（道路与铁道工程专业论文）沥青混合料水稳定性评价方法研究.pdf

摘要 水是导致路面早期损坏的一个重要原因。沥青路面水损坏是指水进入沥青混合料内 部导致混合料的强度和耐久性降低，设计和施工不合理时，这种现象更为明显。当水存 在于混合料内部时，沥青胶浆( 沥青与矿粉的混合物) 的粘结力和沥青一集料之间的粘 附均有所减弱。不论是热带，还是温带，只要有水存在的地方，就有可能发生路面的水 损坏。这是一个全球都共同存在的问题，但主导作用的机理有所差别。 本论文采用五种方法，即残留马歇尔稳定、修正的l o t t m a n 、动态模量试验、剪切 强度比以及集料和沥青的表面能，来评价集料与沥青的界面粘结力。前三种方法已被广 泛用于评价沥青混合料的水敏感性。而剪切强度比与集料和沥青的表面能，是一种简单、 方便的实验方法，可用于评价沥青与集料的粘结力。 毛细上升法用于测定料料的接触角，s e s s i l e 方法测量沥青的接触角通过 y o u n g d u p r 6 方程，来测定表面能。实验采用石灰岩和花岗岩，两种不同沥青通过表面 能来评价其抗水损害性。 实验结果表明石灰石集料比花岗岩有较好的抗水损害。采用表面能也可以有效地评 价混合料的水稳定性。该试验方法操作简单、方便快捷。 关键词：表面能，酸根，非极性，粘结力破坏，内聚力破坏，水损坏 a b s t r a c t 肠f e ra n d o rm o i s t u r ec a nc a u s ep a v e m e n t st os u f f e rp r e m a t u r ef a i l u r e jm o i s t u r ed a m a g e c a l lb ed e f i n e da st h ee a r l yl o s so fs t r e n g t ha n dd u r a b i l i t yc a u s e db ym o i s t u r ep e n e t r a t i n g t h r o u g ht h ea s p h a l t - a g g r e g a t em i x t u r e t h eh o tm i xa s p h a l t ( h m a ) l a y e rw h i c hd e r i v e si t s s t r e n g t hf r o mt h ec o h e s i v er e s i s t a n c eo ft h eb i n d e ra n dg r a i ni n t e r l o c ka n df r i c t i o n a lr e s i s t a n c e o ft h ea g g r e g a t e sm a yf a i lp r e m a t u r e l yi nt h ep r e s e n c eo fw a t e ro rm o i s t u r ee s p e c i a l l yw h e n p o o r l yd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d t h ec o h e s i v eb o n do ft h em a s t i c ( a s p h a l tb i n d e rp l u s m i n e r a lf i l l e r ) a n da d h e s i v eb o n db e t w e e na g g r e g a t e sa n dt h ea s p h a l tb i n d e rw e a k e n si nt h e p r e s e n c eo f w a t e ro rm o i s t u r e m o i s t u r ed a m a g eo fh m ac a no c c u ri na l le n v i r o n sa sl o n ga s m o i s t u r ei sp r e s e n ti nt h em i x t u r et h o u g ht h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t a lh a sa ne f f e c to nw h a t k i n do fs t r i p p i n gm e c h a n i s m sw i l lb ep r o m i n e n t t h e r ea r es e v e r a lt e s tm e t h o d st h a th a v eb e e nd e v e l o p e ds i n c et h e19 3 0 st oh e l p i d e n t i f ym i x t u r e st h a t a r el i k e l yt ob es e n s i t i v et om o i s t u r ed a m a g e h o w e v e r ，t h e r ei s c u r r e n t l yn ot e s tm e t h o dt h a ti sa b l et oc o r r e l a t e1 a b o r a t o r yr e s u l t st of i e l dp e r f o r m a n c e t i l i s t h e s i sd e s c r i b e st h ee v a l u a t i o no ft h ei n t e r f a c i a lb o n db e t w e e na g g r e g a t ea n da s p h a l tc e m e n t mh m a u s i n gf i v em e t h o d sn a m e l yr e t a i n e dm a r s h a l ls t a b i l i t y , m o d i f i e dl o t t m a n f a t i g u e t e s t ，l a ps h e a rt e s ta n dt h em e t h o db a s e do nt h es u r f a c ee n e r g yo fa g g r e g a t ea n da s p h a l t c e m e n t t h ef i r s tt h r e em e t h o d sh a v ew i d e l yb e e nu s e di nt h ea s s e s s m e n to fh m a ss e n s i t i v i t y t om o i s t u r ed a m a g ea n da r ep e r f o r m e do nc o m p a c t e dh m aw h i l s tt h el a s tt w om e t h o d sa r e p r o p o s e di nt h i sr e s e a r c ha sa l t e r n a t i v et e s tm e t h o d sd u e t ot h e i rs i m p l i c i t y t h el a s tt w oa r e p e r f o r m e do nu n c o m p a c t e da g g r e g a t e a s p h a l tc e m e n tm i x t u r e s t h ec a p i l l a r yr i s em e t h o dh a s b e e nu t i l i z e dt od e t e r m i n et h ec o n t a c ta n g l eo fa g g r e g a t e sa n dt h es e s s i l em e t h o df o rt h e m e a s u r e m e n to f c o n t a c ta n g l eo f t h ea s p h a l tc e m e n t t h e r e a f t e r , t h es u r f a c ef r e ee n e r g yo f b o t h t h ea g g r e g a t e sa n da s p h a l tc e m e n tw a sd e t e r m i n e du s i n gt h ey o u n g - d u p r 百e q u a t i o n t w o t y p e so fa g g r e g a t e s ，al i m e s t o n ea n dg r a n i t e ，a n dt w oa s p h a l tc e m e n t sa r eu s e dt op r o d u c ef o u r d i f f e r e n tm i x t u r e so fh m a t h ef o u rm i x t u r e sa r es u b s e q u e n t l yt e s t e du s i n gt h ef i v em e t h o d s a n dt h e nr a n k e db a s e do nt h e i rr e s i s t a n c et om o i s t u r ed a m a g e b a s e do ne x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a 1 1t h ef i v em e t h o d si n d i c a t et h a th m am i x t u r ew i t h l i m e s t o n ea g g r e g a t eh a db e r e rr e s i s t a n c et ow a t e rd a m a g et h a nt h o s ew i mg r a n i t ea g g r e g a t e t h em e t h o d su s e do nu n c o m p a c t e dm i x t u r e so f f e rv i a b l ea l t e r n a t i v e st ot h ea s s e s s m e n to f w a t e rs u s c e p t i b i l i t yo fh m a e s p e c i a l l yt h em e t h o db a s e do ns u r f a c ee n e r g ym e a s u r e m e n t so f a s p h a l tc e m e n ta n da g g r e g a t e s t h i sm e t h o di ss i m p l e ，q u i c k e ra n dt h ee q u i p m e n tu t i l i z e dc a n e a s i l ya n dc h e a p l yb ea s s e m b l e dw h i l s ts t i l le m p l o y i n gl a t e s ta d v a n c e m e n t si na d h e s i o nf a i l u r e t h e o r y k e y w o r d s ：s u r f a c ee n e r g y , p o l a r , a p o l a r , a d h e s i v ef a i l u r e ，c o h e s i v ef a i l u r e ，m o i s t u r e d a m a g e 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 10 图2 1l 图2 12 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图目录 热拌沥青混合料( h m a ) 水损坏模式1 水对沥青混合料应力应变的影响2 实验研究流程图3 路面结构中的水的来源组成5 水作用的可逆性7 根据集料表面电荷对集料的划分10 不同集料表面水p h 值得变化12 微粒间势能的变化l3 p h 值对电动势的影响13 沥青一集料界面上分子方位16 集料表面粗糙程度对粘附性的影响16 沥青混合料两种破坏形式与沥青膜厚度的关系17 加载间隔时间对混合料模量的影响l 8 混合料残余强度与空隙率的关系2 0 固体一液体界面的接触角22 a c 一13 级配2 8 混合料组成3 0 毛细上升实验34 毛细上升实验电子秤35 s e s s i l ed r o p ( 滴落) 法实验3 7 万能试验机38 作者采用静态压力机成型试件39 剪切实验4 0 各种集料和液体质量增长的平方与时间的关系42 质量增加的平方与时间的关系图47 干湿状态下试件剪应力值的比较5 5 四种混合料组合剪切强度比的比较56 集料性质和沥青性质对剪切强度比的影响5 6 不同沥青混合料马歇尔残留稳定度试验结果5 7 集料和沥青性质对混合料残留稳定度值的影响5 8 四种不同混合料组成的间接拉伸强度比5 9 集料和沥青性质对混合料间接拉伸强度比的影响5 9 不同荷载加载次数下四种混合料的k 值6 1 四种混合料在不同加载次数下的p 值6 3 集料被水浸润的面积百分率p 与荷载加载的次数n 的相关关系6 3 衣目录 表2 1各个粘附理论之间的联系与区别9 表2 2影响沥青集料粘附性的材料属性9 表2 3四种不同来源的沥青的组分情况l4 表2 4沥青分子中极性组对集料的吸引特性15 表3 1a c 一13 级配2 8 表3 2粗集料密度2 9 表3 3细集料密度29 表3 4沥青的基本指标29 表3 5不同沥青混合料的最佳用量3o 表3 6毛细上升实验中所用液体的性质3l 表4 1第一组实验液体一固体界面接触角计算结果统计表4 3 表4 2第二组实验液体一固体界面接触角计算结果统计表43 表4 3第三组实验液体一固体界面接触角计算结果统计表4 4 表4 4接触角试验结果汇总表“4 4 表4 5石灰岩和花岗岩三维矩阵中的系数值45 表4 6滨州7 0 # 和欢喜岭7 0 # 的接触角值4 9 表4 7滨州7 0 # 和欢喜岭7 0 # 三维矩阵的系数4 9 表4 8集料与沥青的表面能组成51 表4 9铺展系数及自由52 表4 1 0根据干燥状态和湿润状态下自由能所得出的混合料顺序53 表4 1 l根据干燥和湿润状态下自由能中的l w 组分所得的混合料排序结果5 3 表4 1 2根据干燥和湿润状态下自由能中的a b 组分所得的混合料排序结果5 4 表4 1 3四种沥青一集料组合剪切实验结果5 4 表5 1不同沥青混合料马歇尔残留稳定度试验结果57 表5 2四种不同的混合料组合的修正的l o tt m a n 试验结果 5 8 表5 3四种不同混合料组合干燥状态下的动态弹性模量( g p a ) 6 0 表5 4四种不同混合料组合饱水状态下的动态弹性模量( g p a ) 6 0 表5 5不同荷载加载次数下四种混合料的k 值61 表5 6四种混合料在不同加载次数下的p 值6 2 表5 7采用传统方法混合料水稳定性优劣排序6 4 表5 8采用剪切试验和表面能试验混合料水稳定性优劣排序6 4 表5 9各种评价混合料水稳定性方法的优劣比较65 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 研究做出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：凋踌气2 。唧年6 月1 1 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、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 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：凋碳矸 2 0 0 - t 年6 月f f 日 导师签名：断山乡今一 d7 年么月夕日 ( 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及目的意义 赞比亚主要公路网的总里程至今已达到4 0 1 1 3 公里。根据国家公路会议的年终报 告，其中4 4 的道路已有严重损坏，需要维修或重建。由于资金短缺，使得公路的维 修养护工作往往不能及时实施，路面的早期破坏现象逐渐增加。 水往往是导致路面早期损坏的一个重要原因。沥青路面水损坏是指水进入沥青混合 料内部导致混合料的强度和耐久性降低，设计和施工不合理时，这种现象更为明显。当 水存在于混合料内部时，沥青胶浆( 沥青与矿粉的混合物) 的粘结力和沥青一集料之间 的粘附均有所减弱。r o b e r t se ta l ( 1 9 9 6 ) 认为热拌沥青混合料的强度主要由沥青结合料的 粘结力、集料之间的嵌挤力和摩阻力构成。如果沥青与集料之间的粘结较弱，则在沥青 一集料界面上就容易发生破坏，从而导致路面的早期损坏【1 】。图1 1 表明了水损坏模式。 有的集料与沥青粘附性较好，有的集料与沥青粘附性较差，但水损坏都是水存在的情况 下发生的，唯一不同的是损坏发生的早与晚。j d a n g e l o 和rm a n d e r s o n ( 2 0 0 1 ) 认为 水损坏会加剧车辙、疲劳裂缝、松散和坑槽等破坏【2 】。 图1 1 热拌沥青混合料( h m a ) 水损坏模式 图1 2 表明水损坏对混合料承载力的影响，设计荷载循环次数由n 1 减少至n 2 。o c r 和t ，的数值代表路面到达其寿命终点的临界应力和应变。 第一章绪论 b 协 i 秘 善 c 鑫 ， 灌构溢 磊誊鐾； 5 青 浸誓辑” 1 0 0 1 0 0不小于1 0 0 软化点( r b ) ，。c4 7 64 8 5不小于4 3 密度( 1 5 。c ) ， 1 0 1 81 0 1 3 实测记录 第三章原材料r 丰质j 实验方法 3 1 3 混合料组成 经过原材料不同组合，形成四种不同的混合料。如图3 2 所示。 料剃，类 溯1 7 类裂 混合料 名称 诧岗岩 0上 欢存岭7 0 嚣刘h7 0 j l上 l h gb g i l 图3 2 混合料组成 按照规范j t gf 4 0 - 2 0 0 4 要求，各个混合料的最佳沥青用量( o a c ) 、平均沥青膜厚 度列入表3 5 。 表3 5不同沥青混合料的最佳用量 混合料名称 指标 h lb lh gb g 最佳沥青用量， 4 3 84 3 84 4 24 3 5 平均沥青膜厚度，微米 6 66 66 76 6 3 1 4 毛细上升实验中所用液体 实验中采用四种不同的液体，分别是己烷、庚烷、水和丙三醇。由于己烷的表面能 较低，它可以将集料完全湿润。各种液体的性质列于表3 6 中。 3 2 实验方法 实验中除特别说明外均采用中国交通部颁布的相关的实验规程。实验规程与a s t m ( a m e r i c a ns t a n d a r dt e s t i n go fm a t e r i a l s ) 和a a s h t o ( a m e r i c a na s s o c i a t i o no fs t a t e h i g h w a y o f f i c i a l s ) 的基本相同。若中国规范中所没有的实验，则在本文中将详细讲述 相关的实验过程。 长安人学硕上学位论文 表3 6毛细上升实验中所用液体的性质 液体名称 性能指标( 2 0 0 c ) 己烷庚烷水丙三醇 密度，k g m 3 6 5 96 8 49 9 81 2 6 1 粘度，1 0 p a s 0 3 0 60 4 1 00 8 3 51 4 7 8 9 8 y t o 8 1 1 8 42 0 37 2 86 4 表面能，y 0o 2 5 55 7 4 m j m 2y +o o 2 5 53 9 2 y 墉1 8 42 0 32 1 83 4 3 2 1 沥青与集料的常规实验 实验严格按照规范j t j0 5 2 2 0 0 0 1 2 9 1a n d j t ge 4 2 2 0 0 5 3 0 1 进行。 ( a ) 沥青实验 密度：t 0 6 0 3 1 9 9 3 针入度 ：t 0 6 0 4 2 0 0 0 延度 ：t 0 6 0 5 1 9 9 3 软化点：t 0 6 0 6 2 0 0 0 ( b ) 集料实验 密度( 粗集料) ：t0 3 0 4 2 0 0 5 密度( 细集料)：t0 3 3 0 2 0 0 5 砂当量 ：t0 3 3 4 2 0 0 5 3 2 2 马歇尔实验 混合料马歇尔设计方法用于确定混合料的最佳沥青用量。设计的目的在于提出满足 规范对矿料间隙率、沥青饱和度、空隙率、流值等要求的混合料，并且造价低廉。具体 实验步骤详见公路沥青路面施工技术规范j t gf 4 0 2 0 0 4 中b 5 和b 6 3 8 1 。此外按照规 范j t j0 5 2 2 0 0 01 3 9 1 中t 0 7 0 9 2 0 0 0 的步骤，可以得出各个混合料的残留马歇尔稳定度。 试件的制作成型参照规范j t j0 5 2 2 0 0 0 中t0 7 1 0 2 0 0 0 进行。 进行马歇尔残留稳定度实验时，需成型六个满足空隙率要求的试件，试件直径 第三章原材料性质与实验方法 1 0 0 m m ，高6 3 5 m m 。六个试件分为两组，各3 个。第一组试件在6 0 l o c 的水浴中 浸泡3 0 - 4 0 分钟。然后取出试件在马歇尔稳定度仪上进行实验，分别测出稳定度和流 值。第二组试件在6 0 1 o c 的水浴中浸泡4 8 小时。然后取出试件进行实验，分别测 出稳定度和流值。马歇尔残留稳定度记为t ，计算如下： 丁：丝兰! 2 1 2 5 】 m s 4 0 m i n “f “ 其中m s 4 8 伽，慨m i i l 咖分别代表两组试件马歇尔稳定度的平均值。 3 2 3 修正的l o t t m a n 实验( 冻融劈裂实验) 在此实验中，需确定冻融劈裂实验强度比t s r 。t s r 表征了实验室条件下水的作用 对混合料拉伸强度的影响。实验结果可以预测沥青混合料长期抵抗水侵害的能力。t s r 就是混合料受水影响前后拉伸强度的比值，可根据其对不同混合料抵抗水损坏能力进行 优劣排序。 ( a ) 成型试件 四种不同的混合料按照各自的最佳沥青用量成型试件，与马歇尔成型方法基本类 似。击实次数略有不同。马歇尔试件采用双面击实7 5 次，而该实验中双面击实5 0 次。 同样成型六个试件，分为两组，各三个。其中一组在干燥状态下进行间接拉伸实验，另 一组使其先在一定的实验条件下保持一段时间，然后再间接拉伸。 ( b ) 实验条件 试件首先真空饱水，然后进行冻融循环。 将试件在真空容器中浸泡于水，施加1 3 至6 7k p a 的绝对压力，约5 - - 一1 0 分钟。然 后关闭压力，继续真空饱水5 - - 一1 0 分钟。 将饱水的各个试件放入装水的塑料袋中，密封保存。然后将密封的塑料袋放入 - 1 8 4 - 3 0 c 的低温箱内至少1 6 小时。 然后将试件取出，去掉塑料袋，把试件放入6 0 - j ：l o c 的水浴中浸泡2 4 4 - 1 小时。 浸泡2 4 4 - 1 小时后再将试件放入2 5 + 0 5 0 c 的水中浸泡2 + 1 小时。同时，干燥的试件 也放入2 5 + 0 5 0 c 的水中浸泡2 _ - l 1 小时。最后各个试件进行间接拉伸实验( i t s ) 。 ( c ) 间接拉伸实验 将试件置于两个压条之间，放置于拉伸试验机上，沿着试件直径方向，以每分钟 5 0 r n m 的恒定速度加载。记录仪器上显示的最大压应力，以计算i t s 。 3 2 长安大学硕士学位论文 ( d ) 计算公式 间接拉伸应力可按下式计算： i t s ：兰里旦q 7 r t d 其中： i t s 一一间接拉应力，k p a ； p 一一最大压力，n ； t 一一试件厚度，i l l m i d 一一试件直径，姗。 冻融劈裂实验强度l - j f ( t s r ) 可按下式计算： t s r = 哿 【3 1 】 3 2 】 其中i t s 的值为三个试件冻融前后的劈裂抗拉强度的平均值。 3 2 4 表面能实验 测量沥青与集料的表面能有多种不同的方法。本文采用毛细上升实验测定集料的表 面能，采用s e s s i l ed r o p 法实验测定沥青的表面能。 ，集料表面能的测定 测定固体表面能的方法有很多种，如s e s s i l ed r o p 法，u n i v e r s a ls o r p t i o n 法，i n v e r s e g a sc h r o m a t o g r a p h 等。在本文的研究中采用毛细上升实验( c a p i l l a r yr i s em e t h o d ) ，实验 操作简单易行，造价低廉。将粉末状的固体装于毛细管中，毛细管的一端浸入液体重， 该液体的表面张力是已知的。细小的粉末颗粒之间会形成微小的毛细管通道，液体就会 沿着这些管道上升，记录时间t ( 以秒计) 内，液体上升的高度h ( m ) 。根据w a s h b u r n 公式( 式3 3 ) ，可知只要得知一( m ) ，就可算出c o s0 。 z ：型掣 3 3 】 z r 其中： 札指液体的表面能( 或表面张力) ，j m 。2 ； t 1 指液体的粘度，p a s ； 若所用的液体能够充分浸润固体( 即c o s 0 = 1 ) ，则粉末状固体的产可按照下式计算： r 木 ：兰翌垒： ty 3 4 】 电 第三章原材料性质与实验方法 根据y o u n g d u p r 6 公式( 公式2 7 ) ，液体与固体之间的接触角与二者的表面能有关。 ( 1 + c d s o ) r 工= 2 ( 厩+ 厮+ 厩万) 【2 - 7 图3 3 毛细上升实验 玻璃瓶 s i e b o l de ta l 将式3 3 进行修正，形成另一表达式，此式适用于毛细作用下，固体质 量大幅增长的情况l 加i 。 一般质量与密度有如下关系： w = , o a h - - 胪尸粒h【3 5 】 其中： p 为液体的密度； a 指固体颗粒形成的空隙的横截面积； w 指固体质量的增加量。 将式3 5 变化为： h = 去 3 6 p 万，木2 1 长安大学硬士学位论文 由式3 3 和3 6 可得： wz ：。女旦：! 竺! f 可 【37 】 其中： c 为系数，表征了集料的几何性质( 单位：m 5 ) 。 若所用的液体能够充分浸润固体粉末( 即c o s b = c o s0 = 1 ) ，则给定一种固体粉末，就 可阻算出它的c 值。 口2 ，t 5 3 8 】 圈34 毛细上升实验 ( a ) 实验步骤 具体测定集料表面能的实验步骤如下； i 准各四种表面能已知的液体，其中一种可以充分浸润固体粉末； i i 每一种集料都准备四个试样： i i i 按照图3 3 和34 所示，将试样放入玻璃管，四个试样分别采用不同的液体 i v 分别测定四个试样的w 和t 值； v 当液体完全浸润固体粉末时，根据公式37 确定c 值； v i 计算其他三种液体的c o so ； 第三章原材料性质与实验方法 重复i 到v i 中的实验步骤，至少两次，并计算出c o s0 的平均值； v i i i 将实验结果带入公式2 7 ； i x 计算出固体表面能。 ( b ) 材料及仪器 电子秤( 精确至o 0 1 9 ) 2 0 c m 长、直径2 c m 的毛细玻璃管，一端装有连接套管，并有三角架以支撑整 个玻璃管 盛放液体的玻璃瓶，靠近瓶底连接一细玻璃管作为出口 孔径小于0 0 7 5 m m 的滤筛 计时器 石灰岩与花岗岩的细集料( 小于等于1 1 8 m m ) 实验用液体：水、丙三醇、己烷、庚烷 ( c ) 试样的准备与测定 每次实验都准备1 0 0 9 细集料。1 1 8 ，0 6 ，0 3 ，o 1 5 和0 0 7 5 m m 的筛上均为2 0 9 。将 1 0 0 9 细集料在烘箱中烘4 小时，然后在室温下冷却，同时将试样遮盖以免吸收空气中 的水份。集料冷却至室温后，装入毛细玻璃管中，压实2 0 次。将玻璃管安装固定，如 图3 3 和3 4 ，并开始测定。在第一分钟内，每1 0 秒测定一次。以后直至1 0 分钟，3 0 秒测定一次。对于丙三醇，由于质量增加较缓慢，因此记录质量每增加0 0 1 9 的时间。 二，沥青表面能的测定 液体的表面能和表面张力在数字上是相等的，而且可以互相通用。s e s s i l ed r o p 法( 滴 落法) 已经被应用在表面能的研究中，该法由于对设备的要求不是很高所以显得简单实 用。 该方法基本原理是：用一滴已知表面能性质的液体滴到待检测的材料上，然后直接 测量该液体与待检测材料形成的接触角。一旦接触在固体表面上的三个不同方向的接触 角被确定的时候，利用y o u n g d u p r 6 方程( 方程2 7 ) 形成三个连续方程，用得到的这组 方程就可以研究固体材料的表面能组成。试验中，沥青胶浆被放在镀膜玻璃板上，然后 通过注射器在沥青胶浆上滴下液体。镀膜玻璃板在试验中必须得保持水平。 用滴落法测量接触角的检测设备是由一套光学捕捉系统和图象分析软件组成的。在 本研究中，检测设备如图3 5 ，是由放大镜和数码相机来捕捉图象的。一旦有水滴落的 3 6 长安大学硕一卜学位论文 图象产生，水平表面的平衡被破坏，数据随即被传送到计算机进行分析。用a u t o c a d 软件，可比较容易的测量接触角。接触角的测定也可以从手动打印的数码相机捕捉到的 图像上获得 图3 5 滴落法实验 ( a ) 步骤和材料 加热沥青胶浆直到它热融化成一个均匀粘度的液体。用一个平整的玻璃板蘸取受热 熔化的结合料，随后让整个玻璃板的温度下降到室温。与此同时，让试验液体在水浴中 保持2 0 * ( 2 。试验开始后就可以捕捉从两种物体界面位置的液体滴落图象。这就使得在 一次滴落试验中可以获得四个测量接触角的机会。重复试验3 次以上，这样对于每种检 测液体总共可以获得1 6 次测量接触角的机会。实验所用的液体可以是水、甘油、正己 烷。 ( b ) 计算 在沥青胶浆上检测液体的接触角被测量后，1 6 个试验结果的平均值被用在 y o u n g - d u p r 6 方程中来计算沥青胶浆的表面能特性。应当指出，这个试验过程类似与集 料的表面能特性测试。两种评价接触角方法唯一的不同点是c r m 被运用在集料试验中， 而滴落法被用在沥青胶浆试验中。 3 2 5 动态模量 在该实验中，控制压应力o ，作用于竖直的圆柱体试件产生规定的应变，循环作 3 7 第三章原材 性质与实验方法 用n 次。每次加载都计算相应的模量值。 实验采用m t s 万能材料实验机。m t s 试验机可以根据需要进行多种不同功能的实 验。试验机可产生拉力、压力、扭转、或压力与扭转组合。数据可自动采集，并保存至 相连的电脑内。 m t s 万能材料实验机主要由实验装置、数字控制器及电脑组成。图3 6 显示了万能 材料实验机的组成。 ( a ) 成型试件 四种混合料按照各自的最佳沥青用量成型马歇尔试件。试件采用静态压力机压实， 空隙率为7 。将6 个试件分为2 组，各3 个。将第一组试件在干燥状态下进行循环压 力加载疲劳实验，第二组试件先在规定的实验条件下保持一段时间，然后再进行循环压 力加载疲劳实验。试件直径为1 0 15 m m ，高度为1 0 0 r a m 。 试件 加藏装 图3 6 万能试验机 ( b ) 实验条件 将试件在真空容器中浸泡于水，施加1 3 至6 7k p a 的绝对压力，约5 1 0 分钟。然 后关闭压力，继续真空饱水5 1 0 分钟。 将饱水的各个试件放入装水的塑料袋中，密封保存。然后将密封的塑料袋放入 - l g e 3 0 c 的低温箱内至少1 6 小时。 然后将试件取出，去掉塑料袋，把试件放入6 0 e l 。c 的水浴中浸泡2 4 d ：1 小时。 浸泡2 4 e l 小时后再将试件放入2 5 士o 5 0 c 的水中浸泡2 士1 小时。同时，干燥的试件 也放入2 5 - 05 。c 的水中浸泡2 a ：i 小时。最后各个试件进行循环压力加载疲劳实验。 长安大学硕士学位论文 ( c ) 动态模量的涮定 将试件从2 5 ： 0 5 0 c 的水中取出，放置在试验机的支座上。在无侧限条件下加载， 控制应力1 1 5 k p a ，竖直作用于圆柱体试件上反复加载频率为ih z 。实验温度为 2 5 ：e 05 0 c 。两个传感器连接在试件的外围。加载循环分别为1 0 , 1 0 0 ，5 0 0 , 1 0 0 0 , z s 0 0 , 2 0 0 0 , 2 5 0 0 , 3 0 0 0 ，3 5 0 0 和3 6 0 0 次并记录相关数据。 图37 作者采用静态压力机成型试件 ( d ) 计算 测定第i 次循环时的轴向应力o 。和可恢复变形e + ，可计算出回弹模量： e ：丑【3 9 ， 其中o 。和e 为各种混合料三个试件干湿条件下试验结果的平均值。 3 2 6 剪切实验 剪切实验可用于评价混合料中沥青与集料之间的粘结强度或沥青结合料的内聚力。 在粘合工业和d u p o n t l 3 1 中，剪切实验是一项常规实验，该实验同样适用于对沥青的研 究。实验中，将两块玻璃片粘结起来，粘结面积为6 4 5 c m 2 。然后在拉力装置上将玻璃 片按不同的方向拉伸，记录破坏之前的最大拉力，就是结合料的粘结力。 实验方法如下： ( a ) 试件尺寸 成型两个圆柱形试件，试件直径为5 0 2 m m ，高2 5 ： 2 m m 。将两个试件用沥青粘结 第三章原材 4 性质与实验方法 起来。粘结面积为1 96 3 e r a 2 。 ( b ) 加载方式和速度 如图3 8 ，剪切实验装置使得试件在剪切作用下相分离。剪切面上受到的最大的力 就是剪切应力。加载控制应变，加载速率为1 0 n u n m i n u t e 。 ( c ) 实验温度 试件在1 8 。c 下进行实验。若在更高的温度下实验，不同沥青结合料的剪切力差别 不丈，并且破坏一般发生于沥青结合料内，而不是在沥青一集科的界面上。 ( d ) 沥青粘结层厚度 将沥青加热至1 4 0 。c ，取2 9 沥青涂与集料的表面( 沥青粘结层约1 0 n u n 厚) 。将集 料在室温下冷却i 天。 ( e ) 实验方法 试件室温下冷却1 天后，将6 个试件分为2 组，将第一组试件放入1 8 0 c 低温箱内 2 小时，然后取出进行剪切实验，加载速率为1 0m m m i n u t e 。第二组试件先放入2 5 。c 水浴中浸泡2 4 小时，然后再放入1 8 0 c 低温箱内2 1 小时，再进行剪切实验，加载速 率与上相同。由此可以计算出两组试件的剪切强度的比值。 s u r f 舱ea f i e xt e s t d i s p l a yd e v 沁8 图3 8 劈切实验 ( f ) 计算 一产 b 州 其中；s s 指饱水与干燥环境下试件的平均剪应力。 长安大学硕士学位论文 第四章沥青与集料粘附性分析 4 1 界面粘附 粘结破坏模型是基于沥青与集料在没有水存在情况下的表面能提出的。首先计算集 料的表面能。 4 1 1 集料表面能的计算 第三章得出w a s h b u r n 公式，表征了质量增长w 与时间t 的关系： w 2 ：c p 2 y l c o $ of 4 1 】 刁 对于己烷，它可以充分浸润集料颗粒，因此有c o s0 = c o s0 = 1 。此时，公式4 1 变 为如下式，得到参数c 的表达式： c ：孚 【4 。2 2 】 c = l 一1 1 pyl l 得到c 值，可以认为己烷的c 值与其他三种液体的相同。可以按照下式计算沥青集 料界面的接触角。 c d 胡：k 兰 c p 圪t 【4 3 】 图4 1 ( a ) t 至4 1 ( h ) 和表4 1 至4 4 给出详细的实验结果。附录a 列出毛细上升实 验的原始数据。 。守 拶 。 器 s 暑 羔 璺p g 蓦 吕 们 4 0 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 面i 瑾( s ) ( a ) 4 1 04 0 08 1 互0 l i m e ( s ) (z嚣一廿譬2q口_矗ia事jo p j 邕f 0勾04 0 0 而t e ( s ) ( c ) 0 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 螂) ( 田。 1 a 1 8 砌砌姗黜 t m - e ( s ) ( e ) 0 0 0 2 4 0 0 t n m ( s ) 3 0 0 6 0 09 0 01 2 0 0 t i m e ( s ) ( 曲 3 0 06 0 09 0 0 t m e ( s ) 图4 1 各种集料和液体质量增长的平方与时间的关系 4 2 (7宕)o8j3口h_氤一oj0 o j b f l f 8 5 2 9 6 3 0 一n p m哪ioc一_c西一哪：io m=西丁叮 0 8 6 4 2 0 1 0 0 0 o 0 7暑一p跨2。口一-矗奄j0 o高罩寸 一7宕一q器ajuii：t18i。事jo急：叮 长安大学硕士学位论文 表4 1 第一组实验液体一固体界面接触角计算结果统计表 123 = 1 x 2 +4 = 2 + 35 = 1 x 4 w 2 t 刁 7 集料液体 l k 9 2 s )p 2 九 c c 分yl c o se 0 水 7 1 1 e 一0 9 1 1 5 e - 0 82 7 2 e 1 6 4 2 4 e + 0 70 3 0 1 37 2 。4 6 庚烷 6 2 1 e 0 94 3 1 e 0 82 7 2 e 1 61 5 9 e + 0 80 9 8 5 09 9 4 石灰岩 己烷 7 0 9 e 0 93 8 3 e 0 82 7 2 e - 1 61 4 1 e + 0 81 0 0 0 0 s p r e a d s 丙三醇1 0 8 e 1 11 4 5 e 0 52 7 2 e 1 65 3 4 e + 1 00 5 7 6 45 4 8 水1 0 7 e 0 91 0 7 e 一0 96 2 5 e 1 61 8 4 e + 0 70 0 1 9 7 8 8 8 7 庚烷 1 1 3 e - 0 84 3 1 e 0 86 2 5 e 1 66 9 0 e + 0 70 7 8 2 43 8 5 2 花岗岩 己烷1 6 3 e 一0 83 8 3 e - 0 86