瀝青混合料的強度

宋立群

(黑龍江省哈同高等級公路管理處)

為保證瀝青路面結構在設計年限內(nèi)正常工作，必須對其破壞機理進行研究。作為路面結構的一個層次，瀝青混合料的破壞特性應從多層體系受力的角度加以分析。瀝青路面面層處于三向應力狀態(tài)，正應力可以由正(拉應力)變負(壓應力)，各點的應力狀態(tài)不僅隨坐標變動，且隨車輪荷載的運動而變化。

對于黏彈性物體，雷納(Reiner)提出了與材料力學有所不同的破壞分類:(1)超過某一“強度”而引起的破壞;(2)超過某一“變形值”而引起的破壞;(3)超過某一“應力松弛狀態(tài)”而引起的破壞。分析路面的實際損壞狀態(tài)后可以明顯看出瀝青混合料抵制破壞的強度主要有三個方面，即剪切強度、斷裂強度和臨界應變。

1 剪切強度

瀝青混合料的剪切強度是一項重要的強度指標，瀝青路面的推移、擁包、車轍等都是剪切變形的結果，由于摩爾－庫侖公式反映了瀝青混合料的強度與混合料內(nèi)部的黏結力和摩阻力之間的直接聯(lián)系，有利于材料的組成設計。但是，由于瀝青混合料在高溫情況下力學性質的復雜，常使抗剪強度理論的應用處于半理論、半經(jīng)驗的狀態(tài)。

一般根據(jù)瀝青結構層的三向應力狀態(tài)，采用三軸試驗方法，認為材料的剪切強度(τ)的特性符合摩爾－庫侖公式

τ=c+σtanφ

不同試驗方法，取值不同，黏結力(C)與摩阻角φ的數(shù)值也不同，但是數(shù)值的絕對值相差并不多。

同樣的物體，在三軸應力狀態(tài)下，隨σ3的增大，材料由脆性破壞過渡為塑性破壞，呈現(xiàn)出不同的力學特性(見圖1)，存在一個脆性過渡到塑性的破壞臨界值，臨界值的大小與材料的強度有關。

2 斷裂強度

斷裂強度主要用于分析隨氣溫下降時瀝青面層收縮受阻而轉化為收縮應力，當收縮應力超過極限強度時所造成的縮裂問題;也有用于分析車輛緊急制動時，車輪后側路表受三軸應力下的應力－應變曲線的徑向拉應力引起的拉裂問題。

瀝青混合料的斷裂強度，可由直接拉伸或間接拉伸(劈裂)試驗確定。拉伸強度的規(guī)律與彎拉強度相似，但數(shù)值偏小。由于直接拉伸試驗易于偏心，會對數(shù)值較小的拉伸強度產(chǎn)生較大的誤差，因此開發(fā)了間接拉伸試驗。直接拉伸采用長度為直徑或邊長的2.5～3倍的圓形或矩形截面的試件，間接拉伸采用高度只是直徑0.5倍的圓柱體試件，因之成型簡便，且可采用鉆孔取樣方法。間接拉伸試件在切向受拉應力的同時徑向受壓，其受力狀態(tài)較之單向受拉的直接拉伸更接近于實際路面結構。隨著側向性移量測精度的提高，間接拉伸法應用范圍正在擴大。

瀝青混合料的斷裂強度，同樣是溫度和加荷速率的函數(shù)，隨著溫度的下降和加載速率的增大而提高。當溫度繼續(xù)下降時，強度反而略有下降，這是因為拉伸強度與溫度曲線存在一個峰值，其大小與加荷速率有關。

圖1 三軸應力下的應力－應變曲線

對于密級配瀝青混合料，斷裂強度隨集料級配細度的增加而增大，且在某一最佳礦粉/瀝青比時斷裂強度最高。

3 臨界應變

臨界應變和強度一樣是材料組成結構的特征值，并隨溫度和加荷時間而有規(guī)律的變化。彎曲試驗時，瀝青混合料的臨界應變值因溫度不同而在很大范圍內(nèi)變化。

具有重要意義的是，臨界應變不僅在每一溫度與加載條件下有足夠靈敏度的變化，而且對應每一破壞現(xiàn)象都有一個典型的數(shù)值。不論彎曲還是壓縮，在不同荷載速度下，瀝青砂在流動破壞區(qū)的臨界應變，有收斂于(6－10)×10－2左右的趨勢，而在脆性破壞區(qū)臨界應變范圍更窄，約為(1－5)×10－3。

大量疲勞試驗表明，當疲勞壽命為102～107時，應變水平相應為10－3～10－5。滿足一般使用年限要求時，應變水平約為10－4級。當應變水平＜10－5時，大致達到耐久極限應變，即承受行車荷載重復作用而不至于產(chǎn)生疲勞破壞。

觀察表明，瀝青路面中產(chǎn)生的細微裂紋，由于連續(xù)行車的搓揉作用而彌合消失。此外，行車荷載下瀝青混合料存在微小的側向流動，累積形成車轍而不一定產(chǎn)生裂縫，這里存在一個延伸極限，約為10－1。

綜上所述，對應于不同的破壞現(xiàn)象存在一個臨界應變典型的數(shù)值(見表1)。臨界應變的這一特點對于路面結構的評價、開裂現(xiàn)象的分析都有重要的意義。

表1 臨界應變水平