鋪面材料組成及其力學(xué)性質(zhì)

1、第五章 鋪面材料組成及其力學(xué)性質(zhì)引言1、路面材料的類型顆粒材料，粒料，無(wú)黏結(jié)材料 水硬性材料，水泥穩(wěn)定類，石灰 -粉煤灰穩(wěn)定碎礫石，水泥、石灰穩(wěn)定材料，其 他（如鋼渣，工業(yè)廢渣等） 瀝青類材料，瀝青混凝土，瀝青碎石，瀝青穩(wěn)定類材料水泥混凝土2、應(yīng)力-應(yīng)變特性：模量 E,這是主要力學(xué)分析參數(shù)3、強(qiáng)度特性：了解其自身的抗力，了解強(qiáng)度的來(lái)源4、變形特性：變形能力，可恢復(fù)的和不可恢復(fù)的變形，對(duì)平整度的影響5、疲勞特性：與壽命有關(guān)，與荷載作用次數(shù)有關(guān)6、耐久性： 自然因素的影響， 包括水的作用、 水穩(wěn)定性、 抗剝落特性、 抗凍融特性 （溫 度）、自然老化、抗紫外線、顆粒材料的工程性質(zhì)1、強(qiáng)度來(lái)源強(qiáng)度來(lái)源

2、 顆粒類材料由于無(wú)結(jié)合料的黏結(jié)， 所以不是一個(gè)整體， 是一個(gè)結(jié)構(gòu)層， 但 自身是松散的。不能承受拉應(yīng)力的作用，可以受壓或受剪切。黏結(jié)力為零。 內(nèi)磨檫力提供了抗剪切強(qiáng)度，但取決于粒料的紋理、密實(shí)度、顆粒形狀、 級(jí)配等因素顆粒材料的幾種組成狀態(tài) 骨架結(jié)構(gòu)，不含或很少細(xì)料（ <0.074）的狀態(tài)，見圖：強(qiáng)度來(lái)源于接觸部 位的摩擦力，對(duì)集料強(qiáng)度要求高；水穩(wěn)定性好，透水性好，無(wú)凍敏 骨架 -填充結(jié)構(gòu)，見圖：強(qiáng)度來(lái)自于摩擦力，抗剪切強(qiáng)度有所提高；密度 高，透水性差，可能是凍敏的，取決于填充料；不耐沖刷。三渣多屬于這 種結(jié)構(gòu)。懸浮結(jié)構(gòu)， 粗集料懸浮于細(xì)集料之中， 見圖： 強(qiáng)度取決于填充料； 密度高，

3、不透水，水敏，凍敏，不耐沖刷壓碎值、形狀與透水性 壓碎值取決于集料的強(qiáng)度和形狀， 壓碎值不足的危害是很大的， 產(chǎn)生變形 和強(qiáng)度問題即便是基層、 底基層等層次， 雖然整體受力較小， 但局部接觸應(yīng)力可能很 大，仍需要限制壓碎值過(guò)于密實(shí)碎可提高強(qiáng)度， 但可能會(huì)犧牲水穩(wěn)定性、 溫度穩(wěn)定性和抗沖刷能 力，設(shè)計(jì)者應(yīng)設(shè)法平衡強(qiáng)度與穩(wěn)定性之間的關(guān)系形狀可能會(huì)影響壓碎值，所以采用測(cè)試壓碎值的集料的形狀應(yīng)符合要求。 集料生產(chǎn)過(guò)程中的內(nèi)部裂紋會(huì)影響壓碎值級(jí)配要求，應(yīng)滿足一定的級(jí)配要求，可參見有關(guān)手冊(cè)或規(guī)范 測(cè)試與計(jì)算測(cè)試采用三軸試驗(yàn)計(jì)算： 二. tg2、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系更正：P44，倒14行，減小應(yīng)為增大測(cè)定方法：三

4、軸試驗(yàn)注意：該曲線與土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的區(qū)別粒料的模量與其應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)Er = «二",0 為 主 應(yīng) 力 之 和 ，二 一 二2 飛3 一- 2 2, k 為系數(shù)，k1=7.0-15.7 ,。見圖由于曰與0-3有關(guān)，所以模量還可以表示為：Er = f,匸/2荷載-彎沉關(guān)系，隨著荷載（彎沉）的增大，模量在增加設(shè)計(jì)中的考慮粒料模量的取值比較困難，因?yàn)镋=F （應(yīng)力，棱角，紋理，密度），設(shè)計(jì)中無(wú)法考慮這么詳細(xì)Eg 二 K Eo3、變形累計(jì)，P51，圖5-11與土的變形累計(jì)規(guī)律類似當(dāng)工/二3較小時(shí)，；p趨于緩慢穩(wěn)定增加當(dāng)丄二/匚3較大時(shí)，；p急劇增加隨丄二/-3增加，穩(wěn)定的；p增

5、加4、泊松比一般 , 般取 三、穩(wěn)定類材料（石灰土，水泥土，水泥碎石，三渣）1、強(qiáng)度特性強(qiáng)度來(lái)源黏結(jié)力，內(nèi)摩擦力當(dāng)采用黏結(jié)力、內(nèi)摩擦力的概念時(shí)，總與剪切有關(guān)，=C :- t，P52式5-8有誤，lg應(yīng)為tg。實(shí)際上，黏結(jié)力和內(nèi)摩擦力提供了各種強(qiáng)度。 測(cè)試方法三軸壓縮試驗(yàn)，P45圖5-2梁式試件，4點(diǎn)加荷法，三分點(diǎn)加荷試驗(yàn)，P45圖5-2劈裂試驗(yàn)，間接拉伸試驗(yàn)，圖同樣三種組成狀態(tài)。由于是整體性材料，所以同樣應(yīng)注意其水穩(wěn)定性。細(xì)集料 （結(jié)合料）含量越多，越容易沖刷。在滿足填充要求的前提下，應(yīng)盡量減少細(xì)集料的用量。強(qiáng)度不是唯一的標(biāo)準(zhǔn)。級(jí)配一般采用骨架-填充結(jié)構(gòu)2、三軸壓縮狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系a-

6、&關(guān)系與土的類似（P35，圖4-1），見下圖，應(yīng)變隨荷載的增大而迅速增大同樣，為應(yīng)力偏量的函數(shù)在應(yīng)力級(jí)位較小時(shí)，近似直線，E為常數(shù)與粒料的"關(guān)系有很大不同，凹向相反，懸浮結(jié)構(gòu)的粒料可能相似（如果細(xì)料類似土的話），這反映了黏結(jié)型與嵌鎖型的區(qū)別3、梁式彎拉狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系梁式試件是半拉半壓的受力狀態(tài)，性質(zhì)應(yīng)處于拉、壓之間，所得模量略小于三 軸不反映側(cè)限力的影響應(yīng)力-應(yīng)變曲線與上圖類似，但損壞區(qū)域更明顯，速度更快4、影響因素結(jié)合料的劑量和活性齡期集料的類型(土)5、參考值域3水泥土： E= (0.7-7) *10 Mpa,尸3水泥穩(wěn)定碎石：(7-28) *10 Mpa ,尸6

7、、變形特性：累計(jì)永久變形忽略不計(jì)7、疲勞特性概念疲勞是指材料在低于極限荷載的英里作用下發(fā)生破壞，是重復(fù)荷載作用下微裂紋的擴(kuò)展，重復(fù)荷載作用的大小不可太大。疲勞反映了路面的壽命， 反映了小噸位荷載作用下的數(shù)千萬(wàn)次的重復(fù)作用，滴水穿石的效果。疲勞 設(shè)計(jì)是路面設(shè)計(jì)的重要概念，是路面設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)。疲勞壽命：指從開始加載至損壞時(shí)的荷載作用次數(shù)；通常采用梁式試件測(cè) 量，四點(diǎn)加荷法。所施加的應(yīng)力實(shí)際上就是破壞時(shí)的應(yīng)力，成為疲勞強(qiáng)度。疲勞極限：當(dāng)荷載小于一定數(shù)值時(shí)，材料永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生疲勞損壞，這個(gè)數(shù)值曾經(jīng)定義 為10A7,目前已經(jīng)不行。對(duì)鋼材，應(yīng)力比 0.5。加載波形有多種，典型的有三種：低應(yīng)力為零:常用方式

8、，瀝青路面方式低應(yīng)力 零:水泥路面方式低應(yīng)力 零:雙向加載方式，不常用隨著荷載作用次數(shù)的增加，材料的抗力(強(qiáng)度、模量)在不斷降低。疲勞壽命與加荷方式、波形、頻率等因素有關(guān)。荷載級(jí)位越大，疲勞壽命 越短；荷載級(jí)位越小，疲勞壽命越長(zhǎng)。當(dāng)然還與材料自身的特性有關(guān)，與 黏結(jié)料的性質(zhì)有關(guān)，與集料的性質(zhì)也有關(guān)。一般而言，影響彎拉強(qiáng)度的因 素都將影響疲勞特性。疲勞特性一般用應(yīng)力或應(yīng)變與疲勞壽命之間的關(guān)系來(lái)表示，兩者之間在半對(duì)數(shù)或雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上一般呈線性關(guān)系。見圖。疲勞方程的離散性一般很大疲勞方程示例石灰土： 二 0.9320.058lg N(Swan son & Thompson )-f常見表達(dá)方式:

9、-? - lg N，低應(yīng)力為零有高低應(yīng)力比時(shí)的疲勞方程:(- R) lg N，低應(yīng)力 >0RcRNi, Rc :極限曲率半徑,R :曲率半徑，N :作用次數(shù)。(PCA)水泥混凝土：0.972 - 0.0828lg N=1.000 - 0.0685(1 - Rs) lg N( Tepfer)二 f對(duì)荷載的敏感性參數(shù)B反映了材料對(duì)荷載的敏感性,其大小與荷載換算系數(shù)的指數(shù)有關(guān)：B越小，對(duì)荷載的作用越敏感，因?yàn)?n 二丄（0.60.9）理論上，參數(shù) a=1。四、瀝青混合料1、強(qiáng)度來(lái)源與以上相同，即瀝青提供的黏結(jié)力和集料提供的內(nèi)摩擦力常用的瀝青混合料類型瀝青混凝土（ AC ）抗滑磨耗層（AK ）S

10、MAOGFC抗滑磨耗層，多孔瀝青路面（ PAC）2、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系瀝青混合料是一種粘彈塑性材料，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系受溫度、時(shí)間等外界因素和瀝青含量、瀝青性質(zhì)、集料級(jí)配和集料性質(zhì)等自身因素的影響，所以與一般材料不同，對(duì)瀝青混合料的應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系，討論其蠕變特性典型蠕變關(guān)系曲線見圖£p :塑性變形，永久變形，與荷載級(jí)位、加荷時(shí)間以及溫度有關(guān)溫度影響：受溫度影響是瀝青混合料的主要特點(diǎn)之一，高低溫時(shí)應(yīng)變可相差幾十倍高溫時(shí)，主要表現(xiàn)為粘塑性特性，粘性、塑性變形很大，影響車轍大小低溫時(shí)，主要表現(xiàn)為線彈性，影響疲勞和開裂特性（疲勞開裂和低溫開裂） 勁度（模量）定義：Sti ，與時(shí)間、溫度有關(guān)的特征

11、量（條件參數(shù)），時(shí)溫， 乜丿t,T（轉(zhuǎn)換）關(guān)系：P47圖。時(shí)間-溫度的等效轉(zhuǎn)換對(duì)于試驗(yàn)設(shè)計(jì)非常重要。蠕變模量通常采用單軸或三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定。蠕變模量的定義為 E。目前欽t）實(shí)驗(yàn)方法尚未形成標(biāo)準(zhǔn)，常用偏應(yīng)力=0.1-0.2MPA , T=40 C。加載方式包括靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和重復(fù)荷載三種方式。如下圖。靜態(tài)荷載時(shí)，£ （t）為總變形；動(dòng)態(tài)、重復(fù)荷載時(shí)，£ （t）為塑性變形+粘性變形動(dòng)態(tài)模量動(dòng)態(tài)模量的試驗(yàn)過(guò)程與上圖中的（b）類似。-t = ；丁0 sin t；t = ；0 si n t I量定義為動(dòng)態(tài)模量:*E注意：1、試驗(yàn)時(shí)間不可太長(zhǎng)，否則；0不是常數(shù)，而是時(shí)間的函數(shù)，因?yàn)槠?、

12、= （t），反映了材料的流變特性，對(duì)彈性體，相位差為“0”回彈模量回彈模量定義為 Er二一二，測(cè)試方法有三種，見 P49圖。注意：；r與上面蠕變?cè)囼?yàn)中£ （ t）的區(qū)別；前者為彈性變形 +部分粘性變形,后者為塑性變形+部分粘性變形。所以前者用于結(jié)構(gòu)疲勞分析，后者用于車轍分析。勁度預(yù)估SHELL 方法，P503、變形特性變形特性可由動(dòng)態(tài)或重復(fù)荷載作用下的蠕變特性定義，反映材料的粘塑性，迄 今缺少可靠的預(yù)估模型影響變形特性的因素溫度、應(yīng)力和作用時(shí)間（加載頻率） 瀝青的含量、質(zhì)量集料特性，包括棱角、破裂面比例，集料表面紋理、級(jí)配等 壓實(shí)度、壓實(shí)方法4、泊松比與瀝青含量、溫度和集料特性有關(guān)，

13、一般取。P50。實(shí)際上，大部分混合料的泊松比大于0.50。5、強(qiáng)度特性抗彎拉強(qiáng)度，抗剪切強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度影響因素瀝青的性質(zhì)與含量，集料的性質(zhì)與級(jí)配，溫度和加荷速率抗剪切強(qiáng)度（P53,圖5-14、5-15）抗拉強(qiáng)度（P54，圖5-19）6、疲勞特性試驗(yàn)方法，梁式、劈裂和懸臂式加載方法應(yīng)力控制，試驗(yàn)過(guò)程中保持所加的荷載不變，應(yīng)變不斷增大，P58,圖5-23應(yīng)變控制，試驗(yàn)過(guò)程中保持所加的應(yīng)變不變，應(yīng)力不斷減??；破壞不明顯，一般定義為模量衰變 50%時(shí)為破壞點(diǎn)；P58，圖5-23目前已經(jīng)逐步趨向于采用應(yīng)變控制疲勞方程雙對(duì)數(shù)直線方程目前一般采用應(yīng)變表示法。影響因素Monismith 方程影響混合料疲勞特性的因素很多，要全部考慮是困難，只能選擇主要的、綜合性強(qiáng) 的因素加以考慮。Monismith給出了比較有代表性的方程：五、水泥混凝土疲勞特性-maxk-0.07241-R IgNflg