（道路与铁道工程专业论文）高强沥青的研发与应用.pdf

摘要 高强沥青是一种高性能的路面材料，它具有抗永久变形能力强、耐久性好等优点，是一 种高性价比的新型改性沥青。高强沥青作为优质道路沥青具有广阔的应用前景，因其突出的 高温性能而被应用在车辙病害整治区、高温重载路段、山岭重丘区长大陡坡路段、桥面铺装 等。本文高强沥青的研发系统深入，成果先进，它将带动国产沥青质量的提高，促进我国公 路事业的发展，推动国民经济的更大发展。 改性剂的种类与剂量不同，制得的改性沥青性能各异。本文在大量试验的基础上，首先 通过单一改性剂改性、多种改性剂复合改性制备沥青，研究表明，由此制得的改性沥青高温 性能达不到国外高强沥青的技术要求；然后，选择改善低温和弹性的改性剂x ，增强高温的 改性剂y 、z ，以及稳定剂u 、v ，通过试配法调整改性剂剂量来制备改性沥青；再后，用 常规、非常规试验以及s h r p 试验对所研制的沥青进行检测与评价，最终由正交法确定出高 强沥青的最佳配方。试验结果表明，自研高强沥青的高温性能优于国外产品，测试出自研高 强沥青的p g 等级为p g 8 2 2 2 ，研究发现6 0 下的g s i n 8 是评价高强沥青高温性能的关键 性指标，自研高强沥青6 0 的g s i n a i 分别是国外高强沥青、普通s b s 改性沥青的1 1 4 倍、 6 2 0 倍。 通过沥青混合料性能评价试验，主要包括马歇尔试验、冻融劈裂试验、劈裂试验、单轴 动载蠕变试验、低温弯曲试验等，将自研高强沥青混合料与p g 7 6 2 2s b s 改性沥青、国外 高强沥青进行对比，结果表明，自研高强沥青混合料具有与国外高强沥青相当的力学性能、 高温稳定性，自研高强沥青混合料的水稳定性、低温性能优于国外高强沥青。 最后，对高强沥青混合料的经济与社会效益进行了分析评估，提出了高强沥青路面的施 工工艺和注意事项。 关键词：高强沥青；正交试验；单轴动载蠕变 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e r p e t u a la s p h a l ti sak i n do fh i 曲p e r f o r m a n c ep a v e m e n tm a t e r i a l s t h em i x t u r em a d eo fi t s h o w st h a tp e r m a n e n td e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ea n dd u r a b i l i t ya r eg o o d s oi ti sr e g a r d e da san e w m o d i f i e da s p h a l tw i t hh i g hq u a l i t y p r i c er a t i o b e c a u s eo fi t so b v i o u sh i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t y , p e r p e t u a la s p h a i ti sa p p l i e dt os p e c i a ls i t u a t i o n s ，s u c ha sr u t t i n gd i s t r e s sm a i n t e n a n c ea r e a , h i i g h t e m p e r a t u r ea n dh e a v yl o a ds e c t i o n ，l o n ga n db i gr a m p si nt h es t e e pm o u n t a i n sa n dh i l l s ，b r i d g e d e c ks u r f a c i n g ，a n ds oo n a sa ne x c e l l e n tm a t e r i a l ，t h ep r o s p e c to fp e r p e t u a la s p h a l ti sb r i g h ta n d p r o m i s i n g w h a t sm o r e ，t h ee x p l o i t a t i o no fp e r p e t u a la s p h a l ti ss y s t e m a t i ca n dt h er e s u l ti s a d v a n c e d ，i tw i l li m p r o v ed o m e s t i ca s p h a l tq u a l i t y , p r o m o t et h ep r o g r e s so fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n , t h e nf u r t h e re n h a n c et h en a t i o n a le c o n o m y w i t ht h es o r t sa n dc o n t e n t so fm o d i f i e r sv a r y i n g ，t h ep r o p e r t yo fm o d i f i e da s p h a l tc h a n g e f i r s t l y , b a s e do nag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t s ，b ya d d i n go n l yo n em o d i f i e ro rs e v e r a lm o d i f i e r s ， s o m em o d i f i e da s p h a l t sw e r em a d e t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h eh i 曲一t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo ft h e s e a s p h a l t sc o u l d n tm e e tt h er e q u i r e m e n to ff o r e i g np e r p e t u a la s p h a l t ；s e c o n d l yx ，yzw e r e s e l e c t e d xw a su s e dt oi m p r o v et h el o w - t e m p e r a t u r ea n de l a s t i c i t yp r o p e r t y y zw e r eu s e dt o s t r e n g t h e nh i g h - t e m p e r a t u r ea b i l i t y i na d d i t i o n ，u ，vw e r e a d d e dt o h e i g h t e nt h es t o r i n g s t a b i l i t y a f t e rt r y i n gm o r et i m e s ，s e v e r a lm o d i f i e da s p h a l t sw e r ep r e p a r e d ；t h i r d l y , t h ed e v e l o p e d p e r p e t u a la s p h a l t sw e r ee v a l u a t e db yc o n v e n t i o n a l ，u n c o n v e n t i o n a la n ds h r pt e s t ；f i n a l l y , t h e o p t i m a lr e c i p ew a sd e t e r m i n e db yo r t h o g o n a lt e s t ac o n c l u s i o nc o u l db ed r a w e dt h a tt h eh i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo fd e v e l o p e dp e r p e t u a la s p h a l tw a sb e t t e rt h a nt h a to ff o r e i g np r o d u c t a n di t s p e r f o r m a n c eg r a d ew a sd e t e r m i n e da s p g 8 2 2 2 i tw a sf o u n dt h a tg s i n 5a t6 0 ( 2w a sak e y i n d e xo ne v a l u a t i n gh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t yo ft h ed e v e l o p e dp e r p e t u a la s p h a l t i tw a sa l s o o b t a i n e dt h a tg s i n 5o ft h ed e v e l o p e dp e r p e t u a la s p h a l tw a s1 14t i m e sa s t h a to ff o r e i g n p e r p e t u a la s p h a l ta n d6 2 0t i m e sa st h a to fs b sm o d i f i e da s p h a l t m i x t u r el a b o r a t o r yp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e d 1 1 1 e yi n c l u d e dm a r s h a l lt e s t ， f r e e z e - t h a wt e s t , u n i a x i a lr e p e a t e dl o a d sc r e e pt e s t ，l o wt e m p e r a t u r eb e n d i n gt e s t ，a n ds oo n c o m p a r e dw i t ht h ef o r e i g np e r p e t u a la s p h a l tm i x t u r ea n ds b sm o d i f i e da s p h a l tm i x t u r e ，i tc o u l d b ef o u n dt h a tt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n dh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t yo ft h em i x t u r e o f d e v e l o p e dp e r p e t u a la s p h a l t sw a sa sg o o da sf o r e i g np e r p e t u a la s p h a l t i ta l s od i s p l a y e dt h a tw a t e r s t a b i l i t ya n dl o wt e m p e r a t u r ep r o p e n yo ft h em i x t u r eo fd e v e l o p e dp e r p e t u a la s p h a l tw e r eb e t t e r t h a nt h a to ft h e f o r e i g np e r p e t u a la s p h a l t a tl a s t ，t h ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t so ft h er e s e a r c hw e r ee v a l u a t e d s o m ec o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e sa n dn o t i c ep r o c e e d i n g so f t h ep e r p e t u a la s p h a l tm i x t u r ew e r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：p e r p e t u a la s p h a l t ，o r t h o g o n a lt e s t , u n i a x i a lr e p e a t e dl o a d sc r e e pt e s t i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同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。 研究生签名：鱼叠坠日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：司蛊叠导师签名：j 霎丛生日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出 随着国民经济的发展，国家对交通运输的需求不断增大，1 9 9 8 年初，党中央、国务院把包括 公路在内的基础设施建设作为扩大内需的重点，至今，公路大发展的势头仍未减弱。尽管高等级 公路建设取得了令人瞩目的成就，但是沥青路面的破坏也在增多，高温重载下出现的车辙问题尤 为严重。车辙的产生严重影响了路面的使用寿命和服务质量：车辙引起路表过量变形，影响路面 的平整度：轮迹处沥青层厚度减薄，削弱了面层及路面结构的整体强度，从而易于诱发其它病害； 雨天路表排水不畅降低了路面的抗滑能力，甚至会由于车辙内积水而产生车辆漂移，影响行车安 全。造成车辙原因，除了设计、施工、荷载、渠化交通、气候等外，材料性能差是很重要的原因。 现在广泛使用的沥青混合料矿料级配，在大多数情况下能够满足目前交通和气候条件的需 要，交通量、车辆轴载与经济增长关系密切而不易于被限制，因此，增强路面抗永久变形能力要 从车辙的另一大重要影响因素一沥青胶结料入手，通过改善沥青性能以提高混合料的抗永久变形 能力。我国沥青路面主要采用半刚性基层，半刚性基层强度大，基层及基层以下变形相对较小， 车辙主要由沥青面层产生，尽管混合料配合比设计中沥青仅占总质量的5 左右，但它对混合料 整体性质有着重要影响，尤其对混合料的永久变形起着关键作用。s h r p 研究表明，沥青的性能 提供4 0 的抗车辙能力，沥青的高温性能严重制约着沥青路面的高温稳定性。 高强沥青是专为提高沥青路面高温稳定性开发的，大量应用于需要抗车辙的重车道、交叉路 口、弯道、坡道、桥面铺装、山岭重丘区的长陡坡路段等的改性沥青。我国已在铜黄高速的太平 湖特大桥钢桥面铺装、铜陵一汤nq - 程段，宣广高速水阳江特大桥桥面铺装，宁波灵桥钢桥面铺 装上使用了国外高强沥青，抗车辙性能明显提高，反响极好。 所谓改性沥青，按照我国公路沥青路面施工技术规范( y r gf 4 0 - 2 0 0 4 ) 的定义，是指掺加 橡胶、树脂、高分子聚合物、天然沥青、磨细的橡胶粉，或者其他材料等外掺剂制成的沥青结合 料，其目的是使沥青或沥青混合料的性能得以改善。今后道路改性沥青发展将出现两大趋势：其 一，研发功能性改性剂的化学改性沥青技术，采用低价格性能更好的改性剂，以及选用简单的生 产设备及工艺降低综合生产成本；其二，由于单一沥青改| 生剂的研发已经受到越来越多的限制， 因此，复合几种价格低廉的改性材料，开发新型沥青改i 生剂及沥青改性产品，从而综合提高沥青 的路用性甜1 1 。本文高强沥青的研发正剧【颐应这种趋势展开进行的。 公路交通运输的发展，带来沥青路面的铺装率迅速提高，随之道路沥青的需求量也逐年上升， 因此，以需求为目标，根据公路建设的要求开发新型沥青材料和进行i 生能改善是十分必要的，我 们必须面对现实，及时总结已有经验，认真分析国内外先进成果，加快开发沥青新品种，带动国 产沥青技术水平的提高，以促进我国公路的发展，推动我国国民经济的更大发展。可见，高强沥 青研发与应用具有很大的现实意义。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 改性沥青产生及发展 由于普通沥青的低软化点，高针入度和低温脆性等固有缺点，在利用它做铺路材料时，限制 了它的使用范围。科技发展能够提升生产力，生产力增长反过来又能促进科技进步，随着经济发 东南大学硕士学位论文 展，旧渣油路面不再能满足交通需要，人们开始尝试在普通沥青中添加改陛剂对其进行改性处理， 发现改性后的沥青高温性能、低温性能、感温性能均有提高，自此沥青材料的改性产生萌芽。 沥青改性可追溯到1 9 世纪初期，英国在1 8 1 3 年公布的专利中就提到橡胶改性沥青闭；法国 于1 9 0 2 年修筑了掺有橡胶的沥青路面一：在第二次世界大战期间，荷兰于1 9 3 6 年铺设的橡胶沥 青路面，经受了繁重的军事运输，成功地使用了1 9 年，并完好地保存下来；英国于1 9 3 7 年也铺 设了掺有橡胶的碾压式沥青混凝土作表面磨耗层，在其它一些路段沥青表面层中，采用磨细的轮 胎颗粒橡胶屑分散在沥青中( 而不是与沥青融合在一起) ，这种磨耗层使用了2 2 年，到19 5 9 年仍 处于良好状态1 4 1 ；日本、美国从5 0 年代起开展了橡胶改性沥青的工作。可以看出，国外对改性沥 青的研究应用已有百年历史。 近五十年来，国外改性沥青的发展大体经历了以下几个阶剧删： ( 1 ) 1 9 5 0 1 9 6 0 年，沥青改性材料主要是天然橡胶粉或胶乳，通过直接掺入沥青混合料中拌和或 预混为天然橡胶沥青使用； ( 2 ) 1 9 6 1 - 1 9 7 0 年，丁苯合成橡胶( s b r ) 改性沥青试验成功，一般采用胶乳形式直接在混合料拌 和过程中按比例现场掺配使用； ( 3 ) 1 9 7 1 - - 1 9 8 8 年，除合成橡胶继续应用外，热塑性树f l 旨( e v a ，e e a ，p e ) 得n - f 广泛的应用， 在路面工程中改性沥青由特殊材料变为“一般材料； ( 4 ) 1 9 8 8 年至今，由于高性能面层、重载交通、桥面、沥青再生等功能需要，提出了将改性沥青 由按材料分类改为按性能分类，废除了沥青温度一粘度关系曲线。而且，s b s 优良的改性效果为 国际公认，逐渐替代e v a 等，成为主导改性材料。 在国内，研发沥青的思想很早也被应用于实践，2 0 世纪6 0 年代通过在渣油中添加硫磺使沥 青变稠；1 9 8 2 年江西省交通厅召开谚甜日橡胶沥青路面鉴定会，鉴定资料表明用橡胶改性沥青铺 筑的路面能够提高使用性能；上世纪8 0 年代末，改性沥青已经开始铺筑试验路并被小规模地应 用于道路建设；9 0 年代后，高等级公路、尤其是高速公路蓬勃发展，使得改性沥青应用范围增大； 进入2 1 世纪后，改性沥青的发展达到前所未有的高潮，改性剂品种纷繁，改性工艺简化，改性 费用降低，改性沥青被广泛应用于新建高速公路表面层、中面层，长大陡坡路段、高速公路大中 修加铺层以及城市主干道的上、中面层等。 1 2 2 改性沥青国外发展趋势 国外从2 0 世纪初即开始了改性沥青的研究工作，1 9 8 9 年美国战略研究计划( s h r p ) 把改| 生剂 与沥青作为至关重要的合同内容；1 9 9 0 年美国政府报告a da - 2 4 2 1 0 4 改性沥青专辑中提出了沥 青各组分与改性剂间的相互作用；1 9 9 9 年瑞典皇家技术学院的x i a of l ul u 教授评价了改性沥青 的储存稳定性肛1 0 1 。 根据1 9 9 7 年的统计，日本主要沥青材料改性比例为：s b s 、e v a 6 5 9 ，s b r 为主的橡胶类 3 4 1 ；1 9 9 8 年欧美市场改性剂比例：欧洲，s b s 4 4 ，s b r l 0 ，e p d m l 2 ，胶粉9 ；美国 2 7 个改性沥青经营公司中，经营s b s 占3 7 ，s b l 3 ，s b r 7 。 1 9 9 1 年欧洲使用改性沥青总量为5 2 5 万吨；1 9 9 4 年全世界应用热塑性橡胶体( s b s ) 为改性剂 的改性沥青铺筑了9 0 0 0 k i n 的六车道汽车专用公路；1 9 9 7 年日本使用改性沥青2 7 4 万吨，占全年 度各类沥青使用量的7 ；2 0 0 3 年1 1 月美国( a s p h a l tp r o d u c t s & m a r k e t s ) ) 一书中写到至2 0 0 7 年 美国大约需要沥青3 7 0 0 0 万吨，其中以s b s 改性沥青为主。 2 第1 章绪论 目前国际沥青标准主要分为三大类：类是针入度级标准，一类是粘度级标准，还有一类就 是美国提出的s u p e r p a v e 性能等级标准。s u p e r p a v e 结合料性能规范主要是在美国的部分州应用， 粘度级标准以加拿大为代表，而其它大部分国家还主要应用针入度级标准。 尽管改性沥青已经得到了广泛应用，并且取得一定的研究成果，但是由于各国的气候、区域 条件迥异，工业化程度、机械设备也有差异，导致改性沥青的评价方法不能够统一，现行评价改 性沥青的方法可分为四大判l ： ( 1 ) 采用沥青性能指标的变化程度来衡量：如针入度、软化点、延度、粘度、脆点的变化程度。 变化值越大，改性效果越好。对于广大工程技术人员来说，这些指标测定方法简单，意义明确， 容易接受，所以是目前生产上最常用的方法： ( 2 ) 针对改性沥青的特点开发的试验方法：如弹性恢复试验、粘韧性试验、冲击板试验、离析试 验等等； ( 3 ) 美国战略公路研究计划( s f i r p ) 提出的沥青胶结料性能规范，如动态流变剪切s r ) 、弯曲流 变r ( b b r ) 、直接拉伸试验( d d 叼、扭转回弹等； ( 4 ) 通过新的开发的测试仪器来评价改性沥青的性能，主要是改性剂以及混合后沥青性质的变 化，比如一些化学分析方法，凝胶渗透色谱( g p c ) 、差示扫描量热( d s c ) 、红外光谱( 瓜) 、核磁共 掇n m g ) 等。 另外，沥青与道路质量的关系十分复杂，现今的沥青质量评价体系很难与道路质量建立直接 的相互关联，好多指标都是经验性的，沥青在一定温度下呈弹性体而又在一定温度下呈塑性体， 还在一定温度范围内呈粘弹特性，所以很难建立能够综合体现沥青力学性能、化学性能、粘附性、 耐老化能力的理论模型，因此，研究并建立能够综合描述沥青各种性能的理论模型也是未来改性 沥青研究的重要范畴i l j 。 1 2 3 改性沥青国内发展趋势 从1 9 8 8 年中国大陆第一条高速公路正式通车到现在，中国的高速公路建设取得了举世瞩目 的成就。叶五期间中国共建成高速公路2 4 7 万公里，是八五，和九五，建成高速公路总和的1 ：5 倍。全国高速公路通车总里程先后跃上了2 万公里、3 万公里、4 万公里三个大台阶。到2 0 0 5 年 底，高速公路总里程达到4 1 万公里，位居世界第二位。除西藏外，各省、自治区和直辖市都已 拥有高速公路，有l o 个省份的高速公路里程超过1 0 0 0 公里。辽宁省和山东省已实现了省会到地 市全部由高速公路连接，长江三角洲、珠江三角洲、环渤海等经济发达地区的高速公路网络也正 在形成。随着高速公路里程的不断延伸，规模效益逐步发挥，人们切身感受到高速公路带来的时 间、空间观念的变化。2 0 0 6 年，“五纵七横国道主干线京沪公路天津段、沪瑞公路三穗至凯里段、 连霍公路清水至嘉峪关段，西部省际通道阿北公路黄陵至延安段、兰磨公路思茅至小勐养段，国 家高速公路网京承高速公路北京段二期、杭瑞高速公路景德镇至婺源段等重点项目建成通车。 2 0 0 7 年底，我国高速公路总里程已突破5 3 万公里。根据交通部最新公布的国家高速公路网规 划，从2 0 0 5 年起到2 0 3 0 年，国家将斥资两万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使中国高速公 路里程达到8 5 万公里。目前已建成的高速公路中约有8 5 以上采用沥青路面，道路沥青的消费 从1 9 9 1 年的1 8 4 x i c t ，到2 0 0 3 年的接近1 0 x 1 0 7 t ，预计2 0 0 4 2 0 1 0 年我国道路沥青年均总需求 量约为1 2 x 1 0 t 1 3 x 1 0 7 t 左右。随着十一五计划的实施及城市化的建设，道路改性沥青呈现出 巨大的市场需求。 3 东南大学硕士学位论文 我国在沥青方向通过三个五年计划的科技攻关，已经取得了长足的进展。“八五，国家科技攻 关期间，主要借助美国战略公路研究计划( s h r p ) ，针对当前国产的七种代表性的沥青及其混 合料进行了较为全面系统的研究，提出了符合我国不同自然区域道路实际情况与路用性能的气候 分区，提出了沥青及沥青混合料的技术指标及相应的实验方法包括高温、低温、水稳、老化等各 个方面，并提出了初步技术标准的建议值。“九五，计划期间，明确了国产重交通道路沥青的技术 指标，沥青的改性技术和物理加强技术也得到推广。“十五”规划依旧将改性沥青的评价指标作为 研究重点，不断提供新思想、新观念、新理论、新方法，提出针对性、实用性强的措施和解决办 法。 尽管我国沥青研究方面已经取得了诸多成就，但是沥青结合料的评价和使用仍然存在很多问 题，归纳起来有以下几点： ( 1 ) 气候、交通量对沥青结合料的影响考虑粗略、不深入； ( 2 ) 针入度分级幅度过大，影响选用沥青的实际质量； ( 3 ) 改性沥青的评价指标与路用性能之间的相关性较差； ( 4 ) 沥青结合料的微观研究不透彻、不细致： ( 5 ) 改性沥青技术规范不能够较好地反映其路用性能，满足规范要求的沥青材料其路用性能表现 出较大的差异。 我国气候复杂、基质沥青杂、沥青质量较差、加工设备参差不齐，因而对沥青改性技术的要 求很苛刻，它应该满足以下4 个条件：第一，能够同时改善高温与低温性能；第二，不仅能够改 善进口优质沥青，而且能够改善国产普通沥青；第三，生产工艺不能太复杂，成本不能太高；第 四，沥青要能稳定存贮。基于国内改性沥青的研究现状，改性沥青的研究应集中在：改性剂的 选择；改性沥青机理研究；改性沥青及混合料的性能评价与标准制定等方面。 除了在改性沥青上下功夫外，还需考虑混合料的工程应用方面，即研究在沥青、集料确定的 情况下，找出合适的级配、最佳沥青用量，以满足实际工程的需要，建设出品质优良且耐久的高 性能路面。 1 3 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 从路用性能要求、气候特点、沥青储存稳定性出发，选择改性剂类型与剂量； ( 2 ) 首先运用试配法进行初步试验，然后通过正交试验法确定高强沥青的最佳配方； ( 3 ) 对混合料的水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性以及力学性能等进行评价，验证配方的合理 性； ( 4 ) 对自研高强沥青进行社会经济效益综合评价； ( 5 ) 制定合理的生产工艺，提出较完备的施工指南。 1 4 本文的研究路线 本研究主要采用英国s i l v e r s o n 公司生产的室内小型高速剪切搅拌机，通过在7 0 # 普通沥青中 掺加不同品种不同剂量的改性剂来自研高强沥青，以获得最佳配方。为实现高强沥青显著的高温 性能，选择以下三种设计方案： ( 1 ) 单一改性剂改性，分别为s b s 改性与天然岩沥青改性； 4 第l 章绪论 ( 2 ) 多种改性剂复合改性，制备改性沥青； ( 3 ) 综合考虑其它路用性能制备高强沥青，以x 、y 、z 为主要改性剂，u 、v 为辅助改性剂，先 通过试配法，再由正交法确定： ( 4 )自研高强沥青配方确定后，做混合料试验，将其与p g 7 6 - 2 2 的s b s 改性沥青混合料、国外 高强沥青混合料的路用性能进行对比分析，石料采用石灰岩，矿料级配为a c - 2 0 型。 研究路线可绘图如下： 5 东南大学硕士学位论文 第2 章试验设计、材料分析与选择 2 1 试验设计 试验设计，顾名思义，研究的是有关试验的设计理论与方法。通常所说的试验设计是以 概率论、数理统计和线性代数等为理论基础，科学地安排试验方案，正确地分析试验结果， 尽快获得优化方案的一种数学方法【l2 1 。 在工农业生产、科学研究和经营管理中，经常要进行各种试验。如何科学地设计试验方 案，正确地分析试验结果，找出最佳的生产条件和设计参数，以开发新产品或改进旧工艺， 这对于提高经济效益，加速社会发展的进程，有着及其重要的意义。 要设计出一个好的试验方案，除了具备概率论与数理统计知识外，还应有较深、较广的 专业技术知识和丰富的实际经验，只有三者紧密结合起来，才能取得良好的结果。若设计质 量不好，就很难制造出高质量的产品，即所谓“先天不足，后患无穷”。若能科学合理地安排 试验，则能减少试验次数，缩短试验周期，提高经济效益，尤其当因素、水平较多时效果更 为显著。 试验设计包含的内容十分丰富，本研究结合实际情况，选用国内外广泛应用的正交设计 方法。正交设计法又称正交试验法、正交设计法或正交法，是一种安排和分析多因素试验的 科学方法，它是以人们的生产实践经验，有关的专业知识和概率论与数理统计为基础，利用 一套根据数学上的“正交性”原理而编制并已经标准化了的表格一正交表，来科学地安排试验 方案和对试验结果进行计算、分析，找出最优或较优的生产条件或工艺条件的数学方法。简 言之，它是一种使用正交表安排试验并对结果进行统计分析，迅速找出优化方案的数学方法。 通常，我们把试验设计中，根据试验目的而选定的用来考察或衡量试验效果的特性值称 为试验指标；对试验指标特性值可能有影响的原因或要素称为因素，因素一般用大写英文字 母a 、b 、c 、来标记；我们称各因素变化的各种状态和条件，即每个因素要比较的具体 状态和条件称为水平，水平宜取算术等间隔值。在确定试验因素和水平时，必须以专业技术 和生产实践经验为基础，尽可能列出与研究对象目标有关的各种因素、水平。 1 试验指标 试验指标可分为两大类，一类是定量指标，也称数量指标，它是在试验中能够直接得到 具体数值的指标，如强度、硬度、重量、光洁度、精度、寿命、成本、合格率等；另一类是 定性指标，或称非数量指标，它是在试验中不能得到具体数值的指标，如颜色、味道、光泽、 手感、图面清晰等。在试验设计中，为便于分析试验结果，一般把定性指标进行定量化。 正交试验设计根据考察指标数量的多少分单指标正交设计和多指标正交设计。前者考察 指标只有一个，后者考察的指标多于一个。无论单项指标，还是多项指标，都是以专业为主 决定的，并且要尽量满足用户的要求。指标值应从本质表现出某项性能，尽量不要用几个重 复的指标表示某一性能。 2 试验因素 因素有各种分类方法。最简单的分法，可把因素分为控制因素和非控制因素，前者又称 可控因素，后者又称不可控因素。所谓可控因素指人们可以控制和调节的因素，如加热温度、 熔化速度、切削速度、进给量等；不可控因素指人们可以暂时不能控制和调解的因素，如刀 6 第2 章试验设计、材料分析与选择 具轻微磨损等。正交试验设计试验方案时，一般仅适于可控因素。 3 因素的水平 水平通常用1 、2 、3 表示，选择水平时应注意如下几点： ( 1 ) 水平宜取三水平为宜。这是因为三水平的因素试验结果分析的效应图分布多数呈二次函 数，二次曲线有利于呈现试验趋势的结果。若取二水平的因素试验结果的效应图分布是线性 的，只能得到因素水平的效果趋向，很难区分最佳区域，这对于整个试验分析是不利的。 当充分发挥专业技术的情况下，确定的因素水平值，就可能取在最佳区域中或接近最佳 区域，那么，按这样的因素水平做试验的效率会高些；当技术程度较低时，可能把因素水平 取不到最佳区域的附近，则就需要把水平区间拉开，尽可能使最佳区域能包含在拉开的水平 区间内。然后通过l 2 次的试验逐次缩小水平区，求出其最佳条件。当所求的最佳条件可 靠性认为不太满意时，还可以做第三次最佳条件的验证试验，通过寻找和计算，找出二次函 数的最大值。 ( 2 ) 水平应是等间隔的。水平的间隔宽度是由技术水平、技术知识范围所决定的。由于技术 上的限制，在取等间隔区间时可能有差值，那么可以把这个差值尽可能取小一些。 ( 3 ) 水平是具体的。所谓水平是具体的，指的是水平应该是可以直接控制的，并且水平的变 化要能直接影响特性值有不同程度的变化。 正交设计试验的一般步骤为： 第一步明确试验目的，确定考核指标； 第二步选取因素与水平，制定因素水平表； 第三步选择合适的正交表，进行表头设计； 第四步确定试验方案，做试验，填数据； 第五步计算分析试验结果，选取优化方案； 第六步验证试验，最后确定生产方案。 正交实验中使用的正交表l 。( m 。) 符号代表意义如下： l ：正交表的代号； n - 正交表的行数，即试验次数； f f l ：正交表中因素的水平数； k ：正交表的列数，即最多安排考察冈素的个数。 2 2 胶结料试验内容 制备的改性沥青在道桥实验室进行技术指标检测，主要的试验内容包括针入度、软化点、粘 度、延度、弹性恢复、粘韧性、离析试验、老化试验、动态剪切、弯曲梁流变等等。 2 2 1 基本试验 1 针入度 1 8 8 9 年b r o w e n 设计了针入度试验方法，针入度试验是沥青材料在规定温度条件下，以 规定质量的标准针经过规定时间贯入沥青试样的深度。针入度实质上是测定沥青稠度的一种 指标，针入度值愈小，表示沥青愈硬，稠度愈高，其粘度亦愈高。针入度试验也被视为一种 7 东南人学碰l 学位论立 剪切蠕变试验，其物理意义为表观粘度，它反映r 沥青住荷载作用f 的变形能力。 1 9 3 6 年p f e i f f e r 提出了针 度的对数与相应的温度之间存在线性关系，可以通过测定 小同温度下的针入度来获得针八度指数p 旷i 。我国“八五”攻戈的研究成果提出丁以温度敏 感性作为i ! j j 青性质2 本，提山用3 个( 15 c ，2 5 c ，3 0 c ) 或3 个以上不同温度的针入度计算 p i ，通过p i 表示洲青的感温性，因此针八度仍是我国研究澌青胶结料的一项重要指标。 2 软化点 软化点是人多数国家j 】米说明洲青高温性能的指标2 ，直接与表示路面发软变形的程 度相关联。 软化点的试验方法有好多种，我国采用的是世界上用得最r _ 泛的环球法，所使州的钢球 质量为35 9 ，升温速率为5 c m i n 。软化点只是在一特定试验条什r 表示洲青软硬程度的一 个条件温度，软化点通常采j ；| 条什的硬化点和滴落点米表示，沥青材料在硬化点至滴落点之 间的温度阶段时，呈粘滞流动状态，在工程实践中为保证沥青不致由丁温度升高而产生流动 的状态，取滴落点与硬化点之间温度间隔的8 72 i 作为软化点。软化点与针入度。样。常 常为控制制造l 艺、检验产品质量，评定沥青性质及选择使用条什所应j j ”“。 3 五芷度 沥青的延度是通过在规定的速度和温度f ，拉伸标准试什的两端直到断裂的k 度。它反 映了沥青材料的蜓伸性能，通常川来评价i 5 青路面抵抗低温开裂的能力。不少国家的洲青标 准中都有延度这一指标，有的国家的沥青标准中采删2 5 c 延度，有的国家规定较低温度的 延度，我国聚台物故性沥青规定州5 c 延度。w e l b o m 、k a t l d h 、w e n g e r 等认为不同油源的 各种洳青在1 5 c 时的延度 l 剪切敏感性之间有很好的联系”，但是，山丁延度的再现性不 好，延度能否作为控制澌青质量的手段还在讨论中。需要指出的是，延度指标并不是必须达 到多少以上就没问题，而应该是反映目前的实际水平能够满足路用性能要求。 4 粘度 粘度是反映沥青性能的重要指标，与龇青路面使用性能有较打的相戈艽系。从1 9 7 5 年 起美国就改按与路用性能有关的6 0 动力粘度和与施工要求有荒的】3 5 c 运动枯度来陋分 粘稠沥青的等级。澌青6 0 c 动力枯度用真空减压毛细管枯度训测定，6 0 c 动力枯度常作为 反映沥青在盛夏季1 y 洲青耐热性的指标，粘度人的洳青在荷载作用f 产生较小的剪切变形， 残留j 永久性塑性变形小，抗乍辙能力强。 图2i 真空减压毛细管粘度仪 测青试样的动力粘度按f 式计算： 8 。纽国 第2 章试验设计、材料分析与选择 r = k f ( 2 1 ) 式中： 1 1 一沥青试样在测定温度下的动力粘度，p a s ； k 一选择的第一对超过6 0 s 的一对标线间的粘度计常数，p a s s ； t 一通过第一对超过6 0 s 标线的时间间隔，s 。 1 3 5 1 2 运动粘度用布洛克菲尔德( b r o o k f i e l d ) 粘度计测定，用于确定各种沥青混合料的施 工温度。 2 2 2 针对改性沥青开发的试验 1 弹性恢复 弹性恢复试验是用于测定和评价改性沥青在外力作用下，变形后可恢复变形的能力，对 于改性沥青来说，这是一个比较重要的评价指标。 弹性恢复采用一般的沥青延度试验设备，首先浇注“8 ”字形的沥青试样，冷却后放在2 5 c 水槽中保温1 5 h ，接着脱模并在延度仪上进行拉伸，拉伸速率为5 c m m i n 。当拉伸到 1 0 c m 士- 0 2 5 c m 时停止，从中间剪断试样，在水中原封不动的保持l h ，把剪断的试样两头对 接起来并测量其恢复后的长度。按公式( 2 2 ) 计算其弹性恢复： 恢复率= 塑二羔1 0 0 ( 2 2 ) l o 式中：x 一回复后的试样长度( e r a ) 。 弹性恢复的恢复率越大，表明沥青的弹性性质越好。改性沥青弹性恢复率一般在5 0 以上，显示了较高的延伸性能与弹性能力。 2 粘韧性 沥青粘韧性试验是测定沥青在规定温度条件下拉伸时与金属半球的粘韧性和韧性，粘韧 性的提高对增强沥青混合料的结构强度有利。粘韧性试验作为衡量橡胶改性沥青产品质量的 一项必不可少的手段，在改性沥青试验方法中占着重要的地位。 图2 2 为粘韧性试验过程中的照片，加载速率为5 0 0 m m m i n ，拉至3 0 0 m m 或沥青被拉 断时试验结束，此时记录仪自动记录荷载及拉伸变形。试验时，一开始表现出需要较大的荷 载，后来则有一较长时间的变形段，将总的功称作t o u g h n e s s ，将后期较长时间变形的部分 称作t e n a c i t y ，单位为n m ，以此两项指标评价改性沥青的质量。 3 离析试验 离析软化点差是改性沥青配伍性的重要指标，规范要求聚合物类改性沥青的离析软化点 差心5 c 。离析试验因其操作简单，无需昂贵的分析仪器而得到了广泛应用。 9 南大学l 学位论 i 图22 枯韧性试验器 223s u p e r p a v e 试验 由于浙青化学性质的复杂性，浙青规范开发了针对物理特性试验，请如什八度、粘度和 延度，这些物理特性试验在标准试验温度f 进行，4 试结果被用来确定材料是否满足规范的 标准，但这些测试方法宵很多局限性许多试验是经验性的，经般土义有一个缺点即试骑 和性能之司的芰联性可能不佳。s u p e r p a v e 提出了一套既适用丁般撕青又适川于改性洲青 的腔结科试验规程，s u p e r p a v e 是美国公路战略研究计划( s h r p ) 的个成果，它把实验室分 析同现场性能联系起米。 1老化故验 旋转薄膜烘箱模拟澍台料生产和施期间的老化，此试验是把腔结料薄膜暴露在加热和 空气环境中，接近热拌和与 j d o - 删问的条件。 j 1 三力老化是把胶结料试忭暴露到加热和环境压力中，模拟路面在多年使用中的老化。压 力老化容器中试件胶结料已经在旋转薄膜烘箱中老化，因此，压力老化容器中的残留物代 表肚结料在生产自l 使；i j 期间已遭遇的各种条件。 2 粘度试验 粘度由旋转枯度计测定，用米评估腔结料的高温上作特性，实践中常采用同轴旋转粘度 计，如布氏枯度计测量。根据s u p e r p a v e 胶结科规范温度】3 5 c 时的粘度不能超过3 p a s ， 以保证沥青在泵送千拌和i 时有足够的流动性。 3 动态势切流变试验 动态剪切流变仪( d s r ) 是用来测试沥青胶结料粘性和弹性特征的仪器其方法是通过测 址夹在振荡扳和同定扳2 问的薄洲青胶结抖试样的粘性羽l 弹性性质米完成。在人多数路面承 受交通的温度f ， f l j 青的状况既像个弹性闱体，义像一个粘性液体。在d s r 中施加的威 力和产生的应变2 问的戈系，量化丁两种状况，提供了为计算两种沥青腔结料重要特性的必 要参数一复数剪切模量( g + ) 和湘位角( 6 ) ，o s i n 8 推演成高温幼度”，此系数代表年辙：g - s i n 8 推演山“中等温度劫度”系数，此系数代袁疲劳开裂。d s r 试验设备如圈2 3 所示。 墼粤 德。 擘氍 第2 口* 验世计、材“h 析与选# 幽23 动态势切流变仪圈24 弯曲流变仪( b b r ) 4 弯曲梁流变试验 弯曲梁流变仪( b b r ) 用米测革洲青住极低温度f 的劲度，试验中应用i 。程上粱的原理测 量在蠕变荷载f b n j j 青粱试样的劲度，这种蠕变荷载用沫模拟当温度下降时逐渐施加到路 面的应力。b b r 试验要获得两个参数值，即蠕变助度和m 值，蠕变劲度是删母渤青抵抗恒 载的能力，m 值足洲量加载后沥青勘度变化的述率。 2 3 材料分析与选择 2 3 l 基质沥青 通过在