1、淺敘瀝青材料流變學(xué),徐闖 2015.5.23,1,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,內(nèi)容要點(diǎn),第一節(jié) 引言 第二節(jié) 國(guó)內(nèi)外瀝青流變特性研究狀況 第三節(jié) 流變學(xué)性質(zhì)的基本概念 第四節(jié) 瀝青的流變性質(zhì)及評(píng)價(jià)指標(biāo) 第五節(jié) 瀝青混合料的流變性質(zhì)及評(píng)價(jià)指標(biāo) 第六節(jié) 結(jié)語(yǔ),2,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,第一節(jié) 引言,隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,道路所承受的交通量、交通荷載及輪胎壓力不斷增加,由此導(dǎo)致瀝青路面的車(chē)轍、開(kāi)裂、剝落等病害日益嚴(yán)重。如何提高瀝青路面的使用性能,以滿(mǎn)足交通發(fā)展的需要,這是全世界道路工作者所面臨的重要課題。,瀝青路面車(chē)轍現(xiàn)象,瀝青路面開(kāi)裂現(xiàn)象

2、,3,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,瀝青是一種具有彈性、粘性和塑性的流變性材料，在高溫時(shí)軟化呈流體，低溫硬化變脆呈固體。而路面尤其是高等級(jí)路面要求所采用的瀝青在高溫時(shí)不易軟化產(chǎn)生車(chē)轍，在低溫時(shí)不易硬化導(dǎo)致開(kāi)裂。然而單一的石油瀝青受其生產(chǎn)工藝與母體原油性質(zhì)所限，很難滿(mǎn)足上述流變性要求。瀝青材料的性能是受溫度及負(fù)載作用時(shí)間的影響的 ,并不是不變的常數(shù)。因此，路面設(shè)計(jì)、路面內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變分析、理論計(jì)算等仍停留在理論上,如若付諸于實(shí)際應(yīng)用,還必須從研究瀝青材料的性質(zhì)入手。瀝青材料流變學(xué)乃是研究瀝青材料性質(zhì)科學(xué)的方法。,4,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,

3、第二節(jié) 國(guó)內(nèi)外瀝青流變特性研究狀況,從國(guó)內(nèi)外研究情況來(lái)看，以流變學(xué)理論為基礎(chǔ)，開(kāi)展對(duì)瀝青及瀝青混合料流變特性的研究，是材料科學(xué)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。從法國(guó)、瑞士、荷蘭等國(guó)的情況來(lái)看，大約70%80%的研究工作是以流變學(xué)為基本理論，從理論上探討其力學(xué)特性與試驗(yàn)性能。SHRP研究結(jié)果認(rèn)為，材料的流變特性可以用在恒定的溫度或恒定的頻率或載荷時(shí)間條件下復(fù)合模量和相位角隨頻率的變化表示。我國(guó)在這方面起步較晚，且研究工作沒(méi)有連續(xù)性，缺乏系統(tǒng)的數(shù)據(jù)積累。瀝青材料主要為石油瀝青，在公路建設(shè)中有著重要的應(yīng)用，但它的流變性能及流變模型，在世界范圍內(nèi)的認(rèn)識(shí)不盡詳細(xì)。,5,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加

4、文本,至目前為止，國(guó)內(nèi)外研究流變學(xué)的途徑一般有兩種： 一種是用流體力學(xué)中的數(shù)學(xué)方式建立起一些方程式（如運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程等）來(lái)描述體系的流變性，而不去追究其內(nèi)在原因； 一種是將觀(guān)察到的體系的力學(xué)行為與物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，并建立相應(yīng)的關(guān)系式或指標(biāo)說(shuō)明這一關(guān)系。 一般情況下，研究瀝青都采用第二種途徑。而瀝青的流變性主要是瀝青的流動(dòng)性和粘彈性。,6,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,第三節(jié) 流變學(xué)性質(zhì)的基本概念,3-1 流變性質(zhì)與流變學(xué)概念 3.1.1 材料的流變性質(zhì) 在夏季高溫季節(jié)。在瀝青路面中，瀝青遇熱膨脹，成為自由瀝青，他將向空隙移動(dòng)并可能形成泛油，造成道路的破壞。然

5、而我們掌握了評(píng)價(jià)瀝青及瀝青混合料流變性質(zhì)的指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行分析，將其應(yīng)用于實(shí)際工程中，能夠讓瀝青路面更少的損壞，有著實(shí)際的意義。,7,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,流變學(xué)是研究物質(zhì)流動(dòng)和變形的科學(xué)，它主要研究材料在應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、濕度、輻射等條件下與時(shí)間因素有關(guān)的變形和流動(dòng)的規(guī)律。它包括材料的塑性、彈性、粘性、形變等內(nèi)容，并將應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間、溫度、分子結(jié)構(gòu)、界面性質(zhì)等因素對(duì)材料力學(xué)性質(zhì)的影響作為研究對(duì)象。,3.1.2 什么是流變性質(zhì) ？,瀝青混合料彎曲蠕變?cè)囼?yàn),8,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,第四節(jié) 瀝青的流變性質(zhì)及評(píng)價(jià)指標(biāo),4-1 瀝青

6、的流變性質(zhì) 4.1.1 瀝青材料的流動(dòng)性 在高于瀝青軟化點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)，瀝青材料主要表現(xiàn)粘性流動(dòng)特性。粘度的大小表征了材料在外力作用下抵抗流動(dòng)變形的能力，粘度越大，材料在相同外力作用下產(chǎn)生的流動(dòng)變形越小。 對(duì)石油瀝青，即使高于軟化點(diǎn)溫度（已經(jīng)成為流體），但并不服從牛頓定律（即剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的簡(jiǎn)單線(xiàn)性比例關(guān)系），而屬于非牛頓流體。對(duì)這些瀝青材料，要測(cè)定粘性系數(shù)將是困難的，因?yàn)榧羟兴俾实淖兓瘜y(cè)得不同的數(shù)值。因此，使用上都是固定某一個(gè)條件測(cè)定其條件粘度。將剪應(yīng)力與剪邊率之比稱(chēng)為視粘度，或叫表觀(guān)粘度。,9,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,4.1.2 瀝青材料的粘彈性,瀝青是一

7、種粘彈性材料，粘彈性材料一個(gè)始終不變的特征就是它的力學(xué)特性隨載荷施加的時(shí)間和溫度而變化。 瀝青材料具有松弛能力，降溫時(shí)瀝青面層由于收縮變形產(chǎn)生的溫度應(yīng)力逐漸松弛，使得瀝青路面能夠不產(chǎn)生收縮裂縫。但是降溫幅度過(guò)大，或者瀝青材料的應(yīng)力松弛能力不足時(shí)，溫度應(yīng)力超過(guò)材料的破壞強(qiáng)度，瀝青材料將會(huì)發(fā)生低溫開(kāi)裂。同樣，由于瀝青路面材料具有蠕變特性，高溫下產(chǎn)生的車(chē)轍病害不僅來(lái)源于瀝青的粘性流動(dòng)變形，也與未能恢復(fù)的蠕變變形累計(jì)有關(guān)。蠕變速率能真實(shí)地反映瀝青及其混合料的流變特性和高溫性能。,10,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,研究瀝青的高溫車(chē)轍和低溫開(kāi)裂問(wèn)題必須研究瀝青的蠕變性能和應(yīng)力松

8、弛性能。同樣，蠕變和應(yīng)力松弛也是瀝青材料粘彈性力學(xué)領(lǐng)域中研究的基本力學(xué)現(xiàn)象。,蠕變：恒定溫度下，固體材料在保持應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象（蠕變曲線(xiàn)如圖1）。 應(yīng)力松弛：在恒定的應(yīng)變條件下，應(yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)而減小（松弛曲線(xiàn)如圖2）。,圖1,圖2,11,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,4-2 瀝青的流變性質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo),12,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,4.2.1 針入度,針入度實(shí)驗(yàn)是在規(guī)定的溫度和時(shí)間內(nèi)，在一定溫度和時(shí)間內(nèi)，附加一定質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)針垂直灌入試樣的深度，以0.1mm表示，針入度用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青軟硬程度和稠度、抵抗剪切破壞的能力

9、，反映在一定條件下瀝青的相對(duì)黏度的指標(biāo)。針入度愈大表示瀝青愈軟，即稠度愈??；反之則表示瀝青愈硬，即稠度愈大。,針入度儀,13,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,我國(guó)現(xiàn)行試驗(yàn)法（T 06041993）規(guī)定：常用的實(shí)驗(yàn)條件為P25,100g,5s。此外，在計(jì)算針入度指數(shù)時(shí)，試驗(yàn)溫度常常為5,15,25，35，但標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和貫入時(shí)間仍為100g和5s。 值得注意的是，現(xiàn)在國(guó)際上對(duì)15針入度越來(lái)越重視，美國(guó)SHRP公司通過(guò)對(duì)瀝青混合料低溫開(kāi)裂的評(píng)價(jià)研究提出，原樣瀝青（未老化的）、TFOT殘留瀝青（經(jīng)短期老化），PAV殘留瀝青（經(jīng)長(zhǎng)期老化），其 15針入度與反映瀝青混合料低溫開(kāi)裂性能

10、的約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)（TSRST）的破斷溫度之間有良好的相關(guān)關(guān)系。（王子軍，張書(shū)紅，李銳.AH-90 重交通道路瀝青的感溫性研究J.石油瀝青，2002,16(3):6-9 . ）,14,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,4.2.2 軟化點(diǎn),把確定質(zhì)量的鋼球置于填滿(mǎn)試樣的金屬環(huán)上，在規(guī)定的升溫條件下，鋼球進(jìn)入試樣，從一定的高度下落，試樣，從一定的高度下落，當(dāng)鋼球觸及底層金屬擋板時(shí)的溫度，視為軟化點(diǎn)，以攝氏溫度表示（），軟化點(diǎn)越高，表明瀝青的耐熱性越好，即溫度穩(wěn)定性越好。它在一定程度上反映瀝青黏度和高溫穩(wěn)定性及感溫性。,瀝青軟化點(diǎn)儀器,15,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊

11、添加文本,點(diǎn)擊添加文本,瀝青的軟化點(diǎn)認(rèn)為是瀝青在一定條件下的等粘溫度，常用于評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能，軟化點(diǎn)高意味著瀝青的等粘溫度高混合料的高溫穩(wěn)定性就好（張南鷺.60高粘度瀝青路用性能評(píng)價(jià).石油瀝青. 1998,12(1).）。軟化點(diǎn)與脆點(diǎn)間的溫度之差常用作塑性溫度范圍來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的使用性能。 我國(guó)仍采用軟化點(diǎn)指標(biāo)來(lái)表征改性瀝青的高溫性能。,16,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,4.2.3 延度,延度試驗(yàn)是將瀝青做成8字型標(biāo)準(zhǔn)試件，在25攝氏度下，要求通常采用溫度為25C、15C、10C、5C，以50mm每分鐘（當(dāng)?shù)蜏夭捎?cm每分鐘）速度拉伸至斷裂時(shí)的長(zhǎng)度（cm），即為延度

12、。延度越大，表明瀝青的塑性越好。延度是評(píng)定瀝青塑性的重要指標(biāo)。,延度儀,17,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,在傳統(tǒng)的瀝青評(píng)價(jià)方法中，其低溫性能是用脆點(diǎn)和延度進(jìn)行表征的。瀝青的延度反映了當(dāng)其受到外力的拉伸作用時(shí)，所能承受的塑性變形的總能力，通常延度是用作為條件延性指標(biāo)來(lái)表征。（李秀君，景彥平，原健安，戴經(jīng)梁.瀝青延度與流變特性關(guān)系研究分析(二).石油瀝青.2002,16.） 測(cè)力延度儀（FDT）可以準(zhǔn)確地分別顯示試樣在拉伸過(guò)程中力、變形和做功的變化情況。,18,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,瀝青在高溫下具有流動(dòng)性，在外力的作用下，內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)

13、動(dòng)。另一方面，在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，還有一種抗拒內(nèi)在的向前運(yùn)動(dòng)的特性，稱(chēng)為粘性。粘性是流動(dòng)性的反面。在我國(guó)，夏季瀝青路面的溫度可達(dá)5070，測(cè)定 60的粘度真實(shí)的反映路面的實(shí)際使用情況，粘度大的瀝青說(shuō)明在載荷作用下產(chǎn)生較小的剪切變形，彈性恢復(fù)性能好，殘留的永久塑性變形小，這就是抗車(chē)轍能力的本質(zhì)（劉忠信.道路瀝青標(biāo)準(zhǔn)若干指標(biāo)的討論. 石油煉制與化工.1994,25.）。,4.2.4 粘度,19,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,第五節(jié) 瀝青混合料的流變性質(zhì)及評(píng)價(jià)指標(biāo),瀝青路面的低溫開(kāi)裂問(wèn)題是道路工程中的一個(gè)難題，瀝青路面使用的瀝青混合料具有應(yīng)力松弛能力，降溫時(shí)其面層由于收縮變形產(chǎn)

14、生的溫度應(yīng)力逐漸松弛，使得瀝青路面能夠在不設(shè)收縮縫的情況下正常工作而不至于發(fā)生開(kāi)裂。但是如果降溫幅度過(guò)大，或者瀝青混合料的應(yīng)力松弛能力不足，使得溫度應(yīng)力超過(guò)材料的破壞強(qiáng)度，瀝青路面將發(fā)生設(shè)計(jì)時(shí)考慮不到的低溫開(kāi)裂。,51 概述,20,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,52 瀝青混合料的流變性質(zhì),瀝青混合料是瀝青和石料的混合材料,被認(rèn)為是一種典型的顆粒性材料，它的顆粒骨架空隙被具有粘彈性的瀝青漿體不完全填充，在通常的工作條件粘彈性的瀝青漿體不完全填充，在通常的工作條件下，這種混合料的流變特性也表現(xiàn)為粘彈性。,21,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,瀝青是

15、一種均質(zhì)性的粘彈性材料，而瀝青混合料是一種顆粒性的粘彈性材料，這也就是它們?cè)诹髯兲匦苑矫娲嬖诓町惖脑蛩?，因此，二者的力學(xué)特性既存在一些相似性，又有許多差異性。,瀝青與瀝青混合料之間的結(jié)構(gòu)相關(guān)特性,22,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,5-3 瀝青混合料的流變性質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo),23,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,瀝青路面開(kāi)裂的一個(gè)重要因素就是瀝青的收縮因其應(yīng)力集中，當(dāng)瀝青（瀝青混合料）的收縮變形大于瀝青（瀝青混合料）自身的松弛應(yīng)變，或累積的溫度應(yīng)力大于瀝青的粘接強(qiáng)度，瀝青路面就會(huì)開(kāi)裂。因此，測(cè)定瀝青（瀝青混合料）的收縮系數(shù)，可用作為評(píng)價(jià)瀝青（瀝青混合料）的抗開(kāi)裂能力。,5.3.1 收縮,24,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,蠕變模量常作為瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算參數(shù)，表征了在蠕變過(guò)程中材料單位應(yīng)變所需的應(yīng)力，對(duì)一個(gè)完善的彈性材料來(lái)說(shuō)，它是蠕變?nèi)崃康牡箶?shù)，此外還有拉伸柔量、剪切柔量等。,5.3.2 蠕變模量,25,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,點(diǎn)擊添加文本,在黏彈性固體的應(yīng)力松弛中，與單位應(yīng)變相對(duì)應(yīng)應(yīng)力(時(shí)間函數(shù))稱(chēng)作松弛彈性模量。應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小。但不為0，由于施加于材料上的外力作用時(shí)間是一個(gè)變量，因此松弛彈性模量是時(shí)間的