（道路与铁道工程专业论文）硬质沥青及其混合料路用性能的试验研究.pdf

摘要 近年来，我国高速公路路面早期损坏严重。从最早出现的水破坏到 现在的车辙，开裂，如何防治沥青路面的早期破坏一直是路面研究者的 重点研究内容。国外广泛应用的硬质沥青，柔性基层这些针对沥青路面 破坏现象的有效措施渐渐的被国内研究者熟悉并研究采用。在这个背景 下，本文研究了硬质沥青应用于中下面层以及柔性基层时的路用性能， 这对硬质沥青在国内的发展应用具有重要的学术价值和参考作用。 本文从硬质沥青的性能研究开始，通过大量的室内试验，主要研究 了以下内容： 第一，硬质沥青的常规试验以及s h r pp g 分级试验。研究表明硬质 沥青具有优良的高温性能，低温性能存在不足，但是在本文开展试验的 河南省，是可以满足路用要求的。 第二，本文将贝雷法引入配合比设计。选取了a c 一2 0 c 和a c 25 c 以及 a t b 3 0 ，a t b 4 0 这几种工程应用较普遍的混合料进行试验研究。通过马歇 尔试件体积指标，确定了他们的最佳油石比。 第三，混合料路用性能测试。主要研究了车辙试验，极限拉伸试验， 水稳定性试验，疲劳性能试验。结果表明硬质沥青具有比s b s 改性沥青 更优秀的路用性能，如高温稳定性，耐疲劳性能等。通过研究表明，硬 质沥青是一种适合应用于中下面层以及基层的材料，具有广阔的应用前 景。 关键词：早期破坏；硬质沥青；s h r p 试验；路用性能 a bs t r a c t t h ep h e n o m e n o no fal a r g en u m b e ro fe a r l yd a m a g ea s s o c i a t e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to fc h i n a sh i g h w a y s f r o mt h ew a t e rd a m a g et ot h et r a c ka n d c r a c k i n g ，t h ep r o b l e m so fh o wt oc o n t r o lt h ee a r l yd a m a g eo fa s p h a l t p a v e m e n ts u r f a c eh a v eb e e nt h ef o c u so fr e s e a r c h e r ss t u d y h a r da s p h a l t a n df l e x i b l eb a s et h a tw i d e l yu s e da ta b r o a da r eb o t he f f e c t i v em e a s u r e so f p r e v e n t i n gp a v e m e n tf r o md a m a g e ，a n di tn o wh a sb e e nf a m i l i a rw i t hb y d o m e s t i cr e s e a r c h e r s a g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rr e s e a r c ho nt h e p a v e m e n tp e r f o r m a n c ew h i c ha p p l y i n gh a r da s p h a l tt ot h em i da n db e l o w s u r f a c eo rt ot h ef l e x i b l eb a s el a y e r ，w h i c hi sa ni m p o r t a n td e v e l o p m e n to f a p p l i c a t i o n sa n dr e f e r e n c et ot h er o l eo fa c a d e m i cv a l u e t h o u g hal a r g en u m b e ro fl a b o r a t o r yt e s t ，t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h e c o n t e n ta sf o l l o w s ： f i r s t ，t h ec o n v e n t i o n a l t e s t so fa s p h a l ta n ds h r pp gg r a d i n gt e s t r e s e a r c hs h o w st h a th a r d a s p h a l t h a s e x c e l l e n t h i g ht e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c e ，l o w t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c ed e f i c i e n c i e s ，b u tt e s t sc a r r i e d o u ti nh e n a np r o v i n c es h o wi tc a na l s om e e tt h er o a dr e q u i r e m e n t s s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em i da n db e l o ws u r f a c e ， t h i sa r t i c l es e l e c ta c - 2 0 c ，a c 2 5 ca n da t b 3 0 ，a t b 4 0w h i c ha r ec o m m o n l y u s e di n e n g i n e e r i n gt o d ot e s t s t h r o u g ht h em a r s h a l ls p e c i m e nv o l u m e i n d i c a t o r st od e t e r m i n et h e i rb e s tt h a no i l s t o n e t h i r d ，d ot h em i x t u r ep e r f o r m a n c et e s t s m a i n l yc o n c l u d i n gt r a c kt e s t ， t h el i m i t so ft e n s i l et e s t ，w a t e rs t a b i l i t yt e s t ，f a t i g u et e s t t h er e s u l t ss h o w t h a tt h eh a r da s p h a l th a sb e t t e rp a v e m e n tp e r f o r m a n c et h a ns b sm o d i f i e d a s p h a l t a n dm a t r i x a s p h a l t ， s u c ha s h i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y ， f a t i g u e r e s i s t a n tp r o p e r t i e s t h es t u d ys h o w st h a th a r da s p h a l ti ss u i t a b l e f o rt h ea p p l i c a t i o no fm i da n db e l o ws u r f a c e ，a n di th a sb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t s k e yw o r d s ：e a r l yd a m a g e ；h a r da s p h a l t ；s h r pt e s t ；p a v e m e n t p e r f o r m a n c e i l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并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。本人授权长沙理工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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签 导师签 ：年 月日 ：年 月日 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 近年来我国高速公路沥青路面早期损坏严重，2 0 世纪9 0 年代后期 主要是水损坏严重，通过研究和采取措施得到一定程度的控制，但近年 来却出现严重的车辙损坏，尤其是早期车辙损坏，引起了全社会的普遍 关注。尽管国外对沥青路面车辙问题研究较多，但我国并没有引起重视， 原因是我国公路普遍采用半刚性基层沥青路面，车辙变形的产生也主要 是失稳性车辙，由于初期沥青面层较薄、交通量较小、车辆荷载也小， 并没有出现明显的车辙问题；近年随着高速公路建设的发展，沥青面层 增厚、交通量增大、运输车辆重载化尤其是超载严重，再加上气候反常， 出现持续高温，以及沥青混合料性能的变化( 为防止水损害而增加沥青用 量、采用密级配、降低设计孔隙率) ，尽管采用了好的沥青材料和矿料， 仍不能抑制车辙永久变形以及早期开裂的产生心1 。因此，开展对沥青路面 早期破坏的理论与应用研究，提出切实可行的防治早期损坏的技术，减 少沥青路面早期破坏具有十分重要的现实意义、经济效益和社会意义。 长期以来我国高等级公路路面都采用半刚性基层沥青路面。我国沥 青路面的设计思想为“强基、薄面、稳土基 ，目前最主要的路面结构型 式为半刚性基层沥青路面。半刚性基层具有整体强度高、刚度大、取材 方便、建设成本低廉等优点。这也是长期以来，我国的沥青路面结构型 式单一，高速公路、一级公路几乎千篇一律地使用半刚性沥青路面结构 的原因之一。由于半刚性基层材料温缩、干缩特性，以及材料本身的脆 性，裂缝的产生不可避免。半刚性基层路面的破坏一般从半刚性基层的 缩裂开始，然后破坏由基层向面层和路基延伸，最终发展为整个路面结 构的破坏，因此这种路面破坏模式属于路面的结构性破坏。一旦损坏， 维修养护是面临的一个大难题引。交通部2 0 0 5 年12 月6 日发布关于 防治高速公路沥青路面早期损坏指导意见的通知( 交公路发( 2 0 0 5 ) 5 23 号) ，通知指出：近年来，我国公路建设迅速发展的同时，一些路段高速 公路沥青路面出现了早期损坏现象，不仅造成经济损失，而且影响交通 行业的社会形象和可持续发展，柔性基层是许多发达国家常用的路面结 构形式，鼓励各地加强柔性基层试验研究，在试验路段铺筑成功的基础 上加以推广1 。 硬质沥青作结合料的沥青混凝土结构层有较高的模量，有较强的抗 高温车辙和向下层传递荷载的能力，适用于重载交通条件下的高等级公 路路面结构。同时，硬质沥青与集料有良好的粘结性能，有效提高沥青 混合料的粘结，提高抗水损害性能和抗疲劳性能鉴于硬质沥青作结合 料的沥青混凝土结构层有较高的模量，有较强的抗高温车辙和向下层传 递荷载的能力。同时硬质沥青用做柔性基层结合料在有效降低沥青路面 开裂的同时也能提高沥青路面的抗车辙性能，水稳性能6 1 。 因此本文将针对高速公路早期车辙，开裂现象严重的问题，开展高 模量沥青集料用于面层以及基层的路用性能研究。本研究成果必将会对 推广高模量沥青的应用，并对于其他工程研究具有重要的借鉴作用。 1 2 硬质沥青混凝土的研究现状 1 2 1 硬沥青在国外的研究状况 硬质沥青在国外道路中的应用已有很多先例，其中欧洲在这方面完 成了大量的研究工作。英国改建一些重交通道路时，由于受到桥梁净空 和排水标高得限制，要求既要改进路面性能还不能增加结构层厚度，这 使得材料得性能必须有所提高。他们在改良路面基层材料时就用5 0 号沥 青取代了10 0 号，基层类型为密集配沥青碎石。在配合比设计时，填料 用量由5 增加到8 。经过测试发现5 0 号的沥青可以使得沥青碎石的 劲度增加三倍，室内疲劳试验表明虽然材料劲度明显增加，但是较硬的 沥青和较高填料含量对疲劳寿命的影响并不显著；同时，劲度的增加， 可令基层底部的应变减小，而底部正是疲劳开裂最容易发生的地方。通 过30 车辙试验证明了增加3 的填料可以使压实充分的材料层的变形 减少约4 0 1 7 1 。 在2 0 世纪6 0 年代法国由于当时迅猛增长的重载交通使得人们不得 不寻求一种刚度更高、抗车辙能力更强的路面材料，于是开始使用硬质 沥青。使用硬质沥青结合料的高模量沥青混凝土h m a c 在法国已经使用 了将近2 0 年，现已将高模量沥青混凝土纳入该国沥青路面规范中，这使 得硬质沥青在法国道路建设中得推广应用成为大趋势。在法国，目前沥 青路面中下面层中5 0 都应用了高模量沥青混凝土i s l 。 芬兰在硬质沥青应用方面作了不少工作，公路部门通常将硬质沥青 应用于次等级道路作为基层采用，主要利用硬质沥青材料较高的劲度、 强度，以降低次等级道路路基施工过程存在的不均匀现象对路面结构的 影响。芬兰在采用硬质沥青用于上面层、提高沥青路面抵抗永久变形的 能力( 车辙) 方面，也进行了不少研究。h e l s i n k i 技术大学将硬质沥青或 硬沥青、改性沥青分别用于同一道路相邻的交叉处，进行了对比应用研 究，试验结果表明硬质沥青相对于其他两种沥青，具有良好的路用性能。 鉴于硬质沥青良好的抗变形性能，在芬兰高速公路建设中，得到越来越 广泛的应用 9 1 。 在荷兰d e l f t 大学进行的l i n t r a c k 加速加载试验，对几种基层和面层 形式的抗车辙性能作出评价，其中包括普通沥青密集配混凝土 ( d a c 8 0 10 0 ) 、硬质沥青密集配混凝土( d a c 4 5 6 0 ) 、s m a 和改性沥青 密集配沥青混凝土( m d a c ) 等。在特定的温度和模拟交通量条件下，通 过l i n t r a c k 设备对环道加载，并实时纪录车辙的发展情况，加载完毕后 钻芯样，在室内完成三轴试验。车辙试验的结果显示，硬质沥青混凝土 的车辙深度与s m a 的基本相当，并明显优于普通沥青混凝土；而三轴试 验的结果显示硬质沥青混凝土具备良好的抵抗变形的能力。两项试验都 证实了硬质沥青混凝土在道路使用方面的优越性能。 还有一些国家将硬质沥青掺配聚烯烃类，将硬质沥青改性成高劲度 胶结料，用于基层或底基层。近年来，已越来越多的应用于磨耗层，应 用结果表明，路面不仅具有高劲度抗车辙性能，路面微观构造的衰减也 较其他沥青材料要慢，性能显著。另外，硬质沥青还被用于制造泡沫沥 青，提高沥青材料对集料的包裹能力和粘附性，应用于常温拌沥青混合 料，在路面施工经济、环保的条件下，达到提高路面抗变形能力1 1 0 。 1 2 2 硬质沥青混凝土在国外的发展状况 长寿命路面的基本设计原理是尽量减少结构性损坏的发展潜势( 如 疲劳开裂和永久性变形) ，以及限定路面损坏在路面结构的面层之内，这 可靠增加沥青基层的厚度和强度来实现，相比增加沥青层的厚度来说， 增加基层的强度更为有效；同时维持沥青混合料对裂缝的抵抗力也很重 要。高模量沥青混凝土的生产主要是用于长寿命沥青路面的基层材料。 法国于19 世纪8 0 年代开始运用高模量沥青混凝土( h m a c ) 铺筑路 面。相对于传统沥青混凝土而言，这种材料有较好的抗损能力。在路面 设计中( 开裂和永久变形) ，h m a c 首先被运用于补强旧路面，然后它被 逐渐地用来铺筑新路面的基层，h m a c 的经济效益在于它能减小路面厚 度，尤其是在局部集料压碎值较低或是重交通量，行车速度比较低或渠 化交通的时候这点更能体现优势【l 。 葡萄牙公路管理司于2 0 世纪9 0 年代初引入了h m a c ，并将这种混合 料运用与首都里士本一个重交通量的主桥入口处。这是运用较强的沥青 混凝土来解决承载能力问题的受次尝试。为了获取生产和铺筑h m a c 的 经验，这种技术在在相似的情况下于l9 9 6 19 9 7 年间被反复运用。位于 波多附近正在重建的e n14 ( 葡萄牙14 号国道) 已经证明了研究情况符 3 合实际。 从欧洲标准化过程的确立情况来看，h m a c 是一种骨料级配连续的沥 青混凝土，典型的情况是当35 的材料直径小于2t o n i 或7 咖，或有8 的材料直径小于0 0 7 5 衄。当层厚为6 10a i i ，7 12 锄，l0 - l5 锄时，集 料最大公称粒径分别为10 ，14 ，2 0 咖。法国标准n f p9 8 14 0 将h m a c 区分为两个性能等级：i 型h m a c 和i i 型h m a c 。在i 型h m a c 中沥青 含量小于5 ，而在i i 型h m a c 中沥青含量在5 5 6 5 之间【”】。 1 2 3 国内研究概况 我国目前已经能够生产针入度较低的硬质沥青，2 0 0 4 年颁布的公 路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 明确提出了3o 号沥青，这 对我国硬质沥青的研究应用有着十分重要的意义，但是，规范要求该种 沥青的应用仅适用于沥青稳定基层材料。 白兰高速公路( 起于白银市区四龙路口，终止于兰州市忠和镇) 玛蹄脂 试验路段曾采用进口的a h 5 0 沥青作为结合料。2 0 0 4 年lo 月2 0 同完工 的青红高速涉县至冀晋界段柔性基层试验段，已对a h 5 0 号沥青碎石基 层材料组成设计、高温动稳定度、低温性能试验进行了研究。 茂湛二期( 茂湛高速观珠至坡心段) ，东接阳茂高速公路，西接茂湛 高速一期坡心至源水段，全长2 0 2 2 公里，为探索a h 5 0 沥青在高温多 雨环境下的利用，开展了本文研究，为硬质沥青路面施工积累了一定经 验。 在我国台湾省，按照台湾t a i p a v e ( 台湾的s u p e r p a v e + m a r s h a l l ) 的要求，沥青一般采用a c 30 ，相当于p g 7 6 2 0 ，基本上是5 0 号沥青， 尽管台湾的超载情况也十分严重，车辙情况比隔海相望的福建省要轻得 多【1 ”。 广东省路桥建设发展公司与华南理工大学、科氏公司合作，在京珠 高速公路上修筑了约1 4 k m 的高模量沥青试验段，试验路于2 0 0 3 年12 月底完成。试验路采用了科氏高模量改性沥青，其高温等级可达到p g 8 2 ， 与普通改性沥青的流变性质和模量对比，可以看出高模量沥青的模量和 车辙因子在老化前后都比普通改性沥青提高了近3 倍。它的高温连续性 能分级为8 4 6 ，在高温环境下比普通改性沥青具有更好的抗变形能力。 在粤赣高速公路部分长陡坡路段的沥青面层中采用高模量沥青作为胶结 料修筑了5 段试验路。为了提高沥青面层的劲度模量，使应力尽快分散， 试验路段沥青面层分别设置了中、上面层2 层高模量改性沥青混合料和 上、中、下面层3 层高模量改性沥青混合料两种。为评价高模量沥青混 合料的抗车辙能力，分别制备高模量沥青混合料和普通沥青混合料的车 4 辙试件，按有关标准进行高温车辙试验，结果表明，高模量沥青混合料 较普通沥青混合料其动稳定度有较大幅度增加。 1 2 4 硬质沥青及高模量沥青混合料工程应用分析 对国内外关于硬沥青( 3 0 # 、5 0 # 等) 、高模量沥青混凝土的大量调研 表明：提高沥青混合料的模量可以增加路面的抗车辙能力和抗永久变形 的能力。提高沥青混凝土模量可以通过选择沥青和改善集料级配来实现。 目前，国外对硬质沥青的研究开展较多，但国内有关完全意义上的高粘 度基质沥青应用技术的研究由于多方面原因( 高粘度基质沥青的来源、 规范上某些不完善的规定、其他改性沥青的广泛使用) 开展的时间较晚 且研究的深度不足。研究人员对于它的低温抗裂性能首先表示怀疑，这 也是人们极为关注的问题。另外，这种沥青胶结料制成的混合料是否能 长时间保持良好的性能，而不受气候、车辆等长期作用的影响，也是硬 质沥青得以推广的重要保证。由于硬质沥青在我国还未曾大量使用过， 对于其现场施工的拌和、摊铺、碾压等施工工艺中可能会出现的问题还 没有足够的认识，这种特殊的沥青混合料是否能与现行道路施工技术和 设备相结合，还需要通过实际工程的应用来验证。 而我国沥青路面的早期损坏很大程度上与路面的抗车辙能力有关， 通过对硬质沥青的深入研究和成功应用，对解决我国高等级沥青路面出 现的问题必将具有重要的借鉴价值。 由于硬质沥青粘度大，在运输、存储过程中所需温度较高，同时， 高模量沥青混合料所需施工温度也较常用的改性沥青和普通沥青混合料 要高，并且，施工中所需的压实功大。我国现行公路沥青路面施工技 术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 中没有对高模量沥青混合料的施工工艺进行专 门说明。 邱志雄认为高模量沥青混合料拌和、摊铺、碾压温度应较普通改性 沥青混合料约高10 ，但没有说明原因。刘峰根据粘温曲线得到了硬质 沥青混合料的施工温度，但硬沥青混合料的碾压仍采用常规方式。曹江 也仅对硬质沥青混合料的温度控制进行了粘温曲线测试【1 4 】。 1 3 研究目标与研究内容 采用新技术、新材料、新方法和新工艺，是防治高速公路沥青路面早 期损坏的基础。由于高模量沥青混合料在我国的应用很少，尽管我国规 范中有a h 30 5 0 沥青标准，石化部门也研制过相应的生产工艺，除少数 几个生产企业有过少量生产( 如广东茂名石化公司、江苏泰州石化总厂、 广东中油高富燃油公司等) ，并没有广泛应用。同时，对高模量沥青混合 料的路用性能( 高温稳定性、低温抗裂性能、水稳定性、耐久性等) ，尤 其是低温抗裂性能和耐久性，缺乏系统研究。 本文将着重研究硬沥青应用于沥青面层以及基层路用性能研究，通过 室内试验，系统研究高模量沥青混合料路用性能，包括高温性能，低温 抗裂性能，水稳性能和抗疲劳性能。这不仅为公路沥青路面的质量提供 经济、可靠的保证，减少路面早期损失，提高路面使用寿命，确保公路 交通的畅通和安全；而且可以大大提高沥青路面结构设计和材料应用技 术水平，促进交通建设与经济的快速健康发展。本文将为硬沥青在全国 的沥青路面新建与改建工程的成功应用，提供科学依据，为我国规范对 硬沥青的应用提供坚实的理论与实践基础。 结合前人的研究成果，本本文主要包括以下主要研究内容： l ：硬质沥青与普通沥青之间的性能对比研究，进行p g 分级。 2 ：引入贝雷法进行级配设计，利用马歇尔试验方法确定本文所选用 的混合料的油石比。 3 ：3o j ! j 沥青以及7 0 # 沥青应用于中下面层以及基层的路用性能研究 6 第二章硬质沥青性能研究 从l9 世纪开始用沥青铺路以来，对道路沥青的研究一直没停止过。 l91 1 年美国首先提出以针入度作为沥青的分级标准；l9l6 年德国 m a l c u s o n 提出了最初的沥青组分分析法，研究了沥青组分含量同路用性 能的关系：l9 8 7 年成立的美国战略公路研究计划( s h r p ) 项目的进行， 使沥青的研究进入了一个新的领域。随着公路等级的不断提高，对沥青 材料提出了更高的要求，在沥青指标方面除针入度、延度、软化点等常 用的三大指标外，先后提出了脆点、含腊量、组分分析、粘附性以及旋 转薄膜烘箱老化等一系列非常规指标【 】。 本章分别采用针入度分级方法和s h r p 的p g 性能分级方法对3o 撑沥 青技术性质进行分析。同时，将硬质沥青技术性质与7 0 # 沥青和s b s ( i d ) 改性沥青进行了对比研究。 2 1 沥青常规指标试验及结果分析 试验所用沥青为中海油泰州30 i 沥青、5 0 撑沥青、7 0 撑沥青及s bs ( i d ) 改性沥青四种，检测结果如表2 1 和表2 2 所示【1 6 】。 表2 1 几种沥青常规指标试验结果 3 0 捍 试验项目 沥 技术指标 5 0 j f j 沥 技术指 7 0 撑 技术指 青 青 标沥青 标 针入度( 2 5 ，10 0 9 ， 2 6 2 0 4 0 5 64 0 6 06 56 0 8 0 5 s ) 0 1 m m( 2 5 3 5 ) ( 5 c m m i n ，1 0 ) 6 a ：之1 0 ：b ：2 8 | a ：1 5 8 6 a ：之2 0 延 c m ( 实测) b ： 1 0 a ，b ：兰5 0 a b ：三8 度 ( 5 e r a r a i n ，1 5 ) l3c ：芝2 0 l 0 00 l0 0 a ：芝1 0 0 c m ( 实测) c ： 3 0 软化点( 环球法) 6 0a ：芝5 54 9 a ：4 9 5 0 a ：之4 6 针入度指数 0 9 9 o 2 2 8 a ：1 5 o 4 7 6 l a ：1 5 一+ 1 0r = 0 9 9r = 0 9 9 a ：1 5 + 7 + 1 o1 0 7 6 0 动力粘度( p a s ) l6 2 6 2 6 03l l2 0 02 2 4l8 0 蜡含量( )o 6a ：2 2| a ：曼2 2 1 2 a ：s 2 2 溶解度( ) 9 9 7 三9 9 59 9 6 8芝9 9 59 9 8之9 9 5 闪点( )2 9 6 之2 6 0 3 0 3 之2 6 0 3 3 0 芝2 6 0 密度15 ( g c m 3 ) 1 0 2 2 实测1 0 1 7实测1 0l2 实测 7 r t 质量变化o 0s 士0 8o 4s 士0 8o 0 2 6_ 7 0 撑沥青 3o 撑沥青。同时，几种沥青 针入度指数均满足规范要求。 2 1 2 硬沥青的高温性能 软化点是道路沥青一种最基本的性质指标，是道路沥青的三大指标 之一。 粘度是流体在剪切力作用下产生剪切位移时，各层位间作用于单位 面积上的剪应力与剪切速率的比值，实际上是衡量对流体内摩擦力的大 小的指标。从评价沥青的高温稳定性出发，沥青6 0 粘度特别受重视， 因为6 0 正好处于夏季路面的高温条件下，为了使沥青混合料有较好的 高温稳定性，就希望沥青具有较高的粘度，所以6 0 粘度指标常作为反 映沥青在夏季沥青耐高温性的指标。粘度大的沥青在荷载作用下产生较 小的剪切变形，弹性恢复性能好，残留的永久性塑性变形小。 9 本试验采用软化点和6 0 的粘度( 30 # 、5 0 # 和7 0 沥青) 来评价硬沥 青的高温性能。由表2 1 和表2 2 可知，几种沥青的软化点均满足规范要 求，并且软化点关系为s bs 改性沥青 30 # b 眨j 青 7 0 # n 青 5 0 j | 沥青( 图 2 2 ) 。3 0 # 、5 0 # 和7 0 # 沥青的6 0 动力粘度均满足规范要求，其关系为 3o 撑沥青 5 0 j f 沥青 7 0 # f f j 青( 图2 3 ) ，由此可见，沥青标号越低，粘度越 大。 8 0 6 0 p 登4 0 嘻 餐 2 0 o 3 0 # ：秒鬈。4 臻 “：；7 j 。影葛 ? ，。；j j | + 鬻 ，7 2 j | j ，艺 酝。铲i 秀；i 缓 j7 ，黟 f 钙，每 ；r， 移i ? j 谚 多j ， 。 隧二，彰 黟，鬈 p ，- j 一 ，7 ，z ：毙：， 7 ： 必彩j蓐 荔；。莸。；。施 5 0 #7 0 #s b s 图2 2 几种沥青的软化点 2 1 3 硬沥青的低温性能 沥青的低温性能直接关系到沥青路面的抗低温开裂性能，表征沥青 低温性能的指标主要有：低温延度、弗拉斯脆点和当量脆点等。我国在 对沥青的低温性能的评价方面，选择以10 延度及当量脆点t 1 2 作为沥 青低温抗裂性能的指标。延度试验反映是的在一定温度条件下，沥青受 一定应力作用所产生的塑性变形f 1 7 】。 本试验采用10 和l5 延度评价硬质沥青的低温性能。具体试验方 法按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程中规定方法进行，试验 结果见表2 1 和表2 2 。 从表中看出，3 0 撑沥青的10 和15 粘度分别为6 c m 和13 c m ，不满足现行规 范要求。5 0 j f 沥青10 延度也不满足现行规范要求。这是因为硬质沥青针入度提 高，沥青变硬、变脆，随之而来是延度的降低。由于目前硬质沥青应用较少，规 范中给出的延度指标还需人量的工程实践进行验证。 2 1 4 硬沥青的老化性能 硬沥青老化性能的测试采用薄膜加热试验，具体试验方法按照公 路工程沥青及沥青混合料试验规程中规定的方法( t 0 6 0 9 ) ，将5 0 9 沥 l o 青试样放入直径为l4 0 m m ，深9 5 m m 的不锈钢盛样皿中，沥青膜的厚度 为3 2 m m ，在l6 3 通风烘箱中以5 5 r m i n 的转速旋转，5 h 后测定沥青 的质量损失、残留针入度比、残留延度等各项指标。具体试验结果见表 2 1 和表2 2 。 从表中看出，薄膜加热试验后几种沥青各项指标除5 0 # 沥青l0 残 留延度不满足要求外，其他各项指标均满足规范要求。 2 2s hr pp g 分级试验及结果分析 2 2 1 动态剪切流变( ds r ) 试验结果及分析 用中海油泰州牌沥青a 3 0 # 、a 5 0 # 、a 7 0 # 和s bs ( i d ) 改性沥青 的原样及r t f o t 残留沥青进行动态剪切流变试验】一【2 ，结果如表2 4 所示。 表2 4原样沥青d s r 试验结果 试验温度 试验项目a 3 0 撑a 5 0 拌a 7 0 撑 s b s 改性 i 6 4l93 6 62 6 05 8 5 7 0 7 171 6 91 3 43 4 g 幸k p a7 63 6 7o 8 3 0 72 16 8 21 8 9 1 4 881 0l0 9 6 4 6 4 4 0 5o 2 6o 162 5 6 7 0l 。4 7 o 0 90 0 71 4 9 g | k p a7 60 6 90 0 40 0 30 9 9 8 2 0 3 0o 7 0 8 8 o 14o 5 5 6 4 l8 5 63 6 52 5 95 2 6 7 07 0 21 6 9 1 3 43 0 7 g “| k p a7 63 60 8 3o 7 01 9 2 8 21 8 7 1 21 8 81 0 0 0 7 9 6 47 7 7 8 6 o8 6 46 4 1 7 07 8 28 7 08 7 26 4 1 6 | o 7 67 9 28 7 48 7 46 2 6 8 281 o 6 0 o 8 8 r 9 气 55 2 6 4 1 9 4 53 6 72 6l6 5 0 7 07 3 21 6 91 3 4 3 7 7 g 卑is i n6fk p 7 63 7 40 8 3o 72 4 3 8 2 1 911 6 2 8 8 1 0 21 17 将几种原样沥青的复数剪切模量g 、动力弹性模量g 、损失弹性模 量g 。、相位角万、抗车辙因子g s i n 万与温度之间的关系分别绘于图2 9 图2 13 中。 6 06 5 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 o 1 5 l 。0 o 5 0 0 8 08 5 图2 9复数剪切模量随温度的变化 7 07 58 08 59 0 温度 图2 1o弹性剪切模量随温度的变化 6 06 58 59 0 图2 1l损失剪切模量随温度的变化 1 2 惦 坦 8 4 o 墨瞄辎尽豁巅聪 伤彪 温 07 受睁辎尽豁掣教 0 0 o o 0 o o o o 0 0 加埯垢h 他加8 6 4 2 0 受婚辎墨蜜辎 o8 佰蒯温 o7 9 0 0 8 5 o 8 0 0 般7 5 0 牮7 0 0 冥6 5 0 6 0 o 5 5 o 5 0 0 2 5 0 母2 0 0 山 j 滞1 5 0 翮 翟1 0 0 对 辐 5 o o 0 6 06 57 07 5 8 08 59 0 温度 图2 12相位角随温度的变化 6 06 57 07 58 08 59 0 温度 c 图2 14抗车辙因子随温度的变化 从图2 9 、图2 10 和图2 1 l 中我们可以看到，复数剪切模量g 木、弹 性剪切模量g 和损失剪切模量g 1 都随着温度的升高而下降。3o 群沥青和改 性沥青的曲线变化更加明显，而5 0 # 和7 0 # 沥青的变化曲线相对平缓。从 图2 12 我们可以看见，除改性沥青的相位角随温度升高少有降低外，其 他三种沥青的相位角均随温度升高均略有增大。 此外，改性沥青的相位角最小，3o 沥青次之，5 0 # 和7 0 # 沥青的相位 角没有明显差别，同时，改性沥青相位角比3 0 # 沥青相位角将近低l0 度， 3 0 # 沥青比5 0 # 和7 0 # 沥青相位角低将近10 度。相位角万越大，则t a n 6 值 越大，表示在荷载作用下模量的粘性成分越大，也就是变形不可恢复的 部分越大，则容易产生永久性变形。从而表明改性沥青和3o j f i 沥青的复合 剪切模量中弹性模量所占比例比5 0 # 和7 0 # 沥青大。 评价沥青胶结料高温性能的指标为抗车辙因子g 孛s i n 8 ，图3 13 给出 了几种沥青抗车辙因子随温度的变化关系。从图中看出，随温度升高， 四种沥青的抗车辙因子降低，表明抵抗高温的性能降低。同时，四种标 1 3 号的原样沥青g 木s i n 8 值在7 0 时都大于1 0 k p a ，并且3o i f 沥青和改性沥 青在88 仍大于1 0 k p a ，说明3 0 # 沥青的高温性能与改性沥青相当，5 0 # 沥青比7 0 # 沥青的高温性能稍好，但均明显不如3o 撑沥青和改性沥青，各 种沥青之间的差别在温度稍低时更为明显。因此，在对高温性能要求较 高的地区，满足相关要求的前提下，在路面结构中合适的层位采用3 0 # 沥青部分代替改性沥青具有现实意义。 图2 14 、图2 15 和图2 16 分别给出了复数剪切模量、相位角和抗车 辙因子随沥青标号的变化，前述的变化关系更为直观。 0l2345 图2 14复数剪切模量随沥青标号的变化 9 0 o 8 5 0 8 0 0 接 遥7 5 0 翼 7 0 o 6 5 o 6 0 o 012345 图2 15相位角随沥青标号的变化 1 4 o 0 0 0 o o o o o o o 加坞蟾m 屹m 8 6 4 2 o 罡睡辎零豁黎溅 2 5 o 2 0 0 时 o _ l n - , 1 5 0 区 霉1 0 o 辗 5 o 0 o 01 2345 图2 16抗车辙因子随沥青标号的变化 对r t f o t 残留沥青进行动态剪切流变试验，试验结果为表2 5 。除 改性沥青相位角随温度的变化关系外，其他结果变化趋势与原样沥青基 本一致。 8 4 8 2 8 0 接 g7 8 罂 7 6 7 4 7 2 1 2 1 0 面 凸_ 8 区6 溪 羹4 2 o 7 47 67 88 08 2 8 48 68 89 0 温度 图2 173 0 # 沥青老化前后相位角的变化 7 47 6 7 88 08 28 48 68 89 0 温度 图2 183 0 # 沥青老化前后抗车辙因子的变化 1 5 为了比较老化前后沥青的性能，图2 17 和图2 18 分别给出了30 撑原 样沥青和r t f o t 沥青的相位角和抗车辙因子的变化情况。从图2 17 和图 2 18 看出，老化后，30 存沥青的相位角减小，抗车辙因子增加，表明复数 剪切模量中弹性的部分增多，沥青抗车辙性能增强。其他沥青有相似的 变化规律。 表2 5r t f o t 残留沥青d s r 试验结果 试验温度 试验项目 3 0 撑5 0 撑7 0 j f s b s 改性 6 474 4 3 7 03 2l2 2 56 6 3 7 69 2 51 5 51 13 4 0 6 g 牵k p a 8 24 7 32 5 7 8 82 5 41 6 3 9 41 4 8 6 42 0 91 3 2 7 00 8 4 o 5 9 3 0 6 7 62 7 70 3 50 2 51 9l g 。| 砖a 8 21 2 31 2l 880 5 7o 7 6 9 40 2 8 6 46 6 84 2 3 7 03 1o2 175 8 8 7 68 8 31 5l1 103 5 8 g “| k p a 8 24 5 7 2 2 7 8 82 4 81 4 4 9 41 4 5 6 48 3 28 4 6 2 5 7 08 4 98 5 6 6 2 7 6 7 2 68 6 1 8 6 6 6 | o 61 9 8 27 4 9 6 2 3 8 87 7 1 9 47 9 6 47 0 54 4 6 7 0 3 2 2 2 2 67 4 8 g 木s i n 8 k p 7 69 6 91 5 51 134 6 8 24 92 9 2 882 6 1 8 4 9 41 5l 综合原样及r t f o t 残留沥青的动态剪切流变试验结果可以看出，3o 撑 沥青的高温等级最高，为8 8 ：s b s 改性沥青次之，为8 2 ；5 0 # 、7 0 # 沥青的高温等级均为7 0 。 2 2 2 弯曲梁流变( b b r ) 试验结果及分析 用中海油泰卅i 牌沥青30 j | i 、5 0 # 、7 0 # 和s b s ( i d ) 改性沥青原样沥 青及其p a v 残留沥青分别在三个不同温度下进行了b b r 试验1 2 2 1 ，青的蠕 变劲度。试验结果汇总于下表2 6 。 1 6 表2 6 弯曲蠕变试验结果汇总 6 12 18 温度 s ( m p a )m 值 s ( m p a )m 值 s ( m p a )m 值 原样 8 0 80 4 4 52 2 2 o 3 7 5 4 8l0 2 7 4 3 0 桴 p a v 残留l4 20 3 6 035 4o 3l95 9 9o 2 5 6 原样4 7 20 5 8 32 0l0 4 4 34 5 70 3 5 0 5 0 撑 p a v 残留l2 70 4 3 5