铺面材料组成及其力学性质

1、第五章 铺面材料组成及其力学性质引言1、路面材料的类型颗粒材料，粒料，无黏结材料 水硬性材料，水泥稳定类，石灰 -粉煤灰稳定碎砾石，水泥、石灰稳定材料，其 他（如钢渣，工业废渣等） 沥青类材料，沥青混凝土，沥青碎石，沥青稳定类材料水泥混凝土2、应力-应变特性：模量 E,这是主要力学分析参数3、强度特性：了解其自身的抗力，了解强度的来源4、变形特性：变形能力，可恢复的和不可恢复的变形，对平整度的影响5、疲劳特性：与寿命有关，与荷载作用次数有关6、耐久性： 自然因素的影响， 包括水的作用、 水稳定性、 抗剥落特性、 抗冻融特性 （温 度）、自然老化、抗紫外线、颗粒材料的工程性质1、强度来源强度来源

2、 颗粒类材料由于无结合料的黏结， 所以不是一个整体， 是一个结构层， 但 自身是松散的。不能承受拉应力的作用，可以受压或受剪切。黏结力为零。 内磨檫力提供了抗剪切强度，但取决于粒料的纹理、密实度、颗粒形状、 级配等因素颗粒材料的几种组成状态 骨架结构，不含或很少细料（ <0.074）的状态，见图：强度来源于接触部 位的摩擦力，对集料强度要求高；水稳定性好，透水性好，无冻敏 骨架 -填充结构，见图：强度来自于摩擦力，抗剪切强度有所提高；密度 高，透水性差，可能是冻敏的，取决于填充料；不耐冲刷。三渣多属于这 种结构。悬浮结构， 粗集料悬浮于细集料之中， 见图： 强度取决于填充料； 密度高，

3、不透水，水敏，冻敏，不耐冲刷压碎值、形状与透水性 压碎值取决于集料的强度和形状， 压碎值不足的危害是很大的， 产生变形 和强度问题即便是基层、 底基层等层次， 虽然整体受力较小， 但局部接触应力可能很 大，仍需要限制压碎值过于密实碎可提高强度， 但可能会牺牲水稳定性、 温度稳定性和抗冲刷能 力，设计者应设法平衡强度与稳定性之间的关系形状可能会影响压碎值，所以采用测试压碎值的集料的形状应符合要求。 集料生产过程中的内部裂纹会影响压碎值级配要求，应满足一定的级配要求，可参见有关手册或规范 测试与计算测试采用三轴试验计算： 二. tg2、应力-应变关系更正：P44，倒14行，减小应为增大测定方法：三

4、轴试验注意：该曲线与土的应力-应变曲线的区别粒料的模量与其应力状态有关Er = «二",0 为 主 应 力 之 和 ，二 一 二2 飞3 一- 2 2, k 为系数，k1=7.0-15.7 ,。见图由于曰与0-3有关，所以模量还可以表示为：Er = f,匸/2荷载-弯沉关系，随着荷载（弯沉）的增大，模量在增加设计中的考虑粒料模量的取值比较困难，因为E=F （应力，棱角，纹理，密度），设计中无法考虑这么详细Eg 二 K Eo3、变形累计，P51，图5-11与土的变形累计规律类似当工/二3较小时，；p趋于缓慢稳定增加当丄二/匚3较大时，；p急剧增加随丄二/-3增加，稳定的；p增

5、加4、泊松比一般 , 般取 三、稳定类材料（石灰土，水泥土，水泥碎石，三渣）1、强度特性强度来源黏结力，内摩擦力当采用黏结力、内摩擦力的概念时，总与剪切有关，=C :- t，P52式5-8有误，lg应为tg。实际上，黏结力和内摩擦力提供了各种强度。 测试方法三轴压缩试验，P45图5-2梁式试件，4点加荷法，三分点加荷试验，P45图5-2劈裂试验，间接拉伸试验，图同样三种组成状态。由于是整体性材料，所以同样应注意其水稳定性。细集料 （结合料）含量越多，越容易冲刷。在满足填充要求的前提下，应尽量减少细集料的用量。强度不是唯一的标准。级配一般采用骨架-填充结构2、三轴压缩状态下的应力-应变关系a-

6、&关系与土的类似（P35，图4-1），见下图，应变随荷载的增大而迅速增大同样，为应力偏量的函数在应力级位较小时，近似直线，E为常数与粒料的"关系有很大不同，凹向相反，悬浮结构的粒料可能相似（如果细料类似土的话），这反映了黏结型与嵌锁型的区别3、梁式弯拉状态下的应力-应变关系梁式试件是半拉半压的受力状态，性质应处于拉、压之间，所得模量略小于三 轴不反映侧限力的影响应力-应变曲线与上图类似，但损坏区域更明显，速度更快4、影响因素结合料的剂量和活性龄期集料的类型(土)5、参考值域3水泥土： E= (0.7-7) *10 Mpa,尸3水泥稳定碎石：(7-28) *10 Mpa ,尸6

7、、变形特性：累计永久变形忽略不计7、疲劳特性概念疲劳是指材料在低于极限荷载的英里作用下发生破坏，是重复荷载作用下微裂纹的扩展，重复荷载作用的大小不可太大。疲劳反映了路面的寿命， 反映了小吨位荷载作用下的数千万次的重复作用，滴水穿石的效果。疲劳 设计是路面设计的重要概念，是路面设计的重要特点。疲劳寿命：指从开始加载至损坏时的荷载作用次数；通常采用梁式试件测 量，四点加荷法。所施加的应力实际上就是破坏时的应力，成为疲劳强度。疲劳极限：当荷载小于一定数值时，材料永远不会发生疲劳损坏，这个数值曾经定义 为10A7,目前已经不行。对钢材，应力比 0.5。加载波形有多种，典型的有三种：低应力为零:常用方式

8、，沥青路面方式低应力 零:水泥路面方式低应力 零:双向加载方式，不常用随着荷载作用次数的增加，材料的抗力(强度、模量)在不断降低。疲劳寿命与加荷方式、波形、频率等因素有关。荷载级位越大，疲劳寿命 越短；荷载级位越小，疲劳寿命越长。当然还与材料自身的特性有关，与 黏结料的性质有关，与集料的性质也有关。一般而言，影响弯拉强度的因 素都将影响疲劳特性。疲劳特性一般用应力或应变与疲劳寿命之间的关系来表示，两者之间在半对数或双对数坐标上一般呈线性关系。见图。疲劳方程的离散性一般很大疲劳方程示例石灰土： 二 0.9320.058lg N(Swan son & Thompson )-f常见表达方式:

9、-? - lg N，低应力为零有高低应力比时的疲劳方程:(- R) lg N，低应力 >0RcRNi, Rc :极限曲率半径,R :曲率半径，N :作用次数。(PCA)水泥混凝土：0.972 - 0.0828lg N=1.000 - 0.0685(1 - Rs) lg N( Tepfer)二 f对荷载的敏感性参数B反映了材料对荷载的敏感性,其大小与荷载换算系数的指数有关：B越小，对荷载的作用越敏感，因为1n 二丄（0.60.9）理论上，参数 a=1。四、沥青混合料1、强度来源与以上相同，即沥青提供的黏结力和集料提供的内摩擦力常用的沥青混合料类型沥青混凝土（ AC ）抗滑磨耗层（AK ）S

10、MAOGFC抗滑磨耗层，多孔沥青路面（ PAC）2、应力-应变关系沥青混合料是一种粘弹塑性材料，其应力-应变关系受温度、时间等外界因素和沥青含量、沥青性质、集料级配和集料性质等自身因素的影响，所以与一般材料不同，对沥青混合料的应力 -应变关系，讨论其蠕变特性典型蠕变关系曲线见图£p :塑性变形，永久变形，与荷载级位、加荷时间以及温度有关温度影响：受温度影响是沥青混合料的主要特点之一，高低温时应变可相差几十倍高温时，主要表现为粘塑性特性，粘性、塑性变形很大，影响车辙大小低温时，主要表现为线弹性，影响疲劳和开裂特性（疲劳开裂和低温开裂） 劲度（模量）定义：Sti ，与时间、温度有关的特征

11、量（条件参数），时温， 乜丿t,T（转换）关系：P47图。时间-温度的等效转换对于试验设计非常重要。蠕变模量通常采用单轴或三轴压缩试验测定。蠕变模量的定义为 E。目前欽t）实验方法尚未形成标准，常用偏应力=0.1-0.2MPA , T=40 C。加载方式包括静态、动态和重复荷载三种方式。如下图。静态荷载时，£ （t）为总变形；动态、重复荷载时，£ （t）为塑性变形+粘性变形动态模量动态模量的试验过程与上图中的（b）类似。-t = ；丁0 sin t；t = ；0 si n t I量定义为动态模量:*E注意：1、试验时间不可太长，否则；0不是常数，而是时间的函数，因为疲劳2、

12、= （t），反映了材料的流变特性，对弹性体，相位差为“0”回弹模量回弹模量定义为 Er二一二，测试方法有三种，见 P49图。注意：；r与上面蠕变试验中£ （ t）的区别；前者为弹性变形 +部分粘性变形,后者为塑性变形+部分粘性变形。所以前者用于结构疲劳分析，后者用于车辙分析。劲度预估SHELL 方法，P503、变形特性变形特性可由动态或重复荷载作用下的蠕变特性定义，反映材料的粘塑性，迄 今缺少可靠的预估模型影响变形特性的因素温度、应力和作用时间（加载频率） 沥青的含量、质量集料特性，包括棱角、破裂面比例，集料表面纹理、级配等 压实度、压实方法4、泊松比与沥青含量、温度和集料特性有关，

13、一般取。P50。实际上，大部分混合料的泊松比大于0.50。5、强度特性抗弯拉强度，抗剪切强度，抗拉强度影响因素沥青的性质与含量，集料的性质与级配，温度和加荷速率抗剪切强度（P53,图5-14、5-15）抗拉强度（P54，图5-19）6、疲劳特性试验方法，梁式、劈裂和悬臂式加载方法应力控制，试验过程中保持所加的荷载不变，应变不断增大，P58,图5-23应变控制，试验过程中保持所加的应变不变，应力不断减小；破坏不明显，一般定义为模量衰变 50%时为破坏点；P58，图5-23目前已经逐步趋向于采用应变控制疲劳方程双对数直线方程目前一般采用应变表示法。影响因素Monismith 方程影响混合料疲劳特性的因素很多，要全部考虑是困难，只能选择主要的、综合性强 的因素加以考虑。Monismith给出了比较有代表性的方程：五、水泥混凝土疲劳特性-maxk-0.07241-R IgNflg