（模式识别与智能系统专业论文）现场热再生改性沥青路面的低温性能研究.pdf

人连i 早上人学硕士。位沦文 摘要 旧沥青路面的再生利用既可以保护环境又可以节约自然资源，从经济效益与社会效 益角度来看都有明显优势。在寒区，低温抗裂性能是沥青路面的关键路用性能之一，老 化对其有重要的影响。本文依托国道1 0 2 线就地热再生项目，对现场热再生混合料的低 温性能进行研究。 对再生沥青混合料的高温稳定性能、水稳定性能及疲劳性能进行检验，分析了再生 剂和改性剂对混合料相关路用性能的改善。通过老化试验和低温劈裂试验比较老化及新 料、再生剂、改性剂的添加对再生混合料低温性能的影响。考察弯曲试验的评价指标， 借用灰色理论的方法对各指标参数与弯曲应变能密度临界值的相关性进行分析，发现破 坏应变与应变能密度的关联度较高。考虑影响混合料低温性能的4 个相关因素沥青 种类、老化情况、空隙率和成型温度进行试验研究，针对上述因素的不同水平设计4 因 素3 水平的正交试验。通过低温弯曲试验得到各因素对沥青混合料低温性能的影响程度， 对各因素水平的指标值进行比较，分析它们与混合料低温性能指标间的关系，以此找出 制备具有较好低温性能的再生混合料的条件，改善再生混合料的低温性能。预估路面的 低温开裂指数和破坏温度应力，并优化路面结构的组合。 根据试验结果，8 0 旧料掺量下混合料的高低温及水稳定性能均满足规范要求，改 性剂的添加对再生混合料的各项性能有显著改善，老化大大降低了沥青混合料的低温性 能，而较高的成型温度和接近4 的窄隙率有利于再生混合料的低温性能。 关键词：现场热再生；老化试验；低温性能；灰色理论；正交试验 现场热冉乍改性i j j j 青路砷n 低温性能研究 r e s e a r c ho np e r f o r m a n c eo fh o ti n - p l a c er e c y c l i n g m o d i f i e da s p h a l tp a v e m e n ta tl o w t e m p e r a t u r e a b s t r a c t r e c y c l i n go l da s p h a l tp a v e m e n tc o u l dn o to n l yp r o t e c te n v i r o n m e n tb u ta l s oc o n s e r v e n a t u r a lr e s o u r c e s ，s ot h e r ea r eo b v i o u sa d v a n t a g e si nt h ea s p e c t so fe c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s a n t i c r a c k i n ga tl o wt e m p e r a t u r ei sac r i t i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n t ， a n da g i n gi so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c ei t sp e r f o r m a n c e b a s e do nt h e h o t i n - p l a c er e c y c l i n ga s p h a l tp a v e m e n t p r o g r a mo fn a t i o n a lr o a dg 10 2 ，p a v e m e n t p e r f o r m a n c ea tl o wt e m p e r a t u r ei sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h i st h e s i sa n a l y s e st h ed e g r e eo f p a v e m e n tp e r f o r m a n c e i m p r o v e db yr e c y c l i n ga g e n t a n d m o d i f i e rb ym e a n so f t e s t i n gh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，w a t e rs t a b i l i t ya n df a t i g u ep e r f o r m a n c e c o m p a r a t i v er e s u l t sb e t w e e na g i n gt e s t sa n ds p i t t i n gt e s t s ，w h i c ha r ei n f l u e n c e db yt h en e w a d d i n gm i x t u r e ，r e c y c l i n ga g e n t ，m o d i f i e ra n da g i n g ，a r ep r e s e n t e d t h ec o r r e l a t i o no fi n d e x e s a n dc r i t i c a ls t r a i ne n e r g yd e n s i t yi sa n a l y z e db yg r a yt h e o r yi nb e n d i n gt e s t s i ti sc o n c l u d e d t h a td a m a g e ds t a i ni sh i g h l yr e l a t e dw i t lc r i t i c a ls t r a i ne n e r g yd e n s i t y t h e nf o u rf a c t o r sw h i c h a r ea s p h a l tm i x t u r et y p e ，a g i n g ，a i rv o i d sa n dm o l d i n gt e m p e r a t u r eo r ec o n s i d e r e dt oa r r a n g e o r t h o g o n a lt e s t si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n so ff o w f a c t o r sa n dt h r e el e v e l s a f t e r w a r d s ，o nt h eb a s i s o fc o m p a r i n gv a l u e so ft h ei n f l u e n c ei n d e x e s ，a p p r o p r i a t ec o n d i t i o n so ft h em i x t u r e c o m p o s i t i o nh a sb e e nf o u n do u ti no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h em i x t u r ea tl o w t e m p e r a t u r e f i n a l l y ，t h et h e s i sp r e d i c t st h ec r a c k i n gi n d e x e sa n dt h ef a i l u r et e m p e r a t u r es t r e s s ， a n do p t i m i z e st h ec o m b i n a t i o no fp a v e m e n ts t r u c t u r e b a s e do nt h et e s tr e s u l t s ，t h em i x t u r e sw h i c hc o n t a i n8 0p e r c e n t so ft h eo l dm i x t u r ec o u l d m e e tt h ec o d er e q u i r e m e n t s r e c y c l i n gm i x t u r e sa d d e dm o d i f i e ra r eg r e a t l yi m p r o v e di nt h e i r p e r f o r m a n c e ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s em i x t u r e sa tl o wt e m p e r a t u r ee v i d e n t l yd e c r e a s e s c a u s e db ya g i n g h o w e v e r ，t h eh i g h e rm o l d i n gt e m p e r a t u r ea n da i rv o i d sc l o s et o4 p r o v et o b eb e t t e rf o rt h el o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：h o ti n p l a c er e c y c l i n g ；a g i n gt e s t ；l o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ；g r a y t h e o r y ；o r t h o g o n a lt e s t 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 圣堡鱼垫堡兰圣! 瞳滋瞳! 垂鱼煎鳖! 睦盘丝鸳宝 作者签名： j：笪2 日期： 至旦里仝年厶月二堑日 人连卿j i ：人学硕上学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 人适理工人学硕上学位沦文 1绪论 1 1问题的提出及研究的意义 沥青路面是我国公路路面的主要形式，经过一定年限的使用后已相继进入维修和改 建阶段，并将持续很长时间。大、中修将翻挖出大量的旧沥青混合料，而废旧沥青混合 料不可用于其它工程，进而造成三大问题：一是堆放占用场地，二是污染环境，三是浪 费了大量的不可再生资源。旧沥青路面的再生利用可以节约大量的砂石材料，降低工程 成本。因此，废旧混合料的再生利用，既可以保护环境又可以节约自然资源，成为当今 世界的一大课题【lj 。 作为一直困扰国内外道路工程界的主要问题之一，沥青路面的低温开裂是世界各国 都普遍存在的现象，在许多寒冷国家或地区非常突出【列。在我国，温缩开裂是北方地区 十分普遍和严重的路面病害，其危害在于大量裂缝的存在使得路表的水、空气及其它有 害物质可通过缝隙进入路面结构内部，并沿着混合料的孔隙渗入路面基层和路基，使之 发软，路面结构承载力下降，在行车荷载作用下产生唧浆、唧泥、冲刷，界面层出现局 部脱空，进而在路面形成局部凹陷，最终导致路面发生网裂与坑槽，严重影响车辆的行 驶质量，大大降低了路面的使用寿命。另一方面，在季节性冰冻地区，当温度降至冰点 时，滞留在路面结构孔隙中的水分还将产生冻胀，导致路面材料的内部损伤和损伤积累， 进一步加速路面的破坏。此外，温度裂缝对将来的加铺层的影响( 反射裂缝) 不容忽视， 否则病害仍将继续，直至重修，降低了路面的使用寿命，增加了养护费用，而且在高等 级公路上进行补强、加铺层设计，会严重影响正常的交通，造成巨大的经济损失。因此， 为了保护环境，节约自然资源并减少或消除寒冷地区的温度裂缝，提高路面质量，深入 地开展再生沥青混合料低温缩裂的研究就显得十分必要。 我国现行规范的设计方法主要是马歇尔设计法。马歇尔法是一种经验性的体积设计 法，它是通过室内试验，根据对稳定度、流值、密度、空隙率等的分析，提出适合的混 合料配合比。该法主要考虑的是沥青混合料的高温性能，没有考虑其低温性能，它是通 过体积指标的限制来实现对路用性能的控制，但由于体积指标不仪受测试条件和计算方 法的影响大，而且体积指标无法与体现沥青混合料性能的力学指标建立相关性。另外， 在现行沥青混合料的设计方法中，设计阶段很难预测沥青混合料的路用性能p j ，也不能 预测其使用寿命。对广大的寒冷地区来说，马歇尔方法最大的缺陷是没有针对低温和抗 老化的指标。因此，采用一般方法设计的沥青混凝土很难在这些地区获得良好的路用性 能，应该考虑在确定最佳沥青用量后加入检验性指标来确定其抗冻性能、抗裂性能以及 现场热冉乍政性沥青路面的低温性能研究 抗老化性能，这对于冻融循环剧烈的广大寒区是罕关重要的。这样，就对马歇尔方法进 行了一定的完善，进而使所设计的混合料更适合寒区的气候条件。 本文针对沥青混合料低温性能试验的方法和参数设置方面的不足，结合围道1 0 2 线 沈阳新民段的就地热再生项目，在试验研究和分析热再生沥青混合料低温性能的基础 上，研究适合评价我国热再生沥青混合料低温性能的试验方法和参数，这对保护环境、 重复利用资源以及提高道路的路用性能等方面有重要的意义。 1 2 国内外的研究情况 国外对沥青路面再生利用的研究，最早始于1 9 1 5 年的美国。到8 0 年代末，美国再 生沥青混合料的用量几乎为全部路用沥青混合料的一半，并且在再生剂的研发、再生混 合料的设计、旆工设备的改进等方面的研究也日趋深入。9 d 年代后期，美国北部的伊利 诺斯州、印第安纳州、艾奥瓦州、密歇根州、明尼苏达州、密苏里州和威斯康星州的交 通部联合开展对再生沥青的研究。他们对美国巾北部地区的各剩t 材料进行反复试验，认 为在新拌沥青路面巾掺加4 0 - - 5 0 的再生沥青混合料，仍然可以满足美国沥青及沥 青混合料路用性能规范的要求。但由于旧沥青混合料中细集料含量过多，在新拌混合 料设计时应重新进行级配设计。同时，根据旧料的品质和道路交通量的情况，适当增加 再生后的沥青混合料比例也是可行的。美国佐治亚州用再生沥青混合料与新沥青混合修 建试验路段h ，对其跟踪观测，并与新沥青路段进行比较，发现两者并无明显质量差别， 空隙率、针入度、粘度等各项指标比较接近。佐治亚州交通部对其再生混合料的设计及 质量控制比较满意，已在该州沥青路面规范中加入了相关内容。目前，美国每年再生利 用的沥青混合料约为3 亿吨，沥青路面的再生利用在美国已是十分普遍，其重复利用率 高达8 0 。 日本从1 9 7 4 年开始，截至2 0 0 0 年，全国再生沥青混合料的生产量超过全部沥青混 合料的3 0 ，达到4 7 0 0 万吨。西欧国家也十分重视这项技术，联邦德国在1 9 7 8 年已将 全部废弃路面材料加以再生利用。 至2 0 世纪8 0 年代，沥青路面再生技术已趋于成熟，美国、日本、德国、英国等同 家相继颁发了一系列的技术手册、指南和规范，并出版了大量的研究成果。2 0 世纪9 0 年代后，沥青路面再生技术进一步发展，在亚太地区也得到了广泛应用。1 9 9 7 年国际经 合组织对1 4 个国家的路面材料再生利用情况进行调查，发表了道路工程再生利用战 略白皮书，其中废旧沥青混合料再生技术的应用状况反映了发达国家在这个领域的研 究及应用情况。 人连珲上人硕十学位论文 综上所述，美、日、欧等发达国家h 前在再生沥青混合料的生产工艺以及与之配套 的各种挖掘、洗刨、破碎、拌和等机具的研制与开发方面均取得了显著的成就，经过近 3 0 年的大规模生产实践，已证明废旧沥青混合料再生利用在技术上的可行性，并形成了 系统的沥青再生技术，且达到了规范化与标准化的水平。 表1 1 国外沥青再生方面的技术资料 t a b 1 1t e c h n i c a li n f o r m a t i o no nr e c y c l e da s p h a l ti nf o r e i g nc o u n t r i e s 我国就地热再生技术是2 0 世纪7 0 年代兴起的新技术、新工艺，经过3 0 多年的不 断探索和发展已经成为沥青路面大、中修时期首选的施工方法。我国早期用过废旧沥青 混合料来修路，但均从废物利用的角度考虑，所得的成品一般只用于轻交通道路、人行 道或高等级公路的垫层。1 9 8 3 年，建设部对“废旧沥青混合料再生利用的课题研究立 项，由上海市政工程研究所、武汉市政工程设计研究院、天津市政工程研究所等单位承 担。当时的主攻方向是把旧渣油路面加入适当的轻油使之软化，来代替常规沥青混合料， 铺筑层是用量较多的下面层，拌和设备则用现有设备作适当改装，经过3 年的努力，在 苏州、武汉、天津、南京4 个城市铺筑了3 万多平方米的试验路。经过对路用性能的观 测，证明了再生路面的综合使用品质不低于常规热拌沥青混凝土路面的品质。但是自上 世纪9 0 年代以来，由于大规模的公路建设，旧沥青路面再生利用工作处于停滞状态。近 年来，随着我国高等级公路相继进入维修期，旧沥青路面再生试验研究又显得非常迫切 起来。2 0 0 1 年我国引进了第l 台就地热再生设备，2 0 0 2 年铺筑了试验路段，标志着我 国在沥青路面再生技术上一个新历程的开始。到2 0 0 3 年底，我围共引进了国外4 个国 家的8 套就地热再生成套设备。2 0 0 4 年在京津塘高速、成渝高速、石安高速等高等级公 路都进行了相当面积的就地热再生施工。同年8 月，巾困自主开发的第1 台热风循环式 现场热冉中故性沥青路而的低温性能研究 加热机中联l r 4 4 0 0 加热机开始进行热再生施工。2 0 0 5 年，京津塘高速公路采用就地热 再生工艺大修，轰轰烈烈地上演了一场国内外各品牌就地热再生设备性能的大比拼。据 不完伞统计，截至2 0 0 5 年8 月巾旬，伞国完成了1 3 0 万平方米的就地热再生施工面积。 2 0 0 6 年鞍山森远集团自行设计生产的国内首台大型现场热再生机组“森远时代列车 在连云港一霍尔果斯高速公路的路面养护中得到应用。但是目前我国在再生机械的研 究方面仍处于初始阶段，使用的再生机械仍以进口为主。 与美、日、欧等发达国家相比，我国在沥青路面再生方面的研究和应用起步较晚， 虽然经过自己的努力，吸取国外精华，已经在反应机理、设计理论、生产工艺、质量检 验评定工作等方面进行研究并取得了一定成果，但都未形成体系，各个地方的研究和应 用水平、方式不尽相同。 1 3 本文的研究内容 本文主要是对沥青路面现场热再生整个过程巾的室内试验部分做相应的研究，分析 各因素的影响，关键在于找出合理评价现场热再生沥青路面低温性能的方法，并对沥青 路面的结构组合进行一定的分析，结合材料设计和结构设计，以便形成一套适合我国北 方寒冷地区气候条件的再生沥青路面设计和评价体系，为我国的再生沥青路面设计提供 相应的参考依据。 本文的研究内容主要包括以下网个方面： ( 1 ) 确定旧沥青混合料的基本性能。 为确定旧沥青混合料的基本性能，有必要进行旧料抽提试验、旧矿料筛分试验和旧 沥青常规指标试验，借此评价旧沥青混合料的品质。主要实验项目包括： 沥青含量； 回收沥青的物理性能指标( 针入度、延度、软化点等) ： 集料的物理性质； 集料的级配等。 ( 2 ) 分析沥青老化机理，选择并应用再生剂以恢复老化沥青原有性能。 采用大连理工大学自主研制开发的再生剂，重新协调旧沥青组分，使老化沥青恢复 原有性能。对再生沥青及再生改性沥青进行相关性能试验，将再生沥青与新沥青按不同 比例混溶，对混溶后沥青的基本性能指标进行测试，看能否达到该标号新沥青的指标要 求。 ( 3 ) 进行再生混合料配合比设计，并评价其路用性能。 人连邢j ：人学硕士学位论文 综合考虑多利- 因素选择再生混合料的结构类型，确定骨料级配组成、再生剂用量， 测定再生混合料的强度、高温稳定性、低温稳定性、水稳性、抗疲劳性及抗老化性等路 用性能，分析再生沥青路面的可行性与可靠性。其巾重点研究低温稳定性，并针对寒区 低温开裂问题，进行一系列的正交试验，考察各个指标因素对再生混合料的低温稳定性 的影响。 ( 4 ) 兼顾沥青路面材料设计和结构组合设计，优选出性能良好的路面结构，并对 沥青路面开裂情况进行预估。 针对我国现阶段对沥青路面的设计经验化的情况，本文对路面结构的多种组合进行 理论计算分析，得出较优的路面结构组合，对提高路用性能，实现材料与结构的一体化 设计有一定帮助。另外，针对现行设计方法中设计阶段很难预测其路用性能1 3 】的情况， 对寒区沥青路面的低温开裂情况进行模型预估，一定程度上检验了再生路面的性能。 现场热阿巾故性沥青路面| ，i 勺低濉性能研究 2低温开裂机理及沥青路面低温性能的评价方法 2 1裂缝类型及成因 从裂缝的成因上分析，裂缝大致可以分为两类：一类是荷载型裂缝即主要是由于行 车荷载作用而产生的裂缝，另一类是非荷载型裂缝。美国联邦公路局通过系统地调查研 究，将裂缝分为9 类，每类根据破损程度分为轻、中、重三个等级【5 】，见表2 1 。由低温 引起的裂缝主要有温缩裂缝、温度疲劳裂缝、反射裂缝、冻缩裂缝、综合原因造成的横 向裂缝等。 表2 1 裂缝的分类 t a b 2 1 c a t e g o r yo f c r a c k 2 1 1温缩裂缝 在常温条件下，沥青混合料的劲度较低，气温下降后，材料的应变能力急剧降低， 导致材料的劲度模量急剧增大，超过了产生开裂的极限劲度，便产生开裂。这种情况在 沥青面层与基层粘结力不好，允许有一定自由收缩时更易发生。 由于降温来自冷气流，路表温度肯定低于路面内部温度，温缩裂缝从表面开始，这 在上世纪6 0 年代国外的大量调查中已经得到证实。当温度下降时，因为沥青路面的表 面温度比底面低，本来应该是表面产生压应力、底面产生拉应力，可是实际路面巾沥青 混凝土面层与路面基层紧密粘着，不能自由翘曲，因此在表面出现了拉应力，在底面出 人连王f ! 工人学硕十! 学位论文 现了压应力，这些应力与其它应力相叠加，就会在表面出现更大的拉应力，一般认为这 是表面出现裂缝的主要原因。通过本质分析现象，就不难理解温缩裂缝容易发生的时段 往往并不是在当地的极端温度条件下，而是经常发生在寒流和寒潮到来的时间里。在我 国北方，1 1 月是一年之中首次出现寒冷的月份，沥青路面经常会在寒流或寒潮到来的一 夜之间出现大量的温缩裂缝1 6 j 。 沥青路面温缩裂缝首先是在混合料抗拉强度的薄弱面或某点开始，面层的表面开裂 后，就会在裂缝尖端产生应力集中，使其继续向下发展并贯穿整个沥青面层。 2 1 2 温度疲劳裂缝 产生低温裂缝的沥青混凝土层，春天气温回升时裂缝弥合，到了冬天，沥青混凝土 面层再次出现收缩，若与基层间的摩擦力小，在实际收缩时裂缝就变宽了，若摩擦力 大，沥青混凝土就不会收缩，新的裂缝便产生，裂缝的数量也将增加，这是由于温度疲 劳作用的循环造成的。除了温度疲劳作用年循环外，温度的日循环、短时间内的温度循 环、冷热交替，都能在混合料内部出现疲劳损坏现象。即使是并没有发生开裂的路面， 温度的反复升降循环产生的温度应力作用，同样会使路面开裂。由于温度应力的疲劳作 用使沥青混合料的极限拉伸应变变小，又加上沥青老化使沥青劲度提高，应力松弛性能 下降，故路面的温度疲劳裂缝可能在温度较高却反复升降的温度变化下出现，所以温度 疲劳裂缝也会发生在冬季最低气温并不太低的地区，同时裂缝随着路龄的增加而不断增 加。 2 - 1 3 反射裂缝 单纯的路面反射裂缝是由于沥青面层下的基层己经开裂，裂缝处的应力集巾使交通 荷载产生在面层下部的拉应力比没有裂缝的部位要大，容易超过沥青混凝土的极限强 度，致使沥青面层跟着开裂。 当基层开裂后，由于基层失去抵抗拉应力的能力，就在开裂位置将应力传递给面层， 形成面层在开裂处的应力集中。而在冬季低温条件下，沥青面层的温度应力极大，加上 基层开裂处的集中应力，此时如果再加上荷载的拉应力的作用，其应力值就可能超过材 料的极限强度，从而使面层发生开裂，产生反射裂缝。交通荷载作用下的拉应力( 或剪 应力) 和温度变化下的收缩应力是反射裂缝形成的主要原因。 由于水泥、石灰等稳定粒料类半刚性基层的收缩( 温缩和干缩) ，或者由于已经开 裂的半刚性基层在裂缝部位的应力集巾与沥青面层的低温收缩、荷载等产生的综合作 用，使裂缝产生较多。这些裂缝实际上是沥青面层温缩裂缝和半刚性基层收缩裂缝反射 作用的综合裂缝。 现场热冉牛政傩沥青路而i i ，j 低温性能研究 2 1 4 冻缩裂缝 冻缩裂缝主要是路基冻胀及收缩产生的开裂，它可以一直延伸到路基范围之外的田 野里，或者本来就是路外开裂延伸到路上的。这种裂缝宽且深，在路面与路肩交界处最 常见。如果设置防冻层，冻缩裂缝可以得到一定程度的缓解。 2 1 5 综合原因造成的横向裂缝 在我国，横向裂缝是高速公路最主要的裂缝形式。为搞清发生横向裂缝的原因，不 少单位都进行了调查研究，但具体看法上一直存在着严重的分歧：一种意见认为横向裂 缝都是( 或大部分是) 沥青面层的温缩裂缝；另一种意见认为主要是半刚性基层收缩裂 缝所引起的反射缝。 我国高速公路半刚性基层沥青路面面层上出现的横向开裂，是由沥青面层本身的低 温收缩开裂、半刚性基层收缩裂缝的反射性开裂及路基土壤收缩开裂等许多复杂情况引 起的，具体情况必须具体分析。在大多数情况下，则是多种原因综合作用造成的。这些 裂缝基本上都属于菲荷载型裂缝。 之所以说是多种原因综合作用的结果，是因为这些裂缝主要发生在急剧降温的过程 中，首当其冲的沥青面层内当然要产生很大的温度应力，它是造成开裂的一个主要原因。 另方面，如果铺筑在柔性基层上，或者下边有级配碎石过渡层，仅仅沥青面层的温度 应力还不一定达到开裂的程度。但如果下面是半刚性基层，则其本身也将产生较大的收 缩( 干缩与温缩的叠加) ，它将使沥青面层的拉应力增大，易造成开裂。如果半刚性基 层已经有了裂缝，沥青面层的温度应力将在基层的裂缝部位形成很大的应力集中，从而 使沥青面层的温度应力明显增大，在裂缝部位或其附近首先开裂。 总之，非荷载型裂缝大多为横向裂缝，主要是由迅速降温及温度循环反复作用在沥 青面层而产生的温度收缩裂缝以及半刚性基层收缩开裂而产生的反射裂缝引起，而绝大 部分横向裂缝是多方面原因共同作用而产生的【。 2 2 我国沥青路面低温裂缝的特点 我国沥青路面的低温裂缝具有以下几个方面的特征滞j ： ( 1 ) 低温裂缝开始于表面，并随时间的推移向下扩展。低温裂缝密度与降温速率 密切相关，而裂缝的宽度取决于极端最低气温。温缩裂缝大部分在冬季出现，夏季合拢， 并且随着沥青的不断老化逐年加重。一般第一次越冬时，若沥青路面裂缝密度大，则裂 缝宽度较窄，反之亦然。 人连j 甲l ：人学硕【：学位论丈 2 ) 对于半刚件基层沥青路面的低温开裂除沥青面层的缩裂外，还包括半刚性基 层缩裂引起的反射裂缝，这也是半刚性基层沥青路面低温裂缝较柔件基层沥青路面多的 原因。当沥青路面结构成为连续整体时，层间接触阻力可减缓沥青面层开裂，但基层的 缩裂会导致面层出现反射裂缝。因此沥青路面低温开裂与结构组合、层间接触状态密切 相关。 ( 3 ) 沥青混合料的温度收缩系数一般为2 5 1 0 气4 5 1 0 击，半刚性粒料基层为1 0 xl o 气1 5x1 0 击。由于半刚性粒料基层材料的应力松弛能力较弱，其温度缩裂取决于最 低温度，而与降温速率关系不大。 ( 4 ) 路堑与低填方路段裂缝少，高填路堤( 全冻路堤) 裂缝多。 ( 5 ) 重载路段裂缝多，说明路面低温时除收缩开裂外，还包括高模量沥青混合料 的荷载开裂( 应力疲劳与极限破坏) ，在2 0 ( 2 时沥青混凝土抗压回弹模量可达8 0 0 0 m p a 。 ( 6 ) 在未达到沥青路面的疲劳寿命之前( 网裂或块裂) ，沥青路面的裂缝随着使 用年限的增加而增加，如长平高速公路裂缝间距从通车后5 0 1 0 0 m 左右，逐年发展为 2 0 3 0 m ，这说明路面温度裂缝与沥青老化性能及温度应力重复作用有关。 2 3 沥青路面低温性能的评价方法， 针对沥青路面低温开裂问题，自上世纪6 0 年代加拿大率先对沥青混凝土面层的低 温收缩开裂进行系统调查研究以来，路面抗裂性能与材料低温性能指标一直是国际道路 学术界的重要研究内容，特别是美国的s h r p 计划，将沥青与沥青混合料的技术标准作 为主要研究内容，在沥青混合料技术标准的研究中也包括了对沥青路面低温性能的研 究。许多国家都提出了沥青路面低温性能的评价指标和试验方法，但各个国家的评价指 标都不尽相同，在我国哪个指标能更好地评价沥青及其混合料的低温性能，还有待进一 步的研究。 2 3 1试验方法分类及主要评价指标 现在国内外对沥青混合料低温抗裂性能的试验研究方法主要有：等应变加载的破坏 试验( 间接拉伸试验、弯曲、压缩试验) 、直接拉伸试验、弯曲拉伸蠕变试验、受限试 件温度应力试验、三点弯曲j 积分试验、c 幸积分试验、收缩系数试验、应力松弛试验等 9 - 1 2 j 。其实，要保证沥青混合料的低温抗裂性能，也就是要保证两个条件：一方面看其 在低温下的变形能力，另一方面看其在低温断裂时所能承受的断裂拉力的大小。上述国 内外的试验方法基本上都是针对这两种力学模式进行设计的。 ( 1 ) 间接拉伸试验 一9 一 蚬场热冉十故性沥青路而的低温一p p 能研究 间接拉伸试验副通常所说的劈裂试验，它是通过加载条加载于圆柱形试件的轴向， 试件按一定的变形速率加载，施加的压缩荷载，垂直、水平变形一般通过l v d t 得到， 从而可获得沥青混合料的劈裂强度和变形数据。间接拉伸试验的试件国内外均采用马歇 尔试件，即直径1 0 1 6 m m ，高6 3 5 m m 的圆柱体。加载速率国内外略有不同，根据a n d e r s o n 等人的研究，在低温时采用1 5 m m m i n 较合适。我国已将该项试验方法列入公路工程 沥青及沥青混合料试验规程( j t g 0 5 2 2 0 0 0 ) 中作为标准试验方法。其加载速率规定 如下：对于1 5 ，2 5 等采用5 0 m m m i n 加载，对0 c 或更低温度，建议采用l m m m i n 作为加载速率。间接拉伸试验的评价指标主要有：劈裂强度、破坏变形及劲度模量。 ( 2 ) 弯曲破坏试验 低温弯曲破坏试验的试验条件各异，国外曾采用3 8 1 m i n x 8 2 5 5 m m x 8 2 5 5 m m 梁的 三点加载试验确定沥青混凝土低温劲度模量和抗弯拉强度，弯曲试验在万能试验机上进 行。我国公路工程沥青及沥青混合料试验规程( t0 7 1 5 ) 中规定采用轮碾成型后切 成的长2 5 0 m m - - b 2 0 m m ，宽3 0 m m + 2 0 m m ，高3 5 m m + 2 0 m m 的棱柱体小梁，其跨径为 2 0 0 m m _ a ：0 5 m m ，中点加载，加载速率5 0 m m m i n 。低温弯曲破坏试验的评价指标主要有： 弯拉应力、应变及劲度模量。 ( 3 ) 直接拉伸试验 直接拉伸试验的试件可以根据试验设备及试验要求的不同做成小梁试件或做成“八 字形”试件等。试验温度和加载速率根据有关规定和要求选用。直接拉伸试验评价指标 主要有：拉伸强度、应变及模量。 ( 4 ) 蠕变试验 低温蠕变试验按其加载方式的不同可以分为直接拉伸蠕变、劈裂拉伸蠕变和弯曲蠕 变试验。其中常用的是弯曲蠕变和劈裂蠕变。 我国公路工程沥青及沥青混合料试验规程( t0 7 2 8 ) 规定弯曲蠕变试验的试件 采用轮碾成型后切成的长2 5 0 m m 士2 0 m m ，宽3 0 m m 4 - 2 o m m ，高为3 5 m m a ：2 o m m 的棱柱 体小梁，其跨径为2 0 0 m r n 士o 5 m m ，试验温度宜为o c 。荷载大小为破坏荷载的1 0 ， 对于密实型沥青混凝土采用1 m p a 。弯曲蠕变试验评价指标主要是蠕变速率。 劈裂蠕变试验采用马歇尔试件，温度可采用0 c ，荷载大小可采用0 5 m p a 。劈裂蠕 变试验评价指标主要有：蠕变速率和蠕变柔量。 ( 5 ) 应力松弛试验 应力松弛试验主要分为弯曲应力松弛试验和压缩应力松弛试验。前者是采用弯曲应 力松弛方式，梁下缘受拉相当于路表降温时的情况，试件尺寸2 5 0 m m 2 5 m m 3 0 m m ， 人近删上人。学硕_ j ：学位沦文 跨径2 0 0 m m 。中间一点加载，加载速率用5 0 m m m i n ，至预定应变水平时保持恒定，梁 底应变由跨中挠度求算。试验温度应尽可能接近路面开裂的温度，根据我国实际情况， 采用0 。c 、1 0 、2 0 三个水平，控温精度为士0 1 。应变水平应采用接近试件开裂时 的高应变水平。根据不同的温度采用不同的松弛时间。弯曲应力松弛试验评价指标主要 有：应力松弛时间和应力松弛模量。 东南大学所做的压缩应力松弛试验，加载速率为6 m m m i n ，以破坏强度的0 9 倍作 为初始应力，试验温度为2 0 。c 、1 0 、0 。c ，1 0 。c 四个等级，采用松弛3 m i n 时的相对 残留应力为评价指标。压缩应力松弛试验评价指标主要是松弛弹性模量。 ( 6 ) 收缩试验 我国公路工程沥青及沥青混合料试验规程( t0 7 2 0 ) 规定温度收缩系数试验的 试件是轮碾成型后切成的长2 5 0 m m 2 m m ，宽2 0 m m l m m ，高2 0 m m l m m 的棱柱 体小梁，温度区间及降温速率根据当地气候条件而定，通常采用的温度区间为+ 1 0 2 0 ，降温速率为5 。c h 。温度收缩系数试验评价指标主要是收缩系数。 ( 7 ) 约束试件温度应力试验 约束试件温度应力试验( t h et h e r m a ls t r e s sr e s t r a i n e ds p e c i m e nt e s t ) 又称冻断试验， 是s h r p 计划从众多的试验方法中筛选出来的作为评价沥青混合料低温抗裂性的方法。 它能够模拟实际温度变化及混合料实际受力状况，较真实地反映出沥青混凝土的低温抗 裂性能。约束试件温度应力试验采用的试验条件各异，一般试件采用轮碾成型板状试块 切成2 5 0 m m x 4 0 m m x 4 0 m m 的棱柱体试件，用环氧树脂将其固定在特制的密封容器两 侧的拉头上，在1 0 c 下保持2 h ，将试件拉伸到0 0 4 k n 作为初始应力，然后按6 0 。c h 降温速度降温，记录温度应力曲线图，并直接读出断裂温度。约束试件温度应力试 验评价指标主要有：破断温度、破断强度、转折点温度和温度应力曲线。 ( 8 ) 三点弯曲j 积分试验 三点弯曲j 积分试验也称切口小梁弯曲试验。路面产生开裂是从内部潜在微裂缝扩 展开始的，这些微裂缝可能来自材料内部，由于材料、施工等原因而产生。在裂缝尖端 可产生高达数倍的应力集中，从而使裂缝发展，因此国外利用切口小梁试件来对沥青混 合料低温开裂性能进行研究。1 9 9 1 年美国s h r p 研究计划提交的“沥青低温性能研究 报告中，首次将弹塑性断裂力学中的断裂判据j 积分作为沥青混合料低温抗裂性能的评 价指标之一。试验可采用轮碾成型板状试块切成2 5 0 m m x 4 0 m m x 4 0 m m 的棱柱体试件， 切槽深度和试验温度根据不同要求而定，加载速率宜为0 5 m m m i n 。三点弯曲j 积分试 验评价指标主要是j 积分的临界值。三点弯曲j 积分试验最为复杂，它要求的切槽深度 较难控制和实现。 现场热冉十故性沥青路面1 r | 勺低温性能研究 ( 9 ) c 奎积分试验 c 积分试验是在等位移速率下进行的，保持荷载直至达到希望的裂缝深度。c 奎积 分试验评价指标主要是c 奎。进行c 木积分试验时主要难度在于切缝不好控制。 2 3 2 试验方法对比分析 我国已开展的沥青混合料低温性能试验方法如表2 2 所示。 表2 2 我国已开展的沥青混合料低温性能试验与评价方法 t a b 2 2 l o w - t e m p e r a t u r et e s ta n da p p r a i s a lm e t h o do fa s p h a l tm i x t u r ei nc h i n a 在前一节所述国内外常用的沥青混合料低温评价方法中，如何选择适合我国的试验 方法与指标，应考虑以下几方面的因素： 人连卵l ：人学硕士。位沦文 ( 1 ) 试验能较真实的模拟沥青路面的使用条件与受力状况，指标既要与路面低温 性能有良好的关系，也要与沥青自身性能密切相关，能够实现沥青、沥青混合料和沥青 路面路用性能的有机联系。 ( 2 ) 试验指标要有较高的灵敏性，能够反映不同沥青与沥青混合料的低温品质。 ( 3 ) 试验方法与指标要充分考虑设备简单、操作容易及易于推广应用等因素，尽 量与国际上普遍采用的方法与指标统一，便于国际交流。 按照以上原则对试验方法进行分析与评价，可得出如下结论l l 副： ( 1 ) 从模拟路面开裂机理来讲，约束试件温度应力试验和收缩系数试验能够模拟 沥青路面温缩裂缝的受力过程，反映了实际路面温度的变化，能较全面地反映出各种因 素对沥青混合料低温性能影响。其它试验可提供沥青混凝土试件的低温应力应变特性和 加载过程中试件破坏时拉伸强度、应变或提供能量释放率断裂力学指标，但这些指标只 是降温过程中混合料相应的间接指标。 ( 2 ) 对于预测温缩裂缝的力学模型来说，从间接的荷载变形试验得到的破坏强度、 劲度模量等结果可用于力学模型，确定温度应力与温度关系曲线，但不是直接的。收缩 系数也是间接的，它乘以变化劲度模量，才能得到温度应力。断裂力学试验中，断裂是 由荷载产生的而不是由于温度下降或温度循环造成的。唯一能直接用于力学模型的是约 束试件温度应力试验，给出温度应力与温度关系，但现有的模型不能输入这些参数。 ( 3 ) j 积分和c 毒积分两种试验的技术难度较大，困难在于试件刻槽的要求和试验 过程中裂缝开裂率的控制。荷载变形的试验方法包括直接拉伸试验、间接拉伸试验和蠕 变试验，试验条件比较成熟。拉伸蠕变及应力松弛试验、温度应力试验设备在许多实验 室没有。 ( 4 ) 沥青混合料的弯曲蠕变试验是一种简单而非常有意义的试验。在s h r p 沥青 混合料标准指标中，采用了小梁弯曲蠕变试验评价沥青混合料的低温性能。用弯曲蠕变 试验的应变速率去评价混合料的低温开裂性是可行的，试验方法及设备都容易被接受。 劈裂蠕变试验的结果虽然与弯曲蠕变的结果大体相同，但测得的变形数据波动大，作为 评价沥青混合料的低温抗裂性能指标，不如弯曲蠕变试验好。 ( 5 ) 用应力松弛试验来分析沥青混合料的低温松弛特性，这些试验方法对评价沥 青混合料的低温性能本身来说是很有价值的。但对于大多数生产单位来说，试验技术难 度较大，试验工作量也大，而且短时间内不可能配置这么多的专用设备，从推广应用角 度来说较难实现。 现场热冉乍改性沥青路而的低温性能研究 ( 6 ) 用劈裂抗拉及弯曲、压缩试验来研究沥青混合料的低温破坏特性，得到的脆 化点能很好地描述沥青混合料的低温性能，由此得到的曲线能描述各利温度和加载速率 条件下的力学性质。 对比众多的试验方法与指标，从试验的可操作性、试验技术难易度、试验工作量大 小、试验所得结果与实际情况的相关性和试验的可推广应用性等方面综合比较，并结合 我校试验条件，本文拟用低温劈裂试验、低温弯曲试验对所选混合料的低温性能进行分 析，确定在低温条件下性能良好的热再生沥青混合料的制备条件，对各指标作较合理的 评价。 2 3 3 老化试验 低温开裂多发生在沥青路面铺筑一段时期后。沥青混合料从拌和站拌和好后往往需 要经过一段储存和运输时间才在路面上进行摊铺碾压作业，所以摊铺成型后的混合料已 经发生了不同程度的短期老化( 这种程度跟储存和运输时间有关) ，所以，仪对未经老 化的沥青混合料进行低温性能研究是不全面的，应当考虑老化的影响。从试验的模拟方 法看，是把新拌的沥青混合料均匀而松散地摊铺在试样盘中，并且每隔一个小时要把混 合料翻动一次，混合料并没有压实成型，虽然时间并不长，但是与空气能够充分接触， 并且温度也比较高，因而短期老化过程还是相当剧烈的。短期老化虽不能伞面反映沥青 混合料老化后的性能，但试验方便可行，而且长期老化过程是在短期老化的基础之上的， 所以在试验阶段以短期老化和长期老化的方式对沥青混合料的低温性能进行进一步的 分析、评价和验证，以期得到和实际应用情况接近的效果。 因此，本文考虑将不同老化条件下的再生沥青混合料作为研究对象，考察它们的低 温抗裂性能，研究相关评价方法的合理性和局限性。 凡连坪上人学硕l 学位论文 3 沥青混合料的热再生设计 沥青混合料热再生设计包括两个步骤：原路面材料评价和混合料的配合比设计。原 路面材料的评价主要包含旧料级配及油石比、旧沥青性能、旧集料物理性质等方面，目 的是确定组成材料的各项指标，从而优化材料组成以达到混合料设计的要求。再生混合 料的配合比设计是通过调整其级配，测试混合料试件的各种性能来确定沥青结合料的最 佳用量。 3 1 原路面材料的评价 将取回的旧料均匀拌合，按四分法取出一定量样品，采用全自动抽提仪，将旧料的 沥青与集料分离后，按照规程1 0 7 2 6 - 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