沥青混合料力学性能与集料形状关系
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。
道路沥青的应力和形变特性分析
道路沥青的应力和形变特性分析道路沥青作为一种常用的道路材料，在公路建设和维护中起着重要的作用。
了解道路沥青的应力和形变特性对于设计和维护道路具有重要的意义。
本文将对道路沥青的应力和形变特性进行分析。
首先，了解道路沥青的应力特性是非常重要的。
应力是指单位面积内的力的大小，是材料内部产生的单位体积的内力。
道路沥青在不同的荷载作用下会受到不同的应力。
常见的应力包括拉应力、压应力、剪应力等。
拉应力是指材料内部沿拉力方向产生的内力，压应力是指材料内部垂直于作用力方向产生的内力，而剪应力则是指材料内部平行于作用力方向产生的内力。
我们需要关注道路沥青在不同应力作用下的承载能力和变形情况。
进一步分析道路沥青的形变特性也是必要的。
形变是指物体在外力作用下发生的位置或形状的变化。
道路沥青在受到荷载作用时会发生形变，主要有弹性变形和塑性变形。
弹性变形是指在外力作用下材料发生形变，但在去除外力后能够恢复原状的一种形变。
而塑性变形则是指在外力作用下材料发生形变，去除外力后无法恢复原状，会产生永久变形。
对于道路沥青来说，我们需要了解它在不同荷载作用下的形变程度，以确定其承载能力和使用寿命。
同时，分析道路沥青的应力和形变特性还需要考虑其材料特性。
道路沥青是一种沥青混合料，主要由石质骨料和黏合剂组成。
石质骨料具有一定的强度和稳定性，能够承受一定的荷载，而黏合剂能够使骨料之间产生粘结力，形成稳定的路面结构。
了解沥青混合料的成分和特性，能够帮助我们更好地分析道路沥青的应力和形变特性。
为了准确分析道路沥青的应力和形变特性，我们可以采用一些测试方法和数学模型。
常用的测试方法包括承载能力试验、动态拉伸试验、变形试验等。
这些试验可以通过施加不同的荷载和测量变形量来获取沥青的应力和形变特性。
此外，使用数学模型也可以对道路沥青的应力和形变进行模拟和预测。
数学模型可以通过建立沥青的应力-应变关系，以及考虑不同荷载、温度和时间等因素，来分析沥青的应力和形变特性。
沥青混合料的疲劳性能
试验结果与路用性能间的关系
模型, 而实际车轮荷载均为动态。由于路面结构 棱角尖锐、表面粗糙的开级配集料通常由于难以压实而造成高的孔隙率，这可能是引起裂缝的原因并进而导致沥青混合料疲劳寿命的
缩短。
3 沥青路面疲劳开裂研究方法
6
2.材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响
2.1 混合料劲度 从疲劳观点来看，沥青混合料的劲度模量是
一个重要的材料特性。任何影响混合料劲度的 变量，诸如集料与沥青的性质、沥青用量、混 合料的压实度与孔隙率，以及反映车辆行驶速 度的加载时间和所处的环境条件等都会影响它 的疲劳寿命。
7
2.材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响
在过去几十年里各国的很多研究者通过实验对路面的疲劳特性做了大量研究，归纳起来分为三类：
破损有着不可忽视的作用。 SHRP在压实沥青混合料重复弯曲疲劳寿命测定的标准试验
在断裂力学分析法中裂缝的延伸长度与应力集中因子之间的关系式通常以Paris方程表示：
N——荷载作用次数。
方法（SHRP-M-009）中还给出了累积消散能及消散能累积到破坏时的计算方法。
本身对荷载的时变因素具有相当的敏感性, 因而 沥青种类和硬度对沥青混合料疲劳寿命的影响基本上可以用它对混合料劲度的作用来衡量。
材料性质对沥青混合料疲劳性能的影响 由于路面结构本身对荷载的时变因素具有相当的敏感性, 因而在实际动态荷载作用下所表现出的力学性能通常与静态模型的情况存在较
大差异, 对路面的早期破损有着不可忽视的作用。
根据实验，在控制应力加载模式中，疲劳寿 命随混合料劲度的增加而增加。
但是，在控制应变加载模式中，疲劳寿命则 随混合料劲度的增加而降低。 2.2 混合料的沥青用量
关于沥青混凝土中细集料的探讨
ｃｎｒｔ ａ ｇｒｇｔ ｗｔ ｅｂｅｉ ｓｇｄ ｉ ． ｏｃ ｅ ｓ ｇｅａｅ ｉ ｐｂｌ ｓ ｌｈ ｙｈ ｈ ｅ ａ ｈ ｉ ｇ
Ｋｅ ｒ ｓ Ｂ ｅ ｋｎ ｎ ｒｙ Ｓｒｎ ｔ ｏ ｃｅｅ Ｐ ｃ ｓｉｇｃａ ｋ Ｂｅ ｄｎ ｔｔｒ ｅｐ ｉｔ ｙ ｗｏ ｄ ｒａ ｉｇｅ ｅｇ ｔ ｇｈ ｃ ｎ ｒ ｔ ｒ ａ ｔ ｒｃ ｅ ｅ ｎ ｎ ｉｇ ａ ｅ ｏｎｓ ｈ
ｂｅ ｏ ｄ ｃｅ ． ｅｕｔ ｓ ｏ ａ ｅｃｎ ｒ ｅｓ ｅｇｈｉ ａｃ ｉ ａｏ ｃ ｒ ｆ ｃｉ ｅｃｎ ｒｔ ｂｅ ｋ ｇｅ ｅ ｅｎｃｎ ｕ ｔ Ｒ ｓｌ ｈ ｗ ｔ ｔｈ ｏ ｃｅ ｔ ｎ ｔ ｈｅ ｍ ｊｒ ａｔ ｅｔ ｇｔ ｏｃｅｅ ｒａ ｉ ｎ ｒ ｄ ｓ ｈ ｔ ｔ ｒ ｓ ｆ ｆ ｏａ ｎ ｈ ｎ －
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６ ０・
北 方 交 通
关 于沥青 混凝 土 中细集料 的探 讨
牟 彬
（ 阳市公路规划设 计院 ， 沈 沈阳 １ ０１ １ １） ０
摘 要 从依据标准、 技术要求和质量标准等几方面， 对沥青混凝土施工原材料的粒径规 格、 力学性质、 学选用等都作 了一定的要求。 科
通过各筛孔 的质量 百分率（ ） ％ 粗砂 中砂 细砂
早期因使用天然砂做细集料引起的高速公路路面早
期破坏 ， 天然砂的级配不足就是其中的原因之一。
２ 对细集料力学性能的要求
对于粗集料、 矿粉与沥青粘结力 的要求现 已被 工程技术人员所接受 ， 就是用碱性石料或 中性石料 （ 最好是碱性石料）使沥青和矿粉能组成很好的胶 ， 浆再和其他矿料很好结合。但对于细集料的要求 ，
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第 ６
１ 对细集料粒径的要求
牟 彬： 关于沥青混凝土中细集料的探讨
两种沥青混合料性能比较
两种沥青混合料性能比较作者：纪国亮,王丽丽来源：《科技传播》2011年第23期摘要 SMA-13沥青玛蹄脂碎石混合料和ARHM13（W）沥青混合料适用于高等级沥青路面，具有很好的路用效果。
对比这两种沥青混合料各项性能指标，高温稳定性和低温抗裂性能相差不多，都能满足规范要求，考虑经济性性能ARHM13（W）则更能体现出优势。
关键词沥青胶结料；合成级配；验证试验；经济效益中图分类号TU5 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）56-0142-020 引言橡胶沥青混合料是采用干拌或湿拌工艺生产的沥青混合料。
干拌工艺是将废胎胶粉与沥青、矿料一起投放到拌和楼里拌和；湿拌工艺是将废胎胶粉和沥青加工形成橡胶沥青后，再与矿料拌和。
橡胶沥青混合料主要类型有：ARHM（W）湿拌法橡胶沥青混凝土密级配（《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》）；AR-AC13湿拌法富沥青断级配橡胶沥青混合料。
SMA是由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量细集料组成沥青玛蹄脂碎石结合料填充间断级配的粗骨料骨架间隙而组成的沥青混合料。
SMA材料结构特点为“三多一少”——粗集料多、矿粉多、沥青多、细集料少。
SMA路面结构不仅具有高温重载条件下很好的抗车辙性能，而且低温性能良好。
1 SMA-13和ARHM13（W）的比较本文就SMA-13沥青玛蹄脂碎石混合料和ARHM13（W）沥青混合料从材料选择、合成级配、最佳沥青用量、验证试验、经济效益五个方面论证的加以比较。
1.1 材料选择选择材料是生产优质沥青混合料的关键步骤。
沥青混合料的原材料包括沥青和矿料。
SMA-13选用符合规范[1]要求的SBS改性沥青；ARHM13（W）选择符合规范[1]规定70号沥青掺入20%橡胶粉。
试验指标满足技术要求。
矿料是沥青混合料的关键材料之一，其力学性能、颗粒形状直接关系到沥青混合料的抗车辙能力。
两种沥青混合料对于矿料的选择基本相同，都必须符合规范[1]各项指标要求。
粗集料形状特征对沥青混合料抗剪性能的影响
◎ … ……ຫໍສະໝຸດ 粗 集料 形 状特 征 对沥青混合料抗 剪性能 的影响
肖源杰 ， 海 东 都敬 丽 蒯 ，
（ 东南 大学 交通 学 院 韩 国世宗 大学 土木 与环 境工 程学 院 ）
摘
要 ： 质集 料 的形 状 特 征 对 沥 青 混 合 料 的性 能具 有 极 为 明显 的影 响 ， 目前 关 于 这 方 面 的 研 究 极 少 。 采 用 编 制 矿 但
的 图像 处 理 程 序 ， 获取 了 五组 颗 粒 形 状 特 征 不 同 的粗 集 料 其 形 状 参 数 ， 运用 单 轴 贯 人 试 验 分 析 了 粗 集 料 形 状 参 数 对 混 合 料抗 剪 强 度 的影 响 。 结 果 表 明 ， 集 料 各 种 形状 特 征 参 数 对 混 合 料 抗 剪 强 度 都 有 不 同程 度 的影 响 ， 扁 平 系数 对 抗 剪 强 粗 且
上海： 同济 大 学，９ ２ ｌ９ ．
【］ Ｍｏ ｉ ｔ，Ｃ．，Ｒ ｔｎ ｒｄｃｉｎ ｉ Ａ － ａ ｏ ｃｅ ４ ｎｓ ｈ ｍｉ Ｌ ｕｔ ｇ Ｐｅ ｉ ｏ ｎ ｓｈ ｌ Ｃ ｎ ｒｔ ｉ ｔ ｐ ｔ ｅ
Ｐ ｖ ｍｅ ｔ Ｔ ａ ｓ ｏ ｔｔ ｎ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ６１ ， ｒ ｎ ｐ ｒ ｔ ｎ ａ ｅ ｎ， ｒｎ ｐ ｒ ｉ ａｏ ｓａｃ Ｔ ａ ｓ ｏｔ ｉ ６ ａｏ Ｒ ｓ ａ ｃ ａ ｄ Ｎａｉ ｎ ｌＡｃ ｄ ｍｙ ｏ ｃ ｅ ｃ ． ａ ｈ ｎ ｔ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ Ｂｏ ｒ ． ｔ ａ ａ ｅ ｆＳ ｉｎ ｅ Ｗ ｓ ｉ ｇ Ｏ ｏ Ｄ． ． ９ ６ Ｃ． １ ７ ．
［］ 叶 遇 春 ． 青 混合 料 高温 稳 定 性 评 价 指 标 的 试 验 研 究 ［ ． ２ 沥 Ｊ 中 ］
浅谈沥青混合料的强度理论
浅谈沥青混合料的强度理论桂斌(固始县公路管理局，河南固始465200)工墨堡苤瞒要】沥青混合辛}。
在路面结构中的强度随温度而变，在高温时，沥青湿合科处于塑性状态，抗剪强度大大降低，且垫丝变形过剩而产生推挤现象，在高温时，结构物接近掘被，强度虽高，但抗裂睦不足，结构物易产生裂缝。
D獭】沥青混合科；影响因素；测定方法沥青混合料在路面结构中的强度随温度而变，在高温时，沥青混合料处于塑性状态，抗剪强度大大降低，且塑性变形过剩而产生推挤现象，在高温时，结构物接近板状，强度虽高，但抗裂性不足，结构物易产生裂缝。
目前认为沥青混合料的组成结构是属于分散体系，所以主要考虑混合料在高温时必须具备有一定的抗剪强度和抵抗变形能力，总称为高温的强度和热稳定性。
目前对于沥青混合料在常温时的破坏机理研究得还不够，一般都倾向于采用库伦内摩擦理论分析其强度，得到计算结果。
沥青混合料的抗剪强度主要取决于沥青与矿物物理化学交互作用而产生的粘聚力，以及矿料在沥青混合料中分散程度不同而产生的内摩阻角。
￡=配&) C、＆值—般可通i捌试验直接获得，亦可通过测定无侧限抗压强度和劈裂抗拉强嚏予以换算。
沥青混合料的粘聚力是许多因素的函数，最主要的有沥青本身的性质如沥青的粘滞度、化学性质等，矿粉性质如矿物成分、表面积大小等，以及沥青与矿粉用量比例等。
1沥青的粘滞度对沥青混合料强度的影响沥青混凝土作为一个具有多级空间网络结构的分散体系从其最粗一级网络结构看，它是各种矿质集料分散在沥青中的分散系。
在其他因素固定的情况下，沥青混合料的粘结力随沥青材料的粘滞度增大而增大。
因为沥青的粘滞度大即表示沥青内部的胶团相互位移时，其分散介质抵抗剪切作用的抗力大，必然影响到沥青混合料的粘滞阻力增加，这对提高混合料的抗剪强度，特别是受瞬时荷载时更为明显。
2沥青与矿料之间的吸附作用列宾研究认为：沥青与矿料相互作用后，沥青在矿料表面产生化学组分的重新排列，在矿科表面形成一层扩散结构膜。
沥青混合料特点和性能
二． 低温抗裂性
定义：抵抗低温收缩裂缝的能力
破坏形式：裂缝
横向裂缝 纵向裂缝 网状裂缝
荷载型横向裂缝 非荷载型横向裂缝
温缩裂缝 反射裂缝
沥青低温抗裂性的机理： 沥青路面低温时强度增大，但变形能力降低。急骤降温产
生温度梯度，面层受到下部约束产生拉应力，降温也使得沥青 混合料劲度增加，导致混合料拉应力大于抗拉强度而开裂。
定义：高温稳定性是指沥青混合料在高温条件下, 能够抵抗 荷载的反复作用, 不发生显著永久变形(不可恢复变形如车 辙、波浪及推移拥包等) , 保持路面平整的特性。
破坏形式： ① 车辙（车辆在路面上留下的永久压痕）； ② 泛油（沥青面层中的自由沥青受热膨胀，直至沥青混凝
空隙无法容纳，溢出路表的现象） ③ 推移，拥包，搓板。 我国最常用评价实验方法是：马歇尔试验和车辙试验
混合料
荷载 环境 条件
表面纹理 形状 尺寸 劲度 用量 粘度
空隙率 矿料孔隙率
VMA 大小 作用次数 温度 湿度
光滑→粗糙 圆角→砾
最大粒径增加 增加 增加 增加 增加 增加
增加 增加 增加 增加
减小 减小 减小 减小 增加 减小 增加 增加
增加 增加 增加 一般增加
a.马歇尔稳定度（三项指标）
1. 马歇尔稳定度（MS）：指标准尺寸试件在规定温度和加荷 速度下，在马歇尔仪中最大的破环荷载（KN）反映混合料 的强度指标。
3. 施工方便，速度快，养护期短，能及时 开放交通
4. 沥青混合料可分期改造和再生利用
沥青混合料的性能
（The performance of asphalt mixture ）
一． 高温稳定性 二． 低温抗裂性 三． 耐久性 四． 疲劳性能 五． 水稳定性 六． 抗滑性 七． 施工和易性
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浅析沥青混合料力学性能与集料形状关系
1.引言
沥青混合料是由粗细集料、填料和沥青按一定级配、配比拌和而成的混合料，其中沥青、填料及细集料形成的胶浆主要是提供沥青路面的抗拉应力及弯拉应力。
对于抵抗因车轮荷载水平力作用而产生的剪应力及因垂直力作用而产生的压应力主要是由集料间的骨
架嵌挤产生的内摩阻力来提供。
随着近年沥青混合料级配向多孔隙、大粒径的间断级配发展，集料在混合料中的作用越来越突出。
集料不仅形状复杂，且集料的纹理、吸附性、抗压强度等很多因素都能影响混合料的力学性能[1]。
vallerga[2] 曾研究了集料的尺寸、形状、表面粗糙度对沥青混合料稳定度的影响。
但是集料级配及几何形态的变化不只是简单地使混合料的某项力学指标增大或
减小。
例如，沥青混合料内摩擦角对级配的影响不太敏感[3]。
本文从沥青混合料的细观结构出发，建立集料数学模型，进一步对沥青混合料的细观力学性能进行研究。
2 计算模型与参数
建模时把沥青混合料看作由粗集料、空隙和沥青胶浆组成的三相非均质复合材料，各相符合弹脆性材料的假设，各相的应力应变关系均为线弹性。
对沥青混合料试件进行二维（50mm×100mm）模拟，采用的力学参数见表1。
模型底面采用固定约束，左右两侧只在x 方向有约束，顶端施加竖向载荷0.7mpa。
由胶浆和集料组成的二相复合材料的等效模量为：
（1）
式中：、是集料和胶浆的体积百分比；、、分别为沥青混合料、集料、沥青胶浆的弹性模量。
根据公式（1），己知集料和沥青混合料的弹性模量计算出沥青胶浆的弹性模量。
沥青混合料弹模根据单轴压缩变形试验确定，计算得沥青胶浆弹性模量在75mpa～150mpa之间，取75mpa进行计算。
3 沥青混合料力学性能与集料形状关系研究
沥青混合料集料形状受到母岩材质、破碎工艺等影响，颗粒形态各异，没有统一的形态规格，并难以充分准确地描述和定义，一般认为较为理想的粗集料颗粒形状接近于球体或正多面体。
荷载作用下，沥青混合料中各集料颗粒相互作用，为了探求集料相互作用时，其形状和表面特征在混合料力学性能中的作用，建立两组形状不同数量相同的多颗粒模型，施加同样的竖向均布荷载，各应力云图分别如图1和图2所示，数据见表2与图3。
（a）圆形颗粒（b）六边形颗粒（a）圆形颗粒（b）六边形颗粒
图1 200个不同形状的图2 100个不同形状的
集料颗粒填充模型剪应力云图集料颗粒填充模型剪应力云图（a）集料数量为200 （b）集料数量为100
图3 集料数量不同的六边形与圆形集料颗粒模型的各应力柱状
图
由表2与图3看出，圆形集料模型中产生的各向应力明显大于六
边形集料模型中的应力。
显然集料的破碎面（棱）越少，应力值越大。
从细观角度可作如下解释：由于集料的相互嵌挤，在外荷载的作用下，具有多个破碎面的多边形集料间产生强大的嵌挤力和摩擦力，起到承担混合料大部分压应力和剪应力载荷的结构性作用。
对于圆形集料来说缺少了这种嵌挤力，难以承担抵抗应力作用，所以应力响应相当大。
从图1、图2中可以看出对于距离较近的集料，尤其当两碎石集料的尖端相对时，其附近胶浆区域的剪应力值很大，有应力集中倾向。
即使模型承受较小的荷载时，其接触点处的应力值也可能相当大，因此，集料颗粒间的接触点处会产生明显的应力集中。
多颗集料时，这种“应力集中”将是混合料的破坏主要因素。
接触点的稳定度直接决定了骨架结构混合料的稳定性。
4 结语
本文建立集料数值模型，研究集料形态对沥青混合料力学性能的影响。
结果表明，在混合料承受外界荷载时，骨架结构成为受力的主体，集料的性能对混合料抗压强度及弹性模量起决定性作用。
沥青混合料的破坏主要是由颗粒间的接触点处的明显的“应力集中”产生的。
在长期使用过程中，混合料内部集料间的接触点将承受较严峻的考验。
集料的破碎面越少，应力值越大；混合料中剪应力分布在很大程度上取决于集料颗粒的形状，尤其是集料尖端相邻处剪应力极大。