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1、 浅叙沥青材料浅叙沥青材料流变学流变学 徐闯徐闯 2015.5.23内容要点第一节引言第二节国内外沥青流变特性研究状况第三节流变学性质的基本概念第四节沥青的流变性质及评价指标第五节沥青混合料的流变性质及评价指标第六节结语第一节引言随着经济的不断发展,道路所承受的交通量、交通荷载及轮胎压力不断增加,由此导致沥青路面的车辙、开裂、剥落等病害日益严重。如何提高沥青路面的使用性能,以满足交通发展的需要,这是全世界道路工作者所面临的重要课题。 沥青路面车辙现象 沥青路面开裂现象沥青是一种具有弹性、粘性和塑性的流变性材料，在高温时软化呈流体，低温硬化变脆呈固体。而路面尤其是高等级路面要求所采用的沥青在高温
2、时不易软化产生车辙，在低温时不易硬化导致开裂。然而单一的石油沥青受其生产工艺与母体原油性质所限，很难满足上述流变性要求。沥青材料的性能是受温度及负载作用时间的影响的 ,并不是不变的常数。因此，路面设计、路面内的应力应变分析、理论计算等仍停留在理论上,如若付诸于实际应用,还必须从研究沥青材料的性质入手。沥青材料流变学乃是研究沥青材料性质科学的方法。第二节国内外沥青流变特性研究状况从国内外研究情况来看，以流变学理论为基础，开展对沥青及沥青混合料流变特性的研究，是材料科学发展的一个趋势。从法国、瑞士、荷兰等国的情况来看，大约70%80%的研究工作是以流变学为基本理论，从理论上探讨其力学特性与试验性能
3、。SHRP研究结果认为，材料的流变特性可以用在恒定的温度或恒定的频率或载荷时间条件下复合模量和相位角随频率的变化表示。我国在这方面起步较晚，且研究工作没有连续性，缺乏系统的数据积累。沥青材料主要为石油沥青，在公路建设中有着重要的应用，但它的流变性能及流变模型，在世界范围内的认识不尽详细。至目前为止，国内外研究流变学的途径一般有两种：一种是用流体力学中的数学方式建立起一些方程式（如运动方程和连续方程等）来描述体系的流变性，而不去追究其内在原因；一种是将观察到的体系的力学行为与物体的内部结构联系起来，并建立相应的关系式或指标说明这一关系。一般情况下，研究沥青都采用第二种途径。而沥青的流变性主要是沥
4、青的流动性和粘弹性。第三节流变学性质的基本概念3-1流变性质与流变学概念3.1.1 材料的流变性质在夏季高温季节。在沥青路面中，沥青遇热膨胀，成为自由沥青，他将向空隙移动并可能形成泛油，造成道路的破坏。然而我们掌握了评价沥青及沥青混合料流变性质的指标，对其进行分析，将其应用于实际工程中，能够让沥青路面更少的损坏，有着实际的意义。流变学是研究物质流动和变形的科学，它主要研究材料在应力、应变、温度、湿度、辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律。它包括材料的塑性、弹性、粘性、形变等内容，并将应力、应变、时间、温度、分子结构、界面性质等因素对材料力学性质的影响作为研究对象。3.1.2什么是流变性
5、质？ 沥青混合料弯曲蠕变试验第四节沥青的流变性质及评价指标4-1沥青的流变性质4.1.1 沥青材料的流动性在高于沥青软化点的温度范围内，沥青材料主要表现粘性流动特性。粘度的大小表征了材料在外力作用下抵抗流动变形的能力，粘度越大，材料在相同外力作用下产生的流动变形越小。对石油沥青，即使高于软化点温度（已经成为流体），但并不服从牛顿定律（即剪应力与剪应变的简单线性比例关系），而属于非牛顿流体。对这些沥青材料，要测定粘性系数将是困难的，因为剪切速率的变化将测得不同的数值。因此，使用上都是固定某一个条件测定其条件粘度。将剪应力与剪边率之比称为视粘度，或叫表观粘度。 4.1.2 沥青材料的粘弹性沥青是一
6、种粘弹性材料，粘弹性材料一个始终不变的特征就是它的力学特性随载荷施加的时间和温度而变化。沥青材料具有松弛能力，降温时沥青面层由于收缩变形产生的温度应力逐渐松弛，使得沥青路面能够不产生收缩裂缝。但是降温幅度过大，或者沥青材料的应力松弛能力不足时，温度应力超过材料的破坏强度，沥青材料将会发生低温开裂。同样，由于沥青路面材料具有蠕变特性，高温下产生的车辙病害不仅来源于沥青的粘性流动变形，也与未能恢复的蠕变变形累计有关。蠕变速率能真实地反映沥青及其混合料的流变特性和高温性能。研究沥青的高温车辙和低温开裂问题必须研究沥青的蠕变性能和应力松弛性能。同样，蠕变和应力松弛也是沥青材料粘弹性力学领域中研究的基本
7、力学现象。蠕变：恒定温度下，固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象（蠕变曲线如图1）。应力松弛：在恒定的应变条件下，应力随时间延长而减小（松弛曲线如图2）。 图1 图2 4-2沥青的流变性质评价指标4.2.1 针入度针入度针入度实验是在规定的温度和时间内，在一定温度和时间内，附加一定质量的标准针垂直灌入试样的深度，以0.1mm表示，针入度用来评价沥青软硬程度和稠度、抵抗剪切破坏的能力，反映在一定条件下沥青的相对黏度的指标。针入度愈大表示沥青愈软，即稠度愈小；反之则表示沥青愈硬，即稠度愈大。 针入度仪我国现行试验法（T 06041993）规定：常用的实验条件为P25,1 0
8、0 g,5s。此外，在计算针入度指数时，试验温度常常为5,15,25，3 5，但标准质量和贯入时间仍为100g和5 s。值得注意的是，现在国际上对15针入度越来越重视，美国SHRP公司通过对沥青混合料低温开裂的评价研究提出，原样沥青（未老化的）、TFOT残留沥青（经短期老化），PAV残留沥青（经长期老化），其 15针入度与反映沥青混合料低温开裂性能的约束试件温度应力试验（TSRST）的破断温度之间有良好的相关关系。（王子军，张书红，李锐.AH-90 重交通道路沥青的感温性研究J.石油沥青，2002,16(3):6-9 . ）4.2.2 软化点软化点把确定质量的钢球置于填满试样的金属环上，在规定
9、的升温条件下，钢球进入试样，从一定的高度下落，试样，从一定的高度下落，当钢球触及底层金属挡板时的温度，视为软化点，以摄氏温度表示（），软化点越高，表明沥青的耐热性越好，即温度稳定性越好。它在一定程度上反映沥青黏度和高温稳定性及感温性。 沥青软化点仪器沥青的软化点认为是沥青在一定条件下的等粘温度，常用于评价沥青的高温性能，软化点高意味着沥青的等粘温度高混合料的高温稳定性就好（张南鹭.60高粘度沥青路用性能评价.石油沥青. 1998,12(1).）。软化点与脆点间的温度之差常用作塑性温度范围来评价沥青的使用性能。 我国仍采用软化点指标来表征改性沥青的高温性能。 4.2.3 延度延度延度试验是将沥青
10、做成8字型标准试件，在25摄氏度下，要求通常采用温度为25C、15C、10C、5C，以50mm每分钟（当低温采用1cm每分钟）速度拉伸至断裂时的长度（cm），即为延度。延度越大，表明沥青的塑性越好。延度是评定沥青塑性的重要指标。 延度仪 在传统的沥青评价方法中，其低温性能是用脆点和延度进行表征的。沥青的延度反映了当其受到外力的拉伸作用时，所能承受的塑性变形的总能力，通常延度是用作为条件延性指标来表征。（李秀君，景彦平，原健安，戴经梁.沥青延度与流变特性关系研究分析(二).石油沥青.2002,16.）测力延度仪（FDT）可以准确地分别显示试样在拉伸过程中力、变形和做功的变化情况。沥青在高温下具有
11、流动性，在外力的作用下，内部产生相对运动。另一方面，在运动的状态下，还有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘性。粘性是流动性的反面。在我国，夏季沥青路面的温度可达5070，测定 60的粘度真实的反映路面的实际使用情况，粘度大的沥青说明在载荷作用下产生较小的剪切变形，弹性恢复性能好，残留的永久塑性变形小，这就是抗车辙能力的本质（刘忠信.道路沥青标准若干指标的讨论. 石油炼制与化工.1994,25.）。 4.2.4 粘度粘度第五节沥青混合料的流变性质及评价指标沥青路面的低温开裂问题是道路工程中的一个难题，沥青路面使用的沥青混合料具有应力松弛能力，降温时其面层由于收缩变形产生的温度应力逐渐松弛，使得
12、沥青路面能够在不设收缩缝的情况下正常工作而不至于发生开裂。但是如果降温幅度过大，或者沥青混合料的应力松弛能力不足，使得温度应力超过材料的破坏强度，沥青路面将发生设计时考虑不到的低温开裂。51概述 52沥青混合料的流变性质沥青混合料是沥青和石料的混合材料,被认为是一种典型的颗粒性材料，它的颗粒骨架空隙被具有粘弹性的沥青浆体不完全填充，在通常的工作条件粘弹性的沥青浆体不完全填充，在通常的工作条件下，这种混合料的流变特性也表现为粘弹性。 沥青是一种均质性的粘弹性材料，而沥青混合料是一种颗粒性的粘弹性材料，这也就是它们在流变特性方面存在差异的原因所在，因此，二者的力学特性既存在一些相似性，又有许多差异
13、性。 沥青与沥青混合料之间的结构相关特性 5-3沥青混合料的流变性质评价指标 沥青路面开裂的一个重要因素就是沥青的收缩因其应力集中，当沥青（沥青混合料）的收缩变形大于沥青（沥青混合料）自身的松弛应变，或累积的温度应力大于沥青的粘接强度，沥青路面就会开裂。因此，测定沥青（沥青混合料）的收缩系数，可用作为评价沥青（沥青混合料）的抗开裂能力。5.3.1 收缩 蠕变模量常作为沥青路面结构力学计算参数，表征了在蠕变过程中材料单位应变所需的应力，对一个完善的弹性材料来说，它是蠕变柔量的倒数，此外还有拉伸柔量、剪切柔量等。5.3.2 蠕变模量 在黏弹性固体的应力松弛中，与单位应变相对应应力(时间函数)称作松弛弹性模量。应力随时间增加而减小。但不为0，由于施加于材料上的外力作用时间是一个变量，因此松弛弹性模量是时间的函数。5.3.4 松弛模量粘弹性固体应力松弛曲线第六节结语沥青与沥青混合料作为一种非常重要的土工材料，被广泛应用于道路路面和建筑防水，通过采用各种类型的措施改善沥青或者沥青混合料的流变特性，研究沥青和沥青混合料的流变性以及其相关性，正确认识沥青与沥青混合料的流变性质，有助于解决一些路面的力学问题，提供一些更好的路面设计理论，从而设计出一些更好地路面结构，这将对道路的建设和经济的发展起到十分重要的作用。谢谢观赏谢谢观赏
