（材料学专业论文）沥青混合料高温性能剪切破坏模量研究.pdf

摘要 车辙是沥青路面的主要病害形式，采用何种试验方法及指标能更有效的评价沥青 混合料的高温性能已成为亟需解决的问题。本文在分析各种试验方法及评价指标的基 础上，提出采用等速率轴向局部加载试验得到的剪切破坏模量指标来评价沥青混合料 高温性能。 针对影响沥青混合料高温性能的内在因素，本文主要从混合料的级配、油石比、 沥青类型、空隙率等方面分析了剪切破坏模量指标的变化规律。在此基础上进行了车 辙试验，通过车辙试验结果与等速率轴向局部加载试验结果的对比分析，认为，剪切 破坏模量与车辙动稳定度指标有着较好的相关性。剪切破坏模量作为评价沥青混合料 高温性能的力学指标是可行的。 介绍了影响剪切破坏模量因素的评价方法。通过计算沥青混合料马歇尔体积参数 的灰关联度，认为，空隙率、饱和度对剪切破坏模量的影响较大，并在此基础上建立 了模量的预估模型。方差和残差回归分析结果表明，该模型可以有效地评价沥青混合 料高温性能。 汇总全文的研究成果认为，剪切破坏模量作为评价高温性能的力学指标对指导沥 青混合料设计及性能预测有重要的现实意义。 关键词：沥青混合料、高温性能、轴向局部加载试验、车辙试验、剪切破坏模量 a b s t r a c t r u t t i n gh a sb e c o m et h ef i r s to n eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n td a m a g ep h e n o m e n o n w e m u s tt a k et h ea p p r o p r i a t et e s tm e t h o d sa n de v a l u a t i o ni n d e x e sa st h em o s te x i g e n tp r o b l e m t os o l v e t h i sp a p e rp r o p o s eu s i n gt h es h e a rf a i l u r em o d e lw h i c hw ec a nr e c e i v ef r o mt h e s e e ms p e e da x i a lp a r t i a ll o a d i n gt e s t st oe v a l u a t et h eh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo f a s p h a l tp a v e m e n to nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga l lk i n d so ft e s tm e t h o d sa n de v a l u a t i n gi n d e x s a g a i n s tt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fa s p h a l tm i x t u r e s ，t h ep a p e rm a i n l ya n a l y s i st h e c h a n g e so ft h es h e a rf a i l u r em o d u l ef r o mt h ea s p h a l tm i x t u r ep e r c e n t a g eo fv o i dv a r i e t y , t h e r a t i oa s p h a l ta n dd i f f e r e n tg r a d a t i o na n dd i f f e r e n tk i n d so fa s p h a l tr e s p e c t s t h e nc a r d e do n t h er u t t i n gt e s t s ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h er e s u l to fr u t t i n gt e s ta n dt h es e e ms p e e da x i a lp a r t i a l l o a d i n gt e s t s ，w ec o n s i d e rt h a tt h e r ee x i s t sg o o dr e l e v a n c eb e t w e e nt h es h e a rf a i l u r ei n d e x m o d u l ea n dr u td y n a m i cs t a b i l i t y t h es h e a rf a i l u r em o d u l ei ss u i t a b l et oe v a l u a t et h eh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tp a v e m e n t i n t r o d u c e dt h ee v a l u a t i n gm e t h o d so fi n f l u e n c em o d u l ef a c t o r sg r e yc o r r e l m i o n a n a l y s i si n d i c a t e st h a tv o l u m eo fa i rv o i d sa n dp e r c e n to ft h ev o i d si nm i n e r a la g g r e g a t ei s t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rf o rm o d u l e o nt h eb a s i so fa n a l y t i c a lr e s u l te s t a b l i s ht h es h e a r f a i l u r em o d u l ee s t i m a t i n gm o l d r e s i d u a lv a r i a n c ea n dr e g r e s s i o na n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t t h em o d u l ec a n e f f e c t i v e l ye v a l u a t et h eh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tp a v e m e n t c o l l e c t i n gt h er e s e a r c hf i n d i n g ，a st h em e c h a n i c a li n d e x ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt oa p p l y s h e a rf a i l u r em o d u l ed i r e c t i n gt h ed e s i g no ft h eh o tm i xa s p h a l ta n dp r e d i c t i n gp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：h o ta s p h a l tm i x t u r e ；h i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ；s e e ms p e e da x i a l p a r t i a ll o a d i n gt e s t s ；r u t t i n gt e s t ；s h e a rf a i l u r em o d u l e i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：习绽茂皂 年月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者虢融辽 铷一蹦 年月日 年月日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论弟一早 三百下匕 自本世纪以来我国高等级公路的出现和迅速发展，标志着现代化公路建设的开始， 为我国的经济发展打下了坚实的基础。二十世纪九十年代末期以来，国家加大了高速 公路网的规划和建设，我国高速公路通车里程进入了快速发展的阶段，到2 0 0 4 年底， 我国建成通车高速公路达到了3 万4 千多公里，位居世界第二。在高等级公路建设中， 沥青路面以其良好的平整度、舒适性和低噪音等性能而被广泛应用，据统计资料显示， 二级以上公路的高等级路面中，沥青路面所占的比例约为8 0 ，而且，随着沥青路面 技术的不断发展和进步，沥青路面在我国高等级公路建设中所占的比重将会越来越大。 沥青混合料作为一种典型的粘弹性材料，力学性质随温度的变化而变化，沥青路 面在不同的温度区间，会出现不同类型的路面病害。车辙等沥青路面的流动变形是国 际上最常见的沥青路面损坏现象，上世纪七十年代美国的调查表明：在州际和主要公 路上车辙所致的路面损害约占3 0 ；八十年代日本的调查表明：由于车辙所引起的路 面损害高达8 0 。 随着高速公路建设的不断发展和越来越多的高速公路投入运营，沥青路面高温性 能试验方法和设计指标的问题越来越引起国内外科研机构和有关高等院校的重视。8 0 年代末至今，我国一些新建和改进的沥青路面很多发生了严重的早期破坏现象，有的 使用2 3 年就开始明显破坏，尤其随着交通事业的迅猛发展，交通量迅速增加，重载 车辆在交通组成中的比重增加，车辆超载现象严重，致使一些路面使用质量和寿命达 不到应用的水平，路面早期破坏成为比较突出的问题，既影响了公路的交通运输，又 造成了巨大的经济损失。在现有施工水平下，如何通过改进路面设计方法和设计指标 来减少沥青路面早期破坏，使沥青路面的性能得以进一步发挥，成为国内外研究者们 关注的一个重要问题，而用于沥青路面设计和评价的指标众多，各国也不统一。因此， 有必要对沥青混合料高温性能的试验方法和评价指标进行进一步的研究，使之更准确 地反映沥青路面的路面性能。 目前沥青路面的设计方法是基于层状弹性理论基础上的耐久性设计方法。但研究 却表明，沥青混合料是一种对温度非常敏感性复合材料，高温时表现为粘性；低温时 表现为弹性，大多数时间内表现为粘弹性。因此，以层状弹性体系理论来设计沥青路 第一章绪论 面必然存在缺陷。而我国现行的规范的设计方法主要是马歇尔设计方法。马歇尔是一 种经验性的体积设计法，它是通过对稳定度一流值、密度一空隙率的分析，提出适合 的混合料配合比，但所用的强度表面理论无法解释沥青混合料复杂的粘弹性变化，且 该方法是通过体积指标的控制来实现对路用性能的控制，但由于体积指标不仅受测试 条件和计算方法的影响大，而且不能用来预测沥青混合料使用性能和寿命。更重要的 是，目前并没有研究表明体积指标与力学指标之间是否存在相关性，尤其对于稳定度 的指标和概念，在目前的所用研究中，还没有研究结果能够充分说明这个指标与路面 性能之间的确切关系。因此就造成材料选择一配合比设计一沥青混合料性能预测之间 相互割裂、彼此孤立，没有统一的主题和核心，不能进行综合设计。无法达到理想的 设计结果，这也是多年以来沥青混合料设计研究工作始终无法取得重大突破的主要原 因。 所以不断完善沥青混合料的设计方法成为世界各国道路研究者不懈的追求，从马 歇尔籼t m 法一s h r p 法体现出设计方法的不断改进与完善，反映了从基于经验判 断一试验分析一基于性能的设计原则和理念的变化，体现了设计方法的发展趋势。所 以良好的配合比设计应是以力学参数为设计基础的，且参数不仅可以用于沥青混合料 配合比设计，同时该参数也可以作为路面设计参数，并可作为沥青路面的车辙预估模 型的输入参数。 目前在沥青混合料设计中，附加有一些性能检验方法，但这些方法如车辙试验等 都需另行成型试件，且不能作为力学参数来用，不能直接用于沥青混合料配合比设计 当中，且各参数不能用于性能预测和沥青路面结构设计。但由于目前的设计方法大部 分仍采用马歇尔设计方法，因此，能否建立马歇尔体积指标、级配以及沥青胶浆与力 学指标之间的相关性也成为解决目前设计中不足的一种有效途径。 研究表明，等速率轴向局部加载试验所推荐的力学指标一模量与车辙试验的动稳 定度之间有着较好的相关性，可以有效的评价沥青混合料高温性能。与其它力学性能 试验相比其优点主要有：轴向局部加载试验在试件内所产生的剪应力与实际路面在 荷载作用下产生剪应力是一致的；由于压头直径小于试件直径，所以轴向局部加载 试验是一个有侧向约束力的试验，能反映沥青混合料高温抗剪性能；侧向约束力的 大小与沥青混合料的性能、加载速率有着密切的关系，换言之，侧向约束力的大小随 着试件的破坏形态和加载力的变化而变化，这与实际是相符合的；耗时较短、试验 简单、易于操作。 2 长安大学硕士学位论文 鉴于等速率轴向局部加载试验方法上述的优点，本文在探讨沥青混合料高温性能 试验方法和评价指标的基础上，对该试验方法所得到的模量指标展开大量试验研究， 建立模量指标与体积参数的相关性，结合沥青混合料模量指标的评价方法，给出模型 公式，通过车辙试验对该指标的有效性进行验证，为该指标的进一步推广应用奠定基 础。 因此，深入开展对沥青混合料高温性能的研究，不断完善沥青混合料高温性能评 价指标，对我国公路建设的发展具有重大的经济意义和现实意义。 1 2 国内外研究概况 2 0 世纪3 0 年代加州运输部道路材料和设计工程师开发了维姆沥青混合料设计方 法。维姆稳定度仪可测量在垂直荷载作用下混合料抗侧向流动的能力，维姆混合料设 计方法现仍在美国加州和西部地区应用，但国内应用的甚少。 马歇尔试验最早由b m a r s h a l l 提出，到2 0 世纪4 0 年代由负责设计机场路面沥青 混合料的美国陆军工程师团集体对马歇尔试验方法加以改进并添加了一些测试性能， 最终发展成为沥青混合料设计的试验方法。马歇尔混合料的主要特点，是密度一空隙 率分析和稳定度一流值试验。但大量研究却表明，马歇尔试验在评价路面高温稳定性 方面存在严重的局限性，多数国家研究发现，马歇尔方法设计的沥青混合料的稳定度 和流值指标与实际路面相关性并不好。一般来说，马歇尔稳定度高的沥青混合料其高 温稳定性也好。流值在一定程度上表示混合料的可塑性，流值小的混合料可塑性小， 流值大的可塑性大。但国内大量的路况调查表明，马歇尔稳定度与路面的车辙深度之 间并没有良好的相关关系，仅有高的马歇尔稳定度并不能保证沥青路面不产生车辙， 这就说明马歇尔稳定度并不能真正反映沥青混合料的高温稳定性。 车辙试验是一种模拟实际车轮荷载在路面上行走而形成车辙的工程试验方法。包 括室内往复车辙试验，旋转车辙试验，大型环道试验、直道试验、野外现场加速加载 试验等，这些试验最基本的和共同的原理就是通过采用车轮在板块状试件或路面结构 上反复行走，观察和检测试块或路面结构的响应，用动稳定度或车辙深度来表征试验 结果。最早的车辙试验机是由英国道路研究所( t i u 也) 开发的，以后法国道路与桥 梁研究中心( l c p c ) 和日本道路协会也相继进行了开发和研制，现在我国也已有国产 的轮辙试验机。由于试验方法本身比较简单，试验结果直观且与实际沥青路面的车辙 相关性甚好，因此在日本、欧洲、北美等国得到了广泛的应用。由于设备简单、原理 3 第一章绪论 直观，被许多国家所接受，但车辙试验仅是一种工程模拟，其评价指标一动稳定度是 一个经验性指标，不能给出材料的力学参数，也不能预估沥青混合料车辙变形的发展。 而且车辙试验的标准不统一，对普通沥青混合料和改性沥青混合料或改性沥青s m a 标准并不相同，这反映了指标意义不够明确、不够完善的一面。以变形曲线4 5 m i n 和 6 0 m i n 之间的斜率为依据的动稳定度，固然反映了h m a 抗车辙的性质，但并没有包 括永久变形从压密、剪切到流动的全过程，因此会出现虽然动稳定度值相同，但沥青 混合料永久变形却存在很大差异的现象【1 1 。因此，将动稳定度作为评价沥青混合料抵 抗高温变形能力的指标具有一定的局限性。虽然该指标可以用来验证其它参数评价沥 青混合料高温性能的有效性，然而却无法与马歇尔体积参数建立相关关系。 鉴于动稳定度指标评价沥青混合料高温性能的局限性，长安大学刘红瑛 4 1 等人通 过试验分析提出了采用相对变形率指标来评价沥青混合料高温性能，作者认为相对变 形率考虑了荷载作用期间形变发展全过程，因此它是一个更直接的评价指标，更具有 说服力。相对变形率指标是由法国和美国最早提出的，其意义为荷载作用下永久变形 与试件高度的比值，用百分率表示。法国在2 0 世纪9 0 年代规定轮辙试验永久变形的 两个等级如下：等级2 ：作用3 0 0 0 次，相对变形率兰1 5 ；等级3 ：作用1 0 0 0 0 次， 相对变形率三1 5 ，等级3 常用于高交通量水平的道路。 国内杜顺成、戴经梁【3 】通过比较分析沥青混合料永久变形各种试验方法和评价指 标的优缺点，指出目前用动稳定度指标存在的不足，并基于压实理论分析，提出一种 新的评价指标一综合稳定指数，该指标综合考虑了压实过渡期和压实稳定期的变形， 作者认为能更好地评价沥青混合料的高温稳定性。 长安大学陈忠达 2 1 等人通过研究发现，动稳定度指标不能反映混合料在整个使用 过程中的抗永久变形能力。针对这一缺陷，提出了动抗压强度指标。认为动抗压强度 指标能较好地反映工程实际中车辙的形成规律，可以有效地提高对沥青混合料高温性 能评价的区分率。 s u p e r p a v e 沥青混合料设计和性能分析方法是美国s h r p 研究计划的主要产品之 一。但由于使用性能模型和试验方法本身存在的局限性，美国各州并没有完全采用 s u p e r p a v e 设计方法，而是采用了其中较成熟的沥青p g 等级规范和沥青混合料的体积 设计方法。实际上，沥青混合料s u p e r p a v e 体积设计方法是一种经验法，仍无法避免 体积设计方法的缺陷，配比设计中没有力学指标，因而无法用于预测沥青混合料的性 能，也无法进行沥青路面结构与材料的综合设计。且初期并没有进行任何力学性能的 4 长安大学硕士学位论文 试验来评价沥青混合料抵抗各种损坏( 如车辙) 的能力。特别是当美国根据体积设计 法设计的w e s t r a c k 和其它的试验路段出现早期损坏后，单独采用体积法设计沥青混合 料的有效性和实用性受到了广泛置疑【5 ，6 1 。 1 9 6 0 年以前，采用力学指标评价沥青混合料高温性能的问题研究很少，当时美国 采用的路面设计方法是使用经验方法来估计路面的抗剪切性能，通过c b r 值来反映土 基是否发生整体性剪切破坏。 2 0 世纪9 0 年代初李一鸣、俞建荣等人结合“七五 国家重点项目“单家寺稠油 沥青混合料抗车辙能力及变形规律 运用力学的观点分析了车辙的形成机理，并提出 采用横向流动动力参数k 积分来反映沥青混合料抵抗高温变形的能力【l5 1 。 简单性能试验( s p t ) 是美国s h r p 第二期研究计划的重点，要求通过s p t 能测 试出评价沥青混合料高温性能的力学参数，同时还可以将该参数应用到沥青路面预估 模型当中。研究人员经过仔细地筛选、大量的室内试验研究并根据美国3 个大规模的 野外试验路段和加速路面试验的验证，推荐了三种评价沥青混合料永久变形特性的简 单性能试验：动态模量( e 枣) 试验、蠕变试验和重复加载永久变形试验。其相应的评 价指标分别为：e * s i n 8 、流动时间f t 、流动荷载作用次数f n 。并将己知其路用性能的 沥青混合料对动态模量试验和重复加载永久变形试验及其相应的指标进行了初步验 证。试验采用现场取芯的试件经过加热重塑后得到，研究发现，采用动态模量试验和 重复加载永久变形试验及其相应的指标都可以有效地区分沥青混合料抵抗高温变形的 能力。但由于此研究所采用的是常规的沥青混合料( a c 2 0 ) ，并没有涉及任何改性沥 青以及新型沥青混合料( 如s m a ) ，而且并没有进一步验证得到的力学指标与体积参 数之间是否存在相关性。因此，对这些新的简单性能试验和指标的研究工作还需要继 续【5 】o 车辙可以看作是剪应力作用下沥青混合料塑性流动的结果，控制路面结构的剪切 特性是十分必要的，然而考虑混合料的抗剪切特性，在当前混合料的设计和路面结构 设计中很少应用。剪切破坏主要是沥青混合料的高温稳定性不足，在荷载作用下产生 永久变形和剪切推移，致使路面出现车辙和拥包等现象。因此，作为一项混合料的重 要指标越来越受到人们的重视。从二十世纪三十年代开始到五六十年代，许多研究者 对其进行了大量研究，其中比较有代表性的为n o r m a nw m c l e o d t 3 1 】。n o r m a nw m c l e o d 详细阐述了已有试验方法和设计方法中存在的不足，指出马歇尔设计方法不足以描述 路面的实际受力状态如剪切强度和其它的基本物理性能，也不能表明道路实际的使用 5 第一章绪论 性能。利用经验的设计方法容易出现设计标准过高或过低的情况，标准过高会造成经 济上的浪费；过低则会造成道路的强度不足，从而出现道路的早期损坏。 n o r m a nw m c l e o d 从以下三个方法进行了系统的研究：静载作用下的路面抗剪 稳定度；考虑轮胎内力分布时的路面抗剪稳定度；考虑刹车以及车辆加载时的有 水平剪应力条件下的路面抗剪稳定度。在后来的研究中n o r m a nw m c l e o d 还给出了基 于曲线包络线的路面抗剪设计方法，使试验数据更加符合道路的实际受力状态。应该 说，在当时条件下，n o r m a nw m c l e o d 是第一个系统研究道路抗剪设计的人，他提出 的这种设计方法在后来的科研人员中产生了重要的影响，但由于该设计方法涉及的未 知参数太多，在设计中很难进行操作，对所存在的不可知因素很难有一个定量的把握， 因此，在后来的道路设计中未能得到推广和应用。 1 9 9 6 年西安公路交通大学延西利【7 】等人通过简单的抗压试验对沥青混合料的内在 参数c 、值进行了研究。 长沙理工大学的张起森、谢泽华【1 1 】等人对沥青混合料三轴剪切试验进行了详细的 研究和分析，使人们对三轴试验有了进一步的了解，但由于仪器价格昂贵、不易携 带、操作困难；试验方法复杂、耗时较长、对操作人员技术水平要求较高；没有 形成统一的标准。因此所得抗剪参数c 、指标并没有在以后的设计和施工控制中得 到广泛的应用和推广。 同济大学毕玉峰采用单轴贯入法进行了沥青混合料的抗剪研究，作者建立了单轴贯 入的试验模型，验证了该模型的可行性，并采用该方法对不同级配、不同类型的混合料、 不同沥青对抗剪性能进行了分析和比较。另外，结合三维有限元的力学分析，利用三轴 贯入的试验结果，提出了相应的抗剪参数诺模图【5 0 1 。单轴贯入试验的发明是沥青混合料 抗剪切性能试验方法的一大进步，不仅在理论上分析上得出其受力状态和沥青路面受力 状态相似，而且此试验方法可以用来区分不同沥青混合料的高温抗剪性能。但是毕玉峰 等人并未对单轴贯入试验的试验条件进行深入的研究，只是根据以往的经验在给定的条 件下进行试验。因此存在一定的局限性。 长安大学武斌在单轴贯入试验的基础上，针对其试验的不足之处，对不同规格压头 下试件内部的剪应力分布情况进行了有限元力学分析，结果表明，不同规格压头下的应 力分布与路面的实际受力状态一致，并与车辙试验进行了相关性分析，提出了合适的压 头规格。通过对试验的温度、加载速率等因素的分析，确定了合适的试验条件，在此基 础上提出了等速率轴向局部加载试验。得到的剪切破坏模量与车辙试验的动稳定度有 6 长安大学硕士学位论文 着较好的相关性，认为可以有效地评价沥青混合料的高温稳定性。 通过对国内外研究成果的概述，可以看出，目前评价沥青混合料高温性能的指标 正由经验性指标向力学指标过渡。并且已成为当前研究的热点问题。 1 3 主要研究内容 本文采用s g c 方式成型的圆柱形试件，进行等速率轴向局部加载试验，研究沥青 混合料的级配、胶浆以及油石比对剪切破坏模量的影响，推荐适合于我国现状的沥青 混合料高温性能的力学参数，以完善沥青混合料设计方法。主要研究内容如下： ( 1 ) 沥青混合料高温性能试验方法和评价指标研究 分析车辙的影响因素，评述国内外沥青混合料高温性能试验方法和指标，在此基 础上，采用等速率轴向局部加载试验方法进行沥青混合料高温性能试验研究。 ( 2 ) 沥青混合料高温性能剪切破坏模量影响因素研究 采用确定的试验条件，对不同沥青、级配、油石比的试件进行等速率轴向局部加 载试验，分析各因素对剪切破坏模量的影响，为建立它们之间的相关关系提供数据支 持。 ( 3 ) 沥青混合料高温车辙试验研究， 6 0 条件下，对不同沥青、级配、油石比的试件进行车辙试验，分析动稳定度d s 与等速率轴向局部加载试验得到的剪切破坏模量之间的相关性，验证该指标用来评价 沥青混合料高温性能的可行性。 ( 4 ) 沥青混合料高温性能剪切破坏模量影响因素的评价方法研究 采用级配形状、级配指数评价方法，结合体积参数的灰关联法对各影响因素做了 分析，为建立剪切破坏模量的多元性线性回归模型提供参考。 7 第二章试验研究方案与原材料技术性能 第二章试验研究方案与原材料技术性能 2 1 研究方案 2 1 1 具体研究方法 沥青混合料的高温性能评价方法与指标很多，本文采用确定的试验方法一等速率 轴向局部加载试验所推荐的力学指标一模量来评价沥青混合料高温抗车辙性能。主要 从以下几个方面进行研究： 分析影响沥青混合料高温性能的因素，并对现行的沥青混合料高温性能的试验 方法及指标进行对比分析，提出本研究的试验方法及评价指标； 选用a c 1 3 、a c 1 6 、a c 2 0 三种沥青混合料类型，分别采用基质和改性两种 沥青进行等速率轴向局部加载试验。试验温度为：6 0 ，加载速率：5 0 m m m i n ； 采用s g c 方式成型直径为15 0 r a m 的圆柱形试件，根据公路工程沥青及沥青 混合料试验规程( j t g 0 5 2 2 0 0 0 ) 测试试件的毛体积相对密度并计算体积参数，确 定各混合料不同级配下的最佳沥青用量。 分析沥青类型、体积参数、级配对评价沥青混合料高温性能剪切破坏模量的影 响； 建立车辙试验结果与模量指标的相关关系，验证该指标评价沥青混合料高温抗 车辙性能的可行性。 结合影响剪切破坏模量因素的评价方法，建立模量指标的多元线性回归模型。 2 1 2 试验方案 在本文的研究中主要进行以下几个方面的试验： ( 1 ) 原材料性质试验 集料的物理力学指标测试 包括：视密度、毛体积密度、磨光值、磨耗值、冲击压碎值、针片状含量等。 沥青结合料测试指标 包括：针入度、1 5 延度、5 延度、软化点、含蜡量、密度、溶解度、闪点等。 ( 2 ) 沥青混合料试验 马歇尔试验 8 长安大学硕士学位论文 旋转压实试验 等速率轴向局部加载试验 车辙试验 2 2 原材料技术性能 2 2 1 沥青 本研究针对课题所在地区常用的沥青种类和标号，选择一种基质沥青和一种s b s 成品改性沥青进行试验，沥青的基本技术指标试验主要参考公路工程沥青及沥青混 合料试验规程( 2 0 0 0 1 0 0 1 实施) ( j t g 0 5 2 2 0 0 0 ) 进行，按照规范要求测试相应技 术参数，试验结果如表2 1 。 表2 1 沥青基本指标 试验项目 单位中海3 6 1 s k s b s 密度( 1 5 。c ) g c m 3 1 0 0 4 81 0 3 1 针入度( 2 5 。c ，5 s ，1 0 0 9 ) 1 1 0 m m8 66 9 软化点( 环球法) 4 5 57 5 延度( 1 5 ，改性沥青5 。c ， c m 1 5 04 2 5 c m m i n ) 闪点2 7 22 9 8 针入度指数p i 值 0 9 9 10 0 3 2 质量损失 0 0 40 0 8 薄膜加热 试验( 1 6 3 针入度比 7 6 36 5 ，5 h )延度( 1 5 ，改性沥青5 。c ， c m 1 5 02 3 5 c m m i n ) 根据试验所测的数据，中海3 6 1 9 0 4 基质沥青能满足2 0 0 5 版公路沥青路面施工 技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 中相应重交通沥青的技术指标要求。s b s 改性沥青各项指 标均达到公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 中改性沥青i 弋沥青的规 定要求。 2 2 2 粗、细集料和矿粉 粗、细集料及矿粉试验结果如表2 2 2 4 所示。 9 第= 章试验研究方案与原材料技术性能 表2 2 细集科爰矿糟试验结果 粒径( m m )矿粉0 1 5 m3o6 - 1 1 8 视密度( 酢m 3 ) 27 0 428 3 428 0 027 9 12 7 8 827 9 8 衰2 3 粗集料试麓结果 粒径o n m ) 95 1 321 60 1 90 l 毛体积密度( 酢m 3 ) 2 6 8 227 0 9 视密度( g k m 3 ) 27 5 227 5 428 2 5 2 3 沥青混合料试验 2 3 1 旋转压实试验 目前s u p e r p a v e 旋转压实成型试件的方法在美国等一些欧美国家已经得到了广泛 的应用，由于其能更好的模拟现场路面的实际情况已经被国内大多数单位所接受。由 于其成型的试件可以直接用来进行轴向局部加载试验，故本研究采用旋转压实成型试 件的方法来确定沥青最佳油石比并将成型的试件用于到后序试验中，可节省工作量， 避免浪费。本文采用t r o x l e r 4 1 4 0 型旋转压实仪( 如图2 2 所示) 成型试件。 图2 1s g c 成型示意圈 长安丈学颈学位论文 圉2 2t r o f f e r 4 1 4 0 壅旋转压宴仅 旋转压实仪通过旋转的滚轴对试件的揉搓作用来模拟汽车在沥青路面上行驶时轮 胎对路面的作用效果。根据交通量等级确定设计压实次数n 曲和最大压实次数n 一， 在设定的工作条件( 垂直压力6 0 0 k p a ，旋转角度12 5 度，旋转速度3 0 r p m ，如图2l 所示) 和设计压实次数n d 。下，通过对混合科的反复揉搓作用成型试件。本文拟采用 相同的设计压实次数即n d 。= 1 0 0 次。 试验采用的级配分别为a c 一1 3 、a c - 1 6 、a c - 2 0 在每种级配里面选用三种级配曲 线其所用的矿质集料的组成及级配曲线图如表25 以7 和图2 3 25 所示。 衰2 5a c - 1 3 麓配 a 童 筛孔献 级配范围中值级配“s ”级配下限级配 1 0 0 9 0 1 0 0 9 56 6 8 8 57 65 5 34 0 3 0 1 94 03 1 0 第二章试验研究方案与原材料技术性能 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 o 0 0 7 50 1 50 3o 61 1 82 3 64 7 59 51 3 21 6 筛孔尺寸( m m ) 图2 3a c 1 3 各级配曲线 表2 6a c 1 6 级配 。一va。c16 级配范围中值级配 “s ”级配 下限级配 7 ，pj u ，、j、 1 91 0 01 0 0 1 0 01 0 0 1 69 0 1 0 09 59 6 59 2 1 3 27 6 9 2 8 48 97 9 9 56 0 8 07 07 56 3 4 7 53 4 6 24 84 83 7 2 1 3 62 0 4 83 4 3 02 2 l 。1 81 3 3 62 4 。52 21 5 o 69 2 61 7 51 61 l o 37 1 81 2 5 1 1 8 0 1 55 1 49 586 0 0 7 54 8655 1 2 )糌落n 长安大学硕士学位论文 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 l o o o 1 o 1 。l l _ 一 0 0 7 50 1 5 0 30 61 182 3 64 7 59 51 3 21 61 9 筛孔尺寸( r a m ) 图2 4a c 1 6 各级配曲线 表2 7a c 2 0 级配 a c 一2 0 级配范围中值级配“s ”级配 下限级配 筛孔尺寻 2 6 51 0 01 0 0 1 0 01 0 0 1 99 0 1 0 0 9 59 9 29 2 5 1 67 8 9 28 59 0 28 0 6 1 3 26 2 8 0 7 17 66 6 3 9 55 0 7 26 16 2 25 3 4 7 52 6 5 6 4 13 7 2 8 8 2 3 61 6 - 4 4 3 02 6 7 1 7 9 1 1 81 2 3 32 2 51 8 31 3 4 0 68 2 4 1 6 1 2 69 5 0 35 1 71 l8 17 1 0 1 54 1 3 8 5 5 95 5 0 0 7 53 7 5 0 5 04 3 1 3 弓杯趟鳕 第二章试验研究方案与原材料技术性能 2 32 车辙试验 田2 5a c - 2 0 蕾配曲拽 由于马歇尔稳定度和流值与路面长期使用性能相关性不大，因此国内外多采用车 辙试验来评价沥青路面的高温性能，并作为沥青混合料配合比设计的一项内容。车辙 试验方法最初是由英国运输与遒路研究所( t r r l ) 开发的，由于试验方法本身比较 简单，试验结果直观且与实际路面的车辙相关性甚好，因此得到了广泛的应用。 圈2 6 车鞭 鸫嘏 车辙试验是一种模拟实际车轮荷载在路面上行走而形成车辙的工程试验方法目 戮固 曩酬重 长安大学硕士学位论文 前被认为是最能反映沥青路面实际抗车辙能力的方法。按照沥青混合料车辙试验规程 测试沥青混合料的高温性能，试验步骤如下： 按照研究所需的沥青用量轮碾形成法制作规格为3 0 0 m m * 3 0 0 m m * 5 0 m m 车辙 板，连同试模一起在常温条件下放置至少1 2 h ( 改性沥青2 4 h ) 。 将试件连同试模一起置于已达到试验温度6 0 1 车辙试验机的试验台上至 少5 h 。启动试验机，试验机记录仪将自动记录变形曲线及试件温度，车辙试验通 常进行6 0 m i n 或最大变形达到2 5 m m 为止。 车辙试验机可以自动绘制变形曲线。如图2 7 所示： 囊 暑 映 斟 ， 时目( m in ) 图2 7 车辙试验自动记录的试验曲线 评价指标动稳定度d s ( 次r a m ) 按式2 1 计算： d s ：g 坐c 1 c ， d 2 一d l 1 ( 2 1 ) 式中：d s 一沥青混合料的动稳定度( 次吼) ； 4 一对应于时间t l 的变形量，l l l l n ； 破一对应于时间t 2 的变形量，m m ； c l 一试验机类型修正系数，曲柄连杆驱动试件的变速行走方式为1 0 ，链 驱动试验轮的等速方式为1 5 ； c 2 试件系数，试验室制备的宽3 0 0 m m 的试件为1 0 ，从路面切割的宽 1 5 0 m m 的试件为0 8 ； 1 5 第= 章试验研究方案与原村料技术性能 n 一试验轮往返碾压速度，通常为4 2b t x m i n 。 2 33 等速率轴向局部加载试验 等速率轴向局部加载试验是一种新评价沥青混合料高温性能的试验方法，该试验 的优点在于围压状态由混合科自身提供，可随应力、温度和混合料破坏程度的变化而 变化。 本文对s g c 成型后的不同级配、沥青、油石比的试件通过m t s 试验机进行试验 以分析不同影响因素对力学指标的变化规律。其施加荷载的压头形状经过有限元分析 后确定如图2 8 所示： 田2 8 麓加荷藏的压头 试验条件： 采用的试验温度为：6 0 ( 2 ，水浴中保温一个小时后放入环境保温箱( 6 0 1 2 ) l o 分钟后开始试验； 荷载加载速率：5 0 r m n m i n ； 试件尺寸：采用直径1 5 0 m m 的圆柱体试件，s g c 方式成型。 试验开始前，将试验所需要的试件放在规定的恒温水浴中保温1 小时，与此同时， 将环境箱的温度也升之到规定温度6 0 c ，在试件放入环境箱底座之前，将预先准备好 的聚四氟乙烯薄膜放入环境箱底座上，以减少试件和底座之间的摩擦，消除其对试验 结果的影响，通过数据采集系统调整压头与试件上表面的距离使之尽量接触，为了减 少在此过程中对试件温度的影响，等一切准备工作完成之后，将环境箱室门封闭，再 保温1 0 分钟后开始试验。 1 6 长安大学硬学位论文 圈2 9 聚四氟乙爝薄膜 m t s 试验机分为加载和测量两个系统，是力学试验中重要的试验设备。它可以测出 材料的各种性能参数，根据所需铡量的参数，应用现代先进的检测技术，对其参数实现 了在线检测，并对采集的数据进行了实时处理。其加载和数据采集系统如图21 0 所示。 该仪器可以进行疲劳寿命研究、裂纹扩展和断裂力学研究、拉伸，压缩和弯曲试验 以及沥青混台料，土壤和岩土力学试验。并且m t s 8 1 0 材料试验机与同类产品相比具有 以下的优点： ( 1 ) 灵活性：无论是研究新材料的断裂力学性能，复合材料的压缩特性，；还是仅 仅进行常规试验，m t s 8 1 0 材料试验系统均可满足需求。 ( 2 ) 软件和附件：m t s 8 1 0 材料测试系统提供大量适用特别要求的软件选项。此外， m t s 也提供极其丰富的附件来为试验量身定制试验系统。 ( 3 ) 精确性：集成化作动缸，大刚度小质量横梁与经特殊设计的力传感器相结合， 使系统具备极佳的轴向和侧向刚度。高精度加工立柱，原厂装配和激光对中保证了载荷 框架同轴精确度。精加工作动缸活塞杆和集成式装配进一步确保了同轴度。 第三章剪切破坏模量的影响因素研究 第三章剪切破坏模量的影响因素研究 沥青混合料是一种粘弹性材料，研究表明，沥青混合料的粘聚力与内摩擦角决定 着其高温性能的好坏，而内摩擦角取决于混合料的矿料级配、颗粒形状、表面特征及 沥青膜厚度；粘聚力则取决于沥青的性能及沥青与矿料的相互作用。由此可见，混合 料的内在因素对其高温性能起着决定性作用。有研究认为，矿料级配、沥青、集料性 质等内在因素对沥青混合料高温性能的影响变化趋势可归纳为表3 1 。 表3 1 影响高温性能的内在因素 影响因素因素变化 高温性能 表面纹理光滑一粗糙增加 集料形状圆一角砾增加 尺寸最大粒径增加增加 劲度增加增加 结合料用量增加减小 粘度 增加增加 空隙率增加减小 踢掰 增加减小 混合料作用次数增加减小 温度增加减小 湿度增加一般减小 课题组武斌对等速率轴向局部加载试验中得到的剪切破坏模量与动稳定度进行了 相关性分析，其相关系数r 2 达到0 8 以上。认为剪切破坏模量值越大，其抵抗高温变 形的能力越强，反之，则越弱。由于剪切破坏模量综合考虑了荷载和位移两方面的变 化规律，在一定程度上反映了混合料抵抗变形的能力，因此可以用该试验推荐出的指 标一剪切破坏模量来评价沥青混合料的高温性能。为了进一步验证该指标评价沥青混 合料高温性能的有效性，明确该指标对各种因素的变化规律，本文针对a c 类的沥青 混合料进行了大量试验，分析各因素对剪切破坏模量的影响。 影响沥青混合料剪切破坏模量的内在因素主要包括沥青混合料的类型、矿料级配、 沥青种类、以及沥青用量和材料。从这几个方面考虑，为了更好的反映剪切破坏模量 随各影响因素变化的规律性，本章主要从以下几个方面进行分析： ( 1 ) 最大公称粒径的影响： ( 2 ) 级配曲线走向的影响； ( 3 ) 油石比的影响； 1 8 长安大学硕士学位论文 ( 4 ) 沥青类型的影响； 3 1 级配对沥青混合料剪切破坏模量的影响 矿料级配决定了矿料颗粒间嵌挤力的大小及混合料密实程度，对沥青混合料的抗 剪切强度影响很大。车辙试验结果表明，不同级配间的沥青混合料其高温稳定性有着 较大的差别。矿料级配中粗粗、粗细、细细颗粒之间的组成结构及排列方式影响着 混合料的高温性能。粗集料间的合理构成决定了混合料嵌挤结构的形式，对沥青混合 料抵抗高温变形的能力起至关重要的作用。粗细的合理搭配使得混合料具有良好的力 学性能，保证了所形成的嵌挤结构具有高的稳定性，细细的合理设计不仅起到稳定和 填充集料骨架的作用而且保证混合料具有一定的空隙率。 目前，常涉及的三种沥青混合料结构形式为：a ) 悬浮密实结构：b ) 骨架空隙 结构；c ) 密实骨架结构，如图3 1 所示。 图3 1 三种典型沥青混合料结构组成示意图 s h r p 研究表明，通常情况下，合理的密级配混合料的高温稳定性要优于间断级 配混合料( s m a 除外) 。形成骨架结构的级配受温度变化影响较小，有较好的抗车辙 能力，而悬浮型结构抗车辙能力较差。 本节采用a c 1 3 、a c 1 6 、a c 2 0 进行等速率轴向局部加载试验研究最大公称粒 径及级配曲线对剪切破坏模量指标的影响。其试件的破坏形