沥青与沥青混合料(第1-4章)

沥青与沥青混合料IQIN(.VUIIQJNOIIIJNHF.l黧螬瞬E蕃蓬翟量翟宙E宣言∥}ij。^Nu，lIUlN'jVtJlIoING¨IJNHEl一、液体的粘性流动变形流动变形是液体的基本属性。液体的流动变形行为具有依赖时问、依赖温度、不町恢复等行为特点。沥青及沥青混合料这一类粘弹性材料的力学行为之所以错综复杂、变化万千，根本原因在于这类材料表现了弹性变形与流动变形综合的力学行为特点。因此，如果没有对于液体流动变形行为的深入了解，我们就可能无法掌握包括流动变形行为在内的粘弹性力学行为。另一方面，沥青在一定的温度条件一卜．具有单纯的流动变形特性，路面工程中利用这种依赖于温度的流动特性实现沥青混合料的拌和与摊铺。仅仅从评价沥青性能、设计沥青混合料、控制沥青路面_L：程质量的角度出发，我们也需要详细了解液体的流动变形行为。在这‘章中，我们主要以道路石油沥青作为研究对象，重点讨论液体的粘性流动特性。第一节液体的非牛顿流动特性I糊E]液体的牛顿流动特性流动是物质存在的一种形式，自然界几乎所有的物质都处于流动之中。物质的流动形态多种多样，最简单或者说最理想的流动是以牛顿内摩擦定律描述酌牛顿液体。牛顿在1687年首先提出过流动阻力正比于相邻部分流体相对流动速度的假设，19世纪上半叶，法国科学家Cauchy，Poisson及英国科学家Stocks等人通过进·步的试验研究完善了这一体系的基本理论。假定液体在一定外力作用下表现为图2-1所示的层流。即假设在两块平行平板间充满流体，两平板间距离日，以y为法线方向。保持下平板固定不动，使上平板沿所在平面以速度y运动，于是粘附于上平板表面的一层流体随平板以速度y运动，并一层一层地向下影响，各层10相层产正SBS/SIS对简单，能够全面地改善沥青路用性能，因而得到广泛应用。与其他改性沥青比较，sBS／sIs约占世界市场总量的44%，SB约为10%，EVA约为11%，废旧轮胎胶粉约为9%．EPDM约为12%,PE约为3%，Betaplast约为7%，其他4%，由此可见，SBS改性剂占据了道路沥青改性剂的半数左右…。要和FIl[三]沥青混合料砂、碎石、矿粉等矿质原料，按照一定比例（必结料具有适宜粘度时，将沥青混合料充分拌面。沥青混合料种类繁多，大致可以分类如南阳稻度状和化能含j沥j表型外，和胶路青青青沥沥沥油在的一一一料磅足结料满胶填为为他成一一一青包铺沥也摊时后：RmimIIH~WIl~l第一章概述㈣¨㈣___.㈣㈣__-__._-_._.________--___.⑧@@●|沥青路面沥青混合料在制造、车辆荷载、温度环境与降求日益提高，交通荷载也冈1一Ii种媳，列级眦分类概念的常见病害筑及压实之后，必须考虑它的路用性能。影响路用性能的因素包括、沥青材料的老化等。随着社会发展，现代交通对于路面的质量要生显著的变化。1．永久变形沥青路面的永久变形主要指车辙变形和纵向推移引起的平整度劣化。永久变形主要发生在高温季节，与车辆轴载、行驶状态等因素有关。口前的沥青混合料没计方法主要根据高温抵抗永久变形的能力确定矿质混合料级配和沥青用量。2．低温开裂．在降温过程中道路结构约束r面层沥青混合料的温度收缩，导致沥青面层产生温度应力超过材料强度而开裂。低温开裂主要表现为垂直于道路中线的横向裂缝，裂缝处的承载力下降导致路面碎裂。低温开裂和极限温度与极限降温速度有关，也叮能来源于重复的升降温过程。3.疲劳开裂当沥青路面承受重复的车轮载荷时，沥青层底部产生拉应力和拉应变。如果路面结构强度储备不足，或者水的浸入改变了基层支撑状态，可能导致沥青层产生裂缝并发展为（鳄鱼皮状】碎裂。疲劳特性的预测及评估是目前沥青路面设计的主要依据。4．老化沥青是一种高分子材料，沥青路面裸露在自然环境中必然发生老化。沥青的老化包括拌和摊铺过程中高温引起的老化，称之为短期老化；也可能包括长期使用过程中的热老化、光老化和氧老化，称之为长期老化。老化导致沥青混合料变得脆硬，损伤其抵抗疲劳和低温开裂的能力。5.松散磨损沥青胶浆从间隙间逸失导致道路表面出现磨损，严重时会发生松散。沥青混合料中沥青含量和压实程度是影响磨损与松散的主要原因。集料的逸失呵能来源于沥青老化，集料表面沥青浆的粘结力丧失或者沥青膜脆裂。6．泛油交通荷载作用使得沥青混合料内的集料不断嵌紧而空隙减少，最终将沥青胶浆挤压到路表发生泛油。泛油导致沥青路面滑溜而影响交通安全。除沥青含量偏高或空隙率偏小等原因外，沥青过软也是主要原因之…。3铺水发已n络凶芈田莛旨t吡筻Et，，，常变有流青矿能；l正后具有沥仲路x¨陌于力须具及职奶触睛对外必该青一拗黼一。消都应沥舸蚴～～一仇蝴这形取件料的．一哆岐勘变望构材用辨鼬Ⅲ弹高生希的说～酮丑x发且愀一一一一一一戳际11；一一一一匕外产。一种一一～一一～椎黼敝在聆一～蝴一曜猢秕傲龇哒一一一其来粕～一～～～一一一一IC～一一一一～一一个面努叵1邑眶黼姚～～鳓蝴旭既。‘面坏～路破～一腚拙一一沥疲一一麒挑俏料生桃撤贿～黜～～坏一一一具粹顺域容撒牌同青开燃毗躯肝嬲裂M沥温㈠时低．此止●易猷徘已防魁矶沥温衍了酌缃褂形力魁硐黼路面复何能混其够青路回几的泥与足～力低沥的够的形水料在一一～啪虬一～一一一一一一一一一一一～一肝艮骶~一一沥粕高一一～№度料，～～一一一一一一靓威蒯一懒一一件沥合条内混温区青用能定成合一～一一一一一，百峻帕姗一一～泡‰一一一趱蝻性要明特重使形一动混之面阶㈠毗姗埘黝㈣汁度件别学卜，。刚条特办1、1九‘第一章概述I_目沥青及沥青混合料的性能规范沥青及沥青混合料是铺筑沥青路面最重要的工程材料。控制沥青及沥青混合料的路用性能与施工质量，减少第一节中述及的路面损坏现象，是一个提高工业化水平的问题[2]，必须建立适应工业化水平的技术标准或者技术规范，来指导、控制、管理沥青及沥青混合料的技术性能，使其满足沥青路面建设的技术要求。制定技术规范首先要适应工业化进程，同时也要具有可靠的科学技术依据。和其他工业领域一样，道路T程的规范标准正由经验型向理论性转变。例如，NCHRPSynthesis212(Cham-berlin1996)将关于道路工程有关的技术标准与技术规范划分为三个等级，并明确r各个等级的定义，给出了相应的介绍与说明。性能规范（performancespecification）描述如何在规定时间内完成一个路面工程任务。这些规范的基础应该是路面性能项目(LIPP)长期的研究成果，结合一系列新的试验方法，保证路面在长期使用过程中满足道路的使用性能要求。这些新的试验结果应该与路面的性能直接相关，而不仅仅是沥青混合料的力学性质。基于性能的规范（perfonnance-basedspecifications】描述基于T程性质的期望水平。这些基本的工程性质如回弹模鼍、疲劳特性等可以作为性能预测模型的变量预测路面的性能。基于性能的规范试图聚焦于以性能特性来改善现有的质量水平。然而，材料和施工过程质量特征的检测并不能及时为承包商提供相关信息，日前可能无法对施工过程进行调整。与性能相关的规范(performance-relatedspecification-PRS)描述材料和施工诸因素的理想水平。已经发现这些因素与一些工程特性相关，并可以用来预测路面性能。同时这些因素可以在施工的过程中予以检测。与性能相关的规范试图通过确认施工项目的质量水平来实现成本和性能间的最佳平衡。与性能相关的规范常用的材料质量特征包括空隙率和沥青含量等。NCHRPSynthesis212的报告是针对整个道路建设技术领域的，因此，这份报告认为推行性能规范为时尚早。但是，作为沥青和沥青混合料技术标准的研究，目前已经取得了一些重要的进展。到20世纪末，道路石油沥青的产品分级标准主要有二类，即针入度分级和粘度分级。以沥青针人度分级的沥青标准源于1918年美国公路局确定的针人度分级，即按照25℃针入度划分沥青牌号并辅以共他技术指标来控制沥青的质量。1960年代提出粘度分级体系以适应使用量逐渐增加的氧化沥青。粘度分级是按真空毛细管测得的60℃粘度划分沥青的牌号并辅以其他技术指标来控制沥青的质量。我国的道路石油沥青技术标准一赢采用针人度分级。针入度分级标准是典型的经验型标准，粘度分级标准虽然较针人度分级标准有所进步，但仍然具有经验性。美国的公路战略研究计划(StrategicHighwayResearchProgram，简称SHRP)提出了按照沥青路用性能分级（PerformanceGraded，简记为PG）的道路沥青技术标准。SHRPPG分级依赖于沥青的粘弹性进行分级，分别提出了施工温度范围、高温、中等温度和低温条件下与路面使用环境相关的流变特性指标。PC分级直接依据路面工作环境、交通荷载和没计温度评价沥青性能，并且充分考虑了沥青使用过程中热老化对于分级的影响。5沥青与沥青混合整錾焉霉宙臣冒蟊重董置瞄E浏j鼎鼢㈧㈣裂删j嬲“。7‘’“。嚣嘉焉嚣篇暑蔑篙黹黑芒经过10年努力，SHRPPG性能分级作为一项新技术，已经在美国得到普遍的推广应用。定尽管其后发现SHRPPG分级对于改性沥青的评价存在一些关键性的技术缺陷，美国联邦公路局组织有关技术专家继续采用粘弹力学方法研究PG分级的改进。通过美国国家协作研究项目NCHRP9-10课题研究，已经使得该成果对于改性沥青的适用性得到增强。尽管PG性能分级要求的技术指标大部分是过去经验型分级标准中从未有过的，需要采用专用的试验仪器和方法，目前尚未得到世界各国的采纳和应用，但PG分级成果促进各国纷纷修订自己的沥青技术指标。各国沥青技术指标修订的趋势是尽量采用具有明确粘弹力学依据的指标（例如60℃动力粘度）来代替或简化针人度分级指标体系。寅此外，尽管SHRP研究进行的大量沥青混合料性能评价方法研究，多数尚未能形成技术规范，但其中的大量研究成果如简单剪切试验(SST)、约束试件温度应力试验(TSRST)、弯曲疲劳试验、动态模量试验等，均在全世界引起强烈反响。这些研究全部采用粘弹性力学手段与方法研究或评份沥青混合料的力学性能与路用性能。随着2004AASHTO路面设计指南编制的研究进展，美国正在加紧沥青混合料性能评价方面的研究，大力促进新的路面设计指南真正成为力学．经验型的设计方法。月综上所述，美国近20年在沥青及沥青混合料技术标准与技术规范方面的研究中，始终坚持采用粘弹力学的理论与方法作为应用研究基础，使得沥青及沥青}昆合料的技术标准与技术规范越来越接近性能规范的水平。；第三节粘弹力学的基本原理—l[]弹性、粘性与粘弹性再经典力学中，描述物体弹性行为的是虎克定律，即施加外力时物体在瞬间产生变形，并不随时间增加而保持恒定的值，消除外力后变形可以瞬间回复。描述粘性流动的是牛顿定律，即变形速率与外力成比例，变形随时间增加，取消外力后变形不能回复。显然，弹性变形与粘性流动变形是互相对立的两种变形行为。任何互相对立的事物都将在一定条件下向相反的方向转化，工程材料的力学行为也都在一定条件下具有满足使用要求的弹性，并在另外的条件下具有粘性流动的能力。对于工程技术人员来说，重要的是认识材料由粘性向弹性转化的条件以及产生这种转化的机理。化学变化可以使物体改变自身的力学特性。例如，新拌制的水泥混疑土可以像液体一样被浇注在模板之中，也可以使用管道运送，但凝固之后的混凝土具有相当高的弹性，即使每平方厘米承受数千牛顿的荷载也不会产生过大的变形。这是因为凝固过程中混凝土内部发生了水化反应，使得原来具有粘性的材料成为一种新的弹性材料。钢材、铸铁等金属材料在固定的温度下可以由固体变成液体，这样的现象叫做熔融，发生熔融的温度称为熔点。熔融过程是物质的一种热力学物理相变。相变是一种突变现象，只有具有晶体结构的固体才具有固定的熔点。不具有明显晶体结构的状态称为无定形结构或玻璃质。具有无定形结构的物质可以不经过化学变化或者熔融过程实现由粘性流动状态向弹性变形状态的转变。与晶体结构不同，无定形结构物质的这一转变是—个伴随温度变化或者外力作用时间长短的渐变过程。沥青的性能具有显著的无定形结构物特征，并影响了沥青混合料的