（材料学专业论文）沥青路面有机硅预养护材料的性能表征与养护机理研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写的成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构学位证书 而使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：i 鸯笔；逮一导师签名：t 趸茎i 翌日期：到 摘要 沥青路面的预防性养护日益引起公路管理部门及工作者的关注。目前国内 外广泛应用的是基于乳化沥青基的预防性养护材料，而其他种类的预防性养护 材料应用还比较有限。本文主要研究了有机硅预养护材料对沥青及沥青混合料 的养护效果及机理。 首先，采用接触角实验研究了有机硅预养护材料自身的憎水性能，然后通 过简单渗透实验、渗水系数实验和冻融劈裂实验，研究了有机硅预养护材料在 沥青混合料中的渗透与防水效果，并探讨了其防水养护机理。结果表明，有机 硅预养护材料与水的接触角为9 3 6 0 ，具有良好的憎水性能。当有机硅预养护材 料用量为6 0 0 m l m 2 时，可使沥青混合料的渗水系数降为0 m l m i n 。另外可以使 得3 次冻融循环后的沥青混合料的劈裂强度比提高7 1 0 ，表明有机硅预养护 材料对沥青混合料具有良好的防水效果。 其次，采用沥青紫外老化与沥青混合料长期热氧老化实验，评价了有机硅 预养护材料对沥青及沥青混合料抗老化能力的影响。结果显示，有机硅预防性 养护材料降低了紫外老化后沥青的复合模量及车辙因子，同时降低了长期热氧 老化后沥青混合料的间接拉伸模量，提高了其抗低温开裂及疲劳性能，表明有 机硅预养护材料可以减缓沥青的紫外老化及沥青混合料的热氧老化。 最后，通过摆式摩擦仪与构造深度仪，分析了有机硅预养护材料对沥青混 合料抗滑性能的影响，并且与改性乳化沥青封层的抗滑影响进行了对比分析。 结果显示，有机硅预养护材料降低了沥青混合料的抗滑摆值8 1 2 b p n 、构造深 度0 2 r a m ，因此其明显降低了沥青混合料的抗滑能力，但其对沥青混合料抗滑 性能的影响比改性乳化沥青封层要小。采用喷洒钢渣细料与橡胶粉的方法可以 提高有机硅预养护材料处理后路面的抗滑摆值3 - 5 b p n 。此外，通过加速加载实 验模拟了有机硅预养护材料在车辆荷载作用下的抗磨耗能力，结果表明有机硅 预养护材料在加速加载条件下的磨耗损失与沥青膜一致，但是渗透入沥青混合 料里面的有机硅预养护材料会继续存在，发挥其防水抗老化的作用。 本文的研究结果表明有机硅预养护材料对沥青及其混合料具有良好的养护 效果，为未来此类预养护材料在沥青路面中的进一步应用提供了指导。 关键词：沥青混合料；有机硅预养护材料；防水性能；抗老化性能；抗滑性能 a b s t r a c t p r e v e n t i v em a i n t e n a n c eo fa s p h a l tp a v e m e n ti so fi n c r e a s i n gi n t e r e s tt oh i g h w a y a g e n c ya n de n g i n e e r s ，a n dm a n yp r e v e n t i v em a i n t e n a n c em a t e r i a l sb a s e do ne m u l s i o n a s p h a l ta l eu s e da l lo v e rt h ew o r l d ，b u to t h e rk i n d so fm a i n t e n a n c em a t e r i a l si s l i m i t e d t h eo b j e c t i v eo ft h i sp a p e ri st oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fs i l i c o n em a i n t e n a n c e m a t e r i a l so i l p r o p e r t i e s o f a s p h a l t a n da s p h a l tm i x t u r ea n di t sm a i n t e n a n c e m e c h a n i s m f i r s t l y ，c o n t a c ta n g l et e s tw a sc o n d u c t e dt oe v a l u a t et h ew a t e r p r o o fm e c h a n i s m o fs i l i c o n em a i n t e n a n c em a t e r i a l s ，a n dt h e nt h es i m p l ep e n e t r a t et e s t ，p e n e t r a b i l i t y c o e f f i c i e n tt e s ta n df r e e z i n g - t h a w i n gt e s tw e r eu s e dt oe v a l u a t et h ew a t e r p r o o fa b i l i t y o fs i l i c o n em a i n t e n a n c em a t e r i a l so na s p h a l tm i x t u r e t h er e s u l t ss h o wt h a tc o n t a c t a n g l eb e t w e e ns i l i c o n em a i n t e n a n c em a t e r i a l sa n dw a t e ri sh i g h e rt h a n9 0 。，w h i c h i n d i c a t es i l i c o n em a i n t e n a n c em a t e r i a l sh a v ee x c e l l e n tw a t e r p r o o fa b i l i t y i na d d i t i o n , t h er e s u l t sa l s oi n d i c a t et h es i l i c o n em a i n t e n a n c em a t e r i a l sc a np e r m e a t ei n t ot h ev o i d o fa s p h a l tm i x t u r et op r e v e n tw a t e rf o r mi t f u r t h e r m o r e ，u vr a d i a t i o na g i n gt e s to na s p h a l ta n dh e a to x i d a t i v ea g i n gt e s t o na s p h a l tm i x t u r ew e r ep e r f o r m e dt oe v a l u a t et h ea g i n gr e s i s t a n c eo fs i l i c o n e m a i n t e n a n c em a t e r i a l s t h er e s u l t ss h o wt h a ta p p l y i n gs i l i c o n em a i n t e n a n c em a t e r i a l s d e c r e a s er u t t i n gp a r a m e t e ro fu vr a d i a t i o na g e da s p h a l t w h a ti sm o r e ，t h er e s u l t s a l s os h o wt h a ts i l i c o n em a i n t e n a n c em a t e r i a l sc a ni m p r o v et h el o w - t e m p e r a t u r e c r a c k i n gr e s i s t a n c ea n df a t i g u er e s i s t a n c eo fa g e da s p h a l tm i x t u r e n d d i n gr e s i s t a n c ea n d o fb r i t i s hp e n d u l u m r e s u l t st h es i l i c o n e m a i n t e n a n c em a t e r i a l sm a yd e c r e a s et h es k i d d i n gr e s i s t a n c eo fa s p h a l tm i x t u r et o s o m ed e g r e e ，i t ss t i l lc a l l m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t s o fc h i n a s s p e c i f i c a t i o n m o r e o v e r , t h er u b b e rp o w d e ra n ds l a gp o w d e rc a l lb eu s e dt oi m p r o v et h es k i d d i n g r e s i s t a n c eo fs i l i c o n em a i n t e n a n c em a t e r i a l ss e a lo na s p h a l tm i x t u r e a c c e l e r a t e l o a d i n gt e s t ss h o wt h a ts i l i c o n em a i n t e n a n c em a t e r i a l sc a l ls t i l la c ta sm a i n t e n a n c e m a t e r i a l se v e nw h e nt h es u r f a c eo fa s p h a l tm i x t u r ei sp o l i s h e d t h er e s u l to ft h i ss t u d ym e n t i o n e da b o v ei n d i c a t et h a ts i l i c o n em a i n t e n a n c e m a t e r i a l se x h i b i te x c e l l e n tm a i n t e n a n c ep e r f o r m a n c eo na s p h a l tm i x t u r e ，w h i c hc a n s u p p o r tt h ea p p l i c a t i o n so fs i l i c o n em a i n t e n a n c em a t e r i a l si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s i l i c o n em a i n t e n a n c em a t e r i a l s ；w a t e r p r o o fa b i l i t y ；a g i n gr e s i s t a n c e ； s k i d d i n gr e s i s t a n c e n l 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录一i 第1 章绪论1 1 1 问题的提出1 1 1 1 我国公路养护的特点1 1 1 2 沥青路面养护的背景2 1 1 3 沥青路面预防性养护措施3 1 1 4 本文研究的目的与意义4 1 2 国内外相关领域的研究现状5 1 2 1 国外相关领域的研究现状5 1 2 2 国内相关领域的研究现状6 1 3 主要研究内容及技术路线6 1 3 1 主要研究内容7 1 3 2 技术路线7 第2 章原材料与实验方法8 2 1 主要原材料及其性能8 2 1 1 有机硅预养护材料8 2 1 2 沥青9 2 1 3 集料9 2 1 4 矿粉10 2 2 主要实验方法与实验仪器1 0 2 2 1 实验方法10 2 2 2 实验仪器1 1 第3 章有机硅预养护材料的防水与渗透性能表征1 3 3 1 引言1 3 3 2 有机硅预养护材料的防水性能1 4 3 2 1 接触角实验方法1 4 3 2 2 接触角实验结果及分析l5 3 3 有机硅预养护材料对集料的防水效果1 7 3 3 1 表观密度1 7 3 - 3 2 吸水率18 3 4 有机硅预养护材料在沥青混合料中的渗透性能1 9 3 4 1 渗透实验方法1 9 3 4 2 渗透实验结果及分析2 0 3 5 有机硅预养护材料对沥青混合料的防水效果2 2 3 5 1 渗水实验2 2 3 5 2 冻融劈裂实验。2 3 3 6 有机硅预养护材料的防水养护机理2 4 3 7 本章小结2 5 第4 章有机硅预养护材料对沥青及混合料老化性能的影响研究2 6 4 1 引言2 6 4 2 有机硅预养护材料对沥青紫外老化的影响2 7 4 2 1 紫外老化的实验方法2 7 4 2 2 紫外老化后表征方法2 7 4 2 3 温度扫描实验结果及分析2 8 4 3 有机硅预养护材料对沥青混合料长期老化的影响3 0 4 3 1 长期老化的实验方法3 0 4 3 2 长期老化后表征方法3 1 4 3 3 间接拉伸模量实验结果及分析3 2 4 3 4 低温弯曲实验结果及分析一：3 3 4 3 5 间接拉伸疲劳实验结果及分析3 4 4 4 有机硅预养护材料对沥青路面老化的防护机理3 6 4 5 本章小结3 6 第5 章有机硅预养护材料对沥青混合料抗滑耐磨性能的影响3 7 5 1 引言3 7 5 2 有机硅预养护材料对沥青混合料的抗滑能力的影响3 9 5 2 1 实验方法3 9 5 2 2 有机硅预养护材料对混合料抗滑性能的影响4 0 5 2 3 改性乳化沥青封层对混合料抗滑能力的影响4 l 5 2 4 采用防滑措施的效果。4 3 5 3 有机硅预养护材料的抗磨耗性能4 5 5 4 本章小结4 8 第6 章结论与展望4 9 6 1 结论4 9 6 2 展望5 0 参考文献。5l 附 录。5 5 致谢5 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 1 1 1 我国公路养护的特点 截至2 0 1 0 年底，我国公路总里程已达4 0 0 万公里，其中高速公路7 4 万公 里。我国已建成的高速公路中9 0 以上为沥青路面结构。在2 0 0 4 年国家高速 公路网规划的方案中，我国高速公路采用放射线与纵横网格相结合的布局方案， 形成由中心城市向外放射以及横贯东西、纵贯南北的大通道，由7 条首都放射线、 9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线组成，简称为“7 9 1 8 网 ，路面总规模约8 5 万公里，其中：主线6 8 万公里，地区环线、联络线等其他路线约1 7 万公里【l j 。 根据我国当前高速公路里程数量来看，可见在2 0 0 4 年规划里面的高速公路路网 骨架的己基本完成，这也标志着我国高速公路已由建设与养护并重，逐步转变成 以养护为主。然而我国高速公路在大发展的阶段，由于设计、施工以及广泛采用 半刚性基层，同时我国幅员辽阔、各地的气候差异很大、超载车及重载车辆很多， 沥青路面因不同的原因而出现了严重的早期破坏，这些早期破坏主要包括水损 害、裂缝、松散以及车辙等，影响了高速公路的正常运行t 2 4 。为避免早期破坏 造成进一步的损失，沥青路面的养护也成为了各界广泛研究的重点，在各省市的 实际实施中也取得了一系列的成果，但是我国高速公路沥青路面的养护还面临着 艰巨的任务和挑战。 目前我国高速公路沥青路面养护有以下几个方面的特点：( 1 ) 随着沥青路 面总里程的不断增加，沥青路面的养护工程量急剧增加，许多高速公路因各种原 因提早进入维修期，使得预防性养护、日常养护、大中修等措施在路面上并存， 所需养护机械、材料、工艺繁多，养护所面临的问题很多；( 2 ) 随着经济的发 展，人们对高速公路行车快速、安全、舒适、高效等服务的要求越来越高，对高 速公路的养护工作和养护质量愈加关注；( 3 ) 养护技术研究上的薄弱，对沥青 路面的病因认识的不够全面系统，还不能做到针对病害采用合适的养护措施；( 4 ) 养护材料和养护工艺很多，但是各种方法没有统一的标准与评价检测手段，对养 护的效果缺乏数据的支撑。在引入国外已经成熟的养护材料或技术后，还需要进 行二次开发，以适应国内的需求。正是由于这些特点，我国沥青路面的养护还有 巨大的发展空间。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 沥青路面养护的背景 沥青路面的养护主要包括预防性养护、矫正型养护、路面翻修及重建这几类， 其中沥青路面的预防性养护是指一种主动预先的、不改变路面承载能力的、可以 有效减少水分进入沥青路面结构层中，纠正路面非荷载破坏的养护措施p - 7 1 。沥 青路面预防性养护的概念是由1 9 8 7 年开始的美国战略公路研究计划( s h r p ) 计 划中的第3 个子课题中提出的，完整的定义是由a a s h t o 的养护小组在1 9 9 7 年的报告中给出，其中预防性养护的时机是需要特别注意的问题，这关系到运行 的成本以及预防性养护的效益，在这些方面国内外的研究者进行了广泛的探讨。 路面的矫正性养护是针对路面承载能力方面进行的养护，是在路面出现了较为明 显的破坏后进行的，比如裂缝、坑槽、车辙等。路面翻修和重建就是在路面状况 已经不适宜使用的情况下进行的，一般来说，沥青路面翻修和重建基本是在路面 使用年限快到的情况下。因此沥青路面的预防性养护和矫正性养护是在沥青路面 服役期间最为主要的养护手段。在这两种主要的养护手段中，沥青路面的预防性 养护得到了国内外广大研究者更多的重视。 图1 1 是美国在对各州公路长时间的统计得到的关于路面性能与使用寿命之 间的关系，从图1 1 中可以看出在沥青路面使用寿命的7 5 内，路面的性能会下 4 0 ，在这个性能下降的过程中是适合进行预防性养护的。如果这个阶段不进行 养护，在沥青路面使用寿命的1 2 内，其性能又会下降4 0 ，这样沥青路面的 性能已下降8 0 ，在这个时候进行养护所需要的费用是在合理的养护范围内的 5 1 0 倍。因此及时的对沥青路面进行预防性养护具有十分重要的意义，可以有效 降低路面运行的成本，降低养护费用，在沥青路面的使用期间内保持路面的良好 状况。 路 面 状 况 路面使用寿命t 1 图1 1 路面状况与路面使用寿命的关系 2 武汉理工大学硕士学位论文 虽然对沥青路面进行预防性养护在沥青路面全寿命成本分析( l c c a ) q j 会具 有优势，但是如何在合理的时机选择合理的预防性养护方式也是摆在公路管理部 门的一项难题。只有在合适的时机选择合适的养护措施才是真正的发挥了预防性 养护的优势，否则达不到降低养护费用的作用。关于如何选择预防性养护的时机， 国内外进行了广泛的研究。目前国内外用来判断沥青路面预防性养护的时机的方 法大致可分为两种：一是建立一些常用的路用性能指标的临界值，然后对沥青路 面进行检测，通过在实地检测获得了一系列的路用性能指标的数据。当发现当该 沥青路面路段的综合路用性能指标达到了其临界值，则认为这个时机就算需要采 取预防性养护措施的时机。这种对沥青路面预防性养护时机的判断常体现在对沥 青路面预防性养护措施选择的决策树或矩阵之中；另外一种方法是根据养护措施 在沥青路面的全寿命周期内的成本分析来判断路面最佳的养护时机。这种方法通 过计算在沥青路面服役的全寿命周期内，不同的预防性养护措施在不同时间点上 投入使用的效益与费用的比值，从而选取产生最佳效益费用比的时间节点作为路 面最合适的养护时机，这种方法判断沥青路面的预防性养护时机具有比较强的实 用价值，已在美国被广泛的采用。在我国，目前采用第一种方法来确定养护时机 比较多，因此对于第二种方法还需要大量数据的积累而在国内加以推广应用。 1 1 3 沥青路面预防性养护措施 目前常用的沥青路面预防性养护措施包括雾封层、微表处、碎石封层、薄层 罩面( n o v c h i p ) 、裂缝填封以及就地热或冷再生。针对不同的路面综合状况指 数( p c i 值) ，需要相对应的合适的养护措施。各种预防性养护措施的可以简要 的介绍如下： ( 1 ) 雾封层：主要应用在路面结构状况良好的沥青路面上，用来封闭路面 较大的空隙，防止路面的水损害，延缓路面的老化，抑制路面的松散。但是值得 注意的是雾封层会降低路面的抗滑能力。本文所研究的有机硅预防性养护材料就 是一种渗透性的雾封层材料。 ( 2 ) 微表处：作为一种预防性养护手段，微表处可以有效的防止路表水的 下渗，提高路面的抗磨耗性能和抗滑性能，同时也具有一定的填补车辙的效果1 8 】。 因此微表处被认为是一种修复沥青路面车辙以及其他多种病害的最有效与最经 济的方式，在国内外广泛的应用在沥青路面上，但是在其应用的过程中也存在一 定的问题，即很多养护部门未在充分调研路面状况以及气候条件下，盲目的采用 微表处作为预防性养护手段，而造成了资源浪费，同时微表处噪音很大，对环境 不利。 ( 3 ) 碎石封层：是一种在喷洒沥青类的结合料后撒布一定粒径的石料，经 武汉理工大学硕士学位论文 过碾压后形成的薄层封层。沥青类的结合料可以是热的普通沥青或者乳化沥青。 它可以提高沥青路面的防水能力与抗滑能力。常常用在交通量较小的沥青路面 上。 ( 4 ) 薄层罩面：是指在沥青路面的表面层加铺一层热拌沥青混合料来延长 路面的使用寿命。其中超薄罩面n o v c h i p 在世界范围内得到了广泛的应用，它是 一种可以为路面提供长期表面的预防性养护方法，采用了特殊的改性沥青以及开 级配骨料设计。施工中采用特殊设备碾压，其厚度大概为2 c m 。n o v c h i p 可以有 效提高路面的抗滑能力，同时具有一定的填补车辙作用。 ( 5 ) 裂缝填封：是道路养护最经济的方法之一，为避免由于水的渗透对道 路造成的损坏以及车辆行走使得裂缝进一步的扩展，裂缝填封采用高弹性的改性 沥青冷或者热灌或以压缝带的形式，是沥青路面必须采用的养护方式。 ( 6 ) 就地冷或热再生：沥青路面的再生技术可以分为沥青路面的冷再生与 热再生。热再生是指将洗刨后的废弃沥青混合料加热，然后与新的热拌沥青混合 料进行拌和，然后就地摊铺的再生方法。冷再生是在洗刨后的废弃沥青混合料中 加入乳化沥青、无机结合料以及新骨料进行拌和与摊铺的技术。在各地实际的养 护中发挥了一定的作用，可以利用废料，具有一定的社会效益，但是也存在成本 及设备要求较高的问题【9 。1 0 】。 1 1 4 本文研究的目的与意义 在沥青路面众多的养护方法中，雾封层技术受到了越来越多的重视。因为其 施工方法特别简单【1 1 1 ，开放交通速度快，同时又可以有效的防水，延缓路面的破 坏。然而目前国内外所采用的养护材料材料主要是乳化沥青或者改性乳化沥青。 乳化沥青在路面养护方面存在着一些难以解决的问题，例如乳化沥青封层后在紫 外线及交通荷载下容易老化，另外其防渗水效果不好，以及由于其渗透能力不强 而留在路面表面引起泛油，导致沥青路面抗滑能力下降严重等。因此研究新型的 区别于乳化沥青基，而又能达到更好的养护效果的新材料具有十分重要的意义， 这样可以拓宽沥青路面预养护材料的范围，促进建立新的养护措施与体系。目前 武汉理工大学开发了一类新的有机硅预防性养护材料，并应用于国内不同省份的 高速公路养护中，其优异的使用性能已得到实验室内与实体工程的证明 1 2 - 1 3 1 ，但 是其对性能表征与养护机理还有待进一步的研究。 本文主要研究了有机硅预防性养护材料在沥青与沥青混合料中应用的性能 及其养护机理。作为一类新的沥青路面预防性养护材料，有机硅预养护材料在国 内取得了一定的应用，但是其对沥青路面养护的机理机制尚不够明确，所以有必 要对其养护机理进行进一步的研究与探讨，为进一步研究此类预防性养护材料及 4 武汉理工大学硕士学位论文 实际的工程应用提供指导。 1 2 国内外相关领域的研究现状 1 2 1 国外相关领域的研究现状 沥青路面的预防性养护已在欧美国家形成了普遍的共识。在1 9 9 9 年， a a s h t o 对美国5 0 个州运输管理部门以及4 个加拿大的省进行了调查，结果显示 美国3 6 个州运输管理部门和加拿大的2 个省己制定了路面预防性养护计划 ( p a v e m e n tp r e v e n t i v em a i n t e n a n c ep r o g r a m s ) ，2 个运输部门正在制定路面预防性养 护计划，4 1 个州运输部门都已开始应用各种路面预防性养护措施【1 4 】。 s h r p 计划的养护项目的研究表明【15 。1 6 】：在路面整个生命周期内进行3 4 次 的预防性养护可以延长路面使用寿命1 0 1 5 年，可以节约路面全寿命养护费用 4 0 5 0 。 各种预防性养护措施在美国得到了广泛的研究与应用。德克萨斯州运输中心 i 拘p r a p a i t r a k u l t l 7 】等人在美国联邦公路局和德州公路局的联合资助下系统的回顾 了在美国使用雾封层材料及其添加剂的情况，他们发现添加有再生剂的乳化沥青 在喷洒在路面后可以抑制路面的松散，增加路面的防水能力，同时再生剂可以恢 复沥青的延度，对路面具有很好的保护作用。但是需要注意的是乳化沥青在喷洒 过程中，如果不能渗透进入沥青混合料内部，将明显降低沥青路面的抗滑能力， 另外其研究还发现沥青路面的老化与沥青混合料的空隙率有非常明显的关系。 g a l e h o u s e t l 8 】详细的研究了各种沥青路面预防性养护方法的使用效果，这也是 s h r p 计划的第3 个子项目的一部分，研究结果表明有一半的预防性养护措施在使 用1 4 年之后仍然可以继续使用，大大超过了人们对其的预期。 堪萨斯大学的l i t a ol i u t l 9 】分析研究了1 9 9 2 2 0 0 6 年之间堪萨斯州各种沥青路 面表面处治措施的成本与效益，结果表明表面封层措施的平均使用寿命在4 5 年， 其寿命略低于热拌沥青混合料罩面的养护措施，和微表处的寿命类似，但是从成 本效益分析来看，表面处治具有很大的优势。 在美国所采用的沥青路面养护材料主要以乳化沥青及改性乳化沥青为主，而 关于养护的新材料方面，目前有美国s t a r s e a l 公司的s u p r e m e t m 养护材料，它 是一类以精制煤焦油沥青乳液为主，添加有橡胶类高分子聚合物和表面活性剂的 混合物。另外还有金熊油。o m 再生剂，它是由沥青老化过程中丢失的各种不饱和烃 质成分组成的液态养护剂。目前这些新型的养护材料已在美国取得了一定的应 用，并已被引入我国进行推广应用。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 国内相关领域的研究现状 在我国国内，预防为主的路面养护概念逐步为国内公路养护工作者所认识， 自上个世纪9 0 年代后期以来，一些预防性养护措施在我国沥青路面上得到了应 用，如稀浆封层、微表处、薄层罩面【2 0 垅】。 江苏省于2 0 0 1 年将乳化沥青稀浆封层技术应用研究项目纳入了省交通科技 研究计划，在国内较早的研究了沥青路面的预防性养护措施。该研究项目从原材 料、混合料的拌和质量、施工方法到施工后验收等各个环节，进行了总结，并且 在此基础上，形成相应的稀浆封层的指南与技术规范，进一步推动乳化沥青稀浆 封层在江苏省的推广应用。 2 0 0 3 年，上海市公路管理局联合同济大学成立了沥青路面预防性养护技术 研究课题组，对沥青路面的预防性养护技术的一些关键问题进行了研究，并且于 2 0 0 4 年先后完成4 条试验路的铺筑，还对其进行了长期跟踪观测和分析。根据 以上应用的结果，上海市公路管理局组织编写了上海市的沥青路面的预防性养护 技术相关规程，并且已经在上海市开始正式实施。 2 0 0 6 2 0 0 9 年，华南理工大学和广东高速集团公司合作，结合广东省的沥青 路面养护工作的实际问题，对各种预养护措施及新材料进行了应用，并且建立了 路面状况与养护措施的对应矩阵模型，为广东省高速公路的养护提供了指导。 在养护材料方面，国内目前使用最为广泛的也是乳化沥青基材料，但是相应 的改性剂和乳化剂都依赖进口，因此提升了养护的成本。另外一些新材料也在国 内取得了应用，如s u p r e m e t m 、沥再生啪、金熊油m 再生养护剂都由欧美国 家引入了我国，另外还有一部分国内自主生产的养护材料也在沥青路面上进行了 一定的推广，如h a p 封层材料以及黑水银t m 路面养护剂等。但是目前这些新材 料新工艺尚未得到行业内的广泛认可，没有形成统一的技术指标与验收指标，并 且在实际应用中也存在其相应的问题。 随着沥青路面预防性养护的意识在国内进一步的增强，沥青路面的预防性养 护在未来会有更大的发展空间。 1 3 主要研究内容及技术路线 本文深入探讨有机硅预养护材料的防水性能，在沥青混合料中的渗透性能以 及有机硅预养护材料对沥青及沥青混合料抗老化性能的影响，并且分析了有机硅 预养护材料对沥青路面抗滑性能的影响及其在加速加载磨耗下的耐久性，系统的 研究了有机硅预养护材料在沥青路面养护应用中的养护机理。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 有机硅预养护材料的防水渗透性能研究及其防水机理分析。 ( 2 ) 有机硅预养护材料对沥青及沥青混合料抗老化能力的影响及其对沥青 沥青路面老化的防护机理。 ( 3 ) 有机硅预养护材料对沥青混合料路面抗滑性能的影响及其在加速加载 作用的抗磨耗能力。 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程，利用渗水系数仪和简 单渗透实验对沥青混合料防水与渗透性能进行测试，同时测试有机硅预养护材料 与水作用的接触角，表征其憎水性能。另外通过冻融循环实验，对喷洒沥青路面 预防性养护材料的沥青混合料的防水损害性能进行研究，并分析有机硅预养护材 料对沥青混合料的防水养护机理。 ( 2 ) 通过有机硅预养护材料沥青及沥青混合料的紫外老化与长期热氧老化 实验，对比分析老化后有机硅预养护材料处理与未处理的试件的各项性能，研究 有机硅预养护材料对沥青及沥青混合料的抗老化性能的影响，并分析有机硅预养 护材料对沥青路面老化的防护机理。 ( 3 ) 通过抗滑摆值实验与构造深度实验，分析有机硅预养护材料对各种不 同级配类型的沥青混合料抗滑性能的影响，并在实验室内采取洒布钢渣细料与橡 胶粉的措施来提高有机硅预养护材料封层后的沥青混合料表面的抗滑能力。另外 通过加速加载磨耗实验，分析有机硅预防性养护材料应用在沥青混合料上的抗磨 耗能力，全方面的研究沥青路面预防性养护材料从养护机理到应用在沥青混合料 上的耐久性。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章原材料与实验方法 为保证实验结果的可重复性，本章列出了在本文所有实验中所用到的原料， 实验方法及仪器。 2 1 主要原材料及其性能 2 1 1 有机硅预养护材料 本文实验中所采用的有机硅预防性养护材料为武汉理工大学与湖北环宇化 工有限公司共同研发的产品，其基本性能指标见表2 1 。 表2 1 有机硅预防性养护材料相关性能 有机硅高分子材料一般是有其是高分子三维交联而成的化合物，其普遍的特 征是以s i o 为主要化学健，每个硅原子被4 个有机基团取代。它具有s i o s i - 主链与有机基团侧链。因为它的主链结构中含有类似s i 0 2 无机结构而具有无机 物二氧化硅的安全无毒、耐候性等性能；又因为其侧链结构中含有有机基团，使 其同时具有憎水、耐高低温以及良好的化学稳定性等优异性能【2 3 。2 5 】。 本文所采用的有机硅预养护材料的主要成分为有机硅树脂，其结构是硅氧键 链段交联形成网络结构，主链为硅氧键，其侧链上为乙氧基和甲基等非极性基团， 这些非极性基团围绕主链向外排列。由于水分子是极性极强的分子，有机硅预养 护材料中的非极性基团与水分子异性相斥，所以其具有很强的“憎水性 。有机 硅预防性养护材料在使用前是液体的，液态时溶液中有大量的s i o h 键的存在， 此时硅树脂以低聚物的形式存在，在沥青路面上喷洒有机硅预养护材料后，会固 化成膜而发挥作用，在这个过程中，s i o h 不断的脱水形成s i o s i 的三维网络 8 2 1 2 沥青 本文所用沥青为湖北国创a h 7 0 基质道路石油沥青，其相关技术指标见于 表2 2 。 表2 2a h 一7 0 沥青性能指标 试验项目 试验结果技术要求 针入度( 2 5 、1 0 0 9 、5 s ) ( 0 1 m m ) 软化点( 环球法) ( ) 延度( s e m m i n 、1 5 ) ( 锄) 闪点( c o c ) ( ) 密度( 1 5 ) ( g c m ) 溶解度( 三氯乙烯) 不小于 旋转薄膜老化试验 ( 1 6 3 、8 5 m i n ) 2 1 3 集料 质量变化( ) 针入度比( 2 5 ) ( ) 残留延度( 2 5 ) ( c m ) 6 6 4 7 1 5 0 3 1 2 1 0 3 7 9 9 8 0 1 8 6 7 2 1 6 6 0 - 8 0 4 4 5 4 1 0 0 2 3 0 9 9 0 郢8 5 8 2 0 本文中所选用的集料主要为湖北京山所产的玄武岩，其基本指标如表2 3 ， 2 4 所示。在实验中，所有集料都来自于同一料源。 表2 3 玄武岩粗集料性能指标 试验项目 试验结果技术要求 表观相对密度 毛体积相对密度 骨料 ，甚 表观相对密度 密度 “。 毛体积相对密度 表观相对密度 一。 毛体积相对密度 压碎值 洛杉矶磨耗值 针片状含量 4 7 5 9 , - - 9 5 衄5 m m 粘附性等级 2 9 7 9 2 9 4 2 2 9 7 7 2 9 3 5 2 9 9 3 2 9 1 9 1 5 3 1 4 9 1 1 8 8 9 5 2 6 | 2 6 | 2 6 l a c 1 3 ，这与以前的研究人员所得到的研究结果一致， 级配对沥青混合料的抗滑能力具有很大的影响。因为在s m a 沥青混合料中， 4 7 5 r a m 以上的粗集料最多，同样s u p e r p a v e 1 2 5 沥青混合料中的4 7 5 m m 以上 的粗集料也多于a c 1 3 沥青混合料，这样导致了其各自构造的区别，尤其是在 宏观构造上的区别，进而导致了其各自抗滑能力的区别。 5 2 3 改性乳化沥青封层对混合料抗滑能力的影响 目前在沥青路面雾封层中主要采用的养护材料是乳化沥青或改性乳化沥青， 一般来说，采用的各类养护材料封层都会降低路面的抗滑能力，这是采用液体养 护材料封层时必须面对的问题。为反映有机硅预养护材料与改性乳化沥青封层的 区别，本章中采用改性乳化沥青封层与有机硅预养护材料封层进行对比，研究两 者封层后对路面抗滑能力的影响。沥青混合料类型与前面所用的一致，均为 a c 1 3 沥青混合料。图5 - 4 与图5 5 为在同一块沥青混合料试件上分别涂刷有机 硅预养护材料和改性乳化沥青后表面形貌对比。 4 1 武汉理工大学硕士学位论文 图5 4 有机硅材料封层后表面形貌图5 5 改性乳化沥青封层后表面形貌 7 5 7 0 6 5 z6 0 1 2 5 5 5 0 4 5 4 0 02 0 04 0 06 0 0 8 0 010 0 0 材料用量( m i m 2 ) 图5 - 6 两种封层后沥青混合料的b p n 的变化 02 0 04 0 06 0 0 8 0 010 0 0 材料用量( m l m 2 ) 图5 7 两种封层后沥青混合料的构造深度的变化 4 2 9 8 7 6 5 4 0 0 0 0 0 0 l u e v o 卜 武汉理工大学硕士学位论文 从图5 - 4 与图5 5 中对比可以看出，与有机硅预养护材料封层相比，改性乳 化沥青封层明显的影响了沥青混合料的表面构造，而有机硅有机硅预养护材料可 以渗入沥青混合料表面构造中，对沥青混合料的构造影响较小。另外图5 - 6 与图 5 7 中显示了两种封层后的抗滑摆值与构造深度值。从图5 - 6 中可以看出来，相 对于有机硅预养护材料封层，改性乳化沥青封层使沥青混合料的抗滑摆值下降的 比较多，当用量在8 0 0 m l m 2 的时候，抗滑摆值已经小于4 6 b p n ，已不能满足高 速公路的要求，而有机硅预养护材料封层的抗滑摆值虽然有所下降，但仍能满足 要求。对于构造深度来说，从图5 7 中可以看出，相对于改性乳化沥青封层，有 机硅预养护材料封层对沥青混合料表面构造影响较小。当材料的用量在6 0 0 m l m 2 及以上时，构造深度变化仍然不大，而改性沥青封层对构造的深度的影响要大许 多。究其原因，改性乳化沥青在沥青混合料中的渗透能力不强，大部分的改性乳 化沥青留在沥青混合料的表面，这样严重影响了沥青混合料的表面构造，也导致 沥青路面在封层后抗滑能力严重下降。 5 2 4 采用防滑措施的效果 由于采用养护材料封层后会降低沥青路面的摩擦系数，通常可以在路面撒布 一定的耐磨的石屑来提高其摩擦力，类似于单层石屑封层。在短期内石屑层会提 高路面的摩擦系数，但是这层石屑会在开放交通后很快剥离，使得路面的摩擦系 数迅速降低，因此在用于交通量比较大的公路有其局限性。本章中，在室内采用 了区别于普通石料的抗滑材料：橡胶粉与钢渣细料。选择橡胶粉的原因是其与有 机硅预养护材料的粘结性较好，在提高路面抗滑能力的同时降低路面的噪音。而 选择钢渣细料的原因是其棱角性比较大，并且可以利用废弃物，具有一定的经济 优势，存在的问题就是其与有机硅预养护材料的粘结性较差，在路面的使用中容 易产生掉粒现象，其耐久性有待进一步的检验。 实验中，有机硅预养护材料封层在用量定为4 0 0 槲，采用撤布橡胶粉( 颗 粒主要分布在0 1 5 m m 0 3 m