（道路与铁道工程专业论文）沥青混合料抗剪性能影响因素及剪切疲劳试验研究.pdf

摘要 摘要 随着重载和轮胎压力的与日俱增 沥青路面的早期损坏日益严重 与之息 息相关的沥青混合料抗剪性能越来越引起人们的重视 剪切性能是沥青混合料 最基本的力学性能 然而在以往的混合料设计方法中没有得到足够的重视 本 文对沥青混合料的抗剪性能影响因素和剪切疲劳试验做了研究 首先 论文详细介绍了一种新的用于评价沥青混合料抗剪性能的试验方法 单轴贯入法 对该方法的可行性 试验条件的确定以及试验数据的处理方 法进行了分析和阐述 其次 从材料 混合料的级配和体积参数以及温度等方面入手 对影响沥 青混合料抗剪性能的各种因素进行了分析 研究表明 1 集料性质尤其是针片状含量显著地来影响混合料的抗剪性能 应该提高 对集料针片状颗粒含量的限制 2 沥青种类不同 抗剪性能也发生变化 对于密级配 粘度大 高温稳定 性好的沥青会增加混合料的抗剪强度 沥青的粘聚力起主导作用 对于 开级配 沥青的作用降低 混合料的抗剪强度不规则变化 最大剪应力 处的变形值和沥青的粘温性质有良好的相关性 3 混合料的抗剪性能可以很好地评价原材料的品质 进行抗剪性能研究十 分必要 4 级配显著影响混合料的抗剪性能 在不产生离析的情况下 粗集料的增 加会使抗剪强度增大 5 不同沥青用量的抗剪试验表明 传统的马歇尔试验确定的最佳油量偏大 将导致混合料抗剪性能的降低 6 在3 0 6 0 范围内 混合料的抗剪指标和温度有着良好的线性关系 随着温度的增加抗剪性能降低 7 采用水中重法测定混合料的空隙率指标稳定程度优于表干法 空隙率指 标对混合料的抗剪性能影响很大 进行抗剪试验应保证空隙率波动不大 然后 本文对沥青混合料的剪切疲劳试验进行了研究 通过不同荷载作用 下的剪切疲劳试验 回归得到了几种形式的混合料剪切疲劳方程 对路面的剪 切疲劳破坏进行初步的预估 分析了温度 荷载频率和作用时间以及材料等因 摘要 素对剪切疲劳的影响 阐述了沥青混合料剪切疲劳变形的三阶段规律 给出了 模型 说明沥青混合料的剪切疲劳性能可以很好的反映路面的实际状况 最后 对进一步工作的方向进行了简要的讨论 关键词 沥青混合料 抗剪性能 单轴贯入 影响因素 剪切疲劳 i i a b s t r a c t ab s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gt r u c ka n dt i r e p r e s s u r e p r e m a t u r ed a m a g e so na s p h a l t p a v e m e n t sa r ei n c r e a s e db a d l ya n ds h e a rp r o p e r t i e so fb i t u m i n o u sm i x e s w h i c ha r e c l o s e l yb o u n du pw i t hd a m a g e s h a v eb e e nam a j o rc o n c e r n a sam o s tb a s i c m e c h a n i c a lp r o p e r t y s h e a r i n gw a sg i v e nl i t t l er e g a r di nt r a d i t i o n a lp a v e m e n td e s i g n t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e di n f l u e n c ef a c t o r sa n df a t i g u ee x p e r i m e n ta b o u ts h e a r p r o p e r t i e so fa s p h a l tm i x t u r e s f i r s t l y a san e ww a yt oe v a l u a t es h e a rp r o p e r t i e so fm i x t u r e s t h es i n g l e p e n e t r a t i o nt e s tw a si n t r o d u c e dt e r s e l ya n di t sf e a s i b i l i t y e x p e r i m e n tc o n d i t i o na n d a n a l y t i cm e t h o do f t e s td a t aw e r ee x p a t i a t e d s e c o n d l y s t a r t e dw i t hm a t e r i a l st y p e g r a d a t i o n v o l u m e t r i cp a r a m e t e r sa n d t e m p e r a t u r e t h ep a p e ra n a l y z e ds o m ei n f l u e n c ef a c t o r se f f e c t i n gm i x t u r e s s h e a r p r o p e r t i e s t h em a i nr e s u l t so ft h i st h e s i si n c l u d e d 1 p r o p e r t i e so fa g g r e g a t e s t h ec o n t e n to ff l a ta n de l o n g a t e dp a r t i c l e s e f f e c t m i x t u r e s s h e a ri n t e n s i t ye v i d e n t l y t h er e s t r i c t i o no ff l a ta n de l o n g a t e dp a r t i c l e sm u s t b ee l e v a t e dt om a k es u r eo fs h e a rp r o p e r t i e so fm i x t u r e s 2 m i x t u r e s s h e a rp r o p e r t i e sa r ec h a n g e dw i t hd i f f e r e n ta s p h a l t f o rd e n s i t y g r a d i n g a s p h a l tw i t hh i g hv i s c o s i t ya n dw e l ls t a b i l i t yu n d e rh i g ht e m p e r a t u r ew i l l i n c r e a s em i x t u r e s s h e a ri n t e n s i t ya n dc o h e s i o no fa s p h a l ti sd o m i n a n tp o w e r f o r c o a r s eg r a d i n g t h ee f f e c to fa s p h a l ti sr e d u c e da n dt h es h e a ri n t e n s i t yo fm i x t u r e si s c h a n g e di r r e g u l a r l y t h ev a l u ea ts h e a rs t r e s sm a x i m u mh a s n i c er e l a t i v i t yw i t h v i s c o s i t y t e m p e r a t u r ep r o p e r t i e so fa s p h a l t 3 s h e a rp r o p e r t i e sc a ne v a l u a t et h eq u a l i t yo fm a t e r i a l sp e r f e c t l y s oi t i s n e c e s s a r yt or e s e a r c hs h e a rp r o p e r t i e s 4 a g g r e g a t e sg r a d i n gi m p a c t ss h e a rp r o p e r t i e sp r o m i n e n t l y i fi s o l a t i o ni sw e l l c o n t r o l l e d t h ec o n t e n to fc o a r s ea g g r e g a t ew i l li n c r e a s es h e a ri n t e n s i t y 5 t h ee x p e r i m e n tu n d e rd i f f e r e n ta s p h a l tc o n t e n ts h o w s t h ev a l u eo fo p t i m u m a s p h a l tc o n t e n tg i v e nb ym a r s h a l lm e t h o di so nt h eh i g hs i d e w h i c hw i l lc o n d u c tt h e i i i a b s t r a c t r e d u c t i o no fm i x t u r e s s h e a rp r o p e r t i e s 6 w e l ll i n e a r i t yw a s s h o w e db e t w e e ns h e a rp a r a m e t e r sa n dt e m p e r a t u r ew i t h i n 3 0 6 0 ca n ds h e a rp r o p e r t i e si sr e d u c e db yi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e 7 v o i d si n d e xm e a s u r e db yw e i g h ti nw a t e rm e t h o di sr e l a t i v e l ys t e a d yt h a n s a t u r a t e d s u r f a c e d r ym e t h o d b e c a u s ev o i d si n f l u e n c e ss h e a rp r o p e r t i e sg r e a t l y l i t t l e f l u c t u a t i o no fv o i d sm u s tb es u r eb e f o r em a k i n gs h e a re x p e r i m e n t a f t e rt h a t t h ep a p e rm a k e sar e s e a r c ho ns h e a rf a t i g u ep r o p e r t i e so fa s p h a l t m i x t u r e s s e v e r a lf a t i g u ee q u a t i o n sw e r eo b t a i n e db yr e g r e s s i n gf a t i g u et e s td a t a u n d e rd i f f e r e n tl o a dc o n d i t i o na n dp r e d i c t i o nw a sm a d eo nd a m a g eb ys h e a rf a t i g u ei n p a v e m e n t s t h ei n f l u e n c et os h e a rf a t i g u eb yd i f f e r e n tf a c t o r s s u c ha st e m p e r a t u r e f r e q u e n to fl o a da n dm a t e r i a l s w a sa n a l y z e d a tl a s t t h et h r e e s t a g er u l eo fs h e a r f a t i g u ed e f o r m a t i o nw a si l l u m i n a t e da n dt h em o d e lo ft h i sw a sg i v e nt oe x p l a i n t h a t p r a c t i c a ls t a t u si np a v e m e n t sc o u l db er e f l e c t e dp r i m e l yb ym i x t u r e s s h e a rf a t i g u e p r o p e r t i e s i nt h ef i n a l i t y t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sw e r ed i s c u s s e d k e yw o r d s a s p h a l tm i x t u r e s s h e a rp r o p e r t i e s s i n g l ep e n e t r a t i o n i n f l u e n c ef a c t o r s h e a rf a t i g u e i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务 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沥青路面又是工作在更加复杂的气候 和交通条件下 因此 如何将路面的使用性能和沥青混合料的性能指标紧密的 联系在一起 长期以来都是国内外专家学者研究的重点 正如菅原照雄心1 所说 虽然尚未找出能够对沥青混合料全部性能做出统一解释的规律 但是可对其 中相当大的一部分内容找出规律 并且可以对其进行理论分析 改革开放以来 我国的公路事业进入了高速发展的阶段 但是 随之而来 的早期损坏现象日趋严重 许多高速公路在通车1 2 年甚至更短的时间内就发 第1 章引言 生了大面积的破损 造成了巨大的经济损失 不仅是国内 国外的公路建设中 同样也存在着严重的初期损坏b 引 鉴于这种情况 国内外的专家学者进行了大 量的研究 在路面实践中采用了许多新的技术 同时 柔性路面中沥青混合料 的设计方法 诸如m a r s h a l l h v e e m s u p e r p a v e t m 等也得到了很大的发展n 田叫8 这些设计方法目前得到了广泛的应用 虽然在一定程度上改善了路面质量 但 路面过早损坏的问题依然存在 这种情况的发生一方面是由于当前公路的交通 特性已发生了改变 多轴次 重轴载 高轮压在交通组成中的比重越来越大 而且存在普遍的超载现象瞄卜阳1 而更主要的是 这些设计方法所采用的试验方 法都不能准确的模拟和反映沥青路面的实际受力状况 忽略了对剪应力这一力 学理论中最基本应力形式的考虑 另外 在以往的沥青路面力学计算和结构设计中也存在同样的问题 主要 将路表弯沉和层底弯拉应力作为控制指标 路表弯沉反映的往往是路面的整体 强度 其主要作用是控制路基路面结构的总变形 防止沉降 车辙等整体强度 不足的损坏 而层底弯拉应力的主要作用是防止相应结构层的疲劳开裂 因此 两者都不能良好的反映沥青混合料的具体受力特征和本质特性畸1 从力学知识和 系统的分析可以知道 沥青路面发生剪切破坏是完全可能的 且发生在路面中 的剪应力是很大的 这就为在沥青混合料和路面设计中考虑抗剪性能的影响提 供了一定的理论依据 同其他的性能一样 沥青混合料的抗剪性能也受到多种因素的影响 比如 沥青的粘度 用量 集料的种类 性状 级配以及环境的温度等等 因此 本 文从影响沥青混合料抗剪性能的因素出发 通过大量的试验得出不同因素对混 合料抗剪性能的影响情况 进而通过剪切疲劳试验设计将室内试验同实际的混 合料路用性能联系在一起 这对于沥青混合料的设计以及其抗剪性能的机理研 究有着重要的理论和现实意义 1 2 研究现状 1 2 1 沥青混合料的抗剪性能评价方法 在以往各国进行的抗剪切特性研究中 大都采用的是三轴试验 而且在各 国的设计规范中 都没有考虑到抗剪指标对沥青混合料的影响 美国加州路面 2 第1 章引言 设计规范 使用抗剪指标来验证基层厚度是否满足使用要求 所提指标主要是 针对基层参数 未曾提及对混合料的影响n 引 但是作为一项混合料的重要指标 各国的公路研究者却自始至终对其充满 了浓厚的兴趣 从2 0 世纪三十年代开始 到五六十年代达到高潮 美国道路研 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 口 叫1 3 1 可 以说他是第一个系统研究道路抗剪性能的学者 他详细阐述了已有试验方法和 设计方法中存在的不足 指出利用马歇尔稳定度严格意义上讲只是一种经验的 方法 不足以描述路面的实际受力状态如剪切强度和其他的基本物理性能 也 不能表明道路实际的使用性能 他从静载作用 动载作用 考虑刹车以及车辆 加速时的有水平剪应力条件下的路面抗剪稳定度等三个方面进行了系统的研 究 同时 他把轮胎的接地分布压力图融入对路面的力学分析中 根据轮胎的 接地分布压力分布不均匀的特性 提出了不同的设计标准 最后给出了基于直 线和曲线包络线下的路面抗剪设计诺模图 后来 他又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中的实际情况 同时提出了一 种新的轮胎样式 可以随着车辆轴载的增大而增大接地面积 使路面的剪应力 降低到可以承受的水平 他的设计方法在后来的科研人员中产生了重要的影响 但是由于方法涉及的参数太多且难以操作 所以没有在后来的道路设计中得到 应用 同一时代 l w n i j b o e r 利用三轴试验测得的数据来进行沥青混合料设计 n 4 1 为了使设计更加完善 他还利用p r a n d t l 公式对塑性条件下的混合料进行了 评估 va e n d e r s b y 首先提出了如何制备在三轴试验条件下的沥青混凝土试件 提出的具体试验方法为后来的研究作出了贡献n 引 v r s m i t h n 们n 7 1 利用弹性理论 方法系统全面阐述了道路的剪切受力状态 分别给出了三轴试验方法的采用类 型 加载速率和温度对试件的影响 从试样制备到数据的整理都给出了完备的 理论分析和步骤 并把试验结果与其他的方法进行了比较和分析 提出了沥青 混合料的破坏标准 最后提出了混合料应该满足的物理性能 并给出了在不同 荷载条件下混合料应达到的抗剪要求 画出了诺模图 g o e t z 和c h e n n 副n 引对三 轴试验仪器进行了改进 利用大气压进行加压 这种方法方便实用 利用这种 试验方法 他对不同的集料类型和级配 不同的沥青含量 以及不同条件下的 加载速率进行了抗剪性能分析 得出了一些比较有价值的结论 后来他们还对 开级配沥青混凝土进行了抗剪性能的分析 对比马歇尔试验方法和三轴试验方 第1 章引言 法 得出了马歇尔试验方法可以代替三轴试验方法的结论 在当时产生了不小 的争论 w s h o u s e l 1 利用三轴试验方法对沥青混合料进行力学方面的解释 指出了粒料的真实受力特性其实是一种拱联效应 力的传递就是通过拱联效应 进行传递的 并给出了相应的剪切计算公式 r gh e n n e s 和c c w a n g 埋 利用 三轴试验数据对混合料进行了力学方面的解释 除此以外 还有h v e e m e n d e r s b y t a y l o r o p p e n l a n d e r 以及h o l t z 乜2 卜瞄1 等 他们都分别从混合料的抗剪 特性出发进行了卓有成效的研究 2 0 世纪七八十年代 对沥青混合料抗剪性能的研究进入低潮 此期间b h s u b b a r a j u 哺1 用传感器进行了剪应力的实际测试和分析 并给出了具体的力学计 算公式 w i l l i a ml h e l w i t t 乜 与其他的设计方法进行了比较 得出利用抗剪公式 进行设计结果更为合理 e d w a r ds b a r b e r 啪h 2 引给出了路面在水平剪应力和垂直 力同时作用条件下的受力状态 并且指出道路设计中必须考虑水平剪应力的作 用 在水平和垂直剪应力的作用下 路面的剪应力大大增加 道路的稳定度得 到降低 w i l l i a ml h e l w i t t 堙7 1 利用理论抗剪公式给出了柔性路面的设计方法 同 时与t e x a sh i g h w a yd e p a r t m e n t 的设计方法进行比较 得出 利用纯理论的公式 计算的路面厚度 只能用于中等交通量道路的设计 如果希望用于其他道路的 设计 必须增加一个交通因子或者安全因子 其值为1 2 之后可以利用抗剪 公式进行中交通道路的设计 在文章中 作者还与其他的如利用马歇尔设计方 法进行了比较 得出了利用抗剪公式进行设计得出的结果更为合理并给出了设 计用的诺模图 t e x a sa mu n i v e r s i t y 的m a h m o u d a m e r i g a z n o n 和d a l l sn l i t t l e 口们利用八面体剪应力的方法对基于刚性基层上的沥青罩面 层进行了分析 利用该方法分别分析了罩面厚度 层间连接条件 罩面材料劲 度不同时面层内的八面体剪应力的分布规律 以及有否水平剪应力时八面体剪 应力的分布规律 并且给出了利用八面体剪应力分析混合料力学性能的实现方 法 最后与m e l e o d 的设计方法进行了比较 k i r y u k h i n 口 在第八届国际沥青会 议上提出了利用抗剪特性和控制裂缝进行路面设计的方法 但其并没有提出具 体的试验方法和可操作的控制标准 九十年代至今 沥青路面及混合料抗剪性能的研究又逐渐引起了道路工作 者的关注 原因是随着经济的发展 道路上的车辆与荷载的增加 路面在初期便 出现了大量的损坏 而损坏原因的研究及机理尚在研究过程中 gn k i r y u k h i n h 引 基于剪应力标准提出了一个流变模型 并且利用该模型给出了详细的控制指标 4 第1 章引言 和参数 并且给出了计算剪应力参数的试验方法和计算公式 从混合料抗剪切 的角度提出了道路的设计标准 从第九届国际道路沥青会议上可以看出 利用 有限元方法进行抗剪性能研究是一个热门话题 如e r k e n s a m a r al o u l i z i p i e r r e h o m y c h z h o n gw u 口3 卜汹1 等均是利用该方法对混合料的抗剪性能进行了研究 此外在美国b o i s es t a t eu n i v e r s i t y 的j o s e p hc s e n e r 和r o b e rw h a m i l t o n 7 卜汹1 分别利用静三轴和动三轴对沥青混合料的性能进行了研究 对混合料在5 2 0 4 0 6 0 c 四种温度条件下的性能进行了试验研究 得出了许多有价值的 结论 1 最大偏应力发生在应变值为3 时 并且与试件中的沥青含量和试验 温度无关 2 与沥青混合料中最大空隙水压力相对应的应变与沥青含量无关 但是与温度息息相关 3 最佳沥青用力与侧压力无关 但在低温条件下如5 要使混合料强度达到要求 沥青含量有一个最小值 但这个值与侧压力无 关 综合以上的研究表明 传统的研究认为 沥青混合料的剪切破坏主要是沥 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 面出现车辙和拥抱等现象 因此 多年来 对于沥青混合料的抗剪性能的研究 也主要着眼于材料的高温稳定性 常见评价沥青混合料抗剪能力的试验指标有n 们叫4 2 1 1 三轴压缩试验 为了了解沥青混合料在高温时的稳定性 需要验算其抗剪强度 三轴试验 是测定混合料的粘结力c 和内摩擦角由两项指标 以此计算混合料的抗剪强度 c o z 气1 十口t a n 矽 1 1 该方法采用闭式三轴试验 其受力模式模拟路面材料在荷载作用下的受力 状态 见图1 1 变化侧向应力o 以一定速率施加竖向应力 即可得到o 一 o 的关系曲线 由曲线中的直线段的斜率s 和截距i 即可求出粘结力c 和内摩 擦角巾值 三轴剪切试验固然有其优点 但缺点也是很明显的 从原理的角度 它来源于对土力学的研究 试验原理 假设条件和材料参数的不同局限了其对 沥青混合料的适用性 试验过程的加载方式使其受力模式与车轮作用下的路面 不能吻合 而且试验操作繁复 对研究人员有较高的要求 很难在实际的工程 中大量应用 2 单轴蠕变试验 第1 章引言 采用圆柱形试件 施加一定的荷载0 则试件将产生压缩变形 以变形速 率评价沥青混合料抵抗流动变形的能力 加载图示见图1 2 0 l 图1 1 三轴压缩试验受力图示 0 图1 2 单轴蠕变试验受力图示 3 轮辙试验 模拟实际路面的受力状态 采用轮碾成型的方形试件 其上施加可以以一 定速率行走的车轮 其接触压力为0 7 m p a 用试件变形l m m 车轮走行的次数即 动稳定度值来评价沥青混合料抗永久变形的能力 这种方法虽然是目前沥青混 合料高温稳定性的主流评价方法级沥青混合料设计过程中的控制指标 但是 这一方法在评价沥青混合料抗剪强度方面有一定的局限性 并不能反映路面实 际的抗剪能力 以上所有试验方法在后来的设计和施工控制中并没有被广泛采用 应该说 只是在理论上做了必要的尝试 原因主要是 1 试验方法复杂 仪器费用昂贵 操作困难 2 没有形成统一的标准 在设计和施工中难以采用和控制 3 无 法真实反映路面的实际受力状况 另外 沥青混合料抗剪性能的研究大都是在 4 0 和5 0 年代进行的 那时的材料 施工以及设计与现在相比不可同日而语 因 此 在当前的交通和材料以及道路结构中 如何考虑抗剪性能也就变得迫在眉 睫了 鉴于此 同济大学孙立军 毕玉峰一3 3 等人对沥青混合料抗剪性能的试验方 法进行了卓有成效的研究 通过研究提出了一种全新的沥青混合料抗剪性能的 6 第1 章引言 评价试验方法 即通过单轴贯入和无侧限抗压试验相结合来求出混合料的各项 抗剪参数 这种方法操作简洁 物理意义明确 能够将试验室内的混合料抗剪 性能同实际道路中的受力情况很好的联系在一起 因此 本文采用这种方法对 混合料的抗剪性能进行进一步的研究 1 2 2 沥青混合料的强度影响因素 沥青混合料的力学强度是由矿质集料颗粒之间的内摩阻力 嵌挤力 和沥 青之间的粘结力和内聚力所构成的 它的特性取决于沥青和集料各自的特性以 及组合在一起的特性h 引 无论沥青混合料属于哪一种类型 其力学强度都抗压 按照库仑定律来表征 即在外力作用下材料不产生剪切滑移应满足以下条件 r 靴口t a n 1 2 对混合料强度的影响因素可以分为材料因素和其他外界条件因素 具体为 以下几方面 1 沥青结合料 伽 蜘 沥青混合料的粘结力与沥青本身韵粘度有密切关系 混合料中原本松散的 集料正是依靠沥青的粘结作用凝聚在一起而形成整体结构强度的 研究表明 沥青的粘度越高 其混合料抗变形的能力越大 强度也就越高 沥青材料对混 合料的影响主要反映在其感温性指标上 各国对于道路石油沥青都有自己的标准 其制订依据有两种类型 一类是 根据现有的沥青生产水平和使用情况确定质量控制范围 作为生产和使用的依 据 它是沥青生产部门和道路使用部门协调的产物 另一类是根据路面的使用 性能对沥青的质量指标提出要求 制订规格指标 目前 包括我国在内的许多国家的沥青标准都是第一种依据的产物 这类 标准根据经验 考虑了沥青生产 加工及施工安全等各方面的因素 以针入度 或粘度作为沥青等级划分的指标 相对第一类标准 第二类标准考虑了沥青在 道路工程中的实际使用性能 更具科学性 美国战略性公路研究计划 s h l 姆 的研究成果j 基于性能的沥青结合料分级规范 p e r f o r m a n c e b a s e dg r a d a t i o n 简称p g 就是第二类标准的代表 s h r p 标准从根本上摒弃了传统的经验指标 体系 而用反映沥青永久变形 低温性能 疲劳开裂等路用性能的流变力学指 标代之 旨在建立沥青材料物理 化学性质与沥青混合料性能之间的关系 以 7 第1 章引言 便进一步和实际路用性能的研究联系起来 除美国s h r p 提出的p g 规范外 各现行标准都是经验性的 主要可以划分 为两大类 即 针入度级标准和粘度级标准 前者以2 5 c 针入度作为沥青分级 的主要指标 而后者则依据原样或r t f o t 老化后的粘度对沥青进行分级 在推 行p g 规范前 美国同时存在三种标准 针入度级标准p e n 原样沥青6 0 粘 度级标准a c 和r t f o t 老化后的粘度级标准a r 澳大利亚 加拿大的沥青标 准属于粘度级标准 包括我国在内的其它各国以针入度级标准为主 最常用的 描述沥青感温性的指标是针入度指数p i 值 在荷兰 瑞典 前苏联 阿根廷等 国已把针入度指数列为沥青的标准指标 与上文两类经验性标准相对的是基于路用性能的结合料标准 s u p e r p a v e t m 作为s h r p 沥青项耳的最终产品 集成了沥青基于性能的规范 试验方法 试验标准和混合料设计系统 s h r p 研究者把路面损坏类型分成5 种 永久变形 疲劳开裂 低温开裂 水敏感性和老化 在 结合料性质显著影响 沥青混凝土路面使用性能 的假定前提下 s h r p 提出了基于路用性能的沥青性 能评价指标 p g 规范 引入了反映结合料抗疲劳能力的指标 并且考虑了沥 青长期老化对性能指标值产生的影响 相对于经验性指标来说有很大改进 表1 1s u p e 刚 a v e 的沥青结合料评价指标 损坏类型 老化阶段 试验温度 试验方法控制指标 原样沥青 a x p v t6 s i n 8 1 k p a 永久变形 d s r r t f o t 残留物m 1 1 v p v tg s i n 5 2 2 k p a b b r s 3 0 0 m p a m 0 3 低温开裂r t f o t p a v 残留物m d 咿v t 1 0 d t t 1 疲劳开裂r r f o t p a v 残留物经验温度 d s rg s i n 8 5 0 0 0 k p a 注 m a x p v t 为最高路面设计温度 m i n p v t 为最低路面设汁温度 5 g 和5 分别为沥青的动态剪切模量和相位角 从上文可以看出 若要研究沥青结合料对混合料性能的影响 尤其是对应 高温情况下 可以从沥青的针入度指标 粘度指标以及s h r p 的动态剪切试验的 角度来进行 本文拟从这几个角度来探讨沥青性质的不同对混合料抗剪性能的 影响 同时 沥青的用量也对混合料性能有很大的影响 随着沥青用量的增加 8 第1 章引言 结构沥青逐渐形成 沥青更为完满地粘附于矿料表面 使沥青和集料之间的粘 结力得到增强旧引 当混合料达到最大粘聚力之后 随着沥青用量的增加 沥青 过剩 在颗粒之间形成自由沥青 成为矿料发生滑移的润滑剂 导致沥青混合 料的粘聚力下降h 4 1 所以有必要不同沥青用量对抗剪性能的影响进行探讨 2 集料的性状 弱1 集料颗粒表面的粗糙度和颗粒性状 对沥青混合料的强度有很大的影响 不管集料的来源 各国的研究都表明 集料必须能够提供一定的强度而形 成骨架结构以抵抗重复荷载的作用 多边形及粗糙的纹理表面比圆滑纹理表面 的集料具有更大的粘聚力和内摩擦角 可以相互嵌挤 不容易在外力作用下产 生相互滑动 一般说来 集料的粘聚力很小 集料的抗剪强度主要取决于集料的内摩擦 角 它决定了集料间的互相嵌锁能力 另外 集料在外力作用下更趋于密实 同样使集料的抗剪强度增加 另一个主要的性质是集料的体积受力膨胀特性 当集料受到剪切应力以后 集料之间将出现相互裂开和蠕动的现象 使集料伸 长或体积增加 所以 为了保证集料的抗剪性能 一般应规定其破碎面的比例 限制其中砾石和天然砂的比例 国内外的研究多集中在集料的纹理和性状上嘶卜m 3 大部分的研究表明 集 料的颗粒宜接近立方体 呈多棱角 承受荷载作用才不会折断破碎 嵌挤后能 够形成较高的内摩阻力 表面光滑的颗粒易引起滑移而导致路面的变形 针状 片状集料在荷载的作用下极易破碎断裂 从而导致路面的内部损伤和缺陷 因此 可以从集料的针片状 压碎值等指标入手来研究集料对混合料性能 的影响 针片状反映了集料的形状因素 压碎值则反映了集料的力学特性 对 于集料表面的形状因素 在具体试验中难以评价 可以通过水洗来减少含泥量 来改善 沥青与集料的配合比以及集料的级配组成也对混合料的性能有很大的影 响 有研究人员认为 密级配的混合料使得颗粒之间有较多的接触点 因此比 断级配或开级配的更加稳定 也有的研究人员建议采用粗糙的混合料 这样可 以获得足够的抵抗永久变形的能力 这种级配的影响实际上也反映了空隙率指 标对混合料性能的影响 空隙率越大 混合料的强度越低 所以 控制空隙率 也是保证混合料性能的有效手段 9 第l 章引言 3 其他的影响因素 钉 除了材料本身的性质 其他的条件也会影响混合料的性能 主要是交通和 气候条件 交通条件对沥青路面的性能 尤其是高温性能的影响可以归结为 荷载 轮胎气压 行车速度 车流的渠化等等 荷载 尤其是近年来重载 超载的大 量出现 对沥青混合料的路用性能的影响是不言而喻的 轮胎气压则是适应荷 载的 荷载越大 轮胎气压越高 车辆的超载也会促使司机人为的加大轮胎气 压 行车速度对路面的影响主要表现在荷载的持续时间上 车辆行车速度越慢 荷载作用的时间越长 相同交通量引起的路面变形就越大 交通条件对路面性 能的影响可以用疲劳试验来反映 因此 本文将对路面的抗剪疲劳规律作以探 讨 气候条件主要包括气温 日照 热流 辐射 风 雨等 其中除了湿度对 沥青混合料的高温性能影响机理不同外 其他因素都可以归结到温度上 温度 是影响最为显著的因素 沥青混合料的抗剪性能是本文研究的重点 在高温的条件下 路面发生剪 切破坏的机率大大增加 所以本文主要关心的就是高温状况下的混合料剪切作 用规律 上文主要总结了对混合料性能 抗剪性能 的影响因素 还有重要的 一点就是要将室内沥青混合料的抗剪性能同实际道路中的情况联系起来 本文 拟从尽量模拟实际情况的室内疲劳试验角度来达到这一目的 1 2 3 沥青混合料疲劳性能及试验方法 自从人们在道路上开始使用沥青的路面结构形式以来 就开始了对沥青路 面破坏形态及其原因的探讨 并根据当时所掌握的认识水平与方法对沥青路面 的结构破坏进行研究 提出相应的设计方法 在早期 人们主要基于不同类型 数据的调查采集 经过数据整理分析 总结提出经验性的公式与方法 计算或 预测沥青路面结构产生破坏的使用寿命 后来随着塑性力学与传统的疲劳强度 理论的发展与推广应用 关于沥青路面结构破坏的研究开始进入理性的分析阶 段旧1 随着传统的疲劳破坏理论的发展 人们又认识到 路面的破坏 是由于荷 载在路面材料中引起的重复加载疲劳应力超过了路面混合料的强度而发生的 l o 第1 章引言 美 英 苏 西德等国 根据十多年的大量试验 相继进行了基于疲劳强度理 论设计上的重大改革 并且 目前各国沥青路面设计仍主要沿用这种疲劳强度 理论思想 只是由于各国情况不同 在取得结论的方法方面也各有不同 各国 分别确定了各种自己的设计方法 1 混合科的疲劳性能 早在1 9 4 2 年 o j p o r t o r 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 的小弯沉情况下车轮重复几百万次也 会遭到破坏 l w n i j b v e r 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 态联系起来了嘲1 6 0 年代以来 世界各国对路面疲劳性能做了大量的研究 对路面的疲劳破 坏机理也有了更多科学的认识 并不断得到深化嫡引 在国外较有影响的研究有 英国诺丁汉大学 美国加利福尼亚大学伯克利分校 英国壳牌公司 美国俄亥 俄州立大学等 一 诺丁汉大学的p s p e l l 和s eb r o w n 唧卜泓1 等人通过大量的试验研究得出了 适用于不同混合料的疲劳方程 被英国运输部纳入1 9 8 7 年颁发的沥青路面设计 规范中 同时还建立了拉应变 疲劳荷载作用次数 沥青含量 软化点之间的 关系方程 美国加州大学伯克利分校在c l m o n i s m i t h 拍5 卜 7 1 的指导下 采用控 制应力和应变两种方法做了疲劳试验研究 除了大量的室内试验之外 他们还 通过室外足尺试验对室内的疲劳规律进行了验证 美国沥青协会的沥青路面设 计方法中采用了他们得到的疲劳方程 随后在s h r p 计划中 加州大学又深入分 析了影响沥青混合料疲劳性能的各种因素 得出了新的疲劳回归方程 s h e l l 石 油公司从1 9 6 0 年开始进行大量的研究 与上面的结论相似 俄亥俄州大学在沥 青混合料的疲劳性能研究中引入了断裂力学的概念 从裂纹的扩展规律出发来 探讨疲劳性能 近年来 加州大学伯克利分校及其他研究人员 通过试验研究 还提出了一种新的疲劳响应模型 即能耗疲劳方程 用能量法来研究沥青混合 料的疲劳性能 在以往的研究中 影响混合料疲劳寿命的因素主要包括材料参数 试验条 件两方面 1 材料参数的影响 主要参数有 沥青的粘滞性和温度敏感性 矿质集料的种类与级配 空隙 率以及沥青混合料的劲度模量等 第1 章引言 p s p e l l 1 研究指出 在沥青含量一定的条件下 沥青的软化点越高 混合 料的疲劳寿命就越长 这说明使用高粘度的沥青可以使混合料获得较高的疲劳 寿命 gr d o b s o n 训的试验也指出沥青软化点是一个重要参数 沥青用量越多混合料的柔韧性也好 即应变能力越大 疲劳寿命也就越长 沥青混合料的空隙率对疲劳寿命影响很大 不论是弯曲疲劳还是旋转悬臂 式疲劳试件 用控制应力还是控制应变的试验都表明 疲劳寿命随空隙率增大 而显著减少 因为混合料空隙率增大 透水性增加 路面强度和稳定性下降 疲劳寿命便减少 另一方面大的空隙率会促使沥青老化 加速路面的疲劳破坏 美国1 8 个州5 3 项道路工程1 2 年实践证明 空隙率每增加1 疲劳寿命降低 4 0 矿料种类和表面纹理对疲劳寿命也有影响 表面粗糙而有棱角的级配良好 的石料 疲劳寿命较长 但是 j e e p p s 口们指出 棱角尖锐而表面粗糙的矿料 当压实不良时 反而会造成疲劳寿命的缩短 因为粗糙和棱角可能是形成裂缝 的根源 f d j a m e s h 认为表面粗糙的石料比圆滑石料要好些 c l m o n i s m i t h 副 建议用粗花岗岩石料 控制应力试验时 粗集料比光滑集料的疲劳寿命要长 控制应变试验时 粗糙集料和沥青含量大的混合料比光滑无棱角而沥青含量少 的混合料的疲劳寿命要长 2 试验条件的影响 试验条件主要包括 控制方式 加载时间频率和环境条件等 疲劳试验时控制方式对混合料的疲劳寿命有很大影响 应力控制和应变控 制相比较 在相同的应变级位下 按应变控制的疲劳寿命大于应力控制 因为 在应力控制试验中 相同条件下应力不但地增大 而应变控制则应力不断减小 才能保持应变不变 所以应力试验比应变试验剧烈 疲劳寿命短 由于应力控 制疲劳试验比较方便简洁 破坏状态容易判别 所以实际应用较多 研究表明 荷载波形对疲劳寿命的影响不大 但加荷时间和疲劳影响很大 c l m o n i s m i t h 5 1 认为 对于密级配沥青混合料 2 4 条件下应力控制疲劳试验 荷载疲劳在3 3 0 r m i n 范围内变化对疲劳寿命的影响不大 但j a 德