（道路与铁道工程专业论文）橡胶沥青混合料高温性能研究.pdf

摘要 摘要 近年来 橡胶沥青混合料由于其突出的抗反射裂缝 吸收噪音和环保性能 在美国亚利桑那州 加利福尼亚州等地得到很多成功应用 国内广东和四川等地 区也有一些成功的工程实例 国内外的经验表明 橡胶沥青混合料是不错的路面 整修和新建材料 并表现出良好的高温性能 但橡胶沥青混合料较高的沥青用量 是否会影响其高温性能 国内外的理论界还缺乏相应的研究 对橡胶沥青混合料 高温性能的影响因素更是缺乏系统的研究 所以本研究有着重大的现实意义 本文利用室内车辙试验全面分析了橡胶沥青混合料高温稳定性能 通过对不 同的成型方式 沥青 胶粉 胶粉目数 胶粉掺量 集料类型 级配 添加剂对 橡胶沥青混合料高温稳定性能的研究 找出其中主要的影响因素 首先是原材料的性能检测和试验级配的拟定 最终确定以车辙试验 包括浸 水车辙 为主要的研究方法 试件成型时先对新拌混合料进行短期老化 试件压 实次数为4 0 次 接下来分析了沥青胶结料对橡胶沥青混合料高温稳定性能的影响 研究表 明 橡胶沥青混合料的高温抗车辙性能随着胶粉沥青的软化点 粘度提高而增加 且有较好的线性关系 两者中粘度是最主要的影响因素 不同厂家与产地的基质 沥青对橡胶沥青混合料高温性能有一定影响 但认为这些小的差别不会影响工程 实际的应用 胶粉的来源 细度 掺量都是影响胶粉沥青混合料高温性能的重要 因素 在最佳油石比以上 随着油石比的增加 混合料的动稳定度是减小的 低 油石比的橡胶沥青混合料虽然车辙试验表现的很好 但水稳定性表现很差 然后讨论了集料对橡胶沥青混合料高温稳定性能的影响 通过一般车辙试验 和浸水车辙试验表明粗集料为玄武岩 细集料为石灰岩的混合料在高温稳定性和 水稳稳定性上的综合性能优于集料全为玄武岩的混合料 亚利桑那州推荐的橡胶 沥青间断级配混合料与s m a a c 级配相比在高温稳定性上不存在优势 但通过浸 水车辙试验 前者的水稳定性能优于后两种级配的混合料 加了抗车辙剂 抗剥落剂两种外加剂后 混合料的高温稳定性 特别是在水 作用下的高温性能有了明显的提高 通过试验路 橡胶沥青混合料表现出不错的施工性能 现场的车辙试验结果 表明橡胶沥青混合料的高温性能超过了原设计的s b s 混合料的要求 关键字 橡胶沥青混合料 高温稳定性能 车辙试验 动稳定度 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s b e c a u s eo ft h ep r o m i n e n tp e r f o r m a n c eo na n t i c r a c k i n g n o i s e a b s o r p t i n g a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h er u b b e ra s p h a l tm i x t u r eh a sm a n y s u c c e s s f u la p p l i c a t i o n si na r i z o n a c a l i f o r n i aa n do t h e ra m e r i c as t a t e s t h e r ea r ea l s o s u c c e s s f u la p p l i c a t i o n si ng u a n g d o n ga n ds i c h u a n f r o mb o t ha b r o a da n dd o m e s t i c a p p l i c a t i o ne x p e r i e n c e i ts h o w st h a tr u b b e ra s p h a l tm i x t u r ei saf i n ep a v e m e n t m a t e r i a lw i t hg o o dh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e b u ta b o u tw e a t h e rt h ea s p h a l t a m o u n tw i l la f f e c tt h eh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo ft h em i x t u r e t h es t u d ys t i l ln o t e n o u g ht oe x p l a i n e s p e c i a l l yt h es y s t e r m a t i a l l ys t u d ya b o u tt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r t h e r e f o r e t h i sp a p e ri so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rm a i n l yu s et h er u t t i n gt e s t t oa n a l y z et h eh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y o fr u b b e ra s p h a l tm i x t u r e t r y i n gt of i n do u tt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r st h r o u g ht h e s t u d yo fd i f f e r e n tc o m p a c t i o nm e t h o d s d i f f e r e n tk i n d so fc r u m br u b b e r d i f f e r e n t m e s ho fc r u m br u b b e r d i f f e r e n tc r u m br u b b e rc o n t e n t d i f f e r e n tg r a d a t i o n ld i f f e r e n t t y p e so fa g g r e g a t e sa n ds oo n f i r s to fa l l p r e l i m i n a r i l yf i xt h em a t e r i a l p e r f o r m a n c et e s ta n dg r a d a t i o n a n d t h e nt a k er u t t i n gt e s t i n c l u d i n gi m m e r s i o nr u t t i n gt e s t a st h em a j o rm e t h o d f i r s t s h o r t t e r ma g i n go ff r e s hm i x t u r eb e f o r ec o m p a c t i n g t h e nc o m p a c ts p e c i m e nf o r4 0 t i m e s s e c o n d l ya n a l y z et h ei n f l u e n c eo fr u b b e ra s p h a l to nt h eh i g h t e m p e r a t u r e s t a b i l i t yo fr u b b e ra s p h a l tm i x t u r e r e s e a r c hs h o w st h a t t h ed y n a m i cs t a b i l i t yo f r u b b e ra s p h a l tm i x t u r eh a sa l m o s tl i n e a r r e l a t i o n s h i pw i t hs o f t e n i n gp o i n ta n d v i s c o s i t y d i f f e r e n ta s p h a l tf r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r sa n do r i g i na l s oh a sd i f f e r e n t p e r f o r m a n c e b e s i d e s t h es o u r c eo fp o w d e r s i z ea n dc o n t e n ta l s oa f f e c tt h eh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e t h e nd i s c u s st h ei n f l u e n c eo fa g g r e g a t eo nh i 曲t e m p e r a t u r es t a b i l i t y t h r o u g h r u t t i n gt e s ta n di m m e r s i o nr u t t i n gt e s ti ts h o w so u tt h a t c o a r s ea g g r e g a t ea sb a s a l t f i n ea g g r e g a t ea sl i m e s t o n em i x t u r eh a sab e t t e rc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo fa l l l i m e s t o n em i x t u r e a r i z o n ar e c o m m e n d e dg a pg r a d a t i o na s p h a l tm i x t u r ed o n t p e r f o r mb e t t e rt h a ns m a a cg r a d a t i o n b u tt h r o u g hi m m e r s i o nr u t t i n gt e s t t h e f o r m e ro n ep e r f o r m sb e t t e rt h a nt h el a t t e rt w og r a d a t i o n s a f t e ra d d i n gt h ea n t i r u t t i n ga n da n t i s t r i p p i n ga g e n t t h eh i g ht e m p e r a t u r e s t a b i l i t y e s p e c i a l l yu n d e ri m m e r s i o nr u t t i n gh a sb e e nn o t i c e a b l yi m p r o v e d h o w e v e r a b s t r a c t a f t e rt a k i n gi n t oa c c o u n to ft h ee c o n o m i cf a c t o r s i td o e s n taw i s ec h o i c e t h r o u g ht h e t e s tr o a d r u b b e ra s p h a l tm i x t u r es h o w e dag o o dp e r f o r m a n c e f i e l d t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h er u t t i n go fa s p h a l tr u b b e rm i x t u r eo v e rt h eh i g ht e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c eo ft h eo r i g i n a ld e s i g no fs b sm i x t u r er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s r u b b e ra s p h a l tm i x t u r e h i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e r u t t i n gt e s t d y n a m i cs t a b i l i t y 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 年月日 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 年月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 近年来随着我国经济的持续高速发展 国家对基础设施建设的投入也在逐 年地增加 作为基础设施主体的公路 特别是高等级公路得到了长足的发展 截至2 0 0 7 年底高速公路总罩程突破5 3 6 万公里 其中绝大部分为沥青路面 与 此同时 交通量猛增并在全国各地普遍出现超载现象 急剧增加的交通量 屡 禁不止的超载现象 加上近年来的气候变暖趋势 对路面材料尤其是直接承受 荷载的沥青混凝土面层材料提出了更高的要求 近年建成通车的高等级公路上 出现了较大面积的路面早期损坏 其中高温稳定性类和水稳定性类病害占多数 所以提高沥青混合料的高温和水稳定性能 是当前路面材料研究的重点 通过 使用改性沥青和加入纤维类材料 取得了比较明显的成果 但是较高的成本严 重限制了它们的推广应用 而另一方面 随着世界经济的稳步发展 汽车工业更是欣欣向荣 汽车增 长带来的副产品就是废弃轮胎的大量堆积 现在 许多国家废旧橡胶轮胎的闲 置己经造成巨大的环境污染和资源浪费 据统计 目前全世界每年产生1 5 亿条 报废轮胎 其中北美大约4 亿条 西欧近2 亿条 日本约l 亿条 2 0 0 2 年我国 的废旧轮胎已达到0 8 亿条 预计2 0 1 0 年将达到2 亿条 废旧轮胎属于工业有 害固体废弃物 它是恶化自然环境 破坏植被生长 影响人类健康的 危及生 态环境的有害垃圾之一 所以废旧轮胎被称为 黑色污染 其回收和处理技术是 世界性的难题 把废旧轮胎作为资源回收利用起来 开发新的应用领域势在必行 目前 将废旧轮胎磨细成橡胶粉应用于道路工程建设得到了广泛的关注 这也 是大量处理废旧轮胎的有效途径之一 由于橡胶和沥青同属于高分子有机材料 具备一定程度的天然亲和性 所 以橡胶改性沥青是一个很好的发展方向 现在由于技术水平的提高 常温下超 精细橡胶粉的加工已经实现了工业化 如果能通过系统的研究全面论证橡胶粉 改性沥青及其混合料的路用性能 解决橡胶粉加入沥青混合料的工程技术问题 将产生坏境保护 废物利用和延长道路使用寿命的多赢效果 行成巨大的社会 和经济效益 第一章绪论 沥青路面高温稳定性 1 2 3 1 j 惯上指沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变 形的能力 严格地讲 推移 拥包 搓板 泛油均属于高温稳定性范畴 稳定 性不足问题 一般出现在高温 重载以及抗剪切能力不足即沥青路面的劲度较 低的情况下 随着交通量的不断增大以及车辆行驶的渠化 沥青路面在行车荷载的反复 作用下 会由于永久变形的累积而导致路表面出现车辙 车辙进而导致路表过 量变形 影响了路面的平整度和行车舒适性 轮迹处沥青面层厚度减薄 削弱 了面层的整体刚度 从而易于诱发其他病害 雨天路表排水不畅 降低了路面 的抗滑能力 由于车辙内积水而使车辆漂滑 影响了高速行车的安全性 车辆 在超车或更换车道时方向失控 影响了车辆操控的稳定性 可见 由于车辙的 产生 严重影响了路面的使用寿命和服务质量 相比与以s b s 为代表的高聚物改性沥青混合料和以s m a 混合料为代表的纤 维质材料稳定混合料 橡胶沥青混合料有相近的效果 而且成本低廉 生产每 吨橡胶沥青可比s b s 改性沥青节约8 0 0 一1 0 0 0 元 同时 橡胶粉中含有外加剂 对混合料粘结性能的改善也有潜在的好处 可以说橡胶沥青混合料在我国公路 工程中的应用前景很广阔 综上可见 沥青路面高温稳定性是其重要的路用性能 所以在设计作为面 层特别是上面层的橡胶沥青混合料时 其高温抗车辙性能是非常重要的指标 而橡胶沥青混合料沥青用量较常规沥青混合料高5 0 以上 高沥青用量是否会 影响其高温性能 需要深入研究 笔者查阅了许多的国内外资料 在橡胶沥青 混合料研究上 重点是其综合路用性能和实际的使用情况 对其高温稳定性能 涉及较少 对橡胶沥青混合料的高温稳定性的影响因素更是缺乏系统的研究 所以本研究有着重大的现实意义 1 2 橡胶沥青的定义及胶粉分类 4 1 废橡胶粉应用于沥青路面的技术主要分为湿法 w e tp r o c e s s 和干法 d r y p r o c e s s 两大类 根据美国加州沥青橡胶使用指南的定义 湿法是指c r m c r u m b r u b b e rm o d i f i e r 先与沥青拌和 制成一种称为橡胶沥青 a s p h a l tr u b b e r 的改性沥 2 第一章绪论 青胶结料 然后再与集料拌和 干法是指将c r m 作为一部分细集料先与石料干 拌 然后喷入沥青拌制成废橡胶粉 或颗粒 改性沥青混合料 r u b b e rm o d i f i e d a s p h a l tc o n c r e t e 简称r u m a c 对于橡胶沥青 a s t m 还有更明确的定义 a s t m 2 0 0 1 年标准年鉴4 0 3 卷 a s t md 8 公路和铺面材料标准术语 橡胶沥青是 沥青 回收轮胎橡胶和 某些添加剂混合而成的胶结料 橡胶成分最少占到总量的1 5 并且与热沥青 充分反应 橡胶颗粒产生融涨 按照a s t md5 6 0 3 标准 胶粉可以分六类 全轮胎胶粉 w h o l et i r er u b b e r 有轿车 客车或货车整条轮胎制成的胶粉 胎面胶粉 t r e a do rp e e rr u b b e r 只 有轿车 客车或货车轮胎胎面制成的胶粉 胎面 胎侧磨屑 b u f f i n gr u b b e r 轮胎再生时抛光工序产生的碎屑 全胎磨屑胶粉 w h o l et i r eb u f f e r i n g 当轮胎 再生时抛光工艺涉及胎面 胎肩和胎侧时的副产品碎屑 非路用轮胎胶粉 o f f r o a dt i r er u b b e r 包括大型设备轮胎 农用轮胎 工程轮胎 叉车轮胎等 非轮 胎胶粉 n o n e t i r er u b b e r 上述的分类主要考虑的是废胶粉工业生产的手段和 轮胎的来源部位 这些因素都会影响橡胶沥青的性能 对于路用轮胎胶粉的分 类 工程界还没有明确的标准 这方面还有很多研究工作可作 1 3 国内外的发展概况 1 3 1 国外橡胶沥青及其混合料的研究与运用h 1 引 橡胶沥青材料在1 9 世纪3 0 年代术期开始就用作接缝填料 补丁和薄膜 在 1 9 世纪5 0 年代初期 美国加州公路局的刘易斯和博恩进行了大规模的试验研究 评估了 各种橡胶对石油沥青的性质影响 他们使用1 4 种橡胶粉和三种石油沥 青 包括 一种加州的低密度 低硫 低沥青质的沥青 这些结果与公路局的雷 克斯和帕克合作的 橡胶沥青材料试验室研究 一起发表在1 9 5 4 年1 0 月的 公路 刊物上 混合料的研究范围包括了硫化和未硫化的橡胶材料 包括废轮胎的胎 面 丁苯橡胶 s b r 天然橡胶 聚丁二烯和回收的 脱硫的 橡胶 既用了干法 也用了湿法 用在沥青混凝土材料中 对这个领域的兴趣和相关工作不断增长 专利申请的数量也在不断增加 1 9 6 0 年三月 沥青协会在芝加哥举办了首届橡 第一章绪论 胶沥青研讨会 该会议有五份论文参加讨论 亚利桑那州凤凰城的c h a r l e sh m c d o n a l d 查尔斯 麦克唐纳 在6 0 年代和7 0 年代在橡胶和沥青材料上做了大量的工作 他开发了生产橡胶沥青的 湿法 也 称为麦克唐纳法 他第一次将橡胶沥青作为常用方法用于维修和养护的补坑塘 和表处 橡胶沥青碎石封层作为该城主要道路的养护和保存方案有效地使用了 将近2 0 年 直到交通量过大才改为薄层沥青混凝土罩面 后来又开发了橡胶沥 青断级配混合料成功地替代了碎石封层 在1 9 7 5 年加州运输部开始进行橡胶沥青碎石封层试验 包括在实验室里和 在0 3 一y o l 一8 4 一p m l 6 0 3 一s a c 9 9 一p m2 0 的小段试验段 并取得好的效果 1 9 7 8 年加州的第一条干法的橡胶处理沥青混凝土路面在迈耶福莱s r 5 0 公路上建成 它先在集料中添加1 的废橡胶 再与沥青进行拌和 性能评价为优良 加州第 一条用早期 湿法 的橡胶沥青和密级配集料建设的路面于1 9 8 0 年在斯托贝城 s r 5 0 和汤尼萨米 i 8 0 建成 斯托贝城项目是对一条极差的路面进行的紧急维修 路面维修采用了路面加筋网 1 6 0 毫米的密级配沥青混凝土以恢复结构承载力 其上为薄层 3 0 m r n 橡胶沥青混合料磨耗层 最早的三个项目都位于在冬天使用 轮胎防滑链的高海拔的 冰冻区 橡胶沥青混凝土路面据说有很好的耐链条磨耗 性能和抗裂性能 1 9 8 7 年以后 加州每年建设一两个橡胶沥青项目 有橡胶沥青密级配 也有 开级配混合料 用作路面表层 厚度范围从开级配最薄2 4 m m 至l j 密级配最厚达到 7 6 m m 一些项目用了路面加筋网 或者调平层 有些橡胶沥青混合料下面用了 橡胶沥青应力吸收层 s a m i r 1 9 9 2 年3 月加州运输部在这些研究和项目回顾的基础上发布了 橡胶沥青断 级配混合料设计指南 指南介绍了断级配橡胶沥青混合料相对于沥青混凝土在 延缓结构裂缝和反射裂缝方面的等价关系 包括设置s a m i 层和不设s a m i 层的 结构 这些等价关系后来经过证实 收编在加州运输部柔性路面改建手册中 2 0 0 1 年3 月 橡胶沥青断级配混合料在取代沥青混凝土时常采用沥青混凝土 普通密 级配 厚度的一半 到上世纪末 美国铺设的胶粉改性沥青路面已超过1 1 万公里 到1 9 9 5 年 法国的橡胶沥青多孔隙混凝土累积已经摊铺了超过1 0 0 万平方米的路面 以美国为首的发达国家 对橡胶粉改性沥青及其混合料的研究起步早 研 究连续 成果较丰厚 实践经验也较丰富 总体来说室内研究对橡胶粉改性沥 4 第一章绪论 青路用性能的提高是肯定的 主要的研究结论包括 1 橡胶粉改性可以明显的提高沥青的粘度和s h r p 高温指数的值 提高沥青混 合料的高温抗永久变形能力 2 橡胶粉改性提高了沥青的低温抗变形能力和低温柔性 3 橡胶粉改性提高了混合料的室内试验疲劳寿命 4 橡胶沥青的采用会明显的增加沥青膜的厚度 提高混合料的耐久性 5 提高路面对裂缝发生 疲劳裂缝反射裂缝抵抗能力 因为胶结料含量高 弹 性好 6 橡胶沥青混合料减轻温度敏感性 由于能够吸收沥青中的油蜡 减少了游离 蜡的含量 7 降低噪音 美国亚利桑那州和加利福尼亚州的记载表明橡胶沥青混合料路面 降低交通噪音很明显 可以达到4 0 8 8 1 3 2 国内橡胶沥青及其混合料的研究与运用 相比于国外 国内的研究起步并不晚 早在上世纪7 0 年代末8 0 年代初 也 就是橡胶沥青应用于美国路面工程的几乎同 时期 同济大学 2 0 j 研究了橡胶粉 与沥青共融反应的粘度变化规律和对橡胶沥青混合料用性能的影响 并在1 9 8 0 年和1 9 8 1 年在江西铅山县和贵溪县铺筑了橡胶沥青试验路 由于试验路的等级 较低 施工工艺也是低等级的贯入式和表处 研究成果不适合于高等级公路 此后 由于缺乏足够的动力 国内橡胶粉加工工业弱小 废旧轮胎数量相 对小且零散 回收体系不健全 无害化回收处理不被重视 国内的橡胶沥青研 究陷入停滞 直到进入9 0 年代后 哈尔滨建筑大学 江苏石油化工学院 华 东冶金学院 辽宁交通科研所等开始对橡胶沥青现做了一些研究工作 沈阳市 市政设计研究院在19 9 3 年铺筑了1 0 4 0 平方米的橡胶沥青混合料试验路 2 0 0 1 年春 交通部公路科学研究所首次在钢桥桥面铺装上用干法工艺加入了3 0 相 对于沥青质量 的橡胶粉 该桥面经受了两个夏季的超重交通荷载考验 基本 保持良好 说明了橡胶沥青混合料在国内实际应用中 表现出不错的高温稳定 性能 2 0 0 1 年底 西部开发交通科技设立了研究项目 废旧橡胶粉在公路工程中 的应用 该研究课题由交通部公路科研所负责 是国内第一次对橡胶粉产业化 路用的综合研究 第一章绪论 1 3 3 沥青混合物料高温稳定性试验方法简介悼卜耵1 混合料高温性能的试验研究及评价指标的选取 是沥青混合料设计的关键 技术之 综合国内外的研究情况 沥青混合料高温稳定性能的试验方法主要 有 单轴高温蠕变试验 无侧限 车辙试验 浸水车辙 s h r p s u p e r p a v e 设 计中评价沥青混合料高温性能的体积指标试验 即最大旋转压实次数下的残余 空隙率 1 单轴高温蠕变试验 对材料施加一定水平的荷载或应力时 材料将产生变形 当外力撤去后变 形随时间的增长而逐渐恢复甚至一部分变形会永远保持 这种力学行为称为蠕 变 这类材料称为粘弹性材料 沥青与沥青混合料都是典型的粘弹性材料 尤 其在高温下 粘弹性表现的更为突出 蠕变试验通常采用单轴静载 三轴静载 单轴重复加载和三轴重复加载四 种方式进行 单轴蠕变试验是通过蠕变劲度模量来评价混合料的高温稳定性能 劲度模量通过试验按下式求得 s 舭 c r s 盎 式中 s 吖为蠕变劲度模量 m p a 盯为应力 m p a 啄久为永久变形 1 0 6 通过直接在蠕变试验过程中测量试件的变形来求得 实际上已包括了上述 弹性 粘度和粘弹性三部分的综合影响 可满足工程应用的需要 2 车辙试验 车辙试验最初是由英国道路研究所 t r r l 开发 方法简单 结果直观 而且与实际路面的车辙相关性甚好 因此 在r 本 欧洲 北美都得到了广泛 应用 车辙试验是评价沥青混合料在规定温度条件下抵抗塑性变形能力的方法 现在世界上采用的车辙试验方法有以下四类 1 以英国和只本为代表 利用直径2 0 0 m m 的实心试验轮对3 0 0 m m x 3 0 0 m m 5 0 m m 的板试件做反复荷载行车试验 2 以英国为代表 t r r l 于1 9 9 0 年提出了 个新的试验方法 利用直径为 6 第一章绪论 2 0 c m 的实心试验轮对现场钻芯取得直径1 9 5 2 0 5 m m 厚3 5 5 0 m m 的圆柱体试 件进行反复荷载行车试验 3 以法国为代表 法国道路与桥梁试验中心 l c p c 采用直径为4 0 0 m m 的充气轮胎对5 0 0 m m 1 8 0 m m x l o o m m 的梁试件做反复荷载行车试验 4 以美国佐治亚州为代表的沥青混凝土面层分析仪 a p a 其荷载通过压 在试件顶的充气 充气压力可调 从o 8 2 7 1 3 8 m p a 硬橡胶管 直径可调 从 1 2 9 2 9 m m 施加垂直荷载 试件可以是板式3 0 0 m m x l 2 5 m m x 7 5 m m 或直径为 1 5 0 m m 高为7 5 m m 的圆柱体 以o 6 m s 的轮速反复荷载行车试验 现在国内的车辙试验仪器基本都是采用日本的技术 沥青混合料的车辙试验首先是用轮碾成型法成型板块试件 放置一段时间 后 在试验机上 一定温度下 一般为6 0 保温一个小时 而后进行测试 以一个轮压为0 7 m p a 的实心橡胶轮胎在上以一定的速度 4 2 次 m i n 行走 测 量试件在变形稳定期时 碾压4 5 分后 每一分钟的变形需要胶轮行走的次数 即所谓动稳定度 次 m m 动稳定度按下式计算 d s 竺二坐三 吐一4 式中 臃为动稳定度 次 m m 屯为稳定期结束时间 即6 0 m i n f l 为稳定 期开始时间 即4 5 m i n 4 2 为胶轮每分钟行走的次数 1 h 2 为4 5 和6 0 对应 的位移 c 为试验机类型修正系数 曲柄连杆驱动为1 0 链驱动为1 5 c 2 为试 件系数 实验室制备为1 0 路面切割为0 8 车辙试验的另一个评价高温稳定性能指标是相对变形指标 即在规定作用 次数 时间下所产生的变形与试件总厚度的比值 这个次数根据实际交通荷载 和沥青混合料使用要求的不同而改变 一般都是取试验结束时6 0 分钟的永久变 形 车辙深度 来计算相对变形 计算公式为 万 丝 1 0 0 3 s u p e r p a v e 间接评价高温稳定性的方法 s u p e r p a v e 技术是美国公路战略研究计划 s h r p 的重要研究成果 对混合 7 第一章绪论 料高温稳定性评价 s u p e r p a v e 采用的是体积方法来评价 首先根据交通量 e s a u s 的大小确定旋转压实成型的压实次数 包括n 初始 n 设计 n 最大3 种压实水平 n 设计压实水平下的体积参数用来确定混合料设计压实水平下的各 项试验参数 包括空隙率 矿料间隙率 沥青饱和度和粉胶比等 在混合料的 各项材料组成及特性确定以后 n 最大压实水平下的体积参数用以检验混合料在 大交通量下抵抗长期塑性变形的能力 即间接评价混合料抗车辙变形能力 s h i 冲提出的n 最大压实水平下的压实度要求是不应大于9 8 即空隙率应大 于2 混合料的体积性质决定了路面的变形能力 s u p e r p a v e 混合料设计空隙率为 4 在大交通量 长期荷载作用下路面混合料的残余空隙率不应小于2 据 此 s u p e r p a v e 用以评价混合料抵抗永久变形的能力 1 4 研究内容和技术路线 本研究主要是在前人的研究基础上 全面的考察了的橡胶粉改性沥青混合 料 湿法 的高温稳定性能 为橡胶粉工业化并应用于道路工程 特别是面层 橡胶粉改性沥青混合料应用提供一个技术支持 主要的研究内容有 1 通过参阅前人对橡胶粉应用于沥青混合料的研究文献和研究现状 总结 和提炼出本研究的思路和角度 2 主要利用室内车辙试验全面分析了橡胶沥青混合料高温稳定性能 通过 不同级配 不同种胶粉 不同的胶粉掺量 不同的集料类型 不同的成型方式 添加剂对其高温稳定性能的研究 找出其中主要的影响因素 3 在此基础上 重点说明推荐亚利桑那州a r a c 间断级配的原因 通过 浸水车辙试验找出橡胶粉改性沥青用于s m a a c 级配的缺点 并指出现在国 内工程上使用的低橡胶沥青用量的a c 级配的严重不足 4 通过对橡胶粉沥青混合料试验路的现场铺筑和观测 了解橡胶粉沥青混 合料应用的实际效果 发掘设计和施工工程中出现的新问题 提出解决的途径 第一章绪论 根据以上研究内容 本文采用的技术路线和论文章节安排如下图所示 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 图1 1 研究的技术路线和论文章节安排 9 第二章橡胶沥青混合料高温性能的试验方法 第二章橡胶沥青混合料高温性能的试验方法 2 1 原材料性能试验 本次研究用到的原材料包括7 0 和9 0 两个标号 七种基质沥青 玄武岩和 石灰岩两种集料 四种产地的胶粉和两种外加剂 抗剥落剂 抗车辙剂 2 1 1 基质沥青基本性能测试 本次研究中采用了加德士7 0 埃索7 0 中海7 0 河北宏润7 0 金山东 海7 0 盘锦9 0 加德士9 0 七种基质沥青 其基本性能指标如表2 1 表2 1 基质沥青的常规指标 慕 针入度 软化点 1 5 延度 c m 2 5 c l o o g 5 s 沥青种类 实洲值 规范要求 实测值规范要求实测值 规范要求 加德十7 0 6 86 0 一8 04 9 4 6 1 0 0三1 0 0 埃索7 0 6 56 0 8 04 7 4 6 1 0 0三1 0 0 中海7 0 6 76 0 8 04 8 4 6 l o o2 1 0 0 河北宏润7 0 6 96 0 8 0 4 9 4 6 1 0 02 1 0 0 金山东海7 0 7 l6 0 8 04 9 5 4 6 1 0 0 三1 0 0 加德十9 0 9 28 0 1 0 04 3 4 5 1 0 02 1 0 0 盘锦9 0 9 08 0 1 0 04 4 2 4 5 1 0 0 三1 0 0 注 1 5 c 延度的要求是不小于l o o c m 所以当试验进行拉到超过l o o c m 时就停止了试验 从表2 1 可见 基质沥青的性能符合规范的要求 2 1 2 集料基本性能测试 本研究所用的集料有江苏茅迪玄武岩和江苏溧阳石灰岩两种 粒径组成都 是5 1 0 3 5 0 3 三档 将这三档筛成1 3 2 9 5 9 5 4 7 5 4 7 5 2 3 6 2 3 6 一o 0 7 5 四档 对2 3 6 一o 0 7 5 档料 用o 0 7 5 筛尽量筛去粉尘 其基本性能 测试的结果见表2 2 2 3 l o 第二章橡胶沥青混合料高温性能的试验方法 表2 2 两种集料的基本性能测试 试验项目指标玄武岩石灰岩 石料压碎值 2 81 5 62 0 7 洛杉矶磨耗值 3 01 6 52 2 9 针片状含量 粒径在4 7 5 1 3 2 m m 之间 6 08 77 8 棱角性肠 粒径在2 3 6 4 7 5 r a m 5 5 84 5 5 3 0 粒径在小于2 3 6 m m4 5 64 1 2 表2 3 两种集料的相对密度 集料种 粒径 表观密度表干密度毛体积密度 吸水率 3 c m 3鲈m 3 类 m m e d c m 9 5 1 3 22 8 9 12 8 5 72 8 4 0o 6 2 4 7 5 9 52 8 9 92 8 4 82 8 2 10 9 4 玄武岩 2 3 5 4 7 52 8 9 62 8 4 22 8 1 11 0 5 0 0 7 5 2 3 62 8 0 0 9 5 1 3 22 7 2 52 7 1 02 7 0 2o 3 3 4 7 5 9 52 7 3 92 7 1 62 7 0 30 4 7 石灰岩 2 35 4 7 52 7 2 52 6 8 52 6 6 2o 9 2 0 0 7 5 2 3 62 6 9 7 注 粒径0 0 7 5 2 3 6 m m 的料是将o 3 m m 的料过0 0 7 5 的筛后的筛余 就是将o 3 m m 料的粉 尘全部除去 0 0 7 5 2 3 6 m m 这档料的密度是用容量瓶法测得 只得到了表观密度 在 后面的最大理论密度的计算中 毛体积密度也用这个表观密度替代 从表2 2 2 3 可见 集料的性能符合路用性能 2 1 3 橡胶粉简要说明 本研究用的胶粉为汽车废轮胎胶粉 产地为上海 河北 宜宾 南京四种 考虑到成本与高温存贮稳定性能 国内外工程主要使用的是2 0 目胶粉 因此本 第二章橡胶沥青混合料高温性能的试验方法 文重点研究2 0 目胶粉 上海 河北 宜宾三个产地的胶粉都只有2 0 目一种 南京的胶粉有2 0 6 0 8 0 目三种不同目数 南京的胶粉含有少量的纤维 金属 丝等杂质 是质地较差的胶粉 2 2 橡胶沥青的高温性能评价 本节中将对橡胶沥青的高温性能从常规指标和s h r p 指标两方面进行评价 2 2 1 橡胶粉沥青的高温常规指标 在沥青指标体系中反映沥青高温使用条件下的性能指标通常有两个 一个 是软化点 一个是6 0 粘度 沥青的软化点越高 6 0 粘度越大 其高温性能 也就越强 沥青的针入度与沥青路面的高温稳定性能有密切的关系 因为针入 度仍是我们考虑气候条件选择沥青标号的主要依据 最终选择针入度 软化点 和1 7 7 粘度这三个指标作为橡胶粉沥青的高温性能的常规指标 选择1 7 7 粘 度而不是6 0 粘度是因为橡胶粉沥青在6 0 下的粘度太大 在试验室中 用布 氏旋转粘度计无法准确测出 而且根据美国的研究和使用经验表明 1 7 7 粘 度能够更好地反映橡胶沥青的性能 在本次研究中 橡胶粉改性沥青的加工工艺是在1 8 5 士5 下 用高速 搅拌器 将沥青与橡胶粉共炼9 0 分钟 以往的研究表明 9 0 到1 2 0 分钟的搅 拌时间内 橡胶沥青的粘度将趋于稳定 故本研究统一时间为9 0 分钟 橡胶沥青定义为胶粉含量占橡胶沥青重量比应大于1 5 n 6 但实际工程使用中 以1 8 2 2 为主 根据前人的研究成果以及美国亚利桑那州的橡胶沥青使用指南 和使用经验 确定橡胶粉的掺量为沥青质量的1 9 橡胶沥青的常规指标要求和实测结果见下表 表2 4 橡胶沥青的常规指标要求 针入度 软化点粘度 1 7 7 指标名称 2 5 c 1 0 0 9 5 s p a s 指标要求 2 5 7 5 5 4 41 5 5 注 1 该要求为美国材料与试验协会 a s t m d 6 1 1 4 9 7 的规范要求 2 选择1 7 7 是参考美国的规范 他们提出3 5 0 f 粘度 3 5 0 f 1 7 7 第二章橡胶沥青混合料高温性能的试验方法 表2 5 橡胶沥青的常规指标实洲结果 淤 针入度软化点1 7 7 粘度 胶粉种类 基质沥青 2 5 c 1 0 0 9 5 s p a s 加德士 3 8 36 8 4 3 3上海2 0 目 加德十 3 6 56 9 o 3 5 河北2 0 目 加德士 5 4 56 0 01 8 南京8 0 目 加德十 4 3 56 4 5 2 1 南京2 0 目 加德士 4 9 56 1 71 6 南京6 0 目 宏润 3 6 67 0 94 1 河北2 0 目 宏润 3 9 16 9 53 8 上海2 0 目 埃索 3 4 86 8 o3 2 上海2 0 目 中海 3 8 46 5 6 2 9 上海2 0 目 东海 3 9 56 6 12 9 上海2 0 目 加德十9 0 5 1 26 2 2 2 7 上海2 0 目 盘锦9 0 4 8 86 4 63 o 上海2 0 目 加德士 4 7 8 6 0 6 1 4 官宾2 0 目 加德十 5 8 36 2 32 o 南京2 0 目 加德士 5 9 75 9 2 1 3 南京6 0 目 加德士 5 5 86 2 22 3 上海2 0 目 注 最后三行数据是胶粉沥青先在1 6 5 的烘箱中老化4 8 h 再测得的指标 不难发现 所有的基质沥青经过橡胶粉改性之后 其针入度和软化点在数 值上有很大的改变 都符合规范 表2 4 的要求 橡胶沥青的粘度随着基质沥 青的性质不同也有所变化 只有个别超出了规范 表2 4 范围 2 2 2 橡胶粉沥青的高温s h r p 指标 常规指标实际上是静态的指标 而道路路面实际上主要承受车轮滚动产生 的动态荷载 加荷方式偏离路用实际 决定了多数常规指标只能定性为经验性 指标 用于橡胶沥青这样的新型胶结料的性能评价时 需要重新积累使用经验 美国s h r p 提出采用动态剪切流变仪 d y n a m i cs h e a rr h e o m e t e r d s r 对 原样沥青和r t f o t 后残留沥青试样分别进行两次动态剪切试验 以g s i n 6 作 为评价沥青结合料高温稳定性的指标 g 为复数模量 6 为相位角 试样在高 温设计温度下进行 剪切速率1 0 r a d s 必须满足下列要求 1 原样沥青的g s i n 8 不得小于1 0k p a 2 r t f o t 后残留沥青的g s i n j 不得小于2 2k p a 第二章橡胶沥青混合料高温性能的试验方法 s h r p 动态剪切流变仪的沥青动态复数模量参数如下 2 r f 万 o r 7 2 百 g 孛 玉墼二血 积一7 m i f 为剪应力 t 为最大扭矩 r 为板半径 y 为剪应变 口为板旋转角 觚 缸 为试样承受最大或最小剪应力 剪应 变 艿 2 刀f a t 艿为相位角 f 为应变滞后时间 6 反映了沥青的粘 弹性性状 6 越小则说明材料的力学响应部分弹性越大 产生的残余变形的可能性也越小 因此 评价沥青的高温性能仅有复数模量g 牛 是不够的 s h r p 采用g 木 s i n 6 来评价沥青的高温性能 它的物理意义是损失剪 切柔量的倒数 数值越大就说明损失剪切柔量越小 弹性越大 抗车辙能力越 强 表2 6 和图2 1 是用加德士沥青和河北2 0 目胶粉 内掺1 9 搅拌得到的 橡胶改性沥青样品的d s r 常规指标测试结果 按s h r p 分级标准 原样的橡胶 沥青分到7 6 r t f o t 后沥青分到7 0 所以橡胶改性沥青的高温分级是7 0 薄膜老化后 橡胶沥青只比原样的橡胶沥青降低了一个等级 说明橡胶沥青的 高温性能提高的并不是很明显 表2 6 橡胶沥青的d s r 常规指标测试结果 5 2 5 8 6 4 7 0 7 6 8 2 沥青性质 原样橡胶沥青 1 0 9 4 0 05 9 5 5 03 3 9 1 02 0 3 7 01 2 7 0 00 8 4 2 9 g 宰 s i n 6 k p a 0 8 3 7 71 0 9 0 0 05 9 2 8 03 3 5 7 02 0 1 1 01 2 6 2 0 均值 k p a 1 0 9 2 0 0 5 9 4 1 5 3 3 7 4 02 0 2 4 01 2 6 6 0 0 8 4 0 3 r t f o t 后沥青 1 3 1 5 0 07 1 1 2 0 4 1 0 0 0 2 4 8 2 01 5 8 4 0 1 0 5 7 0 g 宰 s i n 6 k p a 1 3 1 1 0 07 1 1 0 04 0 9 2 02 4 8 4 01 5 8 3 01 0 4 0 0 均值 k p a 1 3 1 3 0 07 1 l l o4 0 9 62 4 8 3 01 5 8 3 51 0 4 8 5 1 4 第 二章橡胶沥青混