（道路与铁道工程专业论文）高模量沥青混合料路用性能研究.pdf

摘要 沥青材料作为一种典型的粘弹性材料，其温度敏感性高，在重交通、高温的 环境条件下，出现了严重的早期损坏，直接影响了道路的使用性能，其中高温稳 定性不足是导致道路破坏的主要原因之一。因此，有必要对具有耐高稳、抗疲劳 的高模量沥青及沥青混合料进行研究。 目前，我国沥青设计规范对高模量沥青混凝土没有提出系统的规范要求，本 研究主要参照法国沥青设计规范( 1 9 9 2 年法国已经取得足够经验的情况下，制定 了标准( n fp 9 81 4 0 ) ，正式制定针入度为1 5 的沥青制作高模量沥青混凝土的规 范) 对高模量提出的要求进行配制与研究，并通过与所配制高模量沥青与基质沥 青和s b s 改性沥青进行比较来体现高模量沥青的优越性。 本文从选择材料入手，通过聚合物复合改性来研制了一种新型道路材料，即 高模量改性沥青( 简称h m ) ，其主要包括以下三个方面进行研究：( 1 ) 改性沥 青的制备，在了解各类改性剂的性质与用途的基础之上，结合能提高沥青稠度要 求，拟定了s b s 、p e 、岩沥青、湖沥青四种改性剂来制备高模量改性沥青。通 过正交试验设计和极差分析的方法，得出了各因素及掺量对基质沥青各项性能指 标的影响规律，确定了各因素水平之间的最佳组合，并采用s h r p 试验对不同沥 青的性能进行了评价。( 2 ) 配合比设计，针对耐高稳、抗疲劳的特点，论文选用 了a c - 2 0 c 粗集料级配，通过测试马歇尔试件体积指标，确定了不同沥青混合料 的最佳油石比，并对沥青混和料进行模量测定。( 3 ) 混合料路用性能测试，主要 包括了车辙试验，低温弯曲试验，水稳定性试验，疲劳性能试验。结果表明高模 量改性沥青具有较s b s 改性沥青、基质沥青更优越的路用性能。 通过本研究，可达到对高模量改性沥青及混合料有较充分的认识，为高模量 改性沥青的推广应用提供试验依据，也为高等级公路沥青路面建设工程提供一种 新的思路和解决问题的办法。 关键词：高模量改性沥青； 正交试验设计；配合比设计；路用性能 a bs t r a c t a s p n a i tm a t e r i a la sa t y p i c a lv i s c o e l a s t i cm a t e r i a l ，w i t ht h e t e m p e r a t u r e s e n s l t l v l t y ，l nt h eh e a v yt r a f f i ca n dh i g ht e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s t h e e m e f g e n c eo fas e r i o u s e a r l yd a m a g e ，d i r e c t l ya f f e c t i n gt h ew a yt h eu s eo f p e r f o r m a n c e ，t h el a c ko fh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t yw h i c hi so n e o ft h em a i nr e a s o n s o fr o a dd e s t r u c t i o n t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt oh a v eah i g hr e s i s t a n c es t a b i l i t y 。 a n t l f a t i g u eo fh i g hm o d u l u sa s p h a l ta n d a s p h a l tm i x t u r e sf o r r e s e a r c h a tp r e s e n t ，c h i n aa s p h a l td e s i g ns p e c i f i c a t i o no fh i g hm o d u l u s a s p h a l tc o n c r e t e s y s t e mn or e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t s ，t h em a i nr e f e r e n c eo ft h i ss t u d y d e s i g ns p e c i f i c a t i o n sa s p h a l tf r a n c e ( 1 9 9 2 ，f r a n c eh a sb e e nm a d ew i t h a d e q u a t ee x p e r i e n c ea n d c l r c u m s t a n c e s ，d e v e l o p e das t a n d a r d ( n fp 9 814 0 ) ，f o r m a l l ye s t a b l i s h e dp e n e t r a t i o n o rt h ea s p h a l tp r o d u c e d15h i g hm o d u l u sa s p h a l tc o n c r e t en o r m s ) o f h i g hm o d u l u s r e q u e s tf o r m u l a t e da n dr e s e a r c h ，a n dt h r o u g hw i t ht h ep r e p a r a t i o no fh i g hm o d u l u s a s p h a l ta n db a s ea s p h a l ta n ds b sm o d i f i e da s p h a l tw e r ec o m p a r e dt or e f l e c tt h eh i g h m o d u l u so fa s p h a l ts u p e r i o r i t y 。 l nt n l sp a p e r s t a r t i n gf r o mt h ec h o i c eo f m a t e r i a l s ，t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to f p o l y m e rm o d i f i e dt oan e w t y p eo f r o a dm a t e r i a l ，t h a ti s ，h i g hm o d u l u so fm o d i f i e d a s p h a l t ( r e f e 仃e dt oa sh m ) ，i t s p r i n c i p a li n c l u d et h ef o l l o w i n gt h r e ea r e a s ：( 1 ) m o d i f i e da s p h a l tp r e p a r a t i o n ， i n u n d e r s t a n d i n gt h en a t u r eo fv a r i o u sk i n d so f m o d l f - i e ra n du s e t h e b a s i s ，c o m b i n e dw i t h a s p h a l tt oi n c r e a s ec o n s i s t e n c v r e q m r e m e n t s ，d r a w nu ps b s ，p e ，r o c ka s p h a l t ，l a k e a s p h a l tm o d i f i e ro ff o u rt o p r e p a r eh l g hm o d u l u so fm o d i f i e da s p h a l t t h r o u g ho r t h o g o n a ld e s i g n a n dr a n g e a n a l y s l s ，0 b t a i n e dt h ei n f l u e n c el a wo fo fe a c hf a c t o rm i x i n ga m o u n tt ot h ev a r i o u s p e r f o r m a n c eo f b a s ea s p h a l t ，d e t e r m i n e dt h eb e s tc o m b i n a t i o no ft h ev a r i o u s f a c t o r e s a n de v a l u a t e dt h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n ta s p h a l ti nu s eo fs h r pt e s t ( 2 ) m i x d e s l g n ，9 1 v e nh i g hs t a b i l i t ya g a i n s tr e s i s t a n c ea n da n t i f a t i g u e c h a r a c t e l l i s t i c so f p a p e r s， w es e l e c t e d a c _ 2 0 cc o a r s e a g g r e g a t eg r a d a t i o n ，d e t e r m i n e dt h e b e s to p t i m a la s p h a l tc o n t e n to fd i f f e r e n t a s p h a l tm i x t u r eb yt e s t i n gt h ev o l u m ei n d e x o fm a r s h a lt e s tp i e c e a n d t e s t i n gm i x t u r eo fa s p h a l tm o d u l u s ( 3 ) t h em i x t u r e p e r f o r m a n c et e s t s ，i n c l u d i n gr u t t i n gt e s t ，b e n d i n gt e s ta tl o w t e m p e r a t u r e 。t h ew a t e r s a b l l i t ) ，a 仰t h e f a t i g u ep r o p e r t yt e s t t h er e s u l t s s h o w e dt h a th i g hm o d u l u s m o d i f i e da s p h a l th a sab e t t e rr o a dp e r f o r m a n c et h a nb o t hs b s m o d i f i e da s p h a l ta n d b a s ea s p h a l t ， t h r o u g ht h i ss t u d yc a nb ea c h i e v e do nt h eh i g hm o d u l u sa n dm o d i f i e da s p h a l t m i x t u r e sh a v eaf u l lu n d e r s t a n d i n ga n df o rt h eh i g hm o d u l u so ft h ep o p u l a r i z a t i o n a n da p p l i c a t i o no fm o d i f i e da s p h a l tt op r o v i d et e s tb a s i s ，a sw e l la sh i g h g r a d e h i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n tc o n s t r u c t i o np r o j e c tt op r o v i d ean e wi d e a sa n ds o l u t i o n s t ot h ep r o b l e m k e yw o r d s ：h i g hm o d u l u sm o d i f i e da s p h a l t ；o r t h o g o n a ld e s i g n ； m i xp r o p o r t i o nd e s i g n ；p a v e m e n tp e r f o r m a n c e m 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。 作者签名挪 日期： 口 冲 华月矽日 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 1 、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“ ) 作者签掀 翩硌翻谲 嗍叫年 醐：7 年 牛月7 日 髟月哕日 第一章绪论弟一早三百了匕 1 1 问题提出及研究意义 随着我国国民经济的发展，公路建设也取得了长足的进步。尤其是自1 9 8 8 年沈大高速公路及沪嘉高速公路建成通车以来，高等级公路以前所未有的速度发 展，我国的公路事业进入了以建设高等级公路为主的新时期。截止到2 0 0 8 年底， 全国公路通车总里程已达3 5 8 万k m ，高速公路已经达到5 5 0 0 0 k m 。在所有已建公 路中，由于沥青路面具有良好的行车舒适性、建设速度快、维修方便等特点，因 此，沥青路面在路面结构中应用得越来越广泛。 伴随着公路运输交通量急剧增加，超载、重载现象日益严重，路面结构的损 坏也逐渐加剧，许多沥青路面在通车不久就发生不同类型的损坏，严重影响了道路 的服务质量，为了解决道路早期破坏的问题，许多新型道路材料开始用于高等级 公路上，高模量沥青混合料就是其中的一种，提高沥青混合料材料的劲度模量，可 以有效增强整个路面结构抵抗车辙变形和抗疲劳的能力【l j 。 高模量沥青混凝土( h m a c ) 在法国使用已经超过2 0 年的时间【2 】1 3 】，其原理是 通过提高沥青混凝土的模量，减少车辆荷载作用下沥青混凝土产生的变形，提高路 面抗高温变形能力，改善路面的疲劳性能，延长路面的使用寿命包括法国在内的 许多欧洲国家都先后对其展开的研究，由于各国的材料组成和设计方法均不相同， 高模量沥青混凝土也呈现出不同的性能表现。究竟何种途径可以更好地实现模量 提高，各个国家均有不同的经验。 在我国，针对高模量沥青混凝土的研究才刚刚起步，对高模量沥青混凝土的材 料组成以及实际路用性能还不了解，需要在国外研究成果的基础上，研究高模量沥 青混凝土材料组成，总结高模量沥青混凝土的力学特征，为高模量沥青混凝土在我 国的推广应用积累经验。 目前，国际上主要通过两种方式来提高沥青混合料的劲度模量。一种是降低 沥青混合料中沥青的标号，采用粘度较大的沥青；另外一种则是在沥青混合料中 加入外掺改性剂【4 j 。 本研究在7 0 # 基质沥青中添加不同的改性剂来得到改性沥青，期望通过利用 高模量沥青的高粘性及其混合料的高强度、高模量特点，研究解决目前南方湿热 地区高等级公路沥青路面建设中，存在的早期高温车辙损坏，疲劳损坏和水损坏 等问题，为南方湿热地区高等级公路沥青路面建设工程提供一种新的思路和解决 问题的办法。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 早在2 0 世纪6 0 年代，法国就开始使用硬沥青，并就利用硬沥青开发了高模 量沥青混合料h m a c 。最早的高模量沥青混合料是在2 0 世纪7 0 年代中期用煤 沥青和聚氯乙烯制成的。正式的高模量沥青混凝土出现于1 9 8 0 年p 儿引。从那时 开始，这种沥青混凝土得到了相当程度的发展。这种混合料有良好的抗疲劳、抗 车辙、抗温缩裂缝和抗老化等路用性能，例如应用于基层部分的高模量基层混凝 土e m e ，以及用于面层、磨耗层部分的高模量面层b b m e 7 j 。1 9 8 2 年曾用针入 度为1 5 的沥青做底面层混合料，同时增加沥青用量至与表面层相同，大量试验 结果表明，使用针入度为1 5 的沥青混合料的抗永久变形能力比s b s 改性沥青混 合料抗永久变形能力还要好，其疲劳寿命比原底面层混合料的疲劳寿命增长 3 0 ，1 9 9 2 年法国正式制定针入度为1 5 的沥青制作高模量沥青混凝土的规范，按 照法国n f p 一1 4 0 标准中的定义，只有动态模量e 木( 1 5 ，1 0h z ) 达到= 1 40 0 0 m p a 的 要求沥青混凝土才可以被称为“高模量沥青混凝土”。高模量沥青混合料纳入其沥 青路面规范后，使得硬沥青在法国道路建设中得到了很大范围的推广8 儿9 】b o 】。 1 9 9 9 年，法国在a 3 1 高速公路中铺筑了一条试验路，对硬沥青的路用性能进行 了研究，结果表明，硬沥青在抗车辙方面性能较好。目前在法国沥青路面中下面 层中有5 0 都应用了高模量沥青混凝土。相对于传统沥青混凝土而言，这种材 料有一个较好的抗损坏力学机理。在路面设计中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。 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，典型的是当3 5 的材料直径小于2m m 或7m m ，或有8 的材料直径小 于0 0 7 5 衄的时候。当层厚为6 1 0c m ，7 1 2 锄，1 0 1 5c m 时，集料最大公称 粒径分别为1 0 ，1 4 ，2 0m m 。法国标准n f p9 8 1 4 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 一6 5 之间【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。为了得到生产和铺筑h m a c 以及其服务性的经 验，这种技术在在相似的情况下于1 9 9 6 - - 1 9 9 7 年间被反复运用。位于波多附近 正在重建的e n l 4 ( 葡萄牙1 4 号国道) 已经证明了研究情况符合实际。 芬兰公路部门和h e l s i n k i 技术大学分别就硬沥青在道路的基层和面层的应 2 用进行了研究。公路部门将硬沥青应用于次等级道路的基层，希望利用硬沥青材 料较高的强度、劲度，以减少施工过程中存在的不均匀现象对路面结构的影响。 h e l s i n k i 技术大学为了提高沥青路面的抗车辙能力，将硬沥青应用到路面的上面 层，并与改性沥青做了对比研究，试验结果表明，硬沥青具有良好的路用性能。 硬沥青良好的抗车辙能力，使其在以后的芬兰高等级公路建设中，得到了广泛的 应。 荷兰d e l f t 大学通过车辙试验，对普通沥青密级配混凝土( d a c 8 0 1 0 0 ) 、硬 沥青密级配混凝土( d a c 4 5 6 0 ) 、s m a 和改性沥青密级配沥青混凝土( m d a c ) 等沥青混合料的抗车辙性能进行了比较。车辙试验结果表明，硬沥青混凝土的车 辙深度与s m a 的基本相当，并明显优于普通沥青混凝土。同时对其进行了三轴 试验，试验结果显示硬沥青混凝土具备良好的抗变形能力 1 2 1 。 从2 0 世纪7 0 年代中期开始，出现很多高模量沥青混凝土( h m a c ) ，这种 混凝土的主要特点是使用了高粘度的沥青胶结料，包括使用特别硬的基质沥青或 添加高熔点天然沥青以及添加聚合物类物质的改性沥青，当时一般应用于基层和 底基层，后来将聚合物改性沥青混合料应用于磨耗层；从室内试验结果和实际使 用情况来看，h m a c 具有良好的抗疲劳特性、抗永久变形能力和抗水损害能力， 另外在经济性方面，h m a c 也使人们对它产生了足够的兴趣【9 】【1 0 儿1 1 1 。 1 2 2 国内研究概况 由于沥青生产的发展，当前国内已经能够生产针入度较低的硬质沥青。我国 2 0 0 4 年颁布的公路沥青路面施工技术规范( j t jf 4 0 2 0 0 4 ) 明确提出了3 0 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【1 3 1 ，但是，规范要求 该种沥青的应用仅适用于沥青稳定基层。 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【l4 1 。 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1 2 的重交5 0 沥青作为结合料。2 0 0 4 年l o 月2 0 日完工的青红高 速涉县至冀晋界段柔性基层试验段，已对重交5 0 号沥青碎石基层材料组成设 计、高温性能( 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，为探索重交5 0 沥青在高温多雨环境下的利 用，他们开展了课题研究，为硬质沥青路面施工积累了经验。 2 0 0 6 年9 月，在长安大学高模量沥青混凝土路面研究课题组的现场指导下。 3 在扶( 沟) 一项( 城) 高速公路阿( 荣旗) 一深( 圳) 线路面5 标成功完成5 0 0 多米试验路 段铺筑。在沥青混合料中掺加一种叫p rf l e xm o d u l e 的外掺料，在不改变其 他性能指标的前提下提高其弹性模量，达到增强实用性能的目的【l 引。 在华南理工大学道路研究所己结题的沥青路面车辙病害课题中i l6 。，针 对混合料模量对车辙的影响进行了一系列试验加入高模量沥青混合料改性剂( 商 品名称为p rp l a s tm o d u l e ) ，结果表明，混合料模量与车辙成反比，同时，高 温下模量对车辙的影响比中温时大。由此可以认为，提高混合料的模量已成为解 决车辙难题的有效手段之一。有关的研究报告指出，提高路面沥青混合料的模量， 不仅能有效的抵抗车辙，还能够减小路面的厚度，产生很好的经济效益和社会效 益。 辽宁省交通科学研究院、中国石化石油化工科学研究院、辽宁省高等级公路 建设局共同承担的高模量沥青混凝土应用技术研究是交通部西部交通建设科 技项目。辽宁省交通科研院从提高沥青混凝土模量的角度研发了一种解决路面高 温病害的新材料高模量沥青混凝土外掺剂，在沥青混凝土的生产过程中，按 照一定的比例加入外掺剂，就可以得到高模量沥青混凝土【1 7 j 。 最近，长沙理工大学郑建龙课题组进行了关于重交通条件下高模量沥青混凝 土路面材料设计与施工技术研究，课题结合河南省郑州到石人山高速公路的具体 情况，选择具体代表性的路面标段开展高模量沥青混凝土路面的关键技术研究， 积极推广高模量沥青混凝土路面的应用。 1 3 本文主要研究内容及思路 本论文的主要研究内容是高模量沥青混合料进行路用性能研究，通过理论分 析和室内试验按照法国规范的思路获得高模量沥青，确定改性剂品种和改性剂的 配比及高模量沥青混合料的配合比，并对高模量沥青混合料进行路用性能研究。 主要研究内容如下： 1 对原材料根据规范要求进行常规试验，根据规范要求选择适当的原材料。 包括测定碎石压碎值、磨耗损失、表观相对密度、吸水率、坚固性、与沥青的粘 附性、针片状颗粒含量、含泥量及砂当量等指标，验证是否满足要求。对所选基 质沥青( 普通沥青) 和湖沥青，岩沥青进行针入度、软化点和延度三大指标试验、 老化试验、和密度试验，验证是否满足要求。 2 对湖沥青、岩沥青、低密度p e 、s b s 四种改性剂进行正交试验，通过改性 沥青基本试验确定哪种改性剂对获取高模量沥青起主要影响，由此选取适合改性 剂和最佳配比 3 最佳配比的高模量沥青进行s h a p 试验( 沥青结合料d s r 试验结果与分析， 沥青结合料b b r 试验结果数与据分析) 及高模量沥青基本指标试验。 4 4 对获取的高模量沥青进行其沥青混合料的目标配合比设计，采用高模量沥 青混合料的路面结构层是中下面层( a c 一2 0 c ) ，首先对a c - 2 0 c 按规范推荐级配进行 配合比设计，确定混合料的最佳沥青用量并确定沥青混合料在不同温度( i o c 、 1 5 ) 的劲度模量。 5 对不同的配比进行路用性能研究，主要通过高温稳定性，低温抗裂性，水 稳定和疲劳性能研究。 6 比较高模量沥青混合料与4 s b s 改性沥青及5 0 # 基质沥青混合料的性能，综 合表现出所配高模量沥青混合料的特点 5 2 1 原材料 第二章原材料及试验方案 2 1 1 基质沥青 2 1 1 1 重交7 0 # 基质沥青 配制高模量沥青所用基质沥青为重交沥青7 0 # ，按照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 0 ) 的要求对基质沥青进行了基本性能的测试， 其结果列于表2 1 。 表2 17 0 # 基质沥青基质沥青的主要技术性质 试验项目试验结果 技术指标 针入度( 2 5 c ，1 0 0 9 ，5 s ) 0 1 m m 6 46 0 _ 8 0 延度( 5 c m m i n ，1 5 c ) c m 1 4 01 0 0 软化点( 环球法) 4 8 5 4 6 针入度指数 0 9 21 5 + 1 0 蜡含量( ) 1 6 3 5 4 延度( 1 5 c ) c m 3 41 5 2 1 1 2 埃索重交5 0 # 基质沥青 为了使所得出的高模量沥青更具有对比性，本试验采用5 0 # 硬质沥青进行对 比。按照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 0 ) 的要求对基 质沥青进行了基本性能的测试，其结果列于表2 2 。 表2 25 0 # 基质沥青基质沥青的主要技术性质 试验项目试验结果技术指标 针入度( 2 5 c ，1 0 0 9 ，5 s ) 0 1 m m 5 2 34 旷6 0 延度( 5 c m m i n ，1 5 c ) c m 1 5 08 0 软化点( 环球法) 4 6 3 4 5 针入度指数 0 4 8 1 。5 + l 。o 蜡含量( ) 1 6 5 5 8 延度( 1 5 。c ) c m 3 8l o 2 1 2 改性剂的选取 七十年代末，我国开始探索聚合物改性沥青。现已有从橡胶粉沥青进入到热 塑性橡胶沥青的研究和应用，并已铺设了大面积的聚合物改性沥青路面。人们也 考虑将天然沥青掺加到普通沥青中来改变普通沥青的性质。 目前用于沥青改性的改性剂使用的聚合物改性剂，一般可分为三类【l 列： ( 1 ) 橡胶塑料类：即热塑性弹性体。如苯乙烯一丁二烯嵌段共聚物( s b s ) ，苯 乙烯一异戊二稀嵌段共聚物( s i s ) 、苯乙烯一乙烯一丁二烯一苯乙烯共聚物 ( s e b s ) ，聚脂弹性体等。已有实用效果的有s b s 。这类改性剂具有增加柔性、抗 永久变形能力及良好的耐久性，属于热塑性橡胶类的还有聚酯弹性体、聚乙烯丁 基橡胶浆聚合物、聚烯烃弹性体等。由于具有良好的弹性，已成为目前世界上最 为普遍使用的道路沥青改性剂。 ( 2 ) 橡胶类：如天然橡胶( n r ) 、丁苯橡胶( s b r ) 、氯丁橡胶( c r ) 、丁二烯橡胶 ( b r ) 、乙丙橡胶( e p d m ) 等。己有实用效果的有s b r 、c r 、e p d m 等。这类改性 剂具有优良的抗低温开裂性能和增大沥青与石料的粘附力。 ( 3 ) 树脂类：热塑性树脂，如聚乙烯( p e ) 、乙烯一醋酸乙烯共聚物( e v a ) 、无 规聚丙稀( a p p ) 、聚氯乙烯( p v c ) 、聚酞胺等；热固性树脂，如环氧树脂( e p ) 、 酚醛树脂、聚氨脂树脂等。己有实用效果的有e v a 、p e 、e p 等。这类改性剂对 高温稳定性改善明显，能提高沥青的粘结力、抗冲击、震动能力。 天然沥青是石油在经过亿万年的地质变化过程中，在热、压力、氧化、触媒、 细菌综合作用下生成的沥青类物质，通常包括湖沥青、岩沥青和海底沥青。存在 于岩石缝隙的天然沥青，称为岩沥青。早期使用的天然沥青以特立尼达湖沥青 ( t l a ) 为代表，近些年产于南太平洋印度尼西亚苏拉威西岛东南部布敦岛的布敦 岩沥青( b r a ) 在我国也有了一定的应用，取得了非常好的效果。 论文针对材料使用要求特点，在了解各种聚合物改性剂性质的基础之上，选 取了四种改性剂来制备一种性能优良的高模量改性沥青( 简称：h m ) 。所选用改 性剂的基本性质如下： ( 1 ) 热塑性丁苯橡胶( s b s ) 呈白色条状( 见图2 1 ) ，s b s 是苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物，以丁 二烯和1 ，3 一苯乙烯为单体，采用阴离子聚合物制得的嵌段共聚物【l 圳，该改性剂 7 对沥青的高、低温性能都具有明显的改善作用。 ( 2 ) 聚乙烯( p e ) 里白色颗粒状( 见图2 2 ) ，p e 是由乙烯单体聚合而成。按照合成的方式不同， 分为高压聚乙烯、中压聚乙烯和低压聚乙烯。高压聚乙烯又称为低密度聚乙烯， 在纵多的聚乙烯牌号中，只有低密度聚乙烯才能够用于改性沥青。 ( 3 ) 湖沥青( t l a ) t l a ( 见图23 ) 由沥青质、树脂和油分及部分不溶物组成，较小的针入度、 高软化点及少量矿物质灰分，使得t l a 改性沥青在高温稳定性及低温性能方面 有较好的表现柏i 。 ( 4 ) 岩沥青( b r a ) 布敦岩沥青( b r a ) ( 见图24 ) 产于南太平洋印度尼西亚苏拉威西岛东南部布 敦岛，其形成是由于石油不断地从地壳中冒出，存在于山体、岩石裂隙中，经长期蒸 发凝固而形成的天然沥青。布敦岩沥青经过挖掘粉碎后形成微细颗粒，呈浅褐色， 一般沥青含量在2 0 12 2 之间，其余为石扶岩类矿物质。布敦岩沥青中的矿物质 很细，具有很好的吸收沥青的能力，能够加强沥青与矿料的粘附作用，在印尼称为 活性剂【2 “。 图21 道路沥青改性剂一s b s 图2 2 道路沥青改性剂一p e 图2 3 道路沥青改性剂一t l a 图2 , 4 道路沥青改性剂一b r a 2 1 3 集料性质 论文采用的粗、细集料均由江西石场提供，按照公路工程集料试验规程 ( j t j 0 5 8 - - 2 0 0 0 ) 的要求对粗集料、细集料及填料进行了表观相对密度、吸水率等 试验，测试结果如表2 3 表2 5 。结果表明，所有指标都符合规范提出的技术要 求。 表2 3 粗集料石灰岩的主要技术性质 技术指标 单位 试验值技术要求 压碎值 1 3 52 8 洛杉矶磨耗损失 1 5 83 0 坚固性 1 91 2 软石含量 2 03 针片状颗粒含量 5 o1 8 与改性沥青的粘附性 级55 表2 4 细集料及填料检测结果 技术指标单位实测值规范要求 细集料 e , e m 3见表2 4 2 5 0 表观相对密度 细集料砂当量 9 0 15 0 矿粉表观密度g c m 3 2 7 3 72 4 5 矿粉含水量 0 2 1 表2 5 各档矿料的密度试验结果 筛孔尺寸表观密度表干密度毛体积密度吸水率 集料类型 ( m i l l ) g 。( g c m 3 )g ，d ( g c m 3 )g 6 ( g c m 3 ) ( ) 1 7 2 72 7 1 82 7 0 42 6 9 6o 2 9 1 l 1 72 7 2 62 7 0 92 6 9 9 o 3 7 石灰岩6 1 12 7 2 22 7 0 02 6 8 80 4 6 3 62 7 8 52 7 6 02 7 4 5o 5 2 o 32 7 6 82 7 3 12 7 l0 7 7 2 2 试验方案 2 2 1 改性沥青制备 目前，制备改性沥青的方法主要有两大类：一次掺配法和二次掺配法。搅拌 法、混融法、胶乳法适用于采用一次掺配法制备改性沥青，母体法适用于采用二 9 次掺配法制备改性沥青。一次掺配法中的混融法是采用高速剪切设备或胶体磨在 一定的温度和时问下制各改性沥青。 论文采用一次掺配法，在进行沥青基本试验时用量较少利用高速剪切设备 ( 见图25 ) 配制所需改性沥青。在进行混合料试验时利用德国进口的胶体磨( 见图 26 ) 对改性沥青进行研磨加工，为使改性剂与基质沥青充分混融，拟定4 5 0 0 r p m 。 围2 5 高速剪切仪结构示意圈 图2 6 胶体磨结构示意图 图27 经加工后不同改性沥青与基质沥青( 重交5 0 # ) 需要注意的是，在研磨过程中将改性剂磨碎的同时，还引入了一定量的空气 气泡到沥青中，所以在试样提供试验前，还必须驱赶沥青中的气泡。方法是用一 根玻璃棒继续缓慢地搅拌一段时间，气泡就会完全消失。否则，将直接影响试验 结果。 22 2 沥青性能试验 论文在考虑现有试验条件的基础之上，同时采用现行规范推出的针入度分级 体系和s h r p 性能分级体系试验方法，主要包括| 三i 下试验阱i ： 1 针入度试验 分别在1 5 c ，2 5 。c 和3 0 c 条件下，测定沥青在原始状态下的针入度值，并以 此计算针入度指数当量软化点t 8 0 0 ，当量脆点t 12 ； 2 延度试验 在试验温度为1 5 、拉伸速率为5 0 m m m i n 下，测定各种沥青原始状态f 的 低温延度值，在正交试验当中由于稠度太大，延度不能达到规范的要求， 3 软化点试验 用环与球法分别测定各种沥青在原始状态下的软化点值： 4 旋转粘度试验 采用美国b r o o k f i e l dd v i i 十型旋转粘度计测试各种沥青的粘度，试验操 作参考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 0 ) 沥青布氏旋转粘度 试验。 5 d s r 试验( 动态剪切试验) 在5 2 8 2 。c 温度范围内进行试验，测定各种沥青的复数剪切模量g 和相位 角万，进而确定沥青的车辙因子( g + s i n 8 ) ，表征沥青在高温时的抗车辙性能。 6 b b r 试验( 弯曲蠕变试验) 分别测定各种沥青在不同的温度( 一6 c 、1 2 c 和一18 c ) 下的低温蠕变劲度s 和 蠕变速率m 值。 2 2 3 沥青混合料路用性能试验 1 马歇尔试验 论文在确定最佳沥青用量时，采用马歇尔法，机械双面击实7 5 次，击实速度 为6 0 次r a i n 。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。 2 高模量沥青混合料模量测定 论文通过弯曲试验来评价沥青混合料的模量，试验条件：试件尺寸3 0 m m x 3 5 m m 2 5 0 m m 的小梁，跨径为2 0 0 m m ；试验温度：1 5 与1 0 ；加载速率为 5 0 m m m i n 。 3 高温抗车辙试验 车辙试验是评价沥青混合料高温性能的重要方法。因为它是一种模拟实际车 轮荷载在路面上行走而形成车辙的工程试验方法，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，较好地描述了沥青混合料在高温下的抗永久变形能 力。在试验过程中，通常测定板块产生变形与时间之间的关系，进而计算混合料 的相对变形和动稳定度。试验条件为：试轮行走速度为4 2 + 1 次m i n ，接地压强 0 7m p a ，试件尺寸：3 0 0 m m 3 0 0 m m 5 0 m m ，试验温度：6 0 。 4 低温弯曲试验 论文采用小梁低温弯曲试验来评价沥青混合料的低温抗裂性能，以不同温度 下混合料的抗弯拉强度、极限弯拉应变和弯曲劲度模量作为评价指标。抗弯拉强 度越高，表明混合料抵抗破坏的能力就越强；极限弯拉应变越大时，混合料越不 容易断裂。弯曲劲度模量越大，混合料就越容易断裂。试验按照公路工程沥青 及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 进行，试验条件：试件尺寸3 0 m m x3 5 r a m 2 5 0 m m 的小梁，跨径为2 0 0 m m ；试验温度：一1 0 ；加载速率为5 0 m r n m i n 。 5 水稳定性试验 水稳定性试验的方法是测定沥青混合料在浸水前后力学性能的变化，以浸水 后的力学性质和原性质的对比作为对剥落的间接量度，沥青混合料在饱水的情况 下强度降低越小说明水稳定性越好。按照公路沥青及沥青混合料试验规程 ( j t j 0 5 2 - 2 0 0 0 ) 的标准规定，论文采用马歇尔击实法成型圆柱体试件，对三种沥 青混合料以残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比( t s r ) 来评价其水稳性。 6 疲劳试验 沥青混合料属于一种复杂的热流变材料，其变形与受力状态、温度及加载速 率等多种因素有关。在实际使用过程中，沥青路面要承受外界荷载( 行车荷载与 温度荷载) 的多次重复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，导致路面结构强 度下降，当荷载重复作用超过一定次数后，路面便会产生疲劳破坏。因此有必要 了解沥青混合料的疲劳特性。为了合理的表征不同沥青混合料的疲劳性能，论文 运用了现象学法，在不同应力水平下进行疲劳试验，建立了相应的疲劳寿命方程。 试验条件如下：设备：m t s 8 1 0 材料试验系统，加载模式：控制应力，试件尺寸： 5 0m m x 5 0m i n x 3 0 0m m 小梁试件，加载波形为正弦波，加载频率：1 0h z ，试验 温度：1 0 。 1 2 第三章高模量沥青结合料性能研究 论文通过正交试验设计，采用极差分析的方法来找出改性剂对基质沥青各项 性能的影响规律，进而确定各因素水平之间的最佳组合，最后通过s h r p 试验分 析各种沥青的路用性能。 3 1 正交试验方法简介 正交试验方法是按照正交表安排试验，所谓正交试验是指在试验安排中各因 素水平取值对称、搭配均匀，既没有遗漏，也可以不重复。正交表是一套规格化 的表格，在一般的试验设计和数理统计的参考资料中都可以直接得到，每种正交 表都用符号l n ( m ) 进行标识，其中l 是正交表的标记，n 为需要进行的试验 次数，m 为因素所取的水平，k 为正交表的列数，即当按该表进行试验设计时， 可以安排的因素个数不能超过此列数【2 3 1 。 正交试验的方法和步骤如下【2 4 】： ( 1 ) 根据试验的要求，选取合适的正交表，正交表必须每列中不同水平 出现的次数相等，任意两列，将同一横行的两个数字看成有序数对时，每种数 对出现的次数相等。 ( 2 ) 选定正交表后，进行表头设计，表头设计就是把影响因素安放在所选定 的正交表的列上，其原则要求同一列上应避免被两个或两个以上的因素所占据， 即不产生混杂。 ( 3 ) 根据正交表和表头设计，制订试验方案。 ( 4 ) 根据试验方案，安排试验，获取不同试验方案下的观察指标的试验结果。 ( 5 ) 根据试验方案和试验结果，利用正交表进行试验结果的分析。分析包括 同一因素不同水平均值分析和不同因素的方差分析，得到合适的因素水平和对试 验结果影响最大的因素，从而总结出合理的设计方案。 3 2 因素、水平及正交表的选取 采用掺不同的改性剂进行试验，试验方案设计时主要考虑四种因素：湖沥青、 p e 、岩沥青、s b s 四种改性剂进行试验。每种因素分为三种水平，所选湖沥青掺 量取2 0 、3 0 、4 0 ，p e 取2 、4 、6 ，岩沥青取1 0 、2 0 、3 0 ，s b s 取2 、 4 、6 ，具体如因素水平表3 1 。 1 3 表3 1 因素水平表 水平 ( a ) 湖沥青( b ) p e( c ) 岩沥青( d ) s b s 12 0 2 1 0 2 23 0 4 2 0 4 34 0 6 3 0 6 由表3 1 可知该正交设计组合方案为四因素三水平组合设计，根据正交表的 一般选择要求，因素数正交表列数，因素水平数与正交表对应的水平数一致的 原则，故选取正交表l 9 ( 34 ) 来进行分析方案的组合设计。将各因素水平按正 交表组合后的试验方案2 5 1 如表3 2 。 表3 2 试验方案 试验号a b c d 试验方案 l #llll a l b l c l d l 2 襻122 2 a l b2 c 2 d2 3 # 13 3 3 a l b3 c3 d3 4 #2 123 a2 b l c2 d 3 5 #2231 a2 b 2 c3 d l 6 #23l 2a2 b 3 c i d2 7 挣3 l32a3 b l c3 d2 8 样32l3 a3 b2 c l d 3 9 #332l a3 b3 c2 d 1 3 3 正交表得出