（材料学专业论文）应力吸收层材料组成及其特性研究.pdf

摘要 在旧水泥混凝土路面沥青加铺结构以及半刚性或刚性基层沥青路面中都存在反射 裂缝问题，如何防止或延缓反射裂缝的产生是目前公路界面临的一项核心课题。应力吸 收层是为防止或延缓旧水泥混凝土路面沥青加铺结构以及新建半刚性或刚性基层沥青 路面反射裂缝产生、发展而设计的路面功能层。 论文研究了应力吸收层特种改性沥青混合制备过程中的变化，详细阐述了其生产工 艺流程、控制参数及注意事项。分析实验室常用沥青改性设备的优缺点，综合考虑经济 性和实用性，提出特种改性沥青的生产工艺及其质量控制标准与技术要求。采用变i 法 计算出应力吸收层的初步级配范围，试验研究了级配关键筛孔，结合以往工程实践，确 定出应力吸收层级配控制范围。汇总以往工程实践中沥青用量的相关数据，回归得出应 力吸收层沥青用量的预估公式，针对应力吸收层混合料组成特殊性，推导了新的沥青膜 厚度计算公式。针对应力吸收层沥青混合料的特点，提出高温贯入试验和s c b 疲劳试 验方法，用以验证其高温变形能力以及低温疲劳性能。对试验路段的工程级配与本文提 出的级配范围上下限进行了低温抗裂性、水稳定性、高温稳定性与低温疲劳性能的试验 研究，验证了本文提出的级配范围的合理性。最后，依托试验路实体工程，提出应力吸 收层施工工艺与质量控制注意事项。 关键词应力吸收层，沥青路面，反射裂缝，改性沥青，配合比设计，沥青膜厚度， 高温贯入试验，s c b 疲劳试验，路用性能 a b s t r a c t t h er e f l e c t i v ec r a c k i n gp r o b l e me x i s t sb o t hi nt h ea s p h a l to v e r l a yo no l dc o n c r e t ea n di n t h ea s p h a l tp a v e m e n to nr i g i do rs e m i r i g i db a s e h o wt od e l a yo rr e s t r a i nt h ed e v e l o p m e n to f t h er e f l e c t i v ec r a c k i n gi sa nu r g e n tp r o b l e m t h es t r e s sa b s o r b e dm i x t u r ei sd e s i g n e dt o d e l a yo rr e s t r a i nt h ed e v e l o p m e n to ft h er e f l e c t i v ec r a c k i n gi nt h e a s p h a l to v e r l a yo no l d c o n c r e t ea n di nt h en e w l yb u i l ta s p h a l tp a v e m e n to nr i g i do rs e m i - r i g i db a s e t h ec h a n g eo ft h es p e c i a lm o d i f i e da s p h a l ti np r o d u c t i o nh a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r , a n dt h ep r o d u c t i o ns t e p s ，c o n t r o lp a r a m e t e r sa n da t t e n t i o nh a v ea l s ob e e nd e s c r i b e di nd e t a i l t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h ea s p h a l tm o d i f i e de q u i p m e n tc o m m o n l yu s e di n l a b o r a t o r yh a v eb e e na n a l y z e d ，c o n s i d e r i n ge c o n o m i ca n dp r a c t i c a l ，i tr a i s e dt h ep r o d u c t i o n p r o c e s s ，a l s ot h eq u a l i t yc o n t r o ls t a n d a r d sa n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s i tu s e st h eg r a d i n g d e s i g nm e t h o do fc h a n g i n g it oc a l c u l a t et h ei n i t i a lg r a d i n gr a n g e ，a n ds t u d i e st h ek e ys i e v ei n g r a d i n gb yt h et e s t c o m b i n e dt h ep r a c t i c ei nt h ep a s t ，i td e t e r m i n st h ec o n t r o lg r a d i n gr a n g e o ft h es t r e s sa b s o r b e dm i x t u r e t h e ni ts u m m a r i z e st h er e l e v a n td a t ao ft h ep r a c t i c ei nt h e p a s t ，a n du s i n gt h el i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o d ，g i v e st h ee s t i m a t e df o r m u l ao fa s p h a l tc o n t e n t f o rt h es p e c i a lc o m p o s e do ft h es t r e s sa b s o r b e dm i x t u r e ，an e wf o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h e a s p h a l tf i l mt h i c k n e s sh a sb e e nd e r i v e d f o rt h ef e a t u r e so ft h es t r e s sa b s o r b e dm i x t u r e ，i t p r o p o s e st h eh i 曲一t e m p e r a t u r ep e n e t r a t i o nt e s t a n ds c b ( s e m i c i r c u l a rb e n d i n g ) t e s tt o c o n f i r mt h ed e f o r m a t i o na th i 曲t e m p e r a t u r ea n dt h ef a t i g u ea tl o wt e m p e r a t u r e f o rt h e p r o je c tg r a d i n go nt h et e s tr o a d i n ga n dt h eg r a d i n gr a n g ep r o p o s e di nt h i sp a p e r , i th a s as t u d y o nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec r a c k i n ga n df a t i g u ea tl o wt e m p e r a t u r e ，a n t i d e f o r m a t i o na th i 曲 t e m p e r a t u r e ，t h es t a b i l i t yi nw a t e r , a n dv e r i f yt h eg r a d i n gr a n g ep r o p o s e di n t h i sp a p e ri s a p p r o p r i a t e a tl a s t ，r e l y i n go nt h et e s t i n gr o a dp r o je c t ，i tr a i s e st h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y a n dq u a l i t yc o n t r o ln o t e s k e yw o r d s ：s t r e s sa b s o r b e dm i x t u r e ，a s p h a l tp a v e m e n t ，r e f l e c t i v ec r a c k i n g ，m o d i f i e d a s p h a l t ，p r o p o r t i o nd e s i g n ，a s p h a l t f i l mt h i c k n e s s ，h i g h t e m p e r a t u r ep e n e t r a t i o nt e s t ， s c b ( s e m i c i r c u l a rb e n d i n g ) t e s t ，r o a dp e r f o r m a n c e 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，均己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：乡婀 论文知识产权权属声明 0 8 年3 月1 7 o 日 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：劫好 铷一p k 付 纺年6 月z o e i b 譬年刍目2 - e i k 安大学硕上学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 目前，我国无论是高速公路、一级公路还是二级公路，普遍采用半刚性基层沥青路 面结构形式。众所周知，半刚性基层具有良好的板体性能，较高的强度和较强的荷载扩 散能力。相对于柔性基层，半刚性基层下路床顶面的荷载压应力与压应变较小，有利于 路基保持良好的工作状态并处于弹性工作状态，从而有利于减轻沥青路面的车辙。同时， 还能因地制宜地利用当地材料，具有较大的经济优势。但是半刚性基层本身存在难以克 服的缺陷与不足。如半刚性基层与沥青路面的层间粘结困难，很难成为整体，还容易产 生较大的温缩裂缝和干缩裂缝反射到沥青面层；同时半刚性基层排水性能不好，若沥青 面层稍微有裂缝或渗水严重的话，雨水会从裂缝渗入，并积聚在面层与基层中间，由于 半刚性基层排水性能差，在荷载作用下易产生唧泥现象，从而加速了路面结构破坏。 反射裂缝也是贫混凝土等刚性基层沥青路面主要的早期破损形式。在行车荷载和温 度应力的反复作用下，刚性基层中的裂缝或接缝上方沥青路面的微裂缝将不断扩展、增 密并贯穿连通形成宏观裂缝，导致路面结构破坏。 在2 0 世纪9 0 年代水泥混凝土路面是我国高等级公路采用的主要路面结构型式之 一，其发展最快，里程增加最多。目前我国已成为世界上水泥混凝土路面拥有里程最多 的国家。但是由于设计、施工、后期养护及超载等原因，已不同程度地出现了结构性破 坏和功能性缺陷，陆续进入大中维修期。近几年来，我国各地区都对旧水泥混凝土路面 开始进行大量的修复整治，其主要措施是加铺沥青面层。然而旧水泥混凝土路面接缝以 及裂缝处沥青加铺层易产生反射裂缝，导致加铺层使用寿命缩短。如何防治反射裂缝是 旧水泥混凝土路面加铺沥青面层需要解决的主要问题。 因此，在半刚性基层或刚性基层沥青路面以及旧水泥混凝土路面沥青加铺结构中都 存在反射裂缝问题，如何防止或延缓反射裂缝的产生是目前公路界面临的一项核心课 题。为此，本文经过研究开发了应力吸收层加铺技术，它是为防止或延缓反射裂缝产生、 发展而设计的路面功能层。该功能层不仅解决了旧路面与沥青加铺层之间的过渡粘结问 题，消散裂缝或接缝处在荷载作用下的应力集中，也缓解了来自车辆荷载的应力；可解 决新建路面半刚性基层或刚性基层因后期产生温缩、干缩裂缝而引发的路面早期反射裂 缝问题。应力吸收层材料密实，其特殊的材料性能可以有效防止雨水下渗，避免路基湿 第一章绪论 软，使其具有良好的抗变形能力和弹性恢复作用，以及优良的抗疲劳性能，可有效防止 反射裂缝的产生，延长路面结构使用寿命。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 2 0 世纪6 0 年代国外开展了防治沥青加铺层中反射裂缝的研究。美国联邦公路局 ( f h w a ) 为防止及减少沥青加铺层反射裂缝，进行了大量的试验路研究及理论分析【l 捌， 于1 9 7 0 年提出了一个减少沥青加铺层反射裂缝的庞大研究计划n e e p 1 0 ，该研究计划 内容包括：加铺层厚度、沥青的稠度、沥青混合料中的外掺剂、加铺前对原来路面的处 理以及设置应力消解层等。此外，美国率先在该领域进行全方位的研究，包括沥青加铺 层结构设计理论、旧路处治技术、施工机械、设置防裂夹层、d i l f ：i t i 层材料等方面。1 9 8 8 年美国沥青协会对减少反射裂缝行之有效的三种方法进行了总结，即在d l ：i f i t 前对水泥混 凝土路面板破碎及稳固、对沥青混凝_ - i z d h f i t i 层锯缝和填缝及沥青混合料外掺橡胶粉【1 2 】。 比利时对采用土工布防治加铺层反射裂缝进行了应用研究，南非开发了旧水泥混凝土路 面破裂稳固的冲击压实机。归纳起来，国外采用的防治反射裂缝措施主要有以下几种： 1 采用土工合成材料夹层 自从2 0 世纪7 0 年代初开始，土工布、玻纤格栅等土工合成材料就在国外道路和机 场的加铺改造工程中被用于防止反射裂缝【3 ，4 1 。比如比利时在1 9 8 5 1 9 8 9 年期间开始在 e r q u e l i n n e s ，t o u r p e s 和w e p i o n 等1 3 个地区大面积应用土工布来防止加铺层反射裂务垒【3 1 。 8 0 - - 一9 0 年代，美国的德克萨斯州、宾夕法尼亚州和密西西比州也分别铺筑了土工布和 土工格栅的多条试验路，并对加铺层反射裂缝发展情况进行了长期观测【5 。7 j 。 2 设置开级配沥青碎石裂缝缓解层 2 0 世纪6 0 、7 0 年代，美国田纳西、阿肯色等几个州开始使用开级配沥青碎石混合 料用于防止反射裂缝。美国沥青协会建议采用最大粒径分别为7 5 m m ，6 3 m m 及5 0 m m 的大粒径开级配沥青碎石作为裂缝缓解层【1 2 1 ，利用混合料含有2 5 至3 5 的多空隙结 构可有效地阻断裂缝尖端的扩展路径，消弱混凝土板相对位移的传递能力，并且能消散、 吸收由交通荷载及温度荷载所产生的荷载应力和温度应力。 3 设置级配碎石缓解层 美国、澳大利亚、南非等一些国家把级配碎石作为半刚性基层沥青路面的防裂层加 以应用，并取得了良好的效果【引。国外近年来主要对级配碎石的力学特性进行了大量研 2 长安大学硕士学位论文 究，对试验条件、设备、试件成型方法、尺寸、材料类型、级配等都提出了较明确的要 求，但也有尚未解决的问题，如级配碎石的施工方法与控制、压实度的检验方法等。当 级配碎石层作为央层时的结构设计方法并不多，目前只有澳大利亚的设计体系中提出有 关优质级配碎石基层半刚性沥青路面的设计方法。 4 采用冲压技术对旧水泥混凝土路面进行破裂稳固 在旧水泥混凝土路面加铺过程中，采用冲压技术对旧水泥混凝土路面进行破裂稳 固，它虽然是针对旧水泥路面的处置措施，但间接的具有减少反射裂缝的功能。当旧水 泥混凝土路面断板率较高、损坏面积较大，对损坏板进行换板或压浆修复后再采用其它 措施己不经济时，可采用冲压技术对旧水泥混凝土板进行破裂和稳固处理后加铺沥青面 层的方法进行改建，该方法具有施工速度快、施工工序少、造价低、对环境污染小等优 点。对旧水泥混凝土路面进行破裂稳固在国外是一种较为成熟的技术【9 l0 1 ，1 9 5 7 年德克 萨斯州开始用重力锤和重力冲击锤破裂水泥路面，再用5 0 t 压路机稳固水泥块，上面铺 筑1 2 e m 沥青加铺层，使用效果令人满意。1 9 7 7 年宾夕法尼亚州对1 0 k m 的水泥混凝土 路面用截断式破裂机破裂，用4 0 t 及5 0 t 轮胎压路机稳固，再铺筑1 8 c m 开级配热拌沥 青碎石基层和8 c m 沥青面层，直到1 9 8 1 年仍未出现反射裂缝。 5 采用冲击压实机对旧水泥混凝土路面破裂稳固 同上面第4 条措施一样，采用冲击压实机对旧水泥混凝土路面破裂稳固也是对旧水 泥路面的处置措施，只是开发应用新的冲击压实机对旧水泥混凝土路面破裂稳固。非圆 形冲击压实机械的设想最早由南非于2 0 世纪5 0 年代提出【l l 】，经过4 0 多年的不断研制 开发逐步完善为一种技术成熟的大功率连续冲击式压实机，初期主要应用于路基、大坝、 机场的碾压，后来开始用于旧水泥混凝土路面的破裂稳固。美国田纳西州于2 0 世纪9 0 年代后期首先应用冲击压实机完成混凝土路面的破裂稳固，它把传统的锤式或截断式破 裂机和轮胎式压路机两道工序合二为一，其效率比传统工艺快4 倍左右。 6 美国科氏s t r a t a 应力吸收层 美国科氏公司路面防裂解决方案是建立在不断创新的聚合物改性沥青、乳化沥青及 其施工技术和可靠的混合料设计及路面性能试验方法的基础上，针对路面新建、改建和 维修养护问题和客户的具体需要提出经济有效和使用周期成本更低的解决方案。美国科 氏沥青材料公司研制开发了s t r a t a 应力吸收层，并对其组成材料进行了大量研究，主要 有两个方面：一是研发适应不同路况的改性沥青；另一方面是建立应力吸收层路用性能 评价体系，研发新的施工设备和测试技术，比如在应力吸收层设计阶段用h v e e m 法评 3 第一章绪论 定稳定度，旋转压实方法评定施工质量。与其他措施相比科氏反射裂缝应力吸收系统的 抗裂性能更为持久。 1 2 2 国内研究概况 国内长安大学、同济大学、东南大学等高校及一些科研单位从2 0 世纪8 0 年代开始 也相继开展了这方面的研究，并结合实体工程铺筑了大量的加铺层试验路【1 2 。14 1 。迄今为 止采用的方法主要有： ( 1 ) 增加沥青面层厚度。研究表明：增加加铺层厚度可以降低弯沉量，每1 c m 厚 密级配沥青罩面层约降低2 弯沉，一般沥青加铺层的厚度为1 0 - - - 1 5 c m ，较薄的加铺层 对防止反射裂缝无明显效果，但较厚的加铺层造成投资巨大，为降低弯沉而采用较厚的 加铺层显然不经济； ( 2 ) 设置开级配沥青碎石裂缝缓解层”】。对旧水泥混凝土路面加铺工程，先破碎 所有旧混凝土路面，在其上面加铺开级配沥青碎石作为基层，再铺沥青调平层或稀浆封 层；对新建的半刚性基层或贫混凝土基层，可直接在其上面加铺开级配沥青碎石，然后 再加铺沥青混凝土面层。但由于开级配沥青碎石混合料含有大量的空隙，需妥善处理表 面渗入水的排除； ( 3 ) 在沥青加铺层与旧水泥混凝土路面板或新建的半刚性基层、刚性基层间设置 土工布、土工格栅、改性沥青油毛毡、钢丝网等复合材料隔层【1 6 】，对于消散沥青混凝土 加铺层中的温度应力起到一定的作用。但对于相邻板间出现较大剪切应力时，这些材料 也很难起到延缓反射裂缝产生的效果，特别是旧水泥混凝土路面错台较严重，铺设此类 土工材料，会由于材料受力不均造成沥青路面出现反射裂缝。此外，这种材料也不适合 在交通繁忙的路段施工，车辆的通行会造成其破坏，土工合成材料摊铺不平整，会造成 沥青混合料压实度不足，随着时间的推移，防裂效果明显下降，甚至起不到防裂效果； ( 4 ) 为解决半刚性基层沥青路面反射裂缝问题，国内也铺筑了一些级配碎石裂缝 缓解层的试验路【1 7 。9 1 。通过试验路的系统观测和分析，初步证实1 0 - - - 2 0 c m 级配碎石的 加入对于防止、减少和延迟反射裂缝及其发生有较好效果。但这些研究几乎全部停留在 试验路观测上，并未作深入的研究与探讨。级配碎石的设计原则并不清楚，对级配碎石 这类松散集料的施工方法与质量控制均未提出要求。 ( 5 ) 锯切横缝。即在沥青加铺层上，对应的旧水泥混凝土面板或新建的半刚性基 层、贫混凝土基层的横缝位置锯切横缝并灌入接缝材料，可以为释放加铺层内因温度收 4 长虫大学顾十学位论立 缩受阻而产生的拉应力提供预定的不连续断由位置，从而控制随意裂缝的出现，但必须 做好接缝的养护工作，适用丁旧路结构状况良好，接缝处板边弯沉量较小的混凝土路面。 长安大学陈拴发教授自主研发了应力吸收层用沥青，并与湖北省交通厅汉宜高速 公路改造项目工程指挥部一起，进行了应力吸收层关键技术研究，铺筑了试验路，防裂 效果明显，而也可延k 道路使用寿命从而节约资金投入。该防裂技术己在湖北武黄、 汉宜高速、山东济聊高速、州南商菏高速等多个项目中使用，防反射裂缝应力吸收系统 与普通沥青混台料加铺两年后的对比情况，前者对反射裂缝的控制能力远远超过后者， 如图1 1 所示。圈1 1 是裂缝处钻芯取样实物图。 t i 图1 1 裂缱处钻芯取样实物图 长安大学陈拴发教授不仅开发了应力吸收层特种改性沥青，对应力吸收层特种改性 沥青路用性能、其施工工艺以及关键技术也进行了一定的研究，总结出了一套针对应力 吸收层新材料的施工工艺，并目还用三维有限元方法对应力吸收层沥青加铺结构进行路 而力学分析，揭示反射裂缝产生实质1 2 0 - 2 2 i ，从而在理论上丰富了应力i 吸收层技术。 13 应力吸收层混合料的研究意义 应力吸收层混合料是一种砂粒式沥青混凝土，采用特种改性沥青，具有高弹性、不 透水性的特点，既可解决反射裂缝问题，又可防止雨水对路面基层的损害。与其他防反 射裂缝技术相比具有施工方便、施工蒯期短、开放交通早、性价比高、可叫收利用等 特点，且具有明显性价比优势。而且该加铺技术从材料性能、防裂机理、道路结构力学 方面进行了深入、系统的研究，与传统的针对某一具体路况而提出加铺方案相比，具有 一定的普适性。其他菩防裂技术仪仪是阻隔反射裂缝，强行阻止反射裂缝的延伸，在使 用初期可能起判一定的防裂效果，因隔层材料的材质与沥青混凝土的相异性，在使用的 后期可能加剧沥青面层的破损。而应力吸收层技术是在深入分析反射裂缝成因的基础 上，提出的防裂措施，从粘弹一流变的角度消除裂缝处的应力集中，吸收了来自交通荷 第一章绪论 载的应力，缓解了层间的张拉或剪切作用，因此，其防裂效果显著。 与其他各种防裂技术对比具有如下优点： ( 1 ) 与锯切横缝法相比，应力吸收层技术通过应力吸收层的高抗拉变形能力抵御 了基层开裂对面层的反射蔓延，无须对旧水泥混凝土板或半刚性基层、贫混凝土基层进 行“预裂”处理，同时避免了面层预裂缝的存在对路面破损带来的风险； ( 2 ) 与加厚沥青面层法相比，应力吸收层技术通过更小的面层厚度，同样阻止了 反射裂缝的扩展，从综合经济效益来看，应力吸收层技术的经济代价更小些，也是一种 符合我国国情的技术措施； ( 3 ) 与土工织物法相比，土工织物法是通过土工织物对沥青混凝土起到加筋和阻 隔裂缝作用，而应力吸收层技术通过应力吸收层对基层开裂的破坏应力起到“吸收作 用。土工织物的应用效果还不太理想，而且一旦该层需要翻修，土工织物不好处理和回 收利用，甚至造成环境污染问题，相比之下，应力吸收层可以和面层沥青混凝土一起实 现再生利用； ( 4 ) 与裂缝隔离层法相比，沥青碎石或级配碎石等过渡层以其较大的空隙率，使 得接缝或反射裂缝不至于向上反射，而应力吸收层技术通过应力吸收层的高变形能力抵 御了基层丌裂对面层的反射蔓延，同时应力吸收层的孔隙率较小，不至于引发水损坏； ( 5 ) 与水泥面板破碎法比较，水泥面板破碎法是通过减小板的尺寸，从而显著降 低裂缝的应力集中和反射，但是该法的施工难度大，板的破碎作业还容易造成破碎尺寸 不均匀和造成环境污染等问题，也没充分利用旧板的剩余寿命，而应力吸收层法如普通 沥青面层施工一样简单易行。 针对我国常用的刚性基层、半刚性基层沥青路面结构中的突出问题，应力吸收层加 铺方案不仅可解决现有问题，还能提高路面结构的使用寿命，降低路面在寿命周期内的 维修养护费用，从而降低路面结构的全寿命周期成本。全寿命成本是指工程全寿命周期 的成本总和，包括工程建设成本、营运管理成本、养护维修成本。树立全寿命周期成本 的理念，就是把公路放到环境和社会两大系统中，从项目生命周期的全过程去看待成本， 不但考虑项目初期的成本，还要考虑后期维修和养护成本。与此同时，该技术减少路面 维修养护次数和施工对交通的干扰，降低对社会、环境的影响，提高公路的综合服务能 力，避免公路建设的短期效应，达到了最佳的社会经济效益。 应力吸收层加铺技术的开发利用可以进一步推进耐久性路面结构应用技术的发展， 使材料性能达到或超过国际同类产品，从而推动公路建设事业的发展，促进贫混凝土等 6 长安大学硕十学位论文 刚性基层在公路路面结构中的应用，拓宽半刚性基层在新建公路中的大面积应用，降低 公路建设成本，实现公路建设的可持续发展。 1 4 本文主要研究内容 1 4 1 主要研究内容 为进一步推进应力吸收层系统的应用，有必要对其进行更深入的研究，在课题组已 有研究成果的基础上，本文重点对应力吸收层沥青混合料原材料的生产与质量控制、配 合比设计、路用性能进行研究。 ( 1 ) 在实验室自主研发的基础上，研究特种改性沥青的生产工艺、工艺流程、改 性设备以及质量控制； ( 2 ) 研究应力吸收层沥青混合料设计指标和设计方法，重点对其级配设计控制范 围、沥青用量的估算方法以及综合确定方法进行研究； ( 3 ) 针对应力吸收层沥青混合料的材料特点，提出新的沥青膜厚度计算方法，该 方法能够根据不同产地集料的密度以及矿质混合料级配的不同进行相应调整； ( 4 ) 研究应力吸收层混合料的路用性能，主要包括高温稳定性、低温抗裂性、水 稳定性以及抗疲劳性能等。 1 4 2 技术路线图 本文研究技术路线如图1 2 所示。 特种改性沥青的混合制备及上艺流程特种改性沥青技术要求特种改性沥青质量控制 r 应力吸收层矿质混合料级配组成设计应力吸收层集料级配范围s c 最佳沥青用量的确定 1 r 应力吸收层混合料配合比设计 上 最佳沥青用量时沥青膜厚度验证 上 低温弯曲性水稳定性高温稳定性抗疲劳性 图1 2 本文研究技术路线 7 第二章应力吸收层组成材料的生产与质量控制 第二章应力吸收层组成材料的生产与质量控制 2 1 应力吸收层沥青结合料的生产与质量控制 改革开放后随着我国经济的快速发展，道路交通领域也发生了巨大变化，公路交通 量迅速增加，交通渠化，重载超载现象时有发生，致使传统的沥青路面难负重担。提高 沥青材料路用性能已成为首当其冲的任务，在此背景下各种改性沥青应运而生。在沥青 中掺加不同种类和数量的改性剂，能够不同程度地改善沥青的路用性能。因此，可以根 据不同的使用要求，不同的荷载条件和环境条件选用相应的改性剂，对不能满足使用者 要求的沥青进行针对性的改性。如今改性沥青除了在特殊的应用场合如桥面铺装、旧水 泥混凝土路面罩面、交叉口路段上继续得到应用外，一些新型的路面结构如s m a 路面、 多孔隙排水沥青路面也都采用了改性沥青，当前在一些重要道路上人们越来越趋向使用 聚合物改性沥青。其与众不同的性质也改变了人们对沥青的观念，引发了对旧评价方法 和评价指标的重新定位。新的评价方法、评价指标层出不穷，国内外道路研究者普遍认 为常规指标已不能评价聚合物改性沥青，要用新观念、新方法取而代之。 2 1 1 改性沥青的发展概况 对沥青进行改性，一般主要采用添加高聚物、表面活性剂、抗老化剂等外加剂的方 式。早在1 8 7 3 年，英国的s a m u e lw h i t i n g 就申请了橡胶改性沥青专利【2 3 1 。1 9 0 2 年法国 修筑了掺有橡胶的沥青路面【2 4 1 。到目前为止改性沥青已有上百种之多，形成知名品牌的 有n o v o p h a l t 、壳牌( s h e l l ) 、埃索( e s s o ) 、科氏( k o c h ) 、加德士等，他们先后推 出了成熟的改性沥青加工技术和改性沥青产品。n o v o p h a l t 的现拌法改性沥青生产技术 在中国得到广泛应用，而壳牌、泰普克及科氏公司则以其先进的技术在存贮式改性沥青 市场上展开着激烈的竞争。 目前国内对改性沥青的研究与认识已较深入，但多侧重于改性机理的研究。如赵可 通过组分分析、溶解度参数测定、d s c 分析等探讨聚合物改性沥青机理1 2 5 j ；黄卫东、 孙立军等探讨了s b s 改性沥青的混合原理，并分析了s b s 改性沥青产生相分离的作用 本质；张玉贞、钱家麟讨论了沥青的不同组分与s b s 、p e 的相互作用，通过红外光谱 分析和分子量的分布认为改性沥青的作用由改性剂的溶胀和相转变引起【2 6 】；张隐西等通 过化学反应改性得到热力学相容的均相聚合物改性沥青，认为s b s 改性沥青主要是s b s 的交联作用提高了沥青的高温性能，通过聚合物烯键交联、功能基团交联、酸化反应等 8 长安大学硕上学位论文 化学反应得到的聚合物改性沥青不但综合性能好，而且聚合物用量少；张争奇等从集聚 态改变、银纹扩展理论解释沥青改性机理【2 7 】。然而对改性沥青的生产技术方面研究甚少， 目前国内还没有一家单位能够生产出存贮式改性沥青。改性沥青的生产主要采用现拌和 预拌两种方法，现拌法是在混合料拌和现场加工改性沥青，以奥地利n o v o p h a l t 改性沥 青技术为典型代表，它将加热保温、混合搅拌和成品贮藏罐等系统集成在一起。预拌法 是在工厂内预先加工成可存储式改性沥青，使改性沥青可以像普通沥青一样存储、运输、 加热和使用。由于存贮式改性沥青必须要解决存贮稳定性问题，技术要求比现拌法高。 国外目前只有壳牌、泰普克、科氏公司及埃索等少数生产商可以生产。目前国内有众多 单位在研制存贮式改性沥青，但由于种种原因，迄今还没有一家能生产出真正意义上的 存贮式改性沥青。 2 1 2 应力吸收层特种改性沥青的技术要求 应力吸收层位于沥青混凝土面层与基层之间，可改善沥青面层与基层之间的层间结 合状况，消解基层接缝和裂缝缺陷处的应力集中现象，有效防止反射裂缝。同时，其良 好的弹性和抗疲劳性能可使水平位移值较宽的范围内分散，降低了加铺层内裂缝尖端的 应力强度因子幅值，使裂缝不会很快失稳扩展，延缓裂缝反射速度。其最大特点是聚合 物改性沥青在受力后产生的粘结流动是以大分子链或胶团为单位的整体移动，在一定的 变形范围内，这种固有的流变特性使得应力吸收层在外力冲压、推挤作用下，能发生塑 性变形，从而有效的缓冲了中、上面层与旧水泥混凝土路面或新建刚性、半刚性基层间 形成的剪切变形。 应力吸收层沥青结合料采用的自主开发的特种改性沥青，由多种高分子聚合物、道 路石油沥青及其他改性材料制作而成。经过大量的室内试验及工程实践检验，提出了应 力吸收层结合料的技术要求如表2 1 所示【2 8 】，同时应根据当地的环境气候资料、交通量 的大小和交通速度等确定其p g 等级【2 9 1 ，分级技术要求如表2 2 所示。 表2 1应力吸收层沥青结合料技术要求 项目 试验方法 指标要求 针入度( 2 5o c _ ，1 0 0 9 ，5 s ，0 1 m m ) t0 6 0 4 7 0 软化点( ) t 0 6 0 6 7 5 延度( 5 c m m i n ，5 。c ，c i t i ) t 0 6 0 5 5 0 溶解度( ) t 0 6 0 7 9 9 9 第二章应力吸收层组成材料的生产与质量控制 表2 1 应力吸收层沥青结合料技术要求 项目试验方法指标要求 粘度( 1 3 5 c ) t 0 6 2 5 或t 0 6 1 9 2 2 3 2 密度( g c m ) t0 6 0 3 实测 闪 点( ) t 0 6 1 1 2 4 5 弹性恢复( r t f o ，2 5 ，)t 0 6 6 2 8 0 离析( 4 8 h ，) t 0 6 6 l 6 5 表2 2 应力吸收层沥青结合料性能分级要求 样品项目单位试验温度( )指标要求 粘度 p a s1 3 52 2 3 2 初始结合料 动态剪切试验，q 名n 万 k p a7 0术1 0 闪点 |七2 4 5 r t f o 残渣 动态剪切试验，6 1 名n 万 i ( p a7 0 术2 2 质量损失 1 6 3士1 0 动态剪切试验，g s i n 万 k p a2 5牛3 0 0 p a v 残渣 sm p a 3 0 0 b b r m| 1 8 术0 3 d t ( 3 0 0 s 6 0 0 ) 术1 o 2 1 3 特种改性沥青生产工艺 1 特种改性沥青的混合制备 从表2 1 和表2 2 中可以看出，应力吸收层所用特种改性沥青的性能要求较高，在 保证良好的高温性能时要具有良好的低温延展性以及弹性回复性能。这也是其具有特殊 的路用功能一抗反射裂缝、密实隔水作用的原因之一。因此对特种改性沥青的混合制备 过程进行研究。沥青与聚合物在高温下一起搅拌，将发生两种过程。一是破碎过程，聚 合物被掺和到沥青中并被破碎成微粒，这些不规则的微粒在搅拌过程中尺寸连续减小。 1 0 长安人学硕士学位论文 改性剂粒子愈细小，在沥青中分布愈均匀，则愈有利于沥青中能起溶剂作用的组分向改 性剂高分子网络中渗透也就愈有利于改性剂粒子的溶胀。与此同时聚合物与沥青间将 通过这些微粒边界进行扩散，边界处的组成先发生变化，然后逐渐扩展至微粒内部，最 终达到稳定混合，这是扩散过程【3 0 】。破碎和扩散是整个均匀混合进程中两种不同性质的 过程，前者将聚合物体破碎成微粒，以增大两种物质间的接触面积，加速扩散过程，若 非聚合物先被打成小微粒形成大量接触面，扩散过程进行得很慢；后者消除了混合物相 邻区域之间浓度上的差异，使之趋于均匀。若聚合物微粒在沥青相中没有扩散，从微观 来看，聚合物和沥青仍然没有混合，只是两种物质的微粒各自聚集在一起而已。这是宏 观混合阶段。此后沥青中的软沥青质开始逐渐向聚合物微粒扩散，聚合物相被逐渐溶胀。 边缘模糊起来，随扩散过程的进行，直到两种物质达到稳定的混合，这一阶段被称为稳 定混合阶段。若没有扩散过程，即使长时间连续不断地搅拌也不能获得稳定的混合物。 2 实验室改性机械设备 实验室内常用的改性仪器有三种，即高速剪切乳化机、低速剪切搅拌和高速分散头。 在高速剪切过程中，改性剂的“破碎 过程在很短时间内就可以完成，随后进行的主要 是扩散过程。通过显微结构图观察发现高速剪切过程中有三点重大变化，首先扩散过程 导致了聚合物相增大，这说明聚合物改性剂在沥青中发生了溶胀，一部分软沥青质进入 到了聚合物相中，造成了聚合物相的增大，沥青相的减少；同时观察发现在同样大的视 场中聚合物相的粒子数大量减少，这证明发生了聚集过程，并且是在破碎后的很短时间 内就已基本完成；聚合物微粒的粒径增大了十多倍，这也说明高剪过程不仅发生了溶胀， 也有聚集过程 3 1 , 3 2 】。但高速剪切的剪切范围只集中在一个相对较小的球形范围内，即只 有位于球形剪切范围内的小部分沥青才能受到反复剪切，此范围外的沥青则难以被剪 切。因此在大规模生产时常常会产生剪切不均匀的现象。 与高速剪切相比，低速剪切搅拌有时显得效率较低。采用完全相同沥青、s b s 及混 合温度，高速剪切仅需要1 5 m i n ，就可以使改性沥青离析试验后的上下软化点差控制在 2 以内，而低速剪切搅拌则需要3 h 才能使沥青中的s b s 块消失，即使将温度升高2 0 进行混合，仍需要1 5 h 。在低速剪切搅拌过程中，破碎和扩散过程往往是同时完成的。 低速剪切搅拌的转速是一个很重要的参数，转速过低，可能会导致产生的剪切场不足而 难以使聚合物改性剂粒子小于一定的粒径，聚合物粒子小于一定的粒径是生产稳定改性 沥青的必要条件；当转速较高时，沥青又会发生剧烈的湍流，从容器中飞出。 高速分散头与高速剪切乳化机相似，唯一不同的是其剪切头的下部是完全开放的， 第= 章应力收目组成村抖的生产与质量控制 这样流体在被高速搅拌后可以很顺利地被甩出去。而且高速分敞的搅拌范围比高速剪切 要增大许多，同时又比低速剪切搅拌的剪切效率要高。但是谈设各价格昂贵，功率高。 其破碎粒径比高速剪切的粒径太。另外当温度较低或改性沥青粘度较大时，分散头将难 以形成有效的循环流形。 3 应力吸收层特种改性沥青改性设备原理 综合考虑经济性和实用性，本文在试验室内采用了高速剪切设备，见图2l 所示。 高速剪切机的原理是在转子的高速旋转下，沥青在转子外端区域产生极高的线速度，以 及高频机械效应带来的强劲动能，使得) j n a 改性剂颗粒的沥青在定转子间受到强烈的液 力剪切、液层摩擦、离心挤压、撞击撕裂等综合作用，从而使改性剂颗粒快速完成破碎、 分散、溶解过程。与此同时在惯性作用下，沥青仍可保持高速从定子齿槽中喷射出来。 与转子不断吸入的作用力结合，形成涡流。由于高速剪切范围比较小，因此在实验室内 加工时需要人工不断地用玻璃棒搅拌，或适时移动容器使得不同区域沥青都能受到剪切 作用，混合均匀。由于改性沥青加工温度的升高( 过高的温度将加速沥青老化) 会加速 高聚物改性剂分子的振动和松弛，也加快了沥青中分子的运动速度，更有利于油分进入 高聚物分子网络中，为此将加工温度控制在1 7 0 1 8 0 c 。高聚物的溶胀需要较长时间， 所以延长高温持续的时间也将使改性剂粒子溶胀更加充分，经室内试验研究决定特种改 性沥青加工搅拌的时削，叩反应时间，一般为4 5 6 0 m i n 。 图2 1 实验室茼剪切分散乳化机 4 生产工艺流程 特种改性沥青实验室加工步骤为：摹质沥青的检测_ 基质沥青、改性剂的计量_ 基 l 叠| l i l | 。 长安人学硕十学位论文 质沥青的熔融_ 按一定顺序添加改性剂一高速剪切、加热搅拌_ 改性沥青成品_ 特种改 性沥青的检测。其中，加热搅拌、高速剪切是关键加工工艺，它是改性剂颗粒完成破碎、 分散、溶解的过程，是特种改性沥青加工的重要步骤。特种改性沥青大批量生产的步骤 与此相同，只是将加热搅拌与高速剪切等在不同的罐内完成，多出了熟化罐、成品罐等 设备。 改性沥青生产工艺流程如图2 2 所示。 凹巨他 图2 2 改性沥青生产工艺流程图 在加工改性沥青时，一般应经历以下基本流程： ( 1 ) 按现行规范对基质沥青进行检测，确认基质沥青品质符合项目要求的标准； ( 2 ) 将符合质量标准要求的基质沥青，通过流量计准确计量( 计量精度士o 1 5 ) ， 按工艺要求的数量送入混融罐，并启动搅拌器； ( 3 ) 按预先设计的数量准确计量改性剂的用量，并加入基质沥青中进行混融； ( 4 ) 根据设计好的升温程序对系统进行加热溶胀，至设定的温度，用显微镜观察 控制改性剂的溶胀效果，以符合设计的工艺要求； ( 5 ) 按工艺需要添加稳定剂，并保证稳定剂充分反应； ( 6 ) 经过充分反应的物料( 改性沥青半成品) 通过高速剪切机充分剪切，以提高 改性沥青的活性。再通过显微镜观察来控制改性剂在沥青中的分散效果和细度，直到达 到设计的工艺效果； 1 3 第二章应力吸收层组成材料的生产与质量控制 ( 7 ) 经分散合格的改性沥青送入熟化罐中进行熟化，得到稳定的成品改性沥青； ( 8 ) 按工程项目的质量标准要求对成品改性沥青进行检测，确认产品合格后，出 库装车使用。 2 1 4 特种改性沥青质量控制 应力i 吸收层特种改性沥青宜在固定式工厂或在现场设厂集中制作，也可在拌和厂现 场边制造边使用，改性沥青的加工温度不宜超过1 8 0 。现场制作的改性沥青宜随配随 用，需作短时间保存，或运送到附近的工地时，使用前必须搅拌均匀，在不发生离析的 状态下使用。改性沥青制作设备必须设有随机采集样品的取样口，采集的试样宜立即在 现场灌模。工厂制作的成品改性沥青到达现场后存贮在改性沥青罐中，改性沥青罐中必 须加设搅拌设备并进行搅拌，使用前改性沥青必须搅拌均匀。在施工过程中应定期取样 检验产品质量，发现离析等质量不符合要求时不得使用。 质量保证措施：派专人控制改性剂的添加量和改性沥青生产温度等，做到罐罐有记 录。根据情况不定期提出抽检要求，抽检试验由技术支持方、业主方和生产方三方共同 进行。 在改性沥青加工过程中，应特别注意下面几点： ( 1 ) 当基质沥青的加热温度超过1 5 0 时，将会加剧沥青的老化，因此要求沥青 加入改性剂时的温度不超过1 4 0 ； ( 2 ) 聚合物改性剂是高分子物质，比重一般小于1 0 ，分子量大于1 0 0 0 0 0 ；而基 质沥青比重一般大于1 0 ( 或接近1 o ) ，分子量在1 0 0 0 左右。改性剂与沥青在高温与低 温下的密度、粘度及分子量不同，尤其在高温时相差最大，因此用纯粹物理方法制备的 聚合物改性沥青在高温时不易储存稳定。而且沥青是一种非常复杂的混合物，含有部分 的极性化合物，而聚合物属于非极性化合物，所以宜通过添加化学稳定剂，以改变聚合 物与基质沥青的结构与极性，防止离析，以达到贮存稳定的目的； ( 3 ) 尽管添加化学稳定剂，但为了防止成品改性沥青的分层离析，对于需要长时 间存贮的改性沥青宜采用存贮罐存贮，该存贮罐可以是卧式的，也可以是立式的，但应 采用搅拌设备，以防止沥青的离析； ( 4 ) 拌和站改性沥青仓储温度应控制在1