（道路与铁道工程专业论文）采用间接拉伸试验评价沥青混合料低温性能研究.pdf

摘要 本文研究的目的在于提出更加适合于我国评价沥青混合料低温性能的试验 方法。通过对现有的各种试验方法试验设备、试验条件和影响因素的对比分析， 提出采用劈裂试验评价沥青混合料的低温性能。 本文对未老化、短期老化和长期老化后的沥青混合料进行了劈裂试验，分析 了不同老化状态下沥青混合料的低温抗裂性能。研究发现，未老化的沥青混合料 的低温性能不能反应和预测老化后的性能，短期老化后的试件在评价沥青混合料 低温性能时比长期老化后的敏感。研究提出采用短期老化后的试件评价沥青混合 料低温性能。 另外，依据以上研究结果对采用短期老化试件的劈裂试验从不同成型方式、 不同级配、不同沥青种类、不同加载速率等方面对其试验参数的影响做了相关的 对比和分析。初步提出了劈裂试验的评价参数。 关键词： 沥青混合料的低温抗裂性试验方法劈裂试验老化力学指标 a b s t r a c t t h ea i mo ft h i sp a p e ri st oc h o o s em o r eu n i f i e da n ds u i t a b l et e s tm e t h o d sf o r e v a l u a t i n gt h ea n t i c r a c k i n g o fa s p h a l tm i x t u r e sa tl o wt e m p e r a t u r e t h r o u g h c o m p a r i n ga n da n a l y z i n g t h et e s t i n g e q u i p m e n t s ，e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n sa n d i n f l u e n c ef a c t o r so ft h ee x i s t i n gt e s tm e t h o d s ，t h ei n d i r e c tt e n s i l et e s th a sb e e np u t f o r w a r d n o w a d a y s ，t h ei n f l u e n c eo fa g i n gp r o c e d u r eh a sn o tb e e nc o n s i d e r e di n e v a l u a t i n gt h ea n t i c r a c k i n go f a s p h a l tm i x t u r e sa tl o wt e m p e r a t u r e p r e s e n t l yr e s e a r c h a n de v a l u a t i o nm e t h o do ni ta r ev e r yl i m i t e d t h r o u g ht h ei n d i r e c tt e n s i l et e s ta t d i f f e r e n ta g i n gc o n d i f i o n ，r e s e a r c hf o u n dt h a t ：t h ep e r f o r m a n c eo fn o a g i n ga s p h a l t m i x t u r e sa tl o wt e m p e r a t u r ec a nn o tr e f l e c ta n df o r e e a s tt h ep e r f o r m a n c eo fa g i n go n e ； t h et e s tu s i n gt h es h o r t - t e r ma g i n gm i x t u r e si sm o r es e n s i t i v et h a nu s i n gl o n g - t e r m o n e t h er e s e a r c hb r i n g st h a tu s i n gt h es h o r t - t e r ma g i n gm i x t u r e st od ot h et e s t b a s e do nt h et e s tr e s u l t ，t h i sp a p e rd o e ss o m ed e e p l ya n a l y s e sa b o u tt h ei n f l u e n c e f r o md i f f e r e n ta s p e c t sf o re v a l u a t i n gt h ea n t i c r a c k i n go fa s p h a l tm i x t u r e sa tl o w t e m p e r a t u r eu s i n gs h o r t - t e r ma g i n gm i x t u r e s k e yw o r d s ：a n t i c m c l 【i n go f a s p h a l tm i x t u r e sa tl o wt e m p e r a t u r e ， t e s tm e t h o d s ，t h ei n d i r e c tt e n s i l et c 瓯a g i n g ，d e s i g ni n d e x e s 一 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做豳重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：开姝。6 年6 月r 2 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阕以及申请 专稠等权利。本人离校后发表或使爝学位论文或与该论文点接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：卉昧 导师签名： 谶云 0 6 年月1 2 日 。6 年6 月一；日 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 自本世纪三十年代起，高等级公路的出现及其迅速发展，标志着现代化公路 建设的开始，它为经济的繁荣奠定了坚实可靠的基础。在高等级公路建设中，沥 青路面作为一种无接缝的连续式路面，由于其自身的优点，如具有足够的力学强 度，能很好的承受车辆通过路面所产生的各种作用力，行车平稳、舒适无扬尘、 振动和噪音小等，现在越来越受到世界各国的重视。如美国在1 9 7 3 年沥青路面 已占高等级公路的8 6 3 ，英国在1 9 7 5 年高达9 8 1 ，西德占8 0 9 g 。在我国，自 1 9 5 5 年京周公路沥青路面机械化施工出现后，沥青路面近二十年有了很大的发 展，在我国迄今为止建设的高等级公路绝大部分采用的是沥青路面。因此深入开 展沥青材料及沥青混合料的研究，对我国公路建设的发展，具有重大的经济意义 和现实意义。 伴随着沥青路面的建设，沥青路面的损坏现象也突现出来，裂缝是沥青路面 的主要病害类型之一。裂缝虽然在初期并不影响沥青路面的使用，但裂缝往往是 沥青路面其他病害的开端，沥青路面的早期病害现象，诸如松散、坑槽、冲刷和 唧泥现象等，都是因为由于裂缝的存在，路表的雨水或雪水随缝侵入沥青路面内 部造成的。因而沥青路面的开裂是各国道路界普遍关心的问题，沥青混合料的低 温抗裂性能也一直是一个热门话题。 沥青混合料的低温抗裂性能是指沥青路面在低温条件下抵抗因温度应力而 引起的开裂的能力。温缩裂缝是最常见的沥青路面开裂破坏，它是由于温度骤降， 混合料的应力松弛性能赶不上，温度下降产生的应力超过了材料的极限抗拉强 度。或者说，在通常温度条件下，沥青混合料的劲度较低，气温下降后，材料的 应变能力急剧降低，导致材料的劲度模量急剧增大，超过了产生开裂的极限劲度， 便产生开裂。温缩裂缝在国内外的寒冷地区都有发生，是我国北方地区十分普遍 和严重的路面病害之一。 温缩裂缝通常垂直于路线方向，裂缝间距变化在数米至1 0 0 米之间，当路面 宽度大于裂缝间距时，还将产生纵向温度裂缝。 沥青路面的低温裂缝在国外及国内都是十分普遍和严重，北美、加拿大、日 本、北欧等气候寒冷地区在六十年代就注意沥青路面的低温裂缝的严重性，并进 行了大量的研究。在我国，随着高等级公路沥青路i i i l 拘修筑以及里程的日益增加， 沥青路面低温裂缝问题逐渐凸现出来，并引起各方足够的重视，我国在八十年代 以来，也开展了不少的研究工作，特别是在“七五”和“八五”期间，在相关专 题研究中，对沥青路面混合料低温性能进行系统深入的研究，取得了不少研究成 果，为沥青路面的发展做出了贡献。 但是必须看到，沥青路面的低温开裂仍然是困扰世界各国沥青路面的主要问 题，沥青路面的低温病害依然是世界各国道路界不衰的研究课题，随着认识的不 断深化，技术的进步，测试手段的改进，将对解决沥青路面低温病害有很大的推 进。 我国现行的规范的设计方法主要是马歇尔设计方法。马歇尔法是一种经验性 的体积设计法，它是通过室内试验，根据稳定度一流值、密度一空隙率的分析， 提出适合的混合料配合比。该法主要考虑的是沥青混合料的高温性能，没有考虑 其低温性能，一般是先确定初步设计然后进行低温性能的验证，它是通过体积指 标的限制来实现对路用性能的控制，但由于体积指标不仅受测试条件和计算方法 的影响大，且体积指标无法与沥青混合料性能力学指标建立相关性，也不能用于 预测沥青混合料使用性能和寿命，因此造成沥青结构设计和材料设计相互割裂， 无法实现材料与结构一体化设计。另外在现行沥青混合料的设计方法中，设计阶 段很难预测沥青混合料的路用性能。 纵观现行沥青混合料设计体系，包括路面病害分析、设计阶段的材料选择、 配比设计以及沥青混合料性能预测等方面没有一个统一的主题和核心，使得材料 选择一混合料设计一结构设计等环节相互割裂，不能进行综合设计，无法得到最 佳的设计结果，这也是沥青混合料设计研究工作始终无法取得重大突破的主要原 因。所以良好的配合比设计应是以力学参数为设计基础的，且参数不仅可以用于 沥青混合料配比设计，同时该参数也可以作为路面设计参数，并可用于沥青混合 料的性能预测模型。 目前在沥青混合料设计中，附加有一些性能检验方法，但这些方法如车辙试 验等都需另行成型试件，且不能作为力学参数来用，不能直接用于混合料配比设 计，且各参数不能用于性能预测和沥青路面结构设计。 2 一 本项目针对沥青混合料低温性能试验方法和参数上面的不足，在试验研究和 分析沥青混合料低温性能的基础上，研究适合于评价我国沥青混合料低温力学性 能的试验方法和参数 1 2 国内外研究现状及分析 路面的低温抗裂问题一直是国际学术界研究的重点内容，沥青的低温开裂问 题在国外5 0 年代后期就得到的很高的重视，例如在北美、加拿大、日本、北欧 等地。加拿大在6 0 年代开始对沥青混凝土面层的低温收缩开裂进行系统地研究， 他们认为，路面的低温裂缝是由低温引起的，使用低温流动性好的沥青可以减少 这种横向开裂的产生。日本、澳大利亚、美国等国家先后制定了这方面的研究计 划。 沥青混合料低温抗裂按其研究方法可以分为三种，一种是调查法，就是对实 体工程或铺筑的试验路裂缝的调查，调查开裂率、分析低温裂缝发生机理和影响 因素，另一种是室内研究，室内研究主要重于对材料的研究，以及对能反映沥青 及沥青混合料低温性能的试验方法和试验指标的研究；第三种是理论研究，主要 是通过影响因素与裂缝的相关分析，建立预测温度裂缝模型。 调查研究方面，首先以加拿大研究为最早，加拿大曼尼都巴公路局与加拿大 壳牌石油有限公司从1 9 6 7 年开始对圣安妮试验路横向开裂进行2 0 年的跟踪调 查，建立了不同路面结构和横向开裂的关系、沥青劲度与裂缝的关系，在此基础 上，根据混合料性质预测开裂温度、临界开裂温度，并提出了沥青分级标准及使 用的不同地区。美国的著名的宾州试验路、俄亥俄州试验路都对沥青路面的低温 开裂进行了分析研究，对不同试验路回收的沥青样品的分析，认为沥青路面的低 温开裂与沥青的品质有很大关系，认为沥青的劲度、延度、低温针入度与沥青路 面的开裂有较好的相关性。日本的名神高速公路调查表明沥青的针入度，尤其是 老化后的针入度与沥青路面的抗裂性能有密切的关系。我国在“七五”和“八五” 科技攻关期间，也对路面的开裂作了大量的调查，如“八五”期间，北京市市政 工程研究院开展的北京地区沥青路面低温裂缝调查研究对常用的沥青、不同沥青 混合料类型、路面结构、交通状况对路面开裂的影响进行了调查和分析，得出了 有价值的结论。在调查中发现影响低温开裂的重要因素，是回收沥青的质量，而 不是原样沥青的质量，说明沥青试验样品的准备过程对沥青低温性质的评价至关 重要。 大量研究和调查分析认为，沥青路面的开裂与沥青路面材料及配比设计有很 大的关系，沥青材料本身的特性是影响低温开裂的主要因素，沥青的选择至关重 要，这就涉及到沥青规范和标准。传统规范是建立在针入度分级和粘度进行分级 体系上的，工程实践和研究表明，传统规范存在着以下缺陷( 1 ) 没有低温试验 方法和指标，( 2 ) 没有考虑沥青的老化状态( 老化对沥青结合料的低温开裂和疲 劳耐久性有非常大的影响) ，( 3 ) 各试验指标属试验性指标，与沥青的实际路用 性能相关性不大。 在低温开裂研究中，不同国家提出了不同的低温指标，如美国认为4 c 针入 度，日本认为5 。c 针入度，芬兰认为- - 5 c 针入度是评价沥青低温性能的指标： 国外对采用低温延度评价沥青的低温性能给予较高的评价，如美国和匈牙利提出 采用4 延度，德国7 c5 f 1 1 3 延度前苏联0 延度作为沥青低温指标，另外诸 如脆点等也被用于评价沥青的低温性能。 以这些指标与沥青的低温性能有一定的相关性，并不是沥青低温性能的决定 性指标，由于沥青路面的低温开裂是由于沥青结合料经老化后柔性降低，脆性增 大而致，试验样品没有模拟路面低温开裂沥青所经受的老化过程也是试验这些指 标的缺陷，另外这些指标仅是针入度分级与粘度分级体系中的一个指标，无法用 于指导选择沥青。 在沥青混合料低温性能研究方面，大多是对沥青混合料低温性能试验方法和 评价指标的研究，并用于对沥青混合料配比设计结果的低温性能验证，美国 c l m o n i s m i t h 在1 9 6 4 年就作了沥青混合料的低温试验，包括各种温度下的抗拉 徐变试验、沥青混合料的低温收缩系数试验，以及两端固定的小梁试件在降温过 程中温度应力试验，取得了不少成果。1 9 7 2 年报告有关用石棉纤维改善沥青混 合料低温性能的方法。我国道路研究部门在此方面也进行了大量的研究工作， 1 9 7 7 年至1 9 8 0 年，北京市政研究所通过对大交通量路面的沥青配合比设计方法 和技术指标的研究，建议采用一1 0 c 劈裂抗拉强度和劈裂垂直变形来表征沥青混 合料的低温性能；8 0 年西安公路研究所作了沥青混合料的低温应力分析及低温 收缩，低温回弹模量和低温弯拉试验：8 1 年同济大学对沥青混合料的低温开裂 进行研究，用回归分析法提出了收缩系数和劲度模量随温度变化的数学模式，并 提出了预估横向裂缝间距的方法：8 3 年至8 4 年，哈尔滨建筑工程学院通过研究， 提出用沥青流变性能的流变指数l 作为沥青混合料的低温指标；“七五”期间我 国在“重交通道路沥青在高等级公路工程中的应用技术”研究中，对国产重交通 沥青混合料的低温特性进行了较为系统的研究，有调查分析，也有室内研究，室 内研究方面，采用应力松弛、低频低温反复荷载试验，等应变速率加载的弯曲及 劈裂试验等对沥青混合料低温特性进行了的研究：在“八五”期间，在“道路沥 青及沥青混合料路用性能的研究”专题中，对沥青混合料的低温性能进行更深入 的研究，提出采用低温蠕变速率来评价沥青混合料的低温抗裂性能。 在以上沥青混合料低温性能研究方面，各试验方法和指标主要用于对沥青混 合料配合比设计结果的验证，配比设计方法仍然是传统的马歇尔设计方法，马歇 尔方法在长期的生产实践及研究逐渐暴露出其固有的缺陷，混合料马歇尔试件状 态与沥青混合料在路面中的状态不一致，且试验指标与路用性能相关性不好，这 就无法设计出所期望性能的沥青路面。s u p e r p a v e 沥青混合料设计方法针对马歇 尔设计方法存在的缺陷，采用旋转压实成型，并用体积指标控制沥青用量，在体 积指标的试验测试计算过程中，考虑了矿料与沥青的相互作用和吸收，提出了有 效沥青含量、集料有效密度等概念，使体积指标控制更切合实际。在此方面，有 很多地方可供我们借鉴。 低温抗裂理论研究方面，1 9 6 6 年加拿大h i l l s 与b r e i n 在a a p t 年会上，提 出了预估沥青路面低温开裂温度的试验方法，他们根据沥青路面低温引起的累加 应力超过其极限抗拉强度时路面即发生开裂的设想，提出了计算路面低温累计应 力的近似计算式以此得到温度应力曲线。1 9 6 8 年到1 9 7 2 年，s h a h i n 与m c c u l l o u g h 根据室内材料资料与气象信息，建立了沥青路面温度模拟模型、沥青老 化预测和温度应力预估模型、沥青混凝土劲度预估模型以及低温裂缝和温度疲劳 裂缝预测模型。19 7 2 年加拿大h a j e k 和h a s s 根据o n t a n o d 试验路段4 3 个观测点 所得资料经数理统计分析提出了预估沥青路面低温开裂指数，建立了开裂指数与 沥青低温劲度、沥青层厚度、路面龄期、冬季设计温度、路基土壤等因素间关系 式。b e r u t h 等认为不同因素可使沥青面层处于临界状态并造成开裂，据此提出 了预测沥青路面低温开裂的方法。g a w e t a l 根据v a nd e r p o e l 诺谟图选择一个劲度 低于1 1 0 n m 2 ( 荷载作用时间t = 1 8 0 0 s ) 的结合料绘制了横向裂缝诺谟图，可依据 沥青5 c 和2 5 。c 针入度，据图确定沥青面层开裂温度。r o b e r t s o n 认为开裂温度 为拉伸应力为5 1 0 5 n m 2 ，并绘制了沥青混合料开裂预估诺谟图，可以根据沥青 针入度指数和2 5 。c 针入度确定沥青混合料开裂温度。但这些理论方法有较大的 局限性，结果与研究者选用的理论依据有很大的关系，有的是以极限拉伸应力， 有的是以极限应变，有的是以临界劲度为依据，目前为止，还没有一个理论依据 得到大家的公认，再者将常规经验性指标作为建立与低温开裂的参数因素，有很 大的局限性，因为低温开裂与材料因素有关，但与当地的气候条件有更大的关系， 也许该种理论适用于某个气候地区，气候条件变化，该种理论将很难适用，所以 理论研究只能作为经验公式，使用有局域性，没有得到普遍认同和得到应用。 在国内，研究者也进行了较为深入的研究，如1 9 8 8 年哈尔滨建筑工程学院 王哲人等人提出了用松弛理论分析沥青面层低温收缩应力的方法。长安大学公路 学院也对沥青混合料低温性能及试验方法和评价指标进行了大量的研究，取得了 不少成果。 以上对沥青路面的低温开裂研究成果对认识和解决沥青路面的低温开裂有 很大的助益，同时研究表明，沥青路面的低温开裂原因可分为外因和内因，外因 主要为气候环境因素，与气温及降温速率有关。内因主要与沥青性质、沥青混合 料组成、沥青面层厚度、路面结构等。由于外因无法改变，通过对合适的材料设 计和结构设计( 综合设计) ，充分考虑当地的气候环境特征进行针对性的设计是 完全可以改善沥青路面的抗开裂性能。 低温开裂作为一个多因素复杂作用的结果，研究和解决应以系统的观点，综 合考虑材料的性能和材料的组成，从沥青选择、级配优选、配比设计角度出发进 行研究，找寻沥青路面低温开裂解决途径。美国“s i t r p ”s u p e r p a v e 高性能沥青 路面为我们研究提供了一个全新的思路，沥青结合料性能等级、级配理论、沥青 混合料设计方法有诸多我们可借鉴的地方。 通过以上对沥青路面低温开裂机理、低温评价试验方法与指标、配合比设计 方法对比分析等方面的国内外大量的研究成果的陈述与分析，本课题研究旨在提 出更为方便有效的沥青混合料设计阶段低温开裂评价方法，此方法应简单、实用、 易推广，包括试件制作容易，使用的材料少、试验费用低设备简单，最好能使用 现场钻芯取样的试件，为后续研究将试验参数与沥青混合料设计相结合做铺垫。 6 目前有关力学指标的试验方法主要采用有圆柱形试件和梁式试件，因梁式试 件制作困难，受不稳定因素影响大，测试方法复杂，结果分散，大面积推广有一 定困难。相比之下，圆柱体试件制作方便，试验简单，易于操作。考虑到目前混 合料配合比设计，以及现场控制的方便，本课题以圆柱形试件为主要研究对象。 在我国广大的北方地区，低温开裂是沥青路面的主要病害，由此导致龟裂、 坑槽、沉陷等病害严重地影响着沥青路面的使用质量，增大了沥青路面维修养护 投入，这些严重困扰着沥青路面的发展。所以吸收和借鉴先进的技术成果，总结 前人成果和经验，积极开展沥青混合料低温开裂试验及其指标的研究具有非常重 要的意义。 1 3 本课题主要研究的内容 本课题以沥青混合料粘弹性为主线，力学分析和试验相结合，研究评价沥青 混合料低温性能的试验方法，以圆柱形试件为重点，提出更适合于我国现状的评 价方法及试验条件。主要的研究内容如下： 1 ) 沥青路面低温病害机理研究 沥青混合料的低温抗裂性能是指沥青路面在低温条件下抵抗因温度应力而 引起的开裂的能力。分析低温开裂的破坏机理，为研究沥青混合料低温性能奠定 理论基础。 2 ) 沥青混合料低温性能评价方法分析 对国内外常用的评价沥青混合料低温抗裂性能的试验方法进行对比综述，提 出各个方法的优缺点，针对我国常用的试验方法：低温弯曲破坏试验和劈裂试验 做重点的分析，通过对比分析提出适合我国使用的评价沥青混合料低温抗裂性能 的试验方法。 3 ) 老化对沥青混合料低温性能的影响 分析沥青混合料在不同老化状态下其低温抗裂性能试验的影响，分析其作为 低温性能力学参数试验条件的可行性。 4 ) 不同条件对沥青混合料低温性能的影响 结合低温设计指标的研究内容，对不同成型方式、不同级配、不同沥青和不 同试验条件，对沥青混合料的低温性能进行试验研究和相关分析，为设计指标研 究和技术要求的提出提供数据支持。 第二章试验研究方案与原材料技术性能 2 1 试验方案 沥青混合料的低温性能评价方法与指标很多，本研究过程中采用三种沥青、 两种矿料级配进行试验研究，并研究程序方式、试验条件对其的影响。具体主要 从以下几个方面来研究沥青混合料低温性能试验方法。 首先，针对沥青路面不同破坏形式分析沥青混合料低温开裂机理，并对现行 的沥青混合料低温抗裂性能的试验评价方法进行对比分析，提出本研究的试验方 法： 其次，研究老化对沥青混合料低温抗裂性能的影响，提出沥青混合料低温抗 裂性能试验的试件制作过程和条件； 最后，结合沥青路面低温开裂机理及试验结果，分析不同试验条件对沥青混 合料低温性能试验的影响，初步提出合理的评价沥青混合料低温性能的指标。 在本文研究中主要进行以下试验： ( 一) 原材料性质测试 ( 1 ) 集料的物理力学指标测试 包括：视密度、毛体积密度、磨光值、磨耗值、冲击压碎值、针片状含量 等。 ( 2 ) 沥青结合料常规指标测试 包括：针入度、1 5 。c 延度、5 延度、软化点、闪点、含蜡量、密度、溶解 度、弹性恢复等。 ( 3 ) 沥青结合料非常规指标测试 包括：布氏旋转粘度试验( r v ) ，弯曲梁流变试验( b b r ) 。 ( 二) 沥青混合料试验 ( 1 ) 马歇尔试验 ( 2 ) 旋转压实试验 ( 3 ) 劈裂试验 ( 4 ) 低温弯曲破坏试验 2 2 原材料技术性能 2 2 1 沥青结合料 本研究针对课题所在地区常用的沥青种类和标号，主要选择了以下几种沥 青，其常规指标和非常规b b r 试验数据如表2 2 1 和表2 2 2 。 表2 - 2 1沥青基本指标汇总 试验项目单位克拉玛依中海盘锦 密度( 1 5 )g c m 3 0 9 8 61 0 0 91 0 l l 针入度( 2 5 c ，5 s ，1 0 0 9 ) 1 1 0 m m7 48 7 8 9 软化点( 环球法) 4 94 6 5 4 5 9 延度( 1 5 c ，5 c m m i n ) 1 5 41 2 6 6 1 0 0 闪点 2 8 32 6 2 2 7 1 针入度指数p i 值 一0 4 9 507 5 1 0 8 6 7 薄膜加质量损失 一o 3 50 5 6o 3 6 热试验 针入度比 6 86 4 6 6 ( 1 6 3 ，5 h )延度( 1 5 ，5 c m m i n ) c m4 4 34 3 4 l 表2 - 2 2 沥青8 b r 数据 克拉玛依 中海 盘锦 试验项目单位 一1 8 一1 8 一1 8 弯梁流 蠕变劲度s m p a5 6 1 05 4 9 5 2 1 变试验 斜率m 0 3 1 5 5o 3 1 2 00 3 1 6 5 根据试验所得的基础数据，由表2 2 一l 得出，克拉玛依沥青标号是7 0 # ， 盘锦和中海沥青标号是9 0 # ，三种沥青均能满足2 0 0 5 版旅工技术规范 中相应重交通沥青的技术指标要求。三种沥青之间相比较，从一定程度上可 以从它们各自的针入度指数大小来反映其感温性，感温性小，则路面的抗裂 性能好。三者中盘锦a h 一9 0 沥青的针入度指数偏小，沥青的温度敏感性强， 在低温时会显示一定的脆性特征；克拉玛依a h - 7 0 沥青的针入度指数偏大， 沥青具有明显的凝胶特征，其低温脆性小。三种沥青的针入度指数排序为 克拉玛依沥青 中海沥青 盘锦沥青。 2 2 2 粗、细集料和矿粉 研究用的集料取自陕西西宝高速施工段现场，粗、细集料为灰闪岩，矿粉为 磨细石灰石。粗、细集料及矿粉密度试验结果 表2 - 2 3 细集料及矿粉密度试验结果 l 粒径( m ) 矿粉 0 0 7 5 0 1 5 0 i 5 0 30 3 - 0 60 6 1 1 8 i 1 8 2 3 6 2 3 6 4 7 5 l 视密度 l ( g c m 3 ) 2 7 0 42 6 5 72 7 3 2 2 7 2 92 7 3 3 2 7 4 12 7 4 4 表2 - 2 4 粗集料毛体积密度、视密度试验结果 粒径( m m )4 7 5 9 59 5 一1 3 2 1 3 2 1 6 o 毛体积密度( g c m 3 ) 2 6 9 3 2 7 0 42 7 1 3 视密度( g c m 3 ) 2 7 7 0 2 7 6 4 2 7 6 9 表2 - 2 5 矿粉密度试验结果 i 指标岩石类型亲水系数含水量( ) 密度( g c m 3 ) l 矿粉 石灰岩0 50 3 2 7 0 6 l 2 3 试验方法 2 3 1 沥青结合料试验 1 沥青的技术指标试验 沥青的基本技术指标包括沥青的密度、针入度、软化点、延度等，试验主要 参考公路工程沥青及沥青混合料试验规程( 2 0 0 0 一l o 0 1 实施) ( j t g 0 5 2 2 0 0 0 ) 进行，按照规范要求测试相应技术参数，试验结果如表2 2 1 和表2 2 2 所示。 2 沥青布氏旋转粘度试验 本文采用美国b r o o k f i e l dd v i i + 型旋转粘度计测试了三种沥青( 克拉玛 依、盘锦、中海) 的粘度，作为后期沥青混合料试验时拌和压实温度确定的依据， 0 试验具体的试验操作参考公路工程沥青及沥青混合料试验规程( 2 0 0 0 1 0 一0 1 实施) t0 6 2 5 2 0 0 0 沥青布氏旋转粘度试验( 布洛克菲尔德粘度计法) 。具体的 各个沥青的粘度数据和粘温曲线如表2 3 1 表2 - 3 - 3 和图2 3 一l 图2 - 3 - 3 所 示。 表2 - 3 1克拉玛依沥青拌和、压实温度确定 旋转粘度 转子型号 转速 s 2 12 05 05 0 温度 1 3 51 5 01 6 0 平衡时问 3 0 m i n3 0 m i l l3 0 m i n 粘度( c p )粘度( c p ) 粘度( c p ) 16 1 7 5 3 3 1 o 2 1 4 0 26 2 0 0 3 3 1 0 2 1 3 o 36 1 7 53 3 0 0 2 1 3 o 平均值 6 1 8 3 3 3 0 7 2 1 3 3 拌和温度范围( ) 1 6 11 6 4 1 6 3 中值 压实温度范围( ) 1 5 41 5 8 1 5 6 m 击 凸_ 。 蜊 桀 、 一 t 。、 j 1 0 01 4 01 6 01 8 0 温度( ) 图2 - 3 1克拉玛依沥青拌和压实曲线 实测点 + 压实上限 6 一压实下限 * 一拌和上限 x 一拌和下限 表2 - 3 - 2 盘锦沥青拌和、压实温度确定 旋转粘度 转子型号 转速 s 2 12 05 05 0 温度 l l o1 3 5 1 5 0 平衡时间 3 0 m i n3 0 m i n 3 0 m i t l 粘度( c p )粘度( c p )粘度( c p ) l1 1 7 0 03 1 5 51 4 5 o 21 1 7 0 03 1 5 51 4 5 0 31 1 6 9 03 1 5 51 4 5 o 平均值 1 1 6 9 03 1 5 5 1 4 5 0 拌和温度范围( ) 1 4 51 5 0 1 4 8 中值 压实温度范围( ) 1 4 31 4 51 4 4 1 0 0 1 、 、 1 n i l t 0 01 1 0 1 2 01 3 01 4 01 5 01 6 01 7 0 温度( ) 图2 - 3 - 2 盘锦沥青拌和压实曲线 实测点 + 压实上限 十压实下限 * 一拌和上限 x 一拌和下限 s 墨v 趟篥 表2 - 3 3中海沥青拌和、压实温度确定 旋转粘度 转子型号 转速 $ 2 1 2 05 0 5 0 温度 1 3 5 1 4 5 1 5 5 平衡时间3 0 m i n3 0 m i n 3 0 m i n 粘度( c p ) 粘度( c p ) 粘度( c p ) 1 3 3 6 02 3 1 0 1 4 0 0 2 3 3 6 02 3 1 0 1 4 0 0 3 3 3 7 02 3 1 o 1 4 0 o 平均值3 3 6 0 2 3 1 0 1 4 0 0 拌和温度范围( ) 1 5 01 5 4 1 5 2 中值 压实温度范围( ) 1 3 81 4 3 1 4 1 0 e 魁 粲 弋 1 0 01 1 01 2 01 3 01 4 01 5 0 1 6 01 7 0 温度( ) 图2 - 3 3 中海沥青拌和压实曲线 实测点 + 压实上限 6 一压实下限 * 一拌和上限 x 一拌和下限 2 3 2 粗、细集料试验 粗、细集料的基本技术指标试验主要参考公路工程集料试验规程( j t j 0 5 8 2 0 0 0 ) 进行，按照规范要求测试相应技术参数。 2 3 3 沥青混合料试验 1 马歇尔试验 沥青混合料低温性能研究中的重要环节之一就是试件的制备，国内外在研究 沥青混合料低温性能时根据试验方法不同，选用的试件制备方式各不相同，本研 究考虑到圆柱体试件易于成型的，无需二次成型的特点，再有根据我国目前的现 状，马歇尔成型方式还是各单位的常用方式，故本研究仍采用马歇尔法成型试件。 本文在进行最佳沥青用量确定时，仍采用马歇尔法，机械双面击实7 5 次， 测试仪器为江苏无锡华南实验仪器有限公司制造的m d j i i 型马歇尔电动击实仪。 重锤落差为4 5 7 m m ，击实速度为6 0 次m i n 。本课题的主要目的在于研究沥青混 合料的低温抗裂性能，所选择的级配均为工程实际运用中的成熟级配，选择a c 1 3 和s u p l 2 5 的目的在于对比不同设计方法下混合料低温性能的不同。 试验所用的矿质集料的组成如表2 3 4 、表2 3 5 所示。两个级配的级配曲 线如图2 - 3 - 4 所示。 表2 - 3 4a c - 1 3 级配 a c 一1 3 筛孔育入 级配范围 级配中值设计级配 筛余 1 6 1 0 01 0 01 0 0 1 3 29 0 1 0 0 9 59 4 6 9 56 8 8 5 7 6 57 5 1 9 4 7 53 8 6 85 34 6 2 9 2 3 62 4 5 0 3 7 3 31 3 1 1 81 5 3 82 6 52 5 8 0 6 1 0 2 81 91 7 57 5 0 3 7 2 01 3 51 3 5 4 0 1 55 一1 5 1 0 8 55 0 0 7 54 - 8662 5 矿粉6 1 4 一 表2 - 3 5s u p l 2 5 级配 、s u p l 2 5 筛孔尺寻 级配范围 级配中值设计级配 筛余 1 6 1 0 01 0 0 1 0 0 0 1 3 29 0 一1 0 09 5 9 0 5 9 5 9 5 7 4 8 68 07 9 6 l o 9 4 7 54 6 5 85 2 5 4 1 2 5 5 2 3 6 2 8 3 93 3 53 3 8 2 0 3 1 1 81 7 2 6 2 1 52 2 7 1 1 1 0 61 0 一1 91 4 5 1 7 2 5 5 0 36 1 6l l 1 1 9 5 3 o 1 54 1 l7 5 8 6 3 3 0 0 7 53 7 55 5 3 1 矿粉 5 5 x u 槲 隶 i 捌 蚓 啊蕾 遗 ”、沁 昂 ； 。t 名 气、 港 a 澳忒 n h 、讯 粒经( m m ) 图2 3 4 矿料级配曲线 e 一a c 1 3 嘈 一s u p l 2 5 + 禁区边界下 十禁区边界上 2 旋转压实试验 目前s u p e r p a v e 的旋转压实成型方法已为广大单位所认知与采用，美国、加 拿大等欧美国家在试验与施工中大都采用了旋转压实仪成型试件。但由于我国的 m鲫加如m 0 具体情况，目前大部分还是在运用马歇尔击实成型方式，为了更深入的研究不同 成型方式对沥青混合料低温性能力学指标研究的影响，本文采用了用t r o x l e r 4 1 4 0 型旋转压实仪如图2 - 3 5 成型试件，与马歇尔试件做对比研究。 图2 - 3 5t r o x i e r4 1 4 0 型旋转压实仪 t r o x l e r4 1 4 0 型旋转压实仪，通过旋转的滚轴对试件的揉搓作用来模拟汽 车在沥青路面上行驶时轮胎对路面的作用效果。根据交通量等级确定设计压实次 数n “；和最大压实次数n 皿。在设定的工作条件( 垂直压力6 0 0 m p a ，旋转角度 1 2 5 。，旋转速度3 0 r p m ) 和设计压实次数n “下，通过对混合料的反复搓揉作用 成型试件。本文拟采用相同的设计压实次数即n d 。，= 1 0 0 次。 3 间接拉伸试验( 劈裂试验) 自6 0 年代加拿大率先对沥青混凝土的低温收缩开裂进行系统调查研究以 来，路面抗裂与材料低温性能指标一直是国家道路学术界的重要研究内容，尤为 突出的是美国s h r p 计划，加拿大、澳大利亚及欧洲许多国家也制定了相关的研 究计划。我国在“七五八五”国家科技攻关课题研究中专门对沥青及沥青混 合料的低温性能指标做了研究，运用了许多试验方法，做了大量的试验，对间接 拉伸试验( 劈裂试验) 也做了大量的试验，得到大量的试验数据，间接拉伸试验 由于其成型试件的方式简单，试验操作易行，设备成本较低，通用性好等优点， 一直受到道路界的青睐，所以本文将间接拉伸试验作为评价沥青混合料低温性能 的主要试验方法进行研究，改变试验温度，加载速率等，找出能很好的评价沥青 混合料低温性能的试验条件和力学指标。 间接拉伸试验即通常所说的劈裂试验，它是通过加载条加静载于圆柱形试件 的轴向，试件按一定的变形速率加载，施加的压缩荷载，垂直、水平变形通过 l v d t 得到。从而可获得沥青混合料的劈裂强度和变形数据。间接拉伸试验的评 价指标主要有：劈裂强度、破坏变形及劲度模量。 试验方法：制作圆柱体试件，使恒温水槽达到预定的试验温度o 5 ，将 试件浸入恒温水槽中，不少于1 5 h 。将试验机环境保温箱达到要求的试验温度， 从恒温水槽中取出试件，迅速置于试验台的夹具中安放稳定，其上下均安放有圆 弧形压条，与侧面的十字画线对准，上下压条应居中、平行。迅速安装试件变形 测定装置，水平变形测定装置应对准水平轴线并位于中央位置，垂直变形的支座 与下支座固定，上端支于上支座上。开动数据采集系统或记录仪，同时启动试验 机，以规定的加载速率向试件加载劈裂至破坏，记录仪记录荷载及水平变形和垂 直位移，并绘制荷载一变形曲线如图2 3 6 。本试验在美国进口的m t s 公司生 产的m t s 8 1 0 伺服液压闭环回路材料试验机上进行试验。 p ( 荷载) 图2 3 6 衙载一变形曲线 r：r 0 0 0 6 2 8 7 p r 0 1 3 5 0 a 一1 7 9 4 0 2 = 碡z 五石丽 s ，= x ，0 0 3 0 7 + 0 0 9 3 6 ( 1 耻b ( 半 式中：b 劈裂抗拉强度，m p a ； 一1 7 x ( 变形) 晶破坏拉伸应变； s ，破坏劲度模量，m p a ； “泊松比； 片试验荷载的最大值，n ； h 试件高度，m m ； a 试件垂直变形与水平变形的比值( a = 耳玛) ； 耳试件相应于最大破坏荷载时的垂直方向总变形，m m ； x ，相应于晟大破坏荷载时的水平方向总变形，m m ；当试验 仅测定垂直方向变形耳时，x r = 耳( 0 1 3 5 + 0 5 u ) ( 1 7 9 4 0 0 3 1 4 , u ) 。 4 低温弯曲试验 低温弯曲破坏试验也是国内外较为常用的沥青混合料低温抗裂性能评价方 法。我国在“七五八五”国家科技攻关课题研究中也做了大量的研究与试验， 但低温弯曲破坏试验因采用的是梁式试件，要进行二次成型，没有圆柱形试件方 便，大面积推广有一定困难。本文采用低温弯曲破坏试验，目的在于与间接拉伸 试验进行对比研究，考察两种不同的试验方法对评价沥青混合料的低温性能是否 有相关性，哪个试验方法和试验参数更适合用来评价沥青混合料的低温性能。 本文按照沥青混合料弯曲试验规程进行，将轮辙成型的试件切割成3 0 r a m 3 5 m m 2 5 0 m m 的小梁，跨径为2 0 0 m m ，试验温度为一1 0 ，加载速率为 5 0 m m m i n ，在美国进口的m t s 公司生产的m t s 8 1 0 伺服液压闭环回路材料试 验机上进行试验。 试验步骤如下： ( 1 ) 试验准备：按马歇尔法确定的最佳沥青用量和视密度成型3 0 0 m m 3 0 0 m i n x 6 0 m m 的板，切制成3 0 m m 3 5 m m 2 5 0 m m 的棱柱体小梁备用，组 试验用小梁四根，在环境保温箱中对试件进行保温至少6 个小时以上。 ( 2 ) 试验：从恒温箱中取出试件，立即对称安放在支座上，试件上下方向 应与试件成型时的方向一致，对位移测定装置和荷载传感器进行量程和调零处 理，开动压力机进行中点加载，同时启动计算机采集测试数据。 根据采集到的不同荷载p i 和跨中的变形d i 值，可绘制出荷载与变形的曲线 如图2 3 7 所示。 p ( 荷载) 图2 - 3 7 荷载一跨中挠度曲线 d ( 挠度) 将图中荷载一挠度曲线的直线段延长与横坐标相交作为曲线的原点，进行跨 中挠度修正，得到试件破坏时的跨中挠度d ( r a m ) 。由最大破坏荷载p b 和最大 破坏荷载对应的挠度d ( m m ) ，可得到抗弯拉强度r b ( m p a ) ，破坏时梁底晟 大弯拉应变占。和破坏时弯曲劲度模量品( m p a ) ： p 一3 l p n “。一2 拍2 6 矗d 2 丁 ：堕 式中：r 。试件破坏时的抗弯拉强度，m e a ： 如试件破坏时的最大弯拉应变 试件破坏时的弯曲劲度模量，m p a ； b ， 分别为跨中断面试件的宽度和高度，m m 三试件的跨径，m m ： b 试件破坏时的最大荷载，n ： d 试件破坏时的跨中挠度，m i l l 。 第三章沥青混合料低温开裂机理及性能试验方法评价 3 1 概述 沥青路面的低温开裂是路面的主要病害之一，因而是各国道路界普遍关心的 问题。沥青路面的裂缝成因往往是很复杂的，其中横向裂缝主要是由于沥青路面 的温度收缩而引起的裂缝。调查结果表明，低温缩裂产生的横向裂缝就占到了沥 青路面病害1 1 7 7 ，而裂缝类病害占总病害的3 6 1 6 ，也就是说，裂缝类破坏 中有三分之一是由于沥青混合料的低温抗裂性能不足引起的。 造成低温开裂的原因较为复杂，有旌工、原材料质量等方面的原因，但沥青 混合料设计方面的原因不可忽视，如混合料类型选用不当，集料级配不合理等。 目前国内体积设计法设计的沥青混合料没有相应的力学指标来控制其低温性能， 采用什么样的试验方法和相应的力学指标是现在需要研究的课题。本文就针对这 个问题对沥青混合料的低温开裂机理进行分析，对评价沥青混合料低温性能的试 验方法对比研究，提出适合我国国情的评价方法和试验参数。 3 2 沥青混合料低温开裂机理 沥青混合料的低温抗裂性能是指沥青路面在低温条件下抵抗因温度应力而 引起的开裂的能力。根据沥青路面面层裂缝的不同，分为以下几种开裂病害： 1 严冬