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温拌富沥青混合料性能研究

时间:2015-12-13 15:26来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是公路工程论文,本文主要研究了富沥青混合料技术对温拌沥青混合料性能的影响,重点研究了温拌富沥青混合料的高温性能、抗水损性能及疲劳性能。

第一章 绪论


1.1 研究背景及意义
随着国家“一带一路”战略升级,公路作为主要物流形式承接了空运、水运和铁路运输的“最后一公里”任务,在整个“一带一路”战略中起到基础性的作用,我国的公路事业建设到了一个新时期。如何抓住机遇,开拓更广泛的市场,就迫切需要采用科技含量高,环境友好、节能环保的新技术应用到公路建设中,增强竞争力,提供高品质、高标准路面。这也是“以人为本”的推进我国的公路建设的内在要求。随着国家经济发展和人民生活水平提高,沥青路面的建设现在不仅仅局限于高速公路,城市道路及二级,三级等低等级道路也在大力推广沥青路面的使用,原因是沥青路面良好的行车舒适性及路用性能可以很好地满足人们对高品质的出行要求。但同时,现今沥青路面大多以热拌沥青混合料(HMA 为主),热拌沥青混合料在高温生产摊铺过程中会产生大量的温室气体,带来有害气体和烟尘,对环境污染大,同时对工作人员的健康产生不利影响[3]。混合料较高的拌合及压实温度不仅产生了巨大的能耗,而且加速了沥青老化,对沥青混合料的性能产生不利影响。传统的热拌沥青混合料日益难以满足人们对高标准的环保要求。在对温拌沥青混合料及热拌沥青混合料生产的耗能对比研究中发现,温拌沥青混合料最多可减少 75%的能耗[4]。但同时,温拌沥青混合料因为拌合温度降低,从而集料与沥青的粘附性能和压实特性产生不利影响。如果混合料的沥青用量偏低,就容易产生水损等问题[6]。富沥青混合料充分利用了细集料和沥青胶浆的填充粘结作用以及粗集料之间形成的有力嵌挤,以不干涉原则为前提,所形成的混合料高温性能、水稳定性能、抗疲劳性能均非常优异。大量工程实践表明,富沥青混合料具有广阔的运用前景[13]。富沥青混合料的优点[11]有:(1)有效沥青多:较大的沥青含量与细集料矿粉混合填充于粗骨料形成的空隙,因为有效沥青多,集料表面容易被沥青裹附,且可以形成较厚的沥青膜,对沥青混合料的抗老化、水损性能防止反射裂缝均有大幅度提高。同时,较大的沥青用量可以提升混合料的压实性能,减少压实成本。(2)骨架的充分嵌挤:富沥青混合料中粗骨料含量多,构造深度大,因此大幅提高了混合料的抗滑性能;研究表明,集料及级配是影响沥青高温性能的主要原因,富沥青混合料形成的致密骨架结构提高了混合料的高温稳定性,减轻了车辙的产生。而水损害问题及高温车辙问题正是南方常见的路面病害。
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1.2 国内外研究概况
温拌沥青混合料(WMA)由于它是一种经济性而且环境友好型的铺面材料,在欧洲,北美及其他国家广受欢迎。温拌沥青混合料概念由 Klol-Veidekke 公司和 Shell 公司在 1995 年共同提出。随后,美国和日本等开始对温拌沥青混合料进行大量研究并使用,随着环保理念的推广和技术日益成熟,温拌沥青混合料得到了快速发展,近年来 WMA的使用量呈爆发式增长,仅在 2005 年就超过了 5000t[8]。我国对 WMA 的研究虽然相对西方发达国家稍晚,但是发展迅速。在较低的温度下铺筑沥青路面历史始于 1956 年,爱荷华州立大学教授拉迪斯就开发出了泡沫沥青用作土壤粘合剂。从那时起泡沫沥青技术,就开始成功的在许多国家使用。1968 年,美孚石油公司对原过程进行了修改,把原过程的直接将蒸汽注入沥青改为加入冷水,从而使发泡沥青技术变得更加实用[4]。70 年代初,雪佛龙公司开发出了稳定化的乳化沥青混合料设计方法,作为一个实际的准则,其中包括许多有价值的信息,用于指定、设计、并生产发泡沥青。后来,随着其他类似的研究,发泡沥青混合料开始在美国流行。此外,发泡沥青混合料具有比热拌沥青混合料初始成本低,更容易运输,并对环境无副作用的优点[7]。1995 年,壳牌公司提出将双组份技术(Harrison 和 Christodulaki,2000)用于温拌沥青中。2000 年,壳牌在其全球解决方案中描述了 WMA 实验室制作过程,壳牌的工作导致了 WMA-泡沫技术的发展。1997 年,Sasolwax 公司开始在欧洲市场销售 Sasobit温拌剂,该技术也代表着 WMA 技术的成长过程。Sasobit 是在煤的气化过程中产生的合成蜡。这些有机蜡具有较长的化学链,和来自石油或石蜡不同(达姆等,2002),较长链帮助蜡存在溶液中,并且它可以减少了沥青在高温下拌合与压实温度。
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第二章 温拌富沥青混合料配合比设计


2.1 温拌剂优选及橡胶沥青的制备
性能优良的温拌剂应该在可以大幅度降低拌合温度的同时兼备良好的混合料路用性能。而目前国际上温拌剂种类繁多,应用比较多的包括沸石、Sasobit、Evotherm 这三种温拌剂。NCAT 曾经对这几种温拌剂进行研究,结果表明这几种温拌剂均可以降低沥青混合料的拌合及施工温度,而且接近甚至优于热拌沥青混合料性能[10]。参考 Hurley和 Prowell 对这三种温拌剂混合料基于 Superpave 法进行的体积性能、水稳定性能及高温性能等综合性能进行了研究,其部分性能见下表[4]。从上表可知,沸石、Sasobit、Evotherm 均可明显降低沥青混合料的拌合温度。其中,添加 Sasobit 温拌剂的沥青混合料无论从温度降低幅度、抗水损性能都与其他温拌剂相比均具有优势,并且 Sasobit 温拌剂添加过程简单,施工便易性好。结合国内外对温拌基质沥青、温拌 SBS 改性沥青、温拌橡胶沥青混合料的研究成果,从降温幅度和性能方面综合考虑[1],试验采用德国 SasolWax 公司生产的 Sasobit 温拌剂作为富沥青混合料改性剂,其外观为白色颗粒小球(见图 2-1),Sasobit 技术性能指标见表 2-3。
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2.2 基于粘温曲线的温拌富沥青混合料拌合温度预估
沥青的粘度是决定混合料压实特性的重要影响因素之一,通过测定沥青的黏温曲线,对比温拌与热拌混合料在达到相同施工粘度范围条件所需的温度,可以初步的预估温拌青混合料的拌合及压实温度。为了测定 Sasobit 对基质沥青、SBS 改性沥青(性能指标见表)、橡胶沥青的粘度的影响,以及初步预估温拌沥青混合料的拌合温度。采用 Brookfield 旋转粘度仪(见图 2-3)测试不同温度下基质沥青、SBS 改性沥青、橡胶沥青的粘度,对比添加 Sasobit 前后的不同沥青达到同一粘度范围所需的温度。试验中应保持 Brookfield 旋转粘度仪粘度值在量程的 20%-80%范围内[20],同时每种沥青测试三次,取结果平均值,以保证测量结果的准确性。对比添加 Sasobit 前后的基质沥青、SBS 改性沥青、橡胶沥青的粘温曲线结果。试验结果表明,随着温度增大,沥青的粘度逐渐减小;橡胶沥青粘度要大于 SBS 改性沥青粘度;Sasobit 对以上三种沥青的改性效果各不相同,对橡胶沥青的降温效果较显著,其次为 SBS 改性沥青。同种沥青,粘温曲线呈现温度越高,添加温拌剂粘度差越小的趋势。基于沥青黏温曲线,如果以粘度指标判断 Sabosit 的降黏效果,基质沥青可降低 8℃的拌合温度,SBS 改性沥青可降低 15℃的拌合温度,而橡胶沥青的温度降幅最大,可降低 20℃的拌合温度。由于沥青粘度只是影响混合料压实特性的一个因素,混合料的拌合及压实温度还需要从级配、压实工艺等综合考虑。鉴于富沥青混合料沥青膜较厚、有效沥青相对较多,在温度选择时应突出富沥青混合料在压实方面优势,由此温拌富混合料的预估拌合温度按表 2-6 进行选择。
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第三章 Saosobit 对沥青粘弹特性影响分析.......34
3.1 DMA 试验方法及原理...... 34
3.2 试验参数的选择....... 35
3.3 Sasobit 改性沥青粘弹性特征分析 ........ 36
3.4 基于主曲线法的 Sasobit 改性沥青粘弹特性分析 ........ 39
3.5 本章小结.... 43
第四章 温拌富沥青混合料高温性能评价......44
4.1 车辙的产生机理...... 44
4.2 多轮车辙仪(RLWT)简介........ 45
4.3RLWT 试件的制备.... 47
4.4 RLWT 试验结果分析.... 49
4.5 RLWT 试件损坏程度分析...... 53
4.6 本章小结.... 54
第五章 温拌富沥青混合料水稳定性能研究.......55
5.1 水损害作用机理分析.... 55
5.2 沥青混合料水稳定性评价方法........ 56
5.3 浸水劈裂试验...... 57
5.4 试验结果分析...... 59
5.5 本章小结.... 61


第六章 温拌富沥青混合料疲劳性能研究


6.1 疲劳试验方法研究
验证沥青混合料疲劳的试验方法很多,归结起来可以分为三类[62]:第一类是在实际路面状态下,由真实汽车荷载对路面作用的疲劳试验。其中以AASHTO 试验路最为典型,但是此试验容易受现场条件、气候影响,并且耗费的时间过长。第二类是基于足尺路面的疲劳试验,这其中包括了直道试验、环道试验和加速加载试验。以美国华盛顿州立大学室外大型环道、重庆公路科学研究所的室内大型环道、南非的 ALF、法国的 LCPC 等为代表的足尺路面结构。第三类是以室内小型试件为主的疲劳试验。主要以SHRP提出的四点弯曲疲劳试验、中点加载小梁弯曲疲劳试验、间接拉伸疲劳试验应用最广。前两种方法可以较好的反应路面实际疲劳性能,但是试验结果容易受到当地环境,以及路面结构的影响,而且测试时间长,资金投入也大。而基于室内小型试件的疲劳试验虽然与路面的实际受力状态有所差别,但是试验周期短,湿度、荷载、温度等都比较容易控制,因此可操作性强,可进行大量试验,便于得到单因素影响下的混合料疲劳规律[63]。本文基于以往疲劳研究的成功经验及成熟方法,以及所用混合料类型确定试验参数和优选出试验方案。重复弯曲试验因为梁式试件的制作过程容易受各种不稳定因素影响,而且试验数据的离散性比较大。而间接拉伸疲劳试验操作简单,受试件表面破坏影响小,与其他疲劳试验方法也有较好的相关性[64]。并且间接拉伸疲劳试验所用的试件为圆柱体试件,而第三章 RLWT 试验及第四章的浸水劈裂试验均采用圆柱体试件,在试件制备上也更利于试验的展开。因此选定劈裂疲劳试验作为评价温拌富沥青混合料疲劳性能的方法。


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结论


本文结合温拌沥青混合料及热拌沥青混合料中存在的问题,引入富沥青概念来改善温拌沥青混合料存在的易水损、难压实的情况,同时降低了热拌混合料的拌合温度,减轻了热拌沥青混合料的老化问题。本文以温拌 SBS 改性富沥青混合料及温拌橡胶富沥青混合料为研究对象,经过大量室内试验对温拌富沥青混合料的高温稳定性、水稳定性和疲劳性能进行了研究,通过查阅大量文献和理论分析得到以下成果:通过测定基质沥青、改性沥青、实验室制备橡胶沥青等四种沥青的粘温曲线,初步确定了温拌沥青混合料的拌合温度, 采用 CAVF 法确定了富沥青混合料级配,以及对富沥青混合料的最佳沥青用量进行了预估,采用 SGC 压实过程中的压实次数-密度关系验证了温拌效果,确定了 Sasobit 温拌剂可以降低热拌 SBS 富沥青混合料 20℃拌合温度,以及热拌橡胶富沥青混合料 25℃的拌合温度的温拌效果。最后通过 Superpave 法沥青混合料设计法确定了富沥青混合料的最佳沥青用量,验证了设计的富沥青混合料为骨架密实型结构。采用 RLWT 评价温拌富沥青混合料的高温浸水下的抗车辙性能和抗水损性能。试验研究表明,富沥青概念的引入改善了温拌沥青混合料的高温抗车辙,同时,经过长时间高温浸水及车辙试验后的试件仍没有出现剥落等水损害说明温拌富沥青混合料有着良好的抗水损害性能。SBS 改性富沥青混合料的高温稳定性能要优于橡胶沥青混合料。温拌剂的添加可以显著改善橡胶沥青混合料的高温抗车辙性能,可以有效提升处于压密稳定状态的 SBS 富沥青混合料的抗车辙潜力。结合以往浸水劈裂试验和南方高温多雨气候特点,对改进后的洛特曼试验进行了改进,采用改进后的浸水劈裂试验和冻融劈裂试验评价温拌富沥青混合料的水稳定性能。试验结果表明温拌富沥青混合料有优异的抗水损性能,其中 SBS 富沥青混合料的水稳定性能要稍好于橡胶富沥青混合料。
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参考文献(略)
 

(责任编辑:gufeng)
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