定义材料特性的指标

摘要：路面材料分为三种：1颗粒型材料及块料；2沥青类，3水硬性结合料类这些材料，定义材料特性的指标主要有：⑴ 变形特性又分为：颗粒材料的应变特性，水泥稳定类材料的应变特性，沥青混合料的应变特性。⑵ 强度特性分为：抗剪强度、抗拉强度、抗弯拉强度、水泥混凝土及无机结合料处治的的混合料的疲劳特征、沥青混合料的疲劳特性

关键词：变形特性、强度特性

Abstract: the road surface material is divided into three kinds: 1 particle profile and piece of material; 2 asphalt class, 3 water combination of rigid material these materials, define material characteristics of the main indexes are: (1) the deformation characteristics and divided into: particle materials of the strain characteristic, the strain of the cement stable kind of material properties, asphalt mixture of strain characteristics. (2) the strength characteristics into: shear strength, tensile strength, flexural strength and cement concrete with material and inorganic will of the mixture of fatigue feature, asphalt mixture of fatigue properties

Keywords: deformation characteristics and strength characteristics

中图分类号： S776.04 文献标识码：A 文章编号：

一、变形特性

（一）颗粒材料的应力

应变特性具有同路基土相似的非线性特性，除了受应力状况的影响外，颗粒类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，密实度越高，模量值越大，颗粒菱角多者较高的模量，当细料不多时含水量的影响很小。

对于用作基层和垫层的无结合料碎（砾）石材料，由三轴试验所得到的应力―应变关系的回弹模量值Er，也随着偏应力的增大而减小，侧限应力的增大而增大，但侧限应力的影响比粘性土的情况大的多。面层较厚时，传给粒料层的应力级位较小，碎（砾）材料的应力―应变关系可近似看成特性。但当面层较薄时，则必须考虑上述粒料层的非线性特性。一般按粒料层所受到的应力状况采用迭代的方法来确定相应的模量值，通常可取路基模量值得一定倍数，此倍数同粒料层的厚度和路基模量有关，大体变动在1.5~7.5范围内，一般情况下取2.5较合适

（二）水泥稳定类材料的应力

水泥稳定类材料包括水泥土和水泥稳定碎石或砾石粒料，常用作路面的基层和底基层。一般说来，应力―应变关系也呈现出非现状性，表征其关系的模量值，同路基土一样，是应力(偏应力Σ和侧应力Σ)状态的函数。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。

（三）沥青混合料的应力

沥青混合料的应力―应变特性同上述材料有很大的区别。

由于沥青混合料中含有沥青具有依赖于温度和加荷时间的弹―粘―塑性性状，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化的特性。

对沥青混合料进行三轴压缩试验。从试验结果可知，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，而且随着时间而发生塑性应变。随施加应力的级位和使用时间的不同，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―塑性等性状。同时，沥青材料的粘滞度受温度影响很大。低温时，混合料基本属于弹性体，而在常温和高温时，则相应变为弹―粘性和弹―粘―塑性体。沥青混合料在给定温度和加荷时间条件下的应力―应变关系的参数称为“劲度”。沥青混合料的劲度可采用不同试验方法得到，如蠕变模量试验、动态模量试验和会弹模量试验等。

二、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

分为以下三种

（1）路面结构层较薄导致刚度不足，在车轮传给土基的剪应力过大时，路基路面整体将发生剪切破坏。

（2）无结合料的粒料基层层位不合理―内部剪应力过大―部分结构层产生结构层破坏。

（3）面层结构的材料抗剪强度较低―受较大的水平推力―面层材料产生纵向或横向退移等各种剪切破坏

抗剪强度试验：三轴压缩试验（摩尔库仑理论）

τ=c+ tg

式中：c-材料的粘结力，kPa;-材料的内摩阻角

大量试验结果表明，沥青混合料的粘结力取决于许多因素：

沥青粘结度高―粘结力大

c和 随沥青针入度的变化

最佳沥青用量―粘结力大

c和 随沥青含量的变化

沥青温度升高、剪切速率下降：粘结力下降

沥青细料多、有棱角集料多―矿料与沥青吸附性好―粘结力增大

c和 随温度和剪切变形速率的变化

（二）抗拉强度

材料的抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力所提供。抗拉强度的破坏过程

由面层温度的下降―收缩受下卧层的摩阻约束―产生拉应力材料的抗拉强度小于拉应力。

抗拉强度的试验 主要有以下两种

直接拉伸试验

间接拉伸试验（劈裂试验）

σf= σf=

（三）抗弯拉强度

整体性材料（如水泥混凝土）及常温和低温的混合料都具有一定的抗弯刚度，在超过允许荷载 的作用下，结构层底面产生较大的拉应力，导致抗弯强度不足，最后断裂。

强度试验：简支小梁试验，试件尺寸不低于集料中最大粒径的4倍。加载方法采用三分点加载。

试验示意图

σf=

式中：P―破坏荷载，kN

l―支点间距，m

（四）疲劳特性

材料的疲劳是指弹性状态的路面材料承受重复应力作用低于静载一次作用的极限应力时产生破坏，从而强度降低。

疲劳破坏是指在材料微结构用料不均匀与应力集中的作用下，材料产生微损伤，在应力的重复下，微损伤逐步累积扩大，导致结构的破坏。

疲劳强度是指出现疲劳破坏的重复应力值。

疲劳极限是指材料在重复一定次数后，疲劳强度不再下降，趋于稳定值，此稳定值称为疲劳极限。

1、 沥青混合料的疲劳特性

沥青混合料疲劳特性的室内研究，

是在简支小梁或梯形悬臂式试件（弯曲疲劳）或者圆柱体试件（间接拉伸疲劳）上施加正弦或脉冲式变化的反复应力进行。

1） 试验方法和疲劳方程

（1） 控制应力试验

Nf=A

控制应力试验―材料的疲劳破坏以试件出现断裂为标志。

（2） 控制应变试验

Nf=C

控制应变试验―50%劲度模量初始值作为疲劳破坏的标准值。

控制应力试验是在试验过程中保持荷载或者应力值不变，这时，由于试件内的微裂隙逐步扩展，材料的劲度不断下降，因而荷载或者应力量虽然不变，而应变的增长速度却不断增大。

而控制应变是在试验过程中不断调节所施加的荷载或者应力，使应变量始终不变，在试验过程中材料劲度不断下降，维持相同的应变量所需的应力值也就不断减小。

2水泥混凝土及无机结合料处治的的混合料的疲劳特征

无机结合料性能的研究，大多是在室内通过对小梁试件施加反复应力进行的。反复应力由 max(最大)变动到零（或接近零）的循环内进行。如果反复应力的低值不是零，则随着低应力 min(最小)的增大，达到疲劳破坏时的作用次数也相应增长。

三、结论

荷载作用下发生于路面结构内的应力、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，这是进行路面结构分析必须知道的重要特性。

疲劳破坏是沥青类和水泥混凝土路面的一种重要的破坏现象。疲劳特性的室内研究已经相当充分，但是由于室外实际条件比室内试验条件复杂的多，在利用室内试验所得到的试验结果来预估路面实际疲劳寿命方面，还要做很多工作。

参考文献

1、材料力学（第三版） 李庆华 西南交通大学出版社 2005

2、公路沥青混凝土路面设计规范 JTG D50―2006 人民交通出版社

3、水泥混凝土的弯曲疲劳特性 石小平等

土木工程学报 1990 23（3） 11-12

4、道路建筑材料 严家岌 人民交通出版社 1986

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