（材料学专业论文）sma混合料水稳定性研究.pdf

摘要 s m a 路面以优良的路用性能闻名于世，近年来在我国逐渐得到推广应用。但是由 于我国对s m a 研究较晚，缺乏使用经验，一些工程一味照抄照搬国外的规范和经验， 结果导致路面在使用初期就出现了一些与水损害相关的破坏。本文通过研究沥青与矿料 的粘附机理，分析各种因素对s m a 混合料水稳定性的影响程度，从而对s m a 配合比 设计进行合理优化，以减小s m a 路面发生水损害的几率，提高沥青路面的使用性能。 本研究借助表面能理论，通过插板法和柱状灯芯技术分别测定沥青和矿料的表面能 参数，利用计算出的粘附功和表面自由能变化很好地解释了沥青与矿料的粘附、剥落过 程。同时，通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，深入研究了各种因素对混合料水稳定 性的影响程度，如粗细集料特性、矿粉用量、沥青类型、纤维用量、外加剂以及空隙率 等。试验数据分析结果表明，各种因素对s m a 混合料的水稳定性均有不同程度的影响。 本文通过对s m a 水损害机理和影响因素的深入研究，为s m a 的目标配合比设计提供 了理论性指导。 关键词：s m a ，水稳定性，表面能，粘附性，空隙率，冻融劈裂试验 a b s t r a c t r e c e n t l ys t o n em a t r i xa s p h a l tp a v e m e n tw h i c hi sf a m o u sf o ri t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e b e c o m e sp o p u l a ri no u rc o u n t r y b u tb e c a u s eo fl a c k i n ge x p e r i e n c e ，s o m ep r o j e c t so n l y b l i n d l yc o p yt h ef o r e i g nc r i t e r i o na n de x p e r i e n c e ，a sar e s u l t ，i nt h ee a r l ys t a g eo fs e r v i c el i f e o ft h ea s p h a l tp a v e m e n tf a i l u r e sa s s o c i a t e dw i t hm o i s t u r ed a m a g ea p p e a r t h i sa r t i c l es t u d i e s o na d h e s i v em e c h a n i s mb e t w e e nt h ea s p h a l ta n da g g r e g a t e ，a n da n a l y s e ss e v e r a lf a c t o r s i n f l u e n c eo nt h em o i s t u r es u s c e p t i b i l i t yo ft h em i x t u r e t h u st h ed e s i g nf o rs t o n em a t r i x a s p h a l tc a nb eo p t i m i z e dr e a s o n a b l y , t h ec h a n c eo fm o i s t u r ed a m a g ec a na l s ob em i n i m i z e d ， a n dt h ep 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 tw i l lb ei m p r o v e d b a s e do nt h es u r f a c ee n e r g yt h e o r y ，p a r a m e t e r so fa s p h a l ta n da g g r e g a t ec a nb eo b t a i n e d r e s p e c t i v e l yb yt h ew i l h e l m yp l a t em e t h o da n dt h ec o l u m nw i c k i n gt e c h n i q u e t h e n e m p l o y i n gt h ea d h e s i v ew o r ka n dt h ed i f f e r e n c eo fs u r f a c ee n e r g y , t h ep r o c e s so fa d h e s i o n a n df l a k i n gc a nb ee x p l a i n e da v a i l a b l y a tt h es a m et i m e ， s o a k i n gm a r s h a l l t e s ta n d f r e e z e t h a ws p l i t t i n gt e s ta r eu t i l i z e dt os t u d yo ns e v e r a lf a c t o r s i n f l u e n c eo nt h em o i s t u r e s u s c e p t i b i l i t yo ft h em i x t u r e ，s u c ha sc h a r a c t e r so fc o a r s ea n df i n ea g g r e g a t e s ，t h em i n e r a l f i l l e rc o n t e n t ，t h et y p eo fa s p h a l t ，t h ef i b e rc o n t e n t ，a d d i t i v e s ，a i rv o i d ，a n ds oo n t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ed e g r e eo fi n f l u e n c eo fs e v e r a lf a c t o r sa r ed i f f e r e n t t h r o u g ht h er e s e a r c ht h e a r t i c l es u p p l i e st h e o r yg u i d ef o rt h ed e s i g no fs t o n em a t r i xa s p h a l t k e yw o r d s ：s t o n em a t r i xa s p h a l t ，m o i s t u r es u s c e p t i b i l i t y ，s u r f a c ee n e r g y ，a d h e s i v ea b i l i t y ， a i rv o i d ，f r e e z e - t h a ws p l i t t i n gt e s t l l 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人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：办1 翌微加3 年石月2 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 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： 却受姚 导师签名：多 2 四字年厂月2e t 年月日 长安人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 ，问题的提出以及研究意义 从上世纪末至今，我国的高速公路发展十分迅猛，截至2 0 0 6 年底，我国的高速公 路已达5 万公里，居世界第二位，对于促进我国国民经济和社会发展起到了十分重要的 作用。在高速公路的路面结构中，沥青路面以其连续性好、行车平稳舒适、抗震性好、 噪音小及维修方便等优点而得到广泛应用。然而随着国民经济的发展，高速公路的交通 量迅速增长，近些年发现有许多的高速公路在投入运营一、二年后，有时甚至不到一年， 就出现了早期损坏，如路面的沉陷、桥头跳车、车辙等。在我国南方雨水较多及北方降 雨集中的地区，许多路面使用早期就发生坑槽、坑洞、松散、麻面、掉粒、唧浆、网裂 等破坏现象。这些早期破坏现象或多或少，直接或间接地都与水有关，即水的破坏作用 是关键因素之一，因而我们将这些病害现象统称为水损害【l 】。 沥青路面水损害是指路面在水分或冻融循环条件下，由于交通动载荷和温湿胀缩的 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 渐渗入沥青与矿料的界面上，并对沥青起乳化作用，导致沥青混合料强度下降。同时由 于水动力作用，沥青膜渐渐从矿料表面剥离，导致矿料之间的粘结力丧失、沥青混合料 掉粒和松散，继而形成沥青路面的坑槽、推挤变形等损坏现象，如图1 1 所示。 在各种各样的沥青路面类型中，沥青玛蹄脂碎石路面( s m a ) 是一种引人注目的新 型路面结构，尤其是它优良的抗车辙性能和耐久性能闻名于世。s m a 是一种由沥青、 纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青码蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙的 沥青混合料。欧洲的英、法、意文及其他一些文种均称为s t o n em a s t i ca s p h a l t ，1 9 9 0 年 进入美国后，逐渐改称为s t o n em a t f i xa s p h a l t ，均缩写为s m a 。第一条s m a 路面始建 于2 0 世纪6 0 年代中期的前联邦德国，已经有3 0 多年的历史，至今仍然使用良好【2 1 。近 年来s m a 路面已经在我国个别省得到推广应用，并且铺筑出一批“精品工程 。 虽然s m a 的综合路用性能良好，但是我国对s m a 研究较晚，缺乏使用经验，一 些工程没有从本地实际情况出发，进行适合于本地区的配合比设计，而是照抄照搬国外 的规范和经验，结果导致路面在使用初期就出现了损坏。水损害不仅严重削弱了路面的 使用性能，而且大大降低了路面的使用寿命，给我国的交通事业带来了巨大的经济损失。 凼此，对s m a 沥青路面的水稳定性方面的研究己经引起各方面的岛度重视。 了解沥青与矿料之间的粘附机理，认； 影响混合料水稳定性的因素，寻找评价水稳 定性的优良办法，合理优化s m a 配合比设计，从而防jj 诛损害的发牛，刘促进我围s m a 路面结构及其应用技术的。泛推广具有叶分重要的现实意义。 12国内外研究现状 图1 1 水损害示意图 121 国外研究现状 沥青路面的早期水损害是一个【 界性的问题。从上个世纪六七十年代丌始，国外就 ，r 始注意到沥青路面的水损害问题，6 0 年代美国沥青研究所( t h ea s p h a l ti n s t i t u t e ) 出 版的澌青路面结构排水叫确指m ，导数路面早期破坏的首要外部因素是水。此后， 美国全美公路合作研究计划( n c h r p ) 、美幽公路规划和研究汁划( h p r ) 、美国战略 公路研究计划( s h r p ) 和联邦公路局、加拿大运输坍会( t r a n s p o r t a t i o na s s o c i a t i o no f c a n a d a ) 、美田s h r p 路面长期使用性能研究专家组( l t p pe x p e ng r o u p ) 都对沥青路 面水损害问题进行过专题研究，取得了大量应用性成果。 围外研究者对水损害的研究工作，主要包括水稳定性的影响因素、水损害的成囚、 评价水稳定_ 生的试验办法以及如何时水损害进行控制和防治等方面【”。但由于沥青路面 使用中所发生的水损害涉及圳素很多，至今r ：多问题都没有得到令人满意的答案，斟此 还在进行不断的研究。研究的重点主要集中在以下几个方面： 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 对抗剥落剂与集料性质的研究 国内外常用的抗剥落剂种类一般有3 种：波特兰水泥( 一般不用于沥青混合料) ； 化学液体类；石灰类( 主要是消石灰) 。化学液体类是通过降低沥青和矿料界面间 的表面张力来改善混合料水稳定性的，一般以一电势作为其预选标准。它可分为两类： 聚胺类化合物与酰胺脂类。前者主要用于新拌沥青混合料，后者主要用于稀释沥青粘结 料及沥青乳液。对这种抗剥落剂有两点应予以注意：有些化学液体类抗剥落剂的热稳 定性差，在高温下易分解而不能发挥作用；如果用量过多，反而会促使沥青的剥落。 一般来说，抗剥落剂的剂量存在一个最佳值，在此剂量下抗剥落剂才能有效地改善 矿料表面的物理化学性能及其与沥青的胶结性能。至于化学石灰类抗剥落剂，大量研究 证明，它能有效提高沥青混合料的抗剥落性能、水稳定性以及改善沥青的龄期老化性能。 加之石灰价格便宜，施工简单，为此国外普遍推荐使用。1 9 9 2 年美国国家沥青路面协会 ( n a p a ) 曾出版了一本关于沥青混合料水稳定性的专著。尽管n a p a 在对许多化学抗 剥落剂进行评价以后明确指出许多抗剥落剂在长期性能方面尚有疑问，但多方详细比较 后仍认为效果最好的、最稳定的还是掺加石灰。用石灰处理矿料的方法一般有以下几种 方法：用干的消石灰与干的矿料掺和；用石灰浆或石灰水涂覆；将干的消石灰与 潮湿的矿料相拌和；用热的生石灰。另外，还有两种比较有发展前景的副产品抗剥落 剂水泥窑灰( c e m e n tk i l nd u s t ) 和妥尔油焦油沥青( t a l lo i lp i t c h ) ，也处于研究之中。有 研究表明，高百分率的水泥窑灰可以达到消石灰同样的抗剥落效果。对于妥尔油焦油沥 青，据英国哥伦比亚交通运输部的研究，它能够成为液体抗剥落剂的一种替代品。 抗剥落剂处理沥青混合料一般有两种方法：在沥青与矿料混合之前，用液体抗剥 落剂( 多为胺脂酸类) 对沥青进行处理，但这种方法的抗剥落剂进入至沥青和矿料界面 之间的速度很慢；另一种是直接使用抗剥落剂处理矿料表面，鉴于第一种方法工艺较 繁琐，有些研究者采用微波射线加热的方法来加速抗剥落剂向沥青和矿料界面的迁移。 微波加热是通过对抗剥落剂的极化作用来加速其迁移的，并且能降低沥青和矿料界面分 子排列的随机性来改善界面粘附性能。但这种方法对于沥青结合料与矿料粘附兼容性能 不佳的情形( 如采用酸性矿料) 反而会事与愿违。 在对矿料的性质研究方面，有两种划分方法。一种是按矿料是否亲水，分为亲水性 矿料( 如硅质矿料) 和非亲水性矿料( 如石灰石、白云石) ，遇水时亲水性矿料比非亲 水性矿料更易出现沥青膜的剥离；另一种是按照矿料表面呈现出的电性，分为“阳性 和“阴性 矿料。根据矿料的表面能和矿料给予水的p h 值可以预测其抗剥落性能。s h r p 第一章绪论 在其研究中明确指出，对于水损剥落，矿料表面的天然化学性质比沥青结合料的性质更 具影响力，在这个基础上可能提出一种新的粘附理论。 ( 2 ) 对粘附一剥落理论的研究 粘附是指一种物体与另外一种物体粘结时的物理化学作用，对于沥青和矿料间的粘 附性常见的理论有： 力学理论( 或机械粘附理论) ：认为沥青与矿料的粘附性主要是由其间分子力作 用的结果。分子力作用与矿料表面的特性( 如表面的空隙、粗糙度、比表面积、粒径等) 有密切联系，由于吸附作用和毛细作用，沥青渗入到空隙中增加了沥青和矿料之间总的 接触面积，产生力学嵌锁。而这种力学嵌锁在沥青与矿料之间提供了较强的粘结力，对 表面粗糙且多孔隙的矿料，这种力学嵌锁是非常强烈的。 化学反应理论：认为沥青与矿料的粘附性主要是因为两者接触表面发生的化学反 应。沥青与矿料中含有不同的化学成分，当沥青中含有表面活性物质( 如阳离子型的极 性基团和阳离子的极性化合物) 和一些含有重金属或碱土氧化物的矿料接触时，在表面 有可能形成皂类化合物。皂类化合物的化学吸附作用力很强，因而有较大的粘附性。当 沥青与酸性矿料接触时不能形成化学吸附，分子间的作用力只是由于范德华力的物理吸 附，并且这种物理吸附是可逆的； 表面能理论：其以经典的润湿理论为基础，认为沥青与矿料的粘附性主要由于能 量作用原理即沥青湿润矿料表面而形成的。沥青的湿润作用使沥青与矿料表面紧密结 合，而这种湿润是通过沥青表面和矿料表面之间的能量交换来实现的。由于水与矿料的 粘附力比沥青与矿料的粘附力要大，因此水就可以浸入沥青一矿料界面，形成水一沥青 一矿料的表面接触； 分子定向理论( 或极性理论) ：认为沥青与矿料的粘附性是由沥青中表面活性物质 对矿料表面的定向吸附形成的。现代表面分子物理的研究认为，沥青可视为表面活性物 质在非极性碳氢化合物中的溶液，根据沥青所含表面活性物质的数量不同而具有不同的 极性。沥青粘附于矿料表面后，在矿料表面发生极性分子定向排列而形成吸附层。与此 同时，在极性场中的非极性分子由于得到极性的感应，也产生额外的定向能力，进而构 成致密的表面吸附层。沥青的极性是吸附的本质，也是导致矿料吸附沥青的根本原因； 表面构造理论：认为矿料的表面构造是决定沥青与矿料粘附性的主要因素。这几 种理论中，表面能理论方面的研究发展较快。美国德克萨斯a m 大学d r l y t t o n 等人 的最新研究成果表明，s p e ( s u r f a c ef r e ee n e r g y ) 能够较好地用来表征混合料的粘附性 4 长安大学硕士学位论文 能，根据它来预测沥青的剥落是可行的。自由表面能可以用u s d ( u n i v e r s a ls o r p t i o n d e v i c e ) 按t w p m 试验方法( t h ew i l h e l m yp l a t em e t h o d ) 较准确地测定，且基于表面 能理论的水损害研究结果同力学试验结果体现了良好的一致性。 对剥落机理的认识，国外一般考虑以下3 个基本影响因素：在浸水条件下发生在 沥青结合料与矿料接触面之间的化学一物理耦合反应；矿料表面的灰尘、粘粒以及水 分使其与沥青不能完全粘结；水对矿料表面沥青粘结膜的置换；在矿料锐利棱边及 棱角处沥青粘结膜的破裂；孔隙水动力的侵蚀剥落。 另外研究工作者指出导致沥青混合料早期剥落的原因有：矿料内部或表面含水 ( 对吸水性强的矿料) ；矿料特性( 酸性、碱性) ；矿料表面质地( 光滑、粗糙) ： 矿料表面灰尘；贮料期间的老化；沥青粘结料的乳化；沥青粘结料的路用性能； 沥青混合料的设计、生产、摊铺质量；路面中自由水的作用。 对沥青的剥落过程，美国沥青协会则进行了更深入的研究，t a y l o r 和k h o s l s 等把沥 青膜的剥落机理归纳为撕裂、置换、瞬间乳化、间隙压力、水力冲刷等几种情况，具体 来说，有以下几种情况：沥青膜移动：沥青膜分离；沥青膜破裂；起泡；水 力冲刷和孔隙压力；粘结层破坏。 ( 3 ) 对评价沥青混合料水稳定性试验方法的研究 沥青混合料水稳定性试验方法是在分析水损害发生机理的基础上发展起来的。沥青 混合料水损害的实质是粘附于矿料颗粒表面的沥青被水置换下来，脱离矿料表面，矿料 成为松散的颗粒，因此路面材料强度降低，在车辆荷载的作用下出现松散、裂缝、坑洞 等破坏现象。要避免水损害，矿料和沥青之间要有足够的粘附力和粘结力，沥青混合料 水稳定性试验的出发点都是基于这一点。 国外的沥青混合料水稳性评价方法可大致分为两类：一类是将未经压实的松散沥青 混合料浸于水中一段时间后，主观评价或利用仪器检查矿料裹覆沥青膜的剥蚀程度，并 据此作为判定混合料水稳性的依据。这类方法以水煮法、浸水法、示踪盐法和光电分光 度法为代表；另一类评价方法是将沥青混合料试件或芯样置于一定水侵蚀环境条件下， 以某些物理力学指标的衰变程度来表征混合料的水稳性。这类方法有劈裂试验，洛特曼 法( a a s h t ot 2 8 3 ) ，改进的洛特曼试验，德克萨斯承台冻融试验，t u n i c l i f f - - r o o t 试 验，浸水车辙试验等。s h r p 在水稳定应用性研究中提出了自己的四种预测沥青结合料水 敏感性的试验方法：n a t 法( n e ta d s o r p t i o nt e s t ) ；f t i r 法( f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d t e s t ) ：s w x a 车辙试验法；o s u 车辙试验法【5 】【7 1 。 第一章绪论 对于第一类评价方法，水煮法和浸水法试验是通过裹附沥青的矿料在一定高温水中 的剥落情况确定其粘附强度。示踪盐法和光电分光光度法是用化学试剂来显示沥青的剥 落。示踪盐法是先将粗集料用示踪盐溶液浸渍处理，再经沥青包裹，然后浸于蒸馏水中 限定时间，最后用火焰光度计测定示踪盐在水中的浓度，与未经沥青包裹的空白矿料试 样的浸水后示踪盐的浓度比较，以二者的浓度比值作为剥落度的评价指标。光电分光光 度法则是应用染料的示踪作用，将裹附沥青的矿料浸于有染料的水中，当染料跟随水进 入沥青与矿料的界面时，即吸附于矿料的表面。在指定时间内，沥青膜受水的置换作用 从矿料表面剥落的程度，可以通过染料在矿料表面的吸附量来表征。 这一类试验方法相对来说简单快捷，能直观地反映沥青与矿料的粘附与剥离，这是 其优点。然而它们也存在着问题，例如浸水法和水煮法试验，人为判断沥青剥落面积百 分率并不准确，而提出用剥落的沥青质量百分率似乎可以较客观地得到结论，但后者对 于那些剥落却没脱离开矿料的沥青却无法确定。相对而言，示踪盐法和光电分光光度法 解决了判断剥落与脱离的问题，然而它们又各自存在着问题：在考虑示踪盐或染料的浓 度或吸附量时，吸附于沥青上的部分就无法计量。更重要的是，松散的颗粒并不能表现 混合料在路面处的真实状态和受力情况，该类试验只反映了沥青与矿料的粘附性，所以 此类方法对材料的控制并不能避免路面水损害的发生。经验表明：如果沥青与矿料粘附 性很差，那么其混合料压实路面的抗水损害性能也不可能好。因此这类试验方法可以作 为材料的简易判别试验。 对于第二类评价方法，主要是针对第一类评价方法中松散矿料颗粒无法表现路面混 合料的真实状态而设计的。这类试验以不同的方式模拟了路面受水、温度和荷载( 水损 害的3 要素) 的破坏作用，不仅反映出沥青与矿料的粘附性，也反映出混合料的整体粘 结力。 洛特曼法( a a s h t ot 2 8 3 ) 是以冻融破坏与未冻融破坏的马歇尔试件抗拉强度比， 来判断混合料抗水损害的能力的强弱。试验重点是试件空隙率控制在7 左右，进行冻 融破坏的试件饱水率控制在5 5 - - 8 0 之间。其冻融循环过程是将饱水试件置于一1 8 下 冷冻1 6 h ，再将饱水试件置6 0 。c 水浴中保温2 4 h ，然后做冻融与未冻融试件的抗拉强度对 比。该试验对空隙率的控制保证试件处于可能发生水损害的状态下，研究表明，空隙率 过小，水不易进入混合料，没有水的进入就不会发生水损害：空隙率过大，水可以快速 透出混合料，也不会引发水损害。空隙率的存在为水的进入提供了条件，但水的存在才 是破坏发生的关键因素，因此饱水率的控制实现了这一条件，其饱水率范围是由试验确 6 长安人学硕十学位论文 定的。该试验的冻融循环体现了水和温度升降的共同作用，是对自然气候的模拟，但是 洛特曼法没有考虑到车辆荷载的作用，仅以抗拉强度表现了水、温度作用后材料的破坏 状况，这是该试验不足的地方。此评价方法主要反映了产生水损害的主要因素：沥青的 类型、矿料的类型和两者之间的相互作用。 e c s 试验，即环境调节系统试验，是美国s h r p 为了更好的模拟工程现场，缩小实 验室与现场之间的差距，更有效地评价沥青混合料的水敏感性所提出的试验方法。该试 验通过模拟路面浸水破坏环境的试验仪，对试件进行饱水处理、温度控制，并且施加脉 冲荷载，通过无破损方式对同一试件进行浸水破坏前后对比分析，以水的渗透性、试件 弹性模量和劈裂试件的沥青剥落百分比作为水稳定性评价指标，并以此评价混合料水稳 定性。试验采用马歇尔试件，空隙率控制在8 ，相比洛特曼法，该试验增加了水、温度 作用过程中的荷载破坏作用，这是向真实情况的进一步迈进，试验荷载的形式是加压脉 冲荷载。u t e p ( u n i v e r s i t yo f t e x a sa te ip a s o ) 在研究中指出，e c s 应在以下两方面改进： o e c s 回弹模量测定装置：剥落百分率及空气、水的渗透系数的测量精度。在分析试 验结果的基础上，得到e c s 试验所反映出的水稳定性显著影响因素为：沥青类型、矿 料类型、沥青与矿料的相互作用及试件的初始模量。 o s u 车辙试验和s w k u n 浸水车辙试验将车辙试件饱水后进行冻融循环，再施加轮 载作用，模拟车辆的破坏效果进行车辙试验，最后测定车轮作用下的车辙和辙痕剖面的 沥青剥落率以判定混合料的抗水损害性能。两个试验的不同在于：其试件冻融过程不同， 而且进行s w k u n 车辙试验时试件一直浸在水中。与前面的洛特曼试验和e c s 试验不同 的是，两个试验都采用了真实轮载，再现了路面通车情况，尤其是s w k u n 浸水车辙试 验，试验时试件一直处于饱水状态，与路面实际情况更加相符。两种车辙试验虽不完全 相同，但反映出水稳定性的影响因素相同，包括沥青类型、矿料类型和空隙率大小【5 4 1 。 随着各种评价沥青混合料水稳定性试验方法的出现，关于它们的可靠性、可行性以 及评比等方面的研究也在深入。但是到目前为止，还没有一种试验方法可以得到广泛的 认可，关于沥青混合料水稳定性的评价方法还需要进一步的研究。 ( 4 ) 对混合料离析与不均匀问题的研究 沥青混合料的离析和路面在局部压实度的不均匀是造成路面局部水损害的根源所 在。离析共有两种类型：矿料( 级配) 离析和温度离析。1 9 9 6 年夏季美国s t e v er e a d 在研究华盛顿沥青路面的周期性离析问题的原因和可能的解决方案时，首先提出了温差 引起的破坏问题。他指出，周期性离析问题与将沥青混合料从拌和楼运送到铺筑现场过 第一章绪论 程中混合料的温度差别有关。在铺筑之前，热拌沥青混合料的温度差别导致了施工过程 中铺筑层产生的潜在破坏。目前，设在美国奥本大学的美国国家沥青技术中心( n c a t ) 正在开展国家联合公路研究项目n c h r p9 1 1 “热拌沥青混合料的离析 的课题研究， 其研究内容包括离析的意义、测定离析的方法和步骤、离析对沥青混合料性质和路面使 用性能的影响和评价等。通过研究，n c a t 提出了两种可供研究混合料离析的方法： 采用红外线温度探测器测定温度离析；采用构造深度测定仪发现离析区域，确定离析 程度。 ( 5 ) 对排水结构层的研究 1 9 6 0 年德国首次采用了大孔隙排水型路面，1 9 7 4 年和1 9 7 6 年法国修建了多孔隙贫 混凝土路面试验段。1 9 7 9 年1 9 8 1 年在戴高乐机场水泥混凝土路面结构中将1 0 c m 厚的 多孔隙贫混凝土层铺设于面板与水泥处治基层之间，以增强基层的排水功能。贫混凝土 的多孔性是靠调节沙量得到的，一般用砂量为2 0 0 - - 3 0 0 k g m 3 ，孔隙率可达1 0 - - 2 8 。 这种多孔贫混凝土排水基层在欧洲的其他国家也广泛地使用于硬路肩下。长期观测表 明，未处治多孔隙材料基层，大大促进了路面结构内部渗入水的排出，减少了路面唧浆、 错台等损害现象发生。 对于其他西方国家以及日本，则大多采用多孔沥青碎石面层。但是美国道路专家认 为最可靠的排水措施是在整个路面宽度下采用开级配排水层。美国早在2 0 世纪6 0 年代 末和7 0 年代初通过调查和经验总结，就认识到了路面内部排水的重要性，于是在1 9 7 3 年便由联邦公路局制定了路面结构内部排水系统设计指南，以引导和推动公路部门采用 路面内部排水系统。到1 9 8 6 年，经过l o 多年的使用经验与研究成果积累，美国又进一 步在路面结构设计方法中把路面结构的排水质量作为一项设计因素考虑入内。 现在路面结构内部排水系统在美国已成为一项常用的措施。1 9 8 9 年，h a g e nm g 等 在美国明尼苏达州修建了设置四种路面排水设施共长1 8 2 4 m 的试验路段，并在1 9 9 0 - - 1 9 9 4 年期间进行了表面水的渗入以及排放量检测试验。四段路面结构分别为：第一段为 透水基层，第二段为横向排水管，第三段仅有纵向边缘排水，第四段采用横向复合土工 排水带。试验结果表明，采用横向复合土工排水带的排水量最大，其次是沥青透水基层， 横向排水管的排水量最小。此外，为了判别当时表面水是否通过水泥混凝土路面和沥青 路面路肩间的纵向接缝( 缝隙宽6 m ) 渗入到路面结构中，对接缝进行了填封处理，并 在填封前后测量出水口处的渗入水排放量。测试结果表明，接缝填封仅能在短期内起到 阻止表面水下渗的作用。因此，设置路面排水系统是非常有必要的，这可以使积滞在路 8 长安大学硕十学位论文 面及结构内的水迅速排放到路基和路面结构外，大大提高路面的使用寿命。 1 2 2 国内研究现状 相对而言，我国在水稳定性方面的研究起步较晚，无论是在对水损害机理的认识， 还是在对防治沥青路面水损害的应用性研究方面，在深度和广度上和国外都有着一定的 差距。对于沥青和矿料粘附性能的研究，国内大多是从改善沥青在温度、老化方面的路 用性能着手的，而在矿料的性质对沥青与矿料之间粘结性能的影响方面研究较少。对沥 青路面水损害认识和研究的滞后，导致我国一些特大工程如珠江三角洲的广佛高速公 路、长江三角洲的沪宁高速公路、渤海湾的石黄、沈大高速公路，在开通运营不久便出 现不同程度的水损害等早期破坏现象【3 】。 “八五”期间，我国公路交通进入了以高速公路为代表的高等级公路建设的发展时 期。1 9 8 8 年通车的京津唐高速公路，首次利用了进口沥青修筑高级沥青路面，从此以后， 高等级沥青路面以前所未有的速度在我国各地迅猛发展。随着沥青路面的大面积建设， 其早期破坏问题也都逐渐暴露出来，如车辙、水损害等病害相继出现。1 9 9 6 年开通的沪 宁高速公路，投资6 2 亿，设计大修年限2 0 1 0 年，其施工质量还获得了国家鲁班奖。然 而，仅开通运营不到6 年，就已坑坑洼洼，破坏极其严重，交通堵塞几乎天天发生。与 之相连的江阴长江大桥是我国第一座跨度超过千米的特大桥，设计合理，建桥技术先进， 也代表了我国2 0 世纪9 0 年代建桥的最高水平，然而通车仅仅2 年，桥面出现严重的水 损坏现象。据承担该桥路面建设的世界著名桥梁施工公司一英国k c b 的一位桥面专家 介绍，世界上有许多著名的桥面都是由该公司设计施工的，但是还没有哪座桥面像江阴 长江大桥这样出现如此快的严重破坏。 交通部公路研究所等有关科研单位在组织对沥青路面的高温稳定性进行系统研究 的同时，由长安大学和交通部重庆公路研究所开始对沥青混合料的水稳定性指标进行研 究。根据我国的实际情况，在借鉴国外比较成熟的试验方法及设计指标的同时，一方面， 注意到了试验方法能够尽量符合工程上的实际情况，能够确实起到鉴别不同沥青混合料 水稳定性的差别；另一方面又根据我国的试验技术水平和习惯尽量做到试验方法简单、 便于操作，以利于在我国工程实际中进行推广。通过大量室内外试验，提出了适合于我 国情况的水稳定性试验方法及评价指标，选取浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价沥 青混合料的水稳性，并提出了以静态的浸水法作为评价沥青结合料与矿料之间粘附性的 试验方法。 1 9 9 3 年，在山东召开的全国公路建设工作会议上，交通部根据国务院制定的国民经 9 第一章绪论 济发展战略，制定了公路主骨架国道主干线建设发展规划，即用3 0 年的时间建成“七 纵五横1 2 条国道主干线系统，全长3 5 万公里。至此，更多的科研工作者投入到沥青 路面的研究工作中来，江苏省交通科学研究所贾渝详细介绍了美国西部环道试验的目 的、试验方法和研究内容以及与美国西部环道试验并行的其他一些研究计划，并根据“沪 宁路沥青和沥青混合料路用性能研究 课题的研究成果，论述了沥青路面水损害的原 因，指出了我国沥青路面规范的不足，介绍了s u p e r p a v e 水敏感性指标一a a s h t ot 2 8 3 沥青混合料水损害试验方法，它能更好的模拟路面水损害，与实际有较好的相关性，值 得国内借鉴。山西省交通科学研究所王哲借鉴美国s h r p 计划中沥青混合料老化的研究 成果，通过典型沥青混合料的试验和分析，确定了各种老化试验方法的使用范围以及评 价指标，并分析了老化之后沥青及沥青混合料性能的变化。 交通部公路科研所沈金安研究员通过列举我国高速公路早期破坏损坏问题，分析了 沥青面层水损害早期破坏的特点和产生的原因，从设计、施工各个环节提出了防止水损 害早期损坏的技术措施。通过与国外沥青路面进行比较，认为国内对矿料的重要性的认 识程度还不够，在改善粘附性的过程中，不要轻易添加一些化学抗剥落剂，可以掺加消 石灰和水泥，并介绍了在修订公路工程沥青与沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 9 3 ) 过 程中增补的“沥青抗剥落剂性能评价方法”及“热拌沥青混合料的加速老化试验”。同 期，沙庆林院士比较系统地介绍了国内外水损害问题的普遍性和严重性，分析了水损害 问题出现的内因和外因，提出了减少水损害的主要措施：沥青面层的各层都采用空隙 率不大于5 的密实沥青混凝土；提高沥青与矿料的粘结力；提高压实标准，增加 现场空隙率指标；路面结构中设排水层或防水层。 进入二十一世纪以后，在国家的重视下，高速公路建设进入了鼎盛时期，沥青路面 建设也进入了全盛时期，而沥青路面在使用过程中所存在的问题也日益严重，特别是水 损害问题甚为严重。广东省最早出现引人注目的水损害的工程项目是广深高速公路，平 均每年翻修面积达到5 万m 2 ，累积达6 0 万m 2 以上，其中尤以东莞高架桥4 0 k m 路段最 突出。广佛高速公路于1 9 8 9 年建成通车，1 9 9 3 年全线采用n o v o p h a l t 改性沥青加铺了 4 c m 改性沥青罩面层，罩面半个月以后，即出现局部的坑槽、松散等破坏。随着交通量 的增加，破坏越来越严重，至1 9 9 8 年时路面出现大面积破坏，2 0 0 1 年底，广东省交通 科学研究所又进行了一次大的加铺维修。 严重的水损害问题逐渐引起了道路行业的工作者和科研人员的重视。在沙庆林院 士、沈金安教授、孙立军教授、张登良教授等人的著作中，就沥青路面的水损害机理及 1 0 长安大学硕士学位论文 其成因和破坏形式进行了系统、全面的阐述，对粘附性方法和沥青混合料的水稳定性评 价方法和指标进行了详细的介绍，为以后道路科研工作者的工作给予了很大的指导。近 年来，国内道路行业的专家主要从两个方面对沥青路面水损害问题进行了分析研究： 对水损害的机理和成因进行分析；矿料与沥青结合料的粘附性试验和沥青混合料水稳 定性的评价方法及其指标。 在孙立军教授的著作中，通过了解国内数条出现早期病害的路面的调查资料，就水 损害机理及其成因进行了详细的分析，他认为沥青在路面结构层中上迁是造成路面水损 害等早期破坏的主要原因，提出了沥青混合料水稳定性的全程评价方法，同时根据沥青 路面受行车荷载和动水压力共同作用下水损害过程的特点，设计了一个可以测试动水压 力的装置，并对大量的观测数据进行分析，回归得到动水压力p = 0 5 p 木y 2 ，其中p 为 水的密度( 1 0 0 0 k g m 3 ) ，y 为车辆的行驶速度( m s ) 。另外还对由于超载引起的轴载和 胎压的变化进行了有限元分析1 9 】。 华南理工大学交通学院的王端宜教授等人对沥青路面水损害早期破坏机理进行了 分析并提出了相应的防治措施。通过分析沥青混合料空隙率对水稳定性的影响及空隙率 和渗透之间的关系，提出了用吸水率指标来评价沥青混合料的设计空隙率和水稳定性， 并利用数字图像技术和轮迹试验预测沥青路面的水损害及其程度。 沙庆林院士、沈金安教授、孙立军教授等人就空隙率对沥青路面水稳定性的影响进 行了详细的阐述，一致认为当沥青混合料的空隙率大于8 时，混合料的透水性显著增 大，水稳定性降低。孙立军、王旭东等人经过大量室内试验证明，空隙率对沥青混合料 的多种力学性能有显著影响。 同济大学吕伟民、郑晓光就矿料沾染泥土后对沥青粘附性的影响进行了专门研究， 认为矿料的清洁程度也是影响沥青混合料粘附性的一个重要因素，并提出了改善沥青和 矿料粘附性的措施，可以掺加液体抗剥落剂、消石灰或水泥。 哈尔滨工业大学王抒音、王哲人等人认为在沥青矿料界面上增加配位键或难溶于水 的离子键化合物，能够很好地解决混合料的水敏感性问题，特别是，如果在界面上引入 过渡金属阳离子，对提高沥青混合料长期抗水损害性能会更有效。其开发研制的含铬外 加剂能够显著提高酸性矿料沥青混合料长期抗水损害能力m 】f 4 8 】。 长安大学的郝培文教授提出不同的抗剥落剂均可以提高矿料和沥青之间的粘附性， 但不同的抗剥落剂对混合料的水稳定性有不同的影响【3 7 1 。黄晓明等人对国内外水稳定性 第一章绪论 试验方法进行对比分析，并采用浸水车辙试验，对常用的几种混合料结构类型进行试验， 得出了水稳定性降低与试验时间呈线性关系。孙立军教授在国内冻融劈裂试验的基础 上，增添了更苛刻的试验环境，提出了多次冻融循环的水稳定性全程评价方法【5 5 1 。同济 大学的黄彭通过路面结构受水浸泡的时间长短和路面结构的排水性能，以及受水浸泡后 路面材料抗压回弹模量下降的变化规律和层间接触条件变化分析，提出了沥青路面结构 设计的新思路和新方法【5 1 1 。 因此，在总结国内外研究现状的基础上，本课题着重研究沥青与矿料之间的粘附机 理以及s m a 混合料水稳定性的各种影响因素，从而优化s m a 目标配合比设计，进一 步促进s m a 路面在我国的推广应用。 1 3本课题技术路线与研究内容 1 3 1 技术路线 本课题通过室内试验和现场试验路测试，综合分析s m a 混合料中沥青与矿料的粘 附机理以及水稳定性影响因素，对s m a 目标配合比设计进行合理优化后，铺筑试验段 加以验证，其主要技术路线如下： ( 1 ) 根据研究内容，制定详细的研究大纲； ( 2 ) 通过室内试验，进行s m a 目标配合比设计研究； ( 3 ) 利用表面能理论，建立沥青与矿料粘附性模型，通过插板法和柱状灯芯技术 分别测定沥青与矿料的表面能参数，分析沥青与矿料粘附机理； ( 4 ) 通过室内对比试验，分析原材料性质，包括沥青类型与用量、集料特性、纤 维用量等，对s m a 水稳定性的影响； ( 5 ) 通过室内对比试验，分析外加剂，包括消石灰、水泥、抗剥落剂等，对s m a 水稳定性的影响； ( 6 ) 通过室内对比试验，分析空隙率对s m a 水稳定性的影响； ( 7 ) 通过铺筑试验路，对试验路段路用性能进行测试分析； ( 8 ) 完成s m a 混合料水稳定性研究报告。 1 3 2 主要研究内容 本研究在充分吸收国内外研究成果的基础上，结合国内实际情况，对s m a 沥青混 合料进行研究。主要研究内容有以下几个方面： 1 2 长安大学硕士学位论文 基于表面能理论的沥青与矿料粘附性研究 集料特性对s m a 水稳性的影响研究 沥青类型对s m a 水稳性的影响研究 沥青用量对s m a 水稳性的影响研究 纤维用量对s m a 水稳性的影响研究 外加剂对s m a 水稳性的影响研究 空隙率对s m a 水稳性的影响研究 试验路测试分析 长安人学硕十学位论文 2 1 试验方案 第二章试验方案与试验方法 本研究试验方案主要分为以下两个部分： 2 1 1 原材料技术性质试验 l 、沥青结合料技术性质试验 采用韩国s ka 9 0 # 基质沥青、克拉玛依a 一9 0 # 基质沥青以及s b s 改性s ka 9 0 # 沥 青，其技术性质指标均满足公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 - - 2 0 0 4 ) 技术要求。 2 、矿料的基本物理、力学性质试验 采用的矿料分别为宁夏太阳山的石灰岩和陕西临潼的角闪片麻岩，其技术性质指标 均满足公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 - - 2 0 0 4 ) 技术要求。 3 、纤维技术性质试验 采用北京垦特莱公司的松散木质素纤维，其技术性质指标均满足公路沥青路面施 工技术规范( j t gf 4 0 - - 2 0 0 4 ) 技术要求。 4 、消石灰、水泥以及抗剥落剂的技术性质试验 2 1 2s m a 水稳定性试验 1 、s m a 目标配合比设计试验 ( 1 ) 级配的确定 ( 2 ) 最佳沥青用量的确定 2 、沥青与矿料粘附性研究 借助表面能理论，对沥青和矿料的粘附模型进行分析，试验方法包括： ( 1 ) 插板法测定沥青表面能参数 ( 2 ) 柱状灯芯技术测定矿料表面能参数 3 、s m a 水稳定性试验 通过选择不同的集料类型、不同的沥青类型及用量、不同级配和不同的外加剂，进 行s m a 水稳定性影响分析试验，试验方法包括： ( 1 ) 马歇尔试验 ( 2 ) 浸水马歇尔试验 第二章试验方案与试验方法 ( 3 ) 冻融劈裂试验 2 2 试验方法 1 、马歇尔试验 马歇尔试件按公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j0 5 2 2 0 0 0 ) 要求制备。 试件直径矽= 1 0 1 6 m m ，高度h = 6 3 5 1 3 m m ，采用马歇尔击实仪双面击实5 0 次，平 行试件不少于3 个。参照各级配的物理指标及马歇尔试验结果确定最佳油石比。 2 、水稳定性试验 结合我国的实际情况和标准试验方法，对s m a 混合料主要进行两种水稳定性检验。 ( 1 ) 浸水马歇尔试验 该试验用残留稳定度来评价沥青混合料的水稳定性，残留稳定度越大水稳定性越 好