沥青混凝土中的沥青用量(%) 剩余空隙率(%)内摩阻角(°) 粘结力(MPa) 2.5 0.060 2.抗拉强度 在气候较寒冷地区,冬季气温下降,特别是急骤降温时,沥青混合料发生收缩,如果收 缩受阻,就会产生拉应力,该应力超过沥青混合料的抗拉强度,路面就会产生开裂。 沥青混合料的抗拉强度,可用直接拉伸试验或间接拉伸一劈裂试验测定。直接拉伸试验 见图13-4)是将沥青混合料制成圆柱形试件,试件两端粘结在球形铰接的金属盖帽上 试件上安置变形传感器。在给定温度时,以一定加荷速度拉伸,记录各荷载应力下的变形 值。应力一应变曲线中的最大应力值即为极限抗拉强度 间接拉伸试验(劈裂试验,见图13-5)是将沥青混合料用马歇尔标准击实法制成直径 l01.6±0.25mm、高63.5cl3mm,或从轮碾机成型的板块试件或从道路现场钻取直径100±2 或150±2.5mm,高为45mm的圆柱体试件。试件两侧垫上金属压条。试件直径为100±2mm 或为101.6±025mm时,压条宽度为127mm,内侧曲率半径50.8mm,试件直径为150±2.5mm 时,压条宽度为19mm,内侧曲率半径75mm,压条两端均应磨圆。在给定温度下,沿试件 直径方向通过试件两侧压条按一定加荷速度施加压力,直到试件劈裂破坏。 图13-4直接拉伸试验示意图 图13-5间接拉伸试验示意图 1一上盖帽:2一变形传感器:3一金属帽 1一压条:2一试件 4一下盖帽:5一试件 施加压力时,试件中的应力分布如图13-6所示。 水平直径平面的应力为 2Dd2-4 (13-9) ntd d +4x (13-10) (13-11) 垂直直径平面(沿加荷轴)的应力为: 353
353 沥青混凝土中的沥青用量（%） 剩余空隙率（%） 内摩阻角（） 粘结力（MPa） 5 3.3 30 0.190 6 2.5 30 0.155 7 0.7 19 0.060 2．抗拉强度 在气候较寒冷地区，冬季气温下降，特别是急骤降温时，沥青混合料发生收缩，如果收 缩受阻，就会产生拉应力，该应力超过沥青混合料的抗拉强度，路面就会产生开裂。 沥青混合料的抗拉强度，可用直接拉伸试验或间接拉伸－劈裂试验测定。直接拉伸试验 （见图 13－4）是将沥青混合料制成圆柱形试件，试件两端粘结在球形铰接的金属盖帽上 ， 试件上安置变形传感器。在给定温度时 ，以一定加荷速度拉伸，记录各荷载应力下的变形 值。应力－应变曲线中的最大应力值即为极限抗拉强度。 间接拉伸试验（劈裂试验，见图 13-5）是将沥青混合料用马歇尔标准击实法制成直径 101.60.25mm、高 63.5c1.3mm，或从轮碾机成型的板块试件或从道路现场钻取直径1002 或1502.5mm，高为 405mm 的圆柱体试件。试件两侧垫上金属压条。试件直径为 1002mm 或为 101.60.25mm 时，压条宽度为 12.7mm，内侧曲率半径 50.8mm，试件直径为 1502.5mm 时，压条宽度为 19mm，内侧曲率半径 75mm，压条两端均应磨圆。在给定温度下，沿试件 直径方向通过试件两侧压条按一定加荷速度施加压力，直到试件劈裂破坏。 图 13－4 直接拉伸试验示意图 图 13－5 间接拉伸试验示意图 1－上盖帽；2－变形传感器；3－金属帽； 1－压条；2－试件 4－下盖帽；5－试件 施加压力时，试件中的应力分布如图 13－6 所示。 水平直径平面的应力为： x p td d x d x = − + 2 4 4 2 2 2 2 2 （13－9） ( ) y p td d d x = − + − 2 4 4 1 2 2 2 2 （13－10） xy = 0 （13－11） 垂直直径平面（沿加荷轴）的应力为：
2P m常数 (13-12) 2P2 (13-13) rtd-2y d+2y d (13-14) 式中P一总荷载,MN t一试件的厚度,m d一试件的直径,m x,y一从试件中心算起的坐标值。 上述计算式中正号为拉应力,负号为压应力 沥青混合料施加荷载时大都是沿垂直直径的平面 产生拉力劈裂而开始破坏。因此,沥青混合料的极限 抗拉强度S由下式求得 S.、2P max (13-15) 沥青混合料在低温下的抗拉强度同沥青的性质、 沥青含量、矿质混合料的级配、测试时的温度等因素 有关。试验表明,沥青的粘滞度大,或沥青含量较大 沥青混合料具有较高的抗拉强度。密级配混合料的抗图13-6间接拉伸试验时理论应力分布 拉强度较开级配混合料髙,在低温下沥青混合料的抗拉强度随温度降低而提髙,形成一个峰 值(脆化点),低于脆化点后则强度下降。 我国现行的《公路沥青路面设计规范(TJ014-96)》中沥青混凝土和半刚性材料的 抗拉强度采用劈裂试验测得的劈裂强度。表13-3列出了沥青混凝土和半刚性材料劈裂强度 的常见范围 沥青混凝土劈裂强度的常见值 材料名称 沥青针入度 劈裂强度(15℃) 细粒式密级配沥青混凝土 1.2~1.6 中粒式密级配沥青混凝土 中粒式开级配沥青混凝土 0.6~1.0 细粒式密级配沥青混凝土 0.6~1.0 半刚性基层材料劈裂强度常见值 表13-4 材料名称 配合比或规格要求 劈裂强度(MPa) 二灰碎石 8:17:75 0.5~0.8 水泥砂粒 水泥碎石 (5~6)% 水泥粉煤灰碎石 4:16:80 0.4~0.7 石灰水泥粉煤灰砂粒 0.4~0.6 石灰水泥碎石 0.35~0.5 石灰土碎石 粒料占60% 0.3~0.4
354 x P td = = 2 常数 （13－12） y P t d y d y d = − − + + − 2 2 2 2 2 1 （13－13） xy = 0 （13－14） 式中 P— 总荷载，MN； t— 试件的厚度，m； d— 试件的直径，m； x，y— 从试件中心算起的坐标值。 上述计算式中正号为拉应力，负号为压应力。 沥青混合料施加荷载时大都是沿垂直直径的平面 产生拉力劈裂而开始破坏。因此，沥青混合料的极限 抗拉强度 St 由下式求得： S P td t = 2 max （13－15） 沥青混合料在低温下的抗拉强度同沥青的性质、 沥青含量、矿质混合料的级配、测试时的温度等因素 有关。试验表明，沥青的粘滞度大，或沥青含量较大， 沥青混合料具有较高的抗拉强度。密级配混合料的抗 拉强度较开级配混合料高，在低温下沥青混合料的抗拉强度随温度降低而提高，形成一个峰 值（脆化点），低于脆化点后则强度下降。 我国现行的《公路沥青路面设计规范（TJT014－96）》中沥青混凝土和半刚性材料的 抗拉强度采用劈裂试验测得的劈裂强度。表 13－3 列出了沥青混凝土和半刚性材料劈裂强度 的常见范围。 沥青混凝土劈裂强度的常见值 表 13－ 3 材料名称 沥青针入度 劈裂强度（15℃） （MPa） 细粒式密级配沥青混凝土 90 1．2～1．6 中粒式密级配沥青混凝土 90 0．8～1．2 中粒式开级配沥青混凝土 90 0．6～1．0 细粒式密级配沥青混凝土 90 0．6～1．0 半刚性基层材料劈裂强度常见值 表 13－4 材料名称 配合比或规格要求 劈裂强度（MPa） 二灰砂砾 7：13：80 0．6～0．8 二灰碎石 8：17：75 0．5～0．8 水泥砂粒 （5～6） 0．4～0．6 水泥碎石 （5～6） 0．4～0．6 水泥粉煤灰碎石 4：16：80 0．4～0．7 石灰水泥粉煤灰砂粒 6：3：10：75 0．4～0．6 石灰水泥碎石 5：3：92 0．35～0．5 石灰土碎石 粒料占 60 0．3～0．4 图 13－6 间接拉伸试验时理论应力分布
碎石灰土 粒料占50% 水泥石灰砂砾土 4:3:25:68 0.3~0.4 二灰土 10:30:60 0.25 3.抗弯拉强度 沥青路面在行车重复荷载作用下,往往因路面弯曲而产生开裂破坏,因此,必须验算沥 青混合料的抗弯拉强度 沥青混合料的抗弯拉强度在室内用梁式试件在简支受力情况下测定。梁式试件的高和宽 应不小于矿料最大粒径的四倍,梁的跨径为高的三倍。常用的试件尺寸为粗粒式沥青混合料 用150×150×550mm的大梁,跨径为450mm:中粒式、细粒式沥青混合料用100×100× 40omm的中梁,跨径为300mm:砂质沥青混合料用50×50×240mm的小梁,跨径为150mm 试验时用三分点法加荷,梁中间部分处于纯弯拉状态(见图13—7)。我国《公路工程沥青 及沥青混合料试验规程(JTJ052-93)》规定的试尺寸是由轮碾成型后切制的长250±2.0mm 宽30±20mm,高352.0mm的棱柱体小梁,其跨径为200±0.5mm。试验温度采用15±05℃。 当用于评价沥青混合料低温拉伸性能时,宜采用试验温度-10±0.5℃。 图13-7抗弯拉强度试验加荷形式示意图 1一试验梁:2一承压板:3一支点:4一顶杆:5一千分表 此外,为了能更好地反映沥青混合料的特性,相关研究认为梁式试件宜采用更大的尺寸, 如,著名的美国公路战略研究计划,采用的小梁试件的宽和高分别为6.35和50cm,梁的 长度为38lcm,两端支点的距离是356cm 沥青混合料的抗弯拉强度为 (13-16) bh. 式中P一最大荷载,MN b-试件宽度,m h一试件高度,m; L一跨径,m 沥青混合料的抗弯拉强度,取决于所用材料的性质(沥青的性质、沥青的用量、矿料 的性质、混合料的均匀性)及结构破坏过程的加荷状况(重复次数、应力增长速度等)。此 外,计算时期的温度状况对抗弯拉强度也有很大的影响。 沥青混合料的应力一应变特性 沥青混合料是一种弹性一粘塑性材料,在应力一应变关系中呈现出不同的性质。有时仅
355 碎石灰土 粒料占 50 0．25～0．35 水泥石灰砂砾土 4：3：25：68 0．3～0．4 二灰土 10：30：60 0．2～0．3 石灰土 （8～12） 0．25 3．抗弯拉强度 沥青路面在行车重复荷载作用下，往往因路面弯曲而产生开裂破坏，因此，必须验算沥 青混合料的抗弯拉强度。 沥青混合料的抗弯拉强度在室内用梁式试件在简支受力情况下测定。梁式试件的高和宽 应不小于矿料最大粒径的四倍，梁的跨径为高的三倍。常用的试件尺寸为粗粒式沥青混合料 用 150×150×550mm 的大梁，跨径为 450mm；中粒式、细粒式沥青混合料用 100×100× 400mm 的中梁，跨径为 300mm；砂质沥青混合料用 50×50×240mm 的小梁，跨径为 150mm。 试验时用三分点法加荷，梁中间部分处于纯弯拉状态（见图 13－7）。我国《公路工程沥青 及沥青混合料试验规程（JTJ052-93）》规定的试尺寸是由轮碾成型后切制的长 2502.0mm， 宽 302.0mm，高 352.0mm 的棱柱体小梁，其跨径为 2000.5mm。试验温度采用 150.5℃。 当用于评价沥青混合料低温拉伸性能时，宜采用试验温度-100.5℃。 图 13－7 抗弯拉强度试验加荷形式示意图 1－试验梁；2－承压板；3－支点；4－顶杆；5－千分表 此外，为了能更好地反映沥青混合料的特性，相关研究认为梁式试件宜采用更大的尺寸， 如，著名的美国公路战略研究计划，采用的小梁试件的宽和高分别为 6.35 和 5.0 cm，梁的 长度为 38.1cm，两端支点的距离是 35.6cm。 沥青混合料的抗弯拉强度为： t PL bh = 2 （13－16） 式中 P—最大荷载，MN； b—试件宽度，m； h—试件高度，m； L—跨径，m。 沥青混合料的抗弯拉强度，取决于所用材料的性质（沥青的性质、沥青的用量、矿料 的性质、混合料的均匀性）及结构破坏过程的加荷状况（重复次数、应力增长速度等）。此 外，计算时期的温度状况对抗弯拉强度也有很大的影响。 二．沥青混合料的应力－应变特性 沥青混合料是一种弹性－粘塑性材料，在应力－应变关系中呈现出不同的性质。有时仅
呈现为弹性性质,有时则主要呈粘塑性性质。而大多数情况下,几乎同时综合呈现上述性质。 掌握表征这些性质的指标,就能正确地判断沥青混合料在不同条件下的特性,特别是沥青混 合料在最高和最低温度下的变形特性。 为了研究沥青混合料的工作性质,必须考虑材料的蠕变和应力松弛现象。蠕变是材料在 固定的应力作用下,变形随时间而发展的过程。沥青混合料的蠕变试验表明,在作用应力恒 定的情况下,弹性一粘塑性材料的的变形随时间的发展,取决于作用应力的大小。当作用应 力相当小,即低于弹性极限或屈服点时(见图13-8a),应力作用后,一部分变形瞬即在 该材料中产生,并在应力撤除之后,仍以同样的速度消失,这是沥青混合料的纯弹性变形 (或称瞬时弹性变形),在这个范围内应力和应变呈直线关系。另一部分变形随力的作用时 间而缓慢增大,应力撤除后,变形也随时间増加而缓慢地消失,这是沥青混合料的粘弹性变 形(或称滞后弹性变形)。这种情况说明,沥青混合料受力较大时,即高于弹性极限或屈 服点,特别是受力的时间很短促时,材料呈现出弹性或兼有粘弹性的性质。当作用力相当大 时(见图13-8b),在相当长的时间内(超过弹性变形发展的时间),材料的变形除有瞬 时弹性变形和滞后弹性变形外,还存在粘滞性塑性流动变形。应力撤除后,这部分变形不再 消失,即塑性变形。这种情况说明,沥青混合料受力相当大,且受力时间又较长时,材料不 仅产生弹性变形,而且有随时间而发展的塑性变形。 图13-8应力作用下变形的发展 a)低于屈服点:b)高于屈服点 为了正确地了解沥青混合料的工作状况,还应考虑沥青混合料在应力一应变状态下呈现 出应力松弛特性。应力松弛是变形物体在恒定应变下应力随时间而自动降低的过程,这是由 于物体内部流动的结果,为使物体保持变形的状态,随着时间的推移,所需的力越来越小 应力下降到初始数值的那段时间,叫做松弛时间。这是表征松弛过程的主要因素。 弹性粘塑体松弛时间t′与粘滞度η和弹性模量E的关系为: 可见沥青混合料的松弛时间主要取决于粘滞度。随着温度的増高与粘滞度的降低,沥青 混合料松弛时间也就缩短。 沥青混合料呈现为弹性还是粘塑性质,只决定于荷载作用时间与应力松弛时间的比值 若荷载作用时间比应力松弛时间短得多,材料就呈现为理想的弹性体。反之,若荷载作用的 时间比应力松弛时间长得多,则呈现为粘塑性体。如果荷载作用时间与应力松弛时间相同 则材料是弹一粘一塑性的,同时呈现弹性和流动。荷载作用时间相同的情况下,沥青混合料 的性质,既可能是弹性体,也可能是粘塑性体,视温度的高低而定。 沥青混合料在冬季低温时具有很高的粘滞度,因而应力松弛时间大大超过荷载作用时 间。在此情况下,沥青混合料就呈现为弹性体,并且具有弹性体的变形特性。夏季高温时, 沥青混合料的粘滞度迅速降低。因此,应力松弛时间也就大大缩短,与荷载作用时间接近或
356 呈现为弹性性质，有时则主要呈粘塑性性质。而大多数情况下，几乎同时综合呈现上述性质。 掌握表征这些性质的指标，就能正确地判断沥青混合料在不同条件下的特性，特别是沥青混 合料在最高和最低温度下的变形特性。 为了研究沥青混合料的工作性质，必须考虑材料的蠕变和应力松弛现象。蠕变是材料在 固定的应力作用下，变形随时间而发展的过程。沥青混合料的蠕变试验表明，在作用应力恒 定的情况下，弹性－粘塑性材料的的变形随时间的发展，取决于作用应力的大小。当作用应 力相当小，即低于弹性极限或屈服点时（见图 13－8a），应力作用后，一部分变形瞬即在 该材料中产生，并在应力撤除之后，仍以同样的速度消失 ，这是沥青混合料的纯弹性变形 （或称瞬时弹性变形），在这个范围内应力和应变呈直线关系。另一部分变形随力的作用时 间而缓慢增大，应力撤除后，变形也随时间增加而缓慢地消失，这是沥青混合料的粘弹性变 形（或称滞后弹性变形）。这种情况说明，沥青混合料受力较大时 ，即高于弹性极限或屈 服点，特别是受力的时间很短促时，材料呈现出弹性或兼有粘弹性的性质。当作用力相当大 时（见图 13－8b），在相当长的时间内（超过弹性变形发展的时间），材料的变形除有瞬 时弹性变形和滞后弹性变形外，还存在粘滞性塑性流动变形。应力撤除后，这部分变形不再 消失，即塑性变形。这种情况说明，沥青混合料受力相当大，且受力时间又较长时，材料不 仅产生弹性变形，而且有随时间而发展的塑性变形。 图 13－8 应力作用下变形的发展 a） 低于屈服点；b ）高于屈服点 为了正确地了解沥青混合料的工作状况，还应考虑沥青混合料在应力－应变状态下呈现 出应力松弛特性。应力松弛是变形物体在恒定应变下应力随时间而自动降低的过程，这是由 于物体内部流动的结果，为使物体保持变形的状态，随着时间的推移，所需的力越来越小， 应力下降到初始数值的那段时间，叫做松弛时间。这是表征松弛过程的主要因素。 弹性粘塑体松弛时间 t 与粘滞度 和弹性模量 E 的关系为： t = E （13－17） 可见沥青混合料的松弛时间主要取决于粘滞度。随着温度的增高与粘滞度的降低，沥青 混合料松弛时间也就缩短。 沥青混合料呈现为弹性还是粘塑性质，只决定于荷载作用时间与应力松弛时间的比值。 若荷载作用时间比应力松弛时间短得多，材料就呈现为理想的弹性体。反之，若荷载作用的 时间比应力松弛时间长得多，则呈现为粘塑性体。如果荷载作用时间与应力松弛时间相同， 则材料是弹－粘－塑性的，同时呈现弹性和流动。荷载作用时间相同的情况下，沥青混合料 的性质，既可能是弹性体，也可能是粘塑性体，视温度的高低而定。 沥青混合料在冬季低温时具有很高的粘滞度，因而应力松弛时间大大超过荷载作用时 间。在此情况下，沥青混合料就呈现为弹性体，并且具有弹性体的变形特性。夏季高温时， 沥青混合料的粘滞度迅速降低。因此，应力松弛时间也就大大缩短，与荷载作用时间接近或
比它短得多,在临界状态下就产生塑性变形 由此可见,沥青混合料的应力一应变特性,不仅同荷载大小和作用时间有关,而且与材 料的温度有关。 考虑到荷载作用时间和温度对沥青及沥青混合料应力一应变特性的影响℃.范德甫 ( Van der poel)提出用劲度模量(简称劲度)作为表征弹一粘塑材料的性质指标。所谓劲 度模量,就是材料在给定的荷载作用时间和温度条件下应力与总应变的比值。即 (13-18) 式中:S,r-劲度模量;MPa 一施加的应力, 总应变 t一荷载作用时间,s T—材料的温度,℃ 图13-9沥青劲度模量随荷载作用时间和温度的变化 沥青的劲度 图13一9示荷载作用时间和温度对沥青劲度的影响。在荷载作用时间短时,曲线接近 水平,表明材料呈弹性:而荷载作用时间很长时,材料呈纯粘性。这时沥青的劲度模量为: (13-19) 式中:n-沥青的动粘滞度 当荷载作用时间处于瞬时和长时间之间,材料则兼呈弹一粘性质 图13一9也表示出温度对沥青劲度模量的影响。从图还可以看岀,劲度模量随温度而 变化很大,而且各温度曲线的形状基本相似,这表明在某一荷载作用时间下,温度对材料具 有相同的影响。这是沥青材料的一项重要性质。据此,就能在实验室通过有限的变动温度和 加荷时间的试验得知很长荷载作用时间下的情况。C.范德甫用47种不同流变类型(即不 同针入度和软化点或针入度指数组合)的沥青材料,在较大范围的荷载作用时间和温度下进 行大量的试验,得出预计不同荷载作用时间和温度下沥青劲度模量的诺谟图(见图13-10)。 图中参数:温度差为软化点与温度之差(即SP一T):荷载作用时间(t)或荷载作用频率 (∫=-);针入度指数(P)。针入度指数可根据沥青材料的针入度和软化点用下式求 P=19514-500gP-20S (13-20) 50lgP-SP-12014 式中SP一软化点(环球法),℃;
357 比它短得多，在临界状态下就产生塑性变形。 由此可见，沥青混合料的应力－应变特性，不仅同荷载大小和作用时间有关，而且与材 料的温度有关。 考虑到荷载作用时间和温度对沥青及沥青混合料应力 －应变特性的影响℃．范德甫 （Van der Poel）提出用劲度模量（简称劲度）作为表征弹－粘塑材料的性质指标。所谓劲 度模量，就是材料在给定的荷载作用时间和温度条件下应力与总应变的比值。即： St T t T , , = （13－18） 式中： St,T — 劲度模量；MPa； — 施加的应力，MPa； — 总应变； t — 荷载作用时间，s； T— 材料的温度，℃。 图 13－9 沥青劲度模量随荷载作用时间和温度的变化 1．沥青的劲度 图 13－9 示荷载作用时间和温度对沥青劲度的影响。在荷载作用时间短时 ，曲线接近 水平，表明材料呈弹性；而荷载作用时间很长时 ，材料呈纯粘性。这时沥青的劲度模量为： S t t,T = 3 （13－19） 式中：— 沥青的动粘滞度。 当荷载作用时间处于瞬时和长时间之间，材料则兼呈弹－粘性质。 图 13－9 也表示出温度对沥青劲度模量的影响。从图还可以看出，劲度模量随温度而 变化很大，而且各温度曲线的形状基本相似，这表明在某一荷载作用时间下，温度对材料具 有相同的影响。这是沥青材料的一项重要性质。据此，就能在实验室通过有限的变动温度和 加荷时间的试验得知很长荷载作用时间下的情况。C．范德甫用 47 种不同流变类型（即不 同针入度和软化点或针入度指数组合）的沥青材料，在较大范围的荷载作用时间和温度下进 行大量的试验，得出预计不同荷载作用时间和温度下沥青劲度模量的诺谟图（见图 13－10）。 图中参数：温度差为软化点与温度之差（即 SP－T）；荷载作用时间（t）或荷载作用频率 （ f t = 1 ）；针入度指数（PI）。针入度指数可根据沥青材料的针入度和软化点用下式求 得： PI P SP P SP = − − − − 19514 500 20 50 12014 . lg lg . （13－20） 式中 SP—软化点（环球法），℃；