（道路与铁道工程专业论文）SEAM改性沥青混合料路用性能的试验研究.pdf

摘要 沥青路面是我国公路与城市道路的主要路面结构。随着国民经济的发展，交通密度的 增大和重型车辆日益增多，使沥青路面受到严峻考验。许多道路建成不久，就发生了高温 车辙变形、路表面开裂、水损害等早期病害。因此，如何改善沥青混合料的技术性能，延 长沥青路面的使用寿命，已经成为广大道路科技工作者所面临的重大课题。 本论文采用s e a m 作为改性剂添加到沥青混合料中，矿料级配采用a c 一2 0 c 型密级配， 制作了普通沥青混合料和s e a m 改性沥青混合料。根据汀苏省的交通情况，s e a m 与沥青的 比例选用了两种( s e a m ：沥青= 3 0 ：7 0 和4 0 ：6 0 ) 比例。通过室内试验对这三种沥青混合 料的高温稳定性、低温抗裂性能、水稳定性及疲劳性能的测定，对比研究了沥青混合料的 马歇尔稳定度、车辙动稳定度、浸水马歇尔稳定度、冻融劈裂强度比、低温劈裂劲度模量 和低温破坏强度等参数，对三种沥青混合料的路用性能指标进行了全面的试验，找出s e a m 对沥青混合料路用性能的影响规律。 为了在施工中根据不同的施工条件，合理的选择改性沥青混合料，本论文对s b s 和 s e a m 两种改性沥青混合料在力学性能、施工工艺和经济性等方面进行了对比分析，得出 两种改性沥青混合料各自的适用条件。 最后通过对试验结果的分析，结合有关s e a m 改性沥青混合料的部分研究成果和与s b s 改性沥青混合料的对比分析以及江苏省沥青路面的现状，得出了本课题的一些结论，为 s e a m 改性沥青混合料路面的研究和在江苏省的推广应用提供参考。 关键词：s e a m ；沥青；沥青混合料；路用性能；试验研究 t h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h e p a v e m e n tp e r f o r m a n c e so fa s p h a l tc o n c r e t em o d i f i e db ys e a m a b s l r a c i a s p h a l tp a v e m e n ti st h em a i ns t r u c t u r ef o r mo fc h i n a sh i g h w a ya n du r b a nr o a d w i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y , t h eb i g g e ro ft h et r a f f i cd e n s i t ya n dt h em o r eh e a v y v e h i c l e ，a s p h a l tp a v e m e n tf a c e ss e v e r et e s t al o to fr o a d sd e s t r u c t e d ，s u c ha s ：h i g ht e m p e r a t u r e r u t t i n g ，r o a ds u r f a c ee r a c t i n g s o ，h o wt oi m p r o v et e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l tm i x t u r e ， a n dp r o l o n gs e r v i c el i f eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n t ，i st h eb i g g e s ts u b j e c tt h a tr o a ds c i e n c ea n d t e c h n o l o g yw o r k e r sf a c e t h er e s e a r c ha d o p t e ds e a ma st h em o d i f i e r , a n dt y p e da c - 2 0 cd e n s eg r a d e da g g r e g a t e ， a n dm a d et h eg e n e r a la s p h a l tm i x t u r ea n ds e a mm o d i f e da s p h a l tm i x t u r e a c c o r d i n gt ot h e t r a f f i cs i t u a t i o ni nj i a n g s up r o v i n c e ，t h er a t i oo fs e a ma n da s p a l ts e l e c t e dt w ok i n d s ( s e a m ： a s p a l t = 3 0 ：7 0a n d4 0 ：6 0 ) t h es t a b i l i t yu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e ，t h ea n t i - c r a c ka b i l i t yu n d e r l o wt e m p e r a t u r e ，t h ew a t e rr e s i s t e n c ea n dt h ef a t i g u ep r o p e r t ya r et e s t e df o rt h et h r e et y p e so f t h ea s p h a l tm i x t u r ei nt h el a b t h ep a r a m e t e ro ft h em a r s h e l ls t a b i l i t yo fi m p r a g e n a t e da s p h a l t m i x t u r e ，t h ef r e e z e t h a ws p l i ts t r e n g t h ，t h es t i f fm o d u l u su n d e rl o wt e m p e r a t u r ea n dt h el o w t e m p e r a t u r eb r e a k i n gs t r e n g t ha r er e a s e a r c h e db yc o m p a r a t i v e l yt e s t i n g t h et h r e et y p e so f a s p h a l tm i x t u r ea r ec o m p r e h e n s i v e l yr e s e a r c h e db yt e s t i n g t h ee f f e c tr u l e so fs e a m a r ef o u n d o u t i no r d e rt oc h o o s ear e a s o n a b l em o d i f i e da s p h a l to fd i f f e r e n tc o n d i t i o n si nt h ec o n s t r u c t i o n t h et h e s i sc a r r i e do u tac o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs b sa n ds e a mm o d i f i e da s p h a l tm i x t u r ei n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e sa n de c o n o m y , t h e ng e tt h ea p p l i c a t i o no ft h e c o n d i t i o n sf o rt w ot y p e so fm o d i f i e da s p h a l tm i x t u r e o nt h eb a s e do ft h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ta n da n a l y s i s ，s o m er e s e a r c ho ns e a ma t h o m ea n da b r o a d ，a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs b sa n ds e a mm o d i f i e da s p h a l tm i x t u r e ，a n d t h ep r e s e n tc o n d i t i o no fa s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n ti nj i a n g s up r o v i n c e ，s o m ec o n c l u s i o n sa r e d r a w no u tb ya u t h o ，w h i c hw i l lp r o v i d er e f r e n c eo nt h er e s e a r c h i n g ，e x t e n s i o na n da p p l i c a t i o n o fs e a mm o d i f i e da s p h a l tp a v e m e n ti nj i a n g s up r o v i n c e k e yw o r d s ：s e a m ；a s p h a l t ；a s p h a l tm i x t u r e ；p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ；e x p e r i m e n t a ls t u d y i i 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文例本一) ：马卿1 年2 月艿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 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，可以汇编和综合 为学校的科技成果，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 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密团。 ( 请在以上方框内打“ ” ) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 砷年l 月订日 吵口月誓自 致谢 弹指一挥问，研究生的学习已接近尾声。两年多的学习和生活，留下太多珍 责的回忆，即将离校之际，除了不舍之情，更多的是感激。 首先，要对我敬爱的导师李国芬副教授致以最深情的谢意。李老师学识广博、 治学严谨，无论做学术还是做人、做事，皆是言传身教、为人师表。她不仅在学 习上对我悉心指导和点拨，在生活上对我的关心也是无微不至。在此向她表达我 最由衷的感谢和最诚挚的祝福。 真诚地感谢王宏畅、张高勤、胡亚风老师，在论文的试验和写作中给予的指 导和帮助；感谢土木工程学院实验中心给我提供试验场所和试验仪器；感谢实验 中心各位老师在试验过程中给予的帮助；感谢交通土建教研室每一位老师对我的 支持与帮助。 感谢赵苏政、曾丽娟、陈俊松、郁俊超、周扣勤、石迪等研究生在试验过程 中的帮助，祝福他们的明天会更美好。 感谢同宿舍的姐妹戈丹、范亚坤、秦月波等对我生活上的关心，和你们在一 起的日子是我最快乐的时光。 最后要感谢我的父母这么多年来对我的默默支持和最无私的爱，借此论文完 成之际，像他们表达我衷心的感谢和祝福，祝愿他们身体健康、幸福一生! 作者：马青娜 二0 0 九年二月 1 绪论 1 1 沥青路面的发展 沥青路面的发展有着悠久的历史，据说早在约公元前6 0 0 年，古巴比伦就有了第一条 沥青路面，但是施工技艺很快失传。1 9 世纪初，人们才开始用沥青铺筑路面。从1 8 3 5 年， 在巴黎首先出现了用沥青铺筑的人行道路面，2 0 年后，在巴黎又出现了用碾压沥青铺筑 的路面。沥青路面是由以沥青材料作为结合料粘结矿料而修筑的面层与各类基层和垫层 所组成的路面结构。由于沥青路面使用沥青结合料，因而增强了矿料间的粘结力，提高了 混合料的强度和稳定性，使路面的使用质量得到提高。与水泥混凝土路面相比，沥青路面 具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨性好、振动小、噪音低、施工期短、养护维修简 便、适宜于分期修筑等优点，因而获得越来越广泛的应用。2 0 世纪5 0 年代以来，世界各 国修建的沥青路面的数量增长迅猛。据国家交通部2 0 0 7 年1 0 月7 日发布的全国交通发展 报告统计，截止2 0 0 6 年底，按公路路面类型分组，各类型路面里程分别为：有铺装路面 9 9 6 5 万公里，其中沥青混凝土路面3 5 0 1 万公里，水泥混凝土路面6 4 6 4 万公里比。但 是在我国已修筑的高等级公路路面中根据有关统计得到：沥青路路面占的比例达到9 0 左右，主要原因就是沥青路面具有上述的优点，而且随着国家国民经济的增长，人民生活 水平的提高及现代化道路交通运输的需要，沥青路面将会以其特有的性能得到更加广泛的 应用。 虽然我国公路建设取得了辉煌的成就，但是公路建设的质量问题仍是影响公路建设发 展的主要因素，我国的公路建设质量与发达国家相比仍存在不小的差距。关于沥青路面质 量问题的影响因素是多方面的，如设计、施工、材料和管理等方面。其中材料是最关键的 影响因素之一。目前我国生产的沥青材料还不能满足国内高等级公路建设市场的需要。主 要是由于我国大多数原油属于低硫石蜡基和含硫中间基，以此生产的大部分国产沥青存在 着含蜡量高、温度敏感性大、热稳定性和低温抗裂性能差、水稳定性不够理想、耐久性欠 佳，易使沥青路面产生车辙、拥包、开裂、水损害等破坏，沥青路面的路用品质和使用年 限难以达到预期目标，因而难以应用于高等级路面。虽然近几年，石油部门科技人员为提 高沥青技术性能而对炼制工艺进行了大量的研究，采用适合生产重交沥青的环烷基或中间 基原油，国产沥青质量有了很大的提高。但国产沥青的质量稳定性仍然受到许多的质疑， 因而影响对国产沥青的使用。为了满足高等级公路的建设发展需要，我国每年仍需进口一 定数量的国外沥青。根据我国海关总署的统计，2 0 0 6 年我国进口沥青3 4 5 万吨左右，按 平均单价3 2 2 9 美元吨计算聆1 ，总计花费1 1 1 4 亿美元的外汇，大大增加了公路建设的 成本。另一方面随着国民经济的发展，由于交通量迅速增长，车辆大型化、超载严重，车 辆渠化等原因，在一些特殊路段，即使使用国产优质重交通沥青或进口沥青，仍不能满足 目前交通的需要，许多路面远在设计使用年限之前，便不得不大规模维修罩面，带来了大 量直接或间接的经济损失。如何提高沥青及沥青混合料的路用性能，以满足交通发展的需 要，这是我国道路工作者所面临的重要课题。 1 因此，针对上述影响沥青路面质量的材料问题，在沥青中添加各种添加剂进行多种沥 青改性技术的研究和探索，研制改性沥青，改善道路沥青的使用性能，大幅度提高沥青路 面的力学行为，延长沥青路面的使用寿命，具有重要意义。 1 2 改性沥青的研究现状 对沥青进行改性是- - i - j 较新的技术，最早是由奥地利理查得费尔辛格集团开发出来 的，并在最近十几年内逐步得到完善与发展，已在欧、美许多国家得到广泛应用。近年来 也为沙特、新加坡和马来西亚等一些亚洲国家所应用。所谓改性沥青是指通过往沥青中掺 加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其它填料等外掺剂( 改性剂) 或采取对沥青 轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得到改善而制成的沥青结合料h 1 。改性 沥青在我国最早是1 9 9 2 年用于首都机场高速公路，后来在广佛高速公路、上海虹桥机场 和广西柳州机场跑道陆续使用。其后河北、吉林、江苏、辽宁、山东、山西、湖北、上海 和广东等省市也先后修建了试验路，有些已在高速公路工程上得到了应用。但是，在使用 过程中，发现很多项目忽视了气候的差异，过多地参考国外的经验，出现了泛油等问题。 个别试验段甚至是失败的。因此，鉴于我国改性沥青路面发展还有很大的潜力，必须对其 进行更深入的研究。 沥青进行改性主要有两个方面的原因1 ：从沥青的性能来讲，它是一种对温度很敏感 的材料，随着温度的变化其状态和性能都将发生变化。温度升高时沥青会变软、变稀，粘 结力下降，温度下降时会变稠、变硬、变脆，丧失粘结力。这种性能对沥青的使用是很不 利的，在夏季或气候炎热的地区，在重载的作用下沥青路面易形成车辙；在冬季或寒冷的 地区，沥青路面易出现裂缝。这些问题的出现，不仅使路面的使用状态变坏，而且要大大 缩短路面的使用寿命。从客观需要看，现代公路交通，特别是高速公路对沥青路面的要求 越来越高，现代交通的特点是交通量大、载重量大、行车速度大，所以要求路面承载能力 大、耐久性好并具有良好的表面状况。我国的石油大多属于石蜡基，用其提炼加工出来的 沥青一般性能较差、标号较低，难以满足上述要求。改性沥青的目的就是要改善沥青的感 温性，提高软化点，降低脆点，扩大改性沥青混凝土路面高温不软、低温不裂的温度范围， 并具有较高的强度，从而大大延长使用寿命，获得良好的经济效益和社会效益。自从首次 将橡胶粉加入沥青改性以来，发展到如今，改性剂的品种越来越多，选择范围越来越广。 总的来说，改性剂的不断扩大主要原因是道路使用者需要解决日益加剧的道路病害，而改 性剂为解决这些问题提供了途径。常用的沥青改性材料主要包括以下几类。：( 1 ) 聚合物 类。包括：合成橡胶类，如s b r 、x r 等；热塑性橡胶类，如s b s ；热塑性树脂类，如p e 、 e v a 等。( 2 ) 抗剥落剂，如金属皂、有机胺和消石灰等。( 3 ) 抗老化剂，如受阻酚、受阻 胺等。( 4 ) 各类填料，如粉煤灰、硫磺、硅藻土、废橡胶粉、各类纤维、各类塑料格栅、 土工布等。此外，人们还通过在基质沥青中掺加天然沥青( 湖沥青、岩石沥青、海底沥青) 及对基质沥青进行半氧化处理等一系列方法来改善沥青的技术性能，以达到沥青改性的目 的。 2 不同的沥青改性剂有不同的改性效果，一般来说，橡胶类改性沥青可以提高沥青路面 的抗低温开裂能力和抗疲劳开裂能力；热塑性橡胶类改性沥青可以提高沥青路面的抗永久 变形能力、抗低温开裂能力和抗疲劳开裂能力；热塑性树脂类改性沥青可以提高沥青路面 的抗永久变形和抗疲劳开裂能力；各类抗剥落剂等外掺剂可以提高沥青路面的抗水损害能 力。 从对沥青混合料各方面性能的改性效果来看，热塑性橡胶类改性沥青的改性范围比较 全面，其中以s b s 改性沥青的改性效果最为明显。我国交通部公路科研所曾对s b s 、s b r 、 p e 、e v a 四种改性剂的改性效果进行比较试验，结果表明s b s 在高温、低温性能、弹性恢 复性能，感温性等方面都有突出的优点，其它改性剂的改性效果，均不如s b s 口1 。由于s b s 改性沥青有其他改性剂无可比拟的优点，而且其适用范围广，国内来源方便，在我国，s b s 改性沥青已成为我国改性沥青发展的主要方向。其在北京一昌平高速公路、首都机场高速 公路、北京平安大桥、岩石大桥、广东虎门大桥、河北保定军用机场跑道、北京机场东跑 道等多处工程应用上均得到业内人士好评。 1 3s e a m 的特性、优点和国内外应用现状、发展趋势 1 3 1s e a m 的主要特性及其优点 s e a m 是s u l p h u r e x t e n d e da s p h a l tm o d i f i e f 的缩写睛1 ，意为“硫磺硬化沥青改性剂”， s e a m 主要成分为硫磺，又名硫磺稀释沥青掺和剂，其硫磺含量为9 9 4 ，另掺有微量烟 雾抑制剂和增塑剂，其熔点为l1 5 。c ，闪点为2 0 7 。c ，沸点为4 4 4 6 。c ，相对密度( 水= 1 ) 为2 0 0 ，呈灰黑色颗粒，直径为2 m m 。硫磺作为化学用品被用在医药、火药、烟熏以及制 作硫酸，目前被用在混凝土中抗腐蚀以及被用在沥青混合料中，溶解在沥青混合料中的分 散的硫磺最终凝聚形成结晶和网格状。s e a m 既是一种胶结料添加物，又是一种沥青混合 料改性剂。 与常规沥青混合料相比，s e a m 改性沥青混合料具有以下优点： ( 1 ) s e a m 中的硫磺使沥青混凝土结构增强。在7 0 以下硫磺是固体，随着时间的增 长与沥青部分化学结合形成结晶，从而使结构增强，稳定度提高。尤其改善高温稳定性比 较明显，同一级配的混合料比s b s 改性沥青混合料动稳定度要高很多，是不改性混合料的 3 倍以上，而且不会产生泛油现象旧1 。 ( 2 ) s e a m 沥青混合料路面，在不降低低温抗裂性的前提下，不但提高了路面的强度 和高温稳定性，也提高了沥青路面抗水损害的能力，增强了沥青混合料的耐久性，从而延 长了沥青路面的使用寿命。 ( 3 ) s e a m 沥青混合料降低了沥青的消耗，与同样的改性沥青相比可以节省建筑成本 和能源。壳牌全球沥青业务副总裁爱格博特沃德曼( e g b e r t v e i d m a n ) 先生指出u 州：沥 青混合料中添加s e a m ，能使混合料中沥青用量减少3 0 4 0 ，缓解公路工程施工旺季因 沥青供应不足而出现影响施工进度的问题，减少公路建设对沥青材料的依赖。 3 ( 4 ) s e a m 沥青混合料节约能源。因为硫磺使沥青粘度降低，硫磺在7 0 左右开始软 化变为胶状体，至1 1 5 左右完全液化，所以与沥青相容后使沥青的粘度降低，使混合料 变得容易拌和、容易摊铺和碾压，因此可以降低拌和温度。其拌和温度比一般沥青混凝土 要低1 5 左右，节省了燃料费用。实践表明，拌和温度在1 3 5 1 4 5 最好。另外，有 资料报道n 副，通常普通沥青混合料在碾压时，需要6 到8 遍碾压工序完成的压实度，而 s e a m 沥青混合料只要3 到5 遍的工序即可达到同样要求，减少了碾压设备的固定投入。 ( 5 ) s e a m 沥青混合料存储及运输方便。s e m a 改性剂颗粒为固态堆存，无需罐储、桶 装、不会渗油、污染环境，并且可以大幅度节约储存、运输中的能源消耗，降低施工成本。 ( 6 ) 路面抗压陷性能好，特别适合于高负荷公路、交通繁忙的十字路口、公共汽车 线路等n 引。 ( 7 ) s e a m 可以提高低质量石料和高含蜡量沥青混合料的路用性能，这就给只有低质 量石料和沥青含蜡量高的地区修建公路提供了另一种选择。 ( 8 ) s e a m 的改性沥青比s b s 在经济上有很大优势。有资料表明n 制，使用s e a m 沥青 铺路比使用s b s 改性沥青铺路成本降低约3 0 。 在中国，由于国土面积广阔，气候条件比较复杂；沥青的质量也各异，特别是有些国 产沥青含腊量较高，导致了路面的许多病害，无法适应高速公路的使用需要。高速公路所 需沥青混合料只能依靠进口或改性；还有一些地区，当地的石料质量不尽人意，较长的运 输距离又使优质的石料无法经济的运输到各地，由此得到较差的混合料质量，又进一步严 重地影响了路面的工作性能和寿命。在沥青混合料中添加s e a m 则可以在许多方面明显提 高普通沥青混合料的质量，改善沥青混合料的强度，使其路用性能可以和s b s 沥青混合料 相媲美。 1 3 2 国内外技术现状和发展趋势 s e a m 技术是在北美s e a 技术的基础上发展的新型低嗅环保型专利沥青混合料添加剂 产品n 5 1 副。在技术原理和早期的s e a 技术基本相同。但使用中的环保性能和路面性能上比 早期的s e a 得到较大提高。北美的s e a 技术在1 9 7 0 年代末和1 9 8 0 年代初，得到了广泛使 用。仅仅在美国，就铺筑了约2 0 0 0 英里的车道长度，在加拿大也有相当的使用u7 1 。在1 9 8 0 年代中期，s e a 的原料价格飞涨，s e a 技术不再经济，不再适用于建设道路。在上个世纪 9 0 年代，美国联邦公路局使用了早期的s e a 技术的公路项目( 在运行了1 0 年到2 0 年后) 进行了调研。 对s e a 技术的长期路用性能进行了评估，并得出结论： ( 1 ) 使用低添加量的s e a 技术的路面性能与普通沥青路面性能相当，s e a 的使用可 以节约一些沥青，但不对沥青路面的长期寿命有影响。 ( 2 ) 使用适当添加量的s e a 的路面性能比普通沥青路面有一定的提高，路用寿命延 长。因此，实践证明了s e a 技术的可靠性。s e a m 专利技术在2 0 0 0 年左右从s e a 早期技术 4 的基础上发展而来的。在使用时伴随产生的气味和不良气体大大降低，s e a m 的使用方便 程度大大提高，改性性能稳定。 s e a m 沥青路面在美国和加拿大等国家的应用，成功显示了其使用的优越性。1 9 7 5 年， 在美国的得克萨斯州铺筑了第一条试验路。1 9 7 7 年，在美国的内华达铺筑了第二条试验 路。1 9 8 2 年建设的t r a n s c a n n a d a h w y ，b r o o k s ，a l b e r t a ，使用1 2 年后路面的车辙深度只 有1 1 1 m m ，而普通沥青的路面车辙深度为2 1 6 m m 。1 9 8 3 年建设的加拿大b c h w y # 2 9 ，从 c h e t w y n d 到t u m b e r r i d g e 的路段，使用1 8 年后，横向裂缝只有2 6 道k m ，车辙深度小于 l o m m 。美国的试验显示，s e a m 沥青路面出现的横向裂纹比常规沥青路面少。 目前世界原油价格波动较大，供应不足的情况常有发生，进而导致了沥青的供应短缺 和路面造价成本增大。世界许多地区硫磺价格反而又比较低廉，长期供应丰富，使得硫磺 成为一种生产高质量的低成本公路建设材料的添加剂n 引，并且在过去的2 5 年中，北美道 路研究者对利用s e a m 作为沥青改性剂来强化和部分代替沥青作为公路建筑材料进行了许 多研究。而国际硫研究所是世界专业硫研究机构，他们在2 0 0 3 年4 月发表文章中对s e a m 沥青公路材料的前景非常看好u 9 i 。 2 0 0 0 年中国开始引入s e a m 改性沥青混合料，并在一些公路上进行了铺筑试验，具体 应用的路段如下：2 0 0 2 年，在天津利用s e a m 改性沥青混合料成功铺筑了津沽公路、津榆 公路；同年，s e a m 技术用于北京1 1 0 旧线一运煤专线的大修试验段，几年后经过重车的 考验，路面基本没有车辙。2 0 0 3 年，s e a m 技术用于陕西的西( 安) 宝( 鸡) 高速公路的大修 试验段。经过几年的运营，效果良好；同年，s e a m 技术也在黑龙汀哈尔滨到尚志市干线 公路的立交联络线应用，取得了很好的效果。2 0 0 5 年，s e a m 技术用于云南安( 宁) 楚( 雄) 高速公路的新材料试验段，目前使用效果良好；同年，s e a m 技术用于内蒙古自治区海( 拉 尔) 牙( 克石) 一级公路的新材料试验段心们。 实践表明，s e a m 改性沥青混合料有很好的路用性能，有很好的应用前景。江苏省对 s e a m 用于沥青混合料改性方面的研究非常少。江苏省地处中原地区，一年四季温差较大， 夏季温度较高，雨水多。本论文研究目的就是研究s e a m 改性沥青混合料在江苏的路用性 能，为s e a m 改性沥青路面在江苏的推广、应用提供依据。 1 4 本论文的研究目的与意义 目前，我国仍处于公路建设大发展时期，随着多条高等级公路的陆续投入使用，其交 通量及轴载的日益增加，不少高等级公路路面功能正逐步退化，有的仅2 3 年就出现早 期破坏，使用寿命大大降低。其中沥青路面水损害成为公路的严重病害之一。由于在公路 投入营运后，这种病害来得快，发生早，因而在近几年沥青路面设计研究中已给予了足够 的重视。在季节性冰冻地区和多雨潮湿地区，沥青路面更易产生松散、坑槽等水损害破坏 形式心。在高温季节，大型车辆及超载路段，车辙已成为沥青路面最严重的破坏形式之一。 沥青路面低温裂缝也普遍存在。 为了减轻沥青路面这些病害，满足高速行驶的舒适性、安全性和经济性，就必须改善 5 和提高沥青混合料的路用性能，从而提高道路的使用性能。这种使用性能包括沥青路面的 低温抗裂性能、高温性能和表面性能。然而上述沥青混合料的性能要求往往相互矛盾。为 了提高高温抗车辙能力，尽量多采用粗集料，减少用油量，采用较稠沥青，但这种混合料 易产生低温开裂。而提高低温抗裂性能，则要求增加用油量，采用较密级配集料，较稀的 沥青，但其易出现车辙、泛油、拥包。现代公路要求高质量、长寿命，对开发新材料提出 了更高的要求。从大量路面结构损坏原因的调查分析来看，沥青及其混合料的品质不高是 主要原因之一。要解决这一问题，必须从改善沥青路面性能和改善沥青混合料的性能以及 配合比设计来着手。 s b s 改性沥青虽然具有其它沥青无可比拟的优越性，但是其造价昂贵，生产工艺复杂， 在我国仅仅适用于一些高等级公路的中、上面层以及一些特殊工程，还难以大规模推广、 应用。有研究发现，s e a m 改性沥青混合料可以改善沥青混合料各方面的性能，并且比s b s 经济，应用s e a m 改性沥青混合料有很大的优越性。 本论文目的就是研究s e a m 改性沥青混合料的路用性能，为s e a m 改性沥青路面在江苏 省的推广、应用提供依据。 1 5 本论文的主要内容 本论文将s e a m 作为改性剂，制备改性沥青混合料。通过试验手段，对s e a m 改性沥青 混合料的路用性能进行系统研究。通过参考s e a m 改性沥青混合料在中国的应用以及s e a m 的应用指南，发现s e a m 最适于应用于沥青路面的中面层，故本论文沥青混合料矿料级配 型式拟采用a c - 2 0 c 型( 石灰岩) 密级配沥青混合料，粗、细集料采用镇江茅迪石料有限 公司生产的石灰岩石料，矿粉采用南京汤山矿粉有限公司生产的矿粉，s e a m 采用北京利 安隆公司生产的改性剂颗粒，沥青为韩国s k - 7 0 # 道路石油沥青。同时结合地域特点，讨 论s e a m 改性沥青混合料在江苏省沥青路面中的应用价值。因此，试验有针对性地选取材 料、级配，选取的材料、级配都是在江苏省内沥青路面工程中常用的。本论文的主要内容 包括： ( 1 ) 原材料试验：包括粗、细集料、矿粉基本性能试验和沥青的三大指标试验。 ( 2 ) 配合比设计：包括普通沥青混合料和s e a m 改性沥青混合料的配合比设计。 ( 3 ) 普通沥青混合料和s e a m 改性沥青混合料的路用性能试验：包括高温稳定性、低 温抗裂性能、水稳定性及疲劳性能试验。高温性能以马歇尔试验稳定度、车辙试验的动稳 定度为主要评定指标；低温性能以劈裂试验的抗拉强度、破坏应变和破坏劲度模量以及弯 曲试验的破坏强度、破坏应变和破坏劲度模量为主要评定指标；水稳定性以浸水马歇尔试 验的残留稳定度和劈裂冻融试验的劈裂强度比作为评定指标；疲劳试验以劈裂疲劳和小梁 弯曲疲劳得到的疲劳作用次数为主要评定指标。 ( 4 ) 对s e a m 改性沥青混合料的高、低温性能、水稳定性及疲劳性进行全面的评价， 找出改性剂s e a m 对沥青混合料性能的影响规律。 ( 5 ) s e a m 改性沥青混合料有其自身的优越性，而s b s 改性沥青混合料在当前沥青路 6 面中应用广泛。但是，每种混合料都有它自己的最突出的优越性。为了得出每种改性沥青 混合料的适用范围，将这两种不同类型的改性沥青混合料分别在力学性能、施工工艺以及 经济性等方面进行比较，得出各自的适用范围。 2 试验方案、试验方法及原材料性质 2 1 试验方案 本试验采用s e a m 作为沥青混合料的改性剂，按两种掺加量( s e a m ：沥青= 3 0 ：7 0 ， s e a m ：沥青= 4 0 ：6 0 ) 制备改性沥青混合料。采用s e a m ：沥青= 3 0 ：7 0 和s e a m ：沥青= 4 0 ：6 0 两种比例进行对比试验。这是因为：s e a m 与沥青混合时的重量比可以从3 0 s e a m 7 0 沥青到5 0 s e a m 5 0 沥青。1 ) 按重量比5 0 s e a m 5 0 沥青组合：这种比例的沥青混凝土是 一种“全刚性”的沥青混凝土，具有非常强的抗车辙能力，但是柔性较低，适用于高强度 的路面结构。其特点是：粘结料硬化较早，混合料操作时间较短，拌和温度需在建议的最 高温度下( 1 5 09 c ) 拌和，并快速压实到所需密度。因此，其烟雾排放较大。2 ) 按重量比 4 0 s e a m 6 0 沥青组合：这种比例的沥青混凝土是一种“半刚性”的沥青混凝土，具有较 强的抗车辙能力，同时又能保持足够的柔性和较好的疲劳性能。适用于较强的路面结构。 其特点是：可按常规混合料的压实方式压实，且拌和温度在1 4 0 左右，混合料烟雾较少。 3 ) 按重量比3 0 s e a m 7 0 沥青组合：这种比例的沥青混凝土是一种“软”的沥青混凝土， 其性能与常规沥青混凝土相似，路面性能略好一些，其特点是：与常规沥青混凝土相比， 可以用较少的压实工作量得到最佳密实度，同时可以节约沥青的费用 2 2 o 根据s e a m 的使 用指南和国外的使用经验心引，在沥青中掺加3 0 - 4 0 的s e a m 用于沥青路面的中面层是最 理想的，故本试验采用s e a m ：沥青= 3 0 ：7 0 和s e a m ：沥青= 4 0 ：6 0 两种t ：t , f f 【j 进行对比试 验。 s e a m 颗粒的密度约是沥青密度的2 倍，将s e a m 改性剂颗粒直接加入沥青中不能混合 均匀，混合以后会很快地分离沉淀，所以不能将其做成液态的改性沥青使用；通常采用直 接将s e a m 颗粒投放到沥青混合料中，在骨料的剪切作用下就能达到改性的目的。因此， 试验主要进行混合料的试验，即普通沥青混合料和s e a m 改性沥青混合料的对比试验。 粗集料、细集料均采用镇江茅迪石料有限公司生产的石灰岩石料，填料采用南京汤山 矿粉有限公司生产的矿粉。沥青混合料的级配类型为a c 一2 0 c 型密集配沥青混合料。沥青 混合料试验包括马歇尔试验、车辙试验、低温劈裂试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验、 劈裂冻融试验、劈裂疲劳和小梁弯曲疲劳试验。通过试验结果分析评价s e a m 对沥青混合 料路用性能的改善效果。 具体的试验方案如图2 1 所示： 8 图2 - 1 技术方案流程图 f i g u r e 2 - 1f l o wc h a r to ft e c h n i c a ls c h e m e 2 2 试验方法 2 2 1 沥青混合料试件成型方法 ( 1 ) 混合料的拌和 1 ) 拌和温度 对于普通沥青混合料，沥青的加热温度为1 6 0 c ，矿料加热温度为1 7 5 ，沥青混合 料拌和温度为1 6 5 。s e a m 改性沥青混合料的拌和温度为1 4 5 。c 。这是因为：掺加s e a m 后，由于s e a m 的熔点只有1 1 5 。c ，在与沥青混合以后，将沥青的粘度降低，容易操作， 不需要普通沥青那样的高温，一般在1 3 5 1 4 5 。c 为好，炎热的夏天低一些，气温低时可以 稍微高一些，但不要超过1 5 0 。c ，超过以后要释放硫化氢、二氧化硫等有害气体，有烟雾 和刺鼻气味，尤其硫化氢对人是有害的；不超过就不会释放或释放浓度很低，不会超过环 保允许的浓度，不会达到引起刺激的浓度。经试验该改性剂在1 5 0 。c 以下不产生有害气体。 9 因此，对于s e a m 改性沥青混合料，矿料和沥青的加热温度为1 5 0 c ，主要考虑试验时， 它会下降2 3 ，不会高于1 5 0 。 2 ) 改性剂添加方法 拌和时s e a m 改性剂颗粒直接投入沥青混合料中而不需要加热。 3 ) s e a m 改性沥青混合料的加料顺序和搅拌时间 先将沥青和集料单独加热到1 4 5 。c ，再加入搅拌锅里，同时为了能够使s e a m 热融充 分并可以均匀地分散到混合料里，也将s e a m 加入到锅里一起搅拌，搅拌时间为9 0 秒；第 一次搅拌完再加入矿粉，进行第二次搅拌，同样搅拌时间为9 0 秒，使混合料达到充分均 匀的状态。搅拌完后，为了保证击实时的粘度不宜过大或过小，击实的温度设在1 3 5 5 左右。 ( 2 ) 试件成型 本试验主要的成型试件是马歇尔试件和车辙板试件，其成型过程如下： 1 ) 马歇尔试件 将预先加热到1 2 0 。c 左右的试模从烘箱里取出，在试模内壁上涂上黄油，再将拌好的 沥青混合料均匀装入试模中，插入温度计至混合料中心附近，检查混合料温度是否满足击 实温度要求。待混合料温度达到要求的击实温度后，将试模连同底座一起放在击实台上固 定，进行击实。采用马歇尔方法确定最佳沥青用量时，试件双面击实7 5 次；试件击实完 后，量取试件高度，如高度不符合要求时，试件应作废，并调整试件的混合料质量，以保 证高度符合6 3 5 1 3 m m 的要求。卸去套筒和底座，将装有试件的试模横向放置冷却至室 温后( 不少于1 2 h ) ，置脱模机上脱出试件，至此试件成型完成。将试件存放好以备试验时 用。做s e a m 改性沥青混合料马歇尔稳定度试验时，马歇尔试件均为双面击实7 5 次；进行 冻融劈裂试验时，所用马歇尔试件按规范要求双面击实5 0 次。 2 ) 车辙板试件 根据已确定的矿料级配和最佳沥青用量，按马歇尔法确定的毛体积密度，用轮碾法成 型3 0 0 m m 3 0 0 m m 5 0 m m 的车辙板。成型时应对沥青混合料装模后立即碾压，一般碾压次 数为往返1 2 次，碾压至混合料与试模平齐，保证碾压密实度达到马歇尔标准击实密度的 】0 0 + 】。 2 2 2 路用性能试验方法 ( 1 ) 沥青混合料的马歇尔试验 马歇尔试验是沥青混合料配合比设计的主要试验方法，按照我国公路工程沥青及沥青 混合料试验规程进行马歇尔稳定度试验和浸水马歇尔试验。将成型的标准马歇尔试件( 直 径1 0 1 6 2 5 m m ，高6 3 5 1 3 m m ，双面各击实7 5 次) 置于6 0 1 的恒温水槽中保温3 0 - - 4 0 m i n 。然后，把试件置于马歇尔试验仪上，以5 0 5 m m m i n 的速度加荷，至试验荷载达 到最大值，此时的最大荷载即为稳定度m s ，以k n 计，准确至0 0 1 k n ：相应于荷载最大值 时的变形( 经过原点修正) 为流值f l ，以m i l l 计，准确至0 1 m m 。 ( 2 ) 沥青混合料的车辙试验 1 0 根据马歇尔试验确定的矿料级配、最佳沥青用量及沥青混合料密度，用轮碾仪制成 3 0 0 m m 3 0 0 m i n x5 0 m m 板块状试件，成型时普通沥青混合料碾压温度为1 5 0 ，s e a m 改性 沥青混合料的碾压温度为1 4 5 ( 2 ，碾压次数控制到混合料与试模齐平为止，试件成型密度 达到马歇尔标准密度1 0 0 4 - 1 ，并连同试模一起在室内静置1 2 h 以后脱模，方可进行车辙 试验。 ( 3 ) 低温抗裂性试验 本试验主要采用劈裂试验的抗拉强度、破坏应变和破坏劲度模量以及弯曲试验的破坏 强度、破坏应变和破坏劲度模量为主要评定指标来评价普通和s e a m 改性沥青混合料的低 温抗裂性能。 1 ) 劈裂抗拉强度试验 劈裂抗拉强度试验是对规定尺寸的圆柱体试件，通过一定宽度的圆弧形压条施加荷 载，将试件劈裂直至破坏的试验。其目的是测定沥青混合料在规定温度和加载速率时劈裂 破坏或处于弹性阶段的力学性质。所用的试件是用马歇尔标准击实法成型的，采用直径为 由i 0 1 6 0 2 5 m m 试件，高度为6 3 5 1 3 m m ，一般采用试验温度一2 0 + 2 0 及加载 速率5 0 m m m i n 。劈裂抗拉强度r t ，破坏拉伸应变s ，破坏劲度模量s t 分别按下式计算： r r = 0 0 0 6 2 8 7 p r h ( 2 1 ) s r = x7 ( o 0 3 0 7 + o 0 9 3 6 ) ( 1 3 5 + 5 ) ( 2 - - 2 ) s r = 弓( 0 2 7 + 1 0 u ) ( h x r ) ( 2 - - 3 ) x r = 耳( o 1 3 5 + o 5 ) ( 1 7 9 4 一o 0 3 1 4 ) ( 2 - - 4 ) 式中：瓜劈裂抗拉强度，m p a ； 占，破坏拉伸应变； s ，破坏劲度模量，m p a ； 泊松比； 只试验荷载的最大值，n ； h 试件高度，m i l l ； 丘试件相应于最大破坏荷载时的水平方向上的总变形，m i l l ； j r 试件相应于最大破坏荷载时的垂直方向上的总变形，m i l l 。 尽管有计算泊松比的计算方法，但在实际试验时，由于水平变形往往测量不准确，通 常采用假定柏松比u 的方法，由实测的垂直变形及u 反算水平变形，再求取劲度模量s t 。 我国公路工程沥青与沥青混合料试验规程雎们( j t j 0 5 2 - 2 0 0 0 ) 规定的不同试验温度下 的泊松比按表2 1 取用。 表2 - 1 不同试验温度下的泊松比 t a b l e 2 - 1t h ep o i s s o nr a t i oi nd i f f e r e n tt e m p e r