（材料学专业论文）沥青混合料抗水损害能力研究.pdf

摘要 热拌沥青混合料的水损害现象是沥青路面早期破坏的主要形式，也是国内外 该领域研究的热点。沥青路面的病害类型有泛油、裂缝、车辙、松散等，而水的 存在必然加速了路面各种病害类型的形成与发展，这就是沥青路面的水损害。 论文的主要内容包括以下三个方面。第一，研究集料表面特征如表面粗糙度、 表面粘土粉末、比表面积、表面孔隙率和孔径分布对集料沥青粘附强度的影响， 因为集料性质显著影响沥青混合料的水稳定性；利用“t e x a sf r e e z e - t h a wp e d e s t a l t e s t ”试验考察集料化学矿物成分与沥青混合料抗水损害能力的关系；沥青在集 料表面的接触角试验验证集料表面构造与沥青在集料表面初始粘附性好坏的关 系。第二，用两种不同的材料，即有机材料液体抗剥落剂和无机材料消石灰为抗 剥落剂，其用量分别为沥青重量的o 4 和集料重量的1 5 ，考察这两种材料对 沥青混合料的水稳定性改善效果。第三，根据前面的试验研究，分析沥青集料 粘附及沥青剥落的模式及几种可能的机理，并总结液体抗剥落剂和消石灰改善沥 青混合料水稳定性的机理。 本文针对这一问题进行了大量的试验研究，其中微观试验主要是原材料的相 关物理化学性能指标，而宏观试验主要是针对沥青混合料，包括评价粘附性好坏 的松散沥青混合料试验，如水浸法试验和评价压实沥青混合料残留强度或劲度及 抗车辙性能的试验，如常规与浸水马歇尔试验、常规与冻融劈裂试验( a a s h t o t 2 8 3 ) 、浸水车辙试验等。 结果表明，集料较大的比表面积和表面粗糙度、洁净的表面、适当的孔隙率 和孔尺寸分布有利于增强沥青与集料的粘附性。相对于碱性集料来说，中、酸性 集料的水稳定性更差，而液体抗剥落剂或消石灰能够改善中、酸性集料沥青混合 料的水稳定性，相对而言，液体抗剥落剂在工程中的应用更为方便，但工程造价 较大，f 酊消石灰的改善效果更为可靠，但其应用过程耗时较长。 芙键词：沥青混合料( h m a ) 水稳定性粘附抗剥落剂消石灰 a b s t r a c t w a t e rd a m a g eo fh o tm i x t u r ea s p h a l to j m a ) i sal e a d i n gm o d eo fp r e m a t u r e d i s e a s eo fa s p h a l tp a v e m e n t b l e e d i n g , c r a c k i n g ，r u t t i n ga n dr a v e l i n ga r e t y p i c a l d i s e a s e so f a s p h a l tp a v e m e n t a n dt h ee x i s t e n c eo fw a t e r c o n s e q u e n t i a l l ya c c e l e r a t e t h e f o r m i n g a n d d e v e l o p m e n t o fa l ls o r t so f d i s e a s e s ，w h i c hi sc a l l e dt h ew a t e rd a m a g e o f a s p h a l tp a v e m e n t t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e di nt h i sp a p e ra r et e r n a r y f i r s t l y ，t oi n v e s t i g a t et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e na g g r e g a t ec h a r a c t e r ss u c ha ss u r f a c er o u g h n e s s ，r e l a t i v es u r f a c e a r e a ，t h en u m b e rr a t i oa n dd i s t r i b u t i o no fp o r e s ，t h ep r e s e n c co fc l a yf i n e so rt h e a g g r e g a t es u r f a c e a n da g g r e g a t e a s p h a l ta d h e s i v e s t r e n g t h ，b e c a u s ea g g r e g a t e c a l l g r e a t l yi n f l u e n c ew h e t h e r am i x t u r ew i l lb es e n s i t i v et ow a t e ro rn o t t h et e s tr u e t h o d o f “t e x a sf r e e z e t h a wp e d e s t a lt e s t ”w a su t i l i z e dt oi n v e s t i g a t et h er e l a t i o nb e t w e e n t h ec h e m i c a la n dm i n e r a l o g i c a le l e m e n t so fa g g r e g a t ea n dw a t e rs t a b i l i t yo fa s p h a l t m i x t u r e c o n t a c ta n g l et e s ti n d i c a t e dt h a tt h es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c sw o u l dc o n t r i b u t e ag o o dp r e l i m i n a r ya d h e s i o nb e t w e e n a s p h a l ta n da g g r e g a t e s e c o n d l y ，t w od i f f e r e n t m a t e r i a l so fl i q u i da n t i - s t r i p p i n ga g e n ta n dh y d r a t e dl i m ew e r eu t i l i z e da sa l lo r g a n i c a n da ni n o r g a n i cm e a s u r e st oi m p r o v et h ew a t e rs t a b i l i t yo fa s p h a l tm i x t u r e s ，t h e d o s a g eo ft h e m a r e0 4w t o f a s p h a l ta n d1 5w t o f t h ea g g r e g a t er e s p e c t i v e l y , t h e e f f e c t i v e n e s so ft h et r e a t m e n t sw e r ed i s c u s s e d t o o ；t h i r d l y , t h e m e c h a n i s m so f a d h e s i o na n dr u p t u r em o d e lo fa s p h a l tf i l mo na g g r e g a t es u r f a c ea n dh o wt h el i q u i d a n t i s t r i p p i n ga g e n ta n dh y d r a t e dl i m ei m p r o v et h er e s i s t a n c ea b i l i t yt o w a t e rw o r e a n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ea n t e r i o r t e s t sa n d i n v e s t i g a t i o n s a i m i n ga t t h es u b j e c t ，n u m e r o u sl a b o r a t o r yt e s t sh a v eb e e nu s e dt o i d e n t i f y m o i s t u r e r e l a t e d p r o b l e m s m i c r o t e s t sa r em a i n l ya i ma t t h ep e r f o r m a n c eo fr a w m a t e r i a l s ，a n dm a c r o t e s t s ，m a i n l ya i ma ta s p h a l tm i x t u r e ，t h e s ei n c l u d et e s t so n 扣) l o o s em i xt od e t e r m i n ec o a t i n gd u r i n gw a t e ri m m e r s i o no ri nb o i l i n gw a t e ra n d ( b ) c o m p a c t e d m i xt oe v a l u a t et h er e t a i n e ds t r e n g t ho rs t i f f n e s sa n dt h ea m o n n to fr u t t i n g o rd i s i n t e g r a t i o nd u r i n gw h e e l - t r a c k i n gt e s t si m m e r s e di nw a t e r a l l t y p e so ft e s t s m e a s u r et h ee f f e c t so fm o i s t u r eo na d h e s i o n ，c o h e s i o n ，o rs o m ec o m b i n a t i o no f o t h e r s t h et e s t sr e s u l t si n d i c a t e dt h a t b i g g i s hs u r f a c ea r e a ，r o b g i i a n dc l e a ns u r f a c e c o n d i t i o n ，p r o p e rp o r en u m b e ra n ds i z ed i s t r i b u t i o n ，a b u n d a n ta l k a l i n e e a r t hm e t a l s s u c ha sc a l c i u mw i l lc o n t r i b u t et oa s a t i s f a c t o r y a d h e s i o nb e t w e e n a s p h a l t a n d a g g r e g a t e 。r e l a t i v et o “a l k a l i n e ”a g g r e g a t e t h ea s p h a l tm i x t u r ew i t h “l i t m u s l e s s o r “a c i d ”a g g r e g a t ew i l lb em o r e s e n s i t i v et ow a t e rb e c a u s eo ft h ew e a kb o n db e t w e e n a s p h a l t a n d a g g r e g a t e t h el i q u i da n t i - s t r i p p i n ga g e n t a n dh y d r a t e dl i m ec a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ew a t e rs e n s i t i v i t yo fa s p h a rm i x m r e ，a n dr e l a t i v e l y , t h el i q u i d a n t i - s t r i p p i n ga g e n t i sm o r ee x p e n s i v eb a tc o n v e n i e n t , t h eh y d r a t e dl i m e ，m o r e e f f e c t i v eb u tt i m e - c o n s u m i n g k e y w o r d s ：h o tm i xa s p h a l t ，w a t e rs t a b i l i t y , a d h e s i o n ，a n t i - s t r i p p i n ga g e n t ，h y d r a t e d l i m e 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 关于沥青路面水损害 1 1 1 沥青路面 普通沥青混合料是由集料和沥青组成的两组分混合物。集料是从采石场采集 块石后经过破碎加工，在加工过程中集料有了一定形状和尺寸大小。为了优化沥 青对集料的粘附性、控制沥青混合料的性能，破碎集料又经过筛分、分离和重新 组合以形成一个需要的级配。沥青胶结料是粘附于集料表面使混合料稳固以抵抗 交通和环境对路面所施加的应力。 自从1 9 0 0 年，沥青就开始被用作胶结料用于热拌沥青混合料( h m a ) 路面， 而当前世界各国的高等级公路也大多采用沥青路面，其原因是由于它具有下列诸 多固有的良好使用性能： 足够的力学强度，因而沥青路面能很好地承受车辆荷载施加到路面上的 种种作用力； 一定的弹性和塑性变形能力，因而能随应变而不破坏； 与汽车轮胎的附着力较好，可保证行车安全； 有高度的减振性，可使汽车快速行驶，平衡而低噪声； 不扬尘，且容易清扫和冲洗； 维修工作比较简单，且沥青路面可再生利用 事物都有其两面性。虽然沥青路面有以上的优点，但沥青路面的各种病害现 象仍然普遍存在。其中，许多病害都与水的作用有关，各种病害交织作用降低了 沥青路面的使用性能和使用寿命。虽然工程人员和科研人员在此领域作了很多的 研究，对由水导致沥青路面的破坏现象有了迸一步的理解，但在水的存在下，沥 青路面仍然容易发生早期破坏。 路面在使用过程中会遭受环境和交通荷载的双重作用。由于水的存在、温度 波动及沥青混合料的老化，环境对路面影响很大。环境影响一般结合车轮荷载所 旌加给沥青混合料能量使沥青与集料产生物理分离，水取代沥青占据到集料表 而，这种现象称为“剥溶”2 8 凹i ，图1 1 为沥青路面混合料发生剥落和未剥离 的两个：笛样，左图芯样集料表面很多沥青膜已剥离。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 发生剥离( 左) 和未发生剥离的两个芯样剖面 关于剥落有很多不同的定义，但总的来说就是在水的作用下，沥青本身的粘 聚力及沥青与集料的粘附性下降而使沥青从集料表面剥落。 1 1 2 沥青路面病害类型 沥青路面的使用经验表明，由于选料或施工、养护不当，常常过早地发生各 种变形和损坏，导致路面的作用期限缩短或维修费用增加，高等级公路沥青路面 上常见的损坏现象主要有裂缝、车辙、松散剥落、泛油、表面磨光等1 1 s , 1 9 1 。 裂缝按其成因不同有横向、纵向及网状裂缝。横向裂缝是指垂直于行车方向 的裂缝，是沥青路面裂缝最为普遍的一种类型，一般分为荷载型横缝、沥青面层 缩裂缝和基层反射缝；纵向裂缝产生的原因有两种可能性，种情况是沥青面层 分路幅摊铺时，两幅接茬处未处理好，在车辆荷载与大气因素作用下逐渐开裂， 另- - , f 十情况是由于路基压实度不均匀或由于路基边缘受水侵蚀产生不均匀沉陷 而引起；而网裂主要是由于路面的整体强度不足而引起，其原因可能是由于路面 结构设计不合理、路基路面压实度不足、路面材料配合比不当或未拌和均匀、路 面 h 现横缝或纵缝后束及时封填致使水分渗入下层，尤其在融雪期间浆融交加， 加剧了路面的破损，另外，沥青路面材料的老化使沥青混合料变硬变脆也极易产 叶i 网状裂缝。 车辙是渠化交通的高等级公路沥青路面的主要损坏类型之一，反映沥青路面 材料的高温稳定性。当车辙达到定深度时，由于辙槽内积水，极易发生汽车飘 滑而导致交通事故。车辙。般是在温度较高的季节，沥青面层在车辆的反复碾压 下产，l 永久变形和塑性流动而逐渐形成。车辙通常是在伴随着沥青面层压缩沉陷 的尉时，现侧向隆起，：者组合起来构成车辙。 松散剥落是指沥青从矿料表面脱落。在车辆的作用下沥青面层呈松散状态， 以致从路面剥落形成坑川。产生松散剥落的原因丰要是由j 二沥青与矿料之间的粘 附性较莘，在水或冰冻的作用f ，沥青从曰l 料表面剥离所致。 武汉理工大学硕士学位论文 泛油多发生在沥青路面使用2 3 年之后的高温季节。路面使用初期，沥青混 合料性能较好、路面空隙率适中，随着交通荷载和水的作用，使用沥青路面空隙 率降低，矿料间隙率也随之减小，混合料中自由沥青在荷载挤压作用下向路表渗 出。而水和高温作用使沥青脱落、变软加速了泛油的产生。 表面使用功能降低，沥青路面上面层在车轮反复摩擦的作用下，集料表面被 逐渐磨光，构造深度减小，抗滑能力降低，而磨光的集料表面没有沥青膜的覆盖， 表面水更容易进入沥青混合料内部进一步产生沥青路面水损害。 1 1 ，3 沥青路面水损害的原因 沥青路面的水损害可以从两个层面认识。沥青路面在水分存在的条件下。经 受交通荷载和温度涨缩的反复作用，一方面水分逐步浸入到沥青胶结料内部或沥 青与集料的界面上，前者使沥青胶结料变软或乳化，自身粘聚力( c o h e s i o n ) 降 低，后者使沥青胶结料对集料的粘附性( a d h e s i o n ) 下降，二者均使沥青胶结料 容易从集料表面剥落旧i ；另一方面由于车轮荷载产生的水力冲刷作用( 如图1 2 ) ， 加速了沥青膜逐渐从集料表面剥离。并使得集料之间的粘结力丧失而导致路面发 生破坏。 路面孔隙路面孔隙 图1 2 水力冲刷及孔隙压力示意图 由水损害的定义可知，沥青路面产生水破坏的原凶总的来说有以下两个因 素： 方面由于混合料空隙率太大及排水设施不完善而导致自由水侵入并滞留 i 混凝_ i ：之中，属于外因。混合料空隙率较人时，自 水容易进入到沥青混合料 - f ，尤其是混合料窄隙率在7 - 1 2 之问时，进入的自由水不易流出而积存在混 台 ： 内部，使沥青混合$ 饱水率增大，严重时饱水率可达到7 0 左右，几乎相当 j 二室内试验真空饱水后马歇尔试件的饱水率。由j ：混合料空隙率过大和排水设施 小完善而使沥肯混合料内部积存的水成为沥青路面产生早期水损害的根本原因。 n 牟轮倚栽的抽吸i j 负压力和气候变化形成的冻融循环双重作用下，沥青混合料 3 武汉理工大学硕士学位论文 极易发生水损害。 当空隙率越小时，饱水量越少，受冻融危害和程度也较小，当空隙率越大 ( 1 0 以上) 时，饱水量越多且不易流出。受冻融破坏就会越严重。其危害的原 因，不仅是水冻结时，其体积要增加9 的缘故，而主要的是路面表面冻结时， 混合料内自由水与结合水的冻结点温度不同，在渗透作用下，周围未冻结区的水 份会向表面冻结区迁移和集聚，使冻结区水分增加，冻结后，冰晶体体积不断扩 大，使混合料内部产生温度应力，冻胀作用会使沥青层内的微空隙及原始裂缝扩 大，春融季节，冰晶体又转化为流态水引起水稳定性破坏，导致路面的鼓包、开 裂及由于强度降低而引起的车辙、拥包等病害。尤其是在空隙率大。有连通水存 在的地方，这种破坏更严重。 面车轮荷载产生的抽吸式正负压作用无疑加剧了水损害现象的发生。如图， 沥青路面存在着大大小小的空隙，有连通和不连通，当车轮快速驶来，轮底即将 接触整个a 空隙时，a 孔上方的空气和水来不及流走而迅速被车轮压入到a 孔 中，此时a 孔压力大于外界压力，这种正压冲刷会加速集料尖端或裂缝处沥青 膜的剥落；而当车轮将要驶过a 孔时( 我们以b 孔的位置来描述a 孔此地情况) ， 同样车轮快速驶过b 孔，而在此之前b 孔处于较大正压下，随着车轮驶离b 孔， b 孔中的正压释放，水和空气迅速冲出b 孔到达路表，在短时内b 孔会形成负 压，同样这种负压冲刷会加速集料表面沥青膜的剥离而造成水损害。 另一方面由于沥青与集料的粘附性太差而导致水很容易进入沥青一集料界 晰，致使沥青膜剥落而产生路面破坏。 1 2 国内外研究概况 美国早在2 0 世纪2 0 年代就开始在考虑沥青混合料剥落数据的基础上对混合 料的性能好坏进行指标区分，此时水损害已经引起科技工作者重视，而且他们已 经能认识至由于水的存在，使集料表面与沥青的枯结力降低、沥青胶结料本身 的凝聚力下降1 4 j 。早期很多科技人员对此研究有过贡献，r i c e 在1 9 5 8 年对此之 前的研究成果进行了整理，其中，我们熟知的h v e e m 在2 0 世纪4 0 年代对此做 f i ；r 较大贡献，他指出集料与沥青界面的粘附性是影响沥青混合料水稳定性的关 键闪素，也是内在因素，因此应该有许多方法来提高在最恶烈的条件下任何沥青 j 所何集料的粘附性。如果一种成分在炼油厂就加入沥青中这一做法商业i ：可行 的话r 所有的水损害问题就可以解决r ，茧然没有精确的试验方法来验证这种处 胛方法的有效性。 1 9 5 0 年玎发的浸水马歇尔试验成为a s t m 标准下第一个对压实沥青混合料 4 武汉理工大学硕士学位论文 的水稳定性测试试验，1 9 5 8 年t h e l e n 对沥青与集科表面能和它们对键强性能关 系的影响作了一些工作，a n d e r s l a n da n dg o e t z 在1 9 5 6 年利用超声波来评价压实 沥青混合料的抗水剥离能力。同时，t e x a s 大学的k e n n e d y , r o b e r t s 等人又提出 了两种测试方法，即t e x a s 冻融加载试验和水煮法测粘附性试验，前一个试验是 在1 9 8 0 年p l a n c h e r 等人在w r i ( w e s t e r nr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 提出的试验方法上 的改进，后一个试验与1 9 3 7 年s a v i l l ea n d a x o n 所用的试验方法相似1 5 一。 1 9 8 4 年e n s l e y 等人开始对沥青与集料系统的键能测量展开研究，这个时期 些科研工作者也对预测沥青混合料水稳定性的方法进行了综合评价，比如 1 9 8 7 年g h a m y b e h 的工作就是一例，此后直到s h r p 研究成果出台之前，在沥 青混合料水稳定性测试方法上没有多少重大突破。 到6 0 年代，沥青路面科技工作者开始意识到气候和交通荷载对水损害现象 的影响，j o h n s o n ( 1 9 6 9 ) ，s c h m i d ta n dg r a f ( 1 9 7 2 ) ，j i m i n e z ( 1 9 7 4 ，用重复水 压模拟水对沥青混合料水稳定性影响) ，a n dl o t t m a n ( 1 9 7 8 ) 等人对此做了较多 工作，其中l o t t m a n 开发的针对压实沥青混合料经受真空饱水和冻融循环的加 速测试方法在当时是一个突破，而且现在仍被广为接受，t n n n i c l i f fa n dr o o t 在 1 9 8 2 年对液体抗剥落剂的评价基础上，对l o u m a n 的试验方法进和地改进作为 a s t m ( a m e r i c a ns t a n d a r dt e s tm e t h o d s ) 标准，我国目前对水稳定性的检测也 采用这种方法，即冻融条件下的间接拉伸( 冻融劈裂) 试验，以劈裂强度比不小 于8 0 ( 新规范) 作为沥青混合料水稳定性的接受标准。9 0 年代初又开发研究 r h w t d ( h a m b u r gw h e e l t r a c k i n g d e v i c e ) 、沥青路面分析仪和e c s ( e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n i n gs y s t e m ) 。s h r p ( s t r a t e g i ch i g h w a y r e s e a r c h p r o g r a m ) 也采取a a s h t ot 2 8 3 预测沥青路面水损害，a a s h t ot 2 8 3 与l o t t m a n 相似，只是作了一些改进，随着整个s h r p 研究成果的应用，a a s h t o t 2 8 3 也 成为最广为使用的试验方法。 w r i 对沥青化学与粘附性的关系作了较为深入的研究，得出沥青极性物( 注： 沥青在集料表面的粘附是沥青中极性成分在集料表面的定向排列，而极性成分的 定向排列义使沥青中非极性成分的极化) 在集料表面被水的取代与沥青品种有关 1 8 1o w r l 开发了一种快速离心过滤法来模拟沥青极性物被水的取代，结果发现沥 青在集料表面形成不溶性的钙盐最能阻止水损害的发生【6 】 同时，表面能理论重 新作为一个潜在工具来预测沥青在集料表面的剥离。 以卜理论和试验方法对沥青集料系统的抗水损害能力做出了较大的发展， 然而，这些方法都没有考虑交通荷载和水的双重作用对路面水损害的影响，于是 n c h r p ( n a t i o n a l c o o p e r a t i v eh i g i l w a yr e s e a r c hp r o g r a m ) 在适当模拟环境交通 测紊的基础e 对压实沥青混合料开发7 新的测试程序p r o i e c t9 - 3 4 。 武汉理工大学硕士学位论文 近年来，随着我国高速公路的建设规模越来越大，很多高速公路在建成上车 后的较短时间内就出现了车辙、开裂、剥落等早期损坏，人们对此越来越重视。 在“八五”期间，交通部公路研究所与中国气象科学研究院合作，使用全国6 0 0 多个气象台站3 0 年的气象数据进行统计分析，提出了我国“沥青及沥青混合料 气候分区指标”及相应的分区图。由于沥青路面的使用性能除主要受温度影响外， 还与水分有关，因此此次的划分，主要是根据七月平均最高气温、年极端最低气 温和年降水总量三个因素。我国“八五”攻关项目沥青混合料路用性能研究专题 之一，沥青混合料水稳定性能研究，通过大量的试验测定来评价和改善沥青混合 料的粘附特性，同时在对相关试验方法做了全面而深入的探讨的基础上，推荐 8 0 水浸法和搅动水净吸附法作为评价沥青与矿料粘附性等级的标准方法；浸水 马歇尔试验和冻融劈裂试验作为检验沥青混合料水稳定性的标准试验方法。 1 3 本论文研究内容 对于沥青混合料本身来说，改善其水稳定性的方法主要有： ( i ) 使用优质的碱性石料和性能良好的沥青胶结料； ( 2 ) 采用密实性混凝土级配，保证压实度，减小空隙率； ( 3 ) 使用添加剂，提高沥青与石料的黏附性。 其中( 3 ) 包括以下几个方面： 】) 对沥青进行改性，使用改性沥青； 2 ) 沥青中掺加液体抗剥落剂，改善沥青在集料表面的粘附性； 3 ) 使用消石灰对集料进行处理。 以上三种方案中前两种方案目前在国内的高速公路建设中使用比较普遍，用 在表面层，而后一种方法的工程使用相对较少。 在c 人识沥青路面常见病害类型以及分析沥青混合料水损害原因的基础上，基 f 沥青与集料粘附机理，本文探讨了集料一些物化性质对沥青与集料粘附性及沥 青混合料水稳定性的影响，并对抗剥落剂和消石灰改善沥青混合料水稳定性的方 法和效果进行了试验验证。 1 3 1 集料物化性能对粘附性影响 j ) 集料孔隙特征对沥青吸收和沥青混合料水稳定性影响。对集料孔隙特征， 表嘶微观构造进行试验研究，并探讨集料孔隙率、孔径分布特征及表面构造对沥 肯一集料粘附性的影响。 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 集料化学矿物成分对粘附性影响。对榘料化学矿物成分、表面碱值进行 测试，研究集料化学矿物成分对沥青集料粘附性影响。并利用“t e x a s f n 。e z e o t h a wp e d e s t a lt e s t ”试验方法研究化学矿物成分对沥青混台料水稳定性的 影响。 3 ) 沥青在集料表面的接触角试验。利用高温显微镜观察不同温度下沥青在 不同集料表面的润湿情况，分析集料表面性质与沥青在集料表面接触角的关系。 4 ) 集料表面的粉尘对粘附性影响。分析集料表面粘土粉粒的性质及对沥青 在集料表面粘附的影响，对不同砂当量与沥青混合料的t s r 值关系进行试验验 证，说明集料表面粘土粉粒的危害。 1 3 2 石灰对沥青混合料水稳定性改善效果 在分析消石灰改善沥青混合料水稳定性的机理的基础上，对消石灰对沥青胶 浆性能影响进行了试验评价，对消石灰改善沥青混合料的几中方法进行了马歇尔 稳定度试验、冻融劈裂试验及浸水车辙试验，并对几种方法的改善效果进行了比 较，确定一种较为方便可行的处理方法。 1 3 3 液体胺类抗剥落剂对沥青混合料水稳定性的改善 对液体抗剥落剂进行了红外及差热试验分析，对掺加抗剥落剂的沥青的粘 性、耐久性、粘附性及温度敏感性进行了试验研究。对掺加抗剥落剂的沥青混合 料进行了马歇尔稳定度试验、残留稳定度试验和冻融劈裂试验、浸水车辙试验， 评价抗剥落剂对改善沥青混合料水稳定性的效果。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 原材料 第2 章原材料及试验方法 本论文中所用到的原材料及性能指标分述如下。 2 1 1 集料 公路工程中使用的集料一般为天然岩石，岩石是自然界中各种矿物的集合 体，是天然地质作用的产物，一般而言，大部分新鲜岩石质地均较坚硬致密，孔 隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。按其化学矿物成分不同可分为基 性岩、中性岩和酸性岩，抗风化能力和强度特性依次增强。常见的岩石结构类型 有结晶连接和胶结连结两种，前者是通过结最相互嵌台在一起，如岩浆岩、大部 分变质岩及部分沉积岩的结构连结，晶体颗粒问接触紧密，岩石强度较大：后者 是通过胶结物在一起的连接，其强度取决于胶结物及胶结类型。硅质、铁质胶结 的岩石强度较高，钙质次之，而泥质胶结强度最低。 对于s i 0 2 含量较低的碱性石灰岩沥青混合料而言，抵抗水作用下剥离的能 力较好，一般不采用抗剥落措施，所以消石灰作为中、酸性集料添加剂，对集料 表面进行改性，以提高集料表面与沥青的粘附性和水作用下抵抗剥落的能力。 本研究采用一种典型酸性石料石英砂岩和一种中性石料玄武岩，都是湖北省 高速公路工程用石料。石英砂岩取自湖北恩施，玄武岩取自湖北京山。 石英砂岩按分类属于沉积岩( 又称水成岩) 类，是由风化剥蚀作用或火山作 用形成的物质，在原地或被外力搬运，在适当条件下沉积下来，经胶结和成岩作 用而形成的，矿物成分主要是粘士矿物，碳酸盐和残余的石英长石等，具层理构 造，各向异性。石英砂岩细分为碎屑岩类的沉积碎屑岩，砂质结构，硅质胶结， 因其中石英含量大于9 0 ，而长石和岩屑含量小于1 0 ，故为石英砂岩。 所用玄武岩按分类性于岩浆岩中的喷出岩，也夹杂有浅层的辉绿岩。岩浆岩 是由于放射性元素的集料，不断地蜕变而释放出大量的热能，使物质处于高温 ( 1 0 0 0 以 ：) 、高压( ，：部岩石的重量产生的巨大压力) 的过热可塑状态，当 地壳变动时，上部岩层压力一旦减小，过热可塑状态的物质就立即转变为南温熔 融体，称为岩浆，化学成分较复杂。所用玄武岩呈灰黄色，细粒斑状，含较多的 破璃及气孔构造和岔仁构造，其成分以硅、钙、铁、镁、镁为主，呈基性，含斜 k 石，主要矿物为辉石、角舢石和檄榄石，致密坚硬，吸水率较小。石英砂岩与 武汉理工大学硕士学位论文 玄武岩的物化性质列在表2 - 1 和表2 - 2 中。 石英砂岩和玄武岩均是质地坚硬且耐磨性好的石料，从表2 1 的三大力学指 标压碎值、洛杉矾磨耗和极限饱水抗压强度可以襄明两种石料优异的力学性能 从力学性能角度来讲两种石料特别适合于沥青混合料上面层用集料。但是两种石 料与沥青的粘附性等级分别为3 级和4 级，用作沥青路面上面层集料时，在交通 荷载、气候变化及雨水、阳光的作用更容易导致路面性能的衰减，在使用前必须 对这两种集料进行处理，使集科与沥青之间的粘附性更好，抵抗水及其它因素破 坏的能力更强。 玄武岩、石英砂岩、钢渣和石灰岩，前两种为典型的中酸性石料，作为沥青 混合料水稳定性研究的重点，后两种为碱性石料，部分物理性能在相应地方列出。 玄武岩取自湖北京山，石英砂岩取自湖北宜昌，两种石料的物理力学性能及化学 成分见表2 1 和表2 2 。 表2 - 1 石英砂岩和玄武岩的物理性能 表2 2 石英砂岩和玄武岩的化学成分 2 1 2 沥青 采用省内高速公路建设应用较多的二种重交沥青和种改性沥青：k o c h 、 s k 和s ，k o c h 和s k 为a h 7 0 沥青，2 5 针入度范围为6 0 8 0 ( o 1 m m ) 。改 性澌青为p g 7 6 2 2 型，采用k o c h 沥青改性制成，改性剂采用5 的热塑性橡胶 类( 即热塑性弹性体) 苯乙烯一丁_ 二烯苯乙烯嵌段共聚物( s b s ) ，它县有良好的 武汉理工大学硕士学位论文 弹性( 变形的自恢复性及裂缝的自愈性) ，同时兼有高温稳定性和低温抗裂性，已 成为目前最为普遍使用的沥青改性剂。二种沥青的性能指标分别见表2 3 和表 2 4 。 表2 - 3 、2 4 结果可知，k o c h 、s k 、s 三种沥青的性能结果均能达到相应的 沥青技术指标要求，其中s 改性沥青的针入度指数为0 7 ，介于- 2 2 之间，小于 2 为溶胶结结构，大于2 为凝胶结构，按分类s 沥青属于溶凝胶结构，适宜用 作胶粘剂，p i 值太小的沥青一般作灌缝材料，太大则用作涂料。 三种沥青的主要性能指标见表2 - 3 和表2 - 4 。 表2 3 两种重交沥青的技术指标 表2 - 4 改性沥青s 的性能指标 性能指标结果技术指标 针入度( 2 5 。c ，1 0 ( 0 ，5 s ) ( o 1 m m ) 6 44 0 7 5 针入度指数p 1 0 7- 0 2 延度( 5 c m m i n ，5 。c ) ( m m ) 4 23 0 软化点( 环球法) ( ) 7 8 ，6 6 0 j 、 j 点( c o c ) 不小于( ) 3 1 5 2 3 0 动力粘度( 1 3 5 ) ( p a s ) 2 4 3 溶解度( 三氯乙烯) ( )9 9 7 9 9 0 离析，软化点之筹( 4 8 h ) ( ) 0 82 5 弹性恢复( 2 5 ，1 0 c m ) ( ) 9 9 0 8 0 旋转薄膜烘质量损失( ) 0 0 8 o 3 箱试验 针入度比( 2 5 。c ) 8 1 56 5 1 6 3 8 5 m i n 延度( 5 ) ( c m ) 3 1 2 0 j 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 抗剥落剂 两种商用抗剥落剂，k 型产自成都，h 型产自广东，性能结果见表2 - 5 。 表2 - 5h 和k 抗剥离剂的主要性能指标 指标 指标 kh 成分椰子油乙醇酰胺g r i l a r a i d ee l y 6 0 外观棕褐色粘稠液体 比重 0 9 9 9 c m 3 0 9 7 9 c m 3 粘度7 2 4 6 厘泊6 7 1 7 厘泊 凝固点 3 闪点 2 燃点 2 5 0 分解点 2 7 72 3 1 在水中不发生乳化，水中缓慢乳化， 溶解性与热熔状沥青有良好的相溶与热熔状沥青有良好的相溶 性性 腐蚀性对铜及其台金有较轻微腐蚀性，对钢铁和塑料等腐蚀性甚微 本品为碱性腐蚀性液体，对皮肤，眼睛有一定刺激性，应避免 毒性与皮肤直接接触，施工中如遇不适，应离开现场，呼吸新鲜 空气 易与酸性物质反应，不与橡胶，聚乙烯、乳化剂等常用的沥 反应性 青改性剂反应，可与它们混合使用 存放方 法 贮存于带盖密闭窗口内，防水通风并避免与酸性物质接触 存放期 限 7 年 2 1 4 消石灰 石灰是一种气硬性胶凝材料，它是以碳酸钙为主要原料，经过适当的锻烧， 尽j 能分解和排出二氧化碳后得到的成品，其主要成分分解为氧化钙。 c a c o ，趔啦骂c 口d + c 仉t 石灰巾产生钻结性的有效成分是活性氧化钙和氧化镁，它们的含量是石灰质 量的首要指标。本研究所用消石灰是从商业厂家l 购回后经过干燥、球磨和筛分所 得。生石灰和消石灰的分级指标如表2 - 6 。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 6 石灰的分级指标 有效钙加氧化镁含量( ) 不小于8 5 舳7 0 7 56 5 6 56 0 5 56 05 55 0 钙镁石灰的分类界膏浦化镁含量( ) 5 54 4 石灰中有效氧化钙含量的测定：有效氧化钙含量是指石灰中活性氧化钙占石 灰试样的质量百分率。其测定原理是：根据石灰活性氧化钙与蔗糖c - 2 h 2 2 0 1 1 化 合而成水溶性的蔗糖钙c a o - c 1 2 h 2 z o u - 2 h 2 0 ，而石灰中其他非活性的钙盐则不与 蔗糖作用，应用此不同的反应条件，采用中和滴定法，用已知浓度的盐酸进行滴 定( 以酚酞为指示剂) ，达到滴定终点时，按盐酸耗量计算出有效氧化钙的含量。 氧化镁与蔗糖作用反应缓慢，测定时间长，故此法测定的含量实际上以氧化钙为 主。测试结果为c a o 含量为6 0 。 石灰中氧化镁含量的测定：将石灰试样在水中用h c l 酸化，使石灰中的 c a o 、m g o 、f e 2 0 3 和a 1 2 0 3 离解为钙( c a 2 + ) 、镁( m 9 2 + ) 、铁( f e 3 + ) 、铝( a p + ) 离子，然后用- - z , 醇胺和酒石酸钾为掩蔽剂，使铁( f e 3 + ) 、铝( a 1 3 + ) 离子掩蔽， 并尉氨性溶液( n h 4 c l n i - t 3 h 2 0 ) 为缓冲剂使溶液的酸度调至p l - l = 1 0 ，以酸性铬 兰k 奈酚绿b 为指示剂，使钙镁离子生成酒红色的络合物，用e d t a 为滴定剂， 南e d t a 夺取钙镁离子生成钙镁络合物，指示剂还原为蓝色，消耗e d t a 的体 积为v l ( 滴定钙镁含量) 。另取相同体积的溶液，再用n a o h 为缓冲剂，将溶液 调为p h = 1 2 时，并以钙指示剂为指示剂，用e d t a 滴定，使酒红色的钙络合物 还原为蓝色，e d t a 耗量为7 2 ( 滴定钙含量) ，根据v l 、v 2 可计算出氧化镁的 含量。 测试结果为m 9 0 含量为6 7 。 消石灰中c a o + m g o 含量为6 0 + 6 7 = 6 6 7 。则根据石灰分类分级标准， 所用消石灰为i 级镁质消石灰。 其性能试验结果和筛分结果分别见表2 7 、2 8 。 消石灰经过干燥、粉磨并筛分，主要性能指标见表2 7 和表2 - 8 。 表2 7 消石灰的性能测试结果 试验项目 c a ( o h ) 2 含量( ) 静l f = 角( 。) 比表面积( c m 2 g ) 有效钙加氧化镁含量( ) 密度( c m 3 g ) 标 ， 脂一州跚砌枷一一一州跚砌一一 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 8 消石灰的筛分结果 筛孔消石灰通过率 0 6 0 - 3 0 1 5 0 j 0 7 5 9 9 8 8 9 9 7 1 9 8 4 0 9 8 0 0 2 2 试验方法 2 2 1 结构分析与微观试验 ( 1 ) 扫描电子显微( s e m ，s c a 拙i n ge l e c t r o nm i c r o s p e ) 形貌观察，取 5 m m 左右粒状样品，用导电胶将样品粘贴在铜质样品上，真空镀金后在日本产 s x 一4 0 扫描电镜中观察试样表面微观形貌并照像。 ( 2 ) x 射线衍射仪( x r d ，x r a yd i f f r a c t i o n ) ，仪器为日本r i g a k u 公司 生产，定性分析集料的主要氧化物成分。 ( 3 ) 汞压入法( m i p ， m e r c u r yi n t r u s i o np r e s s u r e ) 测定孔结构：实验仪器 采用美国q u a n t a c h r o m e 公司产p o r e m a s t e r 3 3 6 压汞仪，仪器工作参数为：低压 站汞的压力范围为3 5 3 5 0 k p a ；高压站，汞的压力范围为1 4 0 2 3 1 k p a 。样品破 碎为2 5 5 r a m 颗粒，经过1 0 5 烘干2 4 h 即可进行测试。 ( 4 ) 高温显微镜：一定质量的沥青液滴在集料表面呈半球状，在高温显微 镜下逐渐升温，观察沥青在集料表面的铺展情况并拍照，利用图像处理对沥青在 集料表面的接触角进行测试。 ( 5 ) 热重及差示扫描量热分析仪t g d s c ，对液体沥青抗剥落剂在空气中 的热稳定性进行测试。 ( 6 ) 红外分析光谱，中科院上海技术物理研究所研制生产，测试液体沥青 抗剥落剂的胺的类别。 ( 7 ) 原子吸收光谱：测试集料表料中k 、n a 、m n 微量元素含量。 ( 8 ) 化学分析滴定：采用酸碱中和、指示剂及难溶性盐沉淀量对集料中主 爱氧化物含量进行测定。 22 2 物理力学性能试验 材料的常规物理力学性能试验采用公路工程沥青及沥青混合料试验规程 武汉理工大学硕士学位论文 j t j0 5 2 2 0 0 0 ) 有关规范要求进行，相关技术