（道路与铁道工程专业论文）沥青混合料高温性能试验方法研究.pdf

摘要 目前评价沥青混合料高温性能的方法，都主要是以经验性或模拟性的试验为 主，其试验结果与实际路丽的永久变形相关性不好，不能完全反映沥青混合料高 温永久变形过程。论文主要运用s u p e r p a v e 剪切试验，从机理上考察沥青混合料 高温剪切流动变形，指出沥青混合料车辙主要是在交通荷载条件下由混合料的压 实和剪切变形引起的，等体积塑性剪切流动是沥青混合料高温永久变形的主要原 因。 通过对比试验和理论分析研究，认为马歇尔试验、车辙试验评价沥青混合料 高温性能有明显的局限性，而s u p e r p a v e 剪切试验能够较好地模拟交通条件，反 映沥青混合料高温永久变形过程。通过r s c h 试验，能够较好地评价不同级配、 空隙率、油石比、温度等对沥青混合料高温性能的影响。其试验指标b 、k 、y ， 能分别反映沥青混合料重复剪切试验开始、进行、结束三个阶段的高温抗剪切能 力，较好地评价了沥青混合料高温永久剪切变形的全过程。通过比较a p a 试验 与剪切试验的关系，提出采用r s c h 试验最大允许剪切应变y 。最大重复剪 切次数n 以及最小允许a p a 车辙动稳定度，来检验沥青混合料的高温性能是 较为合适的。通过f s c h 试验得到不同频率下沥青混合料力学性能指标，指出复 数剪切模量g 、g s i n6 能较好地评价不同沥青混合料的高温性能，而相位角6 不能明显地比较出各沥青混合料高温性能的优劣。利用时温等效原理提出了复数 剪切模量g 与行车速度v 、试验温度的关系，并认为温度对沥青混合料高温性 能的影响大于行车速度对沥青混合料高温性能的影响。同时，通过对所做的试验 方法及指标进行对比分析，认为s u p e r p a v e 剪切试验足一种比较好的评价沥青混 合料试验方法。 关键词：沥青混合料；高温性能；s u p e r p a v e 剪切试验；永久变形；r s c h ； f s c h ：评价指标 a b s t r a c t e v a l u a t i o nm e t h o do ft h ea s p h a l tm i x t u r eh i g h t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c ea t p r e s e n t ，m a i n l yt a k ee x p e r i m e n t a lo rt h es i m u l a t et e s t t h ed e p e n d e n c ep e r m a n e n t d e f o r m a t i o no fr e a lr o a ds u r f a c eo ni t sr e s u l to ft h et e s ti sn o tg o o d t h e s em e t h o d s c a n t t o t a l l yr e f l e c t t h ec o u r s eo ft h ea s p h a l tm i x t u r eh i g h t e m p e r a t u r ep e r m a n e n t d e f o r m a t i o n t h e p a p e r u s e s s u p e r p a v e s h e a rt e s t m a i n l y ，i n v e s t i g a t ef r o m m e c h a n i s mt h ea s p h a l tm i x t u r eh i g h t e m p e r a t u r es h e a r i n ga n df l o w e dd e f o r m a t i o n ， w h i c h p o i n t o u t a s p h a l t m i x t u r e r u t t i n gc a u s e db y c o m p a c t i o n a n d s h e a r i n g d e f o r m a t i o ni nt r a f f i cm a i n l y ，w i t h o u tv o l u m ep l a s t i c i t yt os h e a ra n df l o wt h a ti st h e m a i nr e a s o nt ot h ea s p h a l tm i x t u r eh i g h t e m p e r a t u r ep e r m a n e n td e f o r m a t i o n t h r o u g hc o m p a r a t i v et e s t a n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，i tt h i n k se v a l u a t i n gt h e h i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ew i t hm a r s h a l lt e s t sa n dt h er u t t i n g t e s th a so b v i o u sl i m i t a t i o n h o w e v e rs u p e r p a v es h e a rt e s tc a ns i m u l a t et r a f f i c c o n d i t i o nb e t t e r ，r e f l e c t st h e a s p h a l t m i x t u r e h i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e d e f o r m a t i o n r s c ht e s t ，c a n a p p r a i s e w e l la s g r a d e s o f m i x i n g ，v o i d s ， a s p h a l t a g g r e g a t er a t i o ，t e m p e r a t u r ee t c i m p a c t i n go nh i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e o fa s p h a l tm i x t u r e e x p e r i m e n t a li n d e xb ，k ，y ，c a nr e f l e c tt ob e g i n n i n g ，g o i n go n ， f i n i s h i n gt h r e eh i g h - t e m p e r a t u r eo fs t a g et or e s i s ts h e a r i n gc a p a c i t yr e s p e c t i v e l yo f a s p h a l t m i x t u r er e p e a t e ds h e a rt e s t ，h a v e a p p r a i s e dt h ew h o l ec o u r s ew e l l o f h i g h t e m p e r a t u r ea n ds h e a r i n gp e r f o r m a n c ed e f o r m a t i o no ft h ea s p h a l tm i x t u r e t h r o u g hc o m p a r i n gt h er e l a t i o no fa p a t e s ta n ds h e a r i n gt e s t i t p u tf o r w a r dt h e m a x i m a lt oa l l o ws h e a r i n gs t r a i no fr s c ht e s t ：y ，t h em a x i m a lr e p e t i t i v es h e a r i n g t i m e s ：n m a xa n dm i n i m u mt oa l l o wa p ar u t t i n gd y n a m i c a ls t a b i l i t y ，w h i c hi s c o m p a r a t i v e l ys u i t a b l et oe x a m i n et h eh i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l t m i x t u r e r e c e i v e dt h ea s p h a l tm i x t u r em e c h a n i c sp e r f o r m a n c ei n d e xw i t hf r e q u e n c y t h r o u g hf s c ht e s t ，i tp o i n to u tt h a tt h ec o m p l e xs h e a r i n gm o d u l u s ：g4 、g + s i n dc a n a p p r a i s et h eh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n ta s p h a l tm i x t u r ew e l l b u t p h a s ea n g l e ：dc a n tr e l a t i v e l yp r o d u c eq u a l i t yo fh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo f e v e r ya s p h a l tm i x t u r eo b v i o u s l y w h i l eu t i l i z i n gt h et i m e t e m p e r a t u r ee q u i v a l e n t p r i n c i p l ei th a sp r o p o s e dt h er e l a t i o nc o m p l e xs h e a r i n g ：g + w i t hd r i v i n gs p e e d ：v t e s t t e m p e r a t u r e ，a n dt h i n kt h ei m p a c to nh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l t m i x t u r eo ft e m p e r a t u r ei sg r e a t e rt h a nt h ei m p a c to nh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo f a s p h a l tm i x t u r eo ft h ed r i v i n gs p e e d a tt h es a m et i m e ，t h r o u g hc o m p a r i n ga n d a n a l y s i n gt h et e s tm e t h o da n di n d e xc a r r i e do n ，i tt h i n ks u p e r p a v es h e a rt e s ti sak i n d o fb e t t e rt e s tm e t h o dt h a ta p p r a i s a la s p h a l tm i x t u r eh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ；h i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ；s u p e r p a v es h e a rt e s t ， p e r m a n e n t d e f o r m a t i o n ；r e p e a t e d s h e a rt e s ta tc o n s t a n t h e i g h t ； f r e q u e n c ys w e e p t e s ta tc o n s t a n th e i g h t ；e v a l u a t i o ni n d e x i i l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 馕巳岛 日期：游4 - 月日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：稿落霭日期：擀彳月刁日 导师签名 日期：舻华月p 日 第一章绪论 1 1 论文研究的目的、意义 经济的飞速发展、人民生活水平的不断提高，将会使得汽车运输进入了一个 快速发展时期，这不仅带来交通量的迅速增长，而且使得轴载质量显著增大，交 通状况的这些变化给沥青路面带来了严重考验。沥青路面在重载作用卜- 造成的车 辙、推拥、波浪、拥包等病害使得沥青路面的路用性能迅速下降，这些车辙和拥 包主要产生在行车道上，当车辆在行驶过程中；稍稍偏离行车方向时就会弓l 起车 辆左右晃动，带来乘客不舒适的感觉。当车辙的深度达到一定的程度，足以在轮 迹带内积水，将导致沥青路面水损害，同时使得快速行驶其上的车辆容易产生水 漂。对于寒冷季节，积水结冰使得沥青路面的抗滑性能大大降低，影响行车安仝。 因此，减少和延缓车辙，研究具有优良高温稳定性的沥青混合料是当时道路技术 ： 作者急待解决的问题之一1 1j 。 沥青混合料高温性能研究的两个重要方面的就是沥青混合料殴计及车辙长 期以来，采用的是马歇尔法与维姆法设计沥青混合料，但是这种经验的设计方法 没有考虑交通设计水平、环境等因素影响。另外，由这些设计方法得到的参数也 不能真正地评价沥青的抵抗高温车辙性能，随着交通量及交通荷载的增大，传统 的设计方法已不太适用。美国s h r p 计划发展了一种基于沥青混合料性能的设计 分析方法来设计沥青混合料，其特点是：抵抗车辙能力强，有良好的密实性，基 本上不透水，抗滑能力强，施工工艺与普通沥青混凝土相同，投资与普通沥青混 凝土相差无几，有着广泛的运用前景。 长期以来，已经发展了各种方法来评价沥青混合料的高温性能，主要是以经 验性或模拟性的试验为主，其试验结果与实际路面的永久变形相关性不好，不能 完全反映沥青混合料高温永久变形过程，因为沥青混合料是一种粘弹性材料，沥 青路面第二阶段永久变形主要是由于沥青混合料塑性剪切流动引起的。因此，对 沥青混合料高温稳定性的试验评价方法、评价指标还有待进一步研究。 1 2 国内外研究现状 最早沥青混合料设计方法是维姆法与马歇尔设计法，】9 4 8 年美国陆军工稃兵 部队对马歇尔试验方法加以改进并添加了一些测试性能，最终发展成为沥青混合 料设计的试验方法。马歇尔方法模拟的受力模式有一定侧限，有容许流动值，虽 然难以计算侧压力大小与变化，但作为一种经验法，它简单、容易掌握。而h 长 期以来，人们对此方法已经积累了丰富的资料，根据经验还是可以对一般沥青混 合料的稳定性作出粗略的判断，所以目前还一直沿用。但马歇尔的缺点是有日共 睹的，其稳定度和流值是一种经验指标，不能确切地反映沥青混合料永久变形产 生的机理。而且实践表明：即使沥青混合料的稳定度、流值都满足技术标准，沥 青路面也不能避免产生车辙。对于目前出现各种骨架类型的混合料，其稳定度指 标也已失去意义。马歇尔试验的稳定度与流值在评价路面高温稳定性方面存在严 重的局限性，据第十九届世界道路会议对英国、法国、意大利、加拿大等1 6 个 国袈的调查资料表明，大多数国家认为用马歇尔方法设计的沥青混合料的稳定度 和流值指标，与实际路面的永久变形相关性不好，因此要求车辙试验机进行补充 试验【”。 目前最令道路界认可的还属由英国运输和道路研究试验所( t r r u 最初开发 的车辙试验，该方法直观，对沥青路面车辙形成过程模拟性好。不需要太高精度 的试验设备，操作过程不复杂，很容易应用予工程实际。但主要的缺鹃在于不能 获得材料的基本力学参数，是一种经验性的工程试验，不能用于路面计算。同时 也存在仪器和试验方法不统一的问题，如有法国中央道路桥梁研究院使用的轮辙 试验仪( f p r t ) ，其试件尺寸5 0 0 m m x l 8 0 m m 1 0 0 r a m ，用直径4 0 0 m r n ，宽5 0 m m 的充气轮胎( o 6 m p a ) ，轮荷载5 0 0 0 n ，轮速1 6 m s ，用荷载轮在气温6 0 。c 条件下 作用一定次数时产生的永久变形率( 轮下永久变形与试件高度的比值，并用百分率 表示1 评价沥青混合料的抗变形能力；有美国乔治亚州的沥青路面分析仪( a p a ) ， 板式试件尺寸3 0 0 m m 1 2 5 m m x 7 5 m m ，圆柱体试件直径1 5 0 r a m 和7 5 m m 高，荷载 轮通过在试件顶面的充气( 充气压力0 8 2 7 1 3 8 m p a 可调) 硬橡胶管( 直径1 2 7 2 9 r a m 可调) 旌加垂直荷载，以永久变形与原试件高度比值为评价指标；有汉堡轮 辙试验仪，试件尺寸3 2 0 r a m 2 6 0 r a m 8 0 m m ，钢轮直径2 0 4 r a m ，宽4 7 m m ，轮衙 载6 8 5 n ，轮速正弦式，在试件中心的最高速度为0 3 3 m s ，试验温度为5 0 0 ：单 轮试验仪，试件尺寸3 2 0 r a m 2 6 0 r a m 7 5 m m ，充气( 0 8 6 2 m p a ) 轮直径6 2 0 m m ，宽 7 5 r a m ，轮速0 6 m s ，轮荷载1 9 0 0 n ，试验温度6 0 。c 【3 】1 4 1 【5 i 。 沥青混合料在高温条件下或长时问承受荷载作用，沥青混合料会产生显著的 变形，其中不能恢复的部分成为永久变形，车辙就是沥青路面永久变形破坏的最 主要的形式之一。据调查，由永久变形引起沥青混凝土路面损坏所占比例有愈来 愈大的趋势。在日本，高速公路沥青混凝土翻修或罩面的原因中，车辙占8 0 以 上，研究沥青路丽车辙成为了沥青路面高温稳定性的一个主要课题。在交通发达 国家，沥青混凝土路面永久变形预测或有关参数确定已成为沥青混凝土路面设计 中的一项重要控制指标和研究方向1 6 】1 7 】。在我国，沥青混凝土路面车辙已同益受 到重视，并进行了大量的研究，动稳定度检验已成为混合料设计的必须检验的指 扫、， 据试验路调查和观测，对于沥青层较厚的沥青路面，路表面的永久变形( 车 辙) 大部分来自沥青层本身，并且集中在沥青层上面部7 1 5 c m 范围内。在1 9 6 2 2 年的第一届c s d a p ( 国际沥青路面结构设计会议) 上，壳牌石油公司提出了第 一个同时考虑疲劳和车辙的沥青路面结构设计方法，这个方法是通过限制路基项 面的垂直压应变来控制车辙的。 1 9 7 2 年h o f s t r a 等人研究发现，沥青路面的车辙变形，从上至下逐渐减小， 车辙主要产生在沥青层内。1 9 届世界道路会议多数国家认为用马歇尔方法来预估 混合料性状是不够的，有8 个国家主要关心抗塑性变形能力，采用车辙试验来评 价沥青混合料的抗车辙性能。 1 9 9 0 年k r u g l e r 将车辙问题主要分为三种类型：路面上过大的交通固结： 由于混合料稳定性不佳引起塑性变形：表层下沥青剥离引起的不稳定t “。1 9 9 8 年张登良将车辙产生划分为3 个阶段：( 1 ) 开始阶段的压密过程；( 2 ) 沥青混合料的 流动：( 3 1 矿质骨架的重新排列及矿质骨架的破坏1 8 j 【9 j 。 沥青混合料在高温和低加荷速率下呈现不可忽视的粘性，因此采用强度类指 标时都会遇到采用弹性层状理论计算应力与实际应力的差异，而使设计方法陷入 半经验半理论的处境，因此，在稳定性方面，倾向于采用永久变形指标，在解决 沥青混合料设计方面主张以粘弹理论为基础。 由于沥青路面的永久变形是路面在重复交通荷载作用下产生竖向垂直变形 而逐渐出现的。压密和剪切变形的综合作用导致了轮迹带纵向沉陷伴随两侧隆起 的发展，从而产生永久变形。s h e l l 设计方法为预估厚沥青层的永久变形提供了 个实用的方法。这一方法采用分层应变总和概念，将沥青层划分为若干个薄层， 应用线弹性层状理论分析各薄层的平均竖向应力，刹用无侧限单轴静载时蠕变试 验确定沥青混合料的蠕变模量，估算沥青层的永久变量。s h e l l 方法采用简化的 线弹性应力分析和单轴蠕变试验，同沥青层的实际情况出入较大，因而得到的沥 青层永久变形预估值的精度较大，但这种方法可用以比较不同沥青混合料抗永久 变形的相对性能。 单轴重复荷载试验比单轴静载试验更能反映实际交通荷载的作用，并能取得 较多的材料特性参数，如动态模量、塑性应变和泊松比等。单轴重复荷载试验比 前种试验方法更能反映沥青混合料的特性，但此种方法影响测定结果的因素很 多，离广泛使用还有一定距离。为了更好的模拟实际路面混合料的受力状态，开 发了三轴压缩试验。虽然三轴试验模拟实际路面的受力状态，但试验设备复杂， 试验要求高，指标标准不能达成致。在实际应用中未得到推广。 1 9 6 0 年a a s h t o 试验路研究发现永久变形主要是由于各结构层厚度的减少， 多发生在路面结构层。1 9 7 2 年h o f s t r a 认为剪切变形是永久变形的主要机理。1 9 8 7 年e i s e n m a n n 等证明了剪切变形的等积性。在前人研究的基础上，1 9 9 4 年s o u s a 等 提出了永久变形产生的两种机理：体积改变变形 1 0 k p a ，以此代表运输、储存和装卸的基本要求；另将 该沥青经旋转薄膜烘箱加热后的残留物在高温级温度下做动态剪切试验，其标准 值是g s i n6 2 2 k p a ，以此代表沥青在拌和及铺筑过程短期老化后的沥青性能 要求，以防止车辙。但是，最近的研究表明，高性能路面规范中反应沥青的高温 特性，评价沥青路面抗车辙能力的指标g s i n6 已受到怀疑( 特别是对于改性沥 青) 。原因在予d s r 的加载方式同路面产生车辙时沥青的受力方式差异很大，试验 过程中的应变很小，不能模拟路面中沥青在大应变下的变形特性。美国研究人员 对改性沥青的g 。s i n6 与抗车辙性能的相关性进行了试验研究，相关系数非常低， 可见g s i n6 并不能完全反映改性沥青的抗车辙能力。最近的研究有在s h r p s u p e r p a v e 的沥青分级的主要思想的基础上，考虑到其采用g s i n6 来评价沥青高 温性能的不足，运用新的优化指标g + ( 1 1 t a n6s i n61 来评价沥青路面的抗车辙能 力。 3 ) 沥青用量 矿料表面裹覆的沥青膜分为结构沥青与自由沥青，沥青用量太低，沥青混合 料难以压实，使其抗车辙能力差；而随着沥青用量的增加，自由沥青所占的比例 越来越大，其润滑作用也越来越强，使沥青混合料的高温稳定性急剧下降，因此 为保证沥青混合料的高温稳定性应限制沥青膜厚度，通常情况下，沥青膜厚度为 8 1 5um 是可接受的一个范围，这样就使沥青用量得到一个合理的控制。美囝 w e s t t r a c k 环道试验表明：高沥青含量( o a c + 0 7 ) 对应了最大的车辙，同时低沥 青含量的混合料抗车辙能力比最优沥青含量的混合料差。也有研究认为用马歇尔 方法确定的最佳沥青用量比用于控制车辙的最佳沥青用量高0 _ 3 0 5 。 4 ) 空隙率 空隙率较大的沥青混合料容易产生压密变形，增加其密实度可增加矿料颗粒 间的接触压力，从而提高其抗车辙能力。但当空隙率低于某临界值时，继续减小 空隙率，反而会使沥青混合料抗车辙能力降低。美国w e s t r a c k 环道试验结果表明， 4 空隙率是最小空隙率的临界界限，随着空隙率的增加，车辙变形也增大。 5 ) 集料 在一般重交7 0 # 沥青的混合料高温抗剪强度的贡献中，约有6 0 来自t - 集料 的嵌挤作用，而集料的嵌挤作用在很大程度上决定于集料级配及表面特征。另外 集料的粒径，集料与沥青之问的相互作用亦对沥青混合料的高温抗变形能力有一 定的影响。 集料的形状和表面粗糙度在很大程度影响沥青混合料的嵌挤作用强弱及内 7 摩阻角的大小。通常坚硬、纹理粗糙、多棱角、颗粒接近正方体的集料，相应沥 青混合料具有较好的高温稳定性。 填料是指沥青混合料组成中粒径小于0 0 7 5 r a m 的矿料颗粒，在我国俗称矿 粉，通常加入填料是为了降低沥青混合料的空隙率并提高最佳沥青用量。为使沥 青混凝土有必要的稳定度，一定数量的填料是必需的，但填料过多会使最佳沥青 用量时混合料发脆并开裂，降低沥青胶砂的粘聚力，同时使沥青混合料容易产生 大的塑性变形，因此应严格控制沥青混合料中小于0 0 7 5 m m 的粉料颗粒含量。 此外，沥青混合料高温稳定性还与沥青与矿料之间的相互作用有关。沥青与 矿料之间相互作用的强弱，不仅与沥青的化学性质有关，而且与矿料的性质有关。 6 ) 交通条件及气候条件 交通条件对沥青路面高温性能的影响有荷载、轮胎气压、行驶速度、渠化交 通等。荷载对沥青路面高温车辙的影响是不言而喻的，重载车、超载车更是加快 了沥青路面车辙的形成。通常轮胎气压是适应行车荷载的，荷载越大则轮胎气压 越商，车辆超载必然引起轮胎气压增加，其对车辙的影响与荷载是一致的。行驶 速度对车辙的影响主要反映在荷载的持续作用时间上，车辆行驶速度越小，荷载 作用时间越长，相同交通量所引起的路面变形越大。渠化交通也加速了沥青路面 的变形。气候条件对沥青路面高温性能的影响归根到底反映在温度上，有资料表 明：在4 0 6 0 范围内，沥青混合料的温度每上升5 ，其变形将增加2 倍。 2 2 沥青混合料高温稳定性试验评价方法【2 】 影响沥青高温性能的因素各异，同样可用于沥青混合料高温性能试验的方法 也很多，通常包括试验室圆柱试件的单轴静载、动载、重复试验，三轴静载、动 载、重复试验，径向静载、动载、重复试验，简单剪切的静载、重复加载和动力 试验，此外还有中空圆柱试件的动力、剪切试验，棱柱形梁试件的弯曲蠕变试验， 小型模拟试验设备的车辙试验，大型环道、直道试验设备的足尺路厦高温性能试 验和现场试验路面的加速车辙试验等【2 j 。 1 ) 经验性评价 用于沥青路面高温稳定性评价的最简便最直观的方法是以高温( 一般采用6 0 ) 抗压强度( r t ) 与常温2 0 * ( 2 抗压强度的比值( 酗) 来衡量，根据路面结构层的受 力分析可知，沥青混合料是处于三向受力状态的，而作为近似松散材料的沥青混 合料，其强度( f ) 取决于内部的粘结力( c ) 与包括嵌挤作用的内摩阻力( 妒) ， 即：_ r ；c + o t g q ，侧压力盯越大，则内摩阻力对强度的贡献也越大，当盯= o 时， 则强度取决于粘结力c 。所以在用单轴压缩试验测定抗压强度时，由于其侧压力 口= 0 ，得到的r t 和k t 必然会过高的评价c 的作用，而过低的评价妒的作用，与 实际受力状态相差甚远，故得到的试验结果与路用性能的相关性太差，在7 0 年 8 代被马歇尔试验所取代。 马歇尔试验最早由b r u e sm a r s h a l l 提出，后由美国陆军工程兵部队加以改进 并添加了一些测试性能，最终发展成了沥青混合科设计标准。由于马歇尔试验过 程中试件的内部受力极为复杂且与路面沥青混合料的三向受力状态相差甚远，大 量研究表明。马歇尔试验在评价路面高温稳定性方面存在严重的局限性，大多数 国家认为用马歇尔方法设计的沥青混合料的稳定度和流值指标与实际路面相关 性不好，我国“七五”期间也进行了大量研究，发现沥青混合料的马歇尔稳定度 无多大差别。一般来说，马歇尔稳定度商的沥青混合料高温稳定性也好，流值在 一定程度上表示混合料的可塑性，流值小的混合料可塑性小。流值大的可塑性大。 但近年来研究表明沥青混合料豹马歇尔稳定度与流值和沥青路面实际的车辙深 度相关性不好，满足马歇尔稳定度和流值指标的沥青混合料并不能对路面车辙进 行有效控锘4 ，尽管目前大多数国家对沥青混合料的配合比设计仍采用马歇尔稳定 度及流值指标，但主要是确定沥青最佳用量及施工质量控制，作为沥青混合料的 高温稳定性指标，已逐步要求采用其他试验作为补充或检验，如车辙试验、蠕变 试验【1 5 1 。 2 ) 蠕变 通常对材料施加一定水平的荷载或应力时，材料将产生变形，当外力撤消后， 若变形立即全部恢复，那么这种材料成为弹性材料，但完全弹性材料是极少的， 大多数材料( 像沥青混合料) 在外力的长时间作用下，作为响应的变形也会随时 间的增加而不断增长，在取消外力后变形随时问的增长丽逐渐恢复，但有一部分 变形会永久存在，这种力学性质被称为蠕变，这种材料被成为粘弹性材料，沥青 及沥青混合料都是典型的粘弹性材料，尤其在高温下，粘弹性表现的更为突出， 沥青路面的车辙或永久变形就是沥青混合料粘弹性性能的直接反映。 随着交通渠化后，沥青路面高温稳定性已经从原来主要的推移、拥包等现象 转为以车辙为主的高温稳定性问题。随蓿力学图式的转变，评价高温稳定性的马 歇尔试验法日益被单轴蠕变试验取代，流值和稳定度被永久变形取代。蠕变试验 可采用单轴、三轴静载、单轴重复加载及三轴重复加载四种试验方式。 单轴静载蠕变试验是一种相对简单的试验方法，经过多年的试验研究，一些 研究者已提出了沥青混合料蠕变劲度极限值，但单轴蠕变试验花费的时间长，各 研究者采用的试验条件不同，其试验结果差异较大，尤其是试验时必须保持试件 恒定的温度和稳定的应力水平，实验要求比较高。单轴压缩蠕变的受力图式是不 体现混合料的侧向压力的，在增加粗集料含量的前提下，要反映粗集料的骨架作 用，单轴压缩蠕变试验不是理想的试验方法。同时由于试验结果不具有普遍性， 斑用还受到各种条件的限制，尽管我国亦对单轴静载蠕变试验进行了较多的研 究，基于试验结果变异性较大的原因，没能提出相应的蠕变劲度极限值。 9 在沥青混合料高温特性的试验方法中，三轴重复加载试验由于其具有侧向压 力而比单轴试验更符合路面混合料的受力状态，但同时也需要更为复杂的设备完 成三轴蠕变试验过程所测定的数据包括蠕变劲度模量、回弹模量、动力模量、 泊松比、永久变形与荷载作用次数或作用次数的关系等，这些数据更能反映路面 的变形特性。虽然如此，但其设备复杂，试验要求高，在数据如何使用方面还留 有各方的意见等等，故实际应用较少。 3 ) 车辙试验【1 6 】1 1 7 ) a s l ( 轮辙试验) 车辙试验方法最初是由英国道路研究所( t r r l ) 开发的，由于试验方法本 身比较简单，试验结果直观且与实际沥青路面的车辙相关性甚好，因此在日本、 北美、欧洲、澳大利弧等国得到了广泛的应用。我国于“七五”、“八五”期间， 在同本样机的基础上研究开发了现行的车辙试验仪，并开展了相关研究。 目前国内外普遍认为车辙试验是最能反映沥青路面实际抗辙槽能力的方法。 如常规车辙试验通过试验所得到的变形一时闻曲线，可得到以下三个指标：i 任 一时刻的总变形，即车辙深度；i i 动稳定度，通常求取4 5 r a i n ，6 0 m i n 的变形， 计算产生l m m 变形试验轮往返的次数，作为动稳定度；i i i 相对变形，最大变形 与试件厚度的比值。在车辙试验过程中，沥青混合料试件上轮辙的产生与发展都 与实际沥青路面车辙的产生与发展十分相似，因此，若能恰当的进行沥青混合料 设计，使其动稳定度满足规定的要求，就有可能对沥青路面的车辙深度进行有效 的控制。 但是通常来说，动稳定度指标取最后1 5 m i n 的变形，是为了消除由于试件本 身的压密变形。试件本身的压密变形也是车辙的一种形式，消除这种变形，不能 全面评价沥青混合料的动稳定度，特别是评价压实度不足的混合料。因为在我国， 有蝗高速公路施工时没有充分地压实，也有的片面追求平整度，在降低温度后碾 压，造成压实度不足，致使通车后的第一个高温季节混合料继续压密( 比正常情况 严重) 形成车辙。相对变形代表沥青混合料在荷载作用下车辙发展全过程，它更 能反映沥青混合料在高温下的抗永久变形能力。 沥青路面分析仪a p a ( a s p h a l tp a v e m e n t a n a l y z e r ) 也是一种比较好的评价沥 青混合料高温性能的仪器，它既可进行车辙试验( 包括浸水车辙试验) ，又可进 行疲劳试验，它记录的是沥青混合料变形随时间的发展过程，可用于评估干燥或 潮湿条件下的沥青混合料抗永久变形能力。a p a 车辙试验是通过将条形或圆柱体 试件放在可重复进行的车轮荷载下测量其轮迹处的永久变形来沥青混合料的抗 永久变形能力进行评价。 车辙试验是模拟车轮荷载在路面上行驶而形成的工程试验方法，车辙试验毕 竟是一种工程模拟式试验，它不易取得力学计算、车辙预估等计算时需要的力学 指标，只是建立些经验公式来预测沥青路面车辙深度或用来检测沥青混合料的抗 1 0 车辙能力。 4 ) 简单剪切试验【1 9 】、【2 0 1 、【2 1 l 、【2 2 】、【2 3 】、【2 4 】 通常认为，沥青路面的第2 - 阶段永久变形主要是由于沥青混合料塑性剪切流 动引起的，美国s h r p 战略公路研究计划推荐的简单剪切试验就是用于考察沥青 混合料的抗剪切流动性能，这种试验方法是由土的直剪试验方法发展而来，并进 一步考察了沥青混合料的特殊性质，增加了垂直的动力荷载及温度控制，可测定 试件的复数剪切模量，相位角及应变等。相对而言，设备较复杂，能否推广有待 进步研究。 s u p e r p a v e 剪切试验机，可用于对沥青混合料进行多种类型的试验，如恒高 度简单剪切试验( s s c h ) 、恒高度频率扫描试验( f s c h ) 、恒高度重复剪切试验 ( r s c h ) ，试验结果可用于对沥青混合料的路用性能进行分析与评价。美国加利 福尼亚大学贝克莱分校的j b s o u s a 等学者，在对各种试验方法的简单性、对现 场情况的模拟性等进行比较后认为，剪切试验是研究沥青混合料高温特性的最好 试验方法。 综上所述，目前评价沥青混合料高温稳定性的试验方法多种多样。事实t ， 由于沥青混合料具有时温依赖特性，对同一种混合料，在同样的时温区段内，采 用同样的力学图式，但当试验方法不同时，试验结果也有所差异，更不用说力学 图式不同带来的差异。所以，面对诸多种试验方法，我们则需从合理性和实用性 出发，结合国情，建立完善、有效的试验方法。 2 3 沥青混合料高温稳定性评价指标及标准 2 3 1 沥青混合料马歇尔稳定度指标2 5 l 、【2 】 我国公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 对密级配热拌沥青混合 料提出了具体的马歇尔试验技术标准，见表2 1 。 2 3 2 沥青混合料车辙指标与标准2 7 l 我国公路公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 规定：在温度6 0 。c 、 轮压0 7 m p a 条件下进行车辙试验。根据气候条件提出了改性沥青高温稳定性、 车辙试验动稳定度要求见表2 2 。 密级配热拌沥青混合料马歇尔试验技术指标表2 1 高速公路、一级公路 试验指标夏炎热区夏热愿及夏凉区其它蒋级公路 中轻交通重载交通中轻交通重载交通 击实次数( 次) 7 5 5 0 空隙率深约9 0 r a m 以内3 54 62 43 53 6 v v ( )深约9 0 r a m 以下 3 62 43 63 6 稳定度( k n )8 流值( m m ) 2 41 5 42 - - 4 52 42 4 5 设计空隙率相应于以下公称最大粒径的最小v m a 及v f a 技术要求( ) ( ) 2 6 51 91 61 3 29 5 矿料间 21 01 11 1 51 21 3 隙率 31 11 21 2 5j 31 4 v m a 41 21 31 3 51 41 5 ( ) 51 3 1 41 4 51 51 6 61 41 51 5 51 61 7 沥青饱和度v f a ( ) 5 5 7 06 5 7 57 0 8 5 注：1 ) 试件尺寸为由1 0 1 6 m m x 6 3 5 m m ： 2 ) 对空隙率大于5 的夏炎热区重载交通路段，施： 时应至少提高压实度1 个百分点 3 ) 对设计韵空隙率不是整数时，由内插确定要求的v m a 最小值： 4 ) 对改性沥青混合斟，马歇尔试验的流值可适当放宽。 沥青混合料车辙试验动稳定度技术要求表2 2 气候分区及相应动稳定度( 次m m ) 气候条件与技术指标 七月平均最高气温 3 0 2 0 3 0 1 0 0 t 0 6 0 5 软化点( 环球法) 7 8t 0 6 0 6 针入度指数0 5 7 3 t 0 6 0 4 闪点( ) 3 4 0t 0 6 1 1 密度2 5 ( g c m 3 ) 1 0 3 2t 0 6 0 3 旋转薄膜质量变化( ) 0 1 3 9t 0 6 1 0 加热试验 针入度比( ) 7 5t 0 6 1 0 t 0 6 0 4 泰普克改性沥青s h r p 试验结果 表3 2 原样沥青 试验温度( ) 6 01 3 51 6 5 布氏粘度 1 3 5 c 粘度( 3 8 60 4 4 30 2 0 9 3 p a s 1 试验温度( ) 5 8 6 47 07 6 动力剪切 g + s i n8r 1 k p a ) 4 7 42 2 21 1 50 6 3 6 旋转薄膜烘箱后残留物 质量变化( ) 0 1 3 9 动力试验温度( ) 6 47 07 6 剪切 g s i n6 ( 2 2 x p a ) 4 8 72 3 0 1 2 1 压力老化后残留物 动力试验温度( ) 1 61 9 2 2 剪切 g s i n6 ( 一 1 0 0 1 0 0 t 0 6 0 5 延度 ( 5 c m m i n ，2 5 * c ) c m 1 0 0 1 0 0 t 0 6 0 5 软化点( 环球法) 4 9 4 6t 0 6 0 6 蜡含量( ) 2 22 2 t 0 6 1 5 溶解度( )9 9 89 9 5t 0 6 0 7 闪点( ) 3 5 5 2 6 0 t 0 6 1 1 密度2 5 ( g e m 3 ) 1 0 3 1 实测 t 0 6 0 3 质量变化( )o 0 30 8 0 8t 0 6 1 0 旋转薄膜 加热试验 针入度比( ) 7 0 6 1 t 0 6 1 0 t 0 6 0 4 延度( 1 5 。c ) c m 5 1 1 5t 0 6 1 0 t 0 6 0 5 泰普克重交沥青s h r p 试验结果表3 6 原样沥青 布氏试验温度( ) 6 01 3 51 6 5 粘度 1 3 5 粘度( 3 p a s ) 2 6 00 4 5 60 1 0 3 动力试验温度( ) 5 25 8 6 47 0 剪切 g + s i n6 ( 1 k p a )1 0 53 8 51 6 90 8 2 2 旋转薄脂i 烘箱后残留物 质量变化0 1 0 5 动力试验温度( ) 5 86 47 0 剪切 g + s i n6 ( 2 2 r a a )7 9 63 3 21 4 9 压力老化后残留物 动力试验温度( ) 1 9 2 2 2 5 剪切 g + s i n6 ( 5 m p a )7 8 96 1 34 5 5 低温 试验温度( )61 21 8 弯曲 蠕变劲度s ( 3 0 0 m p a ) 3 7 1 0 0 4 3 0 9 粱 m r 0 3 0 0 ) 0 4 9o 3 80 2 6 9 泰普克重交沥青粘温曲线试验结果表3 7 粘度r l ( p a s ) 温度( ) 12 6 02 6 02 5 9 1 3 50 + 5 5 5 0 5 7 0 1 7 5o 0 8 7 5 0 0 8 9 5 根据s a a l 公式求得温度与沥青相对粘度的关系，将各温度下测得b r o o k f i e l d 旋转粘度进行线性回归后，得到如下回归公式： j g i 反r lx 1 0 3 ) = 9 3 8 1 7 - 3 4 2 7 8 l g ( 2 7 3 + t ) 将施工各工序控制粘度范围代入上述回归公式后得到各工序控制温度范围， 见表3 8 。 沥青混合料正常施工温度( )表3 8 i 拌和温