瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)概述

1、瀝青混凝土高溫性能指標(biāo)概述李清霞 姚輝寧（山東公路建設(shè)集團(tuán) 濟(jì)南 250012）摘要：通過(guò)對(duì)瀝青混合料高溫性能指標(biāo)研究過(guò)程的回顧，先后介紹了從實(shí)際出發(fā)模擬車轍變形的試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分析，獲取混合料的抗剪切性能的試驗(yàn)，以及從設(shè)計(jì)模量本身出發(fā)，研究混合料模量與混合料性能的試驗(yàn)。關(guān)鍵詞：高溫性能 車轍 剪切 模量1、 背景自從道路工程師使用瀝青混凝土鋪筑路面后，就在尋求評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能的簡(jiǎn)單方法。歷史上最廣泛使用的馬歇爾法，采用成型的圓柱體試件在60溫度下抵抗荷載的能力評(píng)價(jià)混合料穩(wěn)定性，但是其擊實(shí)的成型方法并不能的模擬路面碾壓成型過(guò)程，評(píng)價(jià)指標(biāo)馬歇爾穩(wěn)定度也有很高的變異性，與路用性能

2、并不存在好的相關(guān)性。從上世紀(jì)70年代到80年代，一種新型混合料路用性能高溫指標(biāo)評(píng)價(jià)方法出現(xiàn)，即車輪在成型的板狀瀝青混合料上行駛，觀察其瀝青混合料的變形情況，這一時(shí)期，出現(xiàn)了很多該原理下的輪式試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備，如輪轍儀，法國(guó)車轍儀(French Laboratory Rutting Tester)、諾丁漢車轍儀（Nottingham tester）、漢堡車轍儀（Hamburg Wheel Rut Tester）、瀝青路面分析儀（APA）等。圖1法國(guó)車轍儀 圖2漢堡車轍儀這些試驗(yàn)設(shè)備可以對(duì)試件所處環(huán)境進(jìn)行模擬，如溫度、濕度等，具有一定的實(shí)際意義，但是得到的輪轍變形結(jié)果如輪轍深度、相對(duì)變形量、動(dòng)穩(wěn)定度等

3、只是一種經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，并且試驗(yàn)結(jié)果受到很多限制，如車輪形狀、試件形狀、試件與試模的邊際效應(yīng)等。因此必須從力學(xué)原理上研究車轍的產(chǎn)生機(jī)理，并使用相應(yīng)的技術(shù)手段提高混合料的抗車轍能力。2、 力學(xué)分析根據(jù)NCHRP A-318報(bào)告及其他大量研究認(rèn)為，剪切變形是引起瀝青混凝土路面車轍的主要因素。由于車輪荷載的剪應(yīng)力超過(guò)瀝青混合料的抗剪切強(qiáng)度，致使瀝青混凝土出現(xiàn)了剪切變形，剪切變形不斷累積，生成了兩側(cè)隆起中間凹陷的路面車轍現(xiàn)象。為研究路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力情況，采用殼牌（shell）公司的bisar3.0進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算采用雙圓垂直荷載體系下標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100作為設(shè)計(jì)應(yīng)力，按一般高速公路設(shè)計(jì)選取結(jié)構(gòu)層組合以及

4、各層層厚及設(shè)計(jì)模量。表1普通路面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表層位 上面層 中面層 下面層 基層 路基厚度（cm）4 6 8 30模量(MPa) 1400 1400 1500 600 50泊松比 0.25 0.25 0.25 0.25 0.35計(jì)算雙圓荷載中心的路面表面下剪切應(yīng)力分布，距離x為各點(diǎn)到雙圓荷載輪隙中心橫向距離，計(jì)算結(jié)果如表2。 表2 剪切應(yīng)力分布表0.26625 0.213 0.1598 0.1065 0.0533 0.030.232 0.03679 0.0065 0.0231 0.2158 0.076330.2157 0.08905 0.01303 0.06183 0.1788 0.10650.1

5、997 0.1175 0.01826 0.0799 0.1433 0.095710.1851 0.1267 0.02289 0.07807 0.1142 0.077220.1744 0.1268 0.02661 0.0667 0.09276 0.062610.1577 0.118 0.0299 0.05056 0.0698 0.04690.1383 0.105 0.0319 0.03407 0.0498 0.03350.1149 0.08837 0.03262 0.01749 0.03116 0.021210.08459 0.06643 0.03224 0.01216 0.01054 0.00

6、773、高溫性能與抗剪能力由圖3可以看出，在瀝青路面結(jié)構(gòu)層中，中上面層受到比較的剪切應(yīng)力，可以從混合料抗剪切性能方面研究其高溫性能。3.1簡(jiǎn)單剪切試驗(yàn)SHRP開發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單剪切試驗(yàn)（SPT）設(shè)備直接測(cè)量瀝青混凝土的剪切特性，該設(shè)備是一套 液壓伺服閉環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)，包括加載系統(tǒng)、試驗(yàn)控制系統(tǒng)、數(shù)值采集系統(tǒng)、環(huán)境控制箱和液壓系統(tǒng)。試驗(yàn)過(guò)程是將圓柱體試件膠結(jié)在兩塊鋼板之間，在試件的頂面和底面施加剪力，并且在試件上施加一個(gè)軸向力以保持試件的高度不變，這樣就保證在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，試件的體積不變，試件的應(yīng)力狀態(tài)接近于純剪切狀態(tài)。目前，簡(jiǎn)單剪切試驗(yàn)的結(jié)果顯示出了較大的變異性，由于公稱最大粒徑的原因，使得圓柱體的

7、直徑與高度受到了影響。因此需要改善圓柱體的尺寸或形狀，有文獻(xiàn)建議長(zhǎng)高比不得小于3，并推薦使用長(zhǎng)方體試件。3.2單軸和三軸試驗(yàn)將瀝青混合料視為顆粒材料，采用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論分析瀝青混合料的強(qiáng)度特性，通過(guò)單軸或三軸試驗(yàn)獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用公式（1）和公式（2）計(jì)算得到抗剪能力指標(biāo)如值。=c+atan （1）1=(1-2)cos2 （2） 1=(1+2)-(1-3)sin2剪應(yīng)力a正應(yīng)力1、2、3單位立方體三個(gè)方向的主應(yīng)力c粘聚力內(nèi)摩阻角一般認(rèn)為單軸試驗(yàn)的溫度條件和荷載水平與實(shí)際的路面溫度和荷載水平相似，單軸試驗(yàn)是將圓柱體試件放在鋼板與壓頭之間，通過(guò)壓頭施加荷載，獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，孫立軍通過(guò)對(duì)道路實(shí)際荷

8、載的分布研究及單軸試驗(yàn)的分析，給出了單軸貫入下的抗剪方程推導(dǎo)公式和抗剪基本參數(shù)g1-g3-u=arcsin(g1+g3-u （3） u1-sinc=()2cosg1、g3 單軸貫入試驗(yàn)的第一和第三主應(yīng)力u無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度表3 單軸試驗(yàn)參數(shù)表如試件的抗壓強(qiáng)度為0.5MPa，試件的貫入強(qiáng)度為1.5MPa。1=1.50.765=1.1475MPa2=1.50.0872=0.1308MPa則max=1.50.339=0.5085MPa=arcsin1.1475-0.1308-0.51.1475+0.1308-0.50 =41.6o0.51-sin(41.6)c=0.1124MPa02cos(4

9、1.6)根據(jù)摩爾-庫(kù)侖原理，得到的混合料內(nèi)摩擦角越大，則混合料抵抗剪切破壞的能力越強(qiáng)。 但是剪切應(yīng)力仍然只是材料參數(shù)，雖然能夠?qū)ふ也牧系男阅芘c高溫性能的關(guān)系，仍無(wú)法與道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)。3、 動(dòng)態(tài)模量與高溫性能 在所有基于力學(xué)方法的瀝青路面設(shè)計(jì)中，瀝青混合料的模量是最重要的參數(shù)之一，也是連接材料性能與路面結(jié)構(gòu)性能的橋梁，我國(guó)的公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范選取的是20靜態(tài)抗壓回彈模量。仍以表1的路面結(jié)構(gòu)厚度，變化各層模量進(jìn)行計(jì)算，得到不同模量下的剪切應(yīng)力值。由表4中可以看出，當(dāng)模量增大時(shí)，對(duì)剪切應(yīng)力有一定的影響，而高模量的瀝青混凝土顯然具表4 模量變化表層位上面層中面層下面層基層 模量(MPa)1 1

10、400 1400 1500 600 模量(MPa)2 1400 2000 2000 600 模量(MPa)3 1400 2500 2500 600路基50 50 50表4 不同模量下的剪切應(yīng)力計(jì)算模量值1 模量值2 模量值30.0231 0.0186 0.015650.06183 0.05646 0.052060.0799 0.07959 0.078130.07807 0.08024 0.080840.0667 0.06863 0.070240.05056 0.05267 0.05460.03407 0.03583 0.037560.01749 0.01808 0.018890.001216

11、0.0034 0.0049有更高的剪切模量，在剪切應(yīng)力變化不大的情況下，其剪應(yīng)變更小，從而有更好的抗剪切能力，因此可以從模量角度來(lái)考慮瀝青混合料的高溫性能。路面結(jié)構(gòu)實(shí)際上受到車輛、氣候、人文等因素的不斷變化作用，它的實(shí)際工作狀態(tài)無(wú)論是力學(xué)模型、材料的性質(zhì)都與現(xiàn)行的靜態(tài)力學(xué)體系有較大差距。由于瀝青混合料材料的粘彈塑性性質(zhì)，對(duì)時(shí)間的影響因素十分敏感，因此必須研究動(dòng)態(tài)荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力參數(shù)，使得整個(gè)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系由靜態(tài)力學(xué)體系向動(dòng)態(tài)力學(xué)體系發(fā)展。據(jù)此美國(guó)的AASHTO2002瀝青路面設(shè)計(jì)指南及NCHRP1-A均將動(dòng)態(tài)模量作為基本的設(shè)計(jì)參數(shù)。動(dòng)態(tài)模量是瀝青混合料的基本特征之一，

12、瀝青混合料（HMA）是一種線性的粘彈性材料，在連續(xù)的正弦荷載作用下，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以用復(fù)合模量表達(dá)，E*=E+Ei 式中E、E分別是彈性模量和粘性模量''''''E=0cos()/0E=0sin()/0'''（4）0最大壓應(yīng)力 0最大可恢復(fù)軸向應(yīng)變 相位角動(dòng)態(tài)模量E*是復(fù)合模量E*的絕對(duì)值，E*=00=(E')+(E') （5）222002年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)Witczak教授利用西部環(huán)道試驗(yàn)（westrack）、美國(guó)聯(lián)邦公路局(FHWA)的加速加載試驗(yàn)（ALF）等試驗(yàn)路的瀝青混合料成型試件，在不同頻率和溫

13、度下進(jìn)行無(wú)約束加載動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，結(jié)果表明，瀝青路面的永久變形與無(wú)約束的E*/sin有很高的相關(guān)性。2003年Zhou及Scullion對(duì)動(dòng)態(tài)模量作為路用性能預(yù)測(cè)因子作了進(jìn)一步的野外試驗(yàn)驗(yàn)證，利用SHRP SPS-1試驗(yàn)路評(píng)判混合料的抗車轍能力，也得到了較好的相關(guān)性，如動(dòng)態(tài)模量增加，車轍減?。粍?dòng)態(tài)模量E*與E*/sin高度相關(guān)。由于動(dòng)態(tài)模量測(cè)試試驗(yàn)手段昂貴復(fù)雜，因此研究者將動(dòng)態(tài)模量與材料屬性相結(jié)合，得到一些相關(guān)關(guān)系式。Witczak將美國(guó)瀝青學(xué)會(huì)（AI）提供的200多組混合料設(shè)計(jì)材料進(jìn)行評(píng)估，得到2800多個(gè)動(dòng)態(tài)模量數(shù)據(jù)，建立了HMA動(dòng)態(tài)模量E*預(yù)估公式logE*=-1.249937+0.029

14、32P0.075-0.001767(P0.075)-0.002841P4.75-0.058097VV-0.0802208VbaVba+VV+3.871977-0.0021P0.075+0.003958P9.5-0.000017(P9.5)+0.005470P191+e(-0.6031313-0.313351logf-0.393532log)22 （6）式中瀝青粘度f(wàn)加載頻率Vba有效瀝青用量VV空隙率P19P9.5P4.75P0.075為各自篩孔的通過(guò)率2005年christensen等人得到另一種預(yù)測(cè)模型E*mix=Pc4200000(1-VMA/100)+3G*瀝青VMA3VFAG*瀝青-

15、1VFAVMA1000+(1-Pc)1-VMA/10042000+ (7) 3+VFAG*瀝青VMAVFAG*瀝青VMA0.678其中Pc=396+ (8) 0.678VMA 礦料間隙率VFA瀝青飽和度G*瀝青復(fù)合剪切模量研究發(fā)現(xiàn)，19mm及以上尺寸可以提供較高的動(dòng)態(tài)模量，間斷級(jí)配或較低的4.75通過(guò)率的瀝青混合料，同樣可以產(chǎn)生較高的動(dòng)態(tài)模量。空隙率與瀝青用量增加都會(huì)降低動(dòng)態(tài)模量，瀝青的粘度降低也會(huì)降低動(dòng)態(tài)模量。4、 總結(jié)經(jīng)過(guò)對(duì)高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的回顧，可以發(fā)現(xiàn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的發(fā)展伴隨著對(duì)瀝青路面認(rèn)識(shí)的不斷加深，有越來(lái)越的相關(guān)學(xué)科加入進(jìn)來(lái)進(jìn)行研究，同時(shí)，伴隨著結(jié)構(gòu)與材料的一體化，整個(gè)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系也在由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)演變。參考文獻(xiàn)1、 彭妙娟 許志鴻 瀝青混凝土路面永久變形實(shí)驗(yàn)方法評(píng)述J 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)2006 62、 陳祥義 吳劍 國(guó)外瀝青混合料抗車轍性能試驗(yàn)方法評(píng)述J 中外公路 2007.23、 呂偉民 瀝青穩(wěn)定基層瀝青混凝土路面抗剪性能的理論分析J 公路 2006.44、 Raj Donggre Leslie Myers Field Evaluation and Hirsch Models For Predicting D