（道路与铁道工程专业论文）湖沥青在路面维修工程中的应用技术研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 特立尼达湖沥青( t l a ) 是世界上最有名的天然沥青，来自加拉比岛国特 立尼达和多巴哥境内的沥青湖中，其物质组成和化学性质极其稳定近年来， 湖沥青凭借其良好的性能受到了越来越多的关注。本文对湖沥青在路面工程中 的应用做了系列研究工作。 湖沥青对基质沥青的高、低温性能均具有十分显著的改善效果。通过对泰 普克沥青与掺入不同比例湖沥青的改性沥青试验数据对比可知，在一定范围内， 随湖沥青掺入比例的增加，沥青的p i 值增大，当量软化点升高，当量脆点降低。 湖沥青用量为2 5 时改性后的沥青具有良好的路用性能与合理的投资成本，改性 后的沥青当量软化点提高1 9 8 ，当量脆点降低1 4 。根据高温弯曲蠕变试验建 立了b u r g e r s 模型，跟基质沥青混合料相比，湖沥青改性沥青混合料b u r g e r s 模型的四个参数均成数倍增加：m a x w e l l 模型的瞬时弹性模量为基质沥青混合料 的6 7 倍，粘滞系数为6 4 倍，而k e l v i n 模型的弹性常数、粘滞系数分别为2 8 倍和3 6 倍；从机理上揭示了其高温性能优良的现象。应力松弛方程表明，湖 沥青混合料比基质沥青混合料具有较好的应力松弛性能。 本文还研究了适合沥青混合料的粘弹性疲劳损伤模型。从沥青路面的应力 响应入手，将沥青面层内的应力变化近似地处理成按照半正弦周期规律变化， 直接由含损伤的粘弹性本构方程推导损伤演化方程。建立了基于复蠕变柔量的 粘弹性疲劳损伤模型，并推导出了b u r g e r s 模型的粘弹性疲劳损伤模型 最后，就湖沥青改性沥青混合料的施工工艺与施工质量控制做了论述，并 就进一步研究的相关问题进行了简要讨论。 关键字：湖沥青；弯曲蠕变；b u r g e r s 模型；疲劳损伤；路用性能 山东大学硕士学位论文 t r i n i d a dl a k ea s p l l a l t ( t l a ) w h i c ho o m c sf r o ma s p h a l tl a k eo ft r i n i d a da n d t o b a g oi st h em o s tf a m o u sc r u d e 船p h a l ti nt h ew o r d , i th a sw o n d r o u s l ys t a b l e s u b s t a n c ec o m p o s i n ga n dc h e m i s t r yt e m p e r a m e n t t r i n i d a dl a k ea s p h a l th a sg o t m o r ea n dm o r oa t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s t i l i sp a p e rm a k e ss p e c t r u ms t u d yo n a p p l i c a t i o no f t r i n i d a dl a k ea s p h a l ti np a v e m e n te n g i n e e r i n g b a s e do nt h et e s td a t eo f b a s i sa s p h a l tc o m p a r e dw i t hm o d i f i e da s p h a l tm i x e dw i t h t i ao fd i f f e r e n tm i x t u r er a t i o ，i ti sp o i n t e dt h a t ，i nc e r t a i nr a n g e ，t h em o r et l ai 8 璐o d t h eh i g h e r p e n e t r a t i o ni n d e xp i ，t h eh i g h e re q u i v a l e n ts o f t e n i n gp o i n tt | 如，t h e l o w e re q u i v a l e n tb r i t t l ep o i n tm o d i f i e da s p h a l th a s r e s u l t si n d i c a t e sm o d i f i e d a s p h a l th a sg o o dr o a dp e r f o r m a n c ea n dr e a s o n a b l ei n v e s t m e n tc o s tw i t h 2 5 t l a , e q u i v a l e n ts o f t e n i n gp o i n tt 8 0 0i n c r e a s e db y l 9 8 ，e q u i v a l e n tb r i t t l ep o i n tr e d u c e d b y l 4 t h er e s u l t ss h o wt h a tm o d i f i e da s p h a l tm i x e dw i t ht l a i m p r o v e sg r e a t l yt h e h i g ha n dl o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e b a s e du p o nh i g ht e m p e r a t u r eb e n dc r e e pt e s t , b u r g e r sm o d e li sc r e a t e d c o m p a r e dw i t hc o m m o na s p h a l tm i x t u r e , f o u rp a r a m e t e r s o fm o d i f i e da s p h a l tm i x t u r eb u r g e r sm o d e la na d dg e m i n a t e l y t h ei n s t a n t a n e o u s e l a s t i cm o d u l uo f b a x w e l lm o d e li s6 7t i m e s , e l a s t i c i t yc o e f f i c i e n ti s6 4t i m e s ，t h e e l a s t i c i t yc o e f f i c i e n ta n dv i s c o s i t yc o e f f i c i e n to f k e l v i nm o d e la s e p a r a t e l y2 8a n d 3 6t i m e s i ta l s oi n d i c a t e dw h ym o d i f i e da s p h a l tm i x t u r eh a sg o o dh i g ht e m p e r a t u r e p e f f o m m c ef r o mm e c h a n i s ma s p e c t s t r e s sr e l a x a t i o ne q u a t i o nm a k e sk n o wt l a m o d i f i e da s p h a l tm i x t u r eh a sb e t t e rs t r e s sr e l a x a t i o np e r f o r m a n c et h a nc o l l l l n o n a s p h a l tm i x t u r e t h i sp a p e ra l s os t u d i e d 、r i s c o e l a s f i cf a t i g u ed a m a g em o d e lw h i c hb ef i tf o r a s p h a l tm i x t u r e s t a r tf r o ms t r e s sr e s p o n s eo fa s p h a l tp a v e m e n t , s t s o b sv a r i e t y p a v e m e n tw a sr e g a r d e da ss e m i s i n ep e r i o dv a r i e t y d a m a g ee q u a t i o nw a s r e f i n e d f r o mc o n s t i t u t i v ee q u a t i o nw i t hd a m a g e c o n s t i t u t i v ef a t i g u ed a m a g em o d e lb a s e do n c r e e pc o m p l i a n c ei sb u i l tu p ，c o n s t i t u t i v ef a t i g u ed a m a g em o d e lo fb u r g e r si s d e d u c t e d 山东大学硕士学位论文 a tl a s t ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dc o n s t r u c t i o nq u a l i t yc o n t r o lo f t l am o d i f i e d a s p h a l tm i x t u r ea r ee x p o u n d e da n d s o m er e l a t e dp r o b l e m st h a tw i l lb es t u d i e d f u r t h e ra r ed i s c u s s e db r i e f l y k e yw o r d s ：t r i n i d a dl a k ea s p h a u ，b e n d i n ga e e p 9b u r g e r sm o d e l ，f a t i g u e d a m a g e ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：查哨 e l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： ! ! 毯导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着我国国民经济和公路交通建设的发展，对沥青路面的要求在不断提高。 但是目前我国生产的重交通沥青在品质上还远远不能满足高等级道路建设的需 要，改性沥青技术便越来越得到人们的重视。过去，国内使用的改性沥青大多 数是聚合物改性沥青，不同的聚合物对沥青改性的效果是不同的。橡胶类聚合 物能改进沥青的低温性能，树脂类则可增强沥青的高温稳定性，而热可塑弹性 体因其结构上有软、硬嵌段，具有弹性好、抗拉强度高、低温度变形性能好等 优点，可提高沥青的高温稳定性和低温抗裂性。沥青改性效果的关键在于解决 改性剂与沥青的相容性问题。所谓相容性，在热力学上的含义是指两种或两种 以上物质按任意比例形成均相体系( 或物质) 的能力。相容性问题也是国内聚 合物改性沥青急需解决的问题。纵观国内的大多数改性沥青，聚合物与基质沥 青之间并未发生明显的化学反应，它们仅仅靠微弱的界面作用物理联结，因此 改性效果受加工设备、加工工艺等因素影响很大。并且，贮存时间稍长即发生 分层离析等现象，降低了改性效果。目前，解决相容性问题存在两种研究对策， 一种是往改性沥青中加入一些含反应性基团的化学组分，使沥青与聚合物之间 形成化学键联结，而改性沥青与加强材料也形成化学键联结，提高了改性效果； 另一种对策就是寻找新的改性剂。实际上沥青改性剂的种类很多，除了聚合物 改性沥青外，还有掺加天然沥青改性的，如掺加湖沥青来改善沥青的性能。近 年来，湖沥青也凭借其良好的性能受到了越来越多的关注。 特立尼达湖沥青( t l a ，下文简称湖沥青) 是一种性能优良的天然沥青，也 是世界上最有名的天然沥青，来自加拉比岛国特立尼达和多巴哥境内的沥青 湖中。其物质组成和化学性质极其稳定根据国外使用t l a 的经验，是将其作为 改性剂使用，即通常在道路工程的基质沥青中掺加2 5 3 0 9 6 。根据交通部公路 科学研究所对特立尼达湖沥青改性沥青试验结果，t l a 改性沥青( 掺量2 5 ) 符合 a s t i “d 5 7 1 0 9 5 标准t m a l 的质量要求，利用t l a 配制的沥青混凝土的高温性能，低 温性能，水稳定性各项指标均符合交通部公路改性沥青路面施工技术规范 山东大学硕士学位论文 ( j i j 0 3 6 ) 的技术要求，具有良好的路用性能，可以在高速公路路面工程中使用。 湖沥青具有更多的凝胶体而不是溶胶结构，通过其特有的微观尺寸和沥青 质的性质提供沥青改性后的结构性能并降低其温度敏感性。软沥青质组成物的 成分给t l a 中的地沥青带来优越的抗剥落性能，若将其细小的矿物质当作改性 剂加入到路面沥青混合料中，可提高t l a 中的地沥青的劲度模量和改善道路的 抗滑等表面特性已有研究表明，湖沥青作为改性剂可使沥青混合料的高温性 能、低温性能以及水稳定性得到显著改善，物理力学性能优良。其老化过程十 分缓慢，有着优良的抗氧化能力，路用性能十分理想。湖沥青最早用于公路建 设是在1 9 世纪8 0 年代的美国，该路修建后经久耐用，多年不坏。目前使用湖 沥青的国家和地区已达3 0 多个，一些主要发达国家如美国、英国、德国、日本 及香港地区在一些重要工程上都指定使用该沥青。在1 9 9 9 年之后湖沥青在我国 逐渐得到推广应用，最典型的是北京机场跑道、北京二环路、三环路工程以及 钱塘江大桥桥面铺装等。现在湖沥青在我国的应用已经得到较广泛的认可。 多碎石沥青混凝土( s a c ) 是粗集料断级配沥青混凝土的一种，在我国已有 较广泛的应用。根据已有的经验，传统的i 型级配沥青混凝土空隙率较小( 2 9 6 麟) ，具有透水性小和耐久性好的特点，透水性小，但表面构造深度很小，接近 于光面，不能满足高速公路表面层抗滑的要求；型级配沥青混凝土和抗滑表 层( a l ( 型) 结构，由于其碎石含量大，细集料和矿粉含量相对较少，空隙率明显 大于i 型沥青混凝土( 6 1 0 ) ，虽然路面表面纹理深度可达到规定要求，抗高 温变形能力强，但路表水易透入中、下面层，甚至到达基层而导致路面结构损 坏，同时沥青膜老化加快使路面耐久性降低。s a c 成功的将i 型级配沥青混凝土 透水性小的特点与型级配表面构造深度大的特点结合在了一起，保证了路面 层的抗滑性能以及抵抗水损害的能力。s a c 提出以来，十几年的实践经验证明了 其良好的路用性能和优良的经济性。 潍莱高速公路维修工程，上面层决定采用湖沥青改性沥青混合料，类型为 多碎石沥青混凝土( s a c ) 。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 湖沥青的国内外研究及应用状况m i 2 i 湖沥青在国外的应用概况 t l a 改性沥青在国外开始应用很早，早在1 8 8 0 年，美国华盛顿特区在几个 城市街道的路面工程中已应用了t l a 。后来尤其是应用在重交通路段，包括飞机 场、桥面铺装、高速公路等。纽约和新泽西州的运输部在承受大面积极繁重负 荷的区域，如桥面铺装、斜坡匝道、公共汽车枢纽站及其他类似的地方应用了t l a ， 包括乔治华盛顿大桥、林肯隧道、肯尼迪机场、拉瓜迪机场和n e w a r k 机场的跑 道。超过1 2 年的使用证明，由于没有出现明显的变形、开裂和泛油推挤，粘结剂 的粘韧性抵挡了寒冬及酷暑不同气候的变化，反而削减了维修养护的费用。 英国伦敦的主要街道和高速公路在热压式沥青混凝土路面上普遍应用了。 t l a 改性沥青，从而能抵挡慢速重型车辆引起的变形，抗滑及使用周期长，许多1 高速公路的服务寿命已经超过3 0 年。 在德国柏林和几个州的高速公路、环城公路的几百公里路面上使用了t l a 改性沥青。混合料包括浇注式沥青混凝土和沥青玛蹄脂，在3 0 多年的应用中，节 省了大量的结构维护费用。表现出在极寒冷的气候条件下的很低的温度敏感性 和粘结剂的韧性。 桥面铺装采用t l a 改性沥青玛蹄脂铺设成功的实例很多。英国h u m b e r 大桥 在1 9 8 1 年铺设后，一直运作良好，大多数情况下不需要维护。日本的本州四国联 络桥使用了t l a 改性沥青，在高温及特别繁重的交通条件下，动稳定度明显提高 了，至今使用良好。 在特立尼达和多巴哥，最早采用t l a 是在1 9 4 4 年，c h u r c h i l l 2 r o o s e v e l t ( 丘 吉尔2 罗斯福) 公路采用3 0 4 0 针入度级的t l a 改性沥青结合料铺设表层，制备过 程中，沥青粘结剂的针入度值低至1 8 。此公路直到1 9 7 7 年，e p 3 3 年后才重新铺设， 实际使用年限是估计寿命的2 倍多。之后铺筑的路段多不胜数其中包括南北千 道走廊约1 3 k m 长的主干道公路和1 8 k m - 长：的辅道，所有路面混合料采用含3 0 t l 改性沥青和具有6 0 7 5 的针入度值。自1 9 8 4 年1 2 月投入使用以来，路面每天平均 承受大约2 3 0 0 0 辆的交通量( 约1 7 是卡车) ，至今仍未显示出任何损坏迹象。 山东大学硕士学位论文 1 2 2 国内湖沥青应用情况介绍 我国早在7 0 8 0 年代曾经对特立尼达湖沥青表示过浓厚的兴趣，交通部组 织北京、河北、山西、浙江、江苏等许多地方都铺筑过t l a 改性沥青的试验路 段，且显示出t l a 具有良好的性能。“七五”国家科技攻关期间，为了解决我国 修建高速公路的优质沥青问题，国家组织代表团专程赴英国对r l a 改性沥青进 行过技术考察，参观了施工现场，普遍认同了t l a 改性沥青的各种优越性。但是 当时并没有能在中国引进及推广，之所以没有普遍使用的原因，关键在于价格。 一方面当时我国的经济条件相当有限，尤其是我国的国产沥青的价格很低，而当 时t l a 的单价又比较贵，相比之下缺乏承受能力。时至今日，国内外沥青的原料 价格有了相当大的变化，国家的经济实力有了大的提高，不少聚合物改性沥青已 经登上了历史舞台。尤其是t l a 改性沥青的价格已经和s b s 改性沥青的价格相竞 争。因此再次对t l a 发生兴趣就不奇怪了。 在香港，过海隧道于1 9 7 2 年用t l a 改性沥青铺设了热压式沥青混合料路面， 至1 9 8 4 年，经过3 亿多次车辆使用，由于不适当的表层清扫程序导致表层沥青产 生磨损，用同一种混合料重新铺设表层，至今还没有收到关于表层沥青损坏的报 告1 9 9 7 年建成的香港青马大桥及最近建成的江阴长江大桥都是使用t l a 改性 沥青的典型实例 在我国内地，除江阴长江大桥桥面铺装外，1 9 9 9 年首先在北京一张家口的干 线公路上铺筑了试验段，该路由于通行山西省出来的运煤车，吨位大，严重超载， 虽屡经维修，却不能解决问题，这次寄希望于t l a 改性沥青四川省1 9 9 9 年在 成渝高速公路也铺筑了t l a 改性沥青的试验段，作为维修养护的措施。据了解，由 于我国正在改善与特立尼达和多巴哥的国家关系，首先体现在商贸上，特立尼达 湖沥青的进口数量有可能大幅度增加，价格也随之下降，按目前每吨估价5 0 0 0 元 计，掺加2 5 t l a 需要1 0 0 0 元，同时减少了2 5 的基质沥青，又减少了成本约5 0 0 元， 实际上每吨沥青改性只增加5 0 0 元，如果这样将比目前使用较普遍的s b s 改性沥 青还稍低，那就有较大的实际意义了。 目前，湖沥青在国内工程中的应用有： 公路：北京二环路、三环，1 1 0 国道北京八达岭段，成渝高速公路，天津津 4 山东大学硕士学位论文 蓟高速，广东省东莞开阳高速，广韶高速佛冈钟落潭段 机场：北京首都国际机场、香港启德机场、赤腊角国际机场 桥梁：江阴长江大桥、珠海琪澳大桥、重庆嘉陵江大桥、钱塘江大桥、香 港青马大桥、杭州东海大桥 隧道：香港海底隧道 北京二环路改造工程指定使用t l a ，开创了中国城市道路上大规模使用的先 例，将为2 0 0 8 年奥运会提供高速舒适的道路。北京首都国际机场2 0 0 0 年使用 t l a 加铺跑道，经两年开放使用后未产生任何变形，各项性能指标都有显著地提 高，得到有关部门的充分肯定。江阴大桥为降低整体桥面重量，减少维护，采 用传统的t l a 精装桥面。重庆市为改善繁华路段的交通，提高路面寿命，降低 养护成本，2 0 0 1 年采用t l a 加铺上清寺大转盘。 1 1 0 国道八达岭段为解决严寒低温及晋煤外运严重超载问题1 9 9 9 年使用 t l a 加铺，至今路面状况完好，改变了年年修，年年坏的状况。成渝高速公路采 用了t l a 作为沥青改性整治铺装材料，动稳定性及抗车辙能力得到大幅度提高 现在湖沥青在我国的应用已经得到较广泛认可。 1 3 多碎石沥青混凝土在我国的研究与应用嗍 1 3 1 多碎石沥青混凝的发展和特点 为提高高速公路沥青路面的表面粗糙度，使高速行车更安全，1 9 8 8 年，在沙 庆林院士的领导下，我国研究开发了多碎石沥青混合料( s a c 一1 6 ) 。它也是一种 粗集料断级配沥青混合料，也使用了丁苯胶( s b r ) 改性沥青和苯乙烯丁二烯嵌段 的共聚物( s b s ) 改性沥青。经过扩大试用和改进，近几年已在多条高速公路上应 用。它于1 9 9 7 年被纳入我国公路沥青路面设计规范( y r j 0 1 4 ) ，被作为抗滑 表层沥青混合料之一，并命名为a l ( 一1 6 a 需要说明的是，规范中的a k - 1 6 a 取自 沪宁高速公路的文件。但沪宁高速公路在开始铺筑表面层时，作了两条补充规定： 一是4 ? 5 m m 筛孔的通过量改为3 0 4 0 ，即保证4 7 5 m m 以上碎石的含量不少于 6 0 9 6 ；二是0 0 7 5 m 的通过量改为6 9 ，即保证粉料含量不少于6 。这两条补 充规定对保证s a c - 1 6 的良好使用性能十分重要。 5 山东大学硕士学位论文 s a c 是一种密实骨架结构，其整体结构是密实的，大部分骨料几乎互相接 触形成骨架，填充骨架空隙的材料主要是沥青矿粉胶浆，中间粒径颗粒很少， 即由高含量的粗集料、高含量的矿粉、低含量的中间粒径颗粒和适当的沥青组 成的混合料。在这种密实骨架结构的混合料中，沥青胶浆作为骨料的填充部 分，它对整个混合料性质的影响( 特别是高温状态下) 不像在密实悬浮结构中 那么大。粗集料的骨架作用使混合料具有良好的抵抗变形能力，高含量的矿粉 与混合料中的沥青形成沥青矿粉胶浆充分填充于粗集料的骨架中间。因而从 结构方面来看，多碎石沥青混合料具有空隙率小，抗变形能力强的特点 s a c 一1 6 的沥青用量较少，用视密度和毛体积密度大( 如视密度2 9 0 0 ) 、吸 水率小的玄武岩时，两面各击7 5 次马歇尔试验的最佳沥青用量( 油石比) 在 4 5 4 蹦用改性沥青时，沥青用量约可增加o 4 。除初始的试验路外， s a c - 1 6 、s a c - 1 3 都使用了纯沥青，以节省投资。s a c 有三个特点：马歇尔试验 的空隙率v a 为3 5 4 2 ”1 ，在保证压实度的前提下，其透水性小；抗永久形 变能力( 即高温稳定性) 强，其动稳定度高于传统沥青混凝士a c - 2 5i 型；表面 粗糙度好，t d o 8 m m 。s a c - 1 6 、s a c 一1 3 和s a c - 9 5 已在中国1 0 0 0 k m 多高速公路 上应用。 i 3 2s a c - 1 6 使用中出现的问题及其原因 中国几条高速公路仅用纯沥青的s a c 使用经验表明，在6 月中旬以后连续高 温条件下，在交通量较大行驶载重汽车多的行车道上开始产生轻重程度不一的 泛油现象，外观表面局部间隙式发亮，严重路段连续发亮，如：沪宁、石安、安新 等高速公路同时，交通量较小且主要行驶小汽车的超车道，仍然保持原有的宏 观租糙度。在同一小地区的另一条高速公路，表面层采用相同的s a c 。由于该路 上交通量不大，夏季过后，无论在超车道还是行车道都保持原有的宏观粗糙度， 如：南京机场高速公路和宁通高速公路。在同一条高速公路上，也不是所有的标 段都产生泛油现象；有的标段基本没有泛油现象或现象轻微，有的标段无泛油现 象。济青高速公路青岛段使用的s a c - 1 6 ，1 9 9 3 年底通车至今已7 年，基本无泛油 现象。沪宁高速公路丹阳段经过两个夏季，仍无明显泛油现象。安阳新乡高速 6 山东大学硕士学位论文 公路三标段和四标段也无明显泛油现象。石安高速公路h 2 标段和1 2 标段仅少 数局部轻度泛油。沥青面层表面层产生轻重不一泛油现象的根本原因：一是某些 标段的沥青用量偏大；二是各个粒级矿料的变异性太大。而沥青用量偏大的原 因，则是马歇尔试验法双面各击7 5 次的混合料的密度小于重交通道路上沥青混 凝土的最终密度，换句话说，对于重交通道路，7 5 次的击实功偏小。实际上，沥青 路面局部泛油发亮现象，在使用传统沥青混凝土的高速公路上和一般公路上都 较普遍。这种通病与中国碎石规格变异性大密切有关。某些使用s a c 一1 6 做表面 层( 抗滑磨耗层) 的高速公路产生一些水破坏现象的主要原因是混合料的压实度 不够，使现场孔隙率过大，以及没有采用抗剥落措施。另一原因是混合料的不均 匀性大采用型级配的表面层同样产生过不少水破坏。1 9 9 7 年1 2 月通车的石 安高速公路，水破坏的修补面积，仅占总面积的1 ( 2 x1 0 5 ) ( 0 o o 0 0 5 ) ，2 0 0 0 年 仅占l ( 4 x1 0 4 ) ( o 0 0 0 2 5 ) 1 9 9 9 年1 1 月通车的广珠高速公路1 7 k m 以及1 9 9 c 吼 年6 月通车的潍莱高速公路1 4 2 k m ，s a c 一1 6 表面层至今未产生一个坑洞，1 9 9 9 年末通车的成雅高速公路l o o k m ，s a c 一1 3 表面层至今尚未产生一个坑洞。2 0 0 0 年5 月在济青高速公路上完成的2 4 k m 超薄沥青面层( s a c - 9 5 ，2 5 c m 厚) 至今 状况良好。这三种抗滑表层的表面构造深度都大于0 8 m 。 可见，s a c 级配只要设计合理和施工规范，从实践中的路用状况来看是良好 的，具有较大的推广前景。在湖沥青作为沥青改性剂逐渐运用到中国的高速公 路工程中去并显现出优良的路用性能的同时，对使用湖沥青改性沥青的多碎石 混沥青凝土进行研究有重要的现实意义 1 4 本课题的主要研究内容和技术路线 主要研究内容： 1 、湖沥青性能及其改性沥青性能分析； 2 、湖沥青改性沥青混合料的配合比设计； 3 、湖沥青改性沥青混合料的路用性能研究； 4 、b u r g e r s 模型在湖沥青特性分析中的应用； 5 、湖沥青改性沥青混合料的施工工艺。 7 山东大学硕士学位论文 研究技术路线： l 、进行湖沥青性能试验，包括湖沥青成分分析及性能试验检测，湖沥青改 性基质沥青性能试验检测，不同温度下沥青针入度试验及沥青的高、低温性能 分析，不同掺配比例的湖沥青改性沥青性能试验。 2 、进行湖沥青改性沥青混合料配合比设计。级配设计过程中引入s u p e r p a v e 的级配设计思想，并且运用贝雷法并结合实际的沥青混合料试验，对初步确定 的矿料级配进行优化选择。采用估算法对最佳沥青用量的范围进行初步估算， 进而通过马歇尔试验验证估算范围的准确性并确定最佳沥青含量。 3 、检验湖沥青改性沥青混合料的路用性能，进行车辙试验、残留稳定度、 冰冻劈裂试验、渗水试验及高温弯曲蠕变试验。 4 、进行湖沥青改性沥青混合料的生产配合比设计和施工工艺研究。 8 山东大学硕士学位论文 第二章湖沥青及其改性沥青性能研究 2 1 基质沥青 工程中用的结合料初选为加德士沥青与泰普克沥青，按照文献 4 要求，对 这两种重交通沥青进行了各项指标的测试，结果见表2 1 。 表2 1 基质沥青试验检测结果 技术要求实验结果 各性能指标 a 珏一7 0 加德士泰普克 针入度0 2 5 ( 2 ( 0 1 m ) 6 0 - 8 06 1 77 4 3 延度0 1 5 c( c m ) 1 0 0 1 0 0 1 0 0 软化点( ) 4 4 - 5 44 7 24 8 6 溶解度( ) 9 9 09 9 99 9 9 闪点( ) 2 3 03 5 83 2 4 密度0 1 5 c实测记录 1 0 3 21 1 0 2 含蜡量( 蒸馏法) 31 6 1 4 薄膜烘箱试验质量损失 5 56 66 8 由表2 1 可见，两种a l 一7 0 沥青的各项技术指标均符合重交通道路石油沥 青的技术指标要求，均可在潍莱高速沥青路面中使用，混合料设计时采用的为 泰普克沥青。 2 2 特立尼达湖沥青成分分析及性能试验检测嘲嘲力嘲 精炼湖沥青仍含相当数量的矿物质( 灰分) ，约占3 6 3 7 ，沥青( 二硫化 碳可溶分) 占5 3 5 5 ，还有4 3 矿物质的化合水和3 2 有机材料( 二硫化 碳中不可溶解) 。在可溶性沥青中，含6 7 7 0 软沥青质和3 0 3 3 沥青质。 分析t l a 的基本胶体结构提示了主要是凝胶结构而不是溶胶结构，胶体不稳定 指数为0 6 8 。t l a 中地沥青的红外分析显示在1 0 4 0 c m - 1 位置上有一条清晰的频带， 它与硫复合物的出现有关。 精炼湖沥青中的矿物质非常细小，全部小于2m m ，其中9 0 小于0 0 7 5 m ，4 4 山东大学硕士学位论文 小于0 o l m m ，经x 射线衍射识别主要是石英和粘土矿物质( 高岭石和伊利石) 。 将精炼湖沥青中的矿物质全部清除，抽提出其中所含的地沥青，其密度为1 0 5 1 0 8g c m 3 ，2 5 c 针入度1 1 0 ，软化点6 5 c 其化学构成为：碳8 2 3 、氢1 0 7 、硫6 2 、氮0 8 英国b s3 6 9 0 关于特立尼达精炼湖沥青( t l a ) 的标准如表2 2 表2 2 特立尼达精炼湖沥青质量标准( b s3 6 9 0 ) 指标规格 针入度( 2 5 ，5s ) o 1m 2 2 软化点 9 3 9 9 加热损失( 1 6 3 ，5 ” 2 0 溶解度 5 2 5 5 灰分 3 5 3 9 密度( 2 5 ) g c m 1 3 9 1 4 4 湖沥青性能检测试验结果见表2 3 。 表2 3 特立尼达湖沥青质量检测结果 各性能指标试验值标准 针入度 2 5 c ( 0 1 咖) 0 5 82 2 软化点( ) ) 9 0 9 3 9 9 延度0 2 5 ( 衄) 2 0 无 密度0 2 5 1 2 ( e c m ) 1 3 9 5 1 3 9 1 4 4 因为t l a 是一种独特的天然湖沥青，它具有更多的凝胶体而不是溶胶结构， 通过其特有的微观尺寸和沥青质的性质提供改性后沥青的结构性能和降低温度 敏感性。软沥青质组成物的成分给t l a 中的地沥青带来了优越的抗剥落性能 若将细小的矿物质当作改性剂加入到路面沥青结合料中，可提高t l a 中的地沥 青的劲度模量和改善道路的抗滑等表面特性，因此其稠度大，针入度较小，软 化点很高；饱和分多，沥青的软化点就低，稠度低，针入度大，湖沥青的饱和 分很少，这与表2 2 的试验结果是一致的。由于湖沥青中含有较多的矿物质， 因此其延度较低 1 0 山东大学硕士学位论文 2 3 特立尼达湖沥青改性基质沥青性能试验检测嘲 t l a 的针入度太小，即使加热也无法直接与矿料拌和均匀，故而不能直接使 用。湖沥青是一种天然形成的物质，它本身是沥青，而不是合成添加剂，其物 理和化学特性与常规沥青完全一致，因此它作为一种沥青改性剂，掺加到石油 沥青中。由于相对高的表面张力，t l a 很容易与普通的石油沥青混合，达到不同 稠度的针入度等级要求，制造均质的t l a 改性沥青结合料，用于路面工程建设。 根据沈金安教授的研究，关于t l a 与不同等级沥青的混合比例，可参考下式计算， 此式适用于混合t l a 含量为0 5 0 的情况。 t l a 含量= ( 1 b ) l n ( p e n p e n , ) 其中：b = 一( 1 8 6 + 0 0 0 5p e n o ) ； p e n , 改性后得到的沥青针入度； p e n , 原石油沥青的针入度。 按照此公式并结合美国a s t m 标准，初步确定改性后的沥青应达到t m a i 的标 准要求运用此公式计算改性后的沥青针入度符合t 姒1 标准的t l a 含量： 下限4 0 ：2 7 8 的t l a 含量 中值4 7 52 0 9 6 的t l a 含量 上限5 51 3 5 的t l a 含量 根据国内外使用特立尼达湖沥青的经验，将其作为改性剂使用时，通常掺 加比例为湖沥青：基质沥青= l ：3 ，即湖沥青占混融后总沥青质量的2 5 。按此 比例改性后的沥青具有良好的路用性能与合理的投资成本。 运用公式验算其针入度是否能达到标准要求： 将p e n = 7 3 ，t l a 含量= 0 2 5 代入公式反算改性后的针入度为4 1 6 ，符合t m a i 的标准要求。t l a 改性沥青质量标准在英国b s3 6 9 0 及美国a s t m 中均有规定，见 表2 4 及表2 5 。 仔细分析这两个标准，实际上稍有差别，显然是由于掺配t l a 比例要求不同 的缘故。在通常情况下，我们可按照a s t m 的标准执行。各个等级的适用条件如 表2 6 所示。 山东大学硕士学位论文 表2 4 特立尼达湖沥青改性标准( 英国b s3 0 9 0 ) 针入度等级 指标 3 5 5 07 0 m l nm a xm l nm a xm l nm a x 针入度( 2 5 ，1 0 0g ，5s ) 0 1m2 84 24 06 06 08 0 溶解度( 三氯乙烯) 7 57 97 57 97 57 9 无机质( 灰分) 1 61 91 61 91 61 9 t f o t 后残留质量损失 o 5 0 50 5 物( 不大于) 针入度降低( 2 5 c 。1 0 0 9 ，5 s ) 2 02 02 0 表2 5 特立尼达湖沥青改性沥青标准( a s t md 5 7 1 0 - 9 5 ) 针入度等级 指标 1 1 n 1咖 n n 31 1 i a 4 m l nm nm l nm a 盖m l nm a xm l nm a x 针入度( 2 5 ( 2 。l o o g ，5 s ) 0 1m4 0 5 5 6 07 5 8 0 1 0 01 2 01 5 0 粘度( 1 3 5 ) 咖2 s 1 3 8 52 7 52 1 51 7 5 延度( 2 5 。5 m m i n ) c s 1 0 01 0 01 0 01 0 0 闪点 2 3 22 3 2 2 3 22 3 2 溶解度( 三氯乙烯) 7 79 07 79 07 79 07 79 0 t f o t 后残封物 针入度降低( 2 5 c ，1 0 0 9 ，5 s ) 5 55 24 74 2 延度( 2 5 1 2 ，5 删m i n ) c m 2 05 07 51 0 0 无机质( 灰分) 7 51 9 57 51 9 5 7 5 1 9 57 51 9 5 注：如原样沥青粘度小于1 0 0 c m ，则应采用抽提的不多于5 无机质灰分的改 性沥青重新试验；如原样沥青2 5 1 2 延度小于1 0 0 c m ，1 5 c 延度大于1 0 0 c m 也予通过；溶解度要求由用户按照混合的t l a 比例在此范围内提出。 表2 6 各种等级的t l a 改性沥青的适用范围 等级针入度0 1m m建议应用的条件 n 矾l4 0 5 5 极繁重的荷载条件、重交通路面、停机坪等。 繁重的交通量、标准负荷的高速公路、机场道面、 僦6 0 7 5 街道等。 中等至繁重的交通量、标准负荷的干线公路，次 1 1 i a 38 0 1 0 0 干道、公路、停车场等。 轻至中等的交通量、标准负荷的次干道、停车场、 撇41 2 0 1 5 0 热拌沥青及冷拌沥青混合料、表面修复。 1 2 山东大学硕士学位论文 选用齐鲁石化a h 一7 0 沥青，对改性沥青的性能进行了测试，结果见表2 7 。 表2 7 改性沥青性能试验检测 1 姒1 标准 指标试验值 m l nm a x 针入度( 眈5 ，1 0 0 9 ，5 s ) ( 0 。l 衄)4 64 0 5 5 运动粘度 1 3 5 ( 衄2 s )太粘，无法做成3 8 5 延度( 0 2 5 ( 2 ，5 衄m i n ) ( c m )，1 0 01 0 0 软化点( )5 3 5 薄膜烘箱试验h 入度比舷5 ( )6 75 5 f 1 6 3 p r h 、i 延度既5 ( c m ) 6 4 5 5 密度( g c m 3 )1 1 1 5 可见，改性后的沥青针入度显著减小，软化点明显提高，由改性前的4 7 2 升高为5 3 5 ，表明改性后的沥青高温性能得到明显改善，并且改性后的沥 青性能试验指标完全符合t 姒1 的标准要求，适合用于目前交通量大的重载交通 路面上。 2 4 不同温度下沥青针入度试验及沥青的高低温性能分析 通过测试1 5 c 、2 5 c 和3 0 ( 2 温度下的针入度，可以计算出反映沥青温度敏 感性的针入度指数p i 、当量软化点和当量脆点，从而得知基质沥青j 湖改性沥 青的温度敏感性能及高、低温性能以及湖改性的效果。 沥青的针入度指数p i 值愈大，表示沥青对高温的敏感性越小，即高温感温性 越低，从高温稳定性的要求出发，p i 值越大越好，但从路用性能另一方面低温抗 裂性考虑，p i 值又不能太大，通常在一l + l 例范围时，其路用性能较好由于目前 对沥青路面的热稳定性要求逐渐提高，因此p i 值在一l + 1 范围内越大越好。通 过对基质泰普克沥青与掺入不同比例的湖沥青的改性沥青的针入度指数对比知， 在一定范围内，湖沥青掺入的比例越高，p i 值越大，则熟稳定侄越好。但由于湖沥 青价格较高，路面造价也将大幅度提高。 当量软化点t 。也是评价沥青高温敏感性的指标，通过试验数据对比，改性 沥青比基质沥青的高温性能得到很好的改善。在用量为2 5 高温性能提高1 9 8 。 通过对基质沥青和改性沥青的当量脆化点分析可知，改性沥青的低温性能同样 山东大学硕士学位论文 得到一定程度的改善，效果也十分明显，在用量为2 5 时低温性能分别提高1 4 。 可见，湖沥青对基质沥青的高、低温性能均具有十分显著的改善效果。 袭2 8 基质沥青、改性沥青针入度及相关指数 沥青针入度 针入度当量软当量 沥青种类 1 5 c2 5 。c3 0 。c指数化点脆点 泰普克( 7 0 i )2 0 87 4 31 0 8 11 2 84 7 1 5- 1 0 7 1 寨普克：湖沥青 1 6 5 4 7 o 7 1 0- o 船5 3 9 6- 1 1 8 1 “：1 ) 泰普克：湖沥青 ( 3 ：1 ) 1 5 1 蚰06 0 00 1 8 5 6 5 0- 1 2 2 1 泰普克：湖沥青 1 3 93 5 05 0 0+ 0 4 46 7 7 6- 1 3 5 ( 7 ：3 ) 2 5 本章小结 对湖沥青及其改性沥青的性能指标进行了室内试验分析，得出如下结论： l 、改性后的沥青针入度显著减小，软化点明显提高，表明改性后的沥青高 温性能得到明显改善，并且改性后的沥青性能试验指标完全符合t m a l 的标准要 求，适合用于目前交通量大的重载交通路面上。 2 、通过对泰普克沥青与掺入不同比例的湖沥青的改性沥青的针入度指数对 比可知。在一定范围内，湖沥青掺入的比例越高，p i 值越大，则热稳定性越好。当 量软化点t 。也是评价沥青高温敏感性的指标，通过试验数据对比，改性沥青比 基质沥青的高温性能得到很好的改善，在用量为2 5 高温性能提高1 9 8 9 6 。通过 对基质沥青和改性沥青的当量脆化点分析可知，改性沥青的低温性能同样得到 一定程度的改善，效果也十分明显，在用量为2 5 时低温性能提高1 4 。可见， 湖沥青对基质沥青的高、低温性能均具有十分显著的改善效果 1 4 山东大学硕士学位论文 第三章沥青混合料配合比设计的理论与方法 沥青混合料的配合比设计，就是在满足混合料的体积指标和物理力学性能 要求，并考虑施工因素的条件下，在众多的集料、矿粉和沥青结合料中选择合 格的