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沥青混合料的抗剪、抗裂设计

1. N. Kiryukhin Soyzdornii, Moscow, Russia.

摘要:沥青混合料配合比设计的标准剪切和抗裂度要求确定的主要路面沥青混凝土的流变和力量属性描述其变形和损伤取决于stressed-strained装货状态和温度条件,论断是在实验室条件下进行。提出了沥青混凝土在最高设计温度下的抗剪性能、路面设计使用寿命的残余变形以及路面拉应力共同作用下的抗裂性能的确定算法。该设计方法使沥青混凝土在抗剪强度和抗裂强度两个指标上的选择成为可能。

1. 介绍

沥青混凝土是道路路面最常用的材料，因为它在建筑和维修工程中具有所需的道路使用性能和工作性。同时，在不断增加的交通荷载和环境因素的作用下，沥青路面的使用寿命不够长。为了提高沥青路面的耐久性，沥青混凝土的结构应在配合比设计阶段进行改进。在设计最优配合比时，既要考虑路面结构层沥青混凝土的性能条件，又要考虑初始材料的质量。路面性能受天气、气候因素和交通荷载的影响，对沥青混凝土结构提出了适当的要求。沥青混凝土结构的高温抗剪性能、低温抗变形性能、低温抗裂性能、防水性能、抗冻性能等工作特性，在整个路面设计使用寿命中都要考虑材料的老化问题。

1. 沥青混合料设计的基本原则

传统的沥青混合料设计方法局限于矿物组分与沥青混合料的体积比，在此比例下，沥青混凝土的残余孔隙率和其他规定的物理力学性能指标的要求值被提供[Ghezentsvey, 1964]。在沥青混合料设计中使用各种方法的两个趋势可以被强调。

第一个趋势是针对连续级配(碎石型)混合料的设计，这种混合料提供了路面的稳定性，主要是由于细颗粒对粗颗粒的阻尼作用。从这些混合料中获得的沥青混凝土具有以下良好特性:路面的抗滑性和抗剪性高，性能对沥青结合剂含量变化的敏感性低，在路面施工中混合料的可加工性和可放置性。要制备上述混合料，必须使用耐久的集料材料，主要是用碾碎的和立方体的颗粒。矿物混合物的级配曲线通常是从立方抛物线发展而来的。压实后的混合物通常具有多孔性，因此有必要使用抗老化的沥青，这种沥青有助于矿物颗粒表面的良好粘结力。

第二种趋势是基于沥青混合料的设计，这种设计基于密实混凝土的模式，允许使用不连续级配的矿物混合料和带有圆形颗粒的骨料材料。在压实这种混合料时，通常可以获得沥青混凝土的封闭孔隙率，从而使路面具有合理的高水、高冻性能。不连续级配的缺点是它们有离析的倾向，用这些混合材料建造的路面通常具有抗滑性不足和对填充物和沥青含量的偶然变化高度敏感的特点。

人们认为，沥青混合料设计中更有意义的元素是矿物的分级，其依据是最佳密度曲线以及矿物混合料中空隙的连续填充原则[Ghezentsvey,1964]。对于所要求的质量的沥青粘结剂的选择和其在混合料中有效含量的证实，专家们对这些问题没有共识。对于不符合最新要求的沥青混合料设计方法，常常出现对现有方法的批评。因此，迫切需要开发一种新的沥青混合料设计方法。

摘要现行设计方法的不足之处，往往与试验方法的不完善有关，其规定的性能指标不能很好地反映沥青混凝土路面的实际情况。在这方面，已知的技术“Superpave”[1996,1997]是向前迈出的一步，因为它的目的是根据沥青结合剂的质量、混合成分和其运行的气候条件来预测沥青路面的效率。但是引进美国的Superpave混合设计技术却因为设备的困难和昂贵而受阻。因此，许多国家对沥青混合料设计的新方法进行独立调查和开发。俄罗斯在研究路面沥青混凝土的结构-力学性能和设计道路路面方面也具有巨大的科学潜力，可以而且必须用于沥青混合料的设计。为了优化沥青路面的配合比，建议在室内试验的基础上，尽可能准确地确定沥青路面在混凝土条件下的使用性能。

在大多数情况下，建议首先确定抗剪强度，并预测路面沥青混凝土因设计使用寿命而在路面上累积的残余变形。在获得可靠的抗剪性能指标和其他规定的性能指标后，有必要通过适当的方法不断提高沥青混凝土的抗裂性能。根据路面工作性能指标进行沥青混合料设计方案如图1所示。

图1沥青混合料抗裂参数优化设计方案

需要指出的是，将沥青混凝土质量指标作为配合比的优化参数，其取值取决于沥青混凝土的类型、工作条件和初始材料的性能。以浇筑的沥青混凝土为例，优化参数最可能是抗剪。在某些情况下，当使用快老化粘结剂时，沥青混凝土组合优化抗老化性能是合理的。然而，在每种情况下，设计的混合成分必须符合规定的设计要求，根据其他质量指标。

1. 沥青抗剪性能评价

沥青混凝土强度和流变学指标的分析使沥青混凝土抗路面车辙的试验方法和标准成为可能[Kiryukhin, 1997]。根据库仑摩擦定律(式1)，沥青混凝土的抗剪强度由两部分组成:矿物骨架抗剪强度(静态流动极限)和沥青膜的黏聚力(粘性剪切强度)。

(1)

tau;=最终剪切阻力,MPa;

p =正应力，MPa;

tgϕ=沥青混凝土的内部摩擦系数;

C(t, T) =沥青混凝土在设计试验条件下的黏聚力，取决于加载时间和沥青混凝土温度，MPa。

方程的第一个元素描述了矿物骨架的稳定性。它是由内摩擦系数决定的，实际上并不取决于沥青混凝土的温度和变形速度。剪切力的粘性(粘性)成分取决于温度、时间和加载状态，因为它表征了分散介质、沥青薄膜、沥青填料粘结剂和沥青混凝土的流变特性。因此，上述构件在提供路面抗剪性能方面的作用将取决于加载条件，这对于设计不同交通强度道路的沥青混合料具有根本的重要性。剪切应力导致可逆和不可逆剪切变形，图2中的流变模型[Gretz, 1999]很好地描述了这两种变形。

图2沥青混凝土剪切变形的流变模型

粘弹性的存在元素(III)的流变模型组成的并行连接粘性柱塞和Saint-Venant-Coulomb的元素显示,不可逆转的变形可以开发只在剪切应力超过静态屈服极限决定在库仑法向应力的产物p乘以tgϕ内摩擦系数。

已知的实验数据推翻了具有恒定粘度和常规无扰动结构的沥青混凝土流动的可能性。表征永久变形累积速度的流速与作用应力值呈非线性关系。因此,塑料粘度eta;pl是有效的,即。取决于不可逆变形速度，这是由牛顿的元素上的箭头表示的。

粘塑性单元与描述弹性后效变形的开尔文(II)单元是串联的。弹性后效的变形是可逆的，钩单元(I)的变形是可逆的，不影响永久变形的值。在沥青混凝土试件试验中，弹性后效应的变形必须与总蠕变变形直接或间接分离。图3显示了两种已知的确定沥青混凝土蠕变试验中残余变形的方法。直接法是确定当弹性后效应的变形完全恢复时，从试样中移去载荷后的残余变形。间接变形法是基于对非可逆变形速度的残余变形的计算，该变形速度为以最低变形速度下的稳态流动截面上的蠕变曲线的切线斜率角的切线。

图3沥青混凝土在蠕变状态下的变形图

粘塑性变形导致沥青混凝土试件破坏，破坏前时间与不可逆变形速度呈反比关系[Kiryukhin amp; Gokhman, 1979]。这种关系是由蠕变的热起伏特性和凝固性沥青粘结剂的劣化共同决定的。这使得在对沥青混凝土试件进行破坏试验的基础上，根据(图4)根据以下两个准则来评价其抗剪性能成为可能:

bull;路面设计最高温度时的抗剪能力;

bull;路面设计使用寿命累积的残余变形。

设计工况下沥青的平均抗剪强度可由库仑公式(方程1)和长期强度的Bartenev-Ivanov数学模型[Zolotarev,1977]得到

(2)

p =来自设计车轮的正常压力，MPa;

Cl = 沥青黏聚力实验室指标,MPa;

tl = 沥青试件在实验室破坏前的平均试验时间,s

t1=平均时间轮荷载应用于沥青路面下的通道下一辆相等的车辆，s;

tp =沥青路面在传统的高设计温度下最长连续运行时间为6小时;

N =单车道车辆等值交通量，veh/h;

m =根据Ivanov amp; Telegin[1949]计算的塑性系数;

U =根据Bartenev amp; Zuyev[1964]， kJ/mol,沥青混凝土粘塑性破坏活化能;

R =气体常数，0.008314 kJ/°E mol;

Tp =最大设计温度的沥青路面,°kappa;;

Tl =绝对温度的样品测试在实验室,323°kappa;。

图4沥青混凝土方案设计中采用两种抗剪准则

为了评估第二个标准的抗剪能力，沥青混凝土在路面设计服务期累积的总残余变形应计算如下:

(3)

kappa;r =系数考虑车辆车轮通过一个轨道上的概率;

td = 沥青路面设计使用寿命，天数;

N =单车道车辆等值交通量，veh/d;

gamma; · 1= 沥青试件室内试验时不可逆剪切速度梯度，秒-1

tau;a =最大切应力的等效车辆荷载、MPa;

P(T) =某一地区路面温度分布的频率或概率;

Tp - Tp =最小和最大温度的路面,分别ordm;C;

T, dT =路面温度变量及其增量,ordm;C。

最终允许变形值是根据路面规定的车辙深度确定的

(4)

gamma;=最终容许沥青混凝土的残余变形;

delta;all =容许车辙深度关于交通安全的因素,cm;

l =车辙宽度，cm;

h =变形前沥青混凝土层厚度，cm。

在设计期间累积的残余变形不应超过10%。

具有0.7 MPa压力的等效车轮的最大切应力可达0.7 ~ 0.75 MPa。

根据SNiP 2.01.01-82(施工规范和规程)《施工气气学与地球物理》，以室外空气绝对最高温度和室外空气最冷5天温度为气候条件特征，可靠性为0.98。沥青路面的最高设计温度根据路段所在区域记录的绝对最高气温计算，经验公式如下:

(5)

Tp =沥青路面最高设计温度，℃;

Tmax =道路位置区域记录的绝对最高气温，°C。

沥青路面的最低温度是根据加拿大研究人员[1997]的经验公式确定的。

(6)

T min=最冷5天室外空气温度，信度0.98。

沥青路面温度的频率分布特征是规定温度下的路面性能周期与路面设计使用寿命之比。

(7)

路面的温度分布规律可以建立在长期观测某一地区气温的基础上。我们根据Goretsky[1965]的实验数据，发展了c. Moscow地区路面温度分布规律。作为第一近似,路面的温度分布曲线的形状被认为是恰逢一个梯形的面积等于1(图5)。最大和最小设计温度的沥青路面为特定气候区域确定女巫95%的可靠性。

图5路面温度分布的近似规律

因此，抗剪性能是沥青混凝土的一种多元工作特性，一方面由材料结构的几个指标来表征，另一方面由路面性能的设计条件来表征。

最重要的抗剪设计条件是温度及其频率分布、荷载、荷载量和荷载作用时间。表征沥青混凝土抗剪性能的指标有:内摩擦系数、剪切时的黏聚力、粘塑性系数和粘塑性变形破坏活化能。这些特性可以根据GOST(国家标准)12801-98“基于有机粘合剂的公路和机场建筑材料的圆柱形试样的测试结果来确定。测试方法”。

内摩擦系数由公式确定:

(8)

Am,Ac = 在马歇尔方案和单轴压缩试验条件下，以50mm /min的变形速度对沥青圆柱试件进行破坏试验，得到平均破坏功。

剪切凝聚力(Nl, MPa)的实验室指标计算如下:

(9)

R*50 =轴压强度500c，变形速度50mm /min, MPa。

推导出的指标(塑性系数和活化能)确定特定的沥青混合料组成，考虑强度指数在标准变形速度为3毫米/分钟。塑性系数按N.N. Ivanov[1949]公式计算:

(10)

R*50, R50 =变形速度为50和3mm /min时的抗压强度指标，分别为MPa。

粘塑性破坏的活化能U (kJ/mol)是根据20℃和50℃时的压缩强度值计算得到的:

(11)

R20, R50 = 20和50℃时的抗压强度指数，MPa。

通过上述算法(图4)，可以根据沥青混凝土的组成对其抗剪性能进行足够可靠的评估，并对特定使用条件下的路面平整度提出要求。发现增加碎石混合的内容提出了沥青混凝土的静态流量极限剪切强度为代价的矿物骨架(图6)。因此,在设计重交通道路沥青混合,它更比提供一个强有力的碎石骨架比增加沥青的粘度。此外，在具有强矿物骨架的沥青混合料中，可以使用高变形沥青粘结剂。在石-胶凝沥青混凝土(SMA)中，沥青水泥(沥青-填料混合料)在剪切时的最大矿物骨架刚度和高抗拉塑性的最佳组合是实现的。

图6混合料中碎石含量与屈服极限的关系

在设计莫斯科环城公路路面沥青混合料时，考虑了两个抗剪标准。结果表明，沥青路面设计对抗剪强度和最终允许残余变形的影响可能不够，特别是在不同流变类型沥青粘结剂的使用上。本文根据最高设计温度下的抗剪强度(图7)和残余变形(图8)两个标准，对BND 60/90级沥青和pbb90聚合物沥青粘结剂上制备的含碎石量为55%的沥青混凝土进行了对比评价。

图7沥青混凝土抗剪温度关系

粘弹性

粘塑性

图8永久变形累积的积分曲线

由图7可知，pbb90沥青混凝土在最高设计路面温度下具有较高的抗剪性能，同时对温度变化的强度敏感性较低。因此，在路面运行的最可能温度范围内，pbb90沥青混凝土的抗剪性能低于BND 60/90沥青混凝土的抗剪性能。这导致在许用残余变形判据上得到的结果(图8)与在抗剪强度判据上得到的结果(图7)相反

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