（道路与铁道工程专业论文）SBS改性沥青混合料的设计方法及其高温流变性研究.pdf

摘要 摘要 沥青及沥青混合料是一种典型的流交材料，在基质沥青中掺加各种改性剂后， 改变了沥青的成分和结构，使沥青的流变性发生了变化。国内外研究表明，从沥 青及沥青混合料的流变性入手是评价改性沥青的有效手段。 本文从s b s 改性剂对沥青及沥青混合料流变性的改善着手。首先，回顾了 s u p e r p a v e 和马歇尔( m a r s h a l l ) 两种混合料设计方法的优缺点，并结合s b s 改性 沥青对两种设计方法进行了对比试验研究。其次，通过s h r p 沥青胶结料流变试验 对比分析了基质沥青和s b s 改性沥青的流变性差异。再次，在不同温度和不同荷 载水平下对基质沥青混合料和s b s 改性沥青混合料进行了静、动载流变试验，在 分析了大量试验数据的基础上，得到的试验结果验证了s b s 对沥青路面高温性能 的改善作用。最后，根据室内试验和理论分析结果，铺筑试验路通过观测和分析 对改性沥青混合料的路用性能进行验证。 关键词：s b s 聚合物，改性沥青， 沥青混合料，高性能沥青路面，旋转压实 流变性，路用性能，经济分析 摘要 a b s t r a c t a s p h a l ta n da s p h a l tm i x t u r ei sak i n do f t y p i c a lt h e o l o g i c a lm a t e r i a l a f t e r i n t e r m i n g l e dd i f f e r e n ta d d i t i v e s ，t h ec o m p o n e n ta n ds t r u c t u r eo fo r i g i n a la s p h a l ti s c h a n g e da n dt h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fa s p h a l ti sa l s oa l t e r e d r e s e a r c h r e s u l t st h i n k t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e si st h ee f f e c t i v em e t h o d so fs t u d y i n gm o d i f i e da s p h a l t t h ep a p e rs e t sa b o u tm o d i f i e da s p h a l t st h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s f i r s t l y ，i tr e v i e w s t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sb e t w e e nt h es u p e r p a v ea n dm a r s h a l ls y s t e ma n d c a r r i e so t l tt h ep a r a l l e lt e s t sr e s e a r c ho nt h es b sm o d i f i e da s p h a l t s e c o n d l y ，b y t h e o l o g i ct e s t so fs h r ps p e c i f i c a t i o ns y s t e mf o ra s p h a l t ，t h ea r t i c l ea n a l y s e st h e d i f f e r e n tr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e no r i g i n a la n dm o d i f i e da s p h a l t b yt h et e s t i n d o o r ，t h ea r t i c l eh a sg o n eo nas e r i e so fr h e o l o g i c a lt e s t sa b o u to r i g i n a la n ds b s m o d i f i e da s p h a l tm i x t u r e b yt h ea n a l y s i so fag r e a td e a lo fd m a ，i th a sv e r i f i e dt h a ts b s b e i n gm i x e di n t o t h e a s p h a l t c a ni m p r o v et h eh i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo f p a v e m e n t f i n a l l y , b yt h ea n a l y s i so ft e s t i n d o o ra n dt h e o r yw ec a i lb u i l dat r a i l p a v e m e n t t h e nw i t ht h eo b s e r v a t i o na n da n a l y s i s ，t ov a l i d a t et h eu s ep e r f o r m a n c eo f m o d i f i e da s p h a l tf o rp a v e m e n tm i x t u r e k e yw o r d ：s b sp o l y m e r ，m o d i f i e da s p h a l t ， a s p h a l tm i x t u r e ，s u p e r p a v e ， g y r a t o r yc o m p a c t i o n ，r h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s ，p e r f o r m a n c eo ft h ep a v e m e n t ， e c o n o m i ca n a l y s i s 重庆交通学院学位论文原创性声明 重庆交通学院学位论文原创性声明 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 究工作所取得的成果。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作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 魏府 日期：2 争年3 月。日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 我国自8 0 年代改革开放以来，经济发展取得了令世人瞩目的成就，各行各业 都取得了长足的发展，其中作为基础产业的公路运输事业更是首当其冲。自“七 五”以来，我国进入了高等级公路建设的新阶段，公路建设的历史开始谱写最光 辉灿烂的一页。公路建设无论是质量还是数量都有了很大的提高，公路建设规模 逐年增加。 在高等级公路建设中，沥青路面作为种无接缝的连续式路面，由于其自身 的诸多优点：如具有足够的力学强度、行车平稳、舒适、振动小、无扬尘、噪音 低以及便于维修养护等，多年来一直受到世界各国的重视”。在我国，迄今为止 所修建的高等级公路中绝大部分采用沥青路面，在一般等级公路中应用更为普及。 然而，随着国民经济的高速发展，新的问题接踵而来。首先，国有经济发展带来 交通量迅速增长、车辆大型化、超载严重及渠化交通等使沥青混凝土路面面临严 峻考验。其次，我国幅员辽阔，有些地区夏季酷暑，冬天严寒，温差变化很大， 比世界上绝大部分地区都要严重，采用普通的做法已经不敷需要，面对这种情况， 道路工作者不得不在提高沥青性能上下功夫，使路面保持良好使用状态，延长使 用寿命，创造社会经济效益。在沥青中掺加聚合物改性剂以改善基质沥青的路用 性能被证明是实现这一目的的有效途径之一t 2 1 。 采用改性沥青对解决我国重交通沥青缺乏，有效利用国产沥青，补充优质稠 油沥青的不足有着重大意义；同时改性沥青混合料的使用大大提高了沥青路面的 使用性能，改善了路面表面功能，延长了使用寿命1 3 1 0 由此可见，研究改性沥青 及其混合料对提高沥青路面的使用性能有着重要意义，也是我国道路建设发展的 迫切需要。 近几年来高速公路建设对改性沥青的需求量也越来越大。由于改性沥青所使 用的改性剂品种繁多，不同的改性剂的改性机理又各不相同；我国现在还处于大 规模铺筑改性沥青路面的探索阶段；许多公路建成后不久就不能适应交通的需要， 早期破坏时有发生，传统沥青路面的设计方法已难负重任：因此建立一套完善的 改性沥青路面的设计方法与施工技术以及改性沥青混合料的设计方法与路用性能 的验证方法已经被提到了一个新的高度。以往的沥青路面设计都是以静态力学体 系为基础的。众所周知，路面结构实际上受到来自车辆，气候人文等因素的不 断变化的作用。它的实际工作状态无论是力学模型、结构响应都与现行的静态力 学体系有着较大的差距。以汽车荷载为例，汽车在行驶过程中，对路面的作用有 垂直方向的作用力和瞬间的冲击荷载，以及水平方向的推挤作用。对于路面结构 材料本身来说，由于沥青路面材料是粘弹塑性的组合体，对时间的影响因素十分 第一章绪论2 敏感。对于同一种沥青材料，荷载作用时间不同，所表现出的力学性质是完全不 同的。因此研究动态荷载作用下路面结构的动力特性和动力参数是十分必要的。 在此基础上，沥青路面设计体系由静态力学体系转向动态力学体系是路面设计理 论的发展方向t 4 l 1 2 国内外研究现状 近几十年来，随着公路等级的不断提高，对沥青材料也提出了更高的要求， 并促使研究工作进一步深入开展。在沥青指标方面，除针入度、延度、软化点等 常用的指标外，先后补充了脆点、含蜡量、组分分析、粘附性等系列指标。此 外还应用流变学的理论和方法研究了沥青的蠕变、应力松弛等粘弹特性、沥青性 能对温度和时间的依赖关系，以及劲度等与流变学有关的指标。与此同时，出现 了各种改性沥青。 在国际沥青混合料的发展史上，有三个可被堪称为里程碑的大事件，它有力 地推动了沥青材料的发展。 1 在路面结构类型方面，由于简单的沥青表面处治己不能满足交通要求，出 现了用拌制的沥青混合料铺筑的路面。4 0 年代，在美国工程兵团供职的密西西比 州道路局的马歇尔工程师提出了著名的马歇尔稳定度试验方法，并提出了初期的 马歇尔稳定度等技术标准和评定方法。这些试验方法至今仍在沿用，只是根据交 通发展的要求不断地进行了适当修订。 2 6 0 年代初，美国a a s h o 实验路的铺筑和大量的试验研究成果的发表，使 沥青路面的设计、施工、结构、材料发生了根本的变化。这个工作是从5 0 年代开 始的，a a s h o 试验路的成果是集当时研究成果之大成，许多成果成为美国 a a s h t o 路面设计指南及一系列施工规范的依据。 3 9 0 年代初，美国公路战略研究计划( s h r p ) 胜利完成，s u p e 删e 等 一大批研究成果的发表，使沥青及沥青混合料的研究开创了一个新的纪元。国际 上对沥青材料的研究得到了前所未有的重视。延续了半个世纪的沥青针入度和粘 度标准、沥青混合料的马歇尔设计方法，受到了沥青结合料性能规范及沥青混合 料旋转压实法设计的挑战和冲击。就世界范围而言，这方面的工作目前仍在紧张 的进行之中，尚未最终完成。 这个时期，我国在沥青路面方面通过三个五年计划的科技攻关，也取得了长 足的发展。 “六五”国家科技攻关期间，依托天津疏港公路研究了一系列沥青路面的修 筑技术，包括抗滑性能的研究。针对我国生产的普通石油沥青进行了沥青混合料 的性能及改性沥青的研究。在高温稳定性方面，用粘弹性理论计算( 预估) 车辙 第一章绪论 3 深度，用单轴蠕变试验确定有关参数，提出了我国各个地区的有效温度；在低温 抗裂性方面，利用希尔斯公式判断开裂温度，用低温劲度试验确定相应的参数， 用能量法计算低温开裂，以及用应力消解层缓解反射裂缝；在沥青改性方面，主 要研究用橡胶( 丁苯橡胶、废橡胶粉) 改善沥青性能，并研制出丁苯橡胶母体。 “七五”国家科技攻关期间，由交通部门和石油部门合作，研制开发了国产 重交通道路石油沥青单家寺稠油沥青、欢喜岭稠油沥青、克拉玛依稠浊沥青， 对这些沥青的使用性能进行了较为系统的试验研究。在高温稳定性方面，进行了 车辙试验、蠕变试验、环道试验及加速加载试验；在低温抗裂性方面，进行了应 力松弛试验、路面温度应力试验，对开裂计算进行了理论推导；在沥青改性方面， 橡胶改性沥青得到了一定范围的推广应用。这期间，修订了公路沥青路面施工 技术规范和沥青路面施工及验收规范，一系列科研成果纳入了规范。 “八五”国家科技攻关期间，主要借助“美国战略公路研究计划” ( s h r p ) ， 针对当前国产的七种代表性沥青及其沥青混合料进行了较为全面系统的研究，提 出符合我国不同自然区域道路实际情况与路用性能的气候分区，提出了沥青及沥 青混合料的技术指标及相应的试验方法，包括高温、低温、水稳定、老化等各个 方面，并提出了初步的技术标准的建议值。在改性沥青方面对聚乙烯( p e ) 、苯 乙烯丁二烯嵌段聚合物( s b s ) ，以及丁苯胶乳等改性技术进行了广泛的试验 研究。 1 3 本论文研究的内容和技术路线 1 3 1 研究内容 沥青是一种胶体体系，高分子量的沥青质胶团弥散或溶解于低分子量的油类 介质内。加入改性剂后，由于它的高分子量、结构、链的作用，改变了沥青的成 分及结构，使沥青的流变性能发生了变化。一般的改性沥青都表现为粘度大的特 点。采用传统的沥青混合料设计方法和评价方法已经不适合于改性沥青混合料的 研究。九十年代美国s h r p 计划的胜利完成提出了沥青混合料的s u p e r p a v e 设计方 法。s u p e r p a v e 法采用旋转压实成型试件以体积参数作为控制指标的混合料设计方 法尤其具有特色。由于改性沥青的粘度大，采用普通的马歇尔锤击法成型试件时 如果击实不充分试件不密实，而击实过量的话则造成集料颗粒的破裂与实际路面 压实情况不符。而借鉴s u p e r p a v e 法进行改性沥青混合料的设计有一定的可行性。 基于s b s 改性沥青的独特性能本文作了以下研究。 ( 1 ) 对马歇尔方法和s u p e r p a v e 方法设计的改性沥青混合料进行了比较研究。 ( 2 ) 研究了普通重交沥青在掺加s b s 改性剂后的流变性能变化。 ( 3 ) 研究了普通重交沥青混合料和s b s 改性沥青混合料在静、动载作用下的高 第一章绪论4 温流变性和劲度特性。 ( 4 ) 铺筑试验路，通过观测和分析，进一步验证室内试验和理论分析成果。 1 3 2 技术路线 本文采用一些非常规的试验设备，试验方法和手段研究s u p e r p a v e 方法和马 歇尔方法设计的沥青混合料的体积特性，研究普通沥青、s b s 改性沥青及其混合料 的高温流变特性和劲度特性，并根据室内试验和理论分析结果铺筑试验路与实体 工程。经一年时间的实际汽车轮载与自然气候环境的作用后，跟踪检测分析其使 用性能。 第二章论文实施方案与试验方法 第二章论文实施方案与试验方法 2 1 试验方案 本课题沥青采用科氏s b s 改性沥青、克炼7 0 8 普通重交沥青和克炼沥青掺加5 燕山4 3 0 3 s b s 改性剂自制的s b s 改性沥青；石料为玄武岩，矿料级配为a c 1 3i 型和s u p 一1 2 5 型两种常见的级配类型。具体研究内容如下，方案见图2 1 、2 2 和2 3 。 2 1 1 原材料性能分析。 ( 1 ) 沥青常规特性指标检测。 ( 2 ) 沥青的p g 性能分级。 ( 3 ) 集料特性指标检测。 ( 4 ) 矿粉特性指标检测。 ( 5 ) 材料特性评价。 图21 原材料性能分析流程图 第二章论文实施方案与试验方法 2 1 2 用s u p e r p a v e 方法设计沥青混合料。 ( 1 ) 选择设计集料结构。 ( 2 ) 选择设计沥青含量。 ( 3 ) 沥青混合料性能指标评价。 图22 沥青混合料设计流程图 第二章论文实施方案与试验方法 2 1 3 沥青混合料的高温流变分析。 ( 1 ) 不同温度下的车辙试验。 ( 2 ) 不同温度、不同荷载下的壳牌静载蠕变试验。 ( 3 ) 不同温度、不同加载频率下的a s t md 3 4 9 7 7 9 动力模量试验。 7 图2 3 沥青混合料高温流变试验流程图 第二章论文实施方案与试验方法 2 2 试验方法 2 2 1 沥青胶结料的流变试验方法。 1 沥青胶结料高、中温流变研究的试验方法 沥青路面在高温条件下或长时间承受荷载作用，沥青混合料会产生显著的变 形，其中不能恢复的部分成为永久变形。沥青路面车辙主要发生在路面铺筑完成 后的头二、三年内的高温季节里，s h r p 规范使用g s i n 8 作为控制车辙的指标，它 要求原样沥青和r t f o 残留沥青在最高路面设计温度下的g + s i n 5 值分别不得小于 1 _ o o k p a 和2 2 0 k p a 。 沥青路面在服务期间经受车轮荷载的反复作用。致使路面结构强度逐渐下降， 根据迈因纳法则，当荷载重复作用超过一定次数后，在荷载作用下路面内产生的 应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面出现裂缝，并随着时间的推移不断 扩展，产生疲劳开裂破坏。沥青路面的疲劳破坏是发生在路面服务了一定年限以 后，这时的沥青结合料己经经历了相当程度的老化。所以s u p e r p a v e 规范规定试 验所使用的试样不仅要经过r t f o 模拟混合料在拌和、运输和摊铺这一过程中的老 化，还应经过p a v 以模拟路面服务了一定年限后的老化。s h r p 规范中评价沥青疲 劳性能的试验温度相当于路面最高设计温度和最低设计温度的平均值以上4 。c ，在 此温度下r t f o p a v 残留沥青的g * s i n 8 应不大于5 0 0 0 k p a 方能满足沥青结合料的 抗疲劳要求。 振动板位置 a b 、月 a 晶 c 卜兰堡l 一一 图2 4d s r 基本工作原理 动态剪切流变仪( d s r ) 是通过量测沥青结合料的复数剪切模量g + 和相位角5 来表征沥青在使用状态下的粘弹性特性。g 包括弹性和粘性两部分，g 越大表示沥 青的劲度越大，抗流动变形能力越强：6 是弹性和粘性系数相对指标，6 越小表 示沥青越像柔软的弹性体，产生应变后恢复的能力越强。d s r 的基本工作原理如图 2 4 所示，它是把沥青的r t f o p a v 残留物试样像三明治一样夹在两个平行板之间， 第二章论文实施方案与试验方法 下底板固定，通过上面的这一块平行板给试样施加速度为l o r a d s ( 角频率约为 i 5 9 h z ) ，应变约为1 1 2 的小变形来完成测试，应变的大小与沥青结合料的老 化程度有关，对原样沥青及r t f o 老化后的残留沥青在应变值约为1 0 l2 时进行 试验。r t f 0 p a v 老化后的残留沥青在大约1 的应变值进行试验。复数剪切模量g + 通常以全剪应力( t 。一t ，。) 对全剪应变( y 。，y 。) 的比值来表示。相位角6 是作为响应的剪切应变对剪切应力的时间滞后，在数值上等于滞后的时间间隔与 剪切应力( 或剪切应变) 的角频率的乘积，即8 = ( t ) 。 2 沥青胶结料低温流变研究的试验方法 图2 58 b r 基本工作原理 与中温流变试验所用的试样相同，测定低温流变所用的试样仍为沥青 r t f 0 p a v 残留物。低温时的劲度模量是评价沥青低温抗裂性能的重要指标，为评 价沥青结合料的低温抗裂性能，s h r p 规范采用了弯曲梁流变仪( b b r ) 的小粱弯曲 蠕变试验。简单地讲，b b r 试验就是一个十分普通的简支梁试验，这里的简支梁是 用沥青经历过r t f o p a v 老化后的残留物浇筑而成，然后把它放在一个控温液浴中， 施加瞬时静荷载来完成试验的。实际上的b b r 是由一个加载装置、控温液浴、计 算机控制及数据采集系统所组成，如图2 5 所示。 b b r 主要是通过量测沥青结合料在路面最低设计温度下的蠕变劲度s 和蠕变速 率m 来反映沥青结合料的抗低温开裂特性。b b r 试验的试验温度同路面所在区域 的气候密切相关，我们所期望的蠕变劲度值是当沥青在最低路面设计温度下被加 载7 2 0 0 s 后的数值，这样的试验条件不仅控温难度大，而且耗费时间长，相对来 说较为困难。根据沥青材料流变学的基本原理，按照时间温度的等效效应，将试 验温度在路面最低设计温度的基础上提高1 0 ，仅加载6 0 s 即可获得相当于在最 低路面设计温度下加载7 2 0 0 s 的蠕变劲度，这样可使试验所需时间大大缩短，从 而简化了试验。蠕变劲度s 可以应用梁的理论计算得到，计算公式如下： 第二章论文实施方案与试验方法 s ( t ) = 二；一 ( 3 。1 ) 4 b h 6 p ) 式中：s ( t ) 一时间t 时的蠕变劲度( m p a ) ： p 一施加的恒定荷载( m n ) ； 卜梁支承间距，1 0 2 m m ； b 一梁宽，1 2 5 m m ： h 一梁厚，6 ，2 5 m m ： 6 ( t ) 一时间t 时的挠度( n u n ) 。 由b b r 试验结果确定的第二个参数是蠕变速率m 值，m 值代表蠕变劲度s ( t ) 随时间的变化率，它是由劲度对数和时间对数曲线上t = 6 0 s 那一点的切线斜率来 决定的。由于低温下劲度随蠕变荷载的变化由m 值控制，当m 值高时，随温度变 化温度应力累积，劲度将变化得相对快些，意味着消散应力能力强。否则，当应 力累积达到一定水平后，路面就发生开裂。因此，m 值反映了沥青劲度的时间敏感 性及应力松弛性能，m 值越大，沥青的应力松弛性能越好，其抗裂性能也就越好。 i l l 值的计算方法如图2 。6 所示。 l m 薯c 呻 蒯蛐- 柚8 l 喵“蝴岫等x 图2 6m 值的计算方法 在试验结束时，通常由计算机利用流变仪软件自动计算s 和m 值并打印计算结 果。 2 2 2 沥青混合料试件的制备。 1 击实法。 马歇尔试件按j t j 0 5 2 2 0 0 0 公路工程沥青及沥青混合料试验规程的 t 0 7 0 2 2 0 0 0 的要求进行。马歇尔稳定度试验用试件每面击实7 5 次冻融劈裂试验用 第二章论文实施方案与试验方法 试件每面击实5 0 次。试件尺寸为中l o o m m ，h 6 3 5 1 3 m m 。普通重交沥青混合料 拌和温度1 4 5 ，压实温度1 3 5 c 。改性沥青混合料拌和温度1 7 04 c ，压实温度 1 5 8 。 2 轮碾法。 车辙试验所用试件按7 t 7 0 5 2 2 0 0 0 公路工程沥青及沥青混合料试验规程 的t 0 7 0 3 2 0 0 0 的方法成型。试件正式压实前，经试压决定碾压次数，普通重交沥 青混合料轮碾1 2 个往返，s b s 改性沥青混合料轮碾5 0 个往返。成型试件尺寸 3 0 0 m m * 3 0 0 m m * 5 0 m m 。普通重交沥青混合料拌和温度1 4 5 。c ，压实温度1 3 5 。c 。改性 沥青混合料拌和温度】7 0 ，压实温度1 5 8 。 3 旋转压实法。 本论文流变试验所用试件按照a a s h t ot p 4 ( s h r p 一0 0 2 ) 方法，采用旋转压实仪 s g c ( s u p e r p a v eg y r a t o r yc o m p a c t o r ) 成型试件。旋转角度为1 2 5 。，压力6 0 0 k p a ， 旋转速度3 0 c p m ，设计旋转转数1 0 0 转，成型试件尺寸中1 5 0 m m ，h 1 1 5 5 m m 。普 通重交沥青混合料拌和温度1 4 5 。c ，压实温度1 3 5 。c 。改性沥青混合料拌和温度 1 7 0 ，压实温度1 5 8 。 2 2 3 沥青混合料性能试验方法。 1 车辙试验。 目前，欧洲、日本、澳大利贬等国家己把车辙试验作为评价沥青混合料高温 性能的重要评价指标，美国也己计划把它作为沥青混合料分析系统( a a m a s ) 的一 项不可缺少的指标。由于车辙试验能较好地模拟沥青路面在行车荷载作用下车辙 的发展过程，因而被用作为评价沥青路面抗车辙性能，且在一些国家得到认可与 采用。目前我国已把车辙试验列入部颁规范。 本论文试验采用链驱动试验轮的车辙试验仪，可进行不同温度的车辙试验， 有关试验参数和试验条件如下： ( 1 ) 试验轮荷重 试验轮荷重为7 0 0 n ，使试验轮与试件接触压强在6 0 时为0 7 0 0 5 m p a 。 ( 2 ) 试验温度及试块保温时间。 采用6 0 为试验温度，试块放入环境室1 2 小时。 ( 3 ) 试验轮行走距离和行走速度。 试验轮行走距离为2 3 i c m ，行走速度调至4 2 1 次m i n ，行走方向与试块 成型时碾压方向一致。 ( 4 ) 动稳定度计算方法。 d s = 4 2 1 5 ( d 。o - d 。) ( 2 1 ) 式中：d s 动稳定度( 次m m ) ； 第二章论文实施方案与试验方法 d 6 。试验时间为6 0 m i n 时试块上的车辙深度( m m ) ： d 。5 _ 一试验时间为4 5 m i n 时试块上的车辙深度( m m ) ； 2 沥青混合料水稳定性试验。 按a a s h t o 规范要求，应对设计混合料进行水稳定性验证，其检验方法为t 2 8 3 。 在这里为方便起见按我国j t j 一0 5 2 2 0 0 0 方法t 0 7 2 9 2 0 0 0 ( 即简化的t 2 8 3 ) 来进 行混合料的水稳定性试验。 试件成型方法采用马歇尔试件双面各击实5 0 次。试验温度为2 5 ，加载速 度为5 0 m m m i n 。 3 沥青混合料抗滑性能试验。 沥青混合料抗滑性试验采用构造深度法测定。试验是在成型好的沥青混合料 板上进行的。构造深度测定采用手工铺砂法。试验按公路工程沥青及沥青混合 料试验规程j t j 0 5 2 2 0 0 0t 0 7 31 2 0 0 0 执行。 2 2 4 沥青混合料流变试验方法。 l _ 不同温度下的车辙试验。 试验方法同普通的车辙试验，试验温度采用4 0 、5 0 、6 0 和7 0 。c 四个 温度级别。试验时每个温度进行3 个平行试验。同时利用重庆公路科研所在“八 五”期间开发的数据采集系统记录车辙试件6 0 分钟内随时间的变形曲线。 2 s h e u 单轴静载蠕变试验。 单轴静载蠕变试验以壳牌法最具代表性，当对圆柱形试件在轴向施加一瞬 时荷载( 应力) ，并保持这个荷载( 应力) 大小不变，经过一段时间后再立即卸载， 使试件的变形恢复，由此可得到通常所称的蠕变曲线。由于沥青混合料是粘弹性 材料，其应力、应变关系与加载时间和试验温度密切相关，换句话说，不同加载 时间和试验温度条件下的最重要的材料参数之一的劲度或模量是不同的，由此反 映实际沥青混合料路面的车轮荷载作用下的累积效应。 本试验采用美国生产的8 1 0 m t s ( m a t e r i a lt e s ts y s t e r m ) 材料试验系统并编 写了专用程序进行试验。有关试验参数和试验条件如下： ( 1 ) 试件成型方法。 采用旋转压实成型法，试件直径1 5 0 m m ，高度1 1 5 5 m m 。试件两端面应平行。 ( 2 ) 试验温度及试块保温时间和端面处理。 为能与车辙试验对比，试验温度采用4 0 c 、5 0 、6 0 和7 0 四个温度， 试验前试块放入调到试验温度的恒温箱保温2 4 小时。加载时试件端面垫聚四氟 乙烯薄膜以减少摩擦。 ( 3 ) 加载过程。 静载蠕变试验采用壳牌( s h e l l ) 单轴静载蠕变试验方法。试验历程：预 第二章论文实施方案与试验方法 加载( 0 0 0 5 m p a ) l o m i n ，继而瞬时施加到所要求荷载并持载6 0 m i n ，然后瞬 时卸载到0 0 0 5 m p a 并保持6 0 m i n 。测量并记录试验全过程试件变形随时f 司变 化的数据。 ( 4 ) 蠕变劲度计算方法。 s ( t ，t ) = o 。( t ，t ) ( 2 2 ) 式中t 时间( s ) 。 t 温度( ) 。 o 。应力( n m 2 ) 。 ( t ，t ) 不同时间和温度下的应变。 s ( t ，t ) 不同时间和温度下的蠕变劲度( p a ) 。 3 a s t md 3 4 9 7 7 9 动力摸量试验。 聚合物掺入沥青中以后，能提高沥青混合料的变形恢复能力，增加弹性。由 于动力模量试验是动态加载方式，在每次短时加载以后，都有一段恢复时间，这 与实际路面受汽车荷载的作用情况比较类似。与单轴静载蠕变试验相比较，更能 反映改性沥青混合料的高温抗变形及变形恢复能力。 本试验采用美国生产的8 1 0 m t s ( m a t e r i a lt e s ts y s t e r m ) 材料试验系统并编 写了专用程序进行试验。有关试验参数和试验条件如下： ( 1 ) 试件准备及试验条件。 试件成型方法，试验温度及试件保温时间和端面处理都同单轴静载蠕变 试验。 ( 2 ) 荷载形式。 荷载采用5 0 0 n ( 3 0 k p a ) 一4 0 0 0 n ( 2 4 0 k p a ) 的正弦波。加载频率为1 6 h z ，4 h z 和i h z 。 图2 2 一l 动态摸量试验加载方式 01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 1 1 01 2 01 3 01 4 0i 5 0 时间( s e c ) 图2 7 动力模璧试验加载方式 o 钙们拍弱坫m 5 第二章论文实施方案与试验方法 ( 3 ) 加荷过程。 试验用三个平行试件，每个试件每个温度和频率各做两次试验。试验时从低 温4 0 做到高温7 0 ，荷载频率从高频1 6 h z 做到低频1 h z 。加载时每个频率持续 加载3 5 秒钟的正弦波荷载，改变频率时荷载恢复到2 2 5 0 n ( 1 3 5 k p a ) 保持1 0 秒钟。 加载图式如图2 7 所示。 ( 4 ) 数据采集和处理。 试验时，试验程序将自动记录试验全过程的作用荷载和试件变形随时间变化 的数据。数据处理时摘取每个荷载频率的最后五个波形进行处理。 ( 5 ) 动力模量及相位角的计算方法。 e o = o 。e 。 ( 2 3 ) 式中：e 。动力模量( m p a ) 。 o 。轴向应力幅值( m p a ) 。 e 0 一轴向可恢复应变幅值。 6 = 2 f ( t )( 2 4 ) 式中：6 相位角( 度) 。 f 荷载频率( h z ) 。 t 最大荷载与最大应变间的时间延迟( s ) 。 第三章用s u p e r p a v e 法设计改性沥青混合料的试验研究 堑 第三章用s u p e r p a v e 法设计改性沥青混合料的试验研究 s u p e r p a v e 是s h r p 的主要研究成果之一，其以体积参数作为控制指标的混 合料设计方法尤其具有特色，与马歇尔设计方法中的稳定度、流值等控制指标不 同，在体积设计方法中，重点考虑的是集料与集料之间以及集料与胶结料之间的 体积比例。s u p e r p a v e 路面与传统a c 路面相比，粗、细集料少，中间集料( 4 7 5 9 5 m m ) 多，因而均匀性好，混合料更趋嵌挤，骨架性好。从混合料性能指标看， s u p e r p a v e 混合料具有良好的高温稳定性和抗水害性。本章用s u p e r p a v e 体积设 计法设计了s u p e r 一1 2 5 型沥青混合料并对比了传统的马歇尔试验方法。分析了两 种方法的不同和各自的优缺点。最后应用本次设计成果在成都一南充高速公路上铺 筑了试验路段来验证其高温性能，关于试验路的铺筑及使用情况将在第六章有详 细论述。 3 1 用s u p e r p a v e 体积法设计沥青混合料 3 1 1 材料选择 s h r p 研究者对路面专家进行调查以确定那些集料特性最为重要。普遍的意见 是集料特性在克服永久变形中起着主角的作用。疲劳开裂和低温开裂则很少受到 集料特性的影响。s h r p 研究者应用这些调查结果确认，在s u p e r p a v e 系统中需要 使用两类集料特性：认同特性和资源特性。 路面专家一致认为可靠的集料特性对h m a 的良好使用是决定性的。这些特性 因在其使用和规范数值上存在着广泛的一致，故称之为“认同特性”。这些特性包 括粗集料棱角性，细集料棱角性，扁平、细长颗粒和粘土含量。这些集料认同特 性的标准根据交通量水平和在路面结构中的位置确定。靠近承受高交通量水平的 路面表面的材料需要更严格的认同特性。 除集料认同特性之外，s h r p 研究者认为某些其它的集料特性也是决定性的。 然而，这些特性的临界值靠认同性不可能达到，因为所需数值属资源特有。因此， 推荐了一套“资源特性”。规范值由地方机构建立。虽然在混合料设计过程中这些 特性是适当的，但也可用于资源验收控制。这些特性包括韧度，安定性和有害物 质。 本次试验所用集料为四川产的玄武岩，根据尺寸把集料分为o 3 ，2 3 6 4 7 5 ，4 7 5 9 5 ，9 5 1 3 2 和天然砂五组料堆。 根据成南路的气候条件选择的沥青为科氏公司生产的s b s 改性沥青。按s h r p 沥青胶结料性能分级方法为p g 7 6 2 2 。 本研究对所用集料的粗集料棱角性，细集料棱角性，扁平，细长颗粒含量等 进行了试验，各项试验值均符合s u p e r p a v e 规范要求，表3 1 汇总了各料堆的试 第三章用s u p e r p a v e 法设计改性沥青混合料的试验研究 竺 验结果 表3 1 集料筛分、密度、特性试验结果汇总表 玄武岩料堆规格 孔径( m n ) 0 3 2 3 6 4 7 54 7 5 9 59 5 1 3 2 天然砂 l 9 。01 0 01 0 01 0 0 1 0 01 0 0 1 6o1 0 01 0 01 0 09 4 91 0 0 1 251 0 01 0 01 0 0l g 11 0 0 g 51 0 01 0 09 4 91 21 0 0 4 7 51 0 09 9 42 7 41 09 08 2 3 68 3 84 4 4o ，7o 58 0 0 1 1 85 9 6 2 0 8 0 30 57 4 0 0 ，6 3 9 49 6o 3o 55 5 3 0 3 2 6 86 20 3 o 5 2 6 5 0 1 51 8 74 9o 30 51 2 2 0 0 7 51 2 73 80 ，30 55 6 毛体积比重g s b 2 7 2 8 2 7 5 1 2 ，8 2 4 2 8 5 12 5 8 8 ( g c m 4 ) 视比重g s a ( g c m 3 ) 2 ，8 6 72 8 8 32 9 0 929 1 127 0 l 吸水量a ( ) 2 51 91 0o 7 粗集料棱角性 1 0 0 1 0 01 0 0 1 0 0 c a a ( i f 2 f ) 细长扁平颗粒o 1 细集料棱角性f 从 5 0 3 4 1 3 3 1 2 集料结构设计 设计级配阶段的主要任务有：确定初始级配、对试件进行压实并测量高度、 测试松散混合料的理论最大密度、确定压实试件的毛体积密度和体积参数以及确 定级配与初始沥青结合料用量。 1 确定初始级配 s u p e r p a v e 的集料级配设计方法首先对选定的料堆进行水洗筛分，然后按照 规定的控制点和限制区进行配合比设计，使得集料级配满足s u p e r p a v e 的要求。 s u p e r p a v e 对有关集料尺寸采用如下定义： 集料公称最大尺寸：筛余大于1 0 的筛子尺寸的上一级筛子尺寸； 第三章用s u p e r p a v e 法设计改性沥青混合料的试验研究旦 集料最大尺寸：大于集料公称最大尺寸的筛子尺寸。 传统的密级配沥青混合料采用“o 4 5 次方”的最大密度级配曲线来设计。 s u p e r p a v e 新增了“控制点”和“限制区”两个特征区来限定o 4 5 次方级配，级 配选择是通过控制点和限制区来进行。设置控制点是要求集料级配不得超出规定 的区间，控制点分别设于公称最大尺寸筛，中等筛( 2 3 6 m m ) 和最小筛( o 0 7 5 m m ) 处。限制区处于沿最大密度级配线和中等筛与0 3 m m 筛之间，限制区形成一个级 配不能通过的带。由于限制区特有的驼峰形，所以通过这个区域的级配称为“驼 峰级配”。设置限制区的目的有两个：是为了限制天然砂的用量；是为了提供 足够大的v m a 。在多数情况下，驼峰级配表示一种多砂混合料，或相对于总砂 量来说细砂太多的混合料，这种级配的混合料在施工期间常出现压实问题，并表 现为在使用期间抗永久变形的能力不足。而且，集料级配通过限制区容易造成 v m a 过小，这种级配对沥青含量过分敏感。因此，设计集料结构时应使设计级 配处于控制点间并避开限制区以满足s u p e r p a v e 的要求。 沥青混合料集料的控制点和限制区由混合料中集料最大公称尺寸所确定， s u p e r p a v e 用集料公称最大尺寸来确定混合料级配。本研究采用s u p 1 2 5 型沥青 混合料。由于美国筛孔系列和我国的有些差异，又根据料堆规格，在这里我们将 混合料设计成公称尺寸为1 3 2 m m 的s u p e r p a v e 混合料，其技术要求同1 2 5 m m 的 s u p e r p a v e 混合料。其控制点和限制区的要求见表3 1 2 和图3 1 。本研究采用的粗、 中、细三种级配，细级配从禁区上部通过，中等级配和粗级配都从禁区下部通过， 三种级配均满足s u p e r p a v e 级配要求，同时亦满足我国a c 1 3 i 沥青混凝土的设计 范围。粗、中、细三种级配组成和通过率如表3 2 和图3 1 所示。 表3 2s u p e r p a v e 一1 2 5 级配及控制点限制区要求值 设计混合料公称尺寸：1 3 2 m m 料堆名称及比例( ) 设计混合料集料结构 9 5 1 3 24 7 5 9 52 3 6 - 47 5 0 3 天然砂矿粉 b l e n d l ( 粗)2 73 51 01 783 b l e n d 2 ( 中)2 53 01 22 01 03 b l e n d 3 ( 细)1 82 773 01 53 筛孔尺寸( n u n ) 及通过百分率( ) 设计混合料集料结构 1 61 3 29 ，54 7 52 3 61 1 80 6o 3o 1 50 0 7 5 b 1 e n d l ( 粗)1 0 09 8 67 6 44 7 12 8 62 1 ，41 5 31 0 57 75 6 b l e n d 2 ( 中)1 0 09 8 77 8 25 2 53 3 52 5 o1 7 81 2 o8 66 2 b l e n d 3 ( 细)1 0 09 9 18 4 16 1 24 3 63 3 ，62 4 ，01 5 61 0 87 5 第三章用s u p e r p a v e 法设计改性沥青混合料的试验研究 控制点 上限1 0 09 05 81 0 1 0 0 规范要求下限9 02 82 级配范围 上限3 1 62 3 1 限制区 3 9 11 55 下限 2 5 61 9 1 罾 褂 捌 蚓 。产。9 。? 。? 夕 筛孔尺擎。 ，粤 图3 1 沥青混合料级配示意图 2 计算初始沥青含量。 确定试拌混合料的级配后，要根据混合料的体积特性进行初始沥青含量的估 计，为此s u p e r p a v e 提出了一系列的公式。 ( 1 ) 当试验混合料由粗集料、细集料和矿质填料组成，且具有不同的密度时， 试验混合料的毛体积密度( g s b ) 和表观密度( g s a ) 可根据各集料的配合比，采 用如下公式进行估算： g 。= 笋每n ， 2 + 2 + 2 g lg 2g 式中：g s b 一试验混合料的毛体积密度或表观密度： p 1 ，p 2 ，p n 一各料堆集料质量的百分率； g 1 ，g 2 ，g h 一各料堆集料的毛体积密度或表观密度。 精确测定矿质填料的毛体积密度是困难的，然而，如果用填料的表观密度来 代替毛体积密度，则造成的误差通常可忽略。 ( 2 ) 试验混合料的有效密度( g s e ) 可用下式估算： g s e = g s b + 0 8 ( g s a g s b 、 ( 3 2 ) 式中：g s r 试验混合料的有效密度： 蚰加m 0 第三章用s u p e r p a v e 法设计改性沥青混合料的试验研究堡 g s b 一试验混合料的毛体积密度； g s a 一试验混合料的表观密度。 式中的乘数0 8 可根据设计者的判断而改变，通常，吸水性集料可取0 6 或0 5 进行计算，通过试验可见，对比试验采用的集料吸水率不大，故仍取o 8 进行计算。 ( 3 ) 集料空隙吸收沥青胶结料体积( v b a ) 由下式计算： 2 爱宝。c 去一一1 ， 、g 6g 。 式中：v