沥青混凝土高温性能指标概述李清霞姚辉宁（山东公路建设集团济南 250012）摘要：通过对沥青混合料高温性能指标研究过程的回顾，先后介绍了从实际出发模拟车辙变形的试验，通过对路面结构应力的分析，获取混合料的抗剪切性能的试验，以及从设计模量本身出发，研究混合料模量与混合料性能的试验。
关键词：高温性能车辙剪切模量1、背景自从道路工程师使用沥青混凝土铺筑路面后，就在寻求评价沥青混合料高温性能的简单方法。
历史上最广泛使用的马歇尔法，采用成型的圆柱体试件在60℃温度下抵抗荷载的能力评价混合料稳定性，但是其击实的成型方法并不能的模拟路面碾压成型过程，评价指标马歇尔稳定度也有很高的变异性，与路用性能并不存在好的相关性。
从上世纪70年代到80年代，一种新型混合料路用性能高温指标评价方法出现，即车轮在成型的板状沥青混合料上行驶，观察其沥青混合料的变形情况，这一时期，出现了很多该原理下的轮式试验测试设备，如轮辙仪，法国车辙仪(French Laboratory Rutting Tester)、诺丁汉车辙仪（Nottingham tester）、汉堡车辙仪（Hamburg Wheel Rut Tester）、沥青路面分析仪（APA）等。
图1法国车辙仪图2汉堡车辙仪这些试验设备可以对试件所处环境进行模拟，如温度、湿度等，具有一定的实际意义，但是得到的轮辙变形结果如轮辙深度、相对变形量、动稳定度等只是一种经验指标，并且试验结果受到很多限制，如车轮形状、试件形状、试件与试模的边际效应等。
因此必须从力学原理上研究车辙的产生机理，并使用相应的技术手段提高混合料的抗车辙能力。
2、力学分析根据NCHRP A-318报告及其他大量研究认为，剪切变形是引起沥青混凝土路面车辙的主要因素。
由于车轮荷载的剪应力超过沥青混合料的抗剪切强度，致使沥青混凝土出现了剪切变形，剪切变形不断累积，生成了两侧隆起中间凹陷的路面车辙现象。
为研究路面结构内部受力情况，采用壳牌（shell）公司的bisar3.0进行分析计算，计算采用双圆垂直荷载体系下标准轴载BZZ-100作为设计应力，按一般高速公路设计选取结构层组合以及各层层厚及设计模量。
表1普通路面结构数据表层位厚度（cm）模量(MPa) 泊松比上面层 4 1400 0.25中面层 6 1400 0.25下面层8 1500 0.25基层30 600 0.25路基50 0.35计算双圆荷载中心的路面表面下剪切应力分布，距离x为各点到双圆荷载轮隙中心横向距离，计算结果如表2。
表2 剪切应力分布表0.26625 0.232 0.2157 0.1997 0.1851 0.1744 0.1577 0.1383 0.1149 0.08459 0.213 0.03679 0.08905 0.1175 0.1267 0.1268 0.118 0.105 0.08837 0.06643 0.1598 0.0065 0.01303 0.01826 0.02289 0.02661 0.0299 0.0319 0.03262 0.03224 0.1065 0.0231 0.06183 0.0799 0.07807 0.0667 0.05056 0.03407 0.01749 0.01216 0.0533 0.2158 0.1788 0.1433 0.1142 0.09276 0.0698 0.0498 0.03116 0.01054 0.03 0.07633 0.1065 0.09571 0.07722 0.06261 0.0469 0.0335 0.02121 0.00773、高温性能与抗剪能力由图3可以看出，在沥青路面结构层中，中上面层受到比较的剪切应力，可以从混合料抗剪切性能方面研究其高温性能。
3.1简单剪切试验SHRP 开发了一个简单剪切试验（SPT ）设备直接测量沥青混凝土的剪切特性，该设备是一套 液压伺服闭环试验系统，包括加载系统、试验控制系统、数值采集系统、环境控制箱和液压系统。
试验过程是将圆柱体试件胶结在两块钢板之间，在试件的顶面和底面施加剪力，并且在试件上施加一个轴向力以保持试件的高度不变，这样就保证在整个试验过程中，试件的体积不变，试件的应力状态接近于纯剪切状态。
目前，简单剪切试验的结果显示出了较大的变异性，由于公称最大粒径的原因，使得圆柱体的直径与高度受到了影响。
因此需要改善圆柱体的尺寸或形状，有文献建议长高比不得小于3，并推荐使用长方体试件。
3.2单轴和三轴试验将沥青混合料视为颗粒材料，采用摩尔-库仑强度理论分析沥青混合料的强度特性，通过单轴或三轴试验获得试验数据,采用公式（1）和公式（2）计算得到抗剪能力指标如ϕ值。
ϕστtan a c += （1）⎪⎩⎪⎨⎧--+=-=]sin )()[(21cos )(21312121ϕσσσσσϕσστ （2） τ——剪应力a σ——正应力321σσσ、、——单位立方体三个方向的主应力 c ——粘聚力 ϕ——内摩阻角一般认为单轴试验的温度条件和荷载水平与实际的路面温度和荷载水平相似，单轴试验是将圆柱体试件放在钢板与压头之间，通过压头施加荷载，获得试验数据，孙立军通过对道路实际荷载的分布研究及单轴试验的分析，给出了单轴贯入下的抗剪方程推导公式和抗剪基本参数⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-+--=)cos sin 1(2)arcsin(3131ϕϕσσσσσσσϕu ug g u g g c （3） 1g σ、3g σ——单轴贯入试验的第一和第三主应力u σ——无侧限抗压试验的抗压强度表3 单轴试验参数表如试件的抗压强度为0.5MPa ，试件的贯入强度为1.5MPa 。
则MPa c o1124.0)6.41cos()6.41sin(1[25.06.415.01308.01475.15.01308.01475.1arcsinMPa 5085.0339.05.1MPa1308.00872.05.1MPa 1475.1765.05.10m ax 21=-==-+--==⨯==⨯==⨯=ϕτσσ根据摩尔-库仑原理，得到的混合料内摩擦角越大，则混合料抵抗剪切破坏的能力越强。
但是剪切应力仍然只是材料参数，虽然能够寻找材料的性能与高温性能的关系，仍无法与道路结构设计联系起来。
3、 动态模量与高温性能在所有基于力学方法的沥青路面设计中，沥青混合料的模量是最重要的参数之一，也是连接材料性能与路面结构性能的桥梁，我国的《公路沥青路面设计规范》选取的是20℃静态抗压回弹模量。
仍以表1的路面结构厚度，变化各层模量进行计算，得到不同模量下的剪切应力值。
由表4中可以看出，当模量增大时，对剪切应力有一定的影响，而高模量的沥青混凝土显然具表4 模量变化表层位 模量(MPa)1 模量(MPa)2模量(MPa)3 上面层 1400 1400 1400 中面层 1400 2000 2500 下面层 1500 2000 2500 基层600600600路基 50 50 50表4 不同模量下的剪切应力计算模量值1 0.0231 0.06183 0.0799 0.07807 0.0667 0.05056 0.03407 0.01749 0.001216 模量值2 0.0186 0.05646 0.07959 0.08024 0.06863 0.05267 0.03583 0.01808 0.0034 模量值30.015650.052060.078130.080840.070240.05460.037560.018890.0049有更高的剪切模量，在剪切应力变化不大的情况下，其剪应变更小，从而有更好的抗剪切能力，因此可以从模量角度来考虑沥青混合料的高温性能。
路面结构实际上受到车辆、气候、人文等因素的不断变化作用，它的实际工作状态无论是力学模型、材料的性质都与现行的静态力学体系有较大差距。
由于沥青混合料材料的粘弹塑性性质，对时间的影响因素十分敏感，因此必须研究动态荷载作用下的路面结构的动力特性和动力参数，使得整个沥青路面结构设计体系由静态力学体系向动态力学体系发展。
据此美国的AASHTO2002沥青路面设计指南及NCHRP1-A 均将动态模量作为基本的设计参数。
动态模量是沥青混合料的基本特征之一，沥青混合料（HMA ）是一种线性的粘弹性材料，在连续的正弦荷载作用下，应力-应变关系可以用复合模量表达，i E E E '''*+= 式中'E 、''E 分别是弹性模量和粘性模量0''00'/)sin(/)cos(εφσεφσ==E E （4）0σ——最大压应力 0ε——最大可恢复轴向应变 φ——相位角动态模量*E 是复合模量E*的绝对值，2200)'()'(*E E E +==εσ （5）2002年，美国马里兰大学Witczak 教授利用西部环道试验（westrack ）、美国联邦公路局(FHWA)的加速加载试验（ALF ）等试验路的沥青混合料成型试件，在不同频率和温度下进行无约束加载动态模量试验，结果表明，沥青路面的永久变形与无约束的φsin /*E 有很高的相关性。
2003年Zhou 及Scullion 对动态模量作为路用性能预测因子作了进一步的野外试验验证，利用SHRP SPS-1试验路评判混合料的抗车辙能力，也得到了较好的相关性，如动态模量增加，车辙减小；动态模量*E 与φsin /*E 高度相关。
由于动态模量测试试验手段昂贵复杂，因此研究者将动态模量与材料属性相结合，得到一些相关关系式。
Witczak 将美国沥青学会（AI ）提供的200多组混合料设计材料进行评估，得到2800多个动态模量数据，建立了HMA 动态模量*E 预估公式)log 393532.0log 313351.06031313.0(1925.95.9075.075.42075.0075.01005470.0)(000017.0003958.00021.0871977.30802208.0058097.0002841.0)(001767.002932.0249937.1log η⨯-⨯--++-+-++----+-=*f ba baeP P P P VVV V VV P P P E （6）式中η——沥青粘度 f ——加载频率ba V ——有效沥青用量VV ——空隙率19P 5.9P 75.4P 075.0P 为各自筛孔的通过率2005年christensen 等人得到另一种预测模型1]3VFA VMA 42000100/VMA 1)[Pc 1(]]1000VMAVFA [3)100/1(4200000[P -*+--+⨯*+-=*沥青沥青G G VMA E c mix (7)其中0.678678.0]VMA*G [396]*G VFA 3[P 沥青沥青⨯+⨯+=VFA VMAc (8)VMA ——矿料间隙率 VFA ——沥青饱和度 *G ——沥青复合剪切模量研究发现，19mm 及以上尺寸可以提供较高的动态模量，间断级配或较低的4.75通过率的沥青混合料，同样可以产生较高的动态模量。