（材料学专业论文）抗车辙剂改性沥青混合料技术性能研究.pdf

摘要 沥青路面车辙是高速公路最主要的破坏现象，本文在深入调查国内外解决此类问题 方法的基础上，选用抗车辙剂作为外加剂，研究抗车辙剂改性沥青混合料的路用性能与 改性机理。 本文从抗车辙剂对沥青混合料路用性能的影响与改善出发，通过试验研究证明抗车 辙剂是一种能够全面改善沥青混合料路用性能的优良外加剂，其特点是在显著提高沥青 混合料高温稳定性的同时，对其他路用性能如水稳定性、低温性能和耐久性等也表现出 良好的改善效果。同时从抗车辙剂对s m a 路用性能的影响与改善入手，通过试验研究证 明抗车辙剂能够有效的提高s m a 沥青混合料的路用性能，对于促进抗车辙剂改性s m a 沥 青混合料的研究、发展和应用起到了积极作用。 通过试验，研究分析了抗车辙剂的作用机理，提出了抗车辙剂分别对沥青混合料中 沥青和矿料双重改善的概念，并通过计算确定两种抗车辙剂各自的双重改善比例；采用 数学拟合的方法，计算得到抗车辙剂理论最佳用量区间；并提出采用7 0 ( 2 的高温车辙试 验，作为抗车辙剂材料应用时的技术指标要求。 关键词：沥青混合料；抗车辙剂；路用性能；双重改善 a b s t r a c t t h er u t t i n go fa s p h a l tp a v e m e n th a sb e c o m et h et h em a j o rd e s t r o yp h e n o m e n o n ，o nt h e b a s eo ft h es o l v i n gm e t h o d si n s i d ea n do u t s i d eo f t h i sp r o b l e m ，a st h ea n t i - r u t t i n ga d d i t i v e b e i n gm o d i f i e r ，b ym e a n so fa n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep a v e m e n ta n dm e c h a n i s mo f t h ea n t i r u t t i n ga d d i t i v em o d i f i e da s p h a l tm i x t u r e f r o mt h ev i e w p o i n to np e r f o r m a n c eo f r o a da s p h a l t ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e a n t i r u t t i n ga d d i t i v ec a l lo b v i o u s l yi m p r o v e dt h eh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t yo ft h ea s p h a l t m i x t u r e ，m e a n w h i l e ，i tc a ne n h a n c eo t h e rp e r f o r m a n c e so f t h ea s p h a l tm i x t u r e ，s u c ha sw a t e r s t a b i l i t y ，l o wt e m p e r a t u r ea b i l i t ya n dd u r a b i l i t ye t c i nt h i sp a p e r , b yt h er e s e a r c ho ft h ee f f e c t a n de n h a n c i n gt h ea n t i - r u t t i n ga d d i t i v et oo r d i n a r ya s p h a l ts m a , t e s t sr e s u l t sp r o v e d s t h a tt h e a n t i r u t t i n ga d d i t i v ei sag o o da d d i t i v ew h i c hc a ni m p r o v et h es m ap e r f o r m a n c ee f f e c t i v e l y t h es t u d yr e s u l t so ft h ep a p e rl a yaf o u n d a t i o nf o rr e s e a r c h ，d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f t h ea n t i - r u t t i n ga d d i t i v em o d i f i e da s p h a l tm i x t u r e a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a l t sr e s u l t s ，t h i sp a p e rs t u d y sa n dd i s c u s s e d t h ea n t i - r u t t i n g a d d i t i v ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s m ，a n db r i n gf o r w a r dt h ea n t i r u t t i n ga d d i t i v e sd o u b l e i m p r o v e m e n t i n ge f f e c t i o nt oa s p h a l ta n da g g r e g a t e ，a n dg i v et w ok i n d so f t h ea n t i - r u t t i n g a d d i t i v e sd o u b l ei m p r o v e m e n tp r o p o r t yb yc a l c u l a t i n g a c c o r d i n g t o t h e w a yo f m a t h e m a t i c a lf i t t i n g ，t h e o r e t i c a lo p t i m u md o s a g ei n t e r v a la b o u tt h ea n t i - r u t t i n ga d d i t i v ei s g i v e nb yc a l c u l a t i n gm e t h o d a n dm a k e 7 0 。c s h i g ht e m p e r a t u r er u t t i n gt e s t ，f o r t h e a n t i r u t t i n ga d d i t i v et e c h n i c a li n d i c a t o r sf o rt h ea p p l i c a t i o n o ft h er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ；a n t i r u t t i n ga d d i t i v e ；p e r f o r m a n c e ；d o u b l e - i m p r o v e m e n t 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己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 离沥卜砷年歹月j 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) m 夕年占月日 m 罗年多月j 日 长安大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 近年来，随着改革开放的不断深入，我国高等级公路建设以前所未有的速度发展， 取得了令人瞩目的成就。“十五”期间我国共建成高速公路2 4 7 万公里，是“八五” 和“九五 建成高速公路总和的1 5 倍。n 2 0 0 5 年底，高速公路总里程达到4 1 万公 里，继续稳居世界第二，仅次于美国。2 0 0 6 年末，中国高速公路里程达4 5 万公里， 2 0 0 7 年底达5 3 6 万公里，创造了世界高速公路发展的奇迹。目前，由于沥青路面以 其良好的连续性，行驶平稳舒适，抗震性好，维修方便等优点，在我国高等级公路中等 到了广泛的应用。 但随着经济的发展，现代公路交通量的日渐增长，轴载增加、车辆大型化、超载严 重以及车辆渠道化等问题日益突出，使得很多沥青路面在投入运营后不久均出现一定的 损坏，如开裂、泛油、剥落、车辙等。经多条道路调查，在沥青路面众多病害中，车辙 一直是沥青路面损害的主要问题之一。沥青路面在使用初期通常不应出现明显车辙，但 由于沥青材料或结构设计等原因，近年来路面车辙产生地极为频繁，车辙的出现严重影 响路面的使用和服务质量。因此深入探讨分析车辙产生的原因，并提出有效地防治措施 是当今沥青混合料路面应用研究的重要课题之一。 1 2 车辙病害原因分析和主要表现形式 车辙是沥青路面特有的一种损坏现象。在行车荷载重复作用下，路面永久性变形积 累形成的带状凹槽，多产生在车轮经常碾压的轮迹带上。车辙是在与时间有关的荷载因 素和气候因素共同作用下，轮迹带逐渐产生下洼形变并形成两条纵向车辙槽，且较严重 辙槽两边通常有膨起形变。如图1 1 。车辙深度( i ) 以轮迹带外侧凸起部分的峰顶到槽 的谷底距离表示。 年辙深鏖 图1 1 车辙深度示意图 第一章绪论 路面车辙直接影响路面的使用寿命和服务水平，车辙降低了路面平整度，当车辙达 到一定深度时，车辙槽内积水，极易发生汽车飘滑而导致交通事故。调查显示：车辙现 象在每条高速公路上都不同程度的存在，其主要发生在行车道，上坡路段和服务区附近； 雨天车辙内可见明显的积水，严重影响到行车安全和公路的运营质量和使用寿命，是已 营运高速公路继水损害后的又一普遍性的病害。而且因其对道路服务水平和行车安全的 影响程度，该病害有可能成为沥青路面亟待解决的首要问题。目前我国高速公路中沥青 路面比例约占7 0 8 0 ，可见进一步研究车辙的影响因素从而得出改善措施是很有必 要。 车辙的形成大致可分为三个阶段。图1 2 ，第一阶段是沥青路面进一步压密过程， 时间持续较短，但变形快速增长。第二阶段是沥青路面压密稳定时期，该时期变形呈直 线稳定增长。例如，公路开放交通后2 - - - 3 个夏季，沥青混合料面层的空隙率会从刚竣 工时的4 5 减少到3 左右。第三阶段是由于沥青路面高温强度不足或抗永久变形 能力不强，特别是在高温季节，又有表面水浸入面层内部的情况下，容易产生剪切变形， 使变形和应变速率迅速增大，直到破坏，也称为不稳定阶段。但如果沥青路面能有足够 的强度，也无自由水浸入沥青面层内部，则沥青路面在设计使用年限内不会产生剪切变 形而进入第三个阶段。在这种情况下，只要基层是坚固的，就不会产生严重的车辙【2 9 1 。 釜 争 ， 毒 i ； 统作用；寸闻 图1 2 沥青路面在反复轮载下车辙变形的过程 通过大量的国内外试验和实际观察，得出影响沥青混合料路面车辙深度的主要因素 有： ( 1 ) 沥青路面结构和沥青混合料本身的内在因素，内因主要包括沥青混合料的强 度和沥青面层厚度。 沥青混合料的强度取决于材料内摩擦力和粘结力，可以用m o h r - c o u l o m b ( 莫尔 一库伦) 方程说明沥青和矿料对沥青混合料的抗剪能力的影响 7 1 ： 2 长安大学硕士学位论文 f2 什仃t a n 9 式中：f 沥青混合料的抗剪切强度： 卜沥青或沥青填料的粘结力； 1 5 沥青混合料所受的正应力； 够内摩擦角。 内摩擦角和集料形状、表面纹理深度、天然含砂量、破碎颗粒含量、最大粒径、沥 青用量、沥青混合料的级配、密实度等有密切关系。粘结力和沥青的性质、用量、温度 敏感性、针入度和粘度、填料、沥青与碎石的粘结力等有密切关系。 对沥青路面的厚度而言，经过大量的研究实验表明：沥青面层厚度对于车辙深度 有明显影响，在2 5 c m 厚度内随着厚度增大而加深，超过2 5 c m 则基本不会再随厚度而 增大，一般高级路面采用1 5 c m 左右厚度的沥青面层已经足够，超厚时反而可能加大车 辙变形。 ( 2 ) 外因：主要由气候和交通条件决定。 气候条件：主要是路面温度以及气温和日照强度等。 交通条件：车辆荷载大小种类、交通量、道路渠化程度、车载作用时间和水平 力等。 目前，国内外将沥青路面的车辙普遍分为三种类型【2 】： 1 ) 失稳型车辙 又叫流动型车辙，是目前研究的主要对象。在高温条件下，车轮碾压的反复作用， 荷载产生的剪应力超过沥青混合料的抗剪强度，使流动变形不断累积形成。这种车辙在 荷载的中心位置产生下洼变形，材料从荷载下压挤向车车辙两侧，并向上膨起，对于主 要行驶双向车的断面，车辙断面成w 型。 2 ) 结构型车辙 由于荷载作用超过路面各层的强度，沥青面层以下包括路基在内的各结构层产生永 久变形。这种车辙的宽度较大，两侧没有隆起现象，横断面成浅盆状的u 字型( 凹型) 。 3 ) 磨损型车辙 沥青路面结构顶层的材料在车轮磨耗和自然环境因素作用下不断的磨损而形成的 车辙为磨损性车辙。在冬季，面层受到汽车带钉轮胎和带链轮胎的磨耗，易形成的磨损 型车辙。 3 第一章绪论 在这三种类型车辙中以失稳型车辙最为严重，其次为磨损型车辙。原因在于我国大 多数沥青路面采用以水泥或石灰粉煤灰稳定粒料做基层，和类似半刚性材料底基层，这 些材料的特点是强度和模量都相当高，因此结构型车辙形成的可能性较低。虽然我国北 方地区在冬季路面积雪时使用防滑链，有时会产生磨损型车辙，但影响程度有限，因此 主要还是由于沥青混合料抗剪强度不足而产生的失稳性车辙。 1 3 车辙病害国内外研究概况 国际上在1 9 7 6 年，由t r b 发起的关于沥青路面车辙讨论年会上，特别强调车辙深 度预测和用于定义沥青混合料特性的试验方法。1 9 8 7 年，e i s e n m a n n 报告指出，车辙的 初期阶段主要是沥青混合料的压密变形造成的，而在此之后，压密完成，车辙是由混合 料的流动产生的。1 9 9 9 年，s l l i e l d s 建立了沥青路面的非线性粘弹性低温应力松弛模型。 2 0 0 3 年，美国a a s h t o 和t r b 提出了几种新建和改建沥青路面的车辙预估模型，在路 面设计中考虑了车辙的因素，以车辙深度作为控制车辙的指标。 在我国，徐世法、朱照宏利用蠕变实验对沥青混合料的高温变形特性进行了分析， 提出了一种有效表征沥青混合料变形特性的流变学模型，建立了一种高等级道路沥青路 面车辙的预估方法；黄晓明、张晓冰和邓学钧对沥青路面车辙进行了环道实验研究，提 出了不同保证率下的车辙预估模型；张登良等通过实验对高等级道路沥青路面车辙进行 了研究，以粘弹性层状体系理论和流变学模型分析为基础，结合沥青混合料的变形特性， 提出了包括层减薄量和侧向隆起高度的车辙深度预估方程。 另外，据日本，美国等工业发达国家的资料显示，由于车辙引起的路面破坏所占的 比例有越来越大的趋势。2 0 世纪7 0 年代由美国a a s h t o 发起的，在各州作进行的路面 损坏调查表明，在州际公路和干线公路上，由车辙所致的路面损坏比例约为3 0 。2 0 世纪8 0 年代，日本由车辙所引起的路面损坏比例高达8 0 。在我国的高等级公路和城 市道路中路面的车辙也日趋严重。据不完全统计，在高等级公路维修原因中，车辙病害 发生比率高达8 0 以上，可见问题的严重性。 由于车辙严重影响道路的使用性能，同时也是各国普遍存在的道路损坏形式。所以 各国在车辙方面都做了大量的科研工作，但均没有彻底解决这一问题。 沥青路面车辙是由多方面原因引起的，往往是由多种因素的综合作用而产生的。因此在 防治车辙的对策上，也并非采取某种措施就能解决问题，只有综合采取措施才能收到好 4 长安大学硕士学位论文 的效果。国内外提高沥青混合料抗车辙能力的方法很多，着眼点主要集中在矿料级配的 改善、沥青胶结料性能的提高以及在混合料中掺加外加剂的方式等。 1 、矿料级配的改善 有研究认为，沥青混合料的性能，矿料的因素占6 0 ，而沥青仅占4 0 。就矿料因 素方面，矿料的级配又有重大的影响。现在在大多数场合下，都是采用的连续级配，开 级配或间断级配道路的沥青面层都采用粗粒式沥青混凝土作为承重层。在特别炎热的地 区，甚至采用粗粒式沥青混凝上作为面层。 尤其是近年推广应用的沥青马蹄脂碎石( s t o n em a s t i ca s p h a l t ，简称s m a )是一 种热拌热铺的间断级配骨架密实型沥青混合料，具有与其他混合料不同的结构性能特 点。在材料结构组成上，主要特点是三多一少，即粗集料多，矿料多，沥青用量多， 细集料含量少，并掺有纤维稳定剂以防止沥青析漏，对混合料组成材料质量性能要求很 高。粗集料含量高能形成相互嵌挤的骨架，而由细集料、矿料和纤维稳定剂形成的沥青 玛蹄脂含量充分足以填充粗集料的剩余孔隙，使之形成一种骨架一密实型结构。由于s m a 混合料特殊的材料结构特点，该混合料具有优良的路用性能。因为s m a 粗集料多形 成骨架，又有良好的沥青混合料( 一般需要采用改性沥青) 作保障，所以高温稳定性 优越；较多的矿料和沥青采用纤维稳定性，形成的沥青玛蹄脂具有良好的粘结作用，其 突出的柔性和韧性使s m a 混合料低温变形能力强，尤其采用改性沥青后，低温性能进 一步加强；在较低的空隙率和粘结性能优越的玛蹄脂作用下，耐水害和耐老化等性能均 有显著改善i 引。 o g f c 英文称o p e ng r a d e df r i c t i o nc o u r s e ，是一种多孔式排水性沥青混合料，它具 有较大的空隙率。由于这种路面结构为多空隙的嵌挤型骨架结构，提高了路面抵抗车辙 变形的能力。另外，s u p e r p a v e 全称s u p e rp e r f o r m a n c ea s p h a l tp a v e m e n t ，即高性能沥青 路面简称超级路面，它是一套全新的系统，用以帮助高速公路工程师和建筑公司设计与 建设在极端气候和繁重交通荷载下的优质高速公路路面。超级路面系统是美国“战略性 公路研究项目”即“夏普计划”下产生的一项研究成果，在1 9 9 2 年研究成功，1 9 9 6 年 在全美推广使用，目前主要在普通公路上试用，且还在继续改进和完善中。 2 、采用改性沥青 优质改性沥青可以从多方面改善沥青混合料路用性能，因为其稠度较高，软化点高， 第一章绪论 温度稳定性好，在高温下仍能保持足够的粘滞性，使混合料具有一定的强度和劲度，而 且不致出现过大的变形。能够有效的防止和延缓路面损坏的发生，从而大大延长路面的 使用寿命。 目前，改性沥青在各国有着不同的分类方式，按改性手段分主要有工艺改性，结构 改性和改性剂改性。国际上作为改性剂的聚合物较多的是橡胶类( 如s b r 、c r ) 、橡胶 塑料类( 如s b s ) 、树脂类( 如p e 、e v a ) 和s b r 胶乳等；常用的改性方法有：s b s ， s b r ，天然沥青，抗剥落剂，抗老化剂，抗氧化剂等。但是，s b s 改性沥青是目前国内 外应用最广泛的一种沥青改性方式。 根据2 0 0 5 年a m a p 对美国沥青和改性沥青的应用调查，美国2 0 0 4 年沥青用量约 为2 5 6 6 8 0 2 5 万吨，其中改性沥青5 8 4 万吨，约占2 3 ，在调查的3 3 州中6 7 采用的 是s b s 改性沥青。可见，在美国的改性沥青中s b s 改性沥青占大多数。根据壳牌公司 的调查，在欧洲改性沥青市场中s b s 改性沥青占到4 4 ，也占主导地位。我国由于北 京燕山和湖南岳阳等石化公司相继开发研制的s b s 生产技术日趋成熟，目前s b s 改性 沥青的应用较为普遍，并成为流行趋势。但近年来使用s b s 改性沥青也存在一定的问题。 例如s b s 改性沥青存储稳定性就是一个棘手的难题，由于s b s 与沥青组分间的相容性 的差异，导致改性剂与沥青分离，影响到s b s 改性沥青性能的发挥。另外s b s 改性沥 青存储过程中，其性能会发生衰变，即使不停搅拌，衰变现象仍旧无法避免，同样影响 了s b s 改性沥青的使用效果。 3 、掺入抗车辙剂 类似水泥混凝土# l - 力n 剂的应用，沥青混合料也能通过掺入多 1 - a n 剂的方式改善混合料 的路用性能，抗车辙剂就是改善沥青路面车辙问题的一种外加剂。 欧洲许多国家很重视采用抗车辙剂技术来提高沥青路面抵抗永久变形的问题，各种 等级的公路已广泛使用抗车辙剂，甚至包括许多重要的桥梁和隧道的铺装也采用掺加抗 车辙剂沥青混合料。近年来，我国开始对掺加抗车辙剂沥青混合料路用性能进行研究。 例如：法国p r i 、德国路孚8 0 0 0 、国产的海川车辙王和天成垦特莱等产品。p r p l a s t s 于2 0 0 1 年开始进入我国公路工程领域，路孚8 0 0 0 于2 0 0 3 年引入我国，而国产海川车 辙王和天成垦特莱抗车辙剂的应用时间则相对较短。 抗车辙剂是由多种高分子聚合物组成的混合物，这种沥青混合料外加剂的应用具有 以下优点： 6 长安大学硕士学位论文 使用方便，将抗车辙剂直接投放至混合料拌和缸中即可，只需要适当延长拌合 时间和提高拌合温度； 存储方便安全，对存储条件没有特殊要求，可在常温下长期库存； 与沥青的匹配性较好，适用于国内外各种标号的沥青； 不需要特殊的设备和受过专业培训的人员，生产过程中无损耗； 抗车辙剂可以显著提高沥青混合料的高温稳定性，不会对混合料的最佳沥青用量以 及马歇尔稳定度结果产生明显的影响，也不会降低沥青混合料的水稳定性和低温性能。 通过对国内外研究应用情况分析可以看出，与s b s 改性沥青相比，抗车辙剂使用更简便， 不存在存储稳定性问题和性能衰变的现象。但由于抗车辙剂出现时间较短，其研究不如 s b s 改性沥青充分，抗车辙剂改性沥青混合料常规路用性能的试验研究范围较窄，缺乏 系统性。因此亟待加强掺加抗车辙剂沥青混合料更加全面的系统的路用性能研究和机理 分析。 1 4 本文主要研究内容 本文针对国产天成垦特莱抗车辙剂的应用，并对比法国的p r p l a s t s 抗车辙剂， 开展系统的抗车辙剂沥青改性混合料路用性能试验和不同抗车辙剂应用效果比较；通过 模拟路面老化，来评价抗车辙剂的抗老化性能；尝试采用抗车辙剂代替s b s 改性剂应用 于s m a 中的路用性能研究；并对抗车辙剂应用机理进行分析研究，提出抗车辙剂提高 沥青路面高温抗车辙能力的理论分析和解释，为抗车辙剂的广泛应用奠定理论基础；并 通过理论分析和试验验证提出确定抗车辙剂的适宜掺量的评价方法。 1 、抗车辙剂改性沥青混合料路用性能研究 系统试验研究抗车辙剂改性沥青混合料( a c 1 3 ) 的各项路用性能，评价不同抗车 辙剂之间对沥青混合料路用性能改善效果差异；并通过烘箱老化模拟法对抗车辙剂改性 沥青混合料抗老化性能进行评价，为选择合理的抗车辙剂掺加量提供技术支持。 2 、抗车辙剂改性s m a 的路用性能研究 将抗车辙剂代替s b s 改性沥青应用于s m a l 3 中，并和s b s 改性s m a 沥青混合料 的各项路用性能进行比较，以及不同抗车辙剂用量对s m a 沥青混合料路用性能影响， 提出采用抗车辙剂替代s b s 改性剂的可行性研究。 3 、抗车辙剂作用机理研究分析 7 第一章绪论 通过宏观和微观方法，揭示抗车辙剂在沥青混合料中应用机理，开展车辙剂理论研 究。另外通过离心抽提试验，首次提出抗车辙剂作用于沥青百分率，并对比拌和前后抗 车辙剂颗粒形态变化证明抗车辙剂对于沥青和集料的双重改善作用。 4 、抗车辙剂最佳用量区间和评价指标的确定 提出采用破坏应变和t s r 作为确定抗车辙剂最佳用量范围的关键性指标，并以动稳 定度来检验抗车辙剂最佳用量范围的科学性和可靠性。并提出采用7 0 。c 条件下车辙试验 抗来针对抗车辙剂进行性能评价。 8 长安大学硕十学位论文 第二章原材料性质及改性工艺 2 1 原材料 2 1 1 矿料性质 1 、粗集料 粗集料应该洁净、干燥、无风化、不含杂质并且应该为坚硬、耐磨、韧性好、表面 粗糙的碎石。粗集料的压碎值、洛杉矶磨耗值、粘附性等指标应满足公路工程集料试 验规程( j t j 0 5 8 2 0 0 0 ) 中关于高速公路的指标要求。本项目材料a c 1 3 、s m a l 3 配 合比设计中采用的粗集料均为辉绿岩。其试验技术指标均满足相关要求。 表2 1 粗集料技术指标 试验项目 单位试验结果试验标准试验依据 集料磨耗值1 0 1牛2 8t 0 31 7 2 0 0 5 集料压碎值 7 4净2 6t 0 3 1 6 2 0 0 5 针片状颗粒 1 0 1 5 m m 1 0 4牛1 2t 0 31 2 2 0 0 5 含量5 l o m m11 6牛18t 0 31 2 2 0 0 5 1 0 1 5 m m 2 6 6 6 集料毛体积 5 1 0 m m2 6 7 7t 0 3 0 4 2 0 0 5 相对密度 3 5m m 2 6 5 1 1 0 1 5 m m2 7 5 9术2 4 5 各种集料表 5 1 0 m m2 7 8 2术2 4 5t 0 3 0 4 2 0 0 5 观相对密度 3 5m m2 7 1 8术2 4 5 表2 2 石屑试验结果 试验项目 单位试验结果试验依据 表观相对密度 2 6 9 8 t 0 3 2 8 2 0 0 5 r 后冒筛分结果 筛孔 ( m m ) 9 54 7 5 2 3 6 1 1 80 60 3o 1 50 0 7 5 通过率 ( ) 1 0 0 9 9 36 5 74 5 43 4 12 4 82 0 41 6 6 规范 范围 1 0 0 9 0 1 0 06 0 - 9 04 0 - - - 7 52 0 5 57 4 02 2 0o 1 0 2 、细集料( 0 0 7 5 m m - - - 4 7 5 m m ) 细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质。细集料宜采用优质粗人工砂，砂当量试验 9 第二章原材料性质及改性工艺 结果平均值为7 6 ，硫酸钠坚固性损失5 次循环芝1 5 ，液限 2 5 ，具体指标见表2 3 ： 表2 3 机制砂试验结果 试验项目单位试验结果试验依据 表观相对密度 g c m 3 2 7 0 9t 0 3 2 8 2 0 0 5 筛分结果 筛孑l ( m m )9 54 。7 5 2 3 61 1 8 o 6o 3 0 。1 50 0 7 5 通过率 ( ) 1 0 09 8 67 1 85 2 44 1 13 1 32 6 02 1 7 规范范围1 0 09 0 1 0 06 0 - 9 04 0 一- - 7 52 0 5 57 4 02 2 00 1 0 3 、矿粉 矿粉是沥青混合料中一种重要组成材料，它既可在混合料中起填充空隙作用，而且 还与沥青发生化学反应，增加胶结强度。它与沥青的比例决定了混合料中结构沥青与自 由沥青数量，直接影响到混合料的柔韧性，即低温抗弯曲拉应力的大小，并对混合料在 低温时的抗裂性有很大影响。本次试验矿粉是工厂的石灰岩磨细矿粉，细度( 0 0 7 5 m m 筛通过量) 9 0 。 表2 4 矿粉试验结果 试验项目 试验结果 试验标准试验方法 表观相对密度矿粉2 7 3 6 术2 4 5t 0 3 5 2 - 2 0 0 0 矿粉亲水系数 o 6 3 1 0 0 1 5 0 t 0 6 0 5 密度 c m j 实测 1 0 3 3t 0 6 0 3 闪点( c o c ) 2 3 02 9 0t 0 6 1 1 2 、s b s 改性沥青 s b s 是一种热塑性弹性体，是以丁二烯和1 ，3 一苯乙烯为单体，采用阴离子聚合 制得的线型或星型嵌段共聚物，因s b s 中星型结构的改性效果比线型结构好，故选用 燕山石化的4 3 0 3 ( y h 2 8 0 1 型) 星型结构物s b s 作为改性剂，掺入量为5 。其具体技 术指标见表2 6 ： 表2 6s b s 改性沥青技术指标 技术指标 检验结果技术要求 针入度( 2 5 c 。1 0 0 9 ，5 s ) ( o 1 m m ) 7 46 0 8 0 针入度指数p 1 0 2 2之o 4 延度( 5 c m m m ，5 ) ( c m )3 5 3 0 软化点( 环球法) ( ) 7 8 5 5 运动粘度( 1 3 5 ) ( p a s )1 9s 3 闪点( c o c ) ( )3 1 8 2 3 0 溶解度( 三氯乙烯) ( )9 9 7 9 9 离析，软化点差( ) 1 2 5 2 5 弹性恢复2 5 ( ) 9 1 6 5 薄膜加热试验 质量损失( ) 0 0 21 o 1 0 延度( 5 c r n m i m ，5 c ) ( c m ) 2 2 2 0 1 6 3 ，5 h 针入度( ) 7 2 6 0 2 1 3 抗车辙剂性质 抗车辙剂是一种由多种聚合物复合成的沥青混合料添加剂，它通过集料表面的增 第二章原材料性质及改性工艺 粘，加筋，填充以及沥青改性等多重作用，从而大幅提高沥青混合料的抗车辙能力。本 试验采用的北京天成垦特莱公司的国产垦特莱抗车辙剂( 英文简写k ) 和法国p r i 公司 的p r p l a s t s 抗车辙剂( 英文简写p r ) ，它们的外观均为灰黑色颗粒状或片状，并且 可在常温下长期保存。具体技术性质见表2 7 ： 表2 7 垦特莱抗车辙剂和p r p l a s t s 抗车辙剂的技术性质 产品名称垦特莱抗车辙剂p r p l a s t s 抗车辙剂 密度( 2 5 。c ) o 9 8 0 9 1 o 9 6 5 熔点1 5 0 1 5 5 1 4 0 1 5 0 粒径 3 m m - - - 4 m m2 m m - - - ，4 m m 2 1 4 其他材料性质 纤维 与传统的沥青混凝土相比，s m a 通常具有较高的沥青含量和较多的粗集料。因此， s m a 混合料必须含有适当类型和数量的稳定剂，以使在混合料的储存、运输和铺装过 程中保持住沥青结合科，防止其发生离析，因此稳定剂的主要功能在于防止s m a 混合 料在施工过程中结合料发生离析，故亦称防漏剂【l 引。 稳定剂主要是指纤维，由于聚合物改性沥青也有降低离析的作用，美国也将其称为 稳定剂，但稳定剂的主要类型为纤维。在沥青棍合料中掺加的纤维稳定剂可分为木质素 纤维、矿物纤维与聚合物有机纤维三类。由于木质素纤维防漏效果显著，能保持更多结 合料，而且价格合理，因此s m a 普遍采用的稳定剂为木质素纤维。在s m a 路面最多 的国家德国9 0 以上s m a 路面采用木质素纤维，在瑞典几乎全部s m a 工程都采用木 质素纤维。其他各国与我国也普遍采用木质素纤维作s m a 混合料的稳定剂。 木质素纤维是天然木材经过化学处理得到的。由于处理温度高达2 5 0 以上，在通 常条件下是化学上非常稳定的物质，不为一般的溶剂、酸、碱腐蚀。对人体无害，不影 响环境，不造成公害。木质素纤维的表面粗糙，表面积大，吸油率高贵。 矿物纤维稳定齐的防析漏作用稍逊于木质素纤维稳定剂，应用上也少得多，4 的 矿物纤维的防析漏作用大概相当于3 o 的木质素纤维。矿物纤维包括以玄武岩或辉绿岩 作原料加工的矿物纤维。石棉纤维因存在环保问题己很少使用。 聚合物纤维如聚脂纤维与晴纶纤维，除具有防止析漏的作用外，还能使混合料性能 得到某种程度的提高，但因价格昂贵，限制了使用。 1 2 长安大学硕士学位论文 本研究选用北京垦特莱公司的木质素纤维作为s m a 沥青混合料纤维，木质素纤维 质量符合我国s m a 技术指南要求。具体指标见表2 8 ： 表2 8 木质素纤维检测结果 试样来源和北京垦特莱科贸有限公司中国产 中国( ( s m a 路面设计施工指南 产品名称l o t u s f i b e r 木质素纤维试验结果 提出的纤维规格要求 纤维长度 均小于6 m m6 0 m m 以下 灰分含量1 1 4 s 1 8 p h 值7 6 5 7 5 吸油率纤维自身质量的6 5 倍不小于纤维自身质量的5 倍 含水率 2 2 82 o 4 5 综上可知，基质沥青和s b s 改性沥青最佳沥青用量分别为4 5 和4 7 。在原基质 沥青配合比中分别加入沥青混合料质量的2 o 、4 、6 o 以及8 o 的垦特莱抗车辙和 p r p l a s t s 抗车辙剂，进行路用性能对比研究。 3 2 抗车辙剂改性沥青混合料高温稳定性能研究 由于沥青路面的强度和刚度( 模量) 随温度升高而显着下降，为了保证沥青面层在 高温季节行车荷载反复作用下，不至于产生诸如波浪、推移、车辙、拥包等病害，沥青 混合料应具有良好的高温稳定性，即在荷载的作用下具有抵抗永久变形的能力。 车辙试验能较好地反映车辙的形成过程，得到世界各国的广泛认可与采用。这是一 种工程试验方法，最初是由英国运输与道路研究试验所( t r r l ) 开发的，通过测定车轮荷 载作用次数与板块试件变形的关系，得出动稳定度d s ，可用作沥青混合料的抗永久变 形性能指标。这种试验方法比较直观，对沥青路面车辙形成过程的模拟性好，试验设备 不需太高的精度，操作方法也不复杂，容易为工程上所接受。本文采用车辙试验来评价 抗车辙剂改性沥青混合料的高温抗车辙能力。 车辙试验试件成型采用轮碾成型，长3 0 0 m m ，宽3 0 0 m m ，厚5 0 m m ，经碾压后的 试件密度控制为马歇尔试验标准击实密度的1 0 0 1 。试验温度6 0 ，轮压为0 7 m p a ， 1 r 长安大学硕士学位论文 以动稳定度作为评价指标来衡量沥青混合料抗高温性能。 动稳定度计算公式1 1 2 ： d s ：堕掣c l c ： ( 3 1 ) d ，一a f 式中：d s 动稳定度( 次m m ) ； c 1 试验机类型修正系数，取1 o ； c 一式件系数，取1 o ； d 6 r 对应于试验时间为6 0 m i n 时的试件上的车辙深度，m m ； d 4 5 对应于试验时间为4 5 r a i n 时试件上的车辙深度，r a i n 。 对两种抗车辙剂分别在四种掺量下的沥青混合料、基质a c 1 3 型沥青混合料以及 5 s b s 改性沥青混合料进行车辙试验，结果见表3 5 ： 表3 5 车辙试验结果 累计变形( n h n ) 动稳定度技术要求 混合料类型 4 5 m i n 6 0 m i n ( 次r a m )( 次m m ) a c 1 32 0 9 0 2 5 2 61 4 4 4 9 8 0 0 s b s1 9 6 92 1 1 74 2 5 6 8 a c 1 3 + 2 p r2 7 2 32 8 9 4 3 6 7 8 5 a c 1 3 + 4 p r2 4 9 5 2 5 6 29 3 5 9 9 a c - 1 3 + 6 p r1 9 4 01 9 9 2 1 2 1 2 8 5 夏炎区最高 a c - 13 + 8 0 p r1 2 8 01 3 2 0 1 5 6 2 5 5 要求 3 0 0 0 a c 13 + 2 o 垦特莱2 9 3 23 。0 9 9 3 9 1 7 3 a c 13 + 4 0 垦特莱2 3 7 62 4 3 4 1 0 9 2 4 4 a c 13 + 6 0 垦特莱1 5 5 01 5 9 7 1 3 4 0 4 3 a c 13 + 8 0 垦特莱0 6 6 50 6 9 9 1 8 5 2 9 4 1 9 第三章掺入抗车辙剂的沥青混合料路用性能研究 e1 5 0 0 0 e 憋 、。1 0 0 0 0 蜊 馊 蘧5 0 0 0 需 0 溺 # 锡 二 k 雩乃 ! ； ；： & t ； ： ； i j “j 。圈 l 5 i 励囡圈 ；j ；，荔2 镌玉j 荔，象；：o ，焉 a c1 3s b s2 o k 4 o k6 0 k8 k2 0 p r4 o p r6 o p r 8 o p r 方案类型 图3 4 不同类型沥青混合料动稳定度试验结果 由表3 5 和图3 4 可以看出，抗车辙剂可以有效地提高沥青混合料的动稳定度。随 着两种抗车辙剂用量的增加，相应的动稳定度不断提高，而累计变形深度则不断的减小。 当掺量为2 0 时，垦特莱抗车辙剂的沥青混合料的动稳定度比普通a c 1 3 型沥青混合料 提高2 7 倍多；当掺加量达到4 o 时，高温抗车辙能力提高了7 5 倍；当掺加量达到6 o 时高温抗车辙能力提高了9 2 倍；而当掺加量达到8 时高温抗车辙能力更较基质a c 1 3 型沥青混合料提高了1 2 8 倍以上。另外，当法国p r p l a s t s 抗车辙剂的掺加量分别为 2 o 、4 0 、6 0 和8 0 时，其动稳定度较基质a c 1 3 型的增长倍数分别为：2 5 倍，6 5 倍，8 4 倍和1 0 8 倍。 使用a h 一7 0 作为基质沥青的混合料都可以满足规范中夏炎热区对动稳定度的要求。 s b s 改性沥青具有较好的抗永久变形能力，效果明显优于基质a c 1 3 型沥青混合料，与 2 0 时低掺量下抗车辙剂的沥青混合料动稳定度相近。但随着抗车辙剂用量的不断增大 两者差距不断加大。在实际工程中抗车辙剂的用量一般是3 o 6 o 之间，与这个区间的 车辙试验结果相比，5 的s b s 改性沥青抗车辙能力明显低于抗车辙剂，约为抗车辙剂动 稳定度的4 0 - - 3 0 。因此，一般情况下抗车辙剂改性沥青混合料动稳定度明显优于s b s 改性沥青混合料。 试验充分证明，抗车辙剂能够显著提高沥青混合料的高温抗车辙能力，远远超过规 范要求，是解决沥青路面高温稳定性能力不足问题的一项有效措施。 2 0 长安人学硕上学位论文 3 3 抗车辙剂改性沥青混合料水稳定性能研究 在汽车车轮动态荷载的作用下，进入路面空隙中的水会不断产生动水压力及真空负 压抽吸的反复循环作用，水分逐渐渗入沥青与集料的界面上，使沥青粘附性降低并逐渐 丧失粘结力。沥青膜从集料表面脱落( 剥离) ，沥青混合料出现掉粒、松散，继而形成 沥青路面的坑槽、松散等损坏现象。因而必须重视沥青混合料的抗水损坏能力。通常沥 青混合料水稳定性是采用浸水马歇尔试验的残留稳定度和冻融劈裂试验的残留强度比 ( t s r ) 来评价的。 3 3 1 残留稳定度试验 马歇尔残留稳定度试验是检验沥青混合料受水损害时稳定度降低程度，从而直观评 价水稳性的试验方法。试验中，将相同配和比的沥青混合料试件置于6 0 士1 恒温水浴 中分别保温3 0 m i n 和4 8 h ，通过测试两组试件的稳定度并计算其残留稳定度来评价混合 料的水稳性。 针对不同抗车辙剂在四种掺量下的沥青混合料和基质a c 1 3 型沥青混合料以及 5 s b s 改性沥青混合料分别进行残留稳定度试验，其结果见表3 6 ： 表3 6 残留稳定度试验结果 稳定度 残留稳定度 技术要求 混合料类型 3 0 m i n4 8 h ( )( ) a c 1 38 7 1 2 8 0 8 9 07 7 5 s b s 1 1 41 0 6 39 3 2 a c 1 3 + 2 p r 1 7 0 81 5 9 7 9 3 5 a c 1 3 + 4 o p r 1 8 6 01 7 6 3 9 4 8 a c - 1 3 + 6 p r 1 7 5 51 5 8 6 9 0 4 a c 1 3 + 8 p r 1 7 9 61 5 3 3 8 5 4 之8 5 a c 13 + 2 9 6 0 垦特莱1 7 5 81 6 4 29 3 4 a c 1 3 + 4 0 垦特莱1 8 2 01 6 4 99 0 6 a c 1 3 + 6 9 6 0 垦特莱1 8 0 11 5 5 08 6 1 a c 1 3 + 8 9 6 0 垦特莱1 9 7 71 7 3 08 7 5 2 l 第三章掺入抗车辙剂的沥青混合料路用性能研究 更 蜊 倒 嚣 圈 鼷 f 露 3 j 孑 口： i。p i 、? ?：； ： ： j ，鸳。0 麓二盛i i ”谚 t ，叠 t 。谚 a c1 3s b s2 k4 o k6 0 k8 0 k2 o p r 4 o p r 6 o p r 8 o p r 方案类型 图3 5 不同方案沥青混合料残留稳定度试验结果 从表3 6 和图3 5 可以得出，在抗车辙剂大幅度提高沥青混合料高温稳稳定性的同 时，对沥青混合料的水稳性也有一定的改善