沥青混合料及其力学性能分析

沥青混合料及其力学性能分析

摘要：目前我国高等级公路主要采用沥青路面结构形式，沥青混合料性能的好

坏直接影响到公路的服务功能和使用年限。现代重载交通要求沥青混合料具有优

良的高温稳定性和其它性能；为提高沥青混合料的性能、实现混合料性能的优化，近年来先后出现了大量的新材料和新理论。本文首先对沥青混合料的级配构成原

理进行了分析，其次对其力学性能做出了分析。

关键词：沥青混合料力学性能级配构成

1引言

随着生产力的发展，现代道路工程的特点反映出愈来愈鲜明的功能化。为了

满足日趋复杂、高效的现代化生产过程和日益上涨的生活水平所提出的各种功能

要求，道路工程的使命愈来愈艰难。从这个意义上看，现代道路工程面临着一场

革命作为道路工程中广泛使用的一种复合材料，沥青混合料是由沥青、矿粉、集料、等多种具有不同力学特性、不同几何形状尺寸的材料所构成的具有多相结构

的非各向同性材料。本文主要对沥青混合料及其力学性能进行了研究，希望能够

为沥青混合料的技术发展提供帮助。

2新型沥青混合料的级配构成原理分析

2.1沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）

沥青玛蹄脂碎石（简称SMA）是一种由沥青、矿粉及纤维稳定剂组成的沥青

玛蹄脂混合料填充于间断级配的矿料骨架中所形成的沥青混合料。其4.75mm以

上的集料含量在70%-80%左右，同时小于0.075mm的填料含量通常达到10%，而0.6-4.75mm的颗粒通常仅有10%左右，而AC-I型混合料的0.6-4.75mm的颗粒通

常达30%。因此SMA混合料是典型的由填料填充在粗集料形成的骨架空隙中形成的骨架密实结构。

2.2多碎石沥青混凝土（SAC）

多碎石沥青混凝土（SAC；）是由我国沙庆林院士于1988年提出的一种沥青

混凝土结构形式。其定义为；4.75mm以上的碎石含量占主要部分的密实级配沥

青混凝土。

SAC是在总结我国传统的工型和II型沥青混凝土的有缺点的基础上提出的。

我国传统的工型沥青混凝土空隙率为设计3-6%，因此耐久性好、透水性小，但表面构造深度较小；同时由于细集料试用较多，粗集料悬浮于沥青和细集料所组成

的密实体系中，因此混合料的稳定性随温度的增加下降明显，从而易出现车辙等

病害。

2.3大粒径沥青混凝土（LSAM）

根据以有的研究成果，LSAM的的典型特点是颗粒尺寸大、粗集料含量高、粗集料接触程度高和主骨架稳定性高。LSAM中粗集料的排列特征和级配对混合料

的体积特征有着较大的影响，甚至起着决定性的作用，也即粗集料间必须充分形

成石一石接触的骨架特征。对于LSAM的骨架特征有两个重要指标；骨架稳定度

和骨架接触度。

2.4SuperPAVE沥青混合料

SuperPAVE推荐的级配采用了0.45次方级配图，此级配图是以Fuller最大密

实度理论（n=0.45）为基础，即此图的对角线即为最大密实度线，级配曲线越靠

近对角线，混合料的密实度越大。为便于级配的选择和创新，SuperPAVE摒弃了

传统的对各个筛孔的通过率都严格控制的方法，而改为仅对关键筛孔（如公称最

大粒径、4.75mm，2.36mm，0.075mm等）提出了控制点，同时为避免过多的细

集料破坏骨架结构，SuperPAVE提出了一个不建议级配曲线通过的禁区。

3细观结构与力学性能关系

3.1峰值荷载与细观组成指标关系

对于沥青混合料而言，不同的成型方式会产生不同的细观结构，进而导致不

同的力学性能。为建立沥青混合料细观结构的特性与宏观力学性能的关系，对于SMA-16G混合料，随着长轴取向威布尔分布期望的逐渐减小，其峰值荷载逐渐增大；而长轴取向威布尔分布的标准差过大、过小都不利于混合料抵抗荷载，标准

差多大，集料个体间的“就位方向”差异较大，结构不稳定；同理，标准差过小，

集料个体“就位方向”一致性增强，但不能形成很好的嵌挤结构，同样不能抵抗较

大劈裂荷载。只有处于中间水平的标准差，能够抵抗较大荷载；对于表示集料整

体结构指标的集料趋向Δ，随着Δ的增加，劈裂峰值荷载逐渐增大。

在混合料压实度达到一定程度时，混合料骨架的“接触点”的增加，沥青混合

料的劈裂峰值荷载也同样增大，增加接触点的个数，混合料可以更好的分散应力，集料间的接触点成为荷载的主要承担部位，因此可以更好的抵抗劈裂荷载。

对于SMA-16M混合料，长轴取向威布尔分布期望的增大，劈裂峰值荷载会增加；而集料长轴取向的标准差对混合料力学性能的影响与SMA-16G相同，处于中间水平的标准差会形成较高的抵抗劈裂荷载的能力；对于集料趋向Δ，劈裂试验

峰值荷载随着Δ的减小增加；而“接触点数量”对峰值荷载的影响较为明显，增加

接触点的数量，可以提高劈裂峰值荷载的大小。

3.2沥青混合料应变场分布与细观结构关系

由上文分析可知，适当增加粗集料间接触点的数量会使得应力更均匀的分布，防止产生应力集中现象。

既然在沥青混合料中粗集料间的彼此接触点才是真正的受力主体。然而对于

不同结构类型的混合料，由于其内部“骨架结构”的不同，并且在细观尺度上，三

种类型混合料的细观指标也有所差异，这就使AC-16，SMA-16，OGFC-16在劈裂

试验中的开裂形式及应变场分布的均匀性不同。因此，本章即分析了细观指标对

沥青混合料的开裂破坏模式及应变场分布的均匀性进行了探索，结果如下。对于

悬浮密实型AC-16混合料，以AC-75M为例进行分析。加载初期，在试件表面中

间竖直部分形成一条“应变带”，并在加载初期形成一块“高应变区域”，随着进一

步加载，沥青混合料在高应变区域逐渐形成一条微裂缝，并逐渐扩展形成一条至

上而下的裂缝形成。

对于悬浮密实型AC-16混合料，其破坏形式最明显的是在“破裂带”大多形成

一条至上而下的一条主裂缝；即使出现了两条裂纹，其大多是竖向较规则、且与

主裂缝大致平行的，或是在主裂缝集料一胶浆结合处形成1-2处较小裂缝分枝。

对于SMA-16，OGFC-16混合料，在加载过程中，其表面形成2-3条高应变区

域带；当荷载的继续增加，高应变区域首先形成裂缝，随着荷载的不断增加，又

出现了部分高应变带，裂缝逐渐变大，并在沥青混合料表面形成多处开裂位置。

对于SMA-16，OGFC-16混合料，其破坏形式不同之处为；OGFC-16混合料在劈裂

试验开裂时会形成一条至上而下的裂缝，同时伴随着多处的开裂区域，并且，大

多数裂缝会沿着竖直方向；而SMA-16混合料的劈裂试验下，其裂缝分布不均与，鲜有至上而下的裂缝，并且开裂位置众多。

结论

目前我国高等级公路主要采用沥青路面结构形式，沥青混合料性能的好坏直