沥青和沥青混合料的低温破坏性能

摘要
本文是对含有不同添加剂材料的沥青热力行为在大应变情况下的对比实验进行研究。实验目的是弄清低温和沥青混合料的低温破坏性能之间的关系并且通过测试沥青混合料的在常温.常应变率下的应力来评价它的热力行为。 沥青混合料的热力行为通过量测样品常温常应力下的热稳定系数和热膨胀力被研究。从而建立起基本成分性状和混合物的特性间的关系以得出沥青混合料低温破坏的一些明显的特征。
关键字:沥青，含掺合剂的沥青混合料， 流动行为，热力学特性，破坏，拉应力， TSRST ，低温, 脆性，延性，脆、延性随温度的改变。
绪论
不同的沥青行为能用给定的应变率下广义应变(_ε_)对应的温度（T)来描述 。从图 1(从（1）和（2）得出)可以看出：
知道了拉伸应力σp时，就能分辨脆性和延性破坏；
脆性破坏时, 可以用线弹性系数Kc来表示；
线弹性的破坏性质,用模量E 和 G 来表示；
线性兼具黏弹性的破坏性质,用复杂模量E* 和 G*,来表示；
纯黏性(牛顿体)的破坏性质, 用黏着系数η来表示；
对于高度非线性的一些张力行为.
沥青混合料也表现出对温度复杂的敏感性。 给定的荷载的反应与温度和加载过程有关。 除此之外,对给定的温度和给定的应变率,四种主要的典型破坏行为都能用广义应变(ε)和重复加载次数来表示。(见到图 2, 表(3))本文旨在为“Département Génie Civil et Batiment” of the Ecole Nationale des TPE, Appia and Eurovia的合作任务提供数据.这项研究同时还关注：当仅仅考虑小的荷载循环次数时，小应变和大应变，较低温度和正常温度条件下含不同掺合剂的沥青材料的热力学行为。本文只讨论广义大应变下的在较低温度和正常温度间变化的沥青混合料的破坏性能。 在早先的两篇论文中我们讨论了（2）号和（4）号试件在小应变条件下从较低温度向中间温度变化时的线黏弹性破坏。
实验材料
现在四种有显著差别的沥青已经被测试 :二种纯沥青 (针入度分别为10/20 和 50/70), 和二种被称为 PMB1 和PMB2的改性沥青混合料（一种添加的是塑性高聚物，一种加的是弹性高聚物） 表 1 列出了不同的沥青混合料常规试验的结果（弗拉斯脆点，25°C的针入度，软化点）测试了四种不同等级的含掺合剂的沥青混合料试件（10/20 ,50/70, PMB1 ，PMB2 ），它们包含有0/10 毫米米间的连续级配的闪绿岩，31%的空隙率，6%的添加剂。
结合料测试
   SHRP 直接拉伸测试 (DTT)
按照AASHTO TP3 和TP(5)的试验规程, 做了SHRP 直接拉伸测试 (DTT),在恒定温度下以1 毫米/ 分钟的速度将沥青混合料试件拉长27毫米，对应的应变率是 2.22 m/m/h 。每个未老化的试件在一个温度点上至少重复测试六次，除了传统试验中在1%的应变时由温度导致的破坏,我们的分析还表明存在一个区分脆性破坏和延性破坏的临界温度,而且, 在每一个温度点上拉伸应力( 最大的张应力) 和它对应的应变也表现在了图3中。我们看来，因为传统方法有相当大的经验成分在其中,T ε=1% 的容许应变和混合料的功能间似乎并不相关,与含掺合料的沥青混合料在计划研究的应变率下的脆延临界温度的新观点的比较，将在下一段中说明任何的等温直接拉伸试验跟仅用失效应变或应力比起来产生更多数据和更大的价值。在个别试验中，能得到每个温度下脆性或者延性破坏的应力应变曲线。在高温情况下，含掺合料的沥青混合料表现出纯粹的延性行为，但在非常低的温度下又是纯粹的脆性行为。 在他们之间的过渡温度, 沥青的行为从延性 (高的温度) 到脆性 (低的温度)转变。然而，在中间的温度，当温度减退的时候，有由脆到延的缓慢变化趋势。因此，实际地，不能从应力应变曲线上直接得到一个确定的临界温度， 在最好的情形中，也只是可能确定符合混合料物理性质缓慢变化的一个或大或小的温度范围
从试验结果中得出：我们得到了在确定应变率下的脆延性转变的临界温度---Tbdb，在应力——温度曲线上（图3）对应着拉伸应力的峰值。 因此我们可以更容易更准确的确定Tbdb。 King et al.先前已经发现当温度降到-15°C以下时，含掺合剂的沥青的拉伸应力减少并且小应变水平下样品也呈脆性破坏。脆延性转变的临界温度, 由此被命名为 Tbdb(相应于 2.22 m/m/h 的应变率),它是一个相关，便利和可供选择的低温参数它的物理意义直接地和样品的破坏类型相关，影响着应力-应变曲线的形状。从表 1可以看出1Tbdb 和1% 的应变率失效时对应的温度彼此是高度相关的(r2=0.977)。然而, 需要对其他含掺合剂的进一步的研究,才能得出确定的结论。如图 3 所示, 脆性破坏时的失效应力具有明显的散布性。然而, 在中高温度时，相同测试的表现得到了不那么散布的结果因此,从对四种非常不同沥青混合料的上的试验结果来看, 最大的张应力 (抗拉强度）的可重现性似乎比温度的高得多。
混合料测试
直接拉伸测试 (DTT)
混合料直接拉伸测试结果
这些测试是在恒定的应变率从 5°C 到-46个 ° C 之间进行的 。 选择了两种非常不同的应变率（300μm/m/h和45000μm/m/h）来研究它对含掺合剂的沥青混合料的失效特性的影响。
我们在 Eurovia 实验室利用液压-伺服压力系统对高为 220 毫米圆柱体试件 (直径80 毫米) 样品的进行了应力测试。样品的应变取试件上呈120°放置的应变片的结果的平均值，并且在每个温度点上重复两三次。一方面, 像 Di Benedetto et al(8)(9)先前指出的那样，对四种试件的研究结果证明，在延性破坏领域下（高温条件）的失效应力（黏塑性破坏）和应变率高度相关。另一方面，脆性破坏领域下（低温条件）的失效应力仅仅些微地依赖于应变率。因此, 作为第一近似值,拉伸强度在脆性破坏领域被认为独立于所选择的应变率。这一点很重要，因为在研究脆性破坏领域时我们能用高的应变率来节省时间。然而,值得注意的是Stock和Arand (10)以前发表过在脆性破坏领域，当温度非常低时加大应变率，拉伸强度会稍微的降低。这点需要用进一步的实验研究来深化。此外,关于结合料的转变温度的观念, 我们推荐含掺合剂的脆延性转变温度（Tfdm），它依赖于采用的应变率(?)，对我们采用的两种应变率（300μm/m/h和45000μm/m/h）Tfdm相差达到9°C（如表1所示）。图 4列出了所有的统计实验结果，不同的应变率和温度的结果散布性相当的小对混合料的这种测试在脆性和延性破坏领域都具有很好的可重复性。图 5 总计出了含掺合剂的混合料在恒定应变率下的应力测试中（脆性和延性）的温度和应变率的影响。
结合料的 DTT　 Vs 　混合剂的 DTT
像能在图 6 中见到的那样,结合料的按SHRP直接拉伸试验在1毫米/分钟(2.22m/m/h)时的拉伸强度和混合料在300μm/m/h时的拉伸强度相当接近。这点是引人注目的,并且需要更进一步的研究。
的确, 因为含掺合剂的沥青试验费用昂贵和耗费时间,现在的大课题之一是决定哪一种方法，能足够精确的从结合剂和混合料组成成分的性质来评价它的性质。为了证明这些结果，下一个步骤可以在于测试其他的应变率（如果可能150 在毫米/分钟,也就是 333μm/m/h, )下的结合料和不同组成成分的混合剂。我们知道,这一观点尽管缺少试验的佐证但还是被认为是有效的，而且，这个观点是极为重要的，因为从结合剂的失效就可以预测混合料的失效。举例来说, 按照 AASHTO 重新校订的低温规格 MP1(MP1A),很多的结合剂试件的 DTT 的失效应力被用来计算和预测 材料的破坏温度(11) (12)。
沥青混合料的热膨胀收缩系数
线形热膨胀收缩系数"α" 仰赖于沥青混合料组成成分（结合剂，骨料，空气）的热特性。尤其是高度地仰赖结合剂成分，因为沥青的线形热膨胀收缩系数比骨料的要大30倍(13) (14) (15)。在我们的研究中,因为只考虑一种混合料,结合料和骨料的数量的影响没办法估计。把四种长方体(L*W* H=16*4*4 cm3)的柏油样品的长向放置在涂满矽树脂水磨大理石面上，他们的摩擦力可以忽略不计。每个样品在 +24 到– 26 ° C之间试验，温度的每阶增量为3摄氏度，并维持3小时不变。 每个测试中使用两个相同的应变片:第一个贴在沥青梁的上表面，另一个贴在下表面，取它们的平均值来消除测试期间梁弯曲的影响。第三个应变片贴在参考的钛矽酸盐梁（α为0.03μm/m/°C）上来补偿环境温度的影响。 除此之外，用一个温度探头来测量沥青样品的表面温度。热应变ε可以写成下面的表达式：
   ε=α ΔT                           [1]
其中 α是线热膨胀系数
      ΔT是温度改变量
热的平衡
在温度变化之后, 在 3 小时期间内保持为常数,以便让钛矽酸盐梁和三个应变片在这个温度下达到热平衡。在每一个温度下达到热平衡之前，观察各个部分是缩短还是变长，每个部分的变化时期长短依赖 i) 它的尺寸上 ( 应变片对热平衡的反应比混合料的快多了），ii)它的thermo-physical系数,iii)温度的变化范围，iv)等等。从我们得到的结果来看，变化时期要持续一个小时。从图 7来看， 混合料的热膨胀系数和它们的热收缩系数非常的相近。（也可以见文献16）。下面把这两个系数认为是相同的。而且, 图 7着重指出在我们考虑的温度变化下( 从 -26 到 +24 ° C)这四种混合料的热膨胀系数非常的接近。Di Benedetto 和 Neifar(16),Serfass et al(17)， 使用一种特别设计的测试方法证实，在 5 ° C以下，热膨胀系数和温度的关系可以认为是线形的，当温度从从 5°C降到– 26°C，热膨胀系数慢慢的从大约30变到 15μm/m/°C。在 5 ° C以上，热膨胀系数近乎为定值。但样品的大变形会使测量值失真。室温的限制不允许试验温度低于 –26°C ，所以我们的结果中无法得出突变点（α-T曲线的斜率突变点）。Di Benedetto& Neifar(16) 已经指出混合料的各向异性的行为。他们测量了圆柱体试件的径向和轴向热膨胀系数，稍后发现他们有30 到 50%的差别。
样品的侧限热应力测试 (TSRST)
特别的，TSRST被认为是一个更优的试验来预测沥青混合料的低温冷却裂纹。这些试验以10°C/ h 的冷却率（初始温度为 5°C），利用Eurovia实验室的液压伺服系统来进行，重复两到三次，试件高250 毫米、直径60 毫米。用一个温度探头用来测量沥青样品的表面温度,热的扩散规律可以从量测的表面温度直接了解。室内空气用风扇来强制流动以便温度的扩散的均匀。样品的应变值取三个以 120 °放置在样品的周围的应变片的平均值。应变ε要求在整个测试期间保持为零，材料的变形被抑制，从而阻碍了产生破坏的拉伸应力的发展。应变可以看成是热应变和机械应变的总和。
机械应变, 可以用 DBN 黏塑性模型 (24-25) 描述 ( 本文不讨论），
热应变等于α*ΔΤ
而且,如图8所示，当温度从 5 °降到 -30个 °C四种混合料的热膨胀系数从 30 变化到 15m/m/ °C，侧限冷却试验中相对应的机械应变率分布在300~150m/m/ h之间（因为ε?=0）。采用位于顶端和底部的铝质帽来传递MTS的液压力，来避免试件接触面上过度的剪应力。铝的热膨胀系数的标准值大约是23?m/m/°C，它在我们考虑的温度范围内接近于混合料的热膨胀系数值。从我们的结果来看：当产生的热应力等于在300 m/m/h时得到的抗拉强度时，就会发生脆性失效。这意味着含掺合剂的沥青混合料的强度似乎仅仅是温度(18)和应变率的函数，而步依赖于先期应力和温度的变化路径。而且，它可以推广出脆性领域的抗拉强度只是些微的依赖应变率(图 4)。似乎可以通过任一应变率下的抗拉强度曲线来预测脆性破坏中的热裂纹，表1给出了称为破碎温度值TTSRST。因为等同于温度的改变，热应力越低，混合料的行为就越好。同样的， TSRST 破碎温度越小，混合料抵抗低温裂纹的能力就越大。
   因此，在四种研究的含掺合剂的沥青混合料中，两个掺了聚合体的混合料的抵抗低温裂纹的能力最好。而且，四种用相同配比但结合剂不同的沥青混合料的表现的也很容易区分。因而，对于我们研究的配合比设计，这证实了沥青的特性是沥青混合料抵抗低温裂纹的关键因素。在试验中我们没有考虑冷却率的影响。混合料的低温抗裂性已经在严格的条件下(-10°C/h)测量过了。但值得注意的是更切合实际的路面表面冷却率大概分布在0.5 到 2 ° C/ h(19) (20) 的范围中。在以往的文献结论中，Fabb(21)指出大于5°C/h的冷却率对开裂温度和开裂强度有少量的影响；从 Jung 和 Vinson 的结果 (22)来看，1°C/h和10°C/h的冷却率在开裂温度附近引起的热应力的差别高达100%。
特别的是，TTSRST的最大冷却率为1°C/h，这样就可以用“DBN”准则来容易的模拟。但沥青混合料的结果看起来不受试验所采用的冷却率的影响。因此在考虑沥青混合料的低温抗裂性时，用10°C/h的冷却率也可提供相关数据，而且速度快。
   最后，给定混合料的热应力能用Di Benedetto et al(24-26)和 Neifar et al(27-28)提出的理论来预测。用广义的黏塑性“DBN”准则来预测结果要用到i)组分模量测试的结果ii)混合料的抗拉强度iii)热膨胀系数。这个方法也可以有效的计算那些仅以线弹性为基础的材料。
   DBN准则已经证明了非线形对TSRST 预测结果的影响(25)(28)。而开裂温度可以用冷却率和拉伸强度曲线(27-28)来确定。 更多的相关内容可以翻阅参考文献(24-28)。
   混合料对热循环的抵抗力可以通过补充研究来测定，或者用“DBN”准则来作理论的推导而得出，对混合料的低温抗裂性或热循环抵抗力的排序都具有很大的价值。
  分析–讨论
    表1列出了我们研究的四种沥青混合料的参数 Tε=1% ，Tbdb, Tbdm(300μm/m/h)，Tbdm(45000μm/m/h)和 TTSRST（TSRST的失效温度）。表2归纳了上述各参数间得相互关系。首先，Tbdb 和 T ε=1%是彼此高度相关的(r2=0.977)。有一点必须明确：Tbdb的物理意义和样品的破坏类型直接相连，破坏类型又影响应力应变曲线的形状，这就是为什么它可以和以Tε=1%为依据的沥青结合剂的低温抗裂性关联起来的理由；其次，对于我们考虑的配合比设计， Tbdm(300μm/m/h) 和 Tbdm(45000μm/m/h)与Tbdb 也有非常好的相关性（各自的相关系数r2=0.936 and 0.908）和Tε=1%（各自的相关系数 r2=0.929 和 0.925）；再次 ，Tbdb 和 TTSRST 之间的相关系数为0.992。这证实了，在低温条件下，沥青混合料的失效特性可以用沥青的特性来预测。这些混合料和结合剂间的系数相关性还需要其他结合剂特别是其他混合料组分的试验来证明。在已经研究过的结合剂中，软化点和弗拉斯脆点并不能很好的指示沥青混合料的低温抗裂性。可以肯定的是，这两个传统的参数和Tε=1% ，Tbdb,Tbdm(300μm/m/h)，Tbdm(45000μm/m/h)和 TTSRST间的相关性不是很好。而 25°C针入度和Tε=1% ，Tbdb,Tbdm(300μm/m/h)，Tbdm(45000μm/m/h)和 TTSRST间的相关性也不是很好。 确实，我们知道在文献里，除了 Jung和 Vinson (23) (29)得出过15°C针入度和TTSRST间有十分好的相关性的结果外，都强调他们间的相关性的不明显(5)。最后，尽管我们关注25°C针入度，软化点和弗拉斯脆点，但在考虑沥青混合料的低温破坏行为时这些传统的测试既不能得出有关的数据也无法提供非常精确得排序。
   附带的说明，25°C针入度，软化点和低温破坏行为的相关性不好，明显是与他
们的测试时的温度条件的不同有关。
结论
  本文利用一个理性的途径，在大应变导致破坏时，来比较结合剂和混合料的性质得出下面得结论，并且提出了确定脆延性转变温度的新方法，用对应着抗拉强度-温度（给定应变率下峰值点）温度来表示。这个转变温度的确定也就更加的容易和准确。
  对于考虑过的结合剂，在依概率的脆延性转变温度方面对结合剂和混合料的拉伸试验结果对材料的排序结果是一致的。
   作为第一近值,混合料的脆性破坏领域(低温)的拉伸强度被看成独立于应变率。这一点很重要，在脆性破坏时我们可以提高应变率来节省时间。因为仅仅是一个大概的估计值，结合剂的脆性破坏(低温)时的拉伸强度近似的认为和混合料的很是接近，这个观点需要进一步的研究和证实。要求一个更大的实验室测试计划来进一步的探索应变率和配合比设计对结合剂和混合料拉伸强度的影响。
    低温参数如i)Tε=1% ，ii)和iii)Tbdm(300μm/m/h)，Tbdm(45000μm/m/h)，iv)TTSRST（TSRST的失效温度），表现出很好的相关性，分别按它们来对材料的低温性质排序也是一致的。 这意味着可以互相替代。  但是与传统参数（25°C针入度，软化点和弗拉斯脆点）的相关性，正如其他著者已经声明的一样，很差。同时在这个试验中我们还发现了更加理性的特征。