沥青混凝土面层路用性能研究之三.doc

二、由等速加载弯曲试验推断应力松弛性能沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，它的全部力学行为都可以描述为温度，时间的函数，松弛是粘弹函数中比较单纯的一种力学行为，粘弹性材料的松弛能力可以松弛弹性模量来表示。松弛弹性模量可以采用松弛试验方法测定，也可以应用粘弹性力学原理，将动荷载试验，一定应变速度试验，蠕变试验等方法的测定结果，通过数学计算而求出松弛弹性模量。本文由上述等速加载弯曲试验来推断各种沥青混合料的应力松弛能力。在小梁弯拉试验中，通常控制实验机横梁以一定速度移动来向试件中心施加一定速度位移，速度-时间关系为线性关系，根据积分型粘弹力学模型，采用松弛时间连续分布的假定，松弛模量可以认为是松弛时间谱H（）的函数。梁底应力应变和松弛弹性模量的关系为： （5-4）显然在等速加载试验方式下，各时刻应力、应变曲线的斜率即为材料的松弛模量，也就是材料的松弛模量为一定应变速度试验得到应力、应变曲线的切线模量，一般采用以下公式计算松弛弹性模量。 （5-5）在一定温度条件下，一般为对数坐标上的直线，将测定数据在双对数坐标上绘图，可以方便地得到直线的斜率，从而简便地得到相对应时刻的松弛模量。考虑到50mm/min加载速率下松弛时间较短，故对5mm/min加载速率下三种沥青混合料的松弛性能进行研究，各混合料不同温度下时间-松弛模量的关系（以双对数坐标表示）如下图示：图5-21 不同温度三种沥青混合料的松弛模量-时间关系图为了解决不同时间温度范围内的松弛特性采用了时间温度等效换算法则。在粘弹性理论中经过时间与温度换算法则，可使实际问题得以简化，例如对工作在时温范围极宽的材料，为了解决低温与高温、长时间与短时间等各种矛盾建立了主曲线。定量粘弹性材料性质时，不可能将观测时间延长或者将温度范围扩大到某种程度外，即使能够延长和扩大，其试验精度也会因之而下降，并且不可能测得真值。对此，可把改变温度作为延长观测时间的手段，同样也可以把改变时间作为扩大环境温度的方法。因为，高温时的粘弹性动态相当于用较长时间观测到的粘弹性动态；低温时的粘弹性动态相当于用较短时间观测到的粘弹性动态。基于这样的经验，在用温度、时间两个变数的函数表现粘弹性状时，可以用某一选定标准温度下进行测定的方式，将不同温度、不同时间的观测值综合为一条主曲线。运用时温换算的关键在于求出移位因子，移位因子的物理意义之一是表示基准温度与任意温度下混合料松弛时间之比，可以用经典的WLF公式计算，也可以在时间-松弛模量的关系图上作水平移动量测而得。本文以-10为基准温度，将低于-10的Er-T曲线向左平移，高于-10的Er-T曲线向右平移，得到了各混合料的松弛模量总曲线，如下图示：图5-22 -10各沥青混合料松弛模量总曲线由以上结果可知：在时间较短时，也即温度较低时，改性沥青混合料的应力松弛速度即单位时间内的应力松弛模量下降量最大，纤维增强沥青混合料次之，二者均大于基质沥青混合料，说明在低温区改性沥青和纤维沥青混合料的残余应力较小，而基质沥青混合料有较大的残余应力，因而其低温抗裂性能较差。三、低温弯曲蠕变试验沥青混合料的蠕变曲线的一般形式如下图所示，分为3个阶段。第一阶段为蠕变迁移阶段，反映混合料瞬时弹性变形及粘弹部分的性质，此阶段蠕变变形瞬间增大，但应变速率随时间迅速减小；第二阶段为蠕变稳定阶段，反映不同沥青的粘性流动性质，蠕变变形呈直线稳定增长，应变速率稳定；第三阶段为蠕变破坏阶段，实际上表征试件已发生裂缝破坏的情况，蠕变变形和速率均急剧增大。 由于蠕变试验开始的瞬时加载比较困难，开始的数据不够准确，为此考查的重点是蠕变稳定阶段，此阶段的蠕变速率越大，低温变形能力越好。图5-23 蠕变变形曲线图加载应力大小为0.1f（50mm/min加载速率下破坏荷载的10%）的条件下，0弯曲蠕变试验结果如表5-8所示，为比较应力水平对蠕变速率的影响，对纤维沥青混合料还做了1.35Mpa下的蠕变试验，由蠕变试验结果所得蠕变变形曲线如图5-22 所示： 低温蠕变速率试验结果 表5-10种类加载大小(N)蠕变弯拉应力(Mpa)弯曲蠕变速率(1/s/Mpa)(10-6)原沥青混凝土950.780.345纤维沥青混凝土1100.890.96纤维沥青混凝土1651.351.40SBS改性沥青1651.351.324原沥青混凝土2136.4651.1140.391纤维沥青混凝土2111.0340.90641.033注：原沥青混凝土2及纤维（GoodRoad）沥青混凝土2为兰州某试验路的数据。图5-24 蠕变试验时间-变形曲线从以上结果可以看出：（1） GoodRoad纤维沥青混合料以及改性沥青混合料的蠕变速率比普通沥青混合料的大，说明改性后有利于混合料低温性能的改善。从蠕变速率看，三种沥青混合料低温优劣顺序为：改性沥青纤维沥青基质沥青。（2） 应力水平对蠕变速率的影响非常大，GoodRoad混合料在0.89MPa和1.35MPa下的蠕变速率明显不同，加载水平越大，蠕变速率也越大。在同样的1.35 MPa的应力条件下，纤维沥青混合料的蠕变速率大于改性沥青，但这并不能说明前者低温性能优于后者，而要选择合适的加载大小，一般为0.1f。在此条件下的比较方可说明低温性能。（3） 我国“八五”攻关建议的蠕变速率指标如下表：试验项目蠕变速率（0，1 Mpa）年极端最低气温（）-9.0蠕变速率（1/S/Mpa）1.010-60.7510-60.510-60.2510-6可见，改性后混合料的蠕变速率符合规范要求值。纤维的加入，一方面增大了最佳沥青用量，使混合料柔性增大。而且在纤维的混杂加强作用下对应力具有一定的分散和扩散作用，因此其蠕变速率增大。四、J-积分试验断裂力学是从材料构件中存在微裂缝这一基点出发，应用弹性力学和塑性力学理论研究材料中裂缝产生的条件和规律的科学。实际上，路面产生的开裂（低温缩裂、疲劳开裂）也就是从内部潜在的微裂缝扩展开始的，而这些微裂缝可来自于路面结构内部，由于材料、施工等原因而产生。在交通荷载和温度应力的共同作用下，在裂纹尖端产生高达数倍的应力集中，并使裂纹产生和扩展。在温度应力作用下裂纹是否扩展取决于能量平衡，裂纹扩展会使应变能得到释放，但同时它需要形成和异化新裂纹面的能量，如果释放的应变能超过形成新裂纹面所需的能量，裂纹就会传播直到被一个不可穿越的阻碍如一个大的矿料颗粒所阻挡。弹塑性断裂判据J积分法从能量和应变场两个角度研究裂纹顶端的应力、应变特性。当一个宽度为B（40mm）的切口试件加载后，裂纹长度扩展，试件的加载曲线所包围的面积即为两个应变能之差，J积分就是裂缝扩展前后的单位扩展面积两个等弹塑体间的总势能差。J积分的临界值J1c是评价材料断裂时的应变能释放率的指标，反映材料的抗开裂能力，J1c越大，表示抗开裂性能越好。0J-积分试验结果如表5-11所示： 混合料的能量值 表5-11种类破坏时总应变能（Nmm）能量J1c（J/mm2）原沥青混凝土180.35474.6纤维沥青混凝土330.15845.3结果表明：GoodRoad纤维沥青混合料的J1c值明显高于未加纤维的，说明纤维在混合料中的三维分布对混合料起到加劲作用，阻滞了混合料的开裂，从而提高了沥青路面裂纹的自愈能力，减少了裂纹的出现。其结果与前面的低温试验结果相一致。五、低温性能改善原理分析 1 改性沥青混合料低温性能改善的原理从以上结果可以看出，SBS改性剂加入后低温性能得到了明显改善。究其原因，主要是它使沥青在低于脆点时仍具有柔性，使沥青的韧性增加。这可从前面改性沥青与基质沥青的常规对比试验中看出。很多学者从微观的角度解释了其改性原理，也可以用银纹解释聚合物改性沥青机理。银纹是一种塑性变形，常出现于热塑性材料在低于其玻璃化温度的情况下。对于聚合物改性沥青来讲，由于聚合物分散相与沥青基体相模量的差别，在外荷作用时在粒子周围出现应力集中，并引发大量微细纹痕（称作银纹），这些银纹的发展将终止于另一个聚合物颗粒并受阻，同时银纹与银纹相遇时，会使银纹转向或支化，这些均要吸收能量，这就是为什么脆性的沥青在加入聚合物颗粒后会表现出某种程度的韧性，如果没有银纹或这些塑性流动，它就会在没有任何能量吸收前发生开裂。银纹的产生有一定的条件，条件之一就是分散相与基体相的模量比为0.3，以确保分散相作为应力集中点，热塑性橡胶类改性剂SBS在高于-70情况下的存储模量始终低于原沥青，在外荷作用下有可能引发银纹，这就是为什么加入SBS改性剂后能量增加的原因。2 纤维增强沥青混合料低温性能改善的原理从以上数据得出，与基质沥青相比，纤维沥青混合料的脆化点温度低，低温蠕变速率大，J-积分的J1c值大，充分说明其低温抗裂性好。按密实级配原则构成的沥青混合料的结构强度，是以沥青与矿料颗粒之间的粘聚力为主，矿质颗粒间的嵌挤力和内摩阻力为辅而构成的。从试验中观察弯曲试验的小梁断裂面可以发现，主要是沿颗粒间的界面产生了拉裂破坏，其中大部分为颗粒整体的拔出，也由少部分颗粒被拉断。短纤维加入后，纤维与纤维、纤维与周围基体之间由于纤维的不连续性而存在复杂的相互作用，它会显著影响复合材料的韧性和破坏过程。在此过程中，纤维一方面如在传统的建筑施工中掺加纸筋起到加劲作用一样，在外力拉拔的过程中增加了混合料强度。另一方面具有增韧作用，纤维分散在沥青中，其巨大的表面积成为浸润面。在界面层中，沥青和纤维之间产生物理和化学作用，使沥青呈单分子排列于纤维表面，形成结合力牢固的结构沥青界面层，增强了沥青对集料的握裹力，保证沥青混合料的整体性而不易松散，从而提高其低温抗裂性。另外也可用银纹理论解释纤维混合料抗裂性能改善的原因，详见第六章。六、低温试验方法评价本文通过不同温度的弯曲试验、弯曲蠕变试验、J-积分试验论述了加入GoodRoad纤维和SBS改性剂后对低温性能改善的程度，得出了评价指标，这些指标是降温过程中混合料响应的间接指标，不能很好的模拟现场条件，但其概念明确，易于操作，可以较为准确的反映低温性能，因而被广泛采用。1、不同温度、不同加载速率的弯曲试验表明，脆化点温度是评价沥青混合料低温性能的重要指标，试验得出的结论是：纤维与改性剂的加入使脆化点温度略有降低，加载速率越大，脆化点温度越高，反之越低。脆化点温度低，表示具有柔性的温度越低，具有较好的低温抗裂性。2、弯曲应变能密度也是评价低温抗裂性的有效指标，它与温度及加载速率有关。温度增加，弯曲应变能密度增大；加载速率越大，应变能密度越低，反之越高。特别对单一温度的弯曲试验（如-10），弯曲应变能密度由于兼顾了强度与变形的综合影响，是一种可靠的评价指标。3、等速加载弯曲破坏试验可用于评价沥青混合料的应力松弛性能，且方法简单、可行。应力松弛速度越快，说明低温残余应力越小，抗裂性越好。4、弯曲蠕变试验是一种简单而又有意义的试验。得到的蠕变速率可表征混合料低温性能，但要慎重选择应力水平，一般取为最大破坏荷载的10%。5、弹塑性断裂判据J积分法从能量和应变场两个角度研究裂纹顶端的应力、应变特性，是一种可靠的评价指标。其技术难度在于刻槽的要求，如果刻槽不均匀，会在某些部位造成应力集中。 6、除弯曲破坏试验外，压缩试验、劈裂试验也可以确定沥青混合料的脆化点，但不同的试验方法、不同的加载速率得出的结果是不同的，弯曲试验比劈裂试验脆化点温度高约610，压缩试验最高8。7、另外，美国SHRP计划从众多的低温试验方法中筛选出约束试件的温度应力试验(TSRST)作为优选方法，该方法采用小梁试件，将试件端部用环氧树脂胶与夹具粘结，给定初始温度和降温速率，保持试件长度不变，在降温过程中试件内产生温度应力，直至被拉断。得出4个重要指标：破断温度、破坏强度、转折点温度、及应力曲线斜率。TSRST反映低温抗裂性能极好，且可对使用在混合料中的沥青性能做良好的预测，它和收缩系数试验能很好的模拟现场条件，但操作较为复杂。8、直接应力松弛试验是评价沥青材料抵抗温度开裂的重要性能的方法，对混合料本身的低温性能很有价值。路面在温度骤降时产生的温度应力来不及松弛掉而被积累，乃至超过抗拉强度时就发生开裂，因此应力松弛性能越好，低温性能也越好。应力松弛试验的评定指标有应力松弛比及松弛模量、松弛速度。9、利用低频疲劳试验，将温度应力转化为荷载应力来研究沥青路面的温度疲劳裂缝，是一项极有价值的研究温度疲劳裂缝的试验。5-3 水稳定性研究水损害是沥青路面早期破坏的一种重要形式，它是在水或冻融循环作用下，由于汽车车轮动态荷载的作用，进入路面空隙中的水不断产生冻水压力或真空负压抽吸的反复循环作用，水分逐渐渗入沥青与集料的界面上，沥青粘附性降低并丧失粘结力，沥青膜从石料表面脱落，沥青混合料掉粒、松散，进而使路面形成坑槽、推挤等变形。各种沥青混合料浸水马歇尔试验结果如表5-12所示，得出以下结论： 残留稳定度试验结果 表5-12种类30min稳定度（%）48h稳定度（%）残留稳定度（%）原沥青混凝土11.349.8987.21纤维沥青混凝土12.111.6596.26改性沥青混凝土12.7911.8292.56（1）公路沥青路面施工技术规范（ JTJ032-94）中要求，高速公路和一级公路混合料的残留稳定度型沥青混凝土应大于75%，试验结果均符合要求。（2）纤维加入后，残留稳定度提高，这是因为GoodRoad纤维直径20m,有很大的比表面积，纤维分散在沥青中，其巨大的表面积成为浸润面。在界面层中，沥青和纤维之间产生物理和化学作用，使沥青呈单分子排列于纤维表面，形成结合力牢固的结构沥青界面层。结构沥青比界面层以外的自由沥青粘结性强。与此同时，由于纤维及其周围的结构沥青一起裹覆在集料表面，使粘附在矿料表面的沥青膜变厚，阻止了水对沥青与矿料界面的作用，而且纤维的表面吸附作用下，沥青中的轻质组分多吸附在纤维表面而使沥青变稠，使沥青与矿料间的作用更强，因此水稳性提高。（3）改性沥青使沥青与集料的粘附性增加，水稳性提高。在试验中发现，改性沥青马歇尔试件脱模后，放置12小时，进行水稳性试验，往往出现浸水48小时后的稳定度大于3040分钟的稳定度的情况，这可能是由于改性沥青混合料需要较长的固化时间，尤其在夏季高温季节。故对改性沥青或SMA试件，建议放置较长时间做浸水马歇尔试验。5-4 高温稳定性研究由于沥青的粘弹性性质，沥青路面在高温下劲度下降，抗剪能力不足，容易形成高温变形，产生车辙、拥包、推移、搓板等病害，随着交通渠化和交通量的增加以及轴载加重，高等级路面主要发生的高温病害是车辙。本文通过车辙试验来评价沥青混合料的抗车辙能力。车辙试验结果如表5-13及图5-23所示。 车辙试验结果 表5-13时间（min）种类061224304560动稳定度（次/）变形速率(/min)原沥青混凝土0.003.074.865.366.147.749.284100.103纤维沥青混凝土0.002.082.613.243.564.4535.318070.052SBS改性沥青混凝土0.001.562.082.783.153.4353.5746670.009图5-23 车辙变形曲线从试验结果看出：（1）从动稳定度及变形结果来看，纤维沥青混凝土动稳定度提高了近50%，45 min60 min之间的变形速率减小，说明纤维的加入可明显改善高温稳定性。从提高幅度上可看出，纤维对高温性能的改善不如改性沥青。（2）纤维对沥青混合料高温性能的改善主要是由于沥青的稳定吸附作用增大了结构沥青的比例，减少了自由沥青，使沥青砂浆的粘滞性增强，软化点提高。同时沥青的粘稠度和粘聚力增大，通过油膜的粘结，提高了集