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摘要 沥青混合料高温变形规律及试验方法研究 摘要 研究生：张裕卿 导师：黄晓明 ( 东南大学交通学院江苏南京2 1 0 0 9 6 ) 车辙已经成为目前高等级沥青路面的主要病害之一。本文的主要目的是研究不同类 型沥青混合料永久变形随温度、偏应力和侧向约束应力水平而变化的规律：设计更加合 理的试验方法，并由此得到更加准确的参数，为路面车辙计算和预估提供服务。 为达到此目的，本文首先依据符合实际路面受力状态的原则，从目前常用的试验方 法中优选出三轴重复荷载永久变形试验并设计了合理的试验参数。然后对a c 2 0 a ，a c 2 0 b ( 不同级配) 和s m a l 3 沥青混合料进行了试验和分析；并采用三阶段变形分别描述的 经验性模型以及本文所推导的力学模型详细研究了沥青混合料的高温变形规律。 然后，为克服三轴试验的缺点，即其侧向约束力无法模拟实际路面中随温度、应力 和混合料破坏程度而变化；采用对圆柱形试件端面局部加载的思想设计了一种新的研究 沥青混合料高温变形规律的试验方法一局部三轴重复加载永久变形试验。通过有限元 计算出合理的试件、压盘及底座的尺寸，以满足压盘下部混合料应力均匀且四周的混合 料可以提供足够的侧向约束力。利用所设计的新试验对三种沥青混合料进行了试验，并 与三轴试验结果进行了对比分析。 接着利用三轴试验和局部三轴试验的结果分别回归出a b a q u s 有限元中蠕变模型 参数，然后对实际车辙试验建模并计算出车辙，通过与实际车辙试验结果对比，分析了 沥青混合料的高温变形规律以及两种试验方法的准确性。 通过试验和有限元计算均发现，温度、应力和侧向应力水平均对沥青混合料变形有 不同的显著影响，且随混合料类型而不同。高温与重载对沥青混合料永久变形有相互促 进作用：高围压有利于沥青混合料抵抗永久变形。本文所采用的经验性模型及所推导的 力学模型均可以较好地描述沥青混合料高温变形规律，推荐用于评价沥青混合料抗变形 性能的首选指标是变形稳定期应变率c 值，其次是迁移期应变率b 值和流动次数h 值。 三轴试验应力状态明确，但其采用固定的围压是不合理的。试验和有限元计算均证 明，局部三轴试验在继承了三轴试验优点基础上，考虑了围压的变化，因而所得参数的 规律性、稳定性和准确性更好，且试验方法简单；因此，局部三轴试验可以代替三轴试 验作为一种评价沥青混合料高温流动变形特性的试验方法，并得到力学分析和数值计算 所需的参数。利用a b a q u s 有限元模拟试验是可行的，其中的蠕变模型可以较好地描述 沥青混合料迁移期和稳定期的变形特性。 关键词：沥青混合料，变形，高温，三轴重复荷载永久变形试验，蠕变模型，局部加载， 数值模拟 a b s n a c t r e s e a r c ho nd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r sa n de x p e r i m e n tm e t h o do f a s p h a l tm i x t u r e si nh i g ht e m p e r a t u r e a b s t r a c t r u t t i n gh a sa l r e a d yb e e no n eo ft h em a i nd i s t r e s s e so fa s p h a l tp a v e m e n ti nh i g h w a y a p r i m a r yo b j e c t i v eo ft h i sr e s e a r c hw a st oi n v e s t i g a t et h ed e f o r m a t i o np r o p e r t i e so fd i f f e r e n t t y p e so fa s p h a l tm i x t u r e sw i t ht h ec h a n g e so ft e m p e r a t u r el e v e l s ，d e v i a t o rs t r e s sl e v e l sa n d c o n f i n i n gs t r e s sl e v e l s am o r er a t i o n a le x p e r i m e n tw a sd e s i g n e dt oo b t a i nm o r ea c c u r a t e p a r a m e t e r sa n dp r o v i d es e r v i c ef o rt h ec a l c u l a t i o na n dp r e d i c t i o no fr o t t i n gi np a v e m e n t i no r d e rt oa c h i e v et h ea i m s ，t r i a x i a lr e p e a t e dl o a dp e r m a n e n td e f o r m a t i o nt e s t ( 刀配刀w a s s e l e c t e db yt h ep r i n c i p l e so fs i m u l a t i n gt h ea c t u a lp a v e m e n tc o n d i t i o n sa n dt h er a t i o n a l p a r a m e t e r so ft h i s t e s tw e r ea l s op l a n e e d e x p e r i m e n t sa n da n a l y s i sw e r ec a r r i e do a to l l a c 2 0 a ，a c 2 0 b ( g r a d a t i o nw a sd i f f e r e n t ) a n ds m a l 3a s p h a l tm i x t u r e s a n dt h e na l le m p i r i c a l m o d e lo ft h r e es t a g e sa n dap r o p o s e dm e c h a n i s t i cm o d e lw e l ee m p l o y e dt oe v a l u a t et h e d e f o r m a t i o np r o p e r t i e so fa s p h a l tm i x t u r e si nd e t a i l c o n s i d e r i n gt h ec o n f i n i n gs t r e s so ft r i a x i a l t e s tc o u l dn o ts h i f tw i t ht h ec h a n g e so f t e m p e r a t u r e ，s t r e s sa n ds t a t eo fa s p h a l tm i x t u r e s ，an e we x p e r i m e n tn a m e da f t e rp a r t l y r e p e a t e dl o a d e dt r i a x i a lt e s t ( p r l t ) w a sa d v a n c e dt os t u d yt h ed e f o r m a t i o no fa s p h a l t m i x t u r e s ，i nw h i c hl o a dw a sa p p l i e do nal o c a la r e ao ft h et o po fc y l i n d r i c a ls p e c i m e n r e a s o n a b l ed i m e n s i o no ft h es p e c i m e na n dl o a d i n gp l a t e nw e r ec a l c u l a t e db yf i n i t ee l e m e n t m e t h o di no r d e rt om a k es u r et h es t r e s su n d e rt h el o a d i n gp l a t e nw a su n i f o r ma n dt h e s u r r o u n d i n ga s p h a l tm i x t u r ec o u l dp r o v i d ee n o u g hc o n f i n i n gs t r e s s t h e nt h r e et y p e so f a s p h a l tm i x t u r e sw e r ee x p e r i m e n t e dw i t h t h et e s to fp e l t , a n dt h er e s u l t sw e r ea l s o c o m p a r e d w i t h t h a t o f t r l t t e s t s f i n a l l y , p a r a m e t e r so f c r e e pm o d e li na b a q u sf i n i t ee l e m e n tw e r er e g r e s s e db yt h er e s u l t so f t r l t sa n dp r l t sr e s p e c t i v e l y t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fr o t t i n gt e s tw a sf o r m e dt o c a l c u l a t em to fd i f f e r e n tt y p e so fa s p h a l tm i x t u r e s a n dt h e nt h ec a l c u l a t e dm tw a gc o m p a r e d w i t ht h ed e f o r m a t i o no fr u t t i n gt e s t s 幻v a l i d a t et h ev e r a c i t yo ft h ep a r a m e t e r sf r o mr e s u l t so f t h et w ot e s i s e x p e r i m e n t sr e s u l t sa n dt h ec a l c u l a t e dv a l u eb yf i n i t ee l e m e n ti n d i c a t e dt h a tt e m p e r a t u r e ， d e v i a t o rs t r e s sa n dc o n f i n i n gs t r e s sl e v e l sh a dag r e a te f f e c to nt h ed e f o r m a t i o no fa s p h a l t m i x t u r e s ，w h i c hc h a n g e dd e p e n d i n go nt h et y p e so fa s p h a l tm i x t u r e s t h ec o n t r i b u t i o nt o p e r m a n e n td e f o r m a t i o no fh i g ht e m p e r a t u r ea n dh e a v yl o a dw a sp r o m o t e db ye a c ho t h e r h i g hc o n f i n i n gs t r e s sl e v e lw a so fg r e a tb e n e f i tt ot h er e s i s t a n c et op e r m a n e n td e f o r m a t i o no f a s p h a l tm i x t u r e s b o t he m p i r i c a lm o d e la n dm e c h a n i s t i cm o d e ld e s c r i b e dt h ed e f o r m a t i o no f a s p h a l t m i x t u r e sp e r f e c t l y t h eb e s ti n d e xw h i c hw a sr e c o m m e n d e dt oe v a l u a t et h e d e f o r m a t i o np e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e sw a st h es t r a i ns l o p ei nt h es e c o n d a r ys t a g e ( 0 ； r a n k e ds e c o n dw e r es t r a i ns l o p ei nt h ep r i m a r ys t a g e ( b ) a n df l o wn u m b e rf n t h ec o n s t a n tc o n f i n i n gs t r e s so ft r l tw a sp r o v e du n r e a s o n a b l ea l t h o u g hi t ss t r e s ss t a t ew a s c l e a r p r l tn o to n l yi n h e r i t e dt h ec h a r a c t e r so ft r l t , b u ta l s oc o n s i d e r e dt h ec h a n g e so f c o n f i n i n gs f f e s s p a r a m e t e r sf r o mp r l tw e r ei d e n t i f i e dm o l es t a b l ea n da c c u r a t et h a nt h a to f t r l t i na d d i t i o n ，p r l tw a ss i m p l e rt h a nt r l ls op r l tc o u l db er e c o g n i z e da sag o o dt e s t t or e s e a r c ht h ed e f o r m a t i o no fa s p h a l tm i x t u r e sa n do b t a i n e dt h ep a r a m e t e r sw h i c hw e r eu s e d i nm e c h a n i s t i ca n a l y s i sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n i tw a sp r o v e dt h a tt e s t sc o u l db es i m u l a t e d b ya b a q u $ f i i f i t ee l e m e n ta n dt h ec r e e pm o d e lc o u l dd e s c r i b et h ed e f o r m a t i o ni np r i m a r y a n ds e c o n d a r ys t a g e so fa s p h a l tm i x t u r e s k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e s ，d e f o r m a t i o n ，h i g ht e m p e r a t u r e ，t r i a x i a lr e p e a t e dl o a d p e r m a n e n td e f o r m a t i o nt e s t ，c r e e pm o d e l ，p a r t l yl o a d e d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：脚师签些日期：2 掣 i 1 研究的意义 第一章绪论 随着交通事业的发展，道路使用者对路面结构的使用性能要求越来越高：而目前高等级公路的 车辆重型化和交通渠化特点十分明显，导致车辙已经成为沥青路面最主要的病害之一。在国外，7 d 年代末美国各州公路局曾作过调查统计，在被调查的私条主要公路中有j 3 条公路的破坏是由车辙 引起的，占调查总数的2 9 5 ；2 0 世纪9 d 年代日本道路公团对其承建和管理的高速公路沥青路面 结构的现状进行了一次较为全面的调查与分析，结果发现养护维修中约8 0 是因为车辙变形。车辙 的严重危害性表现在：( 1 ) 车辙发生处沥青层厚度减薄，削弱了沥青面层和路面结构的整体强度， 极易引起开裂等病害：( 2 ) 路面的竖向变形影响了平整度，进而影响了行车安全性和舒适性：( 3 ) 车辙 辙槽内容易积水，易引起车辆的漂滑，降低了路面的抗滑能力：( 4 ) 车辙维修困难，因为车辙往往不 仅发生在表面层，也经常危及中下面层。综上各种严重危害，故而车辙问题已经成为道路工作者的 关注所在。 改革开放以来，我国国民经济得到了快速增长，尤其是上世纪9 d 年代以来，我国建设了大量的 高等级公路，沥青面层被越来越多地应用在高等级公路的结构中。虽然我国的公路科技人员对沥青 混合料的高温特性也进行了大量试验研究并取得了许多有价值的研究成果。但从总体上来说，我国 高速公路沥青路面仍然会出现比较严重的车辙，一般使用5 8 年甚至更短就需要进行大修，严重影 响了道路使用。其中一个客观原因是我国气候条件恶劣，夏季高温多雨，导致车辙可以在短时间内 大量出现。另一方面原因是近年来公路交通龟的急遽增长及渠化交通的形成、汽车轴载的不断增大 及重载、超载现象屡禁不止，我国高速公路沥青路面的车辙破坏越来越严重，其中车辙即为一主要 因素。 沥青混合料是一种粘弹性材料，其物理力学性能与温度及荷载作用时间等因素密切相关。一方 面，当气温高于2 5 q dr ，即沥青路面的路表温度达到4 d 口卯p 以上，高于道路沥青的软化点 温度时，在交通荷载反复作用下沥青混合料会产生显著的变形，其中不能恢复的部分将成为永久变 形：另一方面，根据沥青材料的时温换算法则，长时间承受荷载与高温的作用是等效的，因此荷载 的长期累积作用同样会造成混合料的严重变形。鉴于沥青混合料固有的粘弹性以及影响沥青路面高 温特性因素的多样性，车辙的成因非常复杂。因此沥青混合料永久变形问题得到了世界各国公路技 术人员的关注，车辙研究也成为当前沥青路面的一个热门问题 鉴于车辙危害的严重性和沥青混合料高温变形规律的复杂性，研究沥青混凝土在高温、重载下 的流动变形特性是成为了研究车辙的必要内容，这对于沥青路面设计与养护以及研究车辙形成及车 辙预测都有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 通过分析总结国内外对沥青混合料在高温变形规律以及相应试验方法的研究情况，发现已有研 究中的可取及不足之处，希望取其精华，去其糟粕，得到更加优秀的试验方法和更加明确沥青混合 料高温变形规律。 1 2 1 沥青混合料高温变形试验方法 可以用于研究沥青混合料高温变形性能的试验方法有很多，总体上可以分为室内试验和室外试 验两类。室内试验包括圆柱形试件的单轴静载、动载、重复荷载试验，三轴静载、动载、重复荷载 试验，简单剪切的静载、动载、重复荷载试验。还有棱柱的梁试件的弯曲蠕变试验，小型模拟试验 有车辙试验，大型的模拟试验有大型环道、直道试验等。室外试验主要指现场试验路的真实交通荷 载试验以及室外试验路面的加速车辙试验等“。各种沥青混合料高温稳定性试验方法的比较及其 优缺点列于表i - i 。 东南大学硕士学位论文 表卜i 研究沥青混合料高温流变特性试验方法比较罔f 7 】 现场 简单 试验方法试件形状测量特性优缺点 模拟性 单轴静态( 蠕蠕变模量时间； 1 广泛应用； 2 设备简单，容易推广： 变)应变时间 3 应力状态包含剪切分量； 圆柱试件 回弹模量； 1 较好表达交通条件； 由l o o m m2 设备比较复杂； 单轴重复永久变形； 差简单 f 1 2 0 0 m m ： 泊松比： 3 荷载波形和频率对测量值有较 轴向加载； 大影响； 动力模量； l 可测定不同温度时作为频率函 单轴动态 阻尼比，泊松比：永 数的阻尼比 久变形： 三轴静态( 有 蠕变模量时问；l 多种应力状态，应力状态包 侧限蠕变) 应变时间；含剪切分量，较好表达交通条 圆柱试件 回弹模量、永久变 件： 三轴重复形、周期、泊松比；2 设备比较复杂，要求三轴室； 较复 由l o o m m 较好 杂 h 2 0 0 m m 动力模量阻尼比 l 可测定不同温度时作为频率函 三轴动态 数的阻尼比； 泊松比永久变形 2 数据使用众说纷纭： 棱柱形；测量试件挠度计算 1 高温试验要求试验和检测设备 弯曲蠕变 差简单 恒载f 蠕变；蠕变参数有较高的分辨率 l 试验简单； 标准马歇尔马歇尔稳定度； 2 稳定度与路面车辙量相关性较 马歇尔试验 差； 极差简单 试件 流值 3 对骨料嵌挤型的混合科无法进 行试验，试件泡水即散； 板 l 模拟现场应力状态较好； 3 0 0 m m x 荷载作用次数变 2 设备精度要求不高： 车辙试验 3 与实际车辙深度相关性好；好 一般 3 0 0 m m 形： h 5 0 m m 4 不能测得材料基本性质：不能 用于路面设计； 1 能够真实模拟路面状况； 大型环道、直 足尺寸 荷载作用次数变 2 试验条件可以控制，因素单一， 十分 道试验形：便于分析； 好 复杂 3 试验成本大，周期长； 反映沥青混合料特性并与路面在不同程度交通和气候环境下的破坏高度相关的试验方法及参数，即 简单性能试验( s p t s ) l ”，其中个主要部分是研究车辙的室内试验，其本质上就是研究沥青混合 料在高温下流动变形特性。最后优选出来的试验方法和参数以及它们的优缺点汇总如表1 - 2 。 2 第一章绪论 表1 - 2 优选的研究永久变形的试验方法( s it s ) 的优缺点 试验试验条模 类型 参数r 2 s e s y 优点缺点 件 型 正弦荷 幂 l 与a a s h t 0 2 0 0 2 设计 1 需钻芯取样； e 车 载 函 0 9 l0 3 l 指南有直接联系； 2 测试系统要能测量高温 三轴 s i n e 5 4 4 数 2 可用于结构分析； 下的小变形 动态 5 h z 3 可建立标准； 3 可能由于l v d t 的安装 模量引起小问题 4 不必研究主曲线，只 试验正弦荷 幂 要在有效温度f 评价： 4 需进一步研究开级配混 动态模载 函0 7 9o 5 2 5 可以与w i t c z a k 的回 合料在有侧限试验的精确 量45 4 4 数归公式建立联系。 性： 5 h z 5 有侧限试验结果较差。 无侧限 幂 1 或许在建立标准方面有 静态5 4 4 函0 9 l0 3 2 31 试验设备简单t难度： 三轴流变时 数 2 费用较省；2 需钻芯取样； 3 有侧限试验的车辙与 3 开级配混合料( s m a ) 试 蠕变间厅 幂实际路面车辙相关性验需要有侧限条件： 试验有侧限 5 4 a 函o 8 70 3 8 8最好。 4 或许不能模拟现场动态 数 特性。 无侧限 幂 1 需要钻芯取样 函 o 9 00 3 5 9 5 4 4 i 较好地模拟现场情况2 建立设计标准时困难 数 ( 尤其是有侧限)3 开级配混合料( s m a ) 试 f m 三轴 有侧限 幂 2 该试验参数有多种用验需要有侧限条件 重复 5 4 4 函0 7 5 0 5 2 0 途 4 有侧限条件增加了试验 荷载 数 的复杂性 永久 l 较好地模拟现场情况 变形 无侧限线 0 8 60 4 1 0 ( 尤其是有侧限) l 需要钻芯取样 试验 t p n = 5 4 4 性 2 开级配混合料( s m a ) 试 2 0 0 0 2 该试验参数有多种用 验需要有侧限条件 ( 或斜途 率) 有侧限 线 o 7 60 5 5 2 3 与f n 相比，建立指南 3 有侧限条件增加了试验 的复杂性 5 4 4 性 可能更容易些 y e n = 线 0 7 5o 5 5 0 重复 1 0 0 0 恒高度 性 1 可以测试现场的芯样 l 制定指南困难 剪切 5 4 4 2 原始的s p t 2 原理并不是以2 0 0 2 设计 试验 f = 1 0 3 已有较多经验( 现有 y p n =1 5 p s i 线 o 8 8o 3 9 2 标准t a i 、c l m ) 指南的结构模型为基础 1 0 0 0 性 l 在2 0 0 2 设计指南中无法 使用g ： 动态 g 或 5 4 4 幂2 需钻芯取样： 剪切 g + 1 0 0 “微 函 0 7 90 5 2 l 可以测试现场取得的 模量应变 数 试件 3 在5 4 4 下，控制系统 问题会导致较小的g t 的 试验 s i l l 西 5 h z 值； 4 试验边界条件不明确。 3 东南大学硕士学位论文 另外n c h r p 中还涉及了其他的一些试验方法，如准直接剪切试验、超声波试验和三轴剪切强 度试验等，利用以上试验方法，对各种沥青混合料和实际路面钻芯取样进行试验，为了选择出可以 用于研究沥青混合料抗车辙和流变特性的试验方法，依据以下几个原则进行优选： 啼试验参数区分不同性能的沥青混合料的可靠性； 夸试验的可重复性以及试验参数对不同混合料类型的敏感性； 专试验程序的复杂性以及试验设备和准备过程的费用； 咖 完成整个试验过程所需时间的多少： 专试验操作人员所必需的技术水平或经验程度。 n c h r p 让研究人员依据以上原则分析试验统计结果并结合自己的试验经验，从优到劣按j 6 对各种试验方法进行打分选择出最优的试验方法和参数。 最后在2 0 0 0 年n c h r p 会议上，三轴动态模量试验( e * s i n 币) 、静态三轴蠕变试验( 一) 和三 轴重复荷载永久变形试验( ，k ) 被选择出作为研究评价热拌沥青混合料( h m a ) 抗车辙性能的推荐 方法；其中动态模量参数已经被用于a a s h t 0 2 0 0 2 设计指南中的路面设计，静态三轴蠕变试验和三 轴重复荷载永久变形试验的参数一和n 是评价和研究沥青混合料抗车辙性能的重要指标，三轴重 复荷载永久变形试验的永久变形岛是研究流变特性的重要参数。 以上国内外各种研究沥青混合料高温变形规律的试验方法都有各自优缺点，每一种试验方法的 适用性也不同。因此，为得到更加准确的试验方法，需要对现有的试验方法进行优选，并对相应的 试验条件参数进行设计，如此才能得到准确体现混合料高温变形规律的试验结果。 1 2 2 沥青混合料高温变形试验条件 试验方法的不同主要体现在试验参数的不同，包括试件形状与尺寸、荷载条件、边界条件以及 温度条件等：这些条件都会或多或少地影响沥青混合料流变性能，进而影响试验方法的准确性。 ( 1 ) 试件的形状与尺寸 使用最多的试件形状是棱柱体和圆柱体。棱柱体试件主要用于弯曲蠕变试验中，其只能模拟沥 青混合料单向受力的状态，国外的研究使用不多，而主要使用圆柱体试件，因为其可以看成是三向 受力状态。理想的试件尺寸是能够准确反映沥青混合料特性并且试件尺寸和集料粒径对其没有影响 的最小试件尺寸。经验一般认为对于像沥青混合料这种复合材料最小试件尺寸应当是最大粒径的4 6 倍，当能够模拟实际路面压实或直接从路面钻芯取样时，该倍数可以减小到3 。v o nq u i n t u s 等人建 议对钻芯试件的最小尺寸为公称最大粒径的2 倍，对室内压实试件为4 倍。c h e h a b 等人建议使用 旋转压实的试件尺寸为中l o o x h l 5 0 m m ，因为试件沿高度有最小的空隙率变异性9 。 试件尺寸的另外一个重要指标是高径比( 试件高度与试件直径之比) ，经验认为单轴试验高径比 取2 ，v o nq u i n t u s 等人建议”j ，如果试件两端是无摩擦情况，高径比可取j 。k a m i le l i a sk a l i u 如经 过研究认为”】，对于公称最大粒径不超过3 2 5 m m 的混合料，能够准确描述混合料整个流动变形过程 的试件尺寸是，最小直径为l o o m m ，最小高径比为5 。 ( 2 ) 试验的荷载及温度条件 荷载条件包括预加应力和所施加的总应力水平：对于动荷载，还有荷载的波形；另外荷载条件 还应包括有无围压以及围压的应力水平，即是单轴还是三轴加载。 为了使试验机压头与试件端面的接触良好，避免加载时对试件的冲击以及卸载时压头与试件脱 空，以及防止偏心荷载，通常要对试件施加预加荷载，以便在整个蠕变试验过程中压头对试件均 保持一定的荷载水平。壳牌法的静载蠕变试验中建议的预载水平为2 y o 、即2 k p a 。一般预载应力水 平高，相应的蠕变劲度就大，这是由于施加较高的预载时，使试件的初始永久变形在预载下即己全 部完成或部分完成。使得施加试验荷载时，试件的后期蠕变变形相应减小，因而蠕变劲度增大1 7 。 由于试验设备等因素的限制，目前国内大多数研究试验都是在无围压状态下进行，在无侧限蠕 变试验中，欧洲标准是施加轴向应力1 5 p s i ( 1 p s i = 6 8 9 4 6 k p a ) 温度为8 6 1 0 4 。f ( p - - - - 5 9 x ( 。f - 3 2 ) ) ， 美国一般取轴向压力1 5 3 0 p s i ，温度为1 0 4o f ( 4 0 r ) ：在有侧限的蠕变试验中，一般取围压5 - 3 0 p s i ， 轴向压力为3 0 8 0 p s i 。为了真实地模拟交通和环境状况，b r o w n 建议无侧限蠕变试验轴向应力为 1 2 0 p s i ( 0 8 2 7 m p a ) ，温度为1 4 0 。f ( 6 0 e ) ：对于有侧限试验，围压应力取2 0 p s i ，轴向应力取1 2 0 p s i ： 对于这些理想的试验条件，无侧限试验在大多数情况下都会由于试件较快的破坏而无法测得结果， 而有侧限的试验却能顺利进行，因此b r o w n 建议使用有侧限条件的试验方法”。 对于动态试验，m o n i s m i t h 在7 0 年代首先进行了动态重复荷载研究变形试验；接着v a t c z a k 等人 4 第一章绪论 的动态试验分别取温度1 0 1 7 f 或，3 乍，无侧限压力为，d ，2 d 和3 0 p s i ，半正弦波荷载频率i h z ( o 1 s 加载，0 g s 间歇) ，共进行j 小时约1 0 0 0 0 次循环”1 。b r o w n 和c o o p e r 用来各种的围压水平进行重复 荷载试验”i ，最后建议的围压水平为1 4 4 p s i ( i o o k p a ) ，温度为1 0 4 0 f ( 4 0r ) ：并且b r o w n 和c o o p e r 认为，无侧限的动态试验无法得到混合料真实的性能。 对于有无侧限的条件，k a m i le l i a sk a l i u s h , 研究认为”，对于骨架型的混合料，例如s m a ，如果 用无侧限的试验，有可能将其抗变形能量归为差的一类，而实际在路面中，由于有侧向约束，可以 很好的发挥s m a 骨架作用其抗车辙性能较好，即对于骨架型混合料最好使用有侧限的试验方法； 而对于其他类型的混合料，也宜使用有侧限条件，一方面因为有侧限的室内试验回归结果与实际路 面回归值更接近；另一方面，有围压的试验比没有围压的试验对混合料空隙率更敏感，这或许意味 着无侧限试验不能真实反映材料特性。所以，k a m i l e l i a sk a l i u s h 认为有侧限的重复荷载永久变形试 验是模拟实际路醢的比较好的试验方法。 ( 3 ) 试验的时间因素 对于在高温和高应力水平下的沥青混合料，其粘性表现明显，因而，沥青混合料的各项性能与 时间有密切的关系。在动态荷载试验中，时间因素主要体现在荷载作用时间( 或荷载频率) 和荷载 间歇时间上。 荷载作用时间主要与车速、路面结构层厚度有关。b a r k s d a l e ( 1 9 7 1 ) 根据a a s h o 试验路所测 的竖向应力脉冲，在考虑惯性和粘性作用后，建立了荷载作用时间与汽车行驶速度及路面深度的关 系图，如图1 1 。b r o w n ( 1 9 7 3 ) 根据沥青层不同深度处竖向和水平向应力的平均脉冲时间，得到了 沥青层加载时间与车速和层厚的函数关系，其值比b a r k s d a l e 所得值略小。 1 0 箨t b | j o 1 o o l ：阜逮矿 ，一一j，= l m p ： 一 i 一一一一- _ _ ， _ j 一一 一矿= i5 m j ) 1 1 - 一一 _ ，一：= 二 一i 二一3 0 m p h - _ ， 己，一一- - 一 ；= 1：y 。吁“p h ； 一一一，! ：=一：= _ = 二： 一一 _ _ ，一 一一 正荻 1 三角形 麝以下探度( i n ) 图1 1 半正弦波或三角波加载应力脉冲作用时问 l i n = 2 5 4 m m ，l m p h = 1 6 k m h ( 引自b a r k s d a l e1 9 7 1 ) 例如，沥青层中间厚度点确定应力作用时间，对6 i n ( 1 5 2 4 c m ) 厚的路面，取中点7 6 m m 处为 计算点，车速为6 4 k m h ，由图1 可得半正弦波荷载竖向应力脉冲时间为0 0 2 8 s 。 y a n ghh u a n g 在论著中认为f l q ，荷载作用时间取决于车速s 和轮胎接触面积半径a 。合理的假 设是，当荷载离某点的距离为缸时，认为荷载对该点没有影响，即荷载作用时间d 可以用下式计算。 d ：1 2 a s 例如，s = 6 4 k m h ，双轮荷载等效为单圆荷载的半径为o 1 5 1 m ，则d = o 1 0 2 s 。y a n g 且h u a n g 认 为，由于车速变化很大，且在设计阶段路面深度也是未知的，建议采用历时o 1 s 和间歇0 9 s 的半正 弦荷载作为动态试验的加载模式。 时间对材料性能的具体影响规律一般认为车速越慢，荷载作用时间越长，沥青路面产生的车辙 量越大。在a a s h t 0 2 0 0 2 中对此进行过简单的研究，图1 2 显示了车速与沥青层车辙的关系。从图 中可见，由于车速的增加，车辆荷载作用于路面的时间减小，因此车辙量减小，这与一般的认识相 一致；从图中也可以看出，当车速高于一定值后，从此图确定为车速高于4 5 m p h ( 约7 2 k m h ) 后， 车辙量基本保持不变。 5 东南大学硕士学位论文 到_ 喊d t r a c k ：翱，_ 伸a c 黜柚叼 o1 0邓40 5 0 加 t t d k s p 一佃州 图1 - 2 车辆速度对沥青层车辙的影响( 引自a a s h 丁d 2 0 0 2 设计指南) 荷载间歇时间是动态试验中另一个重要的时间参数，间歇时间是两次荷载作用周期问的间歇时 间，可以理解为路面上，某一点依次通过两辆车的时间间隔。它与行车速度、车头间距等因素有关 系。对于高温重载下的沥青混合料，其粘塑性表现明显，间歇时间的长短严重影响试件的变形恢复 的程度，因而，对材科的性能有影响。但是，关于此方面的具体影响规律研究甚少。 ( 4 ) 试验的边界条件 边界条件主要是指试件两端是否进行了端面处理，即试验压头对试件两端是否有摩擦约束作用。 p a g e n 进行的广泛的研究发现，在完全约束的情况下，试件变形随试件高度的增加而增加，即蠕变 劲度在减小；从国内试验也发现，试件端部进行处理减小摩擦力后，比端部有约束的试件的沥青混 合料的蠕变劲度要大，试验精度也高。一般的端部光滑处理通常是在切割、磨光后再采用涂硅油、 石墨粉混合荆的方法进一步减小摩阻力。另外也有采用在试件端部垫聚四氟乙烯薄膜以减小摩阻力 的方法，试验结果表明，两种试件端面润滑处理方法的效果基本相同，而且采用较厚的聚四氟乙烯 薄膜的效果更好些j 。 总是，试验中的温度、荷载、时间和试件尺寸等参数对沥青混合科变形规律有极大的影响，需 要根据实际路面沥青混合料的受力状态去设计试验，否则无法得到正确的沥青混合料性能规律。 1 2 3 沥青混合料高温流动变形规律 一般认为，沥青混合料是一种典型的弹、粘、塑性综合体，在低温小变形范围内接近线弹性体， 在高温大变形活动范围内表现为粘塑性体，而在通常温度的过渡范围内则为一般粘弹性体。粘弹塑 性沥青混合料的力学特征主要表现在以下四个方面： ( 1 ) 沥青混合料的力学特性与加载速度有关：随加载速度的增加，材料的强度与刚度均会增大； ( 2 ) 沥青混合料的力学特性对温度十分敏感：随着温度的升高，材料的物理特征表现为变软，强 度与刚度变小。 ( 3 ) 沥青混合料具有十分明显的蠕变与应力松弛现象。 ( 4 ) 沥青混合料具有应力运动强化特征，当其加载到一定次数后，会在某一方向上的强度( 如抗 压) 增大，但总是以相反方向上的强度( 如抗拉) 的减小为补偿，即材料会达到塑性极限，产生塑 性变形。 基于以上几点认识，在分析沥青混合料高温流动变形特征时，可以注意以下几点：可以认为 沥青混合料兼具有虎克弹性体、牛顿粘性流体和理想塑性体的多重性质；沥青混合料的力学性质 均可作为温度和时间的函数表示：将沥青混合料的力学性质作为“某一条件下的响应”是比较合 理的，即各个参数都是条件参数。 典型的沥青混合料在荷载作用下高温蠕变曲线规律如图1 - 3 所示，可以将其变形分为三个阶段： 6 盯 刚 一j一呈io 第一章绪论 图1 3 沥青混合料蠕变曲线 第一阶段：迁移期，蠕变变形在瞬间迅速增大，但应变速率随时间迅速减小； 第二阶段：稳定期，蠕变变形呈直线形稳定增长，应变速率保持稳定，这是线性永久变形阶段； 第三阶段：破坏期，蠕变变形和应变速率均急剧增大，直至破坏。口“泸推荐的参数流变时间 n 即是利用静态三轴蠕变试验做出如图1 3 所示的曲线，取其中的t 2 时间。 在较低的应力水平下，材料主要表现出第一和第二阶段，蠕变变形速率逐渐减小至零而总应变 达到一定值；在较高的应力水平下，第二阶段的蠕变变形速率可能逐渐减小至零，也有可能增大， 即发展到第三阶段。 相应于实际新建路面车辙的形成过程，也可以分为三个阶段，图l _ 4 是在美国w e x t r a c k 试验路 上实测的车辙深度与累计当量标准轴次( e s a l ) 的关系图。在开放交通初期，在车辆荷载作用下，混 合料被压密，其变形有一个迅速增加的过程：但变形速率迅速下降，这与蠕变迁移期相对应：通车 一段时间之后，车辙变形速率趋于稳定，这表明沥青混合料对变形的“抗力”越来越大，此即所谓 的“固结”效应”“，这一时期对应于蠕变稳定期；到路面使用后期，达到一定的标准轴次。路面车 辙处的结构虽然抗压强度增大，但是抗拉强度减小，因此辙槽处路面极易开裂破坏，最终导致其变 形迅速增加，对应于蠕变试验的破坏期。 0 一一0 0 一 0。0 ，一。l o 一 ； o 。 p f 一 e s 虬i ，矿 图1 4 现场车辙深度与累计当量标准轴次( e s a l ) 关系，w e s t r a c k s e c t i o n 2 3 无论室内蠕变试验还是野外的车辙变形过程都可以描述为上面图1 - 3 和图l - 4 中的三个阶段，美 国州际公路工作者协会( a 跗7 口2 0 d 2 ) 设计指南中提出的永久变形预测即是基于此现象，它认为 沥青混合料塑性应变可以认为是温度和轴载次数的函数m l ，并表示如下： p 卫= 4 r6 ，(1-2) 式中：删次轴载下的永久应变 7 东南大学硕士学位论文 旷回弹麻变，是混合料特性、温度和荷载时间的函数 ，_ 轴载作用次数 t 一路面温度 皿抚c 一非线性回归系数 为了更明确沥青混合料高温流变中变形的组成，可以进行蠕变恢复试验，其应力、应变和时间 的关系曲线如图l - 5 ： t o = o t l t 图l - 5 蠕变恢复试验典型的应力、应变和时间的关系曲线 其中： p 。弹性应变，与时间无关，立刻恢复； f 。一塑性应变，与时间无关，不可恢复： f 。一粘弹性应变，与时间有关，缓慢恢复； f 。一粘塑性应变，与时间有关，不可恢复。 由此可见，沥青混合料的总应变可由两部分组成【l4 j ：可恢复的瞬时弹性应变和粘弹性应变： 不可恢复的纯粘性流动应变和塑性应变。