（道路与铁道工程专业论文）冷铺沥青混合料的水稳定性能研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e d t o 保密2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fp h i l o s o p h y s t u d y o nt h ew a t e rs t a b i li t yp e r f o r m a n c e o ft h ec o l dp a t c hm a t e r i a l s c h o o l ：s c h o o lo ft r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g m a j o r ：r o a da n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：l i uy o n g s u p e r v i s o r ：p r o f m i n gx u e m a r c h ，2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 驯碧 如2 年岁月刃e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 到囊 沙弓年弓月2 , 0 e t 摘要 摘要 沥青路面在长期的使用过程中，在各种因素和车轮荷载的作用下，会出现松 散、坑洞、剥落等病害。路面的破坏不仅会影响道路的整体景观，而且更大的危 害是影响道路的正常交通，造成车辆行驶颠簸，影响行车速度和舒适性。由于储 存式冷铺沥青混合料的诸多优点，使其在沥青路面的维修养护中得到了越来越多 的使用。但由于储存式冷铺沥青混合料本身材料，结构等性质的影响，在降雨较 频繁的地区，储存式冷铺沥青混合料的应用还是有颇多限制。本文在国内外研究 成果的基础上，进一步探讨储存式冷铺沥青混合料水损害和其水稳定性的影响因 素，以期能找到在不影响储存式冷铺沥青混合料其他路用性能的前提下改善混合 料的水稳定性的方法。 本文主要进行了以下三部分的研究工作： ( 1 ) 本文通过室内试验，主要考察了空隙率，级配，级料表面化学性质， 矿粉用量等因素对混合料水稳定性能的影响； ( 2 ) 通过室内试验找出适合评价冷铺沥青混合料水稳定性能的方法，并提 出较为有效的提高措施； ( 3 ) 通过现场试验路的施工，为冷铺沥青混合料的施工提出适当的施工工 艺。 1 通过以上研究，本文基本得出了以下基本结论：空隙率对水稳定性能的影响 最大；试验结果表明浸水马歇尔试验可以作为评价储存式冷铺沥青混合料水稳定 性能的方法；加入适量消石灰或液体抗剥落剂两种方法都可以做为提高抗水损害 性能的改善措施。 关键词：冷铺沥青混合料，水稳定性能，影响因素，抗剥落剂 a b s t r a c t a b s t r a c t a f t e ral o n gt i m et h ea s p h a l tp a v e m e n tu s e d ，i tw i l lo c c u e rm a n yd i s e a s e su n d e rt h e t r a f f i cv o l u m ea n do t h e rf a c t o r s ，s u c ha sl o o s e ，p o t h o l e ，s t r i p p i n g t h e s ed i s t r e s s e sn o t o n l yw e a k e nt h es i g h to l lt h er o a d ，b u ta l s op u tt h en o r m a lt r a f f i cu n d e r t h ed a n g e ra n d m a k et h e ms l o w l y a n di ft h ep o t h o l er e m a i l l su n r e p a i r e d ，t h ed i s t r e s s e da r e ac a n i n c r e a s ei ns i z e ，m a k i n gr e p a i r sm o r ed i f f i c u l ta n dc o s t l y b e c a u s eo fm a n ya d v a n t a g e sf o rt h ec o l dp a t c hm a t e r i a l ，t h e yh a v eb e e nu s e d m o r eu s u a l l yi nt h em a i n t e n a n c ew o r k b u to nt h eo t h e rh a n d ，t h ec o l dp a t c hm a t e r i a l h a sal o to fr e s t r i c t i o ni nt h er a i n i n ga r e af o rt h er a wm a t e r i a la n dc o n s t r u c t t h ep a p e r s t u d i e so nt h ew a t e rd a m a g eo ft h ec o l dp a t c hm a t e r i a la n df a c t o r sw h i c hi n f l u e n c ei t s w a t e rs t a b i l i t y t h ea i mo ft h i sp a p e ri st of i n dag o o dw a yt oi m p r o v et h ew a t e r s t a b i l i t y , a n da tt h es a m et i m e ，i ts h o u l dn o td e c r e a s eo t h e rp e r f o r m a n c e t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ei n s i d et e s t ，s t u a yt h ea i rv o i d ，g r a d a t i o n ，c h e m i cp r o p e r t yo f t h e a g g r e g a t e ，m i n e rc o n t e n t ，w h i c ha f f e c tt h ew a t e rs t a b i l i t yo f t h ec o l d p a t ：唠, m a t e r i a l ； ( 2 ) t of i n da na p p r o p r i a t ew a y t oe v a l u a t et h ew a t e rs t a b i l i t yo ft h ec o l dp a t c h m a t e r i a l ；a n db r i n gf o r w a r de f f e c t i v ei d e at oi m p r o v ei t ； ( 3 ) b a s eo nt h ef i e l d w o r k ，t og e tt h ea p p r o p r i a t ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s f r o mt h er e s e a r c h e sa sa b o v e ，t h ep a p e rf o u n dt h e s ec o n c l u s i o n s ：t h ea i rv o i d w i l li n f l u e n c et h ew a t e rs t a b i l i t ym o s t l y ；t h ei n s i d et e s tr e s u l ti n d i c a t et h a tt h e i m m e r s i o nm a r s h a l lt e s tc a nb eae v a l u a t ew a yf o rt h ep a t c hm a t e r i a l ；a n da d d i n g s o m es l i m eo ra n t i - s t r i p p i n gl i q u i da l s om a k et h ew a t e rs t a b i l i t yi m p r o v e d k e yw o r d ：c o l dp a t c hm a t e r i a l ，w a t e rs t a b i l i t y ，a i rv o i d ，g r a d a t i o n ，a n t i - s t r i p p i n g l i q u i d l i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 概述1 1 2 国内外研究概况3 1 3 本课题的研究意义及研究内容6 第二章冷铺沥青混合料性能简介9 2 1 冷铺沥青混合料使用状况与性能简介9 2 1 1 路面修补材料的受力状况9 2 1 2 冷铺沥青混合料的强度形成特点一1 3 2 1 3 路面修补材料的技术要求9 2 2 冷铺沥青混合料水稳定性能的研究。l5 2 2 1 沥青一集料界面相互作用机理1 5 2 2 2 水稳定性的评价方法一19 2 3 本章小结2 2 第三章原材料及试验方法2 4 3 1 原材料2 4 3 1 1 集料。2 4 3 1 2 沥青2 5 3 1 3 添加剂2 6 3 2 试验方法2 8 3 2 1 配合比设计2 8 3 2 2 冷铺沥青混合料的水稳定性试验方法介绍一3 2 3 3 本章小结一3 4 i l l 目录 第四章冷铺沥青混合料的水稳定性影响因素的试验研究3 6 4 1 冷铺沥青混合料的水稳定性影响因素的试验研究3 6 4 1 1 空隙率对材料水稳定性能的影响。3 6 4 1 2 级配对材料水稳定性能的影响。3 8 4 1 3 集料表面化学性质对材料水稳定性能的影响一4 0 4 1 4 矿粉用量对材料水稳定性能的影响4 2 4 1 5 沥青用量对材料水稳定性能的影响4 4 4 2 本章小结4 7 第五章冷铺沥青混合料水稳定性能的改善方法研究4 9 5 1 消石灰对冷铺沥青混合料水稳定性的影响4 9 5 1 1 消石灰与水泥改善水稳定性能的机理分析。4 9 5 1 2 试验内容与结果。5 l 5 1 3 分析与结论5 2 5 2 胺类液体抗剥落剂对冷铺沥青混合料水稳定性的影响5 3 5 2 1 抗剥落剂改善水稳定性能的机理分析5 3 5 2 2 试验内容与结果：5 4 5 2 3 分析与结论5 4 5 4 本章小节：5 5 第六章工程实例5 6 6 1 工程概况5 6 6 2 冷铺沥青混合料的生产与施工5 7 6 2 1 混合料的现场配合比。5 7 6 2 2 混合料的生产5 7 6 2 3 混合料的现场施工。5 8 6 3 修补效果5 9 l v 目录 6 4 ，j 、结5 9 第七章结论与展望6 0 7 1 内容与结论6 0 7 2 本文的创新点6 1 7 3 问题与体会6 2 参考文献6 3 致谢6 5 个人简历在校期间发表的学术论文和研究成果6 6 v 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 我国公路建设发展迅速，至0 6 年底全国高速公路里程己达4 7 万公里，东部、 南部地区已经初步形成高速公路网，成为仅次于美国的第二大高速公路拥有国， 高速公路事业的飞速发展为我国政治、经济、文化的发展起到了积极的作用。如 此庞大的资产，怎么把它们养护好，让其发挥更大的经济效益和社会利益，也就 显得更加重要。 沥青路面在长期的使用过程中，在各种因素和车轮荷载的作用下，会出现松 散、坑洞、剥落等病害。路面的破坏不仅会影响道路的整体景观，而且更大的危 害是影响道路的正常交通，造成车辆行驶颠簸，影响行车速度和舒适性n 。 目前，路面坑洞的修补主要采用热拌沥青混合料与乳化沥青拌制的混合料， 对于热拌沥青混合料，一般通过拌合楼的方式或者是采用道路养护车的方式来实 现，其中，远离拌合厂的日常小修如果要启动拌合楼的话，十分不经济；另外， 热拌沥青混合料的修补方式很受季节与天气的限制，路面修补施工也比较烦琐； 乳化沥青拌制的混合料则成型慢，容易被车搓散，不适合大交通量地段的维修。 储存式冷铺沥青混合料与普通热拌沥青混合料不同，它是事先将沥青混合料 预拌好，用袋装好储存起来，当发现路面上出现坑洞时，随时运到现场，进行路 面修补。由于平时储存在仓库内，使用时在常温下进行摊铺和压实，因而这种混 合料称之为储存式冷铺沥青混合料“1 “1 。 储存式冷铺沥青混合料是一种在生产后可以预先储存起来再用以进行路面 修补的混合料，这种混合料具有以下特点：是拌好后可包装在密闭的袋内，储 存几个月后仍能保持良好的疏松性，即使结成团块，轻拍后也可以打散；二是在 路面坑洞中摊铺后，经压实即能粘结成型而不松散，具有较高的初期强度。 因此，如果储存式冷铺沥青混合料经试验验证后确实能够很好的协调疏松性 与压实性的矛盾，并且可以解决冷铺方式固有的弱接面的问题，那么无疑储存式 冷铺沥青混合料的路面修补方式对热拌沥青混合料修补方式可以进行很好的补 充。 第一章绪论 储存式冷铺沥青混合料是采用特殊结合料在一定的温度下拌制的沥青混合 料，它典型的特点为如6 1 ： ( 1 ) 疏松性。这种混合料可在常温下密封储存而保持良好的疏松性； ( 2 ) 压实性。在路面修补时将袋内混合料倒入修补坑洞中，压实即可成型； ( 3 ) 修补面位置在行车作用下会进一步压密，强度逐渐提高。如果在路面 修补时，未能使用碾压设备时，路面在使用过程中经行车碾压也会逐渐成型； ( 4 ) 由于在常温下施工，且使用简单工具即可进行修补，使用方便。经过 碾压成型的储存式冷铺沥青路面，具有与热铺沥青路面基本一样的使用性能。 但储存式冷铺沥青混合料在使用中也存在着一些问题，主要表现在被铺筑到 路面之后，很多情况下就又发生坑槽，坑洞，松散等破坏，这些破坏现象或多或 少都直接或间接与水有关，即水的破坏作用是关键因素。沥青路面水损害是指沥 青路面在水分或冻融循环条件下，由于交通动荷载和温湿胀缩的反复作用，进入 路面孔隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的循环作用，水分逐渐渗入沥 青与集料的界面上，并对沥青起乳化作用，导致两者界面上的粘结力逐渐下降， 从而使得沥青混合料强度降低。同时由于水动力的作用，沥青膜逐渐从集料表面 剥离，导致集料与沥青之间的粘结力丧失而发生的沥青膜从集料表面剥离，沥青 混合料掉粒和松散，继而形成坑槽，推挤变形等损坏现象。由于储存式冷铺沥青 混合料中的沥青粘度较小，对抵抗水分的置换能力就不强，而混合料在刚铺筑后 由于比普通的热拌沥青混合料空隙率普遍要偏大，水分极易进入，而且沥青与集 料的粘附性相比热拌沥青混合料较差，在交通荷载的反复作用，气候条件等影响 下，初期水损害的现象更容易发生。 由于储存式冷铺沥青混合料的诸多优点，使其在沥青路面的维修养护中得到 了越来越多的使用。但由于储存式冷铺沥青混合料本身材料，结构等性质的影响， 在降雨较频繁的地区，储存式冷铺沥青混合料的应用还是有颇多限制。国内外学 者在储存式冷铺沥青混合料设计初期也考虑了水稳定性的影响。本文在国内外研 究成果的基础上，进一步探讨储存式冷铺沥青混合料水损害和其水稳定性的影响 因素。综合分析这些因素，以期能找到在不影响储存式冷铺沥青混合料其他路用 性能的前提下改善混合料的水稳定性的方法。 2 1 2 国内外研究概况 早在2 0 世纪3 0 - 4 0 年代，前苏联、美国、英国、日本等国家为实现冬季沥青 路面的简易快速修补，己经对可储存式沥青混合料，诸如常温沥青混合料、低温 沥青混合料、预拌式沥青混合料、冷拌沥青混合料、冷铺沥青混合料、油砾石等 技术进行了研究和应用。 前苏联的研究指出“1 ，冷铺沥青混合料与热铺沥青混合料的根本区别在于， 冷铺沥青混合料使用的结合料为稀释沥青，而热铺沥青混合料使用的结合料为粘 稠沥青；拌制冷铺沥青混合料时必须使用一定量的矿粉，沥青越稀释，越应加大 矿粉用量。分别用粘稠沥青和稀释沥青制备的两种沥青混合料具有相同初始强度 ( 例如r ：。= 3 5 m p a ) ，然而采用粘稠沥青混合料时，矿粉用量应占矿料总量的o 5 ，而采用稀释沥青混合料时，矿粉用量应占1 2 。 英国在1 9 9 6 年1 0 月召开了冷铺和温铺沥青混合料工艺讨论会，讨论会提出“1 的论文主要涉及混合料组成、刨槽修复、人行道以及欧洲大陆有关沥青混合料经 验的概述。他们主要采用乳化沥青作为冷铺沥青混合料的结合料，即侧重于乳剂 型冷铺沥青混合料的研究。目前，英国运输与道路研究所已开发出了永久性冷铺 路面材料( p c s m ) ，并将它用于路面修复和人行道工程。它的优点是具有长期的材 料储存时间，可减少材料的损耗，并使材料运送次数减到最少。但它的结构性较 热拌混合料低。 与传统的热拌沥青混合料相比，冷铺沥青混合料可以减少能源消耗量和c 0 。 排出量，因而受到了日本政府和公众的欢迎。日本大有株式会社提出5 1 了常温 沥青混合料的试验方法和技术标准，但仅限于轻交通道路路面的应急性修补。由 于目前还几乎没有用于重交通道路路面面层的冷铺沥青混合料，于是该株式会社 新的研究目标就是能够用于重交通道路路面修补的材料。 美国的s h a r p 计划就路面养护方面做了有史以来最广泛的试验和研究。数百 篇的论文发表，涉及冷拌临时修补、坑洞修补、冬季修补及相关课题，多数论文 都提到在较冷的气候下道路养护面临的问题。他们通常都对养护混合料的强度做 了测定，但是对混合料在库存中的老化以及混合料老化前后的和易性却很少研 究，只有少部分研究探讨了混合料的库存老化和老化后的混合料与摊铺压实等相 关的特性 1 。 第一章绪论 国外的冷铺沥青混合料大多是采用不同规格的稀释沥青或乳化沥青，通过与 适当的矿料级配拌和而成的。混合料按不同使用目的设计配合比，尽可能提高冷 铺沥青的技术性能，扩展其应用条件，形成了相应稳定的产品系列和成熟的工艺 技术，完成了一定规模的实体工程，取得了经验。然而，大多数冷铺沥青混合料 都存在着修补成本高于热拌热铺沥青混合料的特点，因此在日常养护中难以推广 应用。 我国对沥青路面溶剂型冷铺材料及其工艺的认识是在国外材料供应商进入 中国市场、大力推销冷铺沥青混合料之后开始的，在其研究应用方面也取得了许 多成果。 同济大学的吕伟民、宋建生、长安大学的郝培文、北京建筑工程学院的张新 天、高金岐以及东北林业大学的张海涛等都对溶剂型常温沥青混合料进行了研究 8 1 。东北林业大学试验路铺筑结果表明，溶剂型沥青混合料的力学性能与使用 性能良好，未出现脱落和松散现象，也没有裂缝出现，但因含油量大或有部分混 合料拌合不均匀，而有轻微拥包及泛油现象，但经过一段时间通车后，泛油现象 基本消失。研究结果表明，溶剂型常温沥青混合料是一种良好的养护及筑路新材 料。 在气候寒冷的东北吉林、黑龙江等地都对冷铺材料进行了室内试验和研究， 并把该技术在路线上进行了推广试用，吉林省公路管理局在1 9 9 6 年1 2 月( 气温- 2 5 ) 应用该技术对国道1 0 2 线路面破损进行了修复，从一年多的使用情况来看，路 面修补状况良好。自1 9 9 7 年起，该技术作为吉林省公路养护管理行业重点新技术 在全省推广应用。目前，利用该技术修补沥青路面己达到一定工程量，极大地提 高了沥青路面养护水平，取得了较大的经济效益和社会效益。 山西省公路管理局从1 9 9 4 年开始研究和推广应用冷铺沥青混合料冬季修补 坑槽的技术。并于1 9 9 6 年冬季分别在太长线、1 0 8 国道、3 0 7 线寿阳路段以及交通 量较大的太旧高速公路上进行应用试验，取得了良好效果。存在的问题是：高温 易发软形成油包、粘附性较差。需要对其进行进一步的系统研究。此外，济南、 青岛、烟台、徐州，北京、四川、广东等地方一些公司也成功的开发出了自己的 冷铺材料。 纵观国内外关于冷铺沥青混合料的研究，都取得了丰富成果，也开阔了我们 4 第一章绪论 的思路。这些研究应用大致具有以下特点：( 1 ) 修补为冷铺；( 2 ) 拌和温度1 3 5 - 1 6 0 ：( 3 ) 生产方式为集中生产；( 4 ) 良好的工作性和储存性；( 5 ) 生产成本高。 根据我国道路养护维修的实际情况，冷铺沥青材料用于路面修补，应遵循“价 廉物美 的原则，具体应具有如下特点：( 1 ) 技术性能应符合国家养护规范或满足 养护需求；( 2 ) 修补工程造价应比现行养护方式低或悬殊不大；( 3 ) 生产修补操作 工艺简单易于掌握。 除了以上一些国内外关于冷铺沥青混合料结构组成和使用性能方面的研究 k 之外，同时也对混合料的水稳定性能进行了相关的研究，但是此方面的研究并不 是很多，同时也不是很深入。 前苏联的制备方法侧重与混合料的疏松性，对混合料的水稳定性没有过多的 涉及，只在配合比设计时要求混合料要有水稳定性及实验方法。 美国的s h a r p 计划就路面养护方面做了有史以来最广泛的试验和研究。对于 储存式冷铺沥青混合料的结合料主要采用稀释沥青，他们认为储存式冷铺沥青混 合料的水稳定性主要有以下几个影响因素9 1 ： ( 1 ) 沥青结合料与集料的性质。沥青与集料之间应能形成较大粘接力，并 对集料有良好的粘附性，能够抵抗雨水的侵蚀而不脱落。 ( 2 ) 沥青混合料的操作性能。沥青粘度应便于混合料的拌和与施工操作， 其最大粘度宜不超过6 p a s 。 ( 3 ) 沥青用量。残留沥青含量过少会降低混合料间的粘结力，过多会影响 混合料的和易性，因此，残留沥青含量应有一个最佳值。 在国内，对冷铺沥青混合料的开发比较晚，大约在九十年代初国内才逐渐着 手开发冷铺沥青混合料。近年来国内一些专家学者及有关部门先后研制出多种冷 铺产品，并已成功运用于工程实践中。 同时在储存式冷铺沥青混合料的水稳定性上也有了相应的研究，其结论与美 国的水稳定性要求大多相同1 们1 。 ( 1 ) 沥青与集料应该有良好的粘附性，从而形成较大粘接力，能够抵抗雨 水的侵蚀而不脱落。 ( 2 ) 沥青粘度应便于混合料拌和与施工操作，沥青结合料的粘度宜控制在 5 p a s l o p a s 之间。 5 第一章绪论 ( 3 ) 沥青用量过少会降低混合料间的粘结力，过多会影响混合料的和易性， 因此，残留沥青含量应有一个最佳值。如同济大学吕伟民，李立寒老师等曾对冷 铺沥青混合料强度形成机理做过比较系统的理论分析1 2 1 钉，指出冷铺沥青混合 料本质上是以沥青为介质的粘结体系，其粘结力主要来源于沥青的分子作用，在 充分湿润的情况下，沥青分子的稠密程度是决定粘结力大小的主要因素，其次温 度，外部压力，沥青膜厚度( 沥青用量) ，矿料级配等都对混合料的粘结力有影 响，这些都是冷铺混合料水稳定性的影响因素。 世界各国对沥青混合料水敏感性的评价提出了许多理论和方法。但是目前还 没有一种公认的标准理论和方法。通常采用的方法可归纳为两大类n 4 1 5 1 ： 第一类是沥青一矿料的粘附性试验。这类试验方法主要是用于判断沥青与 粗、细集料( 不包括矿粉) 的粘附性。试验采用的沥青一矿料试样，都是个别的裹 覆有沥青的矿料，并不压制成试件。多数的粘附性试验是将涂有沥青的集料在受 控制的条件下浸水。经过一段时间后测出其剥落程度。测试技术对试样的挑选、 浸水的条件和评定剥落程度的方法各有不同。这些试验均把被裹覆的集料浸入水 中。还有些方法是试图在水中以沥青裹覆集料，所得到的裹覆程度被作为粘附指 数。这类方法常见的有水煮法、静态浸水法等。 第二类是沥青混合料的水稳性试验。这类试验方法适用于级配矿料与适量沥 青经拌合制成混合料试件，然后测定沥青混合料在水的作用下力学性质发生变化 的程度作为水稳定性指标，以表征沥青与矿料的粘附性。这类方法与沥青路面使 用状态较为接近。这类方法包括马歇尔试验、劈裂试验、浸水抗压试验、德克萨 斯承台冻融试验、洛特曼试验、改进的洛特曼试验、浸水车辙试验等。 同时，公路沥青路面施工技术规范n 1 1 也要求储存式冷铺沥青混合料良 好的耐水性能，混合料按水煮法或水浸法检验的抗水剥落性能( 裹复面积) 不得小 于9 5 。 1 3 本课题的研究意义及研究内容 在前人研究的基础上，对冷铺沥青混合料的材料组成、结构、性能做进一步 分析研究，根据混合料配合比设计试验结果，并根据粘附一剥落机理，并参照国 内外较为成功的评价技术，通过室内试验，分析并比较空隙率，级配，级料表面 6 第一章绪论 化学性质，矿粉用量等因素对冷铺沥青混合料水稳定性的影响，同时提出一种方 便操作且快速有效的冷铺沥青混合料水稳定性评价方法；最后还采用添加消石灰 和添加胺类抗剥落剂这两种方法来改善冷铺沥青混合料的水稳定性能，并进行室 内试验和理论分析，对两种改善方法进行了对比。 此外，本文还通过现场试验路的施工，为冷铺沥青混合料的施工提出适当的 施工工艺，并对它的经济与社会效益进行综合分析。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 沥青与矿料常规指标以及非常规指标测定，包括矿料的矿物学成分、 表面粗糙度、孔隙率、吸水率和沥青的针入度、软化点、延度等； ( 2 ) 对冷铺沥青混合料的材料组成、结构、性能做进一步分析研究； ( 3 ) 进行混合料配合比试验、车辙试验来确定合理的混合料级配以及用油 量。 ( 4 ) 不同类型级配混合料的浸水马歇尔试验、真空劈裂试验，并进行理论 分析； ( 5 ) 分析集料的表面化学性质、混合料空隙率、矿粉用量、沥青用量等因 素对混合料水稳定性的影响； ( 6 ) 通过现场试验路的施工，为冷铺沥青混合料的施工提出适当的施工工 艺。 具体地，本文分为以下几个部分： 第一章绪论：主要介绍本文研究的背景和意义；冷铺沥青混合料的应用以 及其水稳定性能的研究现状和存在问题，并对全文框架作简要说明； 第二章冷铺沥青混合料简介：对冷铺沥青混合料的受力状况、强度形成机 理、相关技术要求等进行阐述，并重点提出水稳定性能对于冷铺沥青混合料的重 要性，并对国内外的相关研究成果进行归纳，为后面的室内试验提高理论依据和 解决思路。 第三章原材料及试验方法：主要介绍了室内试验所需的各种材料、并根据 规范要求对相关性质进行了测定；并进行了混合料的配合比设计以及简要介绍了 本文所适用的两种水稳定性能评价方法。 第四章冷铺沥青混合料的水稳定性影响因素：主要是对影响冷铺沥青混合 7 第一章绪论 料水稳定性能的几个影响因素进行了室内试验，并根据试验结果做了相关的理论 分析。 第五章冷铺沥青混合料水稳定性能的改善方法探讨：采用添加消石灰和添 加胺类抗剥落剂这两种方法来改善冷铺沥青混合料的水稳定性能，并进行了室内 试验和理论分析，此外，还对两种改善方法进行了对比。 第六章本章主要介绍了本论文所依托项目的概况、以及冷铺沥青混合料的 现场生产与施工情况，并通过图片的方式简要介绍了生产、修补的具体步骤、以 及修补后的效果。 第七章结论与展望：全文工作成果总结，以及对下一步工作的展望。 8 第二章冷铺沥青混含料性能简介 第二章冷铺沥青混合料性能简介 2 1 冷铺沥青混合料使用状况与性能简介 2 1 1 路面修补材料的技术要求 路面产生坑槽破损不仅严重影响了路面的表面功能和使用品质，而且容易引 发交通安全问题，造成路面更严重的破损。对路面坑槽进行修补，其最终目的可 归纳为以下几各方面，恢复路面的表面功能；恢复路面的局部强度和承载能力， 对路面进行封闭处理以防止水损害，避免路面引发更严重的破损1 1 5 1 。 为了使坑槽修补能达到理想的维修效果，修补材料必须满足一定的技术要 求。根据坑槽修补材料受力状况分析结果，同时考虑到水、温度、紫外线、氧气 等自然因素的影响，一般认为，路面坑槽修补材料应符合以下四个技术要求1 1 6 | ( 1 ) 修补材料应具有足够的强度 填补在坑槽中的修补材料在交通荷载和水损害的双重影响下，承受着各种应 力、应变的作用。为了弥补坑槽处原有沥青路面强度及承载能力的不足，修补后 坑槽中的填补材料应形成一个整体或板块，使修补材料能够起到很好的传递外界 荷载的作用，故修补材料应具有足够高的强度。如果修补材料为沥青混合料，则 修补材料中矿质集料间应具有较大的嵌挤力和摩阻力，沥青与矿料间应具有较大 的粘聚力。 ( 2 ) 修补材料应具有良好的高温稳定性和低温抗裂性 在夏季的高温条件下，为了保证坑槽中的修补材料在车辆荷载的作用下不致 产生诸如波浪、推移、车辙、泛油、粘轮等破坏，修补材料应该具有良好的高温 稳定性。同时，在冬季的低温天气，修补材料易变脆变硬，为防止其产生温度裂 缝，坑槽中的修补材料应具有良好的低温抗裂性。 ( 3 ) 修补材料应具有较强的耐水性 水损害是路面产生早期坑槽破损的最根本原因，为了防止水的侵蚀作用造成 己修补坑槽再次出现修补材料掉粒和松散等破损现象，修补材料应该具有较强的 耐水性。当修补材料为沥青混合料时，则要保证沥青与矿料间具有较强的粘附性， 9 第_ 二章冷铺沥青混合料性能简介 以抵抗水对沥青的置换。 ( 4 ) 修补材料应具有良好的耐老化性 坑槽内的修补材料在使用过程中，由于长期暴露在大气中，在空气、紫外线、 温度和水等环境因素的综合作用下，修补材料很容易发生性质变化，导致其各项 性能劣化。为了提高己修补坑槽的耐久性，防止修补坑槽过早出现再破损，修补 材料必须具有良好的耐老化性，具有保持其使用性能稳定或较小发生质量变化的 能力。 上述各项坑槽修补材料的技术要求大都是彼此独立的，而且有些( 比如高温 稳定性与低温抗裂性) 还相互对立。坑槽修补材料要同时满足所有技术要求很难， 需要满足哪几项，应结合坑槽修补的时机、气候条件以及路面的等级来选择确定。 比如在南方热带地区，坑槽修补材料应突出对高温稳定性的要求；在北方寒冷地 区，应强调对低温抗裂性的要求：而在潮湿多雨地区，应该重点要求坑槽修补材 料的耐水性。 2 1 2 路面修补材料的受力状况 对路面坑槽破损进行修补后，坑槽中的修补材料与周边的原有材料存在有界 面结合和材料变异性问题，同时承受着正常的交通荷载及外界环境荷载的综合作 用。修补材料将收到下述外力作用： 1 压、拉应力作用 在交通荷载作用下，沥青路面坑槽内修补材料受到较大压应力，如图2 - 1 、 图2 2 所示： 图2 1沥青路面在轴载作用下的压应力图2 2 沥青路面面层在车轮下的受力状态 沥青路面在不同轴载作用下不同深度面层材料的压应力分布情况见图2 3 1 1 5 1 0 由图2 3 可以看出：坑槽修补材料上部o - - - 5 c m 范围内承受的压应力最大，深 度超过l o c m 后其受到的压应力减弱许多；而且轴载越大，修补材料受到的压应力 l o 第二章冷铺沥青混合料性能简介 越大。所以，在压应力作用下，坑槽修补材料表面层最容易产生压密变形，且重 载或超载会产生较大压密变形的深度增加。 罐窿洄时 图2 3 不同轴载作用下面层( 1 5 c m ) 中压应力分布曲线 理论和实践都表明，在移动车辆荷载作用下，沥青路面坑槽内修补材料各点 处于不同应力应变状态( 如图2 2 所示) 。在图2 2 中，路面面层底部b 点处于三 向应力状态。车轮作用于其上时b 点受到全拉应力作用，车轮驶过后应力方向 旋转，量值变小，并有剪应力产生。当车轮驶过一定距离后，b 点则承受主压应 力作用，b 点应力随时间变化曲线如图2 4 所示。路面表面上a 点则相反，车轮 驶近时受拉，车轮直接作用时受压，车轮驶过后又受拉，a 点应力随时间变化曲 线如图2 5 所示。 爪 一 、正上方时_ 一厂对面t 一正上方时时唑 l。j 一 图2 - 4b 点应力随时间的变化 图2 5a 点应力随时间的变化 车辆驶过一次就使坑槽修补材料出现一次拉压应力循环。坑槽修补材料在整 个使用过程中，长期处于拉压应力( 应变) 重复循环交替变化的状态。所以，在拉 压应力作用下，坑槽修补材料如同周边原有材料一样，有不断产生疲劳破坏的趋 势。 2 、剪应力作用 第二章冷铺沥青混合料性能简介 在车辆荷载作用下，坑槽修补材料在不同深度处还受到不同大小的剪应力作 用，如图2 - 6 所示1 1 5 1 0 轴载越大，材料受到的剪应力越大。图中曲线自下而上相 应的轴重为1 0 0 k n ，1 1 0 k n ，1 2 0 k n ，1 3 0 0 ，1 4 0 k n ，1 5 0 k n ，1 6 0 k n ，1 7 0 k n 和 1 8 0 k n 。在剪应力作用下，修补材料有被剪切破坏的趋势。 簇熟、 彦甍蓉漱 ，蕊心汛 一j 湖 r 一- 图2 - 6 不同轴载重下面面层( 1 5 e r a ) 中剪应力分布曲线 3 、水侵蚀作用 当路面坑槽修补处有路表水时，行驶车辆会将水挤入修补材料的表面空隙或 从其表面空隙吸出，使修补材料受到不问断的水力冲刷作用1 1 5 1 。同时，当修补 材料表面封闭孔隙中充满水时，在车辆荷载作用下还会在孔隙中产生压力和负 压，如图2 7 所示。在水和交通荷载的共同作用下，即在形成的水侵蚀作用下， 坑槽修补材料粘结力下降，并有可能使其表面修补材料产生松散、剥落。 图2 7 坑槽修补材料受水侵蚀作用 4 、受路面修补边界应力作用 当行驶的车辆接近或驶离新料( 坑槽修补材料) 与旧料( 原有路面材料) 界面接 缝时，界面接缝将受到拉应力、剪应力作用，如图2 8 所示1 1 5 1 。在拉应力作用下， 新旧材料界面接缝有被拉开并出现破损的可能；在剪应力作用下，新旧材料界面 接缝有被剪开而出现破损的可能。 1 2 z，-_警裔t 第二章冷铺沥青混合料性能简介 图2 8 新旧料壁面接缝受拉应力、剪应力作用 当车辆行驶在沥青路面坑槽修补材料表面上时，修补材料底部与坑槽底面的 接缝受到拉应力的作用，如图2 - 9 所示。当车辆驶过后，底面接缝将受到剪应力 作用。在此剪应力作用下，底面接缝有被剪开并使新旧材料在底面失去粘结的可 能。 图2 - 9 新旧料底面接缝受剪应力作用 2 1 3 冷铺沥青混合料的强度形成特点 冷铺沥青混合料其强度构成因素与热沥青混合料一致，同样是材料的内聚力 c 和内摩阻力巾。不同的是，由于内聚力和内摩阻力有一个变化过程，在初期和 后期对混合料强度的贡献不同。冷铺沥青混合料强度形成具有以下特点1 1 5 1 k 1 6 1 ( 1 ) 具有时间性和过程性 在修补到路面破损处时，其强度是逐渐形成的。由于混合料中含有有机溶剂， 所以当混合料修补到路面破损处时，在行车荷载和环境温度的综合作用下，随着 有机溶剂的不断挥发，其强度快速增长。经过一段时间，当混合料中的有机溶剂 完全挥发完后，其强度才能最终形成。而热沥青混合料在摊铺碾压成型后，温度 急速冷却，强度完全形成，其强度形成具有瞬时性的特点。 ( 2 ) 常温下经压实可形成一定的强度 在没有外力作用时，冷铺沥青混合料呈现疏松状态，可在常温下长期存储。 热沥青混合料不能在常温下存储，只能随需生产。当冷铺沥青混合料被修补到路 蒌册甜川山 一。嘴一 - “啊，。盥 一 “僦一 第二章冷铺沥青混合料性能简介 面破损处后，能够在常温下压实，经压实的冷铺沥青混合料还具备初步承受荷载 的能力。而热沥青混合料的压实成型则需要在较高温度下进行，其在常温下无法 实现。 ( 3 ) 初始强度低 冷铺沥青混合料的初始强度是指冷铺沥青混合料被修补到路面破损处，第一 天的强度。冷铺沥青混合料在修补到路面破损处后，经过压实虽然具备了一定的 强度，但强度较低。其主要原因是冷铺沥青混合料中存在有机溶剂。目前，冷铺 沥青混合料初始强度低的特点，己为许多养护部门所关注，是否可以应用于路面 破损修补正是本课题研究的核心内容。 冷铺沥青混合料的强度形成受到诸多因素的影响，其中主要因素包括养生条 件、冷铺沥青的粘度和用量、集料等。养生条件：养生条件主要是指温度、风、 汽车轴重、车速等环境因素。在强度形成过程中，温度越高、风力越大、轴重越 重、车速越快，则比混合料中的有机溶剂挥发就越快，越有利于强度形成。 冷铺沥青的粘度和用量：在影响冷铺沥青混合料强度的诸多因素中，冷铺沥 青的粘度和用量是最为关键的因素。冷铺沥青的粘度过大，则其在常温下不能和 集料进行充分的裹覆，从而影响到冷铺沥青混合料强度的形成；冷铺沥青的粘度 过小，则其在混合料中容易产生流淌，使混合料出现不易压实等现象，也会影响 到冷铺沥青混合料强度的形成。 冷铺沥青混合料的强度形成与冷铺沥青用量也有很大关系，在材料性能相同 的情况下，冷铺沥青沥青用量过高或过低都会降低混合料的强度。冷铺沥青沥青 用量太大时，自由沥青过多，沥青膜厚，混合料中剩余空隙率小，有机溶剂不易 挥发，这会使混合料强度降低；反之，如果沥青用量过少，则不足以形成理想的 沥青膜裹覆矿料，故混合料强度较低，同时还缺乏足够的耐久性和储存性，因而 在设计混合料时，冷铺沥青沥青用量要适度。 集料对冷铺沥青混合料强度形成的影响主要表现在集料的物理特性和集料 的级配两个方面。一般而言，采用表面粗糙且级配良好的集料而生产的冷铺沥青 混合料，不但具有坚实的矿质骨架网络，而且混合料的密实度也相对较高，因此 其强度形成较好。 通过对冷铺沥青混合料强度形成特点及其影响因素的分析，有助于我们对冷 1 4 第二章冷铺沥青混合料性能简介 铺沥青混合料配合比进行合理的设计，有效地控制冷铺沥青混合料的修补质量水 平，保证其维修路面良好的使用品质。 2 2 冷铺沥青混合料水稳定性能的研究 冷铺沥青混合料水损害产生的原因和发展过程也是多种因素共同作用的结 果，从而对此形成一个较为正确认识是非常必要的，这关系到能否有效改善冷铺 沥青混合料的水稳定性和防治修补后沥青路面水损害现象。 2 2 1 沥青一集料界面相互作用机理 沥青一集料之间的相互作用是沥青混合料结构形成的重要因素，它直接影响 着沥青混合料的强度、温度稳定性、水稳定性以及抗老化性等基本的路用性能。 因此，深入研究沥青一集料之间的相互作用机理，充分认识并积极利用与改善这 个作用过程具有十分重要的意义1 1 8 1 9 1 。 沥青一集料之间的相互作用主要包括“粘附和“剥落”这两种最基本的、 互为矛盾体的作用。借鉴界面科学的研究成果，并结合沥青和集料自身的特点， 通过国内外科研工