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1、沥青结合料的低温性能沥青结合料的低温性能交通工程学院交通工程学院张再侠第一第一节节 概述概述第二第二节节 沥青结合料的低温劲度模量沥青结合料的低温劲度模量第三第三节节 沥青的低温针入度沥青的低温针入度第四第四节节 沥青的脆点与当量脆点沥青的脆点与当量脆点第五第五节节 沥青的延度沥青的延度第六第六节节 沥青的低温收缩沥青的低温收缩第七第七节节 沥青的直接拉伸试验沥青的直接拉伸试验第第八节八节 沥青的简支梁弯曲蠕变试验沥青的简支梁弯曲蠕变试验第九第九节节 沥青的低温粘度沥青的低温粘度第十第十节节 沥青的玻璃化温度沥青的玻璃化温度第十一节第十一节 沥青低温抗裂性能指标的验证沥青低温抗裂性能指标的验证
2、第一第一节节 概述概述 沥青路面沥青路面的开裂是各国道路界普遍关心的问题的开裂是各国道路界普遍关心的问题。 路面路面裂缝的危害在于从裂缝中不断进入水分使基层裂缝的危害在于从裂缝中不断进入水分使基层甚至路基软化，导致路面承载力下降，产生卿浆、甚至路基软化，导致路面承载力下降，产生卿浆、台阶、网裂，加速路面破坏台阶、网裂，加速路面破坏。 因此因此，提高路面的抗裂性能是沥青路面的重要课，提高路面的抗裂性能是沥青路面的重要课题。题。沥青混凝土面层温度开裂是路面破坏的沥青混凝土面层温度开裂是路面破坏的主要形式之一主要形式之一一般认为，沥青路面的低温开裂有两种型式一般认为，沥青路面的低温开裂有两种型式:
3、:一种是由于气温骤降造成面层温度收缩，在有约一种是由于气温骤降造成面层温度收缩，在有约束的沥青层内产生的温度应力超过沥青混凝土抗束的沥青层内产生的温度应力超过沥青混凝土抗拉强度时造成开裂。拉强度时造成开裂。温度温度开裂的另一种形式是温度疲劳开裂的另一种形式是温度疲劳裂缝。裂缝。在我国，实际还存在在我国，实际还存在第三种模式第三种模式，是由于水泥、石，是由于水泥、石灰、粉煤灰稳定类的半刚性基层收缩灰、粉煤灰稳定类的半刚性基层收缩( (温缩和干缩温缩和干缩) )或者已经开裂了的半刚性基层在裂缝部位的应力集或者已经开裂了的半刚性基层在裂缝部位的应力集中与沥青面层的低温收缩、荷载作用产生的综合作中与沥
4、青面层的低温收缩、荷载作用产生的综合作用，使温缩裂缝较多地产生。其中用，使温缩裂缝较多地产生。其中沥青面层的收缩沥青面层的收缩起了主要的引发作用。这些裂缝实际上是温缩裂缝起了主要的引发作用。这些裂缝实际上是温缩裂缝和半刚性基层收缩裂缝的反射性裂缝的综合裂缝。和半刚性基层收缩裂缝的反射性裂缝的综合裂缝。沥青路面的低温收缩裂缝与沥青结合料的低温沥青路面的低温收缩裂缝与沥青结合料的低温品质及沥青混合料的温度收缩性能有关品质及沥青混合料的温度收缩性能有关沥青路面的低温抗裂性能沥青路面的低温抗裂性能主要取决于沥青结合料的主要取决于沥青结合料的低温拉伸变形性能，沥青结合料的性能起到特别重低温拉伸变形性能，
5、沥青结合料的性能起到特别重要的作用，其贡献率达到要的作用，其贡献率达到90 90 % %。这时这时的混合料非常的混合料非常坚硬，温合料的矿料级配对抵抗收缩变形导致的开坚硬，温合料的矿料级配对抵抗收缩变形导致的开裂无能为力，其贡献率充其量只有裂无能为力，其贡献率充其量只有10%10%。针对沥青路面温度开裂问题，各国铺筑了许多试验针对沥青路面温度开裂问题，各国铺筑了许多试验路，研究影响温度开裂的因素，一致的结论是：路，研究影响温度开裂的因素，一致的结论是：沥青本身的特性是影响低温开裂的主要因素，并提沥青本身的特性是影响低温开裂的主要因素，并提出了表征其低温品质的出了表征其低温品质的指标，这些指标，
6、这些指标包括指标包括: :沥青沥青针人度、劲度、针人度指数针人度、劲度、针人度指数PIPI、针入度、针入度粘度指粘度指数数PVNPVN、低温延度、弗拉斯脆点等、低温延度、弗拉斯脆点等。我国的研究情况：我国的研究情况：现行公路沥青路面施工技术规范JTJ 032-94)对重交通道路沥青技术要求规定用15延度评价沥青的低温抗裂性能。国家“八五”科技攻关专题选择了10延度及当量脆点T1.2作为沥青低温抗裂性能指标，既有先进性，能反映沥青的低温抗裂性能，又具有实用价值，符合我国国情。第二节第二节 沥青结合料的低温劲度模型沥青结合料的低温劲度模型美国宾州试验路的结果证实，横向裂缝与沥青劲度最为相关。沥青结
7、合料的劲度和沥青含量是解释温度开裂的关键性指标。沥青材料在路面服务条件下是粘弹性材料，在荷载作用下，应力与应变关系呈现非线型关系，为了能像普通固体材料采用弹性模量一样使用方便，采用劲度模量的概念。劲度模量是取决于温度和荷载作用时间而变化的参数。式中：和沥青材料所受到的应力和产生的应变; t荷载作用时间;T温度。首先沥青材料的劲度模量是温度的函数沥青材料的劲度模量还是荷载作用时间的参数 有几种情况: (1)通常意义上的时间（2）加载速率 （3）换算时间在论述沥青结合料或沥青混合料的劲度模量在论述沥青结合料或沥青混合料的劲度模量( (包括回弹模量包括回弹模量) )时，一定要说明时，一定要说明温度温
8、度和和时间时间两个两个概念概念。 将不同加载速率的试验结果一起比较，或者不考虑时间关系进行不同温度的模量换算往往是不合适的。 在很低温度或快速加载情况下，沥青材料接近于弹性体，粘性成分的影响很弱，才有可能将时间的影响忽略不计。沥青结合料的劲度模量还可从沥青结合料的劲度模量还可从Van der PoerVan der Poer诺漠图求出它取诺漠图求出它取决于沥青的针人度指数决于沥青的针人度指数PIPI、软化点及荷载作用时间，当为、软化点及荷载作用时间，当为w w级沥青级沥青( (蜡含量高时蜡含量高时)PI)PI要从不同温度的针入度回归求出，软要从不同温度的针入度回归求出，软化点要用当量软化点化点
9、要用当量软化点T T800800代替。代替。当沥青的粘度已经测定时，沥青的劲度模量当沥青的粘度已经测定时，沥青的劲度模量S S可以简单地由可以简单地由下式求得下式求得: :式中：式中：和和拉伸状态下的应力和应变拉伸状态下的应力和应变; ;应变速率应变速率; ;拉伸粘度，它与通常的剪切粘度拉伸粘度，它与通常的剪切粘度存在三倍法则存在三倍法则=3=3，也就是说沥青的劲度相当于时间为，也就是说沥青的劲度相当于时间为3s3s时的粘度时的粘度。HeukelomHeukelom和和KlompKlomp提出的一个经验公式提出的一个经验公式沥青混合料的低温劲度是决定是否开裂的最根本因素，而决定沥青混合料低温劲
10、度的主要因素是沥青决定沥青混合料低温劲度的主要因素是沥青结合料的劲度和沥青在混合料中所占的比例结合料的劲度和沥青在混合料中所占的比例。式中:Smix（t t，T T）、）、Sbit(t,T)Sbit(t,T)沥青混合料及沥青结合料在时间t和温度T条件下的劲度模量;Cv沥青混合料中矿料体积含量。为了使沥青路面有良好的使用性能，希望在为了使沥青路面有良好的使用性能，希望在夏季高温季节有较高的劲度，而在冬季低温夏季高温季节有较高的劲度，而在冬季低温状态下的劲度模量要小，首先需要选择适宜状态下的劲度模量要小，首先需要选择适宜的油源，这一点已为世界所公认。的油源，这一点已为世界所公认。原油品种对沥青性质
11、起决定性原油品种对沥青性质起决定性作用，不同作用，不同油油源的沥青低温抗裂性能有很大的区别。源的沥青低温抗裂性能有很大的区别。第三节第三节 沥青的低温针入度沥青的低温针入度沥青的针人度与沥青路面的使用性能具有密切的关系，针人度是我国选择沥青标号的最主要的依据。对油源相同或温度敏感性相同的沥青，针人度大即较稀的沥青有较低的劲度模量，比较稠沥青的路面裂缝少。沥青混合料的脆化点温度与5针入度有较好的相关关系，标准差仅为士2 Gaw在研究了试验路的开裂情况后得出了从25 和5针入度预测路面能够承受的最低开裂温度，如图2-3-5为了研究沥青的低温针人度，能够测定低为了研究沥青的低温针人度，能够测定低温针
12、入度的仪器设备至关重要温针入度的仪器设备至关重要利用LVDT式自动针入度仪可以连续记录针人度测定全过程的贯入深度，该仪器可以任意变化针人度试验的三要素:温度、荷载条件、贯入时间，由此可以得出相当大范围的沥青流变学性质。图中针入度图中针入度P P与贯人时间与贯人时间t t具有相当具有相当好的直线关系好的直线关系式中回归系数即直线的斜率B称为针人度时间指数，B值越大，在相同的荷载作用时间内沥青的剪切变形也大，因此它是沥青的时间感应性(即荷载速率感应性)指标。对沥青粘弹性材料来说B值越小，沥青的弹性成分越大，相反则粘性成分大。针入度与粘度之间的理论关系针入度与粘度之间的理论关系R.N.J.SaalR
13、.N.J.Saal和和G . KoensG . Koens早在早在19331933年就通过各种测定条年就通过各种测定条件的变化，叙述了针入度与粘度之间有如下的理论关系件的变化，叙述了针入度与粘度之间有如下的理论关系式中式中:P:P针人度针人度; ;Q Q针的质量所产生的力针的质量所产生的力( (达因达因););t t试验时针的贯人时间试验时针的贯人时间S);S);a,ba,b取决于针形状的常数，取决于针形状的常数，b b与针的阻力有关，正常针与针的阻力有关，正常针b=2.10b=2.10, ,粘度用泊粘度用泊(=0.1Pas)(=0.1Pas)表示。表示。很多试验证明，式中第一项很多试验证明，
14、式中第一项aPaP的影响很小，的影响很小，于是得出了众多的换算关系式于是得出了众多的换算关系式Saal提出的关系式为(适用于针入度大于55的情况):日本有福武治认为当针入度大于60时，与Saal提出的关系式相似，可表达为:而当针入度小于60时，宜采用下式:林诚之在进一步研究-p的关系后发现，针入度指数PI大的沥青即非牛顿性大时，25针入度对应的粘度要比PI小的沥青大，于是在表达式中第一次引人了PI的因素式中，25表示25在100J/sm等剪切功条件下的视粘度，以泊(=0.1Pas)表示根据上式计算的视粘度与实测粘度之差，反映了沥青的非牛顿性，称为沥青的塑性度DP(Degree of Plast
15、icity): 19831983年年AAPTAAPT年刊年刊p116p116提出了一个通过试提出了一个通过试验由针入度换算成粘度的计算方法验由针入度换算成粘度的计算方法: :式中:M针的质量0.1kg;g重力加速度9.8mg/s;R针人度盒容器的半0.0275m，针尖直径0.00015m,针杆直径0.001m，则针的平均半径r=（0.00015+0.001）/2/2=0.00028mt贯入时间5。;P针入度，以m计。第四节第四节 沥青的脆点与当量脆点沥青的脆点与当量脆点 沥青的脆点试验是在等速降温条件下用弯曲受力方式测定其脆裂的温度。 弗拉斯脆点是低温条件下沥青结合料脆裂的温度，它主要是描述路
16、而荷载作用下开裂的模式。 弗拉斯脆点试验历来作为反映沥青低温脆性的手段在不少国家被采用，一般认为针入度大、针入度指数大的沥青其脆点越低、抗裂性能也越好。 在我国，许多沥青的沥青质含量较少，但含有较多的结晶蜡，故脆点指标有其独特之处普遍认为弗拉斯脆点的试验重复性较差，试验用的钢片弯曲程度，试件制备精度和降温条件不一，都会影响试验结果。脆点只是某一种特定的试验方法下的条件劲度温度，路面的低温性能无法单纯从脆点高低来评价。历来认为用弗拉斯脆点并不适宜评价多蜡沥青的低温抗裂性能。沥青混合料的收缩系数是引起路面内应力积沥青混合料的收缩系数是引起路面内应力积聚大小的关键性指标，沥青结合料本身的收聚大小的关
17、键性指标，沥青结合料本身的收缩系数又是影响混合料收缩的关键，对于沥缩系数又是影响混合料收缩的关键，对于沥青结合料的收缩性能重要的指标是收缩开裂青结合料的收缩性能重要的指标是收缩开裂温度，即温度，即另一种脆点温度另一种脆点温度。新的脆点试验方法J.F.HillsJ.F.Hills为为模模拟拟沥沥青青收收缩缩开开裂裂的的实实际际情情况况，在在“石石英英框框架架试试验验”的的基础上改进提出了基础上改进提出了“玻璃板玻璃板”试验；试验；19891989年年，匈匈牙牙利利提提出出一一套套新新的的沥沥青青分分级级体体系系BTABTA，提提出出了了“拟拟定定开开裂裂温度温度FT,“FT,“低温应变指数低温应
18、变指数”的概念；的概念；日日本本北北海海道道大大学学，森森吉吉昭昭博博采采用用薄薄膜膜加加热热试试验验用用的的试试样样圆圆盘盘灌灌样样，按按一定条件降温，测定沥青收缩开裂的皿式脆点；一定条件降温，测定沥青收缩开裂的皿式脆点；我国我国“七五七五”国家科技攻关专题也对皿式脆点进行了试验研究；国家科技攻关专题也对皿式脆点进行了试验研究；“八八五五”国国家家科科技技攻攻关关期期间间，我我们们参参考考了了HillsHills的的框框架架试试验验思思路路，开开发发了了一一个个更更能能模模拟拟沥沥青青路路面面收收缩缩开开裂裂的的沥沥青青条条形形试试件件的的缩缩裂裂试试验验，模模拟路面缩裂。拟路面缩裂。沥青条
19、形试件的缩裂试验沥青条形试件的缩裂试验试验发现首次出现开裂的条数是不同的，而且沥青首次出现开裂后，继续降温裂缝条数增加的情况也不同。试验结果充分说明不同沥青的抗裂性能的差别，与实际在路上表现出来的沥青的低温开裂性能有相当好的相关性。从该试验试验可以得出缩裂温度、裂缝条数及随温度降低裂缝增加的程度，这些特征值在实用上对研究沥青路面温缩裂缝有重要意义。国外一些学者通过对含蜡量少的S级沥青进行了大量的试验研究后指出，对大多数沥青可以假定沥青在弗拉斯脆点温度时的针人度为1.2，对含蜡量高的W级沥青，与软化点一样，应采用前面公式(2-1-9 ，由几个温度的针人度回归，计算沥青针人度指数PIF。然后，假定
20、沥青在弗拉斯脆点温度时的针人度为1.2，由式(2-1-1)沥青针人度温度回归方捍式求取回归系数A及K后，直接按式(2-2-5)相同的方法求取修正后的脆点T1.2，即称为当量脆点。当量脆点，其计算式为当量脆点，其计算式为: :采用前面公式采用前面公式(2-1-9 (2-1-9 ，由几个温度的针人度回归，计算沥，由几个温度的针人度回归，计算沥青针人度指数青针人度指数PIFPIF假定假定沥青在弗拉斯脆点温度时的针人度为沥青在弗拉斯脆点温度时的针人度为1.21.2，由式，由式(2-1-1)(2-1-1)沥青针人度温度回归方捍式求取回归系数沥青针人度温度回归方捍式求取回归系数A A及及K K直接按式直接
21、按式(2-2-5)(2-2-5)相同的方法求取修正后的脆点相同的方法求取修正后的脆点T1.2T1.2当量当量脆点：脆点：“八五八五”攻关课题所用的七种代表性沥青的弗拉斯脆点攻关课题所用的七种代表性沥青的弗拉斯脆点测定值及计算的当量脆点测定值及计算的当量脆点T T1.21.2的的结果结果当量脆点T1.2来衡量几种沥青的低温抗裂性，则与沥青路用性能有很好的相关性，七种沥青的低温性能优劣排列顺序为:KLMHXLLALLHEMMNSJSSLI由此我们认为用当量脆点T1.2作为评价沥青结合料低温抗裂性能指标是合理的。 T1.2值与沥青中的蜡含量有明显的相关关系，相关系数达0.985，如图所示。第五节第五
22、节 沥青的延度沥青的延度路用沥青的延度路用沥青的延度是是通过在规定的速度通过在规定的速度和温度下，拉伸标准试件的两端直到断和温度下，拉伸标准试件的两端直到断裂的长度。裂的长度。关于延度的部分理论关于延度的部分理论1.Saal，Pfeiffer等都认为延度反映了沥青的感温性;2.Traxel证明，延度与沥青的感时性有关系;3.Welborm, Kandhal, Wenger等认为不同油源的各种沥青在7和15时的延度和剪切敏感性之间有很好的联系;4.Barth指出，延度用于评价沥青胶体结构体系中的物理化学状态是很有价值的;5.Halstead指出，沥青承受拉伸的能力不仅是影响耐久性的因素，且延度试
23、验的结果反映了沥青各组成部分的内在联系，是决定沥青使用性能的重要支柱;6.据sigmann所述，从不同的原油得到的相同针人度的沥青，其延度值有很大差别，且可与PI值建立相关关系。总的说来，尽管国内外对延度试验的意义尚总的说来，尽管国内外对延度试验的意义尚有不同的看法，但大都认为沥青的延度与路有不同的看法，但大都认为沥青的延度与路面的使用性能有一定的相关性，尤其是低温面的使用性能有一定的相关性，尤其是低温延度与低温开裂性能关系密切，因此在不少延度与低温开裂性能关系密切，因此在不少国家的沥青标准中，开始增加低温延度的指国家的沥青标准中，开始增加低温延度的指标。标。从不同温度的延度试验可以看出，沥青
24、试样拉伸断裂时可以呈现图2-3-15所示的4种性状A型是常温条件下沥青延度试验常见的破坏模式:B型是在拉伸的同时中央部位变细并在尖端部断裂，延度小于5cm时常见此种型式。C型试样伸长很短，在试样中部或端部脆性断裂，断裂面与拉伸方向几乎垂直，伸长量不到2mm。D型拉长稍长，伸长量可达10mm。由此可见，由此可见， A A型和型和B B型是粘性破坏，型是粘性破坏，C C型是完全的脆性破坏。型是完全的脆性破坏。D D型从外表型从外表看有些像脆性破坏，但伸长的破坏应变大于看有些像脆性破坏，但伸长的破坏应变大于30%30%，严格来说不能属于脆，严格来说不能属于脆性破坏性破坏。在延度试验时仔细观察试样断裂
25、的性状对于了解沥青的粘弹性能是十分有价值的。通过比较可定性地了解沥青的低温性能，判断沥青由粘性转化为脆性的温度。研究还表明，由沥青延度试验得到的从粘性破坏转化为脆性破坏的温度与沥青的感温性指标PI值有密切的关系。“七五”科技攻关对各种沥青进行了不同温度和不同拉伸速率的延度试验试验表明，1.采用通常的标准的5cm/min拉伸速率，对重交通道路沥青来说，25 ,15延度都能大于100cm，确实已经没意义；2.5延度普遍较小，大部分在10cm左右。拉伸速率1cm/min,可以将不同沥青的性能区分开，但试验比较困难，0 试验则更为困难。“八五”攻关课题又进一步增加试验温度和拉伸速度试验表明：每种沥青的
26、延度在不同温度、不同速度下具有大体相同的规律。但在15以下有一些重要的变化，所以，选择适宜的试验温度作为评价沥青低温抗裂性能就很重要。图2-3-16中延度与温度的关系如果按lgD=a+blgTlgD=a+blgT 回归，具有较好的相关关系。ASTMASTM对延度试模进行了改造对延度试模进行了改造中间是中间是1c1c的直线试模（的直线试模（如图如图2-3-172-3-17）测力延度的设备并没有特殊的要求，只需在普通的标准延度仪(附调温装置)上加装测力传感器(100kg)及附加仪表即可“八五八五”攻关专题利用攻关专题利用8 8字模和直线试模两种试字模和直线试模两种试模，采用拉伸速率模，采用拉伸速率
27、5cm/min5cm/min，在不同试验温度，在不同试验温度1010、55下进行了不同沥青的测力延度试验下进行了不同沥青的测力延度试验1. 1. 沥青试验的峰值力几乎都在同一位置上，且力的沥青试验的峰值力几乎都在同一位置上，且力的峰道和延度之间存在这样一种关系。峰道和延度之间存在这样一种关系。2 2. . 对对非非改改性性沥沥青青来来说说，任任何何一一个个单单一一指指标标，都都难难以以反映沥青的低温抗裂性能。反映沥青的低温抗裂性能。 3. 3. 过了峰值后力的减小过程，与沥青种类和试件形状有过了峰值后力的减小过程，与沥青种类和试件形状有关。关。 采用采用8 8字模试件试验时断面积减小很快，试件
28、很快拉断，所以字模试件试验时断面积减小很快，试件很快拉断，所以延度很短，采用直线试模的试件，断面积减小较慢，延度维持很延度很短，采用直线试模的试件，断面积减小较慢，延度维持很长。长。4 4. . 如果选用单位峰值力所产生的变形，则可以较好地反如果选用单位峰值力所产生的变形，则可以较好地反映沥肩的抗变形能力映沥肩的抗变形能力 即即D/FmaxD/Fmax为延度拉伸柔量，为延度拉伸柔量，D/FmaxD/Fmax越大，表示柔度越大。越大，表示柔度越大。由上由上可见：可见： 测测力力延延度度有有可可能能作作为为评评价价沥沥青青的的拉拉伸伸性性能能的的试试验验方方法法，当当采采用用普普通通的的8 8字字
29、模模试试验验时时，拉拉伸伸柔柔量量一一定定程程度度上上反反映映了了沥沥青青的的低低温温性性能能。当当采采用用条条形形试试模模时时，可可采采用用测测力力一一变变形形曲曲线线下下的的面面积积作作为为评评价价指指标标，测测力力延延度度更更适适宜宜于于改改性性沥沥青青。第六节第六节 沥青的低温收缩沥青的低温收缩沥青混合料沥青混合料的温度收缩系数是一个复杂的物的温度收缩系数是一个复杂的物理参数，它不仅随材料的组成比例及沥青性理参数，它不仅随材料的组成比例及沥青性质的不同而不同，实际上还与降温速率及所质的不同而不同，实际上还与降温速率及所处的温度条件有关。处的温度条件有关。HillsHills和和Bire
30、nBiren假定路面为一个长的完假定路面为一个长的完全约束的窄条，当路面温度从起始温全约束的窄条，当路面温度从起始温度几下降到最终温度度几下降到最终温度TfTf时，路面中产时，路面中产生的温度应力为生的温度应力为: :式中: ( T)在降温速率T条件下引起的温度应力的累积，它 可以分成许多温度间隔 T；S(T)各个温度间隔 T中值时的混合料劲度模量;a在温度下降T0-Tf时沥青混合料的平均温度收缩系数。沥青材料收缩性能的复杂性，收缩系沥青材料收缩性能的复杂性，收缩系数的测定困难，国内的测定方法也不数的测定困难，国内的测定方法也不统一，主要有以下几种：统一，主要有以下几种：最初曾仿用水泥砂浆收缩
31、仪试验法最初曾仿用水泥砂浆收缩仪试验法 仪器本身精确度差，平行试验误差大。测测定定体体缩缩，称称量量其其浸浸入入液液体体( (酒酒精精) )中中质质量量的的方方法法，根根据据不不同同温温度度时沥青的体积，求算收缩系数时沥青的体积，求算收缩系数 液体在低温时的比重较难准确测定，且沥青块体较大，低温时外壳首先开裂，影响内部自由收缩，也影响沥青收缩系数测定结果。现在大都改为测定线收缩现在大都改为测定线收缩“七五七五”国家科技攻关专题研究开发国家科技攻关专题研究开发了一种测定沥青及沥青混合料线收缩了一种测定沥青及沥青混合料线收缩的方法，已成为我国的标准方法的方法，已成为我国的标准方法测试仪器测试仪器由
32、试件定位架及位移计组成，试件定位架底板上设有定位挡块。一端有圆形触点，另一端装有千分表或其他适宜的位移传感器。试件定位架最好采用殷钢或石英玻璃制成，它也可以用来测定沥青结合料的线收缩系数。“七五七五”时得到的不同温度区间的时得到的不同温度区间的沥青温度收缩系数规律沥青温度收缩系数规律: :(1)不同降温速率的沥青收缩系数也不同，降温速率越快，收缩系数越小。(2)即使降温速率相同，不同温度区间的收缩系数也不同，温度越低，收缩系数越小。(3)不同沥青品种的收缩系数略有差别，几种国产沥青与国外进口沥青的收缩系数相当。第七第七节 沥青的直接拉伸青的直接拉伸试验美国SHRPSHRP沥青结合料路用性能规范
33、规定的低温抗裂指标，除了弯曲梁试验(BBR)(BBR)外，还有一个直接拉伸试验(DTT)(DTT)极限拉伸应变的求。通常的沥青结合料在低温时劲度小，延伸性好；劲度大的延伸性差，但有的沥青结合料劲度并不低，可在破裂前却能进一步延伸。SHRPSHRP的研究证明直接拉伸试验破坏应变与沥的研究证明直接拉伸试验破坏应变与沥青混合料的温度应力试验（青混合料的温度应力试验（TSRSTTSRST）的破断）的破断温度之间具有良好的相关关系温度之间具有良好的相关关系直接拉伸试验实际上就是一直接拉伸试验实际上就是一种种“微延度微延度”试验试验如图，试验采用一个状如如图，试验采用一个状如“狗骨头狗骨头”的试件，两端粗
34、，的试件，两端粗，中间细，长中间细，长40mm40mm，有效标准，有效标准长度仅为长度仅为27mm,27mm,截面积截面积36m36m，一个试件只需约一个试件只需约3g3g沥青沥青试件的应力和应变试件的应力和应变关系关系为为了了试试验验方方便便，试试验验温温度度定定为为设设计计最最低低温温度度以以上上10 10 ，如如设设计计温温度度-10-10，则则试试验验温温度度为为00，拉伸速率为拉伸速率为1 mm/min1 mm/min，比延度试验慢得多。，比延度试验慢得多。测测定定得得到到的的结结果果是是试试件件拉拉断断时时的的荷荷载载和和伸伸长长变变形形，则试件的应力和应变可简单求得则试件的应力和
35、应变可简单求得：直接拉伸试验的难点在于试件的制作和试直接拉伸试验的难点在于试件的制作和试样温度的控制，以及微小变形的测量样温度的控制，以及微小变形的测量, ,其其应对措施：应对措施：试模采用聚甲基丙烯酸甲醋（PMMA）材料，与沥青粘附性好又无需脱模剂。试验加载速率1mm/min。荷载由分辨能力0.1N的电子荷载传感器测定，试件的伸长变形由一组激光测微计测定。在当前我国尚缺乏D盯试验设备时，采用10延度及当量脆点作沥青结合料的评价指标是适宜的。第八节第八节 沥青的简支梁弯曲蠕变试验沥青的简支梁弯曲蠕变试验 针对许多学者提出了在最低温度条件下防止温针对许多学者提出了在最低温度条件下防止温缩裂缝的极
36、限劲度模量。美国缩裂缝的极限劲度模量。美国SHRPSHRP沥青结合料路沥青结合料路用性能规范为评价沥青结合料的低温抗裂性能，用性能规范为评价沥青结合料的低温抗裂性能，提出了弯曲梁流变仪提出了弯曲梁流变仪(Bending Beam Rheometer(Bending Beam Rheometer，简称，简称BBR)BBR)的小梁弯曲蠕变试验及直接拉伸试验的小梁弯曲蠕变试验及直接拉伸试验(DTT)(DTT)两个试验方法，其中两个试验方法，其中BBRBBR是主要的。是主要的。SHRP的研究认为，弯曲蠕变试验的极限劲度温度及蠕变应变速率、值与反映沥青混合料低温抗裂性能的温度应力试验(TSRST)的破断
37、温度具有良好的相关关系(如图)，从而说明BBR试验的价值。图图 SHRPSHRP沥青沥青BBMBBM试骏结果与沥青混合料低温性能指标的关系试骏结果与沥青混合料低温性能指标的关系弯曲梁流变仪的结构及基本构成弯曲梁流变仪的结构及基本构成它由简支桨常皿蠕变装直、保温槽、加载设施及计算机控制和数据资料采集设备四个单元组成。最基本的是弯曲蠕变装置；最基本的是弯曲蠕变装置；荷载采用一个小气压泵施加，其技术关键是荷载本身很荷载采用一个小气压泵施加，其技术关键是荷载本身很小，而且要使加载杆的摩擦力非常小，荷载杆的端部是小，而且要使加载杆的摩擦力非常小，荷载杆的端部是半圆头，直接加到试件中央。半圆头，直接加到试
38、件中央。保温浴的控温精度为保温浴的控温精度为0.1 ,0.1 ,，循环流动使水温均匀，循环流动使水温均匀，不冻液采用通常使用的甲醇、乙二醇、乙醇、乙烯及水不冻液采用通常使用的甲醇、乙二醇、乙醇、乙烯及水的混合物，它必须在的混合物，它必须在-36-36以下不冻结。以下不冻结。计算机数据采集系统自动采集荷载、变形并自动计算蟠计算机数据采集系统自动采集荷载、变形并自动计算蟠变劲度变劲度S S、蠕变速率、蠕变速率m m。SHRPSHRP采用采用BBRBBR试验用来评价沥青低温试验用来评价沥青低温抗裂性能，试验得到两个指标抗裂性能，试验得到两个指标: : 1、弯曲蠕变劲度模量S(弯拉模量)，要求不超过3
39、00MPa； 2、蠕变曲线的斜率m，要求不小于0.3。m值是蠕变劲度S(t)的变化速率，即蠕变曲线的切线斜率。在我国，将“八五”攻关提出的建议指标10 延度、 T1.2与BBR试验的弯曲蠕变劲度S相比较可见，10延度大或T1.2低的沥青BRR试验符合蠕变劲度模量要求的温度也低，二者之间相关关系较好。 将沥青的延度及T1.2与劲度模量进行比较，不难看出，沥青蠕变劲度越小，10延度大， T1.2这种双指标的方法评价沥青的低温抗裂性能是合理的。按照沥青流变学原理按照沥青流变学原理, ,将七种原样沥青弯将七种原样沥青弯曲蠕变劲度模量绘成主曲线汇总于下图。曲蠕变劲度模量绘成主曲线汇总于下图。 图图原样沥
40、青弯曲蠕变劲度模量主曲线原样沥青弯曲蠕变劲度模量主曲线由此由此可对各种沥青在广温度域及大时间也围的性质作出推断。可对各种沥青在广温度域及大时间也围的性质作出推断。图中曲线越是位于下方的沥青表示低温性能越好。图中曲线越是位于下方的沥青表示低温性能越好。 第九节第九节 沥青的低温粘度沥青的低温粘度沥青在低温时的劲度模量是评价沥青低温抗裂性能的重要指标。而劲度取决于沥青的粘度。沥青在低温时是粘弹性体，此时测定得到的粘度是表观粘度。沥青低温粘度反映沥青在低温条件下的变形性能，低温粘度越大，说明低温下有较大的柔性，抗开裂性能好。1. 1. 落柱式粘度计落柱式粘度计落柱式粘度计是由R. J. Schmid
41、t和L.E.Santucci于1963年提出的；它是利用一个双筒圆柱体，间隙中装人沥青试样，在荷载作用下由筒徐徐落下，使试样与固定的外筒间产生剪切变形，通过荷载与变位的测定求解沥青粘度的装置，其目的是为了测定较低温度(软化点以下至10左右的范围内)的粘度。落落柱式粘度计及试验曲线柱式粘度计及试验曲线：1-LYDT； 2-内筒；3-外筒； 4-沥青试样；5-砝码； 6-恒温水浴；7-恒温循环器；8-放大器；9-X-Y记录仪测定时，试样设置在恒温水浴内，砝 码直接加在LVDT的芯棒上，X-Y记录仪记录LVDT的变形曲线，在时间t内变形为则剪变率则剪变率D D及剪应力及剪应力S S为为: :式中式中
42、:沥青试样的表观粘度沥青试样的表观粘度( (也称视粘度也称视粘度); D); D试样的剪应变试样的剪应变; ;S S试样的剪应力试样的剪应力 试样发生的变形试样发生的变形t t荷载作用时间荷载作用时间; d1; d1及及d2-d2-内外筒的直径内外筒的直径; ; h h筒高筒高; g; g重力加速度。重力加速度。P P荷载，包括硅码及内简、底板、荷载，包括硅码及内简、底板、LVDTLVDT的芯棒的水中质量之和。的芯棒的水中质量之和。采用落柱式粘度计试验比较国产沥青和进口采用落柱式粘度计试验比较国产沥青和进口沥青的性能沥青的性能采用落柱式粘度计对单家寺稠油沥青、日本沥青及胜利沥青进行常温温度域2
43、040的流变性能试验，如图2-3-31：在图中双对数坐标上，不同荷载下的剪变率一剪应力的关系即流变曲线有相当好的直线关系，即:一般来一般来说，PI大的大的沥青，青，C值可能会小一些，即感温性好的可能会小一些，即感温性好的沥青，感青，感时性不一定好。性不一定好。由此可见，对温度较低、沥青表现为非牛顿体时，不同剪变率和不同剪应力水平时的表观粘度值是不同的，通常所指沥青在某温度下的粘度为多少，都是指某一定（1）计算等剪变率(剪切速率)时的表观粘度（2）计算等剪应力时的表观粘度（3）计算等剪切功时的等功粘度。2. 2. 滑板式粘度计滑板式粘度计滑板式粘度计的铡定原理滑板式粘度计的铡定原理非常简单，下图
44、示为两种滑非常简单，下图示为两种滑板式粘度计板式粘度计a a）壳牌公司研究所采用的）壳牌公司研究所采用的滑板式微粘度计滑板式微粘度计(sliding (sliding Plate Micro-Viscometer)Plate Micro-Viscometer)，b)b)弹性恢复流变仪弹性恢复流变仪(Elastic Recovery (Elastic Recovery RheometerRheometer）由于滑板式粘度计可以测定较高粘度的情由于滑板式粘度计可以测定较高粘度的情况，所以它可用侧定软化点以下至接近况，所以它可用侧定软化点以下至接近00的沥青以及聚合物改性沥青的粘度，并可的沥青以及聚
45、合物改性沥青的粘度，并可测定其弹性恢复性能。测定其弹性恢复性能。根据滑板的数目可以做成单板根据滑板的数目可以做成单板( (一固定板及一固定板及一滑动板一滑动板) )及双板及双板( (一固定板及两块滑动板一固定板及两块滑动板) )的型式。的型式。在单板情况在单板情况下下若板的面积为A，荷载为P，则剪应力为S=P/A，若板与板的间隙即试样的厚度为d,滑板移动的速率为，则沥青的剪变率D= /d。试验时相对于某一个荷载，记录下时间t内滑板移动的位移 ，则 = /t，因而哈尔滨建筑大学研制的滑板式粘度哈尔滨建筑大学研制的滑板式粘度计是双板式的，如计是双板式的，如图图2-3-332-3-33：由三片由三片
46、20mm 20mm 30mm30mm6.5mm6.5mm的金属片夹注两层的金属片夹注两层2mm2mm的沥青的沥青层，对中间的金属片加荷层，对中间的金属片加荷P P形形x x是时间的函数，则剪应力是时间的函数，则剪应力S S剪应变剪应变DtDt及表观粘度及表观粘度 ，按，按下式计算下式计算: :计算时采用等剪切功SD为100J/(sm)时的粘度作为沥青的表观粘度。 滑板式粘度计结构较为简单，但是影响其测定精度的因素也很多：沥青膜厚在(40100) 范围内变化引起粘度变化达 15%；玻璃板的光洁度、试样中是否有混进杂质微粒、受力方向有否偏移都能引起大的误差。第十节第十节 沥青的玻璃化温度沥青的玻璃
47、化温度对一般的弹性体来说，弹性模量是随温度变化而变化的，且有两种不同的变化趋势: 随随温度的上升弹性模量减小，它被称为能量弹性温度的上升弹性模量减小，它被称为能量弹性; ; 随随温度的下降弹性模量增加，它被称为嫡弹性或橡胶弹性。温度的下降弹性模量增加，它被称为嫡弹性或橡胶弹性。用热力学的观点解释，当物体受到拉伸时，拉伸应力与温度的关系可用下式表示式中：U U、S S表示物体内部的活化能及嫡，表示物体内部的活化能及嫡，( (u/u/L)TL)T及（及（S/S/L)L)T T表示相应于一表示相应于一定温度下因拉伸变形定温度下因拉伸变形L L而产生的能量及熵的变化。而产生的能量及熵的变化。实验结果表
48、明：对金属、玻璃之类的“普通的弹性体”，第二项嫡的变化可以小得忽略不计。于是E= ( (U/U/L)TL)T ，为能量弹性，对这一类弹性体。在外力拉伸时，分子及原子间距、排列角度产生变化是以能量贮存的形式实现的，当外力去掉后，贮存的势能立即释放而使物体恢复原状。对于橡胶及线状高分子组成的塑料类材料来说，式中第一项可以小得忽略不计，于是E= -( (S/S/L)TL)T 。在拉伸条件下， E为正值，绝对温度T永远为正值，因而 ( (S/S/L)TL)T为负值。即在同一温度下，嫡因拉伸变形而减少。具有橡胶弹性的物质并不是永远呈现嫡弹性具有橡胶弹性的物质并不是永远呈现嫡弹性的，到了一定温度后，即使受
49、到拉伸，分子的，到了一定温度后，即使受到拉伸，分子犹如冻结了而不再运动，此时，原子间的间犹如冻结了而不再运动，此时，原子间的间距与角度发生变化，变成了能量弹性，这种距与角度发生变化，变成了能量弹性，这种状态的转变过程称之为状态的转变过程称之为玻璃化玻璃化。沥青的玻璃化的过程沥青的玻璃化的过程图2-3-36示出了玻璃化的过程，在低温时呈现能量弹性的物质由于温度上升弹性模量减小，到某一温度时达到最小值，继续升高时，弹性模量反而增加，呈现嫡弹性，这个温度的转折点便称之为玻璃化温度(GlassTransition Temperature)对沥青这种不具有结晶性的无定形高对沥青这种不具有结晶性的无定形高
50、分子，它的弹性系数从低温向高温变分子，它的弹性系数从低温向高温变化时随之发生这种变化模式化时随之发生这种变化模式( (见下图）见下图）从玻璃态变成橡胶态的过程中存在一个转换区间，称为玻璃化温度Tg，它是具有橡胶弹性的物质的一个重要的特征温度，又称之为第二次转化温度( Second order Transition )。随后由弹性态随后由弹性态( (嫡弹性嫡弹性) )变成粘流态为第一次转化，也称变成粘流态为第一次转化，也称粘流化温度粘流化温度TfTf。在。在Tg-TfTg-Tf范围内呈现复杂的粘弹性性质范围内呈现复杂的粘弹性性质。 玻璃化温度显示沥青由粘弹态转化为玻璃态的温度，因而是反映沥青低温
51、性能的重要指标。玻璃化温度的测定方法甚多，最常用的是改变温度测定沥青的比容，原理是把沥青装入一个密闭的铝制容器中，容器上接一根毛细管，使沥青试样按一定的速度升温或者降温，读取毛细管中的染色酒精的变位。第十一节沥青低温杭裂性能指标的验证第十一节沥青低温杭裂性能指标的验证评价沥青结合料低温抗裂性能的指标有许多，其中有些指标，如SHAP开发的简支梁弯曲蠕变试验和直接拉伸试验，物理意义明确，是非常理想的指标。但是试验技术要求较高，仪器设备需要进口，一时还难以在国内生产单位推广应用。“八五”国家科技攻关专题提出的由针人度测定的针人度指数PI、10低温延度、当量脆点T1.2等，试验方法简单，与SHRP等先
52、进方法的试验结果有良好的相关性，被认为是适合于我国国情的评价指标。“七五七五”和和“八五八五”攻关课题通过对攻关课题通过对代表性沥青样品的低温抗裂性能及各代表性沥青样品的低温抗裂性能及各项评价指标的试验研究，并经过实际项评价指标的试验研究，并经过实际取样检验验证，可以得出以下结论取样检验验证，可以得出以下结论: :1、沥青感温性指标针人度指数PI是评价沥青性能指标的核心。2、将沥青延度试验的试验温度降低到10 ，拉伸速率为5cm/min，可以更好地评价不同沥青的路用性能，区分15延度都大于100cm的沥青低温性能的优劣，其方法简单，便于在生产中推广应用。测力延度试验更适合于改性沥青，对非改性沥青仍以采用一般的延度试验为好。3、沥青小梁弯曲蠕变试验是SHAP新的试验方法，是一种简便的沥青劲度的直接测量方法。4、沥青的实际情况，因此有较大的潜力。但是如何完善试验方法，消除手工操作带来的影响，使其方法成为标准还有待研究。5、沥青的低温粘度试验对描述沥青的低温性能是一种简便有效的试验方法，可作为研究单位评价沥青质量的检测手段。6、对沥青低温领域流变学的研究是研究沥青低温性能的最根本的方法。
