沥青路面材料的力学特性与温度稳定性

1.沥青混合料的强度特性

表征沥青混合料力学强度的参数是：抗压强度、抗剪强度和抗拉（包括抗弯拉）强度。一般沥青混合料均具有较高的抗压强度，而抗剪和抗拉强度则较低。因此，沥青路面的损坏，往往是由拉裂或滑移开始而逐渐扩展的。

（1）抗剪强度。沥青混合料的剪切破坏可按摩尔一库仑原理进行分析。材料在外力作用下如不产生剪切破坏，则应具备下列条件：

式中　τmax——在外荷载作用下，某一点所产生最大的剪应力；

　　　σ——在外荷载作用下，在同一剪切面上的正应力；

　　　C，φ——材料的粘聚力，内摩阻角。

沥青混合料的抗剪强度主要取决于沥青与矿料相互作用而产生的粘聚力，以及矿料在沥青混合料中相互嵌挤而产生的内摩阻角。

沥青混合料的粘聚力取决于许多因素，其中最主要的是沥青粘滞度、沥青含量与矿粉含量的比值，以及沥青与矿料相互作用的特性。沥青的粘滞度越高，粘聚力就越大，因为高粘滞度的沥青能使沥青混合料的粘滞阻力增大，因而具有较高的抗剪强度。随着沥青含量增加，矿料颗粒间自由沥青增加，沥青混合料的粘聚力随即下降。在沥青与矿料的相界面上，由于分子的吸附作用，越靠近矿料表面，沥青的粘滞度越高。因此，矿料的比面积和矿料周围沥青膜的厚度对沥青混合料的粘聚力有很大的影响。矿料颗粒越小，比面积越大，包覆矿料颗粒的沥青膜越薄，粘聚力就越大。沥青的表面活性越强，矿料对沥青的亲和性越好，吸附作用就越强烈，粘聚力也越大。碱性的矿料与沥青粘聚时，会发生化学吸附过程，在矿料与沥青接触面上形成新的化合物，因而粘聚力较高。酸性的矿料与沥青粘结时，不会形成化学吸附过程，粘聚力就较低。

矿料的级配、颗粒的形状和表面特性，都对沥青混合料的内摩阻力产生影响。随着颗粒尺寸的增大，内摩阻力也就增大。颗粒表面粗糙、棱角尖锐的混合料，由于颗粒相互嵌紧，其内摩阻力要比圆滑颗粒的混合料大得多。此外，沥青混合料中沥青的存在总是会降低矿质混合料的内摩阻力。沥青含量过多时，不仅内摩阻力显著地降低，而且粘聚力也下降。

（2）抗拉强度。在气候较寒冷地区，冬季气温下降，特别是急骤降温时，沥青混合料发生收缩，如果收缩受阻，就会产生拉应力，该应力超过沥青混合料的抗拉强度，路面就会产生开裂。

沥青混合料的抗拉强度，可以直接拉伸试验或间接拉伸——劈裂试验测定。沥青混合料劈裂试验施加荷载时大都是沿垂直直径的平面产生拉力劈裂而开始破坏，沥青混合料的极限抗拉强度可由下式求得：

式中　Pmax——破坏荷载；

　　　t——劈裂试件厚度；

　　　d——劈裂试件直径。

沥青混合料在低温下的抗拉强度同沥青的性质、沥青含量、矿质混合料的级配、测试时的温度等因素有关。试验表明，沥青的粘滞度大，或沥青含量较大，沥青混合料具有较高的抗拉强度。密级配混合料的抗拉强度较开级配混合料高。在低温下沥青混合料的抗拉强度随温度降低而提高，形成一个峰值，即脆化点，低于脆化点后则强度下降。

我国现行的TJT 014－97《公路沥青路面设计规范》中沥青混凝土的抗拉强度采用劈裂试验测得的劈裂强度（见表8-11）。

表8-11　沥青混凝土劈裂强度的常见值

（3）抗弯拉强度。沥青路面在行车重复荷载作用下，往往因路面弯曲而产生开裂破坏，因此，必须验算沥青混合料的抗弯拉强度。

沥青混合料的抗弯拉强度在室内用梁式试件在简支受力情况下测定。

沥青混合料的抗弯拉强度为

式中　P——最大荷载，MN；

　　　b——试件宽度，m；

　　　h——试件高度，m；

　　　L——跨径，m。(www.xing528.com)

沥青混合料的抗弯拉强度，取决于所用材料的性质（沥青的性质、沥青的用量、矿料的性质、混合料的均匀性）及结构破坏过程的加荷状况（重复次数、应力增长速度等）。此外，计算时期的温度状况对抗弯拉强度也有很大的影响。

2.沥青混合料的应力—应变特性

沥青混合料是一种弹—粘塑性材料，在应力—应变关系中呈现出不同的性质。有时仅呈现为弹性性质，有时则主要呈粘塑性性质。而大多数情况下，几乎同时综合呈现上述性质。掌握表征这些性质的指标，就能正确地判断沥青混合料在不同条件下的特性，特别是沥青混合料在最高和最低温度下的变形特性。

为了研究沥青混合料的工作性质，必须考虑材料的蠕变和应力松弛现象。蠕变是材料在固定的应力作用下，变形随时间而发展的过程。沥青混合料的蠕变试验表明，在作用应力恒定的情况下，弹—粘塑性材料的变形随时间的发展，取决于作用应力的大小。当作用应力相当小，即低于弹性极限或屈服点时，应力作用后，一部分变形瞬即在该材料中产生，并在应力撤除之后，仍以同样的速度消失，这是沥青混合料的纯弹性变形（或称瞬时弹性变形），在这个范围内应力和应变呈直线关系。另一部分变形随力的作用时间而缓慢增大，应力撤除后，变形也随时间增加而缓慢地消失，这是沥青混合料的粘弹性变形（或称滞后弹性变形）。这种情况说明，沥青混合料受力较大时，即高于弹性极限或屈服点，特别是受力的时间短促时，材料呈现出弹性或兼有粘弹性的性质。当作用力相当大时，在相当长的时间内（超过弹性变形发展的时间），材料的变形除有瞬时弹性变形和滞后弹性变形外，还存在粘滞性塑性流动变形。应力撤除后，这部分变形不再消失，这就是塑性变形。这种情况说明，沥青混合料受力相当大，且受力时间又较长时，材料不仅产生弹性变形，而且有随时间而发展的塑性变形。

为了正确地了解沥青混合料的工作状况，还应考虑沥青混合料在应力—应变状态下呈现出应力松弛特性。应力松弛是变形物体在恒定应变下应力随时间而自动降低的过程，这是由于物体内部流动的结果。为使物体保持变形的状态，随着时间的推移，所需的力越来越小，应力下降到初始数值的那段时间，叫做松弛时间。这是表征松弛过程的主要因素。沥青混合料的松弛时间主要取决于沥青的粘滞度。随着温度的增高与粘滞度的降低，沥青混合料松弛时间也就缩短。

沥青混合料呈现为弹性还是粘塑性质，只决定于荷载作用时间与应力松弛时间的比值。若荷载作用时间比应力松弛时间短得多，材料就呈现为理想的弹性体。反之，若荷载作用的时间比应力松弛时间长得多，则呈现为粘塑性体。如果荷载作用时间与应力松弛时间相同，则材料是弹—粘—塑性的，同时呈现弹性和流动。荷载作用时间相同的情况下，沥青混合料的性质，既可能是弹性体，也可能是粘塑性体，视温度的高低而定。

沥青混合料在冬季低温时具有很高的粘滞度，因而应力松弛时间大大超过荷载作用时间。在此情况下，沥青混合料就呈现为弹性体，并且具有弹性体的变形特性。夏季高温时，沥青混合料的粘滞度迅速降低，因此，应力松弛时间也就大大缩短，与荷载作用时间接近或比它短得多，在临界状态下就产生塑性变形。

由此可见，沥青混合料的应力—应变特性，不仅同荷载大小和作用时间有关，而且与材料的温度有关。

考虑到荷载作用时间和温度对沥青及沥青混合料应力—应变特性的影响，C·范德甫（Vander Poel）提出用劲度模量（简称劲度）作为表征弹—粘塑材料的性质指标。所谓劲度模量，就是材料在给定的荷载作用时间和温度条件下应力与应变的比值。沥青的劲度模量根据其针入度、软化点指标，温度高低以及荷载作用时间或频率，通过诺谟图得出。沥青混合料的劲度模量是沥青的劲度模量和混合料中集料数量的函数。

3.疲劳特性

如同其他路面材料一样，沥青混合料的变形和破坏，不仅与荷载应力的大小有关，而且同荷载作用次数有很大关系。路面材料在低于极限抗拉强度下经受重复拉应力或拉应变而最终导致破坏，称为疲劳破坏。导致路面材料最终破坏（即开始疲劳开裂）的荷载作用次数，称为疲劳寿命。

影响沥青混合料疲劳特性的因素很多，除了与材料的性质（种类、组成等）、环境因素（温度、湿度等）、加荷方式等因素有关外，还取决于沥青混合料的劲度。因此，任何影响劲度的因素（矿料级配、沥青种类和用量、混合料的压实程度和空隙率、试验的温度、加荷速度和应力级等）对混合料的疲劳特性都有影响。

疲劳试验可以用控制应力或控制应变两种方式控制加荷。如用控制应力方式，则每次对试件施加的荷载为常量。由于施加荷载过程中，在应力集中处开始产生裂缝，随着荷载作用次数增多，试件不断受到损伤，劲度随之而降低，故荷载应力尽管不变，实际的弯曲应变则随施加荷载次数的增加而增大。对于控制应变方式，在测试过程中，始终保持每次荷载下应变值不变，要不断改变荷载使梁产生一固定值的挠曲，因此，应力随施加荷载次数的增加而不断减小。试验表明，同一种沥青混合料因试验时所采用的控制方式不同，试件达到破坏的荷载作用次数有一定的差别。一般情况下，按应力控制得出的疲劳寿命较短。路面设计时，用应力还是用应变控制，主要取决于路面的应力状态更接近于那一种试验的受力状态。这也是学术上界广泛开展研究的课题，尚有争议。由于应变便于量测，以应变作为设计指标者居多。

4.沥青路面的高温稳定性

沥青混合料的特点是强度和抗变形能力随温度的升降而产生变化。这种变化会导致沥青路面稳定性和工作状况变坏，使用性能降低。

夏季高温时，在停车地点（平面交叉路口、停车站、停车场等）和行车变速的路段上，由于行车的起动与制动，加速与减速，路面可能受到很大的水平作用力（可达到0.6～0.8MPa），并且在车辆的重复荷载作用下会发生变形累积。在这种情况下，若沥青混合料的高温稳定性不足，路面就会产生较大的剪切变形。因此提高沥青混合料在高温下的抗剪切能力，就是提高其温度稳定性。

沥青路面在高温下产生的剪切变形，大体上有下列两种情况：一种是面层很薄，或者面层与基层之间的粘聚力很差时，面层将沿着基层顶面滑动；另一种是面层很厚，或者面层与基层之间的粘聚力很大时，则整个面层内部发生推挤移动。

多年来，国内外一些研究工作者都从抗剪切原理出发，着重从荷载应力和材料强度的对比，提出一些分析沥青路面高温稳定性的计算模式。但是，限于力学计算和试验条件都还不够完善而未普遍采用。目前，对沥青混合料高温稳定性的分析，大都借助于试验的方法，较广泛应用的有马歇尔稳定度、无侧限抗压强度和车辙试验等试验方法。

影响沥青混合料高温稳定性的因素主要是：沥青和矿料的性质及其相互作用的特性、矿料的级配组成等。

为了提高沥青混合料的高温稳定性，可采用提高粘聚力和内摩阻力的方法。在混合料中增加粗矿料含量，或限制剩余空隙率，使粗矿料形成空间骨架结构，就能提高混合料的内摩阻力。适当地提高沥青材料的粘稠度，控制沥青与矿粉的比值，严格控制沥青用量，采用具有活性的矿粉，以改善沥青与矿粉的相互作用，就能提高混合料的粘结力。此外，在沥青混合料中使用掺入聚合物（如天然橡胶、合成橡胶、聚异丁烯、聚乙烯等）改性的沥青，也能取得比较满意的效果。

车辙是路面结构及土基在行车荷载作用下的补充压实，以及结构层中材料的侧向位移产生的累积永久变形。这种变形出现在行车轮带处，即形成路面的纵向带状凹陷。车辙是高级沥青路面的主要破坏型式。沥青混凝土的热稳性主要表现在夏季路面是否在车辆荷载的作用下逐渐形成车辙。沥青混合料的动稳定度是一项沥青混合料的车辙试验指标。

影响沥青混合料动稳定度的因素较多。一般密级配的动稳定度大于开级配，沥青用量过多，动稳定度下降，试验温度低则动稳定度高，试验荷载大则动稳定度低。采用改性沥青则可明显地提高动稳定度。我国JTJ014—97《公路沥青路面设计规范》规定，高速公路沥青混合料的动稳定度应大于800次/mm，一级公路的动稳定度应大于600次/mm。若在南方长期持续气温较高地区，应尽可能地提高沥青混合料的动稳定度指标。

5.沥青路面的低温抗裂性

沥青路面在低温时强度虽然增大，但其变形能力却因刚性增大而降低。气温下降，特别是在急骤降温时，会在路面结构上产生温度梯度，路面面层遇降温而收缩的趋势会受到其下部层次的约束在面层产生拉应力。开始时由于沥青混合料的劲度相对较低，这个拉应力较小，但是随着进一步的降温，在低温状态下，沥青混合料的劲度增加，从而伴随了收缩趋势的进一步增强，导致拉应力超过沥青混凝土的强度，造成面层开裂。沥青路面的低温缩裂，大致可分为两类：一类是温度下降而造成路面的开裂，它与沥青混合料的体积收缩有关，这种裂缝是由表面开始开裂而逐渐发展成为裂缝；另一类是属于路基或基层收缩与冰冻共同作用而产生的裂缝，这类裂缝是从基层开始逐渐反映到沥青面层开裂。由于路面收缩的主轴是纵向的，因此，低温产生的裂缝大多是横向的。裂缝的间距一般为6～10m。裂缝的出现，往往就是沥青路面损坏开始。随着低温循环的影响，裂缝将会进一步扩展，随后雨水由裂缝渗入路面结构，逐渐导致路面工作状况恶化。

影响低温开裂的因素很多，其中主要的因素是路面所用沥青的性质、当地的气温状况、沥青老化程度、路基的种类和路面层次的厚度等。此外，路面面层与基层的粘着状况、基层所用材料的特性、行车的状况对开裂也有一定的影响。

关于低温缩裂有许多研究方法，如预估开裂温度、直接确定断裂温度的方法等。

6.沥青路面的水稳性

高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土应具有良好的水稳性。沥青混凝土的水稳性指标，除通常采用浸水马歇尔试验和沥青与矿料的粘附性试验，以检验沥青混合料受水损害时的抗剥落性能外，对年最低气温低于－21.5℃的寒冷地区，还应增加沥青混合料冻融劈裂残留强度试验。