沥青混合料高温性能评价指标概述

1、沥青混)疑土高温性能指标概述李清霞姚辉宁(山东公路建设集团 济南250012)摘要：通过对沥青混合料高温性能指标研究过程的回顾，先后介绍了从实际出发模拟车辙变 形的试验，通过对路面结构应力的分析，获取混合料的抗剪切性能的试验，以及从设计模量 本身出发，研究混合料模量与混合料性能的试验。关键词：高温性能车辙剪切模量1、背景自从道路工程师使用沥青混凝土铺筑路面后，就在寻求评价沥青混合料高温性能的简单 方法。历史上最广泛使用的马歇尔法，采用成型的圆柱体试件在60r温度下抵抗荷载的能 力评价混合料稳定性，但是其击实的成型方法并不能的模拟路面碾压成型过程，评价指标马 歇尔稳定度也有很高的变异性，与路用性

2、能并不存在好的相关性。从上世纪70年代到80年代，一种新型混合料路用性能高温指标评价方法出现，即车轮 在成型的板状沥青混合料上行驶，观察其沥青混合料的变形情况，这一时期，出现了很多该 原理下的轮式试验测试设备，如轮辙仪，法国车辙R(French Laboratory Rutting Tester) 诺丁汉车辙仪(Nottingham tester)、汉堡车辙仪(Hamburg Wheel Rut Tester)、沥青路 面分析仪(APA)等。图1法国车辙仪图2汉堡车辙仪这些试验设备可以对试件所处环境进行模拟，如温度、湿度等，具有一定的实际意义， 但是得到的轮辙变形结果如轮辙深度、相对变形量、动

3、稳定度等只是一种经验指标，并且试 验结果受到很多限制，如车轮形状、试件形状、试件与试模的边际效应等。因此必须从力学 原理上研究车辙的产生机理，并使用相应的技术手段提高混合料的抗车辙能力。2、力学分析根据NCHRP A-318报告及其他大量研究认为，剪切变形是引起沥青混凝土路面车辙的 主要因素。由于车轮荷载的剪应力超过沥青混合料的抗剪切强度，致使沥青混凝土出现了剪 切变形，剪切变形不断累积，生成了两侧隆起中间凹陷的路面车辙现象。为研究路面结构内部受力情况，采用壳牌（shell）公司的bisar3.0进行分析计算， 计算采用双圆垂直荷载体系下标准轴载BZZ-100作为设计应力，按一般高速公路设计选

4、取结 构层组合以及各层层厚及设计模量。表1普通路面结构数据表层位厚度（cm）模量(MPa)泊松比上面层414000.25中面层614000.25下面层815000.25基层306000.25路基500.35计算双圆荷载中心的路面表面下剪切应力分布，距离x为各点到双圆荷载轮隙中心横向距 离，计算结果如表2。 .深 度 距离x 表2剪切应力分布表246810121416180.266250.2320.21570.19970.18510.17440.15770.13830.11490.084590.2130.036790.089050.11750.12670.12680.1180.1050.0883

5、70.066430.15980.00650.013030.018260.022890.026610.02990.03190.032620.032240.10650.02310.061830.07990.078070.06670.050560.034070.017490.012160.05330.21580.17880.14330.11420.092760.06980.04980.031160.010540.030.076330.10650.095710.077220.062610.04690.03350.021210.00770.140.120.10.040.02IEIIEIIf0123456

6、789 深度(cm)图3剪切应力分布剪应辨0.063、高温性能与抗剪能力由图3可以看出，在沥青路面结构层中，中上面层受到比较的剪切应力，可以从混合料抗剪切性能方面研究其高温性能。3.1简单剪切试验SHRP开发了一个简单剪切试验（SPT）设备直接测量沥青混凝土的剪切特性，该设备是 一套液压伺服闭环试验系统，包括加载系统、试验控制系统、数值采集系统、环境控制箱 和液压系统。试验过程是将圆柱体试件胶结在两块钢板之间，在试件的顶面和底面施加剪力， 并且在试件上施加一个轴向力以保持试件的高度不变，这样就保证在整个试验过程中，试件 的体积不变，试件的应力状态接近于纯剪切状态。目前，简单剪切试验的结果显示出

7、了较大 的变异性，由于公称最大粒径的原因，使得圆柱体的直径与高度受到了影响。因此需要改善 圆柱体的尺寸或形状，有文献建议长高比不得小于3,并推荐使用长方体试件。3.2单轴和三轴试验将沥青混合料视为颗粒材料，采用摩尔-库仑强度理论分析沥青混合料的强度特性，通 过单轴或三轴试验获得试验数据，采用公式（1）和公式（2）计算得到抗剪能力指标如中值。t = c + b tan 9（ 1）f1t = （b b ） cos 91b =（b + b ） （b b ） sin 9 t剪应力b正应力b、b、b 单位立方体三个方向的主应力c粘聚力9内摩阻角一般认为单轴试验的温度条件和荷载水平与实际的路面温度和荷载水

8、平相似，单轴试验 是将圆柱体试件放在钢板与压头之间，通过压头施加荷载，获得试验数据，孙立军通过对道 路实际荷载的分布研究及单轴试验的分析，给出了单轴贯入下的抗剪方程推导公式和抗剪基 本参数ig 4g 3ub 4 一 sin 9c = u ()2 cos 9b中 =arcsin( 4=)b + b - bb g4、b g 3(3)单轴贯入试验的第一和第三主应力无侧限抗压试验的抗压强度表3单轴试验参数表b g 4b g 3max参数0.7650.08720.3390如试件的抗压强度为0.5MPa，试件的贯入强度为1.5MPa。b = 4.5 x 0.765 = 4.4475 MPab = 4.5

9、x 0.0872 = 0.4308 MPa则t= 4.5 x 0.339 = 0.5085 MPa4.4475 - 0.4308 - 0.5中=arcsin = 44 .6 4.4475 + 0.4308 - 0.5=0.4424 MPa0.5 4 sin(44.6。)2 cos( 44 .60 )根据摩尔-库仑原理，得到的混合料内摩擦角越大，则混合料抵抗剪切破坏的能力越强。但是剪切应力仍然只是材料参数，虽然能够寻找材料的性能与高温性能的关系，仍无法 与道路结构设计联系起来。3、动态模量与高温性能在所有基于力学方法的沥青路面设计中，沥青混合料的模量是最重要的参数之一，也是 连接材料性能与路面结

10、构性能的桥梁，我国的公路沥青路面设计规范选取的是20r静 态抗压回弹模量。仍以表4的路面结构厚度，变化各层模量进行计算，得到不同模量下的剪切应力值。由 表4中可以看出，当模量增大时，对剪切应力有一定的影响，而高模量的沥青混凝土显然具表4模量变化表层位模量(MPa)1模量(MPa)2模量(MPa)3上面层140014001400中面层140020002500下面层150020002500基层600600600路基505050表4不同模量下的剪切应力计算深度4681012141618模量2模量值10.02310.061830.07990.078070.06670.050560.034070.017

11、490.001216模量值20.01860.056460.079590.080240.068630.052670.035830.018080.0034模量值30.015650.052060.078130.080840.070240.05460.037560.018890.0049有更高的剪切模量，在剪切应力变化不大的情况下，其剪应变更小，从而有更好的抗剪切能力，因此可以从模量角度来考虑沥青混合料的高温性能。路面结构实际上受到车辆、气候、人文等因素的不断变化作用，它的实际工作状态无论是力学模型、材料的性质都与现行的静态力学体系有较大差距。由于沥青混合料材料的粘弹 塑性性质，对时间的影响因素十分敏

12、感，因此必须研究动态荷载作用下的路面结构的动力特 性和动力参数，使得整个沥青路面结构设计体系由静态力学体系向动态力学体系发展。据此美国的AASHTO2002沥青路面设计指南及NCHRP1-A均将动态模量作为基本的设 计参数。动态模量是沥青混合料的基本特征之一，沥青混合料（HMA）是一种线性的粘弹性材料， 在连续的正弦荷载作用下，应力-应变关系可以用复合模量表达，E* = E + E i式中E、E分别是弹性模量和粘性模量E = b cos（。） / （4）E =b sin（。）/b 0最大压应力0 最大可恢复轴向应变4 相位角动态模量E *|是复合模量E*的绝对值，|e*|=、= %（E ）2

13、+ （E ）2（5）02002年，美国马里兰大学Witczak教授利用西部环道试验（westrack）、美国联邦公路 局 （FHWA）的加速加载试验（ALF）等试验路的沥青混合料成型试件，在不同频率和温度下 进行无约束加载动态模量试验，结果表明，沥青路面的永久变形与无约束的E */sin 4有很高的相关性。2003年Zhou及Scullion对动态模量作为路用性能预测因子作了进一步的野外试验验 证，利用SHRP SPS-1试验路评判混合料的抗车辙能力，也得到了较好的相关性，如动态模 量增加，车辙减小；动态模量E *|与|e *|/sin 4高度相关。由于动态模量测试试验手段昂贵复杂，因此研究者

14、将动态模量与材料属性相结合，得到 一些相关关系式。Witczak将美国沥青学会（AI）提供的200多组混合料设计材料进行评估，得到2800 多个动态模量数据，建立了 HMA动态模量|e *|预估公式（6）log E J = -1.249937 + 0.02932 P0 075 0.001767 (P0 075 )2 0.002841 P4 75 0.058097 W 一 0.0802208 匕 3.871977 0.0021 与皿 + 0.003958 P95 0.000017 (P95)2 + 0.005470 二V + VV1 + e (0.6031313 0.313351 xlog f

15、0.393532 xlog T|)式中门沥青粘度f加载频率七一一有效沥青用量VV空隙率P P P P为各自筛孔的通过率2005年christensen等人得到另一种预测模型E *1mix=P 4200000(1 VMA/100) + 3g * VFA x VMA + (1 Pc)1 VMA/100 + c沥青 _ 100042000VMA 13VFA| G *| 沥青3 + A *沥青0.678其中P =c(8)VMAVFA x G *396 + 沥耕0.678VMAVMA矿料间隙率VFA沥青饱和度G *|沥青复合剪切模量研究发现，19mm及以上尺寸可以提供较高的动态模量，间断级配或较低的4.

16、75通过 率的沥青混合料，同样可以产生较高的动态模量。空隙率与沥青用量增加都会降低动态模量， 沥青的粘度降低也会降低动态模量。4、总结经过对高温性能评价指标的回顾，可以发现，评价指标的发展伴随着对沥青路面认识的 不断加深，有越来越的相关学科加入进来进行研究，同时，伴随着结构与材料的一体化，整 个沥青路面结构设计体系也在由静态向动态演变。参考文献1、 彭妙娟 许志鸿沥青混凝土路面永久变形实验方法评述J同济大学学报2006 62、 陈祥义吴剑国外沥青混合料抗车辙性能试验方法评述J中外公路2007.23、吕伟民沥青稳定基层沥青混凝土路面抗剪性能的理论分析J公路2006.44、Raj Donggre Leslie Myers Field Evaluation and Hi