沥青与沥青混合料(第1-4章)

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1、沥青与沥青混合料IQIN(.VUI IQJNOIIIJNHF.l 黧螬瞬 E 蕃蓬翟量翟宙 E 宣言ij。Nu， lIUlNjVt Jl IoINGI JNHEl一、液体的粘性流动变形流动变形是液体的基本属性。液体的流动变形行为具有依赖时问、依赖温度、不町恢 复等行为特点。沥青及沥青混合料这一类粘弹性材料的力学行为之所以错综复杂、变化万 千，根本原因在于这类材料表现了弹性变形与流动变形综合的力学行为特点。因此，如果 没有对于液体流动变形行为的深入了解，我们就可能无法掌握包括流动变形行为在内的粘 弹性力学行为。另一方面，沥青在一定的温度条件一卜具有单纯的流动变形特性，路面工程中利用 这种依赖于温

2、度的流动特性实现沥青混合料的拌和与摊铺。仅仅从评价沥青性能、设计沥 青混合料、控制沥青路面_L：程质量的角度出发，我们也需要详细了解液体的流动变形行 为。在这章中，我们主要以道路石油沥青作为研究对象，重点讨论液体的粘性流动特性。第一节液体的非牛顿流动特性I 糊 E液体的牛顿流动特性流动是物质存在的一种形式，自然界几乎所有的物质都处于流动之中。物质的流动形态 多种多样，最简单或者说最理想的流动是以牛顿内摩擦定律描述酌牛顿液体。牛顿在 1687 年首先提出过流动阻力正比于相邻部分流体相对流动速度的假设，19 世纪上半叶，法国科 学家 Cauchy，Poisson 及英国科学家 Stocks 等人通

3、过进步的试验研究完善了这一体系的 基本理论。假定液体在一定外力作用下表现为图 2-1 所示的层流。即假设在两块平行平板间充满 流体，两平板间距离日，以 y 为法线方向。保持下平板固定不动，使上平板沿所在平面以 速度 y 运动，于是粘附于上平板表面的一层流体随平板以速度 y 运动，并一层一层地向下 影响，各层 10 相层 产 正 SBS/SIS 对简单，能够全面地改善沥青路用性能，因而得到广泛应用。与 其他改性沥青比较，sBSsIs 约占世界市场总量的 44%，SB 约为 10%，EVA 约为 11%， 废旧轮胎胶粉约为 9%EPDM 约为 12%,PE 约为 3%，Betaplast 约为 7

4、%，其他 4%，由此 可见，SBS 改性剂占据了道路沥青改性剂的半数左右。 要和 FIl三沥青混合料 砂、碎石、矿粉等矿质原料，按照一定比例（必结料具有适宜粘度时，将沥青混合料充分 拌面。沥青混合料种类繁多，大致可以分类如南 阳 稻 度 状 和 化 能 含 j 沥 j 表型 外，和胶路 青青青 沥沥沥 油在的 一一一 料磅足 结料满 胶填为 为他成 一一一 青包铺 沥也摊时后： RmimIIHWIll 第一章概 述_._-_._-_._._-_. |沥青路面 沥青混合料在制造、 车辆荷载、温度环境与降 求日益提高，交通荷载也冈 1 一 I i 种媳，列级眦分类概念 的常见病害筑及压实之后，必须

5、考虑它的路用性能。影响路用性能的因素包括、沥青材料 的老化等。随着社会发展，现代交通对于路面的质量要生显著的变化。1永久变形沥青路面的永久变形主要指车辙变形和纵向推移引起的平整度劣化。永久变形主要发 生 在高温季节，与车辆轴载、行驶状态等因素有关。口前的沥青混合料没计方法主要根据高 温抵抗永久变形的能力确定矿质混合料级配和沥青用量。2低温开裂 在降温过程中道路结构约束 r 面层沥青混合料的温度收缩，导致沥青面层产生温度应 力超过材料强度而开裂。低温开裂主要表现为垂直于道路中线的横向裂缝，裂缝处的承载 力下降导致路面碎裂。低温开裂和极限温度与极限降温速度有关，也叮能来源于重复的升 降温过程。3.

6、疲劳开裂当沥青路面承受重复的车轮载荷时，沥青层底部产生拉应力和拉应变。如果路面结构 强度储备不足，或者水的浸入改变了基层支撑状态，可能导致沥青层产生裂缝并发展为 （鳄鱼皮状】碎裂。疲劳特性的预测及评估是目前沥青路面设计的主要依据。4老化沥青是一种高分子材料，沥青路面裸露在自然环境中必然发生老化。沥青的老化包括 拌和摊铺过程中高温引起的老化，称之为短期老化；也可能包括长期使用过程中的热老化、 光老化和氧老化，称之为长期老化。老化导致沥青混合料变得脆硬，损伤其抵抗疲劳和低 温开裂的能力。5.松散磨损沥青胶浆从间隙间逸失导致道路表面出现磨损，严重时会发生松散。沥青混合料中沥青 含量和压实程度是影响磨

7、损与松散的主要原因。集料的逸失呵能来源于沥青老化，集料表面沥青浆的粘结力丧失或者沥青膜脆裂。6泛油交通荷载作用使得沥青混合料内的集料不断嵌紧而空隙减少，最终将沥青胶浆挤压到路 表发生泛油。泛油导致沥青路面滑溜而影响交通安全。除沥青含量偏高或空隙率偏小等原 因外，沥青过软也是主要原因之。3 铺水发 已 n 络 凶芈田 莛旨 t 吡筻 E t， ， ， 常变有流 青 矿能；l正后具有 沥 仲路 x陌于力须具 及 职奶触睛对外必该 青 一拗 黼一。消都应 沥 舸蚴 一 仇蝴这形取件料 的 一哆 岐勘变望构材 用 辨鼬 弹高生希的说 酮 丑 x发且愀一 一一一一一戳 际 11；一一一一匕外产。一种一一

8、一一椎黼敝在聆一蝴一曜猢秕傲龇哒 一一一其来粕一一一一 一 IC一 一一一 一一 个面努叵 1 邑 眶黼姚 鳓蝴旭既 。 面坏路破 一腚拙一一 沥疲一 一麒挑俏料生 桃撤贿 黜坏 一一一具粹顺 域容撒 牌同青开 燃毗 躯肝嬲 裂M 沥温时低此止易 猷徘已防魁矶 沥温衍了 酌缃褂形力魁硐黼 路面复何能混其够 青路回几的泥与足 力低 沥的够的形水料在一一啪虬一一一一一一一一一一一一一肝艮骶一一沥粕高一一度料，一一一一一一靓威蒯一懒一一件沥合条内混温区青用能定成 合 一一一一一一 ，百峻 帕姗一一泡一一一趱蝻性要明特重使形一动 混 之面 阶毗姗 埘黝汁度件别 学卜， 。刚条特 办 1、1 九第一章概

9、 述I_目沥青及沥青混合料的性能规范沥青及沥青混合料是铺筑沥青路面最重要的工程材料。控制沥青及沥青混合料的路用性 能与施工质量，减少第一节中述及的路面损坏现象，是一个提高工业化水平的问题2，必 须建立适应工业化水平的技术标准或者技术规范，来指导、控制、管理沥青及沥青混合料 的技术性能，使其满足沥青路面建设的技术要求。制定技术规范首先要适应工业化进程，同时也要具有可靠的科学技术依据。和其他工 业 领域一样，道路 T 程的规范标准正由经验型向理论性转变。例如，NCHRP Synthesis 212(Cham- berlin 1996)将关于道路工程有关的技术标准与技术规范划分为三个等级，并明确 r

10、 各个等 级 的定义，给出了相应的介绍与说明。性能规范（performance specification）描述如何在规定时间内完成一个路面工程任务。 这些规范的基础应该是路面性能项目( LIPP)长期的研究成果，结合一系列新的试验方法， 保证路面在长期使用过程中满足道路的使用性能要求。这些新的试验结果应该与路面的性 能直接相关，而不仅仅是沥青混合料的力学性质。基于性能的规范（perfonnance-based specifications】 描述基于 T 程性质的期望水平。 这些基本的工程性质如回弹模鼍、疲劳特性等可以作为性能预测模型的变量预测路面的性 能。基于性能的规范试图聚焦于以性能特性

11、来改善现有的质量水平。然而，材料和施工过 程质量特征的检测并不能及时为承包商提供相关信息，日前可能无法对施工过程进行调整。与性能相关的规范(performance-related specification-PRS) 描述材料和施工诸因素的理 想水平。已经发现这些因素与一些工程特性相关，并可以用来预测路面性能。同时这些因 素可以在施工的过程中予以检测。与性能相关的规范试图通过确认施工项目的质量水平来 实现成本和性能间的最佳平衡。与性能相关的规范常用的材料质量特征包括空隙率和沥青 含量等。NCHRP Synthesis 212 的报告是针对整个道路建设技术领域的，因此，这份报告认为推行 性能规范

12、为时尚早。但是，作为沥青和沥青混合料技术标准的研究，目前已经取得了一些 重要的进展。到 20 世纪末，道路石油沥青的产品分级标准主要有二类，即针入度分级和粘度分级。以 沥青针人度分级的沥青标准源于 1918 年美国公路局确定的针人度分级，即按照 25针入 度划分沥青牌号并辅以共他技术指标来控制沥青的质量。1960 年代提出粘度分级体系以适应使用量逐渐增加的氧化沥青。粘度分级是按真空毛细管测得的 60粘度划分沥青的牌号 并辅以其他技术指标来控制沥青的质量。我国的道路石油沥青技术标准一赢采用针人度分 级。针入度分级标准是典型的经验型标准，粘度分级标准虽然较针人度分级标准有所进步， 但仍然具有经验性

13、。美国的公路战略研究计划(Strategic Highway Research Program，简称 SHRP)提出了按照沥 青路用性能分级（Performance Graded，简记为 PG）的道路沥青技术标准。SHRP PG 分级 依赖于沥青的粘弹性进行分级，分别提出了施工温度范围、高温、中等温度和低温条件下 与路面使用环境相关的流变特性指标。PC 分级直接依据路面工作环境、交通荷载和没计温 度评价沥青性能，并且充分考虑了沥青使用过程中热老化对于分级的影响。5 沥青与沥青混合整錾焉霉宙臣冒蟊重董置瞄 E 浏 j 鼎鼢裂删 j 嬲“。7 “。 嚣嘉焉嚣篇暑蔑篙黹黑芒经过 10 年努力，SHR

14、P PG 性能分级作为一项新技术，已经在美国得到普遍的推广应 用。 定尽管其后发现 SHRP PG 分级对于改性沥青的评价存在一些关键性的技术缺陷， 美国联邦公路局组织有关技术专家继续采用粘弹力学方法研究 PG 分级的改进。通过美国 国家协作研究项目 NCHRP9 - 10 课题研究，已经使得该成果对于改性沥青的适用性得到增 强。尽管 PG 性能分级要求的技术指标大部分是过去经验型分级标准中从未有过的，需要 采用专用的试验仪器和方法，目前尚未得到世界各国的采纳和应用，但 PG 分级成果促进 各国纷纷修订自己的沥青技术指标。各国沥青技术指标修订的趋势是尽量采用具有明确粘 弹力学依据的指标（例如

15、60动力粘度）来代替或简化针人度分级指标体系。 寅此外，尽管 SHRP 研究进行的大量沥青混合料性能评价方法研究，多数尚未能形成技 术规范，但其中的大量研究成果如简单剪切试验( SST)、约束试件温度应力试验(TSRST)、 弯曲疲劳试验、动态模量试验等，均在全世界引起强烈反响。这些研究全部采用粘弹性力 学手段与方法研究或评份沥青混合料的力学性能与路用性能。随着 2004 AASHTO 路面设 计指南编制的研究进展，美国正在加紧沥青混合料性能评价方面的研究，大力促进新的路 面设计指南真正成为力学经验型的设计方法。 月综上所述，美国近 20 年在沥青及沥青混合料技术标准与技术规范方面的研究中，始终 坚持采用粘弹力学的理论与方法作为应用研究基础，使得沥青及沥青昆合料的技术标准与 技术规范越来越接近性能规范的水平。；第三节粘弹力学的基本原理l弹性、粘性与粘弹性再经典力学中，描述物体弹性行为的是虎克定律，即施加外力时物体在瞬间产生变形， 并不随时间增加而保持恒定的值，消除外力后变形可以瞬间回复。描述粘性流动的是牛顿 定律，即变形速率与外力成比例，变形随时间增加，取消外力后变形不能回复。显然，弹 性变形与粘性流动变形是互相对立的两种变形行为。任何互相对立的事物都将在一定条件下向相反的方向转化，工程材料的力学行为也都 在一定条件下具有满足使