第八章路面材料的力学性质 (三)本次研究主要成果 参加此专题研究的有七个省、四院校,共计十一个单位,重点对十种半刚性材料和沥青 混合料进行了测试和研究工作,根据这些资料汇总取得下列成果 1、半刚性材料龄期与强度模量、龄期的增长规律 将全国资料汇总分析,总结了石灰土、二灰土、二灰碎石,水泥粉煤灰碎石、水泥碎石、 水泥砂砾、水泥石粉煤灰砂砾、石灰水泥碎石等几种半刚性材料的抗压强度R、抗压模量E、 劈裂强度σ、劈裂模量E随龄期(日)d而增长的规律,它们之间具有良好的直线型或幂函数 关系,以幂函数的相关性更好。 表6-1、6-2汇总了半刚性材料σ~d、E~d的相关关系。 表6-3、6-4表示了水泥碎石、二灰碎石的E~d、R~d、E~d、σ~d的增长规律。由表 可知,水泥碎石的力学参数在28天时,平均可达到180天的54%,90天平均可达到80% 灰碎石的力学参数在28天仅平均达到38%,90天平均达到64%,由此可见原规范对水泥碎石 采用90天的龄期,二灰碎石力学参数初期增长缓慢,为充分发挥材料的潜力,采用180天龄 期是合理的 水泥碎石90天龄期的抗压强度E、R可达到180天的E、R的80%和88%,而劈裂参数E、 σ却为78%和72%,二灰碎石90天龄期的抗压参数E、R可达到180天的70%,而劈裂参数E、 d仅达到56%和59%。所以,劈裂参数比值多数较抗压参数比值低。 表6-1-1半刚性基层材料劈裂强度σ~d增长规律 表6-1-2半刚性基层材料劈裂强度σ~d增长规律 表6-2-1半刚性基层材料抗压模量E~d增长规律 表6-2-2半刚性基层材料抗压模量E~d增长规律 表6-3水泥碎石 表6-4二灰碎石 2、半刚性材料参数汇总及变异性分析 表6-5汇总了全国十个单位测试的各种半刚性材料设计参数——抗压强度R、抗压模量E、 劈裂强度δ。 将表6-5的各种半刚性材料按力学指标—R,E,0,E并按大小进行排列,分别计算 其平均值,均方差,按98%的保证率计算代表值,并将排列序号相加得到合计分,分数最少 的为第一名,分数最多则在排序为最后。表6-6为力学指标排序表。 由表可知,抗压强度与模量之间的对应关系没有劈裂强度与劈裂模量之间对应关系好,这与 回归公式反映在相关性方面是一致的。若从四个力学参数指标综合评分结果来看,仍能将十 种半刚性材料进行粗略的排队。限于本次试验的结果分析:①二类砂砾、二灰碎石、水泥粉 煤灰碎石是最好的基层材料:②其次是石灰水泥粉煤灰碎石、水泥稳定碎石、砂砾等综合稳 定类;③这次试验中石灰水泥碎石因水泥剂量仅3%,石灰5%,实际上属于石灰稳定类,故强 度、模量稍低;④这次试验的二灰土和水泥灰土砂的力学参数均较高,这说明这类材料只要 拌和均匀,是可以获得良好的强度和刚度,作为底基层用是一种好材料:有的省在缺乏砂石 料地区将水泥灰土砂用作二级公路的基层,路面的弯沉值也较小,但裂缝发展较快,应进一 步观察,总结经验:⑤石灰土仍是各种半刚性材料中力学性能最差的一种材料,因此,随着 当前交通量不断增加、车型不断增量的形势下,石灰土不宜作为高等级公路的基层用。 表6-6半刚性材料按力学特性排列名次
第八章 路面材料的力学性质 (三) 本次研究主要成果 参加此专题研究的有七个省、四院校，共计十一个单位，重点对十种半刚性材料和沥青 混合料进行了测试和研究工作，根据这些资料汇总取得下列成果。 1、半刚性材料龄期与强度模量、龄期的增长规律 将全国资料汇总分析，总结了石灰土、二灰土、二灰碎石，水泥粉煤灰碎石、水泥碎石、 水泥砂砾、水泥石粉煤灰砂砾、石灰水泥碎石等几种半刚性材料的抗压强度 R、抗压模量 E、 劈裂强度σ、劈裂模量 E 随龄期(日)d 而增长的规律，它们之间具有良好的直线型或幂函数 关系，以幂函数的相关性更好。 表 6-1、6-2 汇总了半刚性材料σ～d、E～d 的相关关系。 表 6-3、6-4 表示了水泥碎石、二灰碎石的 E～d、R～d、E～d、σ～d 的增长规律。由表 可知，水泥碎石的力学参数在 28 天时，平均可达到 180 天的 54%，90 天平均可达到 80%；二 灰碎石的力学参数在 28 天仅平均达到 38%，90 天平均达到 64%，由此可见原规范对水泥碎石 采用 90 天的龄期，二灰碎石力学参数初期增长缓慢，为充分发挥材料的潜力，采用 180 天龄 期是合理的。 水泥碎石 90 天龄期的抗压强度 E、R 可达到 180 天的 E、R 的 80%和 88%，而劈裂参数 E、 σ却为 78%和 72%，二灰碎石 90 天龄期的抗压参数 E、R 可达到 180 天的 70%，而劈裂参数 E、 σ仅达到 56%和 59%。所以，劈裂参数比值多数较抗压参数比值低。 表 6-1-1 半刚性基层材料劈裂强度σ～d 增长规律 表 6-1-2 半刚性基层材料劈裂强度σ～d 增长规律 表 6-2-1 半刚性基层材料抗压模量 E～d 增长规律 表 6-2-2 半刚性基层材料抗压模量 E～d 增长规律 表 6-3 水泥碎石 表 6-4 二灰碎石 2、半刚性材料参数汇总及变异性分析 表6-5汇总了全国十个单位测试的各种半刚性材料设计参数——抗压强度R、抗压模量E、 劈裂强度δ。 将表 6-5 的各种半刚性材料按力学指标——R，E，σ，E 并按大小进行排列，分别计算 其平均值，均方差，按 98%的保证率计算代表值，并将排列序号相加得到合计分，分数最少 的为第一名，分数最多则在排序为最后。表 6-6 为力学指标排序表。 由表可知，抗压强度与模量之间的对应关系没有劈裂强度与劈裂模量之间对应关系好，这与 回归公式反映在相关性方面是一致的。若从四个力学参数指标综合评分结果来看，仍能将十 种半刚性材料进行粗略的排队。限于本次试验的结果分析：①二类砂砾、二灰碎石、水泥粉 煤灰碎石是最好的基层材料；②其次是石灰水泥粉煤灰碎石、水泥稳定碎石、砂砾等综合稳 定类；③这次试验中石灰水泥碎石因水泥剂量仅 3%，石灰 5%，实际上属于石灰稳定类，故强 度、模量稍低；④这次试验的二灰土和水泥灰土砂的力学参数均较高，这说明这类材料只要 拌和均匀，是可以获得良好的强度和刚度，作为底基层用是一种好材料；有的省在缺乏砂石 料地区将水泥灰土砂用作二级公路的基层，路面的弯沉值也较小，但裂缝发展较快，应进一 步观察，总结经验；⑤石灰土仍是各种半刚性材料中力学性能最差的一种材料，因此，随着 当前交通量不断增加、车型不断增量的形势下，石灰土不宜作为高等级公路的基层用。 表 6-6 半刚性材料按力学特性排列名次
表6-7汇总了十种材料参数的变异系数 由表可知,各种半刚性材料的变异系数变化范围均在5-55%左右,多数为5-30%。这样大 的变异性是与材料类型、各地原材料的质量差异、配合比差异有关,与制件和测试的操作和 养生设备等人为因素有关,因此,设计时应根据各地区的材料、实测材料设计参数,考虑施 的实际情况确定采用的设计参数值 表6-7半刚性基层材料参数变异系数C(%) 3、材料模量与强度关系 根据测试结果,按抗压模量与抗压强度的均值,劈裂模量与劈裂强度的均值进行回归分 析得到如下相关关系 基按抗压模量与抗压强度的代表值,劈裂模量与劈裂强度的代表值进行回归,可得 (6-2-1)、(6-2-2)相关关系: 由数理统计可知,对于样本容量n=10的回归,若要求95%可靠性,则最小相关系数为 0.632:若要求90%可靠性,则相关系数最小应达到0.549。因此,除(6-2-1)式外,其他公式 均可利用作为模量值的估算。 4、抗压、劈裂、弯拉参数之间对比关系 (1)标准条件下设计龄期各种力学参数对比关系,无论是用均值,还是代表值,同类材 料的R/σ,E/E比值,其变异性均较大,且模量比值的变异性大于强度比值。各半刚性材料 R/σ,E/E,其变化范围强度比一般为5-11,模量比1.2-6。详见分报告五。 半刚性材料抗压参数与劈裂参数均值比: 半刚性材料抗压参数与劈裂参数代表值比 (2)十种半刚性材料抗压参数与劈裂参数之间相关关系 以上四个公式中,除抗压模量均值与劈裂模量均值间建立的回归公式(6-3-2)其相关性较 差外,其他三个统计公式均成立。 (3)弯拉参数与劈裂参数的比值 石灰土 二灰碎石 石灰土稳定碎石 水泥碎石 5、现场制件与室内标准制件对比 在标准养生条件下,规定龄期时现场制件与室内制件的设计参数对比,从本次测定结果 来看,尚未得出明确的规律,分散性较大。对同一种材料而言,抗压强度的变异性较小。石 灰土的对比情况与其他材料不同,广西、湖北、吉林三省的资料表明,现场制件测定值大于 室内制件测定值,而同济大学在苏州试验路上测得的结果是现场制件测定值小于室内制件测 定值。 表6-8为现场制件与室内标准制件的设计参数统计表,仅供推荐材料设计参数时参考。 表6-8现场制件与室内标准制件参数的关系统计表 6、半刚性基层材料设计参数的时-温换算关系 半刚性基层材料的强度和模量在某种温度范围内随着龄期增加而增长在工程实践中采用 个标准龄期作为确定材料设计参数的标准:即室内养生温度20℃±2℃,相对湿度大于90% 条件下,水泥稳定类以三个月龄期(90d),灰土和二灰稳定类以六个月龄期(180d为标准。由
表 6-7 汇总了十种材料参数的变异系数。 由表可知，各种半刚性材料的变异系数变化范围均在 5-55%左右，多数为 5-30%。这样大 的变异性是与材料类型、各地原材料的质量差异、配合比差异有关，与制件和测试的操作和 养生设备等人为因素有关，因此，设计时应根据各地区的材料、实测材料设计参数，考虑施 工的实际情况确定采用的设计参数值。 表 6-7 半刚性基层材料参数变异系数 C(%) 3、材料模量与强度关系 根据测试结果，按抗压模量与抗压强度的均值，劈裂模量与劈裂强度的均值进行回归分 析得到如下相关关系： 基按抗压模量与抗压强度的代表值，劈裂模量与劈裂强度的代表值进行回归，可得 (6-2-1)、(6-2-2)相关关系： 由数理统计可知，对于样本容量 n=10 的回归，若要求 95%可靠性，则最小相关系数为 0.632；若要求 90%可靠性，则相关系数最小应达到 0.549。因此，除(6-2-1)式外，其他公式 均可利用作为模量值的估算。 4、抗压、劈裂、弯拉参数之间对比关系 (1) 标准条件下设计龄期各种力学参数对比关系，无论是用均值，还是代表值，同类材 料的 R/σ，E/E 比值，其变异性均较大，且模量比值的变异性大于强度比值。各半刚性材料 R/σ，E/E，其变化范围强度比一般为 5-11，模量比 1.2-6。详见分报告五。 半刚性材料抗压参数与劈裂参数均值比： 半刚性材料抗压参数与劈裂参数代表值比 (2) 十种半刚性材料抗压参数与劈裂参数之间相关关系： 以上四个公式中，除抗压模量均值与劈裂模量均值间建立的回归公式(6-3-2)其相关性较 差外，其他三个统计公式均成立。 (3) 弯拉参数与劈裂参数的比值 石灰土 二灰碎石 石灰土稳定碎石 水泥碎石 5、现场制件与室内标准制件对比 在标准养生条件下，规定龄期时现场制件与室内制件的设计参数对比，从本次测定结果 来看，尚未得出明确的规律，分散性较大。对同一种材料而言，抗压强度的变异性较小。石 灰土的对比情况与其他材料不同，广西、湖北、吉林三省的资料表明，现场制件测定值大于 室内制件测定值，而同济大学在苏州试验路上测得的结果是现场制件测定值小于室内制件测 定值。 表 6-8 为现场制件与室内标准制件的设计参数统计表，仅供推荐材料设计参数时参考。 表 6-8 现场制件与室内标准制件参数的关系统计表 6、半刚性基层材料设计参数的时-温换算关系 半刚性基层材料的强度和模量在某种温度范围内随着龄期增加而增长在工程实践中采用 一个标准龄期作为确定材料设计参数的标准：即室内养生温度 20℃±2℃，相对湿度大于 90% 条件下，水泥稳定类以三个月龄期(90d)，灰土和二灰稳定类以六个月龄期(180d)为标准。由
于龄期长,给工程设计和施工技师检验带来不便,因此,采用快速养生法预测半刚性基层材 料的强度和模量参数值是十分必要的。 经研究表明,养生龄期天数d与养生温度T存在式(6-6)所示的关系(a为试验系数,即 材料系数): 即能在较短的时间内以较高的温度获得相当于标准养生温度20℃±2℃下较长龄期(设 计标准龄期)的结果。为了在较短的时间内获得标准养生条件下规定设计龄期强度,则养生温 度越高越能节省时间。但从国外资料表明,高于60℃后规律性较差,所以选用60℃作为快速 养生的标准温度。 为了建立半刚性基层材料的时-温换算关系,同济大学道路与交通工程研究所对二灰碎 石、水泥碎石两种典型半刚性基层材料在五种养生温度(15、20、40、50、60℃)下和不同养 龄期时的抗压强度和模量以及劈裂强度和模量进行了测试研究。现将其最后成果汇总于下。 (1)二灰碎石 1)抗压参数时-温换算关系 对于二灰碎石抗压强度和模量得到如下时-温换算关系: 这就表明,在60℃的养生温度条件下养生一天,相当于标准养生温度20℃下养生20天 即在60℃的养生温度条件养生9d测得的抗压强度和模量值,就相当于标准养生条件(温度20 ℃、龄期180d下的设计参数 2)劈裂参数的时-温换算关系 对于二灰碎石劈裂强度和模量得到如下时-温换算关系 式(6-8)表明,在60℃的养生温度条件下养生6d测得的劈裂强度和模量,就相当于标准 养生条件(温度20℃,龄期180d)下的设计参数 (2)水泥碎石 对于水泥碎石在不同养生温度下和不同龄期时的抗压强度和模量、劈裂强度和模量的研 究表明,它们存在一个通用的时-温换算表达式 式(6-9)表明,60℃的养生温度条件下,养生11.25(11天6小时)所测得的水泥碎石的 抗压强度和模量、劈裂强度和模量即可作为龄期90d水泥碎石的设计参数值。 (3)进一步验证 表6-9半刚性基层材料设计参数的时-温换算关系汇总表 为了验证同济大学的上述成果,山西省交通科研所、广西交通设计院和交通科研所对二 灰碎石和水泥碎石也进行了快速养生与标准养生对比试验硏究。根据其测试数据,我们按同 样的数据整理方法进行整理分析,其结果与同济大学建立的d/d值对比分析见表6-9。由表 6-9可知,12组数据有4给数据误差达40%以外,其余8组数据的误差均小于15%,只要在快 速养生过程中严格按试验规程进行,则按快速养生法测试的试验数据,是可以用于预测设计 参数值。因此,快速养生方法对加快设计配合比周期,对施工质量控制和质量检验具有重要 意义,是一项具有较大实用性的技术。快速养生法可在生产中进一步推广应用 7、沥青混合料材料设计参数与温度的关系 由于弯沉设计指标是以20℃为标准温度,层底拉应力验算是以15℃为设计温度,因此 沥青混合料的抗压参数以20℃为标准温度,劈裂参数以15℃为标准温度,分别建立材料设计 参数与温度的相关关系,表6-10-1为沥青混合料抗太强度和抗压模量与温度T间的关系式汇 总表,表6-10-2为沥青混合料劈裂强度、劈裂模量与温度T的关系式汇总
于龄期长，给工程设计和施工技师检验带来不便，因此，采用快速养生法预测半刚性基层材 料的强度和模量参数值是十分必要的。 经研究表明，养生龄期天数 d 与养生温度 T 存在式(6-6)所示的关系(a 为试验系数，即 材料系数)： 即能在较短的时间内以较高的温度获得相当于标准养生温度 20℃±2℃下较长龄期(设 计标准龄期)的结果。为了在较短的时间内获得标准养生条件下规定设计龄期强度，则养生温 度越高越能节省时间。但从国外资料表明，高于 60℃后规律性较差，所以选用 60℃作为快速 养生的标准温度。 为了建立半刚性基层材料的时-温换算关系，同济大学道路与交通工程研究所对二灰碎 石、水泥碎石两种典型半刚性基层材料在五种养生温度(15、20、40、50、60℃)下和不同养 生龄期时的抗压强度和模量以及劈裂强度和模量进行了测试研究。现将其最后成果汇总于下。 (1) 二灰碎石 1) 抗压参数时-温换算关系 对于二灰碎石抗压强度和模量得到如下时-温换算关系： 这就表明，在 60℃的养生温度条件下养生一天，相当于标准养生温度 20℃下养生 20 天。 即在 60℃的养生温度条件养生 9d 测得的抗压强度和模量值，就相当于标准养生条件(温度 20 ℃、龄期 180d)下的设计参数。 2) 劈裂参数的时-温换算关系 对于二灰碎石劈裂强度和模量得到如下时-温换算关系： 式(6-8)表明，在 60℃的养生温度条件下养生 6d 测得的劈裂强度和模量，就相当于标准 养生条件 (温度 20℃，龄期 180d)下的设计参数。 (2) 水泥碎石 对于水泥碎石在不同养生温度下和不同龄期时的抗压强度和模量、劈裂强度和模量的研 究表明，它们存在一个通用的时-温换算表达式： 式(6-9)表明，60℃的养生温度条件下，养生 11.25d(11 天 6 小时)所测得的水泥碎石的 抗压强度和模量、劈裂强度和模量即可作为龄期 90d 水泥碎石的设计参数值。 (3) 进一步验证 表 6-9 半刚性基层材料设计参数的时-温换算关系汇总表 为了验证同济大学的上述成果，山西省交通科研所、广西交通设计院和交通科研所对二 灰碎石和水泥碎石也进行了快速养生与标准养生对比试验研究。根据其测试数据，我们按同 样的数据整理方法进行整理分析，其结果与同济大学建立的 d/d 值对比分析见表 6-9。由表 6-9 可知，12 组数据有 4 给数据误差达 40%以外，其余 8 组数据的误差均小于 15%，只要在快 速养生过程中严格按试验规程进行，则按快速养生法测试的试验数据，是可以用于预测设计 参数值。因此，快速养生方法对加快设计配合比周期，对施工质量控制和质量检验具有重要 意义，是一项具有较大实用性的技术。快速养生法可在生产中进一步推广应用。 7、沥青混合料材料设计参数与温度的关系 由于弯沉设计指标是以 20℃为标准温度，层底拉应力验算是以 15℃为设计温度，因此， 沥青混合料的抗压参数以 20℃为标准温度，劈裂参数以 15℃为标准温度，分别建立材料设计 参数与温度的相关关系，表 6-10-1 为沥青混合料抗太强度和抗压模量与温度 T 间的关系式汇 总表，表 6-10-2 为沥青混合料劈裂强度、劈裂模量与温度 T 的关系式汇总
根据山西省交科所的研究表明:对同一级配类型的沥青混凝土,抗压参数、劈裂参数与 标准温度之比值同温度T的关系式与沥青标号无关;表6-10中表明,中粒工沥青砼的密级配 与开级配的相关公式很接近;同济大学与公规院的成果也表明,级配类型对设计参数与温度 的影响不大。因此,将表6-10的资料汇总,综合得到如下表达式 根据上述公式,只要测得20℃或15℃以下的抗太参数或劈裂参数,就可推算-10℃~+30 ℃范围内的相应设计参数 表6-10-1沥青混合料抗压强度R和模量E与温度T的关系式汇总 表6-10-2沥青混合料劈裂强度σ和模量E与温度T的关系式汇总 、沥青混合料劈裂参数与加荷速度关系 同济大学对单家寺沥青AH-70,采用中粒式沥青混凝土(LH-201)进行了温度(T)为0、7.5、 15、25℃时,加荷速度(Ⅵ)为2、6、20、50m/min的劈裂强度、劈裂模量的测试,经整理分 析得到如下关系: ①以代表值回归结果 ②在标准温度为15℃时,可简化为: ③当沥青标号小于100的沥青混凝土: ④当沥青标号大于100的沥青混凝土: 9、沥青混合料抗压、劈裂、弯拉设计参数的关系 根据《路面材料抗弯拉设计参数简化测定方法》研究,曾对中粒式沥青混凝土CH-20I 和粗粒式沥青混凝土CH-30II在15℃条件下的抗压强度、模量,劈裂强度、模量以及弯拉强 度,模量之间进行对比测试分析结果汇总于表6-11。 表6-11各设计参数对比 在公路路面中,首先应考虑材料抵抗车辆荷载压碎的抗压强度。通常,材料的抗压强度越髙, 荷载支承能力也越高。另一方面,高强度材料的修建成本总量较髙。此外,还应硏究材料在 荷载作用下的变形特性,即应力-应变性质问题。普通的建筑材料,其应力-应变关系分为三 个阶段。在加载的最初阶段,材料的变形是与施加荷载的强度成比例的。在这一阶段应力 应变函数是线弹性的。在第二阶段,应变增加较应力快,材料处于平衡的塑性状态。第三阶 段,材料发生破坏之前,应力增加速率快于应变 公路路面必须维持较长的使用寿命,并在经受荷载的反复作用后仍保持表面的平整。因 此,线性应力状态是设计中最关心的问题。表示材料线性应力应变状态的参数,称为弹性模 量。在地面有沉降的地方,较高的弹性模量会引起路面较大的挠度和附加应力。因此,路面 材料的弹性模量并非越高越好,它应该与其设计的地基的物理性质相适应 公路路面试验结果表明,在活动荷载作用下,路面经常处于拉应力之下。为些,对路面 结构的面层应具有足够的抗弯拉强度,以克服轮载、温度及沉降作用引起的弯拉应力 所有的材料在受拉或高温下伸长,在受压或较低温度下收缩,路面材料必须能承受这种 往处处地伸缩作用。材料的这种延展性常用拉应力下的拉伸百分率表示。在道路建筑中,为 改善材料的延展性,可通过增加细料的含量或降低其弹性模量值。但较低的弹性模量又不能 提供较髙的荷载支承能力,所以,设计时应在材料的延展性与适当的弹性模量之间取得平衡。 公路路面必须在其预计的使命寿命期间经受设计荷载的重复作用。材料抵抗重复荷载作 用的能力叫作疲劳强度。影响路面使用寿命的主要因素有:工作应力的大小:应力波动范围
根据山西省交科所的研究表明：对同一级配类型的沥青混凝土，抗压参数、劈裂参数与 标准温度之比值同温度 T 的关系式与沥青标号无关；表 6-10 中表明，中粒工沥青砼的密级配 与开级配的相关公式很接近；同济大学与公规院的成果也表明，级配类型对设计参数与温度 的影响不大。因此，将表 6-10 的资料汇总，综合得到如下表达式 根据上述公式，只要测得 20℃或 15℃以下的抗太参数或劈裂参数，就可推算-10℃～+30 ℃范围内的相应设计参数。 表 6-10-1 沥青混合料抗压强度 R 和模量 E 与温度 T 的关系式汇总 表 6-10-2 沥青混合料劈裂强度σ和模量 E 与温度 T 的关系式汇总 8、沥青混合料劈裂参数与加荷速度关系 同济大学对单家寺沥青 AH-70，采用中粒式沥青混凝土(LH-20I)进行了温度(T)为 0、7.5、 15、25℃时，加荷速度(V)为 2、6、20、50mm/min 的劈裂强度、劈裂模量的测试，经整理分 析得到如下关系： ①以代表值回归结果 ②在标准温度为 15℃时，可简化为： ③当沥青标号小于 100 的沥青混凝土： ④当沥青标号大于 100 的沥青混凝土： 9、沥青混合料抗压、劈裂、弯拉设计参数的关系 根据《路面材料抗弯拉设计参数简化测定方法》研究，曾对中粒式沥青混凝土 CH-20I 和粗粒式沥青混凝土 CH-30II 在 15℃条件下的抗压强度、模量，劈裂强度、模量以及弯拉强 度，模量之间进行对比测试分析结果汇总于表 6-11。 表 6-11 各设计参数对比 在公路路面中，首先应考虑材料抵抗车辆荷载压碎的抗压强度。通常，材料的抗压强度越高， 荷载支承能力也越高。另一方面，高强度材料的修建成本总量较高。此外，还应研究材料在 荷载作用下的变形特性，即应力-应变性质问题。普通的建筑材料，其应力-应变关系分为三 个阶段。在加载的最初阶段，材料的变形是与施加荷载的强度成比例的。在这一阶段应力- 应变函数是线弹性的。在第二阶段，应变增加较应力快，材料处于平衡的塑性状态。第三阶 段，材料发生破坏之前，应力增加速率快于应变。 公路路面必须维持较长的使用寿命，并在经受荷载的反复作用后仍保持表面的平整。因 此，线性应力状态是设计中最关心的问题。表示材料线性应力-应变状态的参数，称为弹性模 量。在地面有沉降的地方，较高的弹性模量会引起路面较大的挠度和附加应力。因此，路面 材料的弹性模量并非越高越好，它应该与其设计的地基的物理性质相适应。 公路路面试验结果表明，在活动荷载作用下，路面经常处于拉应力之下。为些，对路面 结构的面层应具有足够的抗弯拉强度，以克服轮载、温度及沉降作用引起的弯拉应力。 所有的材料在受拉或高温下伸长，在受压或较低温度下收缩，路面材料必须能承受这种 往处处地伸缩作用。材料的这种延展性常用拉应力下的拉伸百分率表示。在道路建筑中，为 改善材料的延展性，可通过增加细料的含量或降低其弹性模量值。但较低的弹性模量又不能 提供较高的荷载支承能力，所以，设计时应在材料的延展性与适当的弹性模量之间取得平衡。 公路路面必须在其预计的使命寿命期间经受设计荷载的重复作用。材料抵抗重复荷载作 用的能力叫作疲劳强度。影响路面使用寿命的主要因素有：工作应力的大小；应力波动范围
及超载作用情况等。 公路道路面所使用的材料,可大致分为三类:(1)颗粒型材料:(2)沥青类:(3)水硬 性结合料类。这些材料按不同方式(密实型、嵌挤型和稳定型)组成各种路面结构层。随着材 料性质和组成方式的不同,各种道结构层在力学性能上表现出很大的差异。 道路面材料在车辆荷载和环境因素的影响下所表现出的力学性质,对路面的使用品质和 使用寿命有决定性的作用。对路面材料力学性质的分析和认识,有助于设计出符合使用要求 的道路面结构。同时,用解析法分析路面结构内力和位移的结果是否符合实际,在很大程度 上也取决于对材料力学性质的正确了解,和反映材料力学性质的各项参数的合理选用。 下面着重讨论上述三种类型材料同路面结构设计相关的两方面力学性质,即变形性(包括 应力一应变特性和变形累积)和强度特性(包括抗压强度和疲劳强度),以及表征这些性质的指 标和其确定方法。 §8-1应力-应变特性 荷载作用下在路面结构内产生的应力、应变和位移量,不仅同加荷状况有关,还取决于 路面材料的应力-应变特性。进行路面结构分析时,必须知道材料的这一重要特性。 颗粒材料的应力-应变特性 对于用作基层和垫层的无结合料的碎(砾)石材料,由三轴试验所得的应力-应变关系曲 线,具有同粘性土相似的非线性特性,因而,表征其应力-应变关系的回弹模量E,也随偏应 力σ(即σ-σ)的增大而减小,随侧限应力σ的增大而增大,但侧限应力的影响要比粘性土的 情况大得多。 根据大量试验结果,碎(砾)石材料的回弹模量值可用下列形式表示: 式中,0一主应力之和(Ma),三轴试验中, K、K——同材料性质有关的系数,由试验确定 图8-1所示为某一碎石材料的试验结果。由回归分析可以得到,K=3.77,K=0.71。一般 情况下,K大体上可取为3.05~4.57,K取为0.5 除了受应力状况的影响外,碎(砾)石材料的模量值同材料的级配、颗粒形状、密实度等 因素有关,变动在100~700MPa范围内。通常,级配越好,密实度越高,则模量值越大;颗 粒棱角多者有较高的模量:当细料含量不多时,含水量对模量的影响很小 材料的泊松比取决于主应力比或偏应力σ和平均法应力(即θ/3)的比值,随其比值的增 加而增加。但变动范围不大,设计计算时,可近似取用0.30~0.35。 在进行路面结构设计时,碎(砾)石材料模量值的取用较为复杂。面层结构较厚时,传递 给粒料层的应力级位较小,碎(砾)石材料的应力应变关系可近似地看成为线性。但当面层结 构薄时,则必须考虑材料层的非线性特性。碎(砾)石基(垫)层所能达到的密实度,依赖于其 下面的支承结构的刚度。同时,由于其非线性特性和抗拉强度较小,粒料层底部的模量值往 往很小,所以,碎(砾)石层材料在路面结构层中的实有模量值,随结构层组合及其毗邻结构 层的刚度而异,不宜在应力和应变计算中简单地应用单独试验时得到的模量值。按材料层受 到的应力状况采用迭代法确定的模量值,比较符合实际情况。这个模量值可取为土基模量值 的一定倍数,此倍数同粒料层的厚度和土基模量有关,大体上变动在1.5~7.5范围内,一般 情况下采用2.5较合适 表8-1是根据《公路柔性路面设计规范(JTJ014-86)》整理的颗粒材料抗压回弹模量的建 议值,可作为公路路面设计时的参考 颗粒材料抗压回弹模量建议值 表8-1 水泥稳定类材料的应力应变特性
及超载作用情况等。 公路道路面所使用的材料，可大致分为三类：(1) 颗粒型材料；(2) 沥青类；(3) 水硬 性结合料类。这些材料按不同方式(密实型、嵌挤型和稳定型)组成各种路面结构层。随着材 料性质和组成方式的不同，各种道结构层在力学性能上表现出很大的差异。 道路面材料在车辆荷载和环境因素的影响下所表现出的力学性质，对路面的使用品质和 使用寿命有决定性的作用。对路面材料力学性质的分析和认识，有助于设计出符合使用要求 的道路面结构。同时，用解析法分析路面结构内力和位移的结果是否符合实际，在很大程度 上也取决于对材料力学性质的正确了解，和反映材料力学性质的各项参数的合理选用。 下面着重讨论上述三种类型材料同路面结构设计相关的两方面力学性质，即变形性(包括 应力-应变特性和变形累积)和强度特性(包括抗压强度和疲劳强度)，以及表征这些性质的指 标和其确定方法。 §8-1 应力-应变特性 荷载作用下在路面结构内产生的应力、应变和位移量，不仅同加荷状况有关，还取决于 路面材料的应力-应变特性。进行路面结构分析时，必须知道材料的这一重要特性。 一、颗粒材料的应力-应变特性 对于用作基层和垫层的无结合料的碎(砾)石材料，由三轴试验所得的应力-应变关系曲 线，具有同粘性土相似的非线性特性，因而，表征其应力-应变关系的回弹模量 E，也随偏应 力σ(即σ-σ)的增大而减小，随侧限应力σ的增大而增大，但侧限应力的影响要比粘性土的 情况大得多。 根据大量试验结果，碎(砾)石材料的回弹模量值可用下列形式表示： 式中，θ——主应力之和(MPa)，三轴试验中， K、K——同材料性质有关的系数，由试验确定。 图 8-1 所示为某一碎石材料的试验结果。由回归分析可以得到，K=3.77，K=0.71。一般 情况下，K 大体上可取为 3.05～4.57，K 取为 0.5。 除了受应力状况的影响外，碎(砾)石材料的模量值同材料的级配、颗粒形状、密实度等 因素有关，变动在 100～700MPa 范围内。通常，级配越好，密实度越高，则模量值越大；颗 粒棱角多者有较高的模量；当细料含量不多时，含水量对模量的影响很小。 材料的泊松比取决于主应力比或偏应力σ和平均法应力(即θ/3)的比值，随其比值的增 加而增加。但变动范围不大，设计计算时，可近似取用 0.30～0.35。 在进行路面结构设计时，碎(砾)石材料模量值的取用较为复杂。面层结构较厚时，传递 给粒料层的应力级位较小，碎(砾)石材料的应力-应变关系可近似地看成为线性。但当面层结 构薄时，则必须考虑材料层的非线性特性。碎(砾)石基(垫)层所能达到的密实度，依赖于其 下面的支承结构的刚度。同时，由于其非线性特性和抗拉强度较小，粒料层底部的模量值往 往很小，所以，碎(砾)石层材料在路面结构层中的实有模量值，随结构层组合及其毗邻结构 层的刚度而异，不宜在应力和应变计算中简单地应用单独试验时得到的模量值。按材料层受 到的应力状况采用迭代法确定的模量值，比较符合实际情况。这个模量值可取为土基模量值 的一定倍数，此倍数同粒料层的厚度和土基模量有关，大体上变动在 1.5～7.5 范围内，一般 情况下采用 2.5 较合适。 表 8-1 是根据《公路柔性路面设计规范(JTJ014-86)》整理的颗粒材料抗压回弹模量的建 议值，可作为公路路面设计时的参考。 颗粒材料抗压回弹模量建议值 表 8-1 二、水泥稳定类材料的应力-应变特性
般说来,水泥稳定土的应力应变关系也呈现非线性特性。图8-2所示即为由三轴试验 得出的水泥稳定细粒土和砾石土的一些典型应力应变关系曲线。可以看出,表征应力应变 关系的模量值同土一样,是应力(偏应力σ和侧应力σ)的函数。然而,在应力级位较低(低于 极限荷载的50%~60%)时,应力应变曲线可近似地看成是线性的。 水泥稳定土也具有蠕变性状,在荷载作用下会出现少量塑性变形。但塑形变形量随加荷 次数增加而很快趋于稳定,因而,按回弹应变量确定的回弹模量值基本上可看作一个常数。 影响水泥稳定土弹性(回弹)模量值的主要因素有:土的类别、水泥含量、龄期和侧限压 力等,其值变化范围较大。水泥稳定细粒土的模量大致为(0.7~7)×10MPa,泊松比变动于 0.15~0.35之间:而水泥稳定砾石的模量为(7~28)×10MPa,泊松比为0.10~0.20 石灰稳定土和各种工业废渣的应力-应变特性,同水泥稳定土相似。 表8-2是《公路柔性路面设计规范(JπTJ014-86)》推荐的水泥稳定类材料的回弹模量建议 水泥稳定类材料抗压回弹模量建议值(MPa) 表8-2 、沥青混合料的应力-应变特性 沥青混合料的应力-应变特性同粘性土和颗粒材料有很大差别。由于沥青混合料中所含沥 青具有依赖于温度和加荷时间的粘-弹性性状,沥青混合料在荷载作用下的变形也具有随温度 和荷载作用时间而变的特性 (一)应力应变关系 对沥青混合料进行三轴试验,在固定的应力作用下,可得到应变和应力作用时间的关系 曲线,如图8-3所示。其中,图8-3(1)为施加应力相当小的情况,一部分应变(ε)在施加荷 载后立即产生,而卸荷后这部分应变又立即消灭。这是混合料的弹性应变,应力和应变成正 比例关系。另一部分应变(ε)随加荷时间的增加而增加,卸荷后则随时间增长而逐渐消失(或 基本消失),这是混合料的粘弹性应变。这一现象说明,沥青混合料在受力较小时,特别是受 荷时间短促时,处于或基本上处于弹性状态并兼有粘弹性的性质。图8-3(2)表示应力足够大 的情况。这时,除有瞬时弹性应变和滞后弹性应变外,还存在着随时间而发展的近似直线变 化的粘性和塑性流动,卸荷后这部分应变不再恢复而成为塑性应变。这说明沥青混合料受荷 达一定值,特别是受荷时间又较长时,不仅出现弹性应变,而且有随时间而发展的塑性应变 对比左右两图可以看出,随施加应力的级位和作用时间的不同,沥青混合料的应力应变关系 分别呈现出弹性、弹-粘性和弹-粘-塑性等不同性状 沥青材料的粘滞度受温度影响很大,因而温度对沥青混合料的性状也有较大的影响。其 它条件相同时,同一混合料在高温和低温时的应变量(反映在模量上)可相差几十倍(见图 5-1)。在低温时,混合料基本上属于弹性体,而在常温和高温时,则可能相应变为弹-粘性或 弹-粘-塑性体 (二)劲度 反映沥青和沥青混合料在给定温度和加荷时间条件下的应力-应变关系的参数,称作劲度 S,也即 式中的脚标t和T分别表示加荷时间和温度 加荷时间和温度对沥青劲度S的影响情况,可由图8-4所示的试验曲线看出。加荷时间 短时,曲线接近水平,表明材料处于弹性性状:加荷时间很长时,便表现为粘滞性性状:处 于二者之间时则兼有弹-粘性性状。各种温度下的S-t关系曲线具有相似的形状,如果将曲线 作水平向移动,则将可将它们重合在一起。这意味着温度对劲度的影响同一定量的加载时间
一般说来，水泥稳定土的应力-应变关系也呈现非线性特性。图 8-2 所示即为由三轴试验 得出的水泥稳定细粒土和砾石土的一些典型应力-应变关系曲线。可以看出，表征应力-应变 关系的模量值同土一样，是应力(偏应力σ和侧应力σ)的函数。然而，在应力级位较低(低于 极限荷载的 50%～60%)时，应力-应变曲线可近似地看成是线性的。 水泥稳定土也具有蠕变性状，在荷载作用下会出现少量塑性变形。但塑形变形量随加荷 次数增加而很快趋于稳定，因而，按回弹应变量确定的回弹模量值基本上可看作一个常数。 影响水泥稳定土弹性(回弹)模量值的主要因素有：土的类别、水泥含量、龄期和侧限压 力等，其值变化范围较大。水泥稳定细粒土的模量大致为(0.7～7)×10MPa，泊松比变动于 0.15～0.35 之间；而水泥稳定砾石的模量为(7～28)×10MPa，泊松比为 0.10～0.20。 石灰稳定土和各种工业废渣的应力-应变特性，同水泥稳定土相似。 表 8-2 是《公路柔性路面设计规范(JTJ014-86)》推荐的水泥稳定类材料的回弹模量建议 值。 水泥稳定类材料抗压回弹模量建议值(MPa) 表 8-2 三、沥青混合料的应力-应变特性 沥青混合料的应力-应变特性同粘性土和颗粒材料有很大差别。由于沥青混合料中所含沥 青具有依赖于温度和加荷时间的粘-弹性性状，沥青混合料在荷载作用下的变形也具有随温度 和荷载作用时间而变的特性。 (一) 应力-应变关系 对沥青混合料进行三轴试验，在固定的应力作用下，可得到应变和应力作用时间的关系 曲线，如图 8-3 所示。其中，图 8-3(1)为施加应力相当小的情况，一部分应变(ε)在施加荷 载后立即产生，而卸荷后这部分应变又立即消灭。这是混合料的弹性应变，应力和应变成正 比例关系。另一部分应变(ε)随加荷时间的增加而增加，卸荷后则随时间增长而逐渐消失(或 基本消失)，这是混合料的粘弹性应变。这一现象说明，沥青混合料在受力较小时，特别是受 荷时间短促时，处于或基本上处于弹性状态并兼有粘弹性的性质。图 8-3(2)表示应力足够大 的情况。这时，除有瞬时弹性应变和滞后弹性应变外，还存在着随时间而发展的近似直线变 化的粘性和塑性流动，卸荷后这部分应变不再恢复而成为塑性应变。这说明沥青混合料受荷 达一定值，特别是受荷时间又较长时，不仅出现弹性应变，而且有随时间而发展的塑性应变。 对比左右两图可以看出，随施加应力的级位和作用时间的不同，沥青混合料的应力-应变关系 分别呈现出弹性、弹-粘性和弹-粘-塑性等不同性状。 沥青材料的粘滞度受温度影响很大，因而温度对沥青混合料的性状也有较大的影响。其 它条件相同时，同一混合料在高温和低温时的应变量(反映在模量上)可相差几十倍(见图 5-1)。在低温时，混合料基本上属于弹性体，而在常温和高温时，则可能相应变为弹-粘性或 弹-粘-塑性体。 (二) 劲度 反映沥青和沥青混合料在给定温度和加荷时间条件下的应力-应变关系的参数，称作劲度 S，也即 式中的脚标 t 和 T 分别表示加荷时间和温度。 加荷时间和温度对沥青劲度 S 的影响情况，可由图 8-4 所示的试验曲线看出。加荷时间 短时，曲线接近水平，表明材料处于弹性性状；加荷时间很长时，便表现为粘滞性性状；处 于二者之间时则兼有弹-粘性性状。各种温度下的 S-t 关系曲线具有相似的形状，如果将曲线 作水平向移动，则将可将它们重合在一起。这意味着温度对劲度的影响同一定量的加载时间
对劲度的影响效果相当。温度和加载时间对劲度影响的这一互换性,是沥青材料的一个重要 性质。利用这一性质,可以通过采用变换试验温度的方法,把在有限时间范围内得到的试验 结果扩大到很长的时段 Vander poel对47种不同流变类型的沥青材料在较宽的加载时间和温度范围内做了大量 试验,得出了能预估不同加荷时间和温度下沥青劲度的诺谟图,见图8-5。 此诺谟图根据影响沥青劲度的三项参数查用: 1、加荷时间t; 2、温度T同沥青材料软化点S的差值,即温差S-T 3、针入度指数PI,表明沥青对温度的敏感性,按25℃时的针入度P和软化点S的大小 由下式确定: 大部分道路用沥青的門Ⅰ值变化在-1到+范围内。I越小,沥青材料的温度敏感性越高 煤沥青的PI值可低到-3,比绝大部分沥于容易受到温度变化的影响。 沥青混合料的劲度可通过三轴压缩、梯形悬臂弯曲、小梁弯曲或旋转弯曲试验,在控制 温度和加荷时间条件下,测定应力和相应的应变值后,按式(8-2)确定。对各种混合料在不同 加荷时间和温度条件下测得相应的劲度值后,可点绘出该种混合料的劲度曲线图,见图8-6, 以供结构设计时使用。 当沥青的劲度高于10MPa时,沥青混合料的劲度是沥青劲度及混合料中集料数量和沥青 含量的函数。壳牌的研究者们使用劲度大于5MPa的各种沥青材料组成了适用于不同场合的 12种沥青混合料,对此进行了参数变化范围较广的大量劲度试验(梯形悬臂弯曲试验)。由试 验结果得出了可以根据沥青劲度(按图8-5求出)和混合料中集料的体积V(%)预估沥青混合料 劲度的诺谟图,见图8-7。图中集料含量用V表示,沥青含量用V表示,S表示沥青劲度,S 表示混合料劲度 当温度较高或加荷时间长时,沥青劲度低于1OMPa。这时,沥青的作用减弱,混合料的 劲度除了受S、Ⅴ和ⅤV的影响外,下列因素逐渐显得重要:(1)集料的类型、形状、结构和级 配:(②2)压实方法和空隙率;(3)侧限条件。当沥青劲度极低时,混合料的劲度,即抵抗变 形的能力,便完全由集料骨架承担。 (三)泊松比 沥青混合料的泊松比受温度的影响较大,见图8-8。这是根据实测结果归纳出的μ值随 温度的变化情况。当温度低时仼E值高),μ值低:温度升高,μ值随之增大,平均处于0.25~ 0.50范围内,可根据面层的温度条件取用 §8-2变形累积 公路沥青路面在车辆荷载的反复作用下会因塑性变形累积而产生沉陷或轮辙,这是沥青 路面的一种重要病害。路面的这种永久变形,是土基和路面各结构层材料塑性变形的综合结 果。它不仅同荷载大小、作用次数和土基的性状有关,也受路面各结构层材料的变形特性的 影响 颗粒材料 碎(砾)石材料在重复应力作用下的塑性变形累积规律同细粒土相似。图8-9中绘示了 种级配良好的颗粒材料的重复加载试验结果。由图可见,当偏应力σ低于某一数值时,随应 力重复作用次数而增加的塑性变形量逐渐趋于稳定,重复次数大于10次后,达到一平衡应变 量,此平衡应变量的大小同σ/σ的比值大小有关。但偏应力较大时,则塑性变形量随作用次
对劲度的影响效果相当。温度和加载时间对劲度影响的这一互换性，是沥青材料的一个重要 性质。利用这一性质，可以通过采用变换试验温度的方法，把在有限时间范围内得到的试验 结果扩大到很长的时段。 Vander Poel 对 47 种不同流变类型的沥青材料在较宽的加载时间和温度范围内做了大量 试验，得出了能预估不同加荷时间和温度下沥青劲度的诺谟图，见图 8-5。 此诺谟图根据影响沥青劲度的三项参数查用： 1、加荷时间 t； 2、温度 T 同沥青材料软化点 S 的差值，即温差 S-T； 3、针入度指数 PI，表明沥青对温度的敏感性，按 25℃时的针入度 P 和软化点 S 的大小 由下式确定： 大部分道路用沥青的 PI 值变化在-1 到+1 范围内。PI 越小，沥青材料的温度敏感性越高。 煤沥青的 PI 值可低到-3，比绝大部分沥于容易受到温度变化的影响。 沥青混合料的劲度可通过三轴压缩、梯形悬臂弯曲、小梁弯曲或旋转弯曲试验，在控制 温度和加荷时间条件下，测定应力和相应的应变值后，按式(8-2)确定。对各种混合料在不同 加荷时间和温度条件下测得相应的劲度值后，可点绘出该种混合料的劲度曲线图，见图 8-6， 以供结构设计时使用。 当沥青的劲度高于 10MPa 时，沥青混合料的劲度是沥青劲度及混合料中集料数量和沥青 含量的函数。壳牌的研究者们使用劲度大于 5MPa 的各种沥青材料组成了适用于不同场合的 12 种沥青混合料，对此进行了参数变化范围较广的大量劲度试验(梯形悬臂弯曲试验)。由试 验结果得出了可以根据沥青劲度(按图8-5求出)和混合料中集料的体积V(%)预估沥青混合料 劲度的诺谟图，见图 8-7。图中集料含量用 V 表示，沥青含量用 V 表示，S 表示沥青劲度，S 表示混合料劲度。 当温度较高或加荷时间长时，沥青劲度低于 10MPa。这时，沥青的作用减弱，混合料的 劲度除了受 S、V 和 V 的影响外，下列因素逐渐显得重要：(1) 集料的类型、形状、结构和级 配；(2) 压实方法和空隙率；(3) 侧限条件。当沥青劲度极低时，混合料的劲度，即抵抗变 形的能力，便完全由集料骨架承担。 (三) 泊松比 沥青混合料的泊松比受温度的影响较大，见图 8-8。这是根据实测结果归纳出的μ值随 温度的变化情况。当温度低时(E 值高)，μ值低；温度升高，μ值随之增大，平均处于 0.25～ 0.50 范围内，可根据面层的温度条件取用。 §8-2 变形累积 公路沥青路面在车辆荷载的反复作用下会因塑性变形累积而产生沉陷或轮辙，这是沥青 路面的一种重要病害。路面的这种永久变形，是土基和路面各结构层材料塑性变形的综合结 果。它不仅同荷载大小、作用次数和土基的性状有关，也受路面各结构层材料的变形特性的 影响。 一、颗粒材料 碎(砾)石材料在重复应力作用下的塑性变形累积规律同细粒土相似。图 8-9 中绘示了一 种级配良好的颗粒材料的重复加载试验结果。由图可见，当偏应力σ低于某一数值时，随应 力重复作用次数而增加的塑性变形量逐渐趋于稳定，重复次数大于 10 次后，达到一平衡应变 量，此平衡应变量的大小同σ/σ的比值大小有关。但偏应力较大时，则塑性变形量随作用次
数的增加而不断增长,直到破坏 级配差、尺寸单一的粒料,即便在应力重复作用很多次以后,塑性变形仍然继续发展, 因此,这种材料不宜用于公路路面。含有细料的颗粒材料,如果细料含量过多,影响到混合 料的密实度,将使变形累积量增大。 沥青混合料 当沥青稠度低、加载时间长或温度较高时,沥青混合料表现为弹-粘-塑性体,应力重复 作用下将会出现较大数量的累积变形 对沥青混合料永久变开特性的研究,可利用静态蠕变(单轴受压)试验或重复三轴压缩试 验进行。前一种试验较简单,而后一种试验同实际受力状况相符,但二者所得到的累积应变一 时间关系的规律基本一致,因为重复应力下塑性应变的逐步累积实质上也是一种蠕变现象。 图8-10为一密实型沥青碎石混合料经受重复三轴试验的结果。由图可见,塑性应变量承 重复作用次数而增加,温度越高,塑性应变累积量越大。许多试验结果表明,在同一温度条 件下,控制累积应变量是总加荷时间,而不是重复作用次数;加荷频率以及应力循环间的停 歇时间对累积应变一时间关系的影响都不大 影响累积量的因素,除了温度、作用应力大小和加荷时间外,还同集料的情况有关。有 棱角的集料比圆形集料能提供较高的劲度,即塑性变形累积量较低;密级配沥青碎石,由于 集料具有良好的级配特性,其变形累积量低于含沥青较多的沥青混凝土。压实的方法和程度 会影响混合料的空隙率和结构,因而也会影响变形累积规律。此外,侧限应力的大小也有影 响,可由图8-10中看出 §8-3强度特性 强度是指材料达到极限状态或出现破坏时所能承受的最大荷载(或应力)。构成公路路面 各结构层的材料,一般都具有较高的抗压强度,而抗拉或抗剪强度较弱。这在颗粒材料中或 结合料粘结力较低的结构中尤为突出。控制路面材料极限破坏状态的往往不是抗压强度,可 能出现的强度破坏通常为:(1)因剪切应力过大而在材料层内部出现沿某一滑动面的滑移或 相对变位:(2)因拉应力或弯拉应力过大而引起的断裂 抗剪强度 当面层厚度较薄刚度较低时,传给土基的应力较大,有可能出现因土基承载力不足而引 起的剪切破坏。这一般发生在低等级的路面上。在面层较厚但刚度较低(如高温下的沥青类路 面)时,如果受到较大的水平力(如紧急制动),就有可能因抗剪强度不足而出现面层推移(拥 包)等破坏 抗剪强度为材料受剪切时的极限或最大应力。由摩尔-库仑强度理论可知,抗剪强度由两 部分组成,一部分是摩阻力,同作用在剪切面上的法向应力成正比:另一部分是与法向应力 无关的粘结力,即 T=c+otg中(8-4) 式中 材料的粘结力 φ—材料的摩阻角 作用在剪切面上的法向应力 土的抗剪力问题是比较复杂的,如果试验时试件可以完全控制排水,水分可以从孔隙流 入或排出,则土的抗剪性质以式(8-4)表达。软的及饱和的粘土几乎没有内摩阻力,上式变为 (8-5) 无粘结性材料的抗剪强度可以写成
数的增加而不断增长，直到破坏。 级配差、尺寸单一的粒料，即便在应力重复作用很多次以后，塑性变形仍然继续发展， 因此，这种材料不宜用于公路路面。含有细料的颗粒材料，如果细料含量过多，影响到混合 料的密实度，将使变形累积量增大。 二、沥青混合料 当沥青稠度低、加载时间长或温度较高时，沥青混合料表现为弹-粘-塑性体，应力重复 作用下将会出现较大数量的累积变形。 对沥青混合料永久变开特性的研究，可利用静态蠕变(单轴受压)试验或重复三轴压缩试 验进行。前一种试验较简单，而后一种试验同实际受力状况相符，但二者所得到的累积应变- 时间关系的规律基本一致，因为重复应力下塑性应变的逐步累积实质上也是一种蠕变现象。 图 8-10 为一密实型沥青碎石混合料经受重复三轴试验的结果。由图可见，塑性应变量承 重复作用次数而增加，温度越高，塑性应变累积量越大。许多试验结果表明，在同一温度条 件下，控制累积应变量是总加荷时间，而不是重复作用次数；加荷频率以及应力循环间的停 歇时间对累积应变-时间关系的影响都不大。 影响累积量的因素，除了温度、作用应力大小和加荷时间外，还同集料的情况有关。有 棱角的集料比圆形集料能提供较高的劲度，即塑性变形累积量较低；密级配沥青碎石，由于 集料具有良好的级配特性，其变形累积量低于含沥青较多的沥青混凝土。压实的方法和程度 会影响混合料的空隙率和结构，因而也会影响变形累积规律。此外，侧限应力的大小也有影 响，可由图 8-10 中看出。 §8-3 强度特性 强度是指材料达到极限状态或出现破坏时所能承受的最大荷载(或应力)。构成公路路面 各结构层的材料，一般都具有较高的抗压强度，而抗拉或抗剪强度较弱。这在颗粒材料中或 结合料粘结力较低的结构中尤为突出。控制路面材料极限破坏状态的往往不是抗压强度，可 能出现的强度破坏通常为：(1) 因剪切应力过大而在材料层内部出现沿某一滑动面的滑移或 相对变位；(2) 因拉应力或弯拉应力过大而引起的断裂。 一、抗剪强度 当面层厚度较薄刚度较低时，传给土基的应力较大，有可能出现因土基承载力不足而引 起的剪切破坏。这一般发生在低等级的路面上。在面层较厚但刚度较低(如高温下的沥青类路 面)时，如果受到较大的水平力(如紧急制动)，就有可能因抗剪强度不足而出现面层推移(拥 包)等破坏。 抗剪强度为材料受剪切时的极限或最大应力。由摩尔-库仑强度理论可知，抗剪强度由两 部分组成，一部分是摩阻力，同作用在剪切面上的法向应力成正比；另一部分是与法向应力 无关的粘结力，即 τ=c+σtgφ (8-4) 式中，c——材料的粘结力； φ——材料的摩阻角； σ——作用在剪切面上的法向应力。 土的抗剪力问题是比较复杂的，如果试验时试件可以完全控制排水，水分可以从孔隙流 入或排出，则土的抗剪性质以式(8-4)表达。软的及饱和的粘土几乎没有内摩阻力，上式变为： τ=c (8-5) 无粘结性材料的抗剪强度可以写成： τ=c+σtgφ (8-6)
和φ是表征材料抗剪强度的两项参数,可以通过直剪试验,绘出τ~σ曲线,按(8-4) 式确定。也可由三轴压缩试验,完成两个或两个以上不同侧压力下所取得的三轴试验资料, 绘出摩尔圆和相应的包络线,可以确定适当的粘结力和摩阻角。对于道(路)面设计,侧压力 σ为0,1.45,2.9kPa可以取得满意的结果。如图8-11(2),点出侧限压力的破坏时的垂直 总压力的各点,并通过这些点绘出各个圆。然后绘出与各个圆相切的一条直线,即为摩尔破 坏包络线,进而定出粘结力和摩阻角 由于三轴试验接近实际受力状况,目前大多采用这种方法确定材料的c和中值。三轴试 验试件的直径应大于集料中最大粒径的4倍,试件高度和直径之比不应小于2。集料最大粒 径小于2.5cm时,目前大都采用试件直径10cm,高20cm 干砂的内摩阻角大约变化在28°~35°之间,粉土和粉质砂土约为15°~25°,软的饱 和粘土的内摩阻角等于。对于部分饱和粘土,其内摩阻角变化于0~30°之间。 沥青混合料经受剪切时,既存在矿质颗粒间的相互位移和错位阻力,又有裹敷在颗粒表 面上的沥青膜之间的粘滞阻力。因而,沥青混合料的抗剪强度不仅同粒料的级配组成、形状 和表面特性有关,也同所采用沥青的粘结力和用量有关 大量试验结果表明,沥青混合料的粘结力取决于许多因素 1、沥青的粘度粘度越高,混合料受剪时的粘滞阻力就越大,因而粘结力也越大。图 8-12所示为沥青针入度同粘结力的试验关系。 2、沥青用量用量过少时,不足以充分裹敷矿质颗粒间过多的沥青会将矿料挤开,两种 情况都会使粘结力降低。因而,存在一最佳沥青用量,使粘结力达到最大,如图8-13所示。 3、温度和剪切速率沥青的粘度受温度和应力作用时间影响很大。随温度的升高和剪切 速度的下降,混合料的粘结力下降,见图8-14 4、细料细料(特别是矿粉)的含量増多,有棱角的集料増多,矿粉同沥青的吸附性好等 因素,都有助于提高粘结力 混合料中的矿质颗粒因为沥青裏敷,其摩阻角比纯粒料有所降低。沥青含量越多,φ值 下降越甚,见图8-13。而集料级配良好,富有棱角时,有助于增加摩阻角。 二、抗拉强度 车辆着陆滑跑制动时,机轮后侧的路面将受到很大的径向应力:面层温度随气温骤降 其收缩受下卧层的摩阻约束时,也会产生较大的拉应力。当面层材料的抗拉强度不足以抵抗 上述荷载或非荷载应力时,面层将会出现断裂 材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力提供。其大小可采用直接拉伸或间接拉 伸试验,则所测到的应力-应变曲线上的最高应力或破坏应力值确定。直接拉伸试验,是将混 合料做成圆柱形试件,其两端用环氧树脂粘于金属盖帽上,通过安置在试件上的变形传感器 测定试件在各级拉应力下的应变值,见图8-15。间接拉伸试验,即劈裂试验,其测试方法较 简单:将材料做成较短的圆柱形试件(直径D,长度t),测试时沿着试件的直径方向,以由试 件两则的垫条按一定速率施加压力,见图8-16,直到试件开裂破坏。抗拉强度由下式确定: 劈裂试验传递荷载的两端垫条,对试件中的应力分布和极限强度0有显著影响,通常垫 条宽为1.27cm,由其一面的弧度与试件相同的硬质橡皮或金属做成 在常温下,沥青混合料的抗拉强度在一定范围内随沥青含量和施荷速率而增加,随针入 度和温度的增加而下降。此外,增加混合料拌和及压实温度,增加矿粉含量,都有助于提高 其抗拉强度。而在低温(负温)下,其抗拉强度随各影响因素变化的规律略有不同。图8-17 为中粒式沥青混凝土,加荷时间0.5s的一些试验结果。由图可以看出,在负温下抗拉强度随 沥青针入度和温度降低而下降。劈裂试验也可以用于测定水泥混凝土和水泥稳定土(或粒料) 的抗拉强度
c 和φ是表征材料抗剪强度的两项参数，可以通过直剪试验，绘出τ～σ曲线，按(8-4) 式确定。也可由三轴压缩试验，完成两个或两个以上不同侧压力下所取得的三轴试验资料， 绘出摩尔圆和相应的包络线，可以确定适当的粘结力和摩阻角。对于道(路)面设计，侧压力 σ为 0，1.45，2.9kPa 可以取得满意的结果。如图 8-11(2)，点出侧限压力的破坏时的垂直 总压力的各点，并通过这些点绘出各个圆。然后绘出与各个圆相切的一条直线，即为摩尔破 坏包络线，进而定出粘结力和摩阻角。 由于三轴试验接近实际受力状况，目前大多采用这种方法确定材料的 c 和φ值。三轴试 验试件的直径应大于集料中最大粒径的 4 倍，试件高度和直径之比不应小于 2。集料最大粒 径小于 2.5cm 时，目前大都采用试件直径 10cm，高 20cm。 干砂的内摩阻角大约变化在 28°～35°之间，粉土和粉质砂土约为 15°～25°，软的饱 和粘土的内摩阻角等于。对于部分饱和粘土，其内摩阻角变化于 0～30°之间。 沥青混合料经受剪切时，既存在矿质颗粒间的相互位移和错位阻力，又有裹敷在颗粒表 面上的沥青膜之间的粘滞阻力。因而，沥青混合料的抗剪强度不仅同粒料的级配组成、形状 和表面特性有关，也同所采用沥青的粘结力和用量有关。 大量试验结果表明，沥青混合料的粘结力取决于许多因素： 1、沥青的粘度 粘度越高，混合料受剪时的粘滞阻力就越大，因而粘结力也越大。图 8-12 所示为沥青针入度同粘结力的试验关系。 2、沥青用量 用量过少时，不足以充分裹敷矿质颗粒间过多的沥青会将矿料挤开，两种 情况都会使粘结力降低。因而，存在一最佳沥青用量，使粘结力达到最大，如图 8-13 所示。 3、温度和剪切速率 沥青的粘度受温度和应力作用时间影响很大。随温度的升高和剪切 速度的下降，混合料的粘结力下降，见图 8-14。 4、细料 细料(特别是矿粉)的含量增多，有棱角的集料增多，矿粉同沥青的吸附性好等 因素，都有助于提高粘结力。 混合料中的矿质颗粒因为沥青裹敷，其摩阻角比纯粒料有所降低。沥青含量越多，φ值 下降越甚，见图 8-13。而集料级配良好，富有棱角时，有助于增加摩阻角。 二、抗拉强度 车辆着陆滑跑制动时，机轮后侧的路面将受到很大的径向应力；面层温度随气温骤降， 其收缩受下卧层的摩阻约束时，也会产生较大的拉应力。当面层材料的抗拉强度不足以抵抗 上述荷载或非荷载应力时，面层将会出现断裂。 材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力提供。其大小可采用直接拉伸或间接拉 伸试验，则所测到的应力-应变曲线上的最高应力或破坏应力值确定。直接拉伸试验，是将混 合料做成圆柱形试件，其两端用环氧树脂粘于金属盖帽上，通过安置在试件上的变形传感器， 测定试件在各级拉应力下的应变值，见图 8-15。间接拉伸试验，即劈裂试验，其测试方法较 简单：将材料做成较短的圆柱形试件(直径 D，长度 t)，测试时沿着试件的直径方向，以由试 件两则的垫条按一定速率施加压力，见图 8-16，直到试件开裂破坏。抗拉强度由下式确定： 劈裂试验传递荷载的两端垫条，对试件中的应力分布和极限强度 O 有显著影响，通常垫 条宽为 1.27cm，由其一面的弧度与试件相同的硬质橡皮或金属做成。 在常温下，沥青混合料的抗拉强度在一定范围内随沥青含量和施荷速率而增加，随针入 度和温度的增加而下降。此外，增加混合料拌和及压实温度，增加矿粉含量，都有助于提高 其抗拉强度。而在低温(负温)下，其抗拉强度随各影响因素变化的规律略有不同。图 8-17 为中粒式沥青混凝土，加荷时间 0.5s 的一些试验结果。由图可以看出，在负温下抗拉强度随 沥青针入度和温度降低而下降。劈裂试验也可以用于测定水泥混凝土和水泥稳定土(或粒料) 的抗拉强度
三、抗弯拉强度 整体材料(如水泥混凝土、水泥稳定土或工业废渣)及常温下的沥青混合料,具有一定的 抗弯刚度,在过大荷载的作用下,在结构层的底面可能产生较大的拉应力,而在材料的抗弯 拉强度不足时出现断裂破坏。 路面材料的抗变拉强度,大多通过简支小梁试验评定。小梁截面的边长应不低于混合料 中集料最大粒径的4倍。根据材料组成情况,可做成三种小梁: 1、5cm×5cm×24cm,测试时跨度15cm,用于石灰(或水泥)稳定土和沥青砂的试验; 2、10cm×10cm×40cm,测试时跨度为30cm,用于最大粒径为2.5cm的稳定类材料和中、 细粒沥青混合料的试验 3、15cm×15cm×55cm,测试时跨度为45cm,用于最大粒径达3.5cm的粗粒式沥青混合 料、稳定类材料和水泥混凝土的试验。 试验时通常采用三分点加荷,材料的抗弯拉强度按下式计算: 式中P——破坏时荷载(kN) 支点间距(mm) 试件宽度和高度(m)。 试验时,可根据需要,同时测取材料的极限弯拉应变、弯拉回弹模量和形变模量等。 影响沥青混合料抗弯拉强度的因素,冋抗拉强度相似。由于沥青材料的抗弯拉强度值随 其所处环境的温度而异,根据我国的气候情况,弯拉强度测定时通常选用的温度为10~15℃。 《公路柔性路面设计规范(JTJ014-86)》提出的各种材料的抗弯强度和弯拉回弹模量参考 值,见表8-3 抗弯拉强度和弯拉回弹模量参考值 表8-3 影响水泥混凝土抗弯拉强度的因素主要有:水泥的标号、用量、水灰比、集料的强度和 级配,以及施工养护条件及龄期等。《军用公路水泥混凝土路面高计规范(GJB1278-91)》规定, 水泥混凝土设计抗弯拉强度,采用28d龄期的强度,且不得低于4.5MPa,见表8-4。 水泥混凝土设计弯拉强度和弯拉弹性模量 表8-4 对于水泥(石灰)稳定和工业废渣类材料来说,影响抗弯拉强度的因素,除了集料(或土) 组成、结合料含量和活性,以及拌制均匀性和压实程度等以外,还有龄期 §8-4疲劳特性 材料承受重复应力作用时,会在低于静载一次作用下的极限应力值时出现破坏。材料强 度的这种降低现象,称作疲劳。疲劳的出现,是由于材料内部存在局部缺陷或不均质,荷载 作用下在该处发生应力集中而出现微裂隙;应力的重复作用使微裂隙逐渐扩展,从而使承受 应力的有效面积不断减小,终于在反复作用一定次数后导致破坏 出现疲劳破坏的重复应力大小(或称疲劳强度),随应力重复作用次数的增加而降低。有 些材料在应力反复作用一定次数(例如10~10次)后,出现破坏时的反复应力值不再下降或趋 于稳定值,此稳定值称为疲劳极限,见图8-18。反复应力低于此值时,材料可经受多次的作 用而不出现破坏 路面材料要经受车辆荷载的多次重复作用。研究其疲劳特性的目的主要是:(1)了解影 响材料疲劳特性的因素,以便改进材料的组成,提高其使用寿命;(2)寻求材料的疲劳强度 同反复应力作用次数间的定量关系(好建立疲劳方程),以便估计路面的使用寿命
三、抗弯拉强度 整体材料(如水泥混凝土、水泥稳定土或工业废渣)及常温下的沥青混合料，具有一定的 抗弯刚度，在过大荷载的作用下，在结构层的底面可能产生较大的拉应力，而在材料的抗弯 拉强度不足时出现断裂破坏。 路面材料的抗变拉强度，大多通过简支小梁试验评定。小梁截面的边长应不低于混合料 中集料最大粒径的 4 倍。根据材料组成情况，可做成三种小梁： 1、5cm×5cm×24cm，测试时跨度 15cm，用于石灰(或水泥)稳定土和沥青砂的试验； 2、10cm×10cm×40cm，测试时跨度为 30cm，用于最大粒径为 2.5cm 的稳定类材料和中、 细粒沥青混合料的试验； 3、15cm×15cm×55cm，测试时跨度为 45cm，用于最大粒径达 3.5cm 的粗粒式沥青混合 料、稳定类材料和水泥混凝土的试验。 试验时通常采用三分点加荷，材料的抗弯拉强度按下式计算： 式中 P——破坏时荷载(kN)； l——支点间距(mm)； b、h——试件宽度和高度(m)。 试验时，可根据需要，同时测取材料的极限弯拉应变、弯拉回弹模量和形变模量等。 影响沥青混合料抗弯拉强度的因素，同抗拉强度相似。由于沥青材料的抗弯拉强度值随 其所处环境的温度而异，根据我国的气候情况，弯拉强度测定时通常选用的温度为 10～15℃。 《公路柔性路面设计规范(JTJ014-86)》提出的各种材料的抗弯强度和弯拉回弹模量参考 值，见表 8-3。 抗弯拉强度和弯拉回弹模量参考值 表 8-3 影响水泥混凝土抗弯拉强度的因素主要有：水泥的标号、用量、水灰比、集料的强度和 级配，以及施工养护条件及龄期等。《军用公路水泥混凝土路面高计规范(GJB1278-91)》规定， 水泥混凝土设计抗弯拉强度，采用 28d 龄期的强度，且不得低于 4.5MPa，见表 8-4。 水泥混凝土设计弯拉强度和弯拉弹性模量 表 8-4 对于水泥(石灰)稳定和工业废渣类材料来说，影响抗弯拉强度的因素，除了集料(或土) 组成、结合料含量和活性，以及拌制均匀性和压实程度等以外，还有龄期。 §8-4 疲 劳 特 性 材料承受重复应力作用时，会在低于静载一次作用下的极限应力值时出现破坏。材料强 度的这种降低现象，称作疲劳。疲劳的出现，是由于材料内部存在局部缺陷或不均质，荷载 作用下在该处发生应力集中而出现微裂隙；应力的重复作用使微裂隙逐渐扩展，从而使承受 应力的有效面积不断减小，终于在反复作用一定次数后导致破坏。 出现疲劳破坏的重复应力大小(或称疲劳强度)，随应力重复作用次数的增加而降低。有 些材料在应力反复作用一定次数(例如 10～10 次)后，出现破坏时的反复应力值不再下降或趋 于稳定值，此稳定值称为疲劳极限，见图 8-18。反复应力低于此值时，材料可经受多次的作 用而不出现破坏。 路面材料要经受车辆荷载的多次重复作用。研究其疲劳特性的目的主要是：(1) 了解影 响材料疲劳特性的因素，以便改进材料的组成，提高其使用寿命；(2) 寻求材料的疲劳强度 同反复应力作用次数间的定量关系(好建立疲劳方程)，以便估计路面的使用寿命