沥青混合料劲度模量.docx
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沥青混合料劲度模量
沥青混合料的劲度模量
一、劲度模量的概念
研究路面粘弹性具有很重要的有效价值，在荷载作用下，应力和应变关系呈现非线性关系，为了描述沥青处于粘弹状态下的力学特性，采纳劲度模量的概念。
劲度模量与弹性模量不同，它是取决于温度和荷载作历时刻而转变的参数，是表现沥青粘性和弹性联合效应的指标。
各国学者或研究机构确信的劲度模量如下：
由于不同研究者对沥青结合料的低温劲度模量的熟悉和概念也不同。
范·德·波尔采纳荷载时刻t和温度T为函数的应力应变之比来表示粘弹性沥青抗击变形的性能，劲度模量由下式表示。
式中：
S－沥青的劲度模量，Pa；
σ－应力，Pa；
ε－应变；
t－载荷时刻，s；
T－温度，℃。
沥青结合料的劲度模量仍是荷载作历时刻的参数。
只是关于时刻的概念要比温度复杂些，它能够有一下几种情形：
1通常意义上的时刻2加载速度3换算时刻
沥青结合料的劲度模量Sbit除由实验取得外，能够从闻名的VanderPoer诺模图（见以下图）求出，它取决于沥青的针入度指数PI，软化点及荷载作历时刻，当为W级沥青（蜡含量高）时，PI要从不同温度的针入度回归求出，软化点也要用当量软化点T800代替。
当沥青粘度已经测定后,沥青劲度模量能够简单的由下式求得：
σ，ε——拉伸状态下的应力和应变
ε——应变速度
λ——拉伸粘度，它与通常的剪切粘度η存在三倍法那么λ=3η。
二、沥青劲度模量的作用
①用于预估沥青混合料的劲度模量；
Heukelom和Klomp成立了沥青劲度模量与沥青混合料的关系式，并考虑了矿料体积百分率和间隙率的阻碍：
其中：
为混合料中的集料体
积率:
为矿料体积百分率
Vv——混合料的间隙率。
该公式已经由VanDraat及Sommer对混合料不足3%作了修正，
以上关系已作出了诺谟图，见以下图
②评判沥青混合料的低温抗裂性能。
由F.Bonnaure在1977年，用弯曲实验成立的沥青劲度预估沥青混合料的进度及相位角的方式如下：
预估沥青混合料相位角的诺谟图
以上诺谟图也按下表依照不同的沥青劲度利用运算机计算求得
三、劲度模量对路用性能的阻碍
沥青路面结构设计能够看做是成立一个多层次系统结构。
每层的结构性能由表示这层材料特性的各类参数决定,也确实是各层的厚度、劲度模量、泊松比及疲劳性能曲线。
除力学特性外,层间摩擦力也很重要。
假设两层间黏结充分,也确实是层间可不能在连接面产生滑动,那么路面结构的张力相对要小很多。
除层间完全持续、绝对滑腻的情形外,还可计算具有部份摩擦力时的情形。
1.现行设计方式（BISAR计算程序）
力学路面结构设计---多层系统力学参数---适用于特定情形通过经常使用运算机软件进行设计。
BISAR程序较为普遍,由壳牌实验室开发。
程序最大适用于10层系统。
通过力学和几何学特性对系统进行明确描述。
最底层假定为无穷大,层厚无穷。
荷载定位在座标系中,程序适用于多层圆形散布荷载叠加。
通过x,y,z坐标能够在座标系中进行定位,程序在座标系中计算张力、紧缩应变及位移。
2.计算后路面结构的成立
为了与标准一致,在路面结构设计中,要从路面结构类型当选定适合的路面结构,适应交通量及路基的需要。
路面结构由以下各层组成:
（1）沥青面层;
（2）沥青联结层;（3）沥青基层---假设总厚度足够;（4）底基层;（5）路基。
各层物理特性在以下分项中概述。
沥青类型名字已经从2020年5月更改,但由于本研究在2005~2007年间,因此仍采纳旧名字。
2.1路基
路基是一个无穷厚度的半球体。
那个地址的劲度系数是指静态模量E2。
基于设计规程,设计荷载较无益于知足设计寿命内的可预见承载值。
本设计进程考虑E2=40MN/m2。
本例中,E2的值在40~80MN/m2之间以10MN/m2为一阶转变,应力随之发生相应转变。
表1基层厚度与模量
类型
层厚/mm
劲度模量/MPa
泊松比
M50
200
90
0.35
FZKA
200
135
0.35
CKt
150
2000
0.25
CKt
200
2000
0.25
Concrete
200
20000
0.25
2.2底基层
表1中描述了基层厚度及其劲度模量。
M50的力学静态模量是通过SHELL公式确信的。
依照公式,模量由路基模量决定。
即E粒料=E路基×0.2×H0.45
FZKA碎石垫层模量下式确信：
E碎石垫层=E路基××lgH碎石垫层×lgE路基×lgH碎石垫层）
CKt（水硬性砂砾石）的劲度模量确信在2000MPa;本研究沥青路面设计进程也假定为此值。
混凝土基层回弹模量能够依照平均压应力参照混凝土技术公式计算得出。
2.3上基层
上基层采纳沥青材料,但上基层之上加铺联结层愈来愈普遍。
在此计算中,劲度模量的值为假设值。
2.4联结层
联结层材料多采纳K-2二、K-22/F混合料。
其劲度模量的测试方式之一是采纳IT-CY（圆柱体试件间接张拉法）测试。
在布达佩斯工业与经济大学公路工程实验室,沥青混合料劲度模量的确信采纳IT-CY方式进行测试。
测试温
度为10!
。
基于此来测定K-22/F的劲度模量,见表2。
表2计算采纳沥青材料劲度模量
类型
试件数量
劲度模量/MPa
均值
标准差
最小值
最大值
AB-11/F
57
12825
1253
10771
14879
K-22/F
43
14846
1594
12232
17460
3.5面层
目前道路建设最经常使用材料是AB-11,AB-11/F,AB-16,AB-16/F,ZMA-11混合料。
本计算采纳AB-11/F混合料。
面层和联结层三种模量别离确信,即均值、最小值、最大值,最小值和最大值别离都在95%保证率之内。
此计算中不采纳改性沥青,尽管其具有较高的劲度模量。
计算采纳的材料性质见表3。
路面结构沥青层总厚度由交通荷载品级（采纳交通荷载品级C,D,E,K）及基层确信,同时考虑最大及最小层厚:
（1）AB-11/F层厚在35~60mm之间;
（2）K-22/F层厚在70~100mm之间。
完全滑腻情形单独考虑,之后分别考虑滑腻程度100%,75%,50%,25%,0%的情形。
计算中,单轮荷载50kN（单轴重100kN）,作用半径R=0.15m,p=0.707MPa。
沥青层破坏假设为层底拉应力造成,同时垂直压应力达到最大。
体会显示压应力可不能达到允许极限值,因此将讨论沥青层最小压应力的操纵。
假设完全滑腻情形可实现,正是沥青层最小应力情形,现在应力水平明显小于中值水平。
反之,各沥青层应力要操纵在更低水平。
计算中包括20种路面结构类型,见表3,包括5种基层类型情形,3种不同劲度模量面层,3种不同劲度模量联结层,5种不同沥青层间摩擦力情形。
表3计算中采纳的路面结构类型
层1层2层3层4
编号总厚度
厚度/cm混合料厚度/cm混合料厚度/cm混合料厚度/cm混合料
M50-C166AB-11/F10K-22/F20M50----
M50-D194AB-11/F7K-22/F8K-22/F20M50
M50-E235AB-11/F9K-22/F9K-22/F20M50
M50-K266AB-11/F10K-22/F10K-22/F20M50
FZKA-C155AB-11/F10K-22/F20FZKA----
FZKA-D184AB-11/F7K-22/F7K-22/F20FZKA
FZKA-E224AB-11/F9K-22/F9K-22/F20FZKA
FZKA-K255AB-11/F10K-22/F10K-22/F20FZKA
CKt1-C134AB-11/F9K-22/F15CKt----
CKt1-D184AB-11/F7K-22/F7K-22/F15CKt
CKt1-E204AB-11/F8K-22/F8K-22/F15CKt
CKt1-K244AB-11/F10K-22/F10K-22/F15CKt
CKt2-C114AB-11/F7K-22/F20CKt----
CKt2-D145AB-11/F9K-22/F20CKt----
CKt2-E195AB-11/F7K-22/F7K-22/F20CKt
CKt2-K235AB-11/F9K-22/F9K-22/F20CKt
B-C166AB-11/F10K-22/F20Concrete----
B-D184AB-11/F7K-22/F7K-22/F20Concrete
B-E184AB-11/F7K-22/F7K-22/F20Concrete
B-K195AB-11/F7K-22/F7K-22/F20Concrete
5.计算结果
5.1面层层底拉应力
若是沥青层间无摩擦力,那么拉应力只在面层层底显现,不然将显现压应力。
计算证明了这一点,乃至在摩擦力25%时,只有沥青层总厚度较小的情形才会显现20~25με的应力。
由此,在设计时,这种标准在沥青层间完全滑腻情形时需要考虑。
但是,这种情形在实践中可能发生,但只在极端情形下显现。
图1中显示出几种不同路面结构类型在最小及最大模量下的面层应力。
同交通荷载水平的增加一样,应力通常可不能降低,这是由面层厚度的不持续性造成的。
6.2沥青层底拉应力
沥青层底应力的增加符合初期体会与研究结论---是路面结构疲劳破坏的要紧缘故之一,这意味着,此处的应力值是最大的。
这种情形下就要确信路面结构的哪个参数的转变致使了应力的明显转变。
图2例如出沥青层在较低应力水平常劲度模量与应力的关系。
计算结果显示,层底应力与面层劲度模量关系不大。
假设路面结构不变,只改变面层模量,层底应力的转变范围可计算取得,在表4中显示出其在路面类型中的性能。
能够看出,基层强度越大,面层劲度模量在路面结构中的阻碍越小。
图1不同类型层底拉应力
联结层劲度对路面结构性能有较大的阻碍。
如图2所示,误差的减小与基层劲度模量的增大并存,但对某一固定基层类型,仍转变较大（15%~25%）。
计算结果中能够看出,联结层材料质量和物理参数的改善对路面结构的效劳年限产生显著的阻碍。
应力明显减小,同时更小的应力可提供更长的效劳年限。
图2层底拉应力与劲度模量关系
表4不同面层劲度对应层底应力误差比例
基层类型
最大偏离比例/%
最小偏离比例/%
M5027
2
7
FZKA26
2
6
FZKA26
1
5
CKt（20cm）
1
5
Concrete（15cm）
-1
1
不同材料的路基模量对路面结构性能的阻碍如图3所示。
最小路基模量为E2=40MN/m2,在计算中以E2=10MN/m2为阶梯操纵增加到E2=80MN/m2,更高承载能力的路基是不是显著降低路面结构中应力的增加。
基于已有结果转变范围在可能8%~10%,关于混凝土基层来讲大约6%。
联结层与基层间的摩擦力可增大层底应力,减少路面结构寿命。
图4显示了对沥青层间摩擦力的分析。
通过摩擦力的增大,沥青层底拉应力急剧增加。
完全摩擦和完全滑腻两种情形的不同乃至是双倍的,可用四次幂方程式抛物线显示出其良好的相关性。
图4中能够明显看出,混凝土上沥青层底拉应力值乃至在完全滑腻状态也维持不变,或应力绝对值很小。
但是,关于软弱混凝土基层,因为要避免混凝土基层疲劳破坏,沥青层疲劳破坏设计不按各自设计指标进行设计。
6.结论
面层在沥青层间滑腻程度75%及更高时显示出更大的应力。
各层其他参数对面层层底应力阻碍不大。
因此,沥青层间摩擦力超级重要,应付此采取相应技术方法。
面层下部较上部应力大。
改变路基劲度模量或面层劲度模量对层底应力作用不大。
但是,改变联结层劲度模量或层间摩擦力成效明显。
因此,联结层高劲度模量在路面结构中是必要的,面层劲度模量在路面设计中并非重要。
四、疲劳实验中沥青混合料的弯拉劲度模量
为了确信弯拉劲度模量是不是适用表征疲劳进程中试件的力学状态转变，通过操纵应变的小梁疲劳实验，研究了沥青混合料疲劳进程中弯拉劲度模量随应变水平的转变情形，应变水平的转变模拟了实际路面厚度转变转变对层底拉应变的阻碍结果说明:
当应变水平较高时，沥青混合料弯拉劲度模量随荷载作用次数的增加而急剧减小;随着应变水平的降低，衰减趋势慢慢变缓;通过研究发觉，弯拉劲度模量能够用于表征应变疲劳进程中沥青混合料试件力学状态转变，并由此推算混合料的疲劳寿命。
室内小梁疲劳实验的荷载操纵模式一样有两种，即应力操纵和应变操纵关于应力操纵疲劳模式，随着荷载作用次数的增加，试件变形不断增大，最终会显现裂纹，并表现为断裂一样可用断裂时的荷载作用次数表征试件的疲劳寿命;而关于应变操纵疲劳模式，由于实验进程中变形是必然的，尽管施加的应力不断增大，但一样可不能显现明显的断裂因此，其疲劳寿命往往难以确信我国以前一直适应于采纳应力疲劳模式用来确信沥青混合料的疲劳寿命［1-3］，最近几年来，随着对长寿命沥青路面的关注，一些研究人员以为，应依照不同路面的应力应变状态确信采纳何种疲劳模式［4-9］而国外研究［10，11］以为，能够采纳弯拉劲度模量衰减来表征沥青混合料试件的疲劳寿命弯拉劲度模量反映了荷载作用下应力应变随时刻的转变情形，其在疲劳进程中是不断转变的，但上述研究并未进行室内实验，缺乏数据的支撑针对以上情形，本文采纳操纵应变的小梁疲劳实验，对沥青混合料进行了不同应变水平的疲劳实验，以探求劲度模量是不是能够用于表征应变操纵模式下沥青混合料的疲劳寿命。
1实验方案
1.1原材料
1.1.1原材料技术性质实验所用集料为石灰岩石料，沥青为克拉玛依90#沥青，原材料技术性质如表1表2所示，符合公路沥青路面施工技术标准（JTGF402004）面层用集料规定
表1集料技术性质
Tab.1Technicalcharactersofaggregate
指标
试验结果
实测
规范要求
压碎值/%
18
≤28
磨耗值/%
22
≤30
对沥青粘附性
4级
不小于4级
大于9.5mm针片状含量/%
8
≤15
小于9.5mm针片状含量/%
10
≤20
吸水率/%
≤
细集料含泥量/%
≤
细集料砂当量/%
69
≥60
表2沥青技术性质
Tab.2Technicalcharactersofasphalt
指标
试验结果
针入度（25℃，100g，5s）/mm
针入度指数PI
延度（15℃）/cm
＞100
软化点（环球法）/℃
47
闪点/℃
＞230
密度（15℃）/（gcm－3）
针入度比/%
72.3
RTFOT（165℃，85min）延度（15℃）/cm
75.5
质量损失/%
－0.02
1.1.2级配研究采纳的级配为AC25中型沥青混合料，为目前高速公路下面层经常使用级配，依照原材料筛分情形，最终采纳的实验级配组成如图1所示
1.2实验方式
依照马歇尔实验确信混合料的最正确沥青用量，别离按最正确沥青用量和富沥青（最正确沥青用量+0.5%），采纳轮碾法成型400mm×400mm×70mm（长×宽×高）试板，前者称为一般AC25，后者为富沥青AC25;待试件放置48h后拆模，再切割成尺寸为380mm×63mm×50mm（长×宽×高）小梁试
件;利用UTM和小梁疲劳实验装置BFA（BeamFatigueApparatus），别离进行5个应变水平（800με400με200με100με70με）的弯曲疲劳实验，记录疲劳进程中试件劲度模量及荷载作用次数.
2结果与分析
2.1实验结果
不同应变水平下一般AC25与富沥青AC25混合料的劲度模量随荷载作用次数转变情形别离如图2图3所示
2.2结果分析
由图中能够看出，关于一般AC25和富沥青AC25两种沥青混合料，其弯拉劲度模量的转变规律是相似的:
在不同应变水平下显现不同程度的衰减当在800水平下实验时，两种沥青混合料的弯拉劲度模量迅速降低并专门快达到破坏状态;当实验应变水平降低到400时，沥青混合料的弯拉劲度模量减小速度放缓，可是随后仍然达到破坏状态;随着应变水平进一步降低到200，沥青混合料的弯拉
劲度模量减小速度显著放缓，除在开始时期有明显的减小趋势外，后期慢慢趋于稳固，减小速度超级小，在作用150万次后仍然没有达到破坏状态;当应变水平进一步降低到100和70时，沥青混合料的弯拉劲度模量减小趋势和200类似，只是减小速度更小，在后期大体趋于水平状态另外还能够发觉，100和70的弯拉劲度模量随荷载作用次数的转变趋势很是接近，这说明这两种应变水平下沥青混合料的疲劳行为相当由此可见，随着作用应变水平的降低，沥青混合料的疲劳寿命快速增加，若是作用的应变水平足够低，那么疲劳进程中沥青混合料的弯拉劲度衰减速度进一步减小两种沥青混合料疲劳进程中的弯拉劲度模量随应变水平转变，呈现出相似的规律应变水平越高，弯拉劲度衰减速度越大这与沥青混合料试件在疲劳进程中的力学状态转变情形相吻合，因此，弯拉劲度模量能够用于表征应变操纵模式下沥青混合料的疲劳寿命
3结语
本文对一般AC25和富沥青AC25两种沥青混合料进行了不同应变水平的弯曲疲劳实验，通过度析小梁弯拉劲度模量的转变情形，能够取得以下结论:
（1）应变疲劳模式中，小梁的弯拉劲度模量不断减小，而且其衰减速度呈非线性转变;另外关于不同的应变水平，应变水平越高，弯拉劲度模量的衰减速度越大;应变水平越低，衰减速度越小;
（2）实验结果说明，采纳弯拉劲度模量能够真实表征沥青混合料试件在应变疲劳进程中的力学状态转变，并由此推算其疲劳寿命.
五、纤维沥青混凝土的等效劲度模量
依照复合材料细观力学理论探讨了低温条件下纤维沥青混凝土的等效劲度模量的分析方式。
应用Y.H.Zhao和G.J.Weng提出的纤维增强复合材料的等效模量公式,计算了具有不同纤维掺量的沥青混凝土在不同温度状态下的等效
劲度模量,对计算结果与劈裂实验结果进行了比较和误差分析。
从温度、纤维掺量和纤维性状3个方面分析误差产生的缘故,其中温度为要紧阻碍因素,而纤维本身的性能对结果误差大体没有阻碍,依照误差分析结果提出计入温度阻碍的纤维沥青混凝土等效模量公式,通过修正公式计算取得的结果与实验结果取得较好的一致性。
在沥青混凝土中加入纤维以提高沥青路面的性能,在近些年取得愈来愈多的重视和应用。
关于纤维增强路面的研究,国外学者[1~3]已经作了大量的工作,而且在路面的加固、修补、封锁裂痕等方面取得了普遍的应用,但我国的研究功效[4~7]和应用范围却还很有限。
从国内外的研究现状来看,目前研究工作主若是从宏观角度入手,以实验为要紧手腕研究在加入纤维后的沥青混合料的路用性能,但研究不够系统,专门是从材料设计观点动身研究纤维合理性状、掺量还未见有报导。
纤维加入到沥青混凝土中,纤维与纤维、纤维与周围基体之间由于材料的不持续性而存在着复杂的彼此作用关系,会显著地阻碍复合材料的韧性和破坏进程。
纤维究竟如何阻碍复合材料的破坏进程,在那个进程中,纤维究竟发挥如何的作用,很难判定。
应用实验方式选择纤维最正确掺量是超级复杂的进程,若是第一应用复合材料力学理论预测出纤维最正确掺量的范围,在有限的范围内再进行实验研究,会大大减少试件数量,简化实验进程。
本文在以为纤维任意散布在沥青混凝土中的前提下,应用复合材料理论,在实验的基础上,探讨纤维沥青混凝土的宏观劲度模量预测方式。
1劈裂实验
沥青采纳辽河-90#沥青;纤维选取山东泰安产聚酯纤维,物化性能参数见表1;矿料采纳玄武岩碎石,石灰岩石屑、矿粉;纤维掺量别离为沥青混合料总质量的0%、0.15%、0.20%、0.25%;实验温度别离为10、0、-10、-20℃。
这次实验严格依照《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》[8]进行,劈裂实验结果见表2。
表2不同纤维掺量及温度下的劈裂实验结果
Tab.2Splittingtestresultsofasphaltconcrete
withdifferentfibercontent
2纤维沥青混凝土的等效劲度模量
2.1复合材料细观力学
复合材料是由两种或两种以上材料复合而成的多相材料,由于材料的非均质和非各向同性,其宏观力学性能比较复杂,取决于各组分相的材料性能、体积含量、几何特点和组分相间彼此作用行为。
而应用细观力学理论研究复合材料的力学行为,能够实现用组分相材料性能和几何描述宏观性能,达到优化设计材料的目的[9,10]。
纤维沥青混凝土能够看成是复合材料,本文将复合材料细观力学方式应用于纤维沥青混凝土的等效劲度模量预测,给出便于工程应用的显式表达。
2.2基于Eshelby-Mori-Tanaka理论的刚度公式Y.H.Zhao和G.J.Weng在Eshelby-Mori-Tanaka理论基础上提出了纤维增强复合材料的等效模量计算公式[11]。
假设复合材料由基体和纤维两相材料组成,将纤维视为圆柱体且沿任意方向均匀散布于基体中,而且两组分材料均为线弹性均质材料。
这种复合材料具有宏观各向同性的材料性质,为了方便,将两个独立有效弹性模量表示为体积模量和剪切模量,其无量纲形式别离为
式中,k,k0别离为复合材料的有效体积模量和基体的体积模量;μ,μ0别离为复合材料的有效剪切模量和基
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