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(道路与铁道工程专业论文)沥青混合料高温特性研究(1).pdf.pdf 免费下载
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文档简介
摘要 高温季节在车辆荷载的反复作用下,沥青路面很容易产生过大的永久变形或车 辙,这也是其典型破坏特征之一。 本文通过试验分析了克拉玛依a h 9 0 # 、克拉玛依a h 7 0 # 和s b s 改性沥青及其 老化残留物,找到合适的评价沥青老化的高温指标,并分析了老化对沥青高温性质的 影响。选取路面面层常采用的a c - 1 3 级配,通过马歇尔试验和车辙试验分析了三种 沥青混合料的高温力学性能和高温稳定性,并且研究了老化对沥青混合料高温性能的 影响。在不同荷载下进行了车辙试验和浸水车辙试验。分析了沥青混合料在重载条件 下的高温性能,以及高温与水耦合作用对沥青混合料高温稳定性的影响。通过对沥青 的高温性质以及混合料的高温性能研究,分析了沥青对混合料高温性能的影响,研究 了沥青不同高温指标与混合料高温性能指标的相关关系,并且找出了与沥青混合料高 温性能联系最密切的沥青高温指标。 通过以上研究发现,沥青的蠕变劲度粘性分量g ,( f ) 和零剪切粘度z s v 对评价沥 青及其老化残留物的高温性质有较好的效果,并且与沥青混合料的高温性能关系良 好;老化后沥青混合料的高温性能改变;重载、水、热对沥青混合料高温稳定性影响 很大。 关键词:沥青混合料;高温性能;老化;b u r g e r s 模型;浸水车辙试验;蠕变劲 度模量粘性分量 a b s t r a c t u n d e rt h ei n n u e n c eo fr e p e a t e dt r a 丘i cl o a d i n gd u r i n gh i g ht e m p e r a t u r es e a s o n ,t h e e x c e s s i v ep e 肌a l l e n td e f o m a t i o no rm t t i n gm a yb ec a u s e de a s i i y a n dt h i si s o n eo ft h e t y p i c a ls y m p t o m so fa s p h a l tp a v e m e n td 锄a g e t h i sp 印e ra i l a l y z e dm eh 诎t e m p e r a t u r ep e 墒n n a n c eo fk e l 锄a y ia h 7 0 撑,a h 9 0 撑, s b sm o d i f i e da s p h a l ta 1 1 dm e i ra g e dr c m a i n sb ye x p 嘶m e n t s a n df o u i l dt h ea p p r o 研a t e i n d i c a t o rf o rh i g ht e m p e r a t u r ep e r f b m a l l c eo fa g e d 唧h a l t n l eg r a d ea c 1 3w a ss e l e c t e d 1 1 1 eh i g ht e m p e r j m 鹏m e c h 孤i c sa i l ds t e a d yp e r f i o 咖觚c e 、v e r ea 1 1 a l y z e db ym a r s h a lt e s t s 锄dm 1 t i n gt e s t s t l l i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h ee 疏c t so fa g eo nm e l l i g hp e r f o 蛐觚c eo ft h e h o tm i ) ( e d 雄a l t t l l i d u g hm t t i n gt e s t s 龇l di m m e r s e m t t i n gt e s t sa td i f r e r e n tt e m p e r a t u r e s 锄d1 0 a d s ,t h ep 印e ra n a l y z e st h ei n f l u e n c e so fs e v e r ec l i m a t i cc o n d i t i o n sa l l d 仃a m c c o n d i t i o n so np e 姗觚e n td e f 0 肌a t i o no fh o tm i x e da s p h a l t ( h m a ) a tm es 锄et i m e ,t h e c o u p l i n ge f r e c t so 仆i 曲一t e m p e r a t u r ea 1 1 dw a t e ro np e 肌a i l e n td e f o 肌a t i o no fa s p h a l tm i x e s w e 尬i i e s t i g a t e d t h r o u g ht l l ei n v e s t i g a ! t i o no nt h eh i 曲t e m p e r a t u r ep r o p e n i e sa i l dp e r f o n l l a l l c eo f a s p h a l ta i l dt h e 瑚雌,t h ep a p e ra 1 1 a l y z e dt h ee 疏c t so fa s p h a j to nt l l ep e r f o 册a n c eo ft h e m 俄a n dt l l ep a p e ri n v e s t i g a t e dm ec o r r e l a t i v i t i e so fd i 虢r e mi n d i c a t o r st ot h eh i g h t e m 阿咖r ep e r f o n l l a l l c e so ft h eh m a n l e nf o u n d b e t t e ri n d e x e s :g ,( ,) a n dz s vw h i c h c o i m e c t e dt h eh i g ht e n l p e r a t u 托o ft h eh m a f e h c i t o u s l y a n df o u n dt h a ta g ec o u l di m p r o v e 啦h i g ht e m p e r a t u r ep e r f o 肌a n c eo fh m a a n dt h a th i 曲t e m p e r a t u r e ,h e a v yl o a da l l d w a t e rh a db a de 丘、e c t so nt l l ep e r f o m l a n c eo fh m a k e y w o r d s :h o tm i x e da s p h a l t ;h i 曲t e m p e r a t u r ep e r f o n l l 舭c e ;a g e ;b u r g e r s m o d e l ; i m m e r s i o nm t t i n gt e s t ;v i s c o u sc o m p o n e n to ft h ec r e e ps t i a h e s s 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入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;名p 匍需 洲年,月9 日 论文知识产权权属声明 本人在导烬指导下历完成的论文及相关的职务作品,知识产权j 黯 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: 名 ) 淘管 驴5 年f 胃f 臼 导筛签名:多7 牟 最a 石叫1 年f 月f 7 三l 第一章绪论 第一节问题的提出 自上个世纪九十年代以来,我国公路建设迅速发展,特别是高等级沥青路 面发展迅猛。但是沥青路面的破坏也在增多,高温破坏方面车辙现象较突出, 另外沥青路面在水、热、荷载综合作用下破坏严重。 沥青混合料是一种粘弹性材料,其物理力学性能与温度、荷载以及荷载作 用时间密切相关。沥青路面在使用期间,需要经受低温、高温等不同环境条件 的考验。通常所说的“沥青混合料高温稳定性能”的“高温”条件是指在使用 过程中受到交通荷载的反复作用,容易产生车辙、推移、拥包等永久变形的温 度范围。道路使用实践表明【3 】,在通常汽车荷载条件下,永久变形主要在夏季 气温高于2 5 3 0 左右,即沥青路面的路表温度达到4 0 5 0 以上,已经 达到或超过道路沥青软化点温度的情况下产生,且随着温度升高和荷载加重, 变形也愈大。在我国,大部分地区夏季最高气温能达到3 5 4 0 以上,沥青 路面的最高温度要比最高气温高2 5 ,可能达到6 0 6 5 以上。一年之中会 有数十天乃至一百余天超过这个温度,有些地方尽管一年之中也许仅仅只有几 天达到这样的气温条件,也难逃高温变形破坏的厄运【3 】。在许多国家,高速公 路路面维修、罩面的原因中,车辙的比率高达8 0 以上,可见沥青路面高温问 题之严重。 沥青混合料高温性能与沥青高温性质有密切的关系,根据相关文献【孙,沥 青混合料的高温稳定性能,实际上是抵抗车辆反复压缩变形及侧向流动的能力。 它首先取决于矿料骨架,尤其是粗集料的相互嵌挤作用,同时沥青结合料则起 到阻碍混合料发生剪切变形的牵制作用,因而两者都是十分重要的。在通常情 况下,矿料级配的贡献率占到6 0 ,沥青结合料则提供4 0 的抗车辙能力。尤 其是对许多密实型的密级配沥青混凝土来说,粗集料是呈悬浮型结构状态,相 互嵌挤作用相当有限,沥青结合料的高温劲度就起到更为重要的作用。 国内外对沥青及沥青混合料的高温性能还在不断的深入研究中。特别是对 改性沥青和改性沥青混合料的高温性能还没有完善、成熟的研究,大量沥青路 面还需铺筑。而且由于沥青混合料所固有的粘弹特性、影响沥青路面高温稳定 性、水稳定性因素的多样性、车辙形成的复杂性等,使得永久变形成为一个世 界性的难题,防治沥青路面的车辙也成为世界各国公路技术人员的重要研究课 题。 沥青混合料的拌和、摊铺、碾压以及使用过程中都存在老化问题,混合料 的老化主要是沥青的老化。沥青混合料老化后的高温性能还没有详细的研究资 料,沥青老化对沥青混合料高温力学性能和沥青混合料高温稳定性指标的影响 有待进一步研究。 在我国绝大部分地区,高温季节同时又是多雨季节,沥青路面在水的作用 下,由于汽车车轮动态荷载的作用,进入路面空隙中的水不断产生动水压力或 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,沥青膜从石料表面脱落剥离,沥青混合料掉粒松 散,继而形成沥青路面的坑槽、推挤变形等损坏现象。沥青混合料在水、热、 荷载综合作用下的破坏也比较严重。 综上所述,有必要对沥青混合料在老化及各种不利环境状态下的高温性能 进行详细的研究。以便于更全面的掌握沥青混合料高温性能,从而达到提高沥 青路面服务水平,降低养护成本,促进经济发展的目的。 第二节国内外研究现状 1 对沥青及沥青混合料高温性能的研究现状 国内外评价沥青的高温性质所用的指标主要有针入度指数、软化点、6 0 粘度,以及由s h r p 试验中d s r 试验取得的复数剪切模量g + 和相位角6 ,主 要是车辙因子g + ,s i n6 ,还有目前欧洲正在研究的零剪切粘度( z s v ) 等。 我国一般采用针入度、软化点和6 0 粘度等指标来评价沥青的高温性质, 用针入度指数p i 评价沥青的感温性能。国内学者在积累了一定的指标数据之 后,开始对沥青和改性沥青的针入度、软化点、粘度等指标与车辙因子g t ,s i n 6 之间的相关性展开研究。并且研究了沥青和改性沥青的常规高温指标与沥青 混合料的高温指标之间的相关关系,以确定用沥青或者改性沥青的某些高温指 标来评价预测沥青混合料的高温稳定性。取得了一定的成果。有研究认为【1 2 】温 度敏感系数a 、针入度指数p i 与抗车辙因子g + s i n6 之间不存在明显的相关性。 而6 0 动力粘度和g ,s i n6 之间有较好的相关关系。软化点温度的高低从一个 侧面反映了改性沥青的高温技术性能。由于不同的改性沥青的软化点存在较大 差异,而且这种差异正确地反映了改性剂剂量和种类的影响,所以使得用软化 点来评价改性沥青的高温性能成为可能。事实上,t r b 和g + ,s i n6 之间的确存 在相关关系。研究还认为表征沥青高温性能的动力粘度、g s i n6 与混合料的 动稳定度之间亦存在良好的相关性。 美国在1 9 8 7 年推出了战略公路研究计划( s h l 冲) ,其研究结果表明常规的 沥青试验指标不能反映沥青的流变性能,因此它提出了以流变学为基础的车辙 因子,疲劳因子,蠕变劲度等与路面性能密切相关的流变学指标。 但是随着改性沥青的大量应用以及试验研究的进一步发展,人们发现s r p 试验指标在评价改性沥青的高温性能时存在一定的局限性,即s h l 冲的高温指一? 标不能准确地评价改性沥青的高温性能。s h r p 高温指标在评价普通沥青的高遗 温性能特别是预估普通沥青混合料的车辙方面具有相当高的可靠性。暑 因此,s 瑚心新的评价体系的提出并没有对沥青高温性能评价指标的研究 画上句号,反而引发了更多的研究热点。目前主要有3 个研究方向:对车辙 因子( g s i n6 ) 的否定研究:对g + s i n6 的改良与修正研究;试图建立新 的高温性能的试验方法与评价指标。【2 8 】 在建立新的沥青高温性能评价指标方面,欧洲和国内一些研究单位对沥青 的零剪切粘度做了一定的研究。发现无论采用哪种方法( 低频率下的蠕变蠕变 恢复或动态模式) ,都说明了零剪切粘度和道路永久变形之间的密切联系。s h r p 在进行p g 性能分级时可能出现鱼目混珠、良莠不齐的现象,而零剪切粘度排除 了沥青弹性的影响,因此具有更好的适用性。而且有研究发现在评价沥青高 温性能及对车辙的预估方面:零剪切粘度最好,软化点次之,s h r p 车辙因子 ( g s i n6 ) 最差。 在对改性沥青的研究方面,目前国内外改性沥青的研究热点主要集中在以 下几个方面: 改性沥青的生产研究:这包括常规改性沥青生产工艺上的改进,新型改性 沥青的寻找与研究,这一点在国内的改性沥青研究中尤其成为各沥青生产企业 的研究热点。 改性沥青的机理研究:包括改性沥青改善性能的机理,改性沥青在生产、 加工、存贮与使用中形态与性能所发生的变化及发生变化的原因。 改性沥青的性能评价:主要集中s b s 、s b r 等改性沥青使用性能的评价,其 集中点在于他们长期性能如何,孰优孰劣。在高温性能评价方面目前还没有公 认的特别好的评价指标及评价体系。 改性沥青评价方法的研究与评价:一方面是对常规的试验方法进行修正, 以适于改性沥青的评价,另一方面是推出新的评价方法。 沥青混合料的高温性能和温度、荷载、荷载作用时间、沥青、集料、水等 因素有关。国内外对这几方面都有较多的研究。 可用于沥青混合料高温稳定性试验的方法很多,其中车辙试验是沥青混合 料高温稳定性试验中应用最普遍也是最常见的一种试验方法。其他试验方法还 包括试验室圆柱试件的单轴静载、动载、重复试验,三轴静载、动载、重复试 验,径向静载、动载、重复试验,简单剪切的静载、重复加载和动力试验。此 外还有中空圆柱试件的动力、剪切试验,棱柱梁试件的弯曲蠕变试验,大型环 道、直道试验设备的足尺路面高温性能试验和现场试验路面的加速车辙试验等。 美国s h r p 沥青项目在研究过程中,采用了轴向压缩蠕变、轴向压缩重复 荷载、剪切蠕变、剪切重复荷载、径向蠕变等试验方法来研究沥青混合料的永 久变形特性,以后在扩大试验中又使用了恒高度简单剪切试验、单轴应变试验、 体积( 静水压) 试验、频率扫描试验、恒高度简单剪切重复荷载试验等。 目前评定沥青混合料高温稳定性的指标主要有以下几个方面: ( 1 ) 经验法评述,包括:高温抗压强度与软化系数法、马歇尔法、三轴剪 切法。 ( 2 ) 高温抗剪切评价。 ( 3 ) 沥青混合料永久变形评价方法,包括:蠕变、车辙试验、简单剪切试 验等。 其中,我国常规的评价高温稳定性的指标是马歇尔法的稳定度和流值,及车 辙试验的动稳定度和车辙深度。 沥青混合料车辙试验最早是由英国道路研究所建立的一种试验方法,它能 较好地反映沥青混凝土路面在车轮重复荷载作用下发生塑性流动变形( 车辙) 所致永久变形的累积过程,故沿用至今,也是沥青混合料高温稳定性试验中必 不可少的一项。 对车辙试验的研究也体现在对试验方法的改进和对试验设备的改良上。在 试验方法上出现了浸水车辙试验,有效的模拟了沥青混合料在水热综合作用下 的情况,能较好的反映沥青混合料在水热综合作用下的性能表现。可以同时评 价沥青混合料的耐久性和稳定性。 在车辙试验设备的改良方面,出现了汉堡车辙试验系统。汉堡车辙试验系 统是目前世界上最先进的沥青混合料高温车辙试验设备之一。它主要进行浸水 车辙试验。自动化和数据采集精度进一步提高,功能更强大。它与我国目前广 泛使用的车辙试验有以下不同之处。 ( 1 ) 汉堡车辙试件成型机采用揉搓的压实方式,我国目前广泛使用的车 辙成型机采用轮碾方式,采用揉搓方式压实与实际施工时的压实方式更加接近。 ( 2 ) 汉堡试件空隙率一般为7 0 2 o ,试件尺寸一般为3 2 0 衄2 6 0 啪, 高度从3 8 唧1 0 0 哪不等,也可以使用旋转压实试件和现场取芯试件。我国目 前广泛使用的车辙试验试件一般为3 0 0 咖3 0 0 姗5 舢,适用试件比较单一, 空隙率根据马歇尔试验而定与实际情况相差较大。 ( 3 ) 汉堡试验中,轮子往复运动频率为5 0 5 次分钟,我们现在经常使 用的车辙试验轮子往复运动频率为4 2 1 次分钟,即模拟的车速不同。汉堡试 验要求车辙仪走完2 0 0 0 0 次或者最大变形达到4 0 9 0 珊时停止,最后计算出评 价指标为蠕变斜率( c r e e ps l o p e ) 、破裂斜率( s t r i p p i n gs l o p e ) 和破裂变形 点s i p ( s t r i p p i n gi n f l e c t i o np o i n t ) ,我国目前广泛使用的车辙试验要求 车辙试验一般进行6 0 m i n 或者最大变形达到2 5 m 时停止,最后计算出评价指标 为动稳定度d s 或者车辙深度r d 以及永久变形率。 流变学理论和高温蠕变试验研究方面建立了沥青混合料的伯格斯模型,用 以从流变学方面评价沥青混合料的高温性能,建立了伯格斯模型的参数与车辙 试验数据之间的相关关系。用于建立车辙预估模型。 2 沥青混合料高温稳定性的影响因素 沥青混合料高温性能研究的另一大热点就是对混合料高温稳定性及其影响 因素的研究,主要有以下几个方面。 ( 1 ) 沥青混合料类型的影响 对密级配的沥青混凝土来说,如果集料是悬浮在沥青胶( 砂) 浆中,嵌挤 作用不能很好形成,沥青的作用将成为主要因素。 对于以集料嵌挤作用为主的沥青碎石、贯入式及沥青玛蹄脂碎石混合料 ( s m a ) 、大孔隙排水式沥青混合料( 0 g f c ) ,高温稳定性能主要依靠粗集料 的嵌挤作用,一般具有较高的抗车辙能力。 据s 冲的研究,通常情况下,合理的密级配混合料的高温稳定性要优于 间断级配的混合料,只有s m a 例外。 传统的想法认为集料越粗对抗车辙越有利,但是车辙试验表明,对a c 一1 3 、 a c 1 6 、a c - 2 5 混合料d s 并没有什么差别【3 】。 美国的西部环道试验证明1 2 】,热拌沥青混合料在最佳沥青用量,空隙率8 时,粗级配的车辙深度最大,细级配次之,中级配最小。 我国也有试验结果表明,在最佳沥青用量时,在不同粒径的混合料中,中 粒式沥青混凝土的高温抗车辙能力最好,其次是细粒式,粗粒式反而最差【引。 h u b 盯和h e i m a i l 在加拿大研究辙槽时,用回归分析法和界限分析法得出i 2 】, 沥青混合料的界限空气率是最小4 ,矿料间隙率的界限值为最小1 3 5 ,饱和 度的界限值是最大8 0 ,破碎面的界限值是最小6 0 。 英国布朗和科伯的蠕变试验结果表明【2 】,用针入度l o o 和2 0 0 沥青的沥青混 合料在永久变形方面没有明显差别;集料级配对永久变形有显著影响,间断级 配混合料的永久变形明显大于密级配混合料。 影响辙槽的另一个因素是,在一些使用传统连续级配沥青混凝土的工程上, 小于o 0 7 5 m m 的粉料( 填料) 用量过多【2 】。 天然砂和未破碎砾石含量多的沥青混凝易产生过大的辙槽,在传统连续 级配沥青混凝土中通常限制天然砂的含量为1 0 2 0 ,对于重交通道路需按低 限控制。 美国西部环道( w e s tt r a c k ) 粗级配混合料的过早辙槽破坏分析表明,沥青 含量过大和压实度太小是粗级配混合料产生严重辙槽破坏的主要原因【2 】。 ( 2 ) 材料 通常,破碎、坚硬、纹理粗糙、多棱角、颗粒接近立方体的集料,相应的 沥青混合料高温性能就比较好。有研究认为,在集料组成中,破碎的细集料比 破碎的粗集料对改善沥青混合料的高温性能更有利,表明中等颗粒采用破碎集 料更重要。 沥青用量对混合料的抗车辙能力有极为明显的影响,适当减少沥青用量, 加大压实功,使混合料充分嵌挤,又没有留下大的空隙率是提高沥青路面高温 稳定性能的重要措施。 有研究人员认为脚,密级配混合料使得集料颗粒间具有较多接触点,因此比 断级配或开级配混合料更稳定。 有研究人员建议【3 】,沥青混合料的空隙率应接近4 ,最低不能少于3 , 空隙率小于3 的混合料发生车辙的可能性明显增大。但如果通过采用较多沥青 而使混合料空隙率满足要求,这样的混合料同样是不稳定的。 除v m a 极端小( 小于1 0 ) 的情况外,增大v m a 将能使混合料的抗车辙 能力增强。 2 0 世纪8 0 年代,美国开始研究采用大尺寸碎石沥青混合料做沥青面层的中 层和底层,以增加沥青路面的抗辙槽能力,减轻大交通量公路上热拌沥青混合 料面层产生的严重辙槽,试验结果表明1 2 l : 沥青混合料的稳定度和抗拉强度都随矿料间隙率v m a 增加而减小,通 常较细集料的v m a 较大,因此,沥青混合料的稳定度和抗拉强度随集 料尺寸减小而减小。 不同矿料混合料的永久变形随矿料间隙率v m a 增加而增大,沥青混合 料的单位重随集料尺寸增大而增大。 在任一给定沥青含量的条件下,混合料的矿料间隙率v m a 和空隙率v 。 随集料尺寸增大而减小,虽然较大尺寸集料( 最大粒径3 8 1 m m ) 沥青 混合料的沥青含量明显小于最大粒径1 2 7 m m 沥青混合料的沥青含量, 两种沥青膜的厚度基本相同。 用直径1 5 2 4 m m 试件做蠕变试验结果表明,永久变形( 荷载作用1 2 0 m i n 时形变与原始高度的比值) 随集料最大尺寸d 增大而减小。 回弹模量与最大集料尺寸之间有良好的相关性。 最大集料尺寸1 9 m m 以上应用直径1 5 2 4 h 蚰的试件;从而减小试验数值 的变异性。 我国交通部公路研究所王旭东博士用国产7 0 号重交通道路石油沥青( 中海 3 6 i 高级沥青) 、s b s 改性沥青分别与3 种不同级配矿料制成沥青混凝土试件, 以及在纯沥青混凝土中添加木质素纤维或博尼纤维制成混凝土试件,并进行轮 辙试验,计算d s 及荷载轮作用3 0 0 0 0 次时的永久形变( 以试件原厚度的百分 率表示) ,结果表明【2 】: 不管用什么级配,使用改性沥青时,混合料的抗辙槽能力显著大于用纯 沥青的混合料的抗辙槽能力。 混合料中添加木质素纤维和博尼纤维没有改善混合料的抗辙槽能力,特 别是添加木质素纤维后,混合料的抗辙槽能力还明显降低。 s a c 1 6b 为全断级配混合料,用纯沥青时,其混合料抗辙槽能力显著 低于一般的粗集料断级配( 如s a c 1 6 和s a c 1 6 a ) 。 沥青针入度越大,混合料的粘结力越小,沥青混合料的强度或抗辙槽能力 就越差。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 的抗永久变形能力还强,故1 9 9 2 年法国正式制定使用针入度1 5 的沥青制作高 模量沥青混凝土规范,同时将底面层厚度减少l 4 【2 】。 法国l c p c j f c o n e 等用纯沥青5 0 7 0 、多级沥青、硬沥青和s b s 改性 沥青做室内车辙试验和室外环道试验,车辙试验结果表明: 荷载轮作用3 0 0 0 次时,改性沥青混合料的试验结果大致相当,最大差 别仅为2 6 。 与参比沥青混合料比,改性沥青混合料的辙槽深度约减少7 0 。 荷载作用3 0 0 0 次时,不同沥青混合料的辙槽深度产生了显著变化。硬 沥青、多级特种沥青和添加塑性废料的沥青混合料永久形变小。 ( s b s 和e v a ) 聚合物改性沥青混合料的辙槽线很典型,荷载轮作用 3 0 0 0 次后,辙槽很快增长。 环道试验采用两种轮:宽胎单轮和标准双轮;轮压均为0 8 5 m p a :加载力 分别为:4 5 5 k n 和6 0 k n ;接地面积分别为:6 3 6 c m 2 和5 6 7 c m 2 ;接触压力为: o 6 7 m p a 和0 5 7 m p a 。环道试验结果表明: 荷载作用1 0 0 ,0 0 0 次产生的辙槽为最终辙槽的8 0 9 0 ,因此采用开 始 1 0 0 ,o o o 次时的辙槽进行对比。 用l o ,2 0 沥青的高模量沥青混凝土( e m e ) 的抗辙槽能力最强,多级混 凝土次之,s b s 改性沥青混凝土的抗辙槽能力也显著优于纯5 0 7 0 沥青 混凝土。 加载v 增加,辙槽深度减小,4 0 5 0 鼬n m 内v 每增加1 5 ,辙槽深度 减小2 0 3 5 。 宽单轮的形变明显大于标准双轮产生的形变。 沥青混凝土中的温度没有达到足够高时,不会产生辙槽。用纯沥青5 0 ,7 0 时,沥青混凝土的表面温度高于4 0 4 5 时,有一定的辙槽敏感性; 低于4 0 4 5 时,不产生明显辙槽。 ( 3 ) 气候 有资料认为,在4 0 6 0 范围内,沥青混合料的温度上升5 ,其变形将 增加2 倍。 研究表明,路面在潮湿状态下,沥青混合料的水敏感性增大,同时使高温 稳定性也降低。尽管下雨能使路面温度下降,但有水状态比干燥状态将容易产 生车辙。 ( 4 ) 荷载 交通条件对沥青路面高温性能的影响可以归结为荷载、轮胎气压、行车速 度、车流渠化等。 第三节主要研究内容及研究方案 1 主要研究内容 本文主要研究内容包括以下几个方面: ( 1 ) 对普通沥青和s b s 改性沥青的高温性质进行研究,并且研究老化后 普通沥青和改性沥青的高温性质。 ( 2 ) 研究沥青混合料在高温区的性能表现。 ( 3 ) 研究老化对沥青混合料高温性能的影响。 ( 4 ) 在我国公路工程沥青及沥青混合料试验规程所规定的车辙试验方 法的基础上进行改进,在不同的温度和轮压下进行车辙试验和浸水车辙试验研 究,以分析恶劣的气候与交通条件对沥青混合料抗车辙性能的影响。 ( 5 ) 对采用同一级配和沥青用量的沥青混合料制成的试件,分别在不同的 温度下进行浸水与不浸水的车辙试验,用以研究高温与水的耦合作用下对沥青 混合料车辙性能的影响。 ( 6 ) 研究同一种级配下,沥青性质对混合料高温性能的影响。 2 研究方案 本文通过测定克拉玛依a h 9 0 # 、克拉玛依a h 7 0 # 和s b s 改性沥青三种 沥青试样及其老化残留物的高温指标综合评价这些沥青试样的高温性质,通过 测定同一种级配( a c 1 3 ) 下三种沥青混合料的马歇尔稳定度和动稳定度等高 温指标评价沥青混合料试样的高温性能。通过对沥青混合料试样进行不同程度 的老化来研究老化对沥青混合料高温性能的影响。通过改变试验条件研究在恶 劣环境条件下的沥青混合料高温性能。通过对沥青高温性质和沥青混合料高温 性能指标之间的关系分析沥青性质对沥青混合料高温性能的影响。具体技术路 线如下图所示: 图卜1 技术路线图 1 沥青 第二章原材料和试验方法 第一节原材料技术性质 本研究基质沥青采用克拉玛依a h 9 0 。沥青、克拉玛依a h 7 0 4 沥青。参照重 交通道路石油沥青的技术指标,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 ) 相关试验的要求进行沥青常规试验,并要求结果满足公路沥青路面 施工技术规范( j t gf 4 0 一2 0 0 4 ) 相关技术要求,试验结果见如下各表。 克拉玛依9 0 号沥青常规试验结果表2 1 项目试验结果规范要求 针入度( 1 5 ,l o o g ,5 s ) ( o 1 m ) 3 0 54 0 印 针入度( 2 5 ,1 0 0 9 ,5 s ) ( 0 1 哪) 8 9 58 0 1 0 0 针入度( 3 0 ,1 0 0 9 ,5 s ) ( 0 1 咖) 1 4 5 61 3 0 1 5 0 针入度指数 一o 8 4一1 5 + 1 o 软化点( 环球法) ( ) 4 5 34 5 延度( 1 5 ,5 c m m i n ) ( c m ) 1 5 01 0 0 延度( 1 0 ,5 c m m i n ) ( c m ) 1 5 02 0 密度( 1 5 ) ( g c m 3 ) 0 9 8 3 实测记录 薄膜加热试验 质量变化( ) o 0 6o 8 残留针入度比( ) 7 3 65 7 ( 1 6 3 ,5 h ) 残留延度( 1 5 ,5 c 皿m i n ) ( c m ) 5 2 62 0 注:本标准参考沥青路施工技术规范中a 级标准规范要求。 克拉玛依 h 一7 0 沥青常规试验结果表2 - 2 项目试验结果规范要求 针入度( 2 5 ,1 0 0 9 ,5 s ) ( o 1 m ) 6 56 0 8 0 针入度指数 一o 5 91 5 + 1 o 软化点( 环球法) ( )4 8 34 6 延度( 1 5 ,5 c 耐m i n ) ( c m ) 1 5 0l o o 延度( 1 0 ,5 c n l ,m i n ) ( c m ) 3 8 52 0 密度( 1 5 ) ( g c m 3 ) 0 9 8 6 实测记录 质量变化( ) 一0 0 1 3o 8 薄膜加热试验 残留针入度比( ) 7 7 8 6 l ( 1 6 3 ,5 h ) 残留延度( 1 5 ,5 c m m i n ) ( c m ) 5 7 21 5 残留延度( 1 0 ,5 c m m i n ) ( c m ) 1 4 1 4 注:本标准参考沥青路施工技术规范中a 级标准规范要求。 本研究采用的改性沥青为西安石化的成品改性沥青,其基质沥青为西安石 油化工总厂生产的l o o # 石油沥青,改性剂为韩国锦湖s b s 改性剂,改性剂的剂 量为3 ,其技术要求和试验结果如下表所示: s 盼改性沥青常规试验结果表2 3 项目试验结果 规范要求 针入度( 2 5 ,1 0 0 9 ,5 s ) ( o 1 ) 9 2 8 0 1 0 0 针入度指数 一0 6_ 0 8 软化点( 环球法) ( ) 6 15 0 延度( 5 ,5 c r n m i n ) ( c m ) 5 24 0 延度( 1 5 ,5 c m 椭i n ) ( c m ) 1 5 01 0 0 运动粘度1 3 5 ( p a s ) l - 9 53 溶解度( 三氯乙烯) ( ) 9 9 89 9 密度( 1 5 ) ( 咖m 3 ) 1 0 1 8 实测记录 闪点( 开口) ( ) 2 6 32 3 0 弹性恢复2 5 ( ) 7 0 6 0 r t f ( ) t 质量变化( ) 一0 4 6 + 10 ( 1 6 3 , 残留针入度比2 5 ( ) 6 35 5 8 5 m i n ) 残留延度( 5 ,5 c 瑚m i n ) ( c m ) 3 02 5 注:本标准参考沥青路施工技术规范中a 级标准规范要求。 2 集料 本研究所采用的集料为陕西泾阳产的石灰岩,经筛分后逐级称量回配。矿粉 为石灰石磨制而成,集料各项指标均符合规范要求。集料的技术性质试验按照公 路工程集料试验规程( j t j0 5 8 1 2 0 0 0 ) 和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 ) 的要求进行。 石料主要技术性质试验结果一 表2 4 试验项目 单位测试值规范要求试验方法 石料压碎值 ( ) 1 4 32 8 t 0 3 1 6 洛杉矶磨耗损失 ( )1 4 8 63 0t 仍1 7 石料磨光值 ( b p n )3 9 4 2 ( 高等级公路) t 0 3 2 l 对沥青的粘附性 |4 级4 级 t 0 6 1 6 通过4 7 5 m 筛孔矿料砂当量 ( )6 6 3 6 0 t 0 3 3 4 石科主要技术性质试验结果二表2 - 5 石料筛余孔径 试验项目单位测试值规范标准 试验 ( m m ) 方法 表观密度( g c m 3 ) 2 8 2 42 5 0t 0 3 0 4 毛体积密度 ( g c 一) 2 8 0 6t 0 3 0 4 1 6 0 吸水率 ( ) 0 2 43 0t 0 3 0 4 针片状含量 ( ) 4 21 5t 0 3 1 2 表观密度( g c m 3 ) 2 8 1 92 5 0t 0 3 0 4 毛体积密度( g c m 3 ) 2 8 0 3t 0 3 0 4 1 3 2 吸水率 ( )o 3 53 ot 0 3 0 4 针片状含量 ( )4 81 5t 0 3 1 2 表观密度( g c m j ) 2 8 1 82 5 0t 0 3 0 4 毛体积密度( g c m 3 )2 8 0 3t 0 3 0 4 9 5 吸水率 ( )o 3 83 ot 0 3 0 4 针片状含量 ( )7 11 5t 0 3 1 2 表观密度( g c m 3 ) 2 8 2 02 5 0t 0 3 0 4j 毛体积密度( g c m 3 ) 2 7 9 lt 0 3 0 4 4 7 5 吸水率 ( )0 5 33 ot 0 3 0 4 针片状含量 ( )7 51 5t 0 3 1 2 2 3 62 7 9 32 5 0t 0 3 2 8 1 1 82 7 9 72 5 0t 0 3 2 8 0 62 7 9 62 5 0t 0 3 2 8 表观密度( g c j ) 0 32 7 8 32 5 0t 0 3 2 8 0 1 52 8 2 02 5 0t 0 3 2 8 o 0 7 52 8 1 62 5 0t 0 3 2 9 矿粉筛分试验结果表2 6 筛孔孔径( m m ) 1 1 80 60 3o 1 5o 0 7 5 i 通过百分率( )1 0 01 0 0l o o9 8 59 5 2 矿粉无团结现象,表观密度为2 8 2 6 9 c m 3 ( 试验方法为t 0 3 5 2 ) 。 - 1 4 1 沥青老化方法 第二节试件制备与试验方法 热拌沥青混合料是在加热的条件下使沥青和集料充分并且均匀的拌和,然后 铺筑成路面,铺筑在公路上的沥青已经不再是原样沥青,而是老化沥青。经过 t f o t 或者r t f o t 的沥青可以模拟热拌沥青混合料铺筑后三年内的沥青老化程 度,而经过p a v 后的沥青可以模拟更长期的老化程度。 本研究为了找寻老化对沥青的高温性质及对沥青混合料的高温性能的影响 规律,对沥青进行了不同程度的老化,研究了短期老化和长期老化沥青的高温性 质,分析了短期老化和长期老化沥青对沥青混合料高温性能的影响,比较了原样 沥青和老化沥青的部分高温指标。本研究中所使用的沥青老化方法依照公路工 程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 和沥青粘结剂压力老化容器 加速老化试验法并参考a s t m 的要求进行。短期老化沥青采用r t f o t ( t f o t ) 后的沥青,长期老化沥青采用p :a v 后的沥青。 2 马歇尔试验 马歇尔试验已经在实践中应用了多年,并积累了丰富的经验,如今多用来确 定最佳沥青用量,因此本研究采用马歇尔试验来确定最佳油石比。 ( 1 ) 试验设备 采用沥青自动拌和锅拌和沥青混合料,马歇尔自动击实仪击实,自动马歇尔 仪采集试验数据。 ( 2 ) 试件制备 马歇尔试件按公路工程沥青及沥青混合料规程( j t j0 5 2 2 0 0 0 ) 要求制备, 试件直径巾= 1 0 1 6 m m ,高度为6 3 5 士1 3 m m ,采用重型击实标准,即两面击实 各7 5 次。 ( 3 ) 试验方法 选择五个油石比3 5 、4 o 、4 5 、5 o 、5 5 分别制作试件,测定其密度、空隙 率、沥青饱和度等物理指标,以及马歇尔稳定度、流值等力学指标,由此确定最 佳油石比。并进行车辙试验检验其高温稳定性,浸水马歇尔试验和浸水车辙试验 以检验其水稳性。 根据已确定的矿料级配和沥青用量,采用标准马歇尔试件实测毛体积密度作 为控制标准,甩轮碾仪制成3 0 0 m m 3 0 0 m m 5 0 咖板,碾压次数均控制到混合 料与试模齐平。 3 沥青混合料高温稳定性试验的选择 沥青混合料永久变形评价方法主要有:单轴静态蠕变试验、单轴重复加载试 验、单轴动态加载试验、三轴静态有侧限蠕变试验、三轴重复加载试验、三轴动 态加载试验、轮辙环道试验、车辙室内实验等。可见实验方法很多,但作为实用、 有效的目的,选用的实验方法应具备以下特性:最能反映沥青混合料的高温性 能;试验结果与实际路面永久变形有较好的相关性;要求实验方法要尽可能 地简单、适用、易于推广,这包括以下方面:试件制作容易、使用材料少、泼各 简单、最好能使用现场取样的钻芯试件。应依据这些原则对上述试验进行综合评 价。美国加利福尼亚大学贝克莱分校的j b s o u 鼢等对前述试验方法进行综合评 述,给出了排序结果l l l ,如表2 2 1 所示。 永久变形的各种实验方法比较表2 7 实验方法模拟现场 简单性综合排序 单轴静态( 蠕变) 、重复、动态实验 5l3 三轴静态( 有侧限蠕变) 、重复、动态实验 43 42 环道实验 l5 不适合常规使用 径向静态( 蠕变) 、重复、动态实验 524 中空圆柱体试件动力、剪切实验 25 不适合常规使用 简单剪切静态( 蠕变) 、重复、动态实验 3 3 4 1 近些年来,随着对沥青混合料高温车辙现象的研究的深入,越来越多的试验 室利用单轴高温蠕变试验和b u r g e r s 模型对沥青混合料的高温稳定性进行综合研 究。单轴高温蠕变试验虽然在模拟现场时不好,但是其方法操作简单,易于实现, 利用b u r g e r s 模型对其试验数据进行分析,可以充分模拟沥青混合料的高温粘弹 性能。 本研究所采用的沥青混合料高温蠕变试验的仪器是美国产万能材料试验机 m r s 8 1 0 。m t s 8 1 0 材料试验机为电液伺服闭环控制,静、动态多用途万能试验 系统。加载部分( 作动缸臆接器) 经过高精度的激光校准,消除了因对中误差 引入的弯矩,保证了试验结果的准确。液压作动缸本身经特殊工艺处理,专利技 术的推力轴承,保证作动缸无液压油泄漏。该机设有手动和计算机自动控制两种 操作方式。主控计算机采用建立在w i n d o 、v sn t 基础上的o s ,2 操作系统,自带 多个软件包,可以实现预定载荷谱加卸载试验的程序控制;能方便地进行控制与 试验数据观察之间的切换,并能对试验曲线坐标进行适时变换。该机配有多种夹 具、引伸仪及环境温度箱,大大提高了测试精度和材料的试验温度范围,被广泛 地用于各种工程材料的力学性能测试工作。多种参量控制方式,如载荷控制,位 移控制,应变控制,任意输入参量控制;多种数据采集方式,如等间隔采集,等 时间采集,峰谷值采集,最大最小值采集;自带数采通道,也可外接自备数采设 备。m t s 的任何传感器,都采用多档标定技术。使大级别传感器作小量程标定 后,具有小级别传感器的精度。 ( 1 ) 整体图( 2 ) 延伸放大仪 图2 1 耵s 一8 1 0 材料试验机 主要性能指标: 主机载荷容量:士2 5 0 k n ,液压动作行程:土1 5 0 m m 载荷传感器精度:优于0 5 ,环境温度范围:12 9 。c + 5 4 0 0 c 本研究中蠕变试件采用静压成型,试件为庐1 0 c m 1 0 c m 的圆柱形。试验 温度为6 0 0 c 。试验采用荷载为o 1 m p a 。恒载时间为3 6 0 0 s ,空载时间为1 8 0 0 s 。 表2 7 中未列出室内车辙试验的排序,把车辙试验与表中的实验方法进行比 较,得出以下结论:尽管车辙试验与其他试验相比,它不能获得材料的基本力学 参数,不能用来估计车辙变形发展,但从模拟现场看,车辙试验仅次于环道试验 而优于其他所有实验方法;从简单性看,车辙试验次于单轴试验和径向试验而优 于其他试验。综上所述,本研究采
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