沥青混合料的低温抗裂性.doc

沥青混合料的低温抗裂性9-1 概述 沥青是一种温度敏感性材料，温度的变化会使其力学性能发生很大的变化。夏季，温度的升高会使其强度显著降低，导致车辙和波浪等病害发生。因而，沥青混合料必须具有高温稳定性，这在上一章中已经作了详尽的阐述。随着温度的降低，沥青混合料的强度和劲度都会明显增大，然而，其变形能力却会显著下降，并会出现脆性破坏。 和水泥混凝土路面相比较，沥青路面由于材料具有一定的应力松弛特性，因而在变形能力方面具有一定的优势，为此，沥青路面不具有接缝，但是随着温度的降低，材料明显变“脆”，因而，这种柔性逐渐丧失，由于公路是一种露天构筑物，在外界条件诸如水温状况发生变化以及在外界车辆荷载的重复作用下，结构会不可避免的出现路基及基层的压密，路基的不均匀沉降及不均匀冻降等形变，材料的变脆会使路面结构产生裂缝。初期产生的裂缝对沥青路面的使用性能并没有明显的影响，只是有损美观。但是随着表面雨水和雪水的进入，导致裂缝两侧的路面结构层，特别是裂缝附近土基的含水量增大，甚至饱和。其结果是路面强度明显降低，在大量行车荷载的反复作用下，产生冲刷和唧浆现象，从而使裂缝发展成为网裂、龟裂而使路面很快产生结构破坏。 由于近几年来，国内外高等级公路建设的蓬勃发展，也由于低温裂缝对公路质量的严重影响，沥青混合料的低温稳定性研究成为一热门话题。沥青路面的低温裂缝很普遍，不但在北方冰冻地区有，在南方非冰冻地区也有。只是裂缝的轻重程度不同(单位长度内裂缝的条数或单位内裂缝的长度和裂缝的宽度）。由于我国在各个地区沥青路面比较普遍，而且我国沥青路面所用沥青多是质量不好的渣油和国产多蜡沥青。此外，我国沥青路面大多铺筑在收缩性很大的半刚性基层上，因而我国的沥青路面上的裂缝特别严重。 低温缩裂长期以来被认为是个混合料组成设计及原材料性质方面的问题，但是深入研究表明，它不仅和上述二者有关，而且和路面结构等其他问题也关系密切。因为本书主要是研究沥青混合料，为此，我们的重点是材料本身的特性。 9-2 沥青混合料低温裂缝的形成 沥青路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的。但就沥青路面开裂的原因而论，可以分为两类：荷载型裂缝和非和荷载型裂缝。所谓非荷载型裂缝即指不是由行车荷载引起的裂缝。沥青面层上的非荷载型裂缝主要是温度裂缝。温度裂缝又有两种，一种是低温收缩裂缝或者简称低温裂缝。冬季，随着温度的降低，沥青材料的劲度模量变的越来越大，材料变的越来越硬，并开始收缩。由于沥青路面在面层和基层之间存在着很好的约束，因而当温度大幅度降低时，沥青面层中会产生很大的收缩拉应力或者拉应变，一旦其超过材料的极限拉应力或极限拉应变，沥青面层就会开裂。由于一般道路沥青面层的宽度都不很大，收缩所受到的约束较小，所以低温开裂主要是横向的。另一种是温度疲劳裂缝。这种裂缝主要发生在太阳照射强烈、日温差大的地区。在这种地区，沥青面层白天和夜晚的温度差别很大，在沥青面层中会产生较大的温度应力。这种温度应力会日复一日的作用在沥青面层上，在这种循环应力的作用下，沥青面层会在低于极限拉应力的情况下产生疲劳开裂。温度疲劳开裂可能发生在冬季，也可能发生在别的季节，北方冰冻地区可能发生这种裂缝，南方非冰冻地区也可以 发生这种裂缝。 通常情况下，人们认为低温开裂发生在北方冰冻地区的冬季，其实不然。南方非冰冻地区除了在冬季沥青面层会产生温度应力外，在夏秋两季，忽而烈日照射，忽而突降暴雨，这样瞬间温度会降低20-30左右。这也是夏季和南方非冰冻地区产生温度裂缝的原因。一 柔性路面低温开裂形成机理 柔性路面由于低温缩裂而破坏的例子在国内外相当普遍。柔性路面的开裂现象在北京及南方一些地区的道路上普存在，在国外例如加拿大沥青路面的低温开裂曾经成为影响道路使用性能最严重的问题之一。 国内外对于沥青路面温度裂缝的机理的研究已经进行了今三十多年。国内外近十年也开展了沥青路面低温开裂原因的研究工作。但是，以往沥青路面低温开裂的研究并未针对柔性路面和半刚性路面分别展开，而是集中在柔性路面上。对于柔性路面的低温开裂国内外已经积累了比较丰富的经验，概括起来可以分为以下几点： （1） 当沥青面层的温度达到某一负值时，开裂从表面开始，并向下发展到穿过整个沥青混凝土层。少数情况裂缝向下传播极快，裂缝穿过沥青混凝土层可以说是瞬间的。在许多情况下，特别是在沙土土基层，出现在表面的低温裂缝向下传播不超过5cm。（2） 沥青的品种和等级是影响沥青路面开裂的最重要的因素。实验证明，用高粘度（温度敏感性低）针入度150/200的沥青铺筑的实验路，使用五年后无横向裂缝。而用低粘度沥青铺筑的实验路产生了很多裂缝。国内研究表明，沥青低温延度及针入度越大，其开裂温度就越低，其中低温延度比针入度对开裂温度的影响更为显著。（3） 沥青面相同情况下，在沙土土基上的沥青路面的裂缝比粘土土基上的沥青路面的裂缝要密。（4） 有厚沥青结构层的路面，单位长度内的横缝较少。用低粘度150/200针入度沥青所做的全厚式沥青路面的（25.4cm沥青混凝土+粘土土基）裂缝只有以“10.2cm沥青混凝土+40cm粒料基层+粘土基层”结构的路面裂缝的40%。（5） 沥青含量。在马歇尔实验最佳用量-1%+0.5%范围内，不明显影响路面的横缝产生频率。（6） 添加水泥填料以及改善集料级配对横缝无明显影响。半刚性路面沥青路面裂缝形成机理 以上所述柔性路面裂缝的机理和主要原因，国内外都是一致的，同时也是很明确的。但对于半刚性路面开裂的机理和主要原因，则缺少明确的分析和有力的依据。过去，人们习惯于将其看作是半刚性基层的反射裂缝，而忽略了同样的沥青面层在柔性路面上也同样产生裂缝。 在寒冷和教寒冷的地区，一旦气温大幅度下降，在沥青面层中会产生较大的温度梯度，通常情况下，大幅度温度下降还往往会伴随着大风。在大风降温过程中，直接与大气接触的面层的表面温度会迅速下降，其温度比低温会低的多。根据山西资料表明，在石家庄正定半刚性路面表面的最低温度较气象站的气温低3-5。 温度向沥青面层底部产地是需要一定的时间的，而且沥青面层内部和底部的温度不可能和暴露在外面的表面温度相同，而是始终有一温差。沥青面层越厚，表面温度与底面温度之差就越大。同时，表面温度的温度变化率也大于沥青面层内部懂得，当然更大于沥青面层底部的。图9-1是加拿大某地的观测资料，该地区冬季最低温度时49。由上图可知，沥青面层表面的温度最大变化路留念、率为-3.61/ h,，而深7.6cm处的最大变化率 为-1.39/h,越往深处，温度变化率就越小， 图9-1 加拿大沥青混凝土面层温度 深.cm的地方，最大温度变化率为-0.28/h.。在此，需要指出的是，沥青面层表面的温度不是真正暴露表面的温度，实际面层表面温度的最大变化率还比上述数字要大。根据在大风降温过程中对石家庄正定半刚性路面实验路的观测，路表温度降低最大的仅两个小时，期于时间温度下降速率明显变小。该路路表的温度最大速率为3.5/ h 4.1/h. 因此，在大风降温的过程中，沥青面层的表面产生的温度收缩应力最大。一旦这个应力超过沥青面层混合料的抗拉强度，面层的表面就会首先开裂。这就是沥青路面面层开裂首先从表面开始的原因，这个特点并不会因为基层是柔性还是半刚性基层而有所改变。前面已经说明在我国南方地区，即使是在夏季，由于骤将暴雨，也可使的沥青面层的温度在短时间内降低三十度左右，这使的沥青面层表面产生较大的温度应力，在这种收缩应力的反复作用下。沥青路面从表面开始出现裂缝，这个特点也不会因为基层是柔性还是半刚性而有所区别。 室内路面结构模型温度应力光弹实验的结果完全正式了这一点。在基层和面层均无裂缝的情况下，表面温度降低三十度，在沥青面层的温度应力的分布图见图9-2。由图可知，面层表面的温度应力随着面层的增厚而增大。面层厚为15cm时，其表面的温度应力比面层厚5cm时的4.6%；面层内的应力随深度很快减小；特别是在面层厚时温度应力减小的更快。面层9cm时，同样降温的条件下，面层表面的温度应力为图9-2降温 30时,沥青面层的温度应力 1.0mpa较面层厚15cm时的小7.8%。面层厚12cm 时，同样降温条件下，面层表面的温度应力最小，只有7.02105pa，较面层厚为15cm时的小35.3%。因此，在其他条件相同的条件下，面层厚度大于12cm时，面层越厚，可能越容易产生温度裂缝。实验同时表明，面层表面的温度应力随着降温幅度的增大而增大。沥青表层的表面一旦开裂，随着持续低温或另一次降温的到来，在裂缝尖端会产生大的应力集中，使裂缝向下延伸并逐渐穿透整个沥青面层。温度光弹实验和有限元温度应力的计算结果都充分证明了这一点。沥青面层的表面已有裂缝时，光弹试验得到的温度应力分布状况如图9-3。 上图所示裂缝尖端应力实际并不是真正尖端的力，它离尖端还有一段距离。可以看到，此力已经大大超过无裂缝时面层表面的力，因此，裂缝将向下延伸。一旦基层上面的沥青路面层已经开裂到底 ，在持续低温或此后几次降温过程中，面层的裂缝要继续拉开。根据沈大高 图9-3温度应力分布 速公路的观测，面层上间距50m，宽3mm的预锯缝，到冬季最冷的时候，锯缝成倍展宽，最宽的裂缝达14mm.沥青面层裂缝继续拉开，使裂缝下基层顶面产生一个附加集中拉应力。由于面层底面与基层表面是互相粘结的，面层收缩将基层以附加应力，此拉应力加上半刚性基层本身的收缩应力就可能超过半刚性基层的抗拉强度，或这两个力的反复作用都可能使半刚性基层开裂。在轻冰冻地区，虽然冬季温度教高，裂缝展宽的程度较小，但由展宽给基层产生的附加应力加上半刚性基层的本身低温收缩力，在这两个力的反复作用下，半刚性基层也会逐渐开裂。因此当半刚性基层上有较厚的沥青面层时，路面表面的裂缝主要是沥青面层本身的温度裂缝。由半刚性基层引起的反射裂缝即使有，也是很次要的。 对比上述半刚性基层路面和沥青路面温度裂缝的形成机理，可以看到是相同的。收缩性小的优质半刚性基层上有较厚的沥青面层时，在非干旱地区裂缝主要是温度裂缝。温度裂缝起始于表面并逐渐向下延伸直到穿透 面层和半刚性基层。由此可以推断，优质半刚性基层上有较厚沥青面层时，面层的裂缝与相同沥青和沥青混合料的柔性基层沥青路面的裂缝不会有明显差别。(三)反射裂缝和对应裂缝及其形成机理国内外研究表明，半刚性路面的反射裂缝和对应裂缝主要是温度引起的，当然在某中情况下是温度和荷载共同作用的结果。 在已经开裂的老沥青路面或者在有接缝的水泥混凝土路面上加铺沥青面层后，原先的裂缝会在新铺沥青路面的相同位置重新出现。由于以往研究下层裂缝为何会在新铺面层上出现时，主要是考虑了行车荷载作用而得出的结论，下层裂缝引起裂缝上方面层底面首先开裂并逐渐向上穿透直到表面。因此，习惯上称之为反射裂缝。 在结合的好的沥青面层下，开裂板的水平位移使得直接在杂裂缝上的面层产生大的拉应力或者拉应变，由于在较低温度下，沥青面层通常较硬，它只能承受小的拉应力或拉应变，因此容易开裂。加铺的沥青面层越薄，反射裂缝便形成的越早且越多。但是，如同上节而言，当沥青面层较厚或下层裂缝引起沥青面层产生由上向下的对应裂缝时，沥青面层越厚，有可能越早出现对应裂缝，或者至少对于延缓对应裂缝的出现没有好处，因为，温度试验光弹试验表明，在相同的降温条件下，下层开裂后裂缝上方面层表面的温度应力随着面层的增厚而加大。下面是美国有关资料中的一个例子。（1） 美国加利福尼亚州有一条破坏形式为龟裂的沥青混凝土路面（15号州际公路），在上铺2.5cm厚的和4.7cm的两种上覆层。竣工后两年，前者出现了98%龟裂型反射裂缝，而六年后后者还没有出现裂缝。（日交通量13500，其中10%为卡车）。（2） 加利福尼亚州另一条州际公路的原来结构为：9.1cm沥青混凝土+20cm水泥稳定基层+20cm粒料底基层。1972年大部分路道上都有裂缝出现。横缝间距约3-6cm另外在外侧轮迹带上有些结构裂缝。1974 年7月份在上加铺沥青混凝土上覆层分别为6.1cm和9.1cm.到1980年，前者路道上每一公里有裂缝6条，而后者仍然没有裂缝出现（1979年平均日交通量20000，其中305为卡车）。（3） 在加利福尼亚州得95 号公路上，沥青混凝土路面有严重的块壮裂缝、横缝、和纵缝，并有某些脱落。1972年加铺了2.5cm沥青混凝土上覆层，并在另一段实验路上加铺了6.1cm的沥青混凝土上覆层 。六年后，加铺层较厚的路段仅有2%的反射裂缝，而一端相邻地2.5cm的路段四年后就有严重开裂，另一端相邻地2.5cm的路段六年后有30%的反射裂缝.在已经开裂的老沥青路面上或者在水泥混凝土路面上加铺厚沥青混凝土面层后,在沥青面层上可能出现低温收缩的地区,杂冬季突然降温过程中,老路面的裂缝或接缝会由于温度收缩而继续张开或翘曲.它将给也在产生温度收缩和温度翘曲的新铺沥青面层的抗拉强度,新沥青面层的表面就会在老路面的裂缝上方图9-4厚沥青面层的温度应力分布 开裂,并逐渐向下延伸,直到与老路相接.这样形成的裂缝叫做对应裂缝.假定在已经开裂的老路上铺筑沥青面层后,路面结构层的参数如图所示(图9-4左).长沙交通学院用光弹模型试验得出了裂缝上方沥青混凝土面层中的温度应力分布规律.实验结果如图(9-4右)所示,温度应力是表面降温30时所得.由上图可知,在沥青面层厚15cm和所用参数相同的情况下,沥青表面的温度应力最大,达到1.23mpa,它超过半刚性基层无裂缝条件下沥青面层的表面温度应力(1.085mpa).在面层下部约深10cm处温度应力最小;在面层底面因同时受到基层裂缝张开的影响,温度应力又有所增加.因此,在厚面层情况下,裂缝将从面层表面开始,逐渐向下延伸,形成对应裂缝.光弹试验还表明,在同样条件下12cm厚沥青面层表面的温度应力为0.910mpa,底面的温度应力为0.590mpa,由基层裂缝促成的面层裂缝也将从表面开始,形成对应裂缝.但是此温度应力(0.910mpa)小于15cm厚沥青面层表面的温度应力(1.231cm).因此,在其他条件相同的情况下,较厚的沥青面层首先产生对应裂缝.从图9-4可知,在沥青面层厚5cm和所用参数的情况下,沥青面层底部因为同时受到较大的基层裂缝张开的影响,其温度应力最大,达到2.43mpa;而沥青表面的温度应力最小,只有0.918mpa.因此在薄沥青面层情况下,裂缝将从面层底面开始.光弹试验还表明,面层底面一旦开裂,除了在负温差缝端有拉应力外,在正温差下缝端产生的拉应力更大。因此，面层底面的裂缝既可以由于负温差也可由于正温差而向上发展.这种裂缝叫做反射裂缝,一旦温度应力和行车应力相结合,反射裂缝形成的更快。可以预料,通过进一步的试验或者计算,将会找到一个临界面层厚度.面层比其厚时,裂缝主要是从表面开始,比其薄时,裂缝可能主要从底面开始.这个临界厚度与当地气温条件以及面层混合料的劲度模量和温缩性以及基础混合料的温缩性有关.沥青路面低温开裂的分析和计算既然沥青混合料的低温开裂对沥青路面的使用性能有很大的影响，因此，研究其低温力学性能就显的非常重要。近十年来，我国对沥青混合料的低温力学性质进行了很多研究工作，而像美国、加拿大等在冬季有较低负温的国家对沥青混合料的低温性能研究已经有近三十年的历。因此，人们对其已经有了一个比较深入的认识。 （一）温度对沥青混合料特性的影响。沥青混合料的低温开裂，归根到底是因为低温状况下，沥青混合料的力学性能发生了很大变化，温度影响其强度，劲度模量以及其收缩性。 1）低温对沥青混合料强度与应变的影响 1、低温对沥青混合料强度的影响低温对沥青混合料强度的影响主要是影响其抗拉强度，从而造成其低温开裂性。目前，研究人员常用拉伸试验、弯拉试验和劈裂试验来测定沥青混合料的抗拉强度。由于试验方法不同，测得的同一沥青混合料的抗拉强度有明显不同，但从抗拉强度与温度关系的规律来说，则是基本相同。试验结果表明，随着沥青混合料的温度的降低，沥青混合料的强度连续增加，但到某一温度时强度达到峰值，继续降低温度，强度随之下降。弯拉试验和劈裂试验有着相同的规律性。但强度所对应的温度则随试验方法和加载速度而变，加载速度大，则与强度峰值对应的的温度高。图9-5所示为劈裂试验所得几种不同沥青混凝土的强度与温度的关系。 2、低温对沥青混合料应变的影响 试验表明，同一沥青混合料在不同温度时的破坏应变有明显差别，破坏应变随温度的降低而变小；不同沥青混合料在相同温度时的破坏应变也有差异；加载速度对破坏应变也有明显影响。图9-5表示试验所得几种不同沥青混凝土的强度和温度的关系.图9-5不同沥青混凝土抗拉强度和温度的关系表9-1为弯拉试验所得两种沥青混凝土的破坏应变。应变（10-6） 表9-1加载速度（nm/min）505混合料的沥青品种欢-90壳-90欢-90壳-90试验温度20151050-10-2012 90011 600 6 630 4 490 2 380 1 570 1 50019 700 7 400 2 670 2 420 2 380 1570 1 50019 80013 20011 400 7 530 4 340 2 310 1 91032 80016 10010 600 2 910 2 020 1 490 1 380为了比较劈裂试验和弯拉试验所得破坏特性的差别，在图9-6上给出了两种试验方法所得单-90沥青混凝土的破坏包络线。此图表明，在一般应变范围内弯拉试验强度明显高于劈裂试验。2）沥青混合料的脆化点温度1脆化点温度的定义日本营原照雄采用两端简支、中央几种加荷的沥青混合料小梁弯曲试验将等速加载关系分为脆性破坏、柔性破坏及介于两者之间的转变区破坏三种情况，图9-7给出了三种破坏情况的应力应变曲线。在图9-7上，a型破坏为脆性破坏，其关系为一直线关系，这种破坏表现为产生破断（如弯曲）或崩裂（如劈裂、压缩），因此当应力达到某一数值时产生突然的断裂，试件亦随之丧失承载能力；c性破坏时产生流动变形的柔性破坏，试验过程有应力 松弛，同时有发生了蠕变变形，其为一曲线 图9-6两种实验所的破坏包络线 ，当应力达到最大值时，试件开始破坏，但仍具有承载能力；b性破坏介于a、c两种破坏之间，开始近似于直线关系，而接近峰值时产生屈服，产生类似屈服点的转折或变形曲线，过了峰值后试件在短时间内断裂。b型破坏的温度表征了沥青混合料从柔性破坏变成脆性破坏的临界状态。沥青混合料在高温和加载速度慢条件下呈柔性破坏，在低温及加载速度快条件下呈脆性破坏。在某一固定的加载条件下，出现从柔性破坏变成脆性破坏的温度区称为沥青混合料的脆化点。试验表明 ，按照a、b、c型划分材料的破坏类型同样也适用于拉伸荷压缩试验，进一步总结可以得到破坏概念图。（图9-7）破坏强度-温度曲线具有峰值（由图可知）。在低于峰值温度的一侧混合料呈现a型破坏，另一侧出现c型破坏，在此温度附近则出现b型破坏。临界应变-温度曲线呈现较缓s型，在高温区和低温区似乎存在着应变 的上界和下界（图9-8）临界劲度随着温度的增加而降低，呈现向右下方弯曲壮的曲线关系。但是在以破坏强度温度曲线上峰值处由温度划分的低温区和高温区内，临界劲度的曲线斜率显然不同，在低温区，曲线斜率比高温区缓和。破坏温度-强度曲线，临界应变-温度曲线和临界劲度-温度曲线将从左向右增加，以大致相同的形状平行的沿着温度由低向高的方向移动，这足以说明对于象沥青混合料这样的粘弹性材料来说，其破坏不仅取决于温度，而且与加载速率有关。由以上分析可知，产生b型破坏的温度具有重要的意义，它表征了沥青混合料从柔性破坏向脆性破坏的临界状态，。沥青混合料在加载速度慢以及低温条件下 呈柔性破坏变成脆性破坏的区域称为脆化点 。 图9-8 破坏概念图很显然，脆化点越低，说明沥青混合料具有柔性的温度越低，它的低温脆化点温度越低，它的低温抗裂性能越好。因此，混合料的脆化温度时一个非常重要的特征温度，它表示了混合料破坏模式的变化。在脆化破坏区，即温暖的低于该温度时，沥青混合料基本上是弹性材料，力学强度很大程度上取决于骨料的性质。因为沥青粘合力足够大，破坏时骨料与沥青膜同时破坏，沥青的粘结因素影响很小。为了决定沥青混合料的脆化点温度，可以固定一个加荷速率，改变不同的试验温度，得到破坏强度、临界应变荷临界劲度同温度的关系曲线，由此来综合分析沥青混合料的脆化点温度，从而得到到不同温度以及不同加荷速率下沥青混合料的破坏性能，因而，脆化点温度具有明确的物理、力学概念，对描述沥青混合料的破坏特性具有重要的意义。 2) 脆化点温度与沥青混合料低温抗裂性的关系沥青混合料的脆化点越低，说明其具有柔性的温度越低，从而其低温抗裂性能也越好。因此，沥青混合料的脆化点温度是一个极其重要的低温性能指标，亦是一个非常重要的特征温度，它表征了混合料破坏模式的变化。在脆性破坏区，即温度低于该温度时沥青混合料基本上是弹性材料，力学强度很大程度上取决于骨料性质。因沥青粘结力足够大，破坏时骨料与沥青膜同时破坏，沥青粘结因素影响很小。为了决定沥青的脆化点温度，在加载速度一定，而温度t不同情况下，对沥青混合料试件进行弯曲试验或劈裂试验可以破坏强度c、破坏应变b和破坏劲度sb与温度的关系曲线，见图9-8，由此来综合分析沥青混合料的脆化点温度，图中b的峰值对应的温度就是tb。3）低温对沥青混合料应力松弛性能的影响 图9-8不同温度对沥青混合料特性的影响温度降低过程中，沥青面层产生温度收缩应力，如果这些收缩应力很少松弛或来不及松弛就会逐渐积累直至超过沥青混合料的抗拉强度，从而使沥青面层开裂。因此，沥青混合料的应力松弛性能是评价沥青混合料低温开裂的一个重要性能指标。材料的变形系数常用松弛模量er来表述。 er(t) =(t)/ 0 （9-1） 式中 0 作用在沥青混合料上的保持不便的应变： (t) 随时间t 不断减小的应力。 应力松弛试验的结果表明：温度越高，松弛模量越低，应力松弛越慢，松弛模量降低越慢。应力松弛模量减小，则沥青混合料应力松弛性能越好，低温抗裂性能越好。 （二）沥青混合料路面温度应力的计算1沥青混合料温度应力计算正如以上所述，沥青混合料是一种弹性-粘性-塑性材料。其性质随温度的变化而有很大的变化。当温度较低时，沥青混合料表现为弹性性质，材料的盈利松弛特性大大降低，由于外部荷载应力荷温度作用下产生的收缩应力的联合作用下，沥青路面即发生开裂破坏。沥青混合料路面在低温下发射饿饿饿饿开裂的原因是由于路面在寒冷气候下产生的累计温度应力超过了沥青混合料的抗拉强度而引起的。因此，要研究沥青混合料流露面是否能够发生低温缩裂，首先必须研究沥青路面在该地区最不利冬季条件下产生多大的的温度应力。希尔斯和毕利斯(j.f.hills and d.dbrien)通过对梁的试验,提出温度应力的计算公式： （9-2）式中：x（t）路面温度从t0到tf时，沥青混合料累计温度应力。兆帕； t0tf温度范围内，沥青混合料的平均收缩系数1/摩c； t0、tf初始及最终温度； s（t，t）沥青混合料的劲度模量，随温度及荷载作用时间而定。兆帕； s（t）沥青混合料在t温度间隔范围内荷试验加荷时间的劲度模量。兆帕； t下降温度划分的小间隔。度c因此,根据此公式就可计算沥青混合料路面的温度应力。但必须首先了解该地区最低工作/气温范围内沥青混合料路面的温度值，有了这些数据，便可以测定沥青混合料的温度收缩系数,以及相应的温度下降速率时不同温度的劲度模量和不同温度的极限抗拉强度。如果温度应力超过了沥青混合料的极限抗拉应力,路面变会开裂，根据国内外试验路的观测，室外试验路在冬季开始出现缩裂的温度荷通过温度应力计算预估的开裂温度，在精确掌握了上述数据的情况下，两者极为相似。1) 温度胀缩系数 沥青混合料的温度胀缩系数时计算沥青路面温度应力的重要参数，它和测量温度、沥青性质、荷沥青混合料的材料组成等因素有关。测定时可以将沥青混合料试件制呈不同的形状.放在低温度箱中，精确的控制测量温度。用适当的测微计反复测量时间长度随温度的变化，用下式计算平均线胀缩系数： 式中：-平均线胀缩系数。1/度。 l-温度下降t 时的 试件长度的变化，（cm） t测定时温度变化范围，l-试件起始温度下的长度。（ cm） 表9-2是国外一些沥青混凝土的一些资料由所列数据可见，沥青含量对沥青混凝土的线胀缩系数有明显的影响。因为，沥青的胀缩系数比矿料胀缩系数大的多。沥青含量增加后，矿料表面的沥青膜的厚度增大，因此也增大了沥青混凝土胀缩系数。一般说来，增加1%的沥青含量，胀缩系数要增加20%。 表9-2沥青含量(%)线膨胀系数线收缩系数1/差别空隙率(%)4.252.196/2.6822.106/2.556009/0.1268.14.752.538/3.4562.448/3.132009/0.3244.55.252.934/4.2122.862/3.7800.072/0.4323.75.753.150/6.8763.096/4.5360.054/2.3401.26.503.708/9.4143.690/5.3280.099/4.0860.3 注：分子为在固态时测定数值，分母为试件杂爱流态时测定数值。可见沥青混凝土在流态时涨缩系数都较在固态时大。固态大流态的过渡温度在2130之间。 沥青混合料无论在固态或流态时，膨胀系数都大于收缩系数。固态时，膨胀系数大于收缩系数4%左右；流态时，膨胀系数大于收缩系数543%。沥青混合料的涨缩系数也可按下式估算： （9-3） 式中：v混沥青混合料试件中沥青体积+矿料实体。厘米3； v沥混合料中沥青体积。厘米3； b混沥青混合料在固态时的体积膨胀系数。1/度； v沥沥青在固态时的体积膨胀系数。1/度； v矿沥青混合料中矿料实体积。厘米3； b矿矿料体积涨缩系数，1/度。 由于沥青混合料各向同性，则估算的线涨缩系数为： = b混/3 （9-4） 沥青在流态时的体积膨胀系数较固态时为大，其线膨胀系数在各种测定温度范围内变化不大；而沥青在固态时其体积膨胀系数却随着温度的降低而降小。表9-3列出了沥青在固态时的体膨胀系数。 粘稠石油沥青固态时的体膨胀系数 表9-3温度范围体膨胀系数 -84 -273.474 -57 -303.7083.969 -23 +13.888 -30 -134.104 -40 -201.800 矿料的体膨胀系数远较沥青为小。因此矿料对沥青混合料的膨胀系数影响不大。各种石料的平均线 膨胀系数也相差不大。表9-4列出了主要石料的线膨胀系数。 主要石料的线膨胀系数 表9-4石料种类线膨胀系数x106（1/）线膨胀系数x106（1/）砂 岩4.3211.709.72花岗岩3.609.187.02玄武岩4.324.687.02石灰岩3.0611.886.48石英岩7.0210.809.54片 岩7.208.467.92矿 渣9.1811.7010.80白云岩6.6610.449.182、劲度模量沥青混合料的劲度模量是计算温度应力的另一项参数。有些国家即以劲度模量作为防止沥青路面发生低温缩裂的控制指标。劲度模量同一般固体材料的弹性模量有所不同。沥青是弹粘性材料。其劲度模量随温度和荷载作用时间而变化。因此，沥青混合料的劲度模量就是试件在给顶的加荷时间和温度下英里与应变的比值。即： （9-5） 式中：s（t.t）温度为t，加荷时间为t时沥青混合料的劲度模量。兆帕； 施加的拉应力； 试验表明，温度越高，加荷时间越长，劲度模量越小。未了确定低的或高的粘性类型的沥青拌制的沥青混合料的劲度模量。可按劲度模量图计算劲度模量的各组成。（1） 弹性成分ee （帕） (9-6)（2） 相同系列荷载下的粘性成分 算沥青混合料的劲度模量值。按式9-7计算沥青混合料的劲度模量值。 （帕秒） (9-7)（3） 当采用上述方法时，劲度模量可表示为 （9-8）沥青混合料的劲度模量可在室内测定。按规定方法制成一定长度的方截面或圆截面试件。在给定温度下施加固定荷载。在不同加荷时间内读取应变值。按式9-8计 应变 破坏点 e 荷载时间t 图9-9 应变随加荷时间的变化休克罗（heukelom）和克罗卜（klomp）提出，沥青混合料的劲度模量，可按下式计算： （9-9）式中：-沥青混合料劲度模量，帕； -沥青材料劲度模量，帕； -矿料容积集中系数； 。 沥青材料的劲度模量，可以在室内测定，也可以用诺谟图估算。国外曾用小型滑板流变仪。按照沥青路面在实际使用过程中出现缩裂时的温度和气温下降速率，测定沥青材料的劲度模量。表9-5为用蒸馏法炼制的低蜡粘稠石油沥青（针入度为150200）在-40c时的劲度模量测定结果。在计算沥青混合料劲度模量公式中矿料容积集中系数可按下式确定： （9-10）式中：-矿料容积百分率，%； -沥青容积百分率，% 。 低蜡粘稠石油沥青在-40c的劲度模量值 表9-5荷载时间（秒）劲度模量（帕）荷载时间（秒）劲度模量11.621092007.6610821.551095006.2110851.4110910005.30108101.3110920004.40 108201.1810950003.35108509.8210870003.061081008.76108式2-82只是用于估算空隙率为3%左右的各种密级配的沥青混合料的劲度模量。由于空隙率对于沥青混合料的劲度模量的影响很大，故对于空隙率较大的沥青混合料不宜采用上式计算。当空隙率大于3%时，cv的值应该做修正。研究表明，如果路面温度降温为每小时10度，在平均条件下，在适当的加荷时间和预估的现场最低温度下， 如果沥青混合料不超过某一数值，则不会开裂 。 根据上面讨论的沥青混合料的破坏强度、温度收缩系数、劲度模量即可以算出在给定温度下沥青混合料的收缩应力，从而预估其开裂温度，而对应采用有效措施来进行防治。9-4沥青混合料的低温开裂的控制和防治由以上分析可知，沥青混合料受低温缩裂的影响极大，刚刚开始时，可能其只是影响美观，但是，低温坡降、延续时间、速度、循环的时间间隔都会影响到收缩裂缝的发生和发展。再次降温时所形成的缩裂往往出现在前一次缩裂所形成的两条裂缝中间，初期的裂缝虽然很窄，但逐年增宽，几年后才趋于稳定。因此必须对其进行必要的控制和防治。（一） 沥青路面低温开裂的控制 低温缩裂的初期虽然对路面性能影响不大，但是其时促进路面破坏，并使其丧失使用性能的主要根源。因此，必须有效的控制沥青路面的低温缩裂，目前，国内外控制沥青路面低温缩裂的方法很多，就其发展分述如下：1）限制劲度法 长期以来，沥青面层被认为是材料问题，因为沥青劲度模量sb是沥青特性的一个基本指标，因此可以肯定，把沥青或沥青混合料的劲度模量限制在某一范围内便能很好的消除裂缝。 迈克劳特认为，在预计的最低温度情况下，如果作用荷载时间为20000秒时混合料劲度sm不大于7.0103mpa就不会发生裂缝。在此分析中，迈克劳特没有用壳牌公司的研究成果，而是首先根据针入度（25）和动力粘度（135）来确定修正的针入度指数pi(图9-10)根据修正的pi值求出得到“基本温度”来取代环球法的软化点。再用基本温度由确定沥青劲度sb,（以上可以通过特修正壳牌公司迈克劳的针入度指数针入度指数诺模图和迈克劳特修正壳牌公司的劲度诺模图来确定）。最后根据壳牌的赫克洛姆公式由sb来计算劲度量sm. 迈克劳特为防止低温开裂而建议的混合料的最低劲度如表9-6 表9-6 图 9-10 迈克劳特的针入度指法在5cm深度的最低温度（）劲度模量sm(mpa)在5cm深度的最低温度（）劲度模量sm(mpa)估计会开裂消除开裂估计会开裂消除开裂-4070003500-2028001400-3249002100-10700350 弗洛姆（fromm）和凡(phang)根据迈克劳特的修正诺模图提出了沥青设计选择指南（表9-7），所采用的最大沥青劲度模量sr=140mpa，加荷时间是100000s。沥青选择指南的优点是在于不仅考虑了沥青的稠度，（以针入度表示）而且顾及了沥青类型的不同（以pi来表示），但是其仍然是使用于一定范围的经验。 表9-7针入度指数设计温度（c）低于基本温度（c）基本温度至针入度 温度的温差针入度指数设计温度（c）低于基本温度（c）低于基本温度（c）-1.5-40-30-207271727-0.5-40-30-2084192939-1.0-40-30-2078132333-0.0-40-30-2090253545 2 ）开裂统计法 加拿大作了大量的低温裂缝调查研究。根据安大略的条件，弗洛姆（fromm）和凡(phang)以分段和线形回归建立了裂缝指数方程式。 汉杰克和汉斯也同样提出了裂缝指数的预报方程式，其函数的模式是 i=f(s,a,d,m,t)其中：s-沥青的原始劲度0.1mpa,根据加荷时间20000s和在冬季设计温度m时以迈克劳特法来确定。 a- 路面年龄，以年计。d-路基类型参数，其中，沙：d=3,粘土：d=2;m-冬季设计温度（c）；t-(沥青层厚度)（0.39cm）。具体模式为：10l=2.49701030s（6.99660-0.87403t+1.33840a）（7.053910-3）d(3.192810-13)md6.023s (9-11) 这个预报裂缝指数的模式，是以路的龄期为函数，而不是以有无裂缝的结果为依据。其诺模图解法如图9-11所示。与冰冻指数有关的冬季设计温度m之值如图9-12所示。m是10年内最寒冷的季节中，一小时内大气温度机遇为百分之一的温度。根据预报模式，汉斯提供了允许选择裂缝指数设计限制的若干暂行标准。 3） 预估破裂温度法希尔思（hills）和勃恩(brien)根据温度应力与抗拉强度的平衡，提出了预估破裂温度法。计算温度应力时采用了如下三个基本假设。（1） 无限长的沥青薄面层，在纵向收缩完全受阻，在横向能自由收缩；（2） 沥青混合料均匀，各向同性，而且在沥青面层厚度范围内温度变化一致；（3） 不考虑基层收缩时对面层的影响和基层对面层收缩时产生的磨阻力以及力矩作用。随着温度的降低，当面层收缩应力x(t)累积到极限强度t 时，沥青面层出现横向裂缝，此时的温度称为低温破裂温度tk（如图9-17）所示。即： x(t)t (9-12)温度由to 降到tf时，沥青面层的低温收缩应力是收缩应变与沥青劲度模量的乘积。由于收缩系数与劲度模量岁温度而变化，因此，温度收缩应力x(t)= 图9-11预报沥青路面低温裂缝频率的诺模图 在实际应用中，希尔思（hills）和勃恩(brien)采取了简化处理，第一：温度从to 下降到tf的平均收缩系数作为一个常数1.510/；第二：采用实际上不发生的温度应力计算显然偏于保守的降温速率10c/h，因而