应力-应变特性|铺面工程学

沥青混合料的应力-应变特性与其他几类材料有很大区别。由于沥青混合料中所含沥青具有依赖于温度和加荷时间的黏-弹性性状，故沥青混合料在荷载作用下也具有随温度和荷载作用时间变化的特性。

1.应力-应变关系

对沥青混合料进行三轴压缩试验，在不变应力的作用下，可以得到应变同应力作用时间的关系曲线，如图5-25所示。其中，图5-25（a）为施加应力相当小的情况，一部分应变在施荷后立即产生，而卸载后这部分应变又立即消失，这是混合料的弹性应变（εe），应力同应变成正比关系。另一部分应变（εv）随加荷时间增加而增加，卸荷后则随时间增长而逐渐消失（或基本消失），这是混合料的黏弹性应变。这一现象说明，沥青混合料在受力较小时，特别是受荷时间短促时，处于或基本上处于弹性状态并兼有弹黏性的性质。图5-25（b）表示应力足够大的情况。这时，除有瞬时弹性应变和滞后弹性应变外，还存在着随时间而发展的近似直线变化的黏性流动和塑性流动。卸荷后，这部分应变不再恢复而成为塑性应变。这说明，沥青混合料受荷达一定数值，特别是受荷时间又较长时，不仅出现弹性应变，而且有随时间而发展的塑性应变。对比图5-25（a）、（b）两图可以看出，随施加应力的级位和作用时间的不同，沥青混合料的应力-应变关系分别呈现出弹性、弹-黏性和弹-黏-塑性等不同的性状。

沥青材料的黏滞度受温度的影响很大，所以温度对沥青混合料的性状也有较大的影响。当其他条件相同时，同一材料在高温和低温时的应变量（反映在模量上）可相差几十倍。在低温时，混合料基本上属于弹性体，而在常温和高温时，则可能相应变为弹-黏性体或弹-黏-塑性体。

图5-25　沥青混合料压缩蠕变试验（温度60℃，侧限应力σ3=0）

2.劲度

劲度（S）是反映沥青和沥青混合料在给定温度和加荷时间条件下的应力-应变关系的参数，可表示为：

式中，脚标t和T分别表示加荷时间和温度。

图5-26　沥青劲度随时间和温度的变化（η为沥青的动态黏度）

由图5-26所示的试验曲线可以看出，加荷时间和温度对沥青劲度S的影响规律。加荷时间短或（和）温度低时，曲线接近水平，表面材料处于弹性性状；而加荷时间长或（和）温度较高时，便表现为黏滞性性状；处于二者之间时，则兼有弹-黏性性状。各种温度下的S-t关系曲线对劲度的影响同一定量的加荷时间对劲度的影响效果相当。温度和加荷时间对劲度影响的这一互换性，是沥青材料的一个重要性质。利用这一性质，可以通过采用变换试验温度的方法，把在有限时间范围内得到的试验结果扩大到很长的时段。

沥青的劲度可依据其软化点和针入度指数以及加荷时间数据，利用诺谟图（Van derpoel）确定。

沥青混合料的劲度可以采用不同试验方法得到。如采用蠕变模量试验可得到蠕变模量，采用动态模量试验可得到动态模量，采用回弹模量试验可得到回弹模量，具体试验方法可参考本章第5.2节或相关书籍。

当沥青的劲度Sb高于10 MPa时，沥青混合料的劲度是沥青劲度及混合料中集料数量和沥青含量的函数。Shell公司的研究者们使用劲度大于5 MPa的各种沥青材料组成了适用于不同场合的12种沥青混合料，并进行了参数变化范围较广的大量劲度试验。由试验结果得出了可以根据沥青劲度（按Van derpoel诺谟图）、沥青体积含量Vb（%）和混合料中集料的体积Vg（%）预估沥青混合料劲度的诺谟图［7］，如图5-27所示。

图5-27　预估沥青混合料劲度的诺谟图

当温度较高或加荷时间较长时，沥青劲度低于10 MPa，这时，沥青的作用减弱，混合料的劲度除了受Sb，Vg和Vb的影响外，下列影响因素逐渐显得重要：①集料的类型、形状和级配；②压实的方法和空隙率；③侧限条件。当沥青劲度极低时，混合料的劲度，即抵抗变形的能力便完全由集料骨架承担。(www.xing528.com)

近年来，美国给出了沥青混合料动态模量的估计式：

式中　E——动态模量，psi；

η——沥青黏度，106Pa；

f——加载频率，Hz；

Va——混合料空隙率，体积比，%；

Vbeff——有效沥青含量，体积比，%；

P34——3/4英寸筛上的筛余，%；

P38——3/8英寸筛上的筛余，%；

P4——4#筛上的筛余，%；

P200——200#筛的通过率，%。

3.泊松比

材料受力后，除应力作用方向产生变形（称轴向应变ε）外，在它的垂直方向也会产生变形（称侧向应变ε′）。材料的泊松比μ，是反映这两个垂直方向应变关系的参数，即：

式中，负号表示轴向应变是伸长（或缩短）的话，侧向应变就是缩短（或伸长）的。

沥青混合料的泊松比受温度变化的影响较大，随温度的升高和（或）受荷时间的加长（即劲度的下降）而增大，并同应力状态有关，同时与沥青含量和集料特性也有关。通常平均处于0.25～0.50范围内（图5-28）。实际上，沥青混合料的泊松比常常大于0.50。

图5-28　温度对沥青混凝土泊松比的影响