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公路科普 | 公路工程材料的强度特征

喜跃发集团

2024-09-14

不同于变形特性，强度代表材料抵抗极限荷载的能力，包括抗压、抗剪、抗拉、抗弯。抗压包括单轴压缩、双轴压缩和三轴压缩，抗剪包括直接剪切、单轴剪切、双轴剪切、三轴剪切等，抗拉包括直接拉伸、间接拉伸等，抗弯按照加载方式包括三点梁弯曲、四点梁弯曲等。用一句话总结强度与变形的差异：强度相同的材料可能拥有不同的变形行为，具有相同变形行为的材料可能拥有不同的强度；变形表征材料的性质，强度表征材料的能力。如下图所示，当材料强度不足时，路面会产生开裂，需要维修或重建。

图1 路面因强度不足产生开裂示意图

就强度形成机理而言，还需要回顾材料的细观结构组成：公路混合料细观结构的一个重要特征是：（1）绝大部分体积是由颗粒组成的，颗粒是形成强度的重要原因；（2）粘结材料是组成混合料的另外一种组分，是形成强度的另外一个重要原因；（3）混合料中存在空隙，空隙是影响强度的重要因素；（4）颗粒受环境影响相对较小，而有些粘结材料（譬如沥青）对环境条件敏感性很强；（5）加载条件，一方面影响混合料的应力状态，另一方面，也直接影响材料的破坏模式，也是强度特性的重要影响因素。故此，分析公路混合料的强度特性，需要综合考虑其细观结构特征、环境条件、加载条件等。本节把公路混合料分为四类，分别探讨它们的强度特性：

（1）粒料类混合料的强度。从如上描述的强度形成机理而言，粒料类混合料中的粘结较弱且不稳定，其强度主要来源于集料颗粒。虽然，单颗粒模量和强度很高，但颗粒间粘结较弱，颗粒容易相互错动，发生重排，进而强度较小。由于粘结较弱，抗拉和抗弯强度极小，可以忽略不计，重点关注抗压与抗剪强度，可采用摩尔库伦定律研究其强度特性。颗粒类混合料一般用于路面基层、底基层、垫层，或者用于路基填料。当用在路面结构层中，设计要求各层材料处于小变形、弹性状态，不涉及到材料强度问题；当用作路基结构中，一般也不涉及强度问题，仅当涉及边坡失稳时才考虑填料的抗剪强度问题。故此，粒料混合料承载力通常用变形参数表征，譬如回弹模量、弯沉等指标。

（2）水泥混凝土的强度。从强度形成机理而言，水泥混凝土中粘结料极强且稳定，其强度主要来源于水泥砂浆，粗集料一般悬浮在砂浆中，集料颗粒间的摩阻力影响相对较小或可以忽略不计。四类强度参数中，抗压、抗剪强度往往不是问题，重点关注抗弯、抗拉强度。水泥路面设计规范以28d龄期的弯拉强度作为设计控制指标。

（3）无机结合料稳定类混合料的强度。与水泥混凝土类似，无机结合料稳定类混合料的强度也来自于两方面，即集料颗粒的内阻力及粘结材料的内聚力，不同的是粘结材料变成无机结合料。相对于水泥砂浆，无机结合料具有相对较弱的内聚力，相对于水泥混凝土的悬浮集料颗粒，无机结合料稳定类混合料中的集料颗粒占据体积比较大，内阻力发挥重要作用。故此，无机结合料稳定类混合料的强度包括由无机结合料的内聚力和集料颗粒的内阻力两方面，前者破坏模式为开裂，后者破坏模式是颗粒间发生滑移而引起的剪切。换句话说，无机结合料稳定类混合料的强度表现为抗压强度、抗剪强度、弯拉强度和抗拉强度。在2017年发布的沥青路面设计规范中，路面结构层设计参数是相应龄期（水泥稳定类90天，石灰稳定类、石灰粉煤灰稳定类180天）条件下的弯拉强度。另外，在该规范中，还规定了无机结合料稳定类混合料的材料控制参数，包括7d无侧限抗压强度和冻融条件下的残留抗压强度比。

（4）沥青混合料的强度。如上三类混合料都可以用弹性元件和塑性元件表征，虽然，每个元件发挥的作用有所不同，但它们在强度形成机理上具有相似性。不同于三类混合料，用以表征沥青混合料的力学元件除了弹性元件和塑性元件，还包括粘性元件和粘弹性元件。且其强度具有温度、加载频率（时间）依赖性：

高温条件下，沥青结合料刚度较低、且粘性流动性较强，造成集料颗粒之间的粘结刚度不够且不稳定，表现为明显的压剪破坏，抗压、抗剪强度成为主要强度控制指标。
低温条件下，沥青结合料刚度较大，表现为弹性或粘弹性，集料颗粒之间具有较大的粘结强度和稳定性，集料颗粒产生滑移、重排的可能性较小，强度主要控制指标以抗弯、抗拉为主，破坏模式表现为弯裂、拉裂。

在公路工程中，用来表征沥青混合料强度参数通过沥青层层底拉应变作为控制指标，同时，沥青混合料还需要满足如下强度要求：

高温条件下，沥青混合料车辙试验动稳定度要满足规范要求；同时，单轴贯入强度也需要满足规范要求。
考虑湿度影响，浸水马歇尔残留稳定度应满足规范要求。
低温条件下，宜在温度为-10℃，加载频率10mm/min条件下做小梁弯曲试验，破坏应变应满足规范要求。
考虑冻融影响，冻融劈裂试验残留强度比需要满足规范要求。

用一句话总结公路混合料的强度特征：两类抗力（粘聚力、内阻力），四种强度（压、剪、拉、弯）。基于此，总结影响强度的因素包括：

针对颗粒类混合料，颗粒摩擦系数（表面纹理）、颗粒嵌挤（级配、形态特征），含水量、毛细作用，边界条件（围压）及粉粒含量等。
针对水泥混凝土，含水量变化（干缩）、温度变化（温度应力）、温度梯度（温度应力）、湿度梯度（湿度应力）、荷载条件、细观结构组成等。
针对无机结合料稳定类混合料，颗粒摩擦系数（表面纹理），颗粒嵌挤（级配、形态特征），含水量、毛细作用，边界条件（围压），温度、湿度变化（产生附加应力）等。
针对沥青混合料，高温变形、低温开裂，湿度（降低强度），温度、湿度变化（产生附加应力），颗粒摩擦系数（表面纹理），颗粒嵌挤（级配、形态特征），加载时间、频率等。

喜跃发集团创建于1984年，四十年来专注于道路行业，是一家以道路材料研发及生产、道路检测、新建、养护、再生全产业链为核心业务的高新技术企业。现有1个研究中心，3个实验室，7大生产基地，18位国内外专家，下设5大业务板块，拥有66项国家专利，主导和参与编制了地方、行业、国家30多项标准。下属喜跃发国际环保新材料股份有限公司在新三板创新层挂牌（证券代码：872538），是山西省重点上市后备企业。

公司是中国公路学会理事、养管分会副理事长单位，是交通部认定的“全国公路科普教育基地”，国家发改委认定的“国家循环经济标准化企业”以及工信部认定的国家专精特新“小巨人”企业。多年来在公益扶贫、慈善捐助中捐款累计达8000多万元。