1 5 l - - - - - - - - - - - j - - - - - - - - - - - j - - - v - j 。一j 4 4 555 56 油石比( ) ) 图2 4 油石比与流值关系图 吾： 舳 加 浆v 越犀霉 沥青混合料温度，盹定性与路面设计 1 20 1 l0 童 兰1 00 型 倒90 嚣 80 70 油石比( ) 图2 5 油石比与稳定度关系图 6 综合以上结果，由马歇尔试验确定的最佳油石比为4 4 。 沥青混合料温度稳定性与路面设计 第三章沥青混合料疲劳试验及结果分析 3 1 沥青混合料疲劳试验方案设计 目前，国内外进行的疲劳试验研究分为3 种类型：一是检测实际路面 在真实汽车荷载作用下的疲劳性能，以美国a a s h o 试验路为代表；二是 用足尺路面结构模拟汽车荷载作用下其疲劳性能，如美国华盛顿州立大学 室外大型环道及中国重庆公路科学研究所的室内大型环道等：三是室内小 型材料试件的疲劳试验。前两类试验方法都能较好地反映路面实际疲劳性 能，但耗资巨大、周期长，且试验结果受当地环境及所用路面结构影响较 大。目前使用最多的还是室内小型材料试件的疲劳试验。 3 1 1 试验方法 ( i ) 疲劳试验方法评述 沥青混合料室内疲劳试验方法各异，各国都没有统一的规定。目前应 用最多的主要有：简单弯曲试验( 包括中点加载或三分点加载；旋转悬臂 粱和梯形悬臂梁) 、支承弯曲试验、单轴试验、间接拉伸试验、三轴试验、 断裂力学试验和轮辙试验等。这几种主要试验方法中，又以重复弯曲试验 ( 特别是三分点加载试验) 以及间接拉伸试验( 即劈裂试验) 采用最为广 泛。考虑到试验方法对现场情况的模拟程度、试验方法的简便性及试验结 果的可应用性，s h r p 工作者将上述方法进行了优缺点对比及相应排序，认 为重复弯曲试验最能代表实际路面的受力状况，试验结果可直接用于设计， 是疲劳试验的首选方法，但该试验需专门设备，耗时、成本高；间接拉伸 试验简单易做，不需专门设备，成型方便，并可预测路面开裂，也是值得 推荐的疲劳测试方法。 ( 2 ) 疲劳试验方法 因梁式试件制作困难，受不稳定因素影响大，测试方法复杂，结果分 散，对于大面积推广有一定困难。相比之下，圆柱体试件制作方便，试验 沥青混合料温度穗定性冉路面设计 简单，易于操作。为了确定一种适合中国国情的疲劳试验方法，做到既要 参考借鉴国外的先进成果，又要结合国内的实际情况及相关研究，制定出 合理、可行的试验方法，本研究决定采用圆柱体试件劈裂疲劳试验进行沥 青混合料疲劳性质的研究。 ( 3 ) 影响疲劳试验的因素 1 ) 控制模式 为了模拟路面在车轮作用下的受力状态，实验室或公路现场可用控制 应力或控制应变模式进行试验。控制应力试验又称常值应力试验，试验时 保持应力( 或荷载) 不变，随着荷载重复作用次数的增加，混合料强度逐 渐减小，应变逐渐增大，直至试件断裂为止。达到破坏时应力重复作用的 总次数，即为疲劳寿命。 控制应变试验又称常值应变试验，试验时保持应变不变。随着荷载重 复次数的增加，混合料强度下降，为了保持应变不变，作用荷载将逐渐减 少，应力变小。当试件作用的应力下降至初始应力的5 0 时，荷载重复作 用的总次数取为疲劳寿命。 为了考虑路面结构的特定应力条件，可采用模式因素m f 的概念确定 路面结构中某一点加载控制模式，m f 可用弹性层状体系确定： m f = ( i a i i b i ) ( i a i + i b ) ( 3 1 1 ) 式中：a 一劲度下降c 时应力变化的百分数； b 一劲度下降c 时应变变化的百分数： c 一任一固定的劲度下降百分数。 由上述定义可知，控制应变的模式因素m f = 十1 ；控制应力的模式因素 m f ：一1 ；应力和应变均不为常数的中间模式m f 为一1 + 1 。 对路面层状弹性体系的分析表明，小于5 e r a 或7 6 e r a 厚度的沥青混凝 土面层符合控制应变条件。因为面层较薄，基层厚度和刚度较大，有较大 的支承力，在荷载重复作用下面层应变的增长较慢，不致发生突然断裂的 情况。 沥青混合料温度穗定性与路面设计 当面层厚度大于1 5 c m 或1 2 6 c m 时，可用控制应力模式来表示面层的 疲劳效应。这是因为面层较厚，基层刚度相应较小，荷载重复作用使面层 应变增长较快，以致最后迅速增大而出现路面破裂。 沥青路面厚度为5 1 5 c m 时，可用中间模式因素来表示。图3 1 示出 了模式因数的疲劳曲线。 、控制应变 、：。、：蔫。 。、警式。一 控制翟。、 图3 1 各种模式因素的疲劳曲线 由于我国近年来己建成和尚在建设的高等级公路，其路面厚度大约在 1 5 c m 左右，因此采用应力控制方式研究沥青混合料疲劳特性比较接近于实 际路面结构的疲劳特性，是可行且合适的。 2 ) 破坏判据 在试验过程中，考虑了两种疲劳破坏定义，见图3 2 。一种是把试件垂 直变形由稳定的粘性流动阶段发展为加速变形阶段时，其反弯点对应的加 荷次数定义为疲劳破坏次数；另一种是把计算机采集数据计算的动弹性模 量5 0 时的加载次数定义为疲劳破坏次数。 加j 欤女神 变形，( m 呐 加荷次女时 图3 - 2 疲劳破坏定义( 控制应力式) 1 3 沥青混合料沮度穗定d 与堪 面设- - z “ t - 由于第一种定义比较明确，数据稳定，第二种定义结果离散对应力控 制式来说意义不甚明确，采用第一种疲劳破坏判据。 3 ) 加载频率 对于室内小型试验，车轮荷载的加载时间可以根据v a nd ep o e l 的公式 来确定 l 一1 ( 2 f ) ( 3 - 1 - 2 ) 当加载频率为1 0 h z 时，加载时间为 t = l ( 2 f ) = 0 0 1 6s 0 0 1 6 s 的加载时间大致相当于6 0 6 5k m h ，我国现行的公路工程技 术标准规定的汽车专用公路的计算行车速度范围为4 0 1 2 0k m h ，可见 选择1 0 h z 的荷载频率是合适的。 4 ) 荷载波形 材料的疲劳寿命与荷载波形有一定的关系，通常认为正弦波形比较接 近于实际路面所承受的荷载波形。因此本文采用正弦波荷载进行疲劳试验， 由于荷载波形全部处于压力一侧，也将它称为半正矢波。为了加快试验速 度，在相邻波形之间不插入间歇时间。为避免长时间试验可能出现的试件 脱空现象，从而对试件产生冲击作用，本试验设置正弦波荷载的最小荷载 为o 0 0 2 m p a 。并在正式试验开始前，以最小荷载对试件进行预加载，以使 各部件接触良好。 5 ) 试验温度 根据以往的研究成果，沥青混合料在夏季高温时，疲劳损坏有很大的 恢复，s h r p 的研究成果认为常温以上的疲劳破坏主要是变形积累破坏，没 有明显的疲劳意义。另一方面，在温度极低时，由于沥青混合料的劲度很 高，疲劳破坏也不明显，因此沥青混合料的疲劳影响温度主要集中于中、 低温时。本课题选择的温度区段为- - 2 0 + 3 5 “ c 。 6 ) 试件成型 马歇尔标准击实正反7 5 次，直径1 0 1 6 o 7 5 m m ，高6 3 5 1 3 m m 。 1 4 沥青混合料温度穗定性与路面设- i t 3 1 2 试验设计 ( 1 ) 抗拉性能试验 分别进行一2 0 z ? 、一1 0 。c 、0 “ c 、2 0 。c 、3 0 。c 劈裂抗拉试验，加荷速率为 5 m m m i n ，试验方案采用公路工程沥青及沥青混合料试验规程 ( j t j 0 5 2 - - 2 0 0 0 ) 中的沥青混合料劈裂试验。 ( 2 ) 拉应力解析 如图3 3 所示，在圆柱体试件直径方向施加两个相对的正弦波重复茼 载时，使试件中心单元体在x x 和y y 方向承受二维交替变化的应力。 这两个方向所承受的拉应力水平，其弹性理论解己很明确，所需要的 试件中部承受的拉应力水平，对于加载宽条为1 2 7 m m ，其值为： r t 2 0 0 0 6 2 8 7 p t h( 3 一i 3 ) 式中： r t 一试件承受的间接拉应力值，m p a ： p 。一试验荷载的最大值，n ： h 一试件厚度，m m 。 图3 - 3 劈裂疲劳的力学模式 ( 3 ) 疲劳试验 平行试验：5 6 个应力水平： 加载方式：应力控制； 加载波形和频率：1 0 h z 连续式半正矢波： 1 5 如f 青混合料沮度穗定性与路面设计 应力比：0 5 ( 或0 9 ) 、0 6 、0 7 、0 8 ； 试验温度：2 0 、一1 0 、0 “ c 、2 0 、3 0 ； 主要试验设备：m t s 8 1o 2 2 t e s t s t a r “i i 型试验机。 疲劳试验采用的m t s 8 1 0 2 2 t e s t s t a r t “1 1 型试验机，是一种电液伺服材 料测试系统，可对各种无机、有机材料进行拉、压、弯、剪等多项力学性 能试验。本系统连同各种配套附件可进行材料疲劳、三轴、断裂韧性、裂 缝扩展等较复杂的试验，全部试验过程由计算机来控制。 试验过程如下： ( 1 ) 首先进入t e s t s t a r 程序，定义试验所需的各种参数通道，用t e s t w a r e 编制试验程序。 ( 2 ) 试验编制完成后，调试机器的反馈信号与程序中所定义的命令是 否一致，可用f u n c t i o ng e n e r a t o r 程序来进行监视，通过调节t e s t s t a r 中 t u r m i n g 命令的p i d f 值来使反馈与命令的一致。 ( 3 ) 上述调试工作正常后，可进行试验。操作顺序严格按照说明书来 执行。首先启动循环水系统和液压源电源，用p o d 面板来控制仪器。注意 h p s 和h s m 控制阀应严格按照由l o w ( 低) 到h i g h ( 高) 的顺序启动， 不得直接升到h i g h ( 高) 的位置。 ( 4 ) 安装试件，启动试验程序。在试验过程中应随机监视仪器的反馈 信息，并作好保护措施，出现紧急情况时，迅速按下机器上的“s t o p ”按钮， 此时试验会全部停止。 3 2 劈裂强度试验结果及分析 3 2 1 试验结果 沥青混合料马歇尔试件在一2 0 * ( 2 、1 0 “ c 、0 * c 、2 0 “ c 、3 0 “ c 五种温度下 的劈裂强度试验结果见表3 一l 。 1 6 一兰! 兰! 竺兰苎苎苎竺兰竺里兰兰一一 _ _ _ p _ - - - _ _ - _ 一。一 劈裂强度试验结果 表3 - l 温度高度h破坏荷载p 劈裂抗拉强度r m mk nm p a 6 4 3 l3 2 4 o3 1 6 7 6 3 4 73 5 20 3 4 9 0 3 0 3 4 303 4 6 3 7 33 5 20 3 4 7 2 6 2 8 l34 40 3 4 4 5 6 23 76 7 80 6 8 3 2 6 3 1 96 2 806 2 4 7 2 06 4 l0 6 4 6 41 36 4 90 6 3 5 9 6 4 3 46 1 l0 5 9 6 6 6 3 2 92 3 0 82 2 9 2 7 6 3 8 62 1 9 42 1 6 0 0 6 3 9 82 1 8 02 1 4 2 2 02 1 1 22 0 8 6 4 7 91 9 2 21 8 6 5 0 6 3 4 52 0 9 92 0 7 9 8 6 3 4 81 9 6 91 9 5 0 1 6 3 2 73 6 0 03 5 7 7 2 6 3 5 83 5 5 13 5 1 1 3 1 06 4 0 23 3 8 53 5 4 73 3 2 4 23 5 3 6 2 8 53 4 8 33 4 8 4 1 6 2 33 7 1 6 3 7 5 0 0 6 2 6 84 3 3 74 3 5 0 3 6 2 4 14 2 9 9 4 3 3 0 9 2 04 2 7 8 4 2 4 6 4 9 44 3 4 6 4 2 0 6 5 6 3 5 44 1 3 2 4 0 8 8 0 3 2 2 结果分析 沥青混合料劈裂强度与温度的关系见图3 - 4 。 由图3 4 可知，沥青混合料劈裂强度在一1 0 。c 3 0 。c 之间时，呈指数形 式变化，当温度降到一1 0 。c 时，有一个明显的拐点出现，然后曲线趋于平缓， 估计在更低温度下会有峰值出现。这说明沥青混合料此时已由常温时的弹 粘性体向脆性体转变，劈裂强度在一1 0 。c 左右时变化趋势有突变现象出现。 1 7 沥青混合率0 温度稳定d 由路面设计 舌 型 蕙 裂 蝥 u 、弋j i 弋 3 02 01 001 02 03 04 0 温度( ) 图3 - 4 劈裂强度与温度的关系 现将劈裂强度在一1 0 v - - 3 0 和一2 0 o 之间进行回归，如图3 - 5 、 3 - 6 所示： 暑 魁 鳗 裂 龄 1 iy = 2 0 1 9 9 e “0 5 8 6 n = 0 9 9 9 2 。 2 0 1 001 02 03 0 4 0 _ | 跛( ) 图3 - 5 3 0 o 劈裂强度与 温度关系曲线 5 菖4 专3 鬈z 婺- 0 、 、 y ：o 0 0 3 7 x 2 0 1 出x + 2 0 8 群= 1 - 3 02 0一1 001 0 温度( ) 图3 - 6 2 0 0 劈裂强度与 温度关系曲线 由回归方程可知，当温度低于0 时，劈裂强度与温度的关系曲线遵循 抛物线形式。从曲线的走势可以看出，劈裂强度存在最大值，在此通过对 回归曲线求导来求极值。 y ：_ 0 0 0 3 7 x 2 0 1 8 2 x + 2 0 8 ( 3 2 1 ) 对方程两边求导： y = - 0 0 0 7 4 x 一0 1 8 2 令y = 0 ，可得： x = - 2 4 6 沥青混合料沮度稳定性与路面设q t 本研究中所用的沥青混合料劈裂强度在一2 4 6 “ c 有峰值，这个峰值为 4 3 2 m p a 。 由以上分析可知，沥青混合料的劈裂强度随温度降低而增大，在- - 2 4 ，6 时达到峰值。这一现象可以解释为：沥青混合料是粘弹性材料，在高温 时以粘性为主，此时沥青混合料出现柔性破坏，中温时表现为粘弹性并存， 低温情况下则以弹性变形为主。随着温度的降低，沥青混合料的粘性不断 下降，弹性增加，因此沥青混合料的劈裂模量不断增大，其破坏强度也随 之上升；当温度降低到一定程度后，沥青混合料以弹性为主，模量仍会随 温度降低有一定的上升，但此时材料的脆性也在增加，当脆性占据主导地 位时，材料模量随之下降，这就导致了劈裂强度破坏峰值的出现。脆性破 坏的强度较峰值低，因此温度过低时沥青混合料不但变形恢复较差，强度 也会降低。 3 3 疲劳试验结果与分析 一2 0 、一i o 。c 、o 。c 、2 0 “ c 、3 0 。c 五种不同温度下的沥青混合料疲劳 试验结果见表3 - 2 。 与其它试验结果一样，沥青混合料的应力一疲劳寿命关系呈对数线形 关系，表现为以下形式： r ；k f 上1 ( 3 3 - 1 ) 。 l 仃r 式中：n ，一疲劳寿命； 盯，一施加的拉应力，n c m 2 ： 1 “ 1 一应力一疲劳寿命关系对数曲线的斜率； k 一应力疲劳寿命关系对数曲线的截距。 不同温度下的疲劳试验应力一疲劳寿命关系见图3 7 图3 1 2 。 1 9 兰! 兰! 兰兰墨苎奎竺竺里苎兰 沥青混合料疲劳试验结果表3 - 2 温度 应力比 施加应力 疲劳次数 平均 ( )m o a( 次) o 62 5 4 4 7 0 0 0 0 0 0 0 0 o 72 9 6 81 3 9 5 02 3 3 0 01 8 6 2 5 一2 0 0 833 9 25 9 0 02 5 9 03 7 5 03 1 7 0 0 93 8 1 68 8 09 5 01 2 0 01 0 1 0 o 517 6 55 6 4 0 01 9 9 0 06 8 0 0 04 8 1 0 0 o 62 1 1 81 0 6 0 09 7 0 06 1 0 07 9 0 0 1 0 o 72 4 7 12 3 5 02 0 5 04 1 0 02 1 0 0 2 6 5 0 o 82 8 2 41 0 5 0 6 5 01 4 5 01 0 5 0 o 510 44 9 3 5 04 7 6 0 04 8 4 7 5 o 61 2 4 81 4 8 2 01 4 0 5 08 4 6 01 2 4 4 3 0 o 71 4 5 62 8 5 04 7 0 04 5 0 04 0 1 7 o 81 6 6 41 4 2 0 2 1 5 01 7 5 01 7 7 3 0 50 3 21 5 6 5 01 0 0 5 01 3 4 0 01 3 0 3 3 o 60 3 8 44 4 5 04 0 0 05 5 0 0 4 6 5 0 2 0 0 70 4 4 81 7 5 02 5 5 03 0 0 02 4 3 3 0 80 5 1 21 4 5 01 3 0 01 2 7 01 3 4 0 0 5o 1 78 2 0 0 7 8 0 05 1 0 07 0 3 3 0 60 2 0 43 4 9 0 3 4 5 03 4 7 0 3 0 0 70 2 3 82 6 5 0 1 7 0 02 1 0 01 4 0 01 9 6 3 0 80 2 7 21 1 0 01 2 5 01 1 0 01 1 5 0 1 0 0 0 0 0 莒1 0 0 0 0 据 襄l t x ) o 1 0 0 、 y = 6 e + 0 9 x - 1 。5 9 2 彰= 0 9 9 9 9 应力( m p a ) 图3 7 - 2 0 “ c i i 青混合料疲劳双对数曲线 2 0 1 0 沥青涅合料温度羽l 定性与路面设计 _，_-_一一一一l o o 0 0 0 一 警1 0 0 0 0 据 豫 枨 1 0 0 0 攥 1 0 0 气 y = 5 e + 0 6 x “2 1 5 8 1 r 20 9 9 8 、 应力( m p b ) 图3 - 8 1 0 沥青混合料疲劳双对数曲线 1 0 0 0 0 0 据1 0 0 0 0 嘏 拣 葵 1 0 0 0 冬 y ：6 1 6 3 9 x - 7 0 8 7 3 ； r 2 = 0 9 9 8 3 - 。 。 应力( m p a ) 图3 - 9o 沥青混合料疲劳双对数曲线 据1 0 0 0 0 精 采 蝼 1 0 0 0 y = 5 1 8 5 1 x _ 7 镕 r 2 = 0 9 9 4 9 t 0 _ _ _ _ 0 1 应力( m p a ) 图3 - 1 0 2 0 沥青混合料双对数疲劳曲线 2 l 一 o ) 蠕变劲度可由下式计算求解： 晶。o ，r ) = o “ o e ( t ，t ) ( 5 - l 一2 ) 式中：s ( f ，r ) 温度t 下随时间增长的轴向应变。 通过直接在蠕变试验过程中测量试件的变形来获得。式中实际上已包 括了上述弹性、粘性和粘弹性三部分的综合影响，可满足工程应用的要求。 考虑到试验的简便性，采用单轴静载蠕变试验作为一种近似、实用的 试验手段。 5 2 沥青混合料蠕变试验方案设计 5 2 i 试件成型 根据公路工程沥青与沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 中的静压 兰! 兰! 竺兰墨兰苎竺兰兰!