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高粘度改性沥青性能评价方法与应用研究

时间:2015-12-14 11:53来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是公路工程论文,本文以针入度、软化点、60℃动力粘度等作为高温性能评价的基本指标,并采用动态剪切流变试验和多应力蠕变恢复试验,以车辙因子、零剪切粘度、应变恢复率。

第一章 绪论


1.1 课题研究背景及意义
近几十年来,随着我国经济的快速发展,公路交通量迅速增长,里程逐年增加,公路等级不断提高,路况逐步改善。公路的大力建设,极大地改善了人们的出行条件,加快了物流的发展,同时推动了社会的发展。我国的公路事业也进入到高等级公路的高速发展时期。与此同时,我们对路面特别是高等级公路和城市主干道提出了更高的要求。主要体现在路面的行车安全性、行车舒适性及路面的耐久性等方面,其中行车安全性是最首要的要求。目前很多发达国家在进行路面设计时将行车安全作为其核心内容之一。为了满足车辆的行车安全性,路面结构应具有较好的防滑性,尤其是雨天路面易出现打滑、水漂等现象,给车辆行驶带来很大的安全隐患。有调查研究表明[1]:我国干线公路沥青路面的抗滑能力普遍达不到要求,摩擦系数低的路段(摆值 F<40BPN)占 50%以上,表面构造深度小的路段(TD<0.3mm)占 70%以上。据不完全统计,我国因雨雪天气路滑而造成的交通事故率占交通总事故率的比例呈逐年上升的趋势[2];另一方面,车辆的不断增多使得交通噪音污染日益严重。为此,以欧洲、美国为首的发达国家从上世纪 60 年代起便致力于研究防滑降噪的路面材料,OGFC 路面便在这种背景之下应运而生。OGFC 路面具有较高的空隙率,一般为 15%~25%,它能将雨天的路表积水通过其结构内部的连通空隙迅速排出,保证路面的抗滑性能,以提高行车安全性。同时 OGFC内部互通的空隙结构还可起到降低噪音的作用。研究表明,采用 OGFC 路面可将路面噪音降低 3dB 以上[3]。因此,OGFC 路面以其良好的抗滑性、降噪性、排水性等路用性能在欧美、日本等国得到大力推广。近年来,在我国多个省市的城市快速路和高等级公路上也得到广泛应用。
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1.2 国内外研究现状


1.2.1 国外研究概况
早在 1940 年,英国皇家空军便开始采用 OGFC 路面以迅速排除基地飞机跑道路面的积水。1973 年,美国联邦公路管理局开始积极推广应用 OGFC 路面,并在次年颁布了一套 OGFC 路面沥青混合料设计方法[5]。到 1982 年,美国累积铺筑 OGFC 路面已达15000km,且大多用于交通量大的州际公路上。OGFC 路面被认为是一种解决路面车辙问题的较好措施[6],随后 OGFC 路面在欧美、日本等国得到了广泛应用。世界各国也纷纷开始研究和应用 OGFC 路面,并制订了一系列设计规范。上世纪 80 年代以前,OGFC 沥青混合料一直使用直馏沥青[7]。美国早期的 OGFC路面存在易出现松散、易受水损害等主要问题。在使用 2~3 年之后,OGFC 路面往往会因空隙阻塞而排水功能下降,甚至丧失。此外,水的作用易导致阻塞后的 OGFC 路面沥青与集料剥离,从而发生水损害。之后,欧洲各国对 OGFC 沥青材料的选择达成了基本共识,即使用改性沥青。沥青主要考虑了需满足具有较好的高温稳定性、低温抗裂性、抗老化性能等要求[8]。欧洲各国排水性路面近年来使用的沥青材料情况如表 1-1 所示。
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第二章 高粘度改性沥青高温性能评价方法的比较研究


2.1 国内外常见的沥青高温评价指标分析
针入度是反映沥青高温性能的常规指标之一。它是以在特定的试验温度下,标准针(100g)经过标准时间(5s)垂直贯入沥青试件中的深度(单位:0.1mm)来表示。它能表征沥青材料的软硬程度,反映沥青在一定条件下的相对粘度。沥青越软,其粘稠度越小,针入度越大。本试验测定了三种沥青试样在 15℃、25℃、30℃等三个不同温度下的针入度。对沥青针入度的测定步骤大致如下:(1)加热沥青样品后将其倒入针入度皿中;(2)常温下冷却一个半钟后,设置好恒温水浴的温度,将针入度皿放至入其中;(3)将针入度皿于放恒温水浴中恒温 1.5h 之后进行测试,每种试样重复测定三次,每个测定点之间距离不小于 10 mm,并保证各个测定点与针入度皿边缘的距离也不小于 10mm;(4)将三次测定结果的平均值取整作为针入度试验的结果。此三次测定值之差需满足下列条件:均值为 0~50,差值≤ 2;均值为 50~149,差值≤ 4;均值为 150~249,差值≤6。针入度指数 PI(Penetration Index)是常用的沥青温度敏感性评价指标。“八五”研究中提出, PI 与路面车辙深度之间具有良好的相关性,且相关系数达到了 0.8241,因此认为 PI 也可以用来表征沥青的高温性能[16],不过针入度指数通常还是用于沥青感温性能的评价。软化点与沥青路面在高温状态下变形的程度相关,目前世界多国把它作为表征沥青高温性能的指标之一,对于高粘度改性沥青,它也是一个非常重要的评价指标。1996年的日本规范规定用于排水性铺装的高粘度改性沥青应满足软化点高于 80℃的要求[9]。本试验采用环球法,即测定沥青试样在规定的条件下受热软化,使之从固态开始转变,最终具有一定流动能力时的温度。本试验对三种沥青的软化点的测定步骤大致如下:(1)加热沥青样品后将其倒入黄铜环中,并使其略高出环面;(2)常温下冷却 0.5h 之后将高出环面的样刮去,使试样表面与环面齐平;(3)预先估计试样的软化点,将内有70#基质沥青和高粘度改性沥青(M)试样的黄铜环、定位器、钢球及环架放置于温度为(5±0.5)℃的水浴中恒温 15min(测定高粘度改性沥青(H)软化点时,放入(32±1)℃的甘油浴中恒温相同时间);(4) 将黄铜环套上定位器,并将钢球放置于环上,打开仪器使之加热,保证水或甘油的温度在 3min 之后以( 5±0.5)℃/min 的速度上升,直至试样受热软化,钢球垂直下落至与下承钢板表面刚好接触时的温度即为该沥青试样的软化点;(5) 每种沥青试样平行测定两个结果,取平均值作为最终测定结果。
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2.2 动态剪切流变试验评价高粘度改性沥青高温性能
由于作用于路面的行车荷载一般不是静止荷载,而是连续不断的反复荷载[17],因此为了更加准确地反映高粘度改性沥青在路面行车荷载作用下的力学性能,应对其在动载作用下的变形即动粘弹特性进行研究。美国 SHRP 计划颁布的 AASHTO MP1 暂行规范提出了 superpave 性能分级方法,该规范采用动态剪切流变仪(dynamic shear rheological,简称 DSR)对原样沥青和 RTFOT后沥青试样分别进行动态剪切试验,通过测量沥青的复数劲度模量*G 和相位角  来表征其粘弹性。动态剪切流变试验的工作原理如图 2-7 所示,将沥青试样放置于一个能左右振荡的板和一个固定板之间,振荡板由 A 点开始移动,到 B 点后再往回转动经过 A 点移动至 C 点,接着再从 C 点转回到 A 点,完成一个周期。动态剪切流变试验可以是应力控制或应变控制。应力控制时保持转动过程中的力矩不变,振荡板转动的弧度会略有不同,而应变控制是保持振荡板的移动的距离,力矩有所不同。测定出的复数劲度模量*G 包含了弹性和粘性两部分,它是储存剪切模量 G '和损失剪切模量 G 的复数和,相位角  为试验所施加的正弦应力或正弦应变和由此产生的正弦应变或正弦应力之间的相位差,如图 2-8 所示:
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第三章 高粘度改性沥青低温性能评价方法的比较研究.......36
3.1 国内外常见的沥青低温评价指标分析........ 36
3.2 弯曲梁蠕变试验评价高粘度改性沥青低温性能....... 38
3.3 本章小结...... 42
第四章 高粘度改性沥青感温性能评价方法的比较研究.......43
4.1 针入度指数 PI ....... 43
4.2 针入度粘度指数 PVN ..... 43
4.3 粘温指数 VTS ........ 44
4.4 粘温曲线分析评价高粘度改性沥青感温性能...... 45
4.5 本章小结...... 57
第五章 高粘度改性沥青抗老化性能评价方法研究.....59
5.1 高粘度改性沥青的短期老化.... 5
5.2 高粘度改性沥青的长期老化.... 62
5.3 本章小结...... 76
结论与展望......78


第五章 高粘度改性沥青抗老化性能评价方法研究


高粘度改性沥青在运输、拌合、施工等过程中会由于受到光、热、氧气、水等因素的作用而产生一系列物理化学变化,造成短期老化;在 OGFC 路面使用的过程中,高粘度改性沥青会由于受荷载及环境等因素的长期影响,形成长期老化。对于 OGFC 路面,由于其空隙率大(15%~25%),空气中的水和氧气更容易进入到沥青混合料内部,增大了与沥青混合料的接触面积,从而加速了高粘度改性沥青的老化。高粘度改性沥青的老化尤其是使用期内的老化,会使得高粘度改性沥青的流变性逐渐发生变化,并影响到 OGFC 路面的耐久性。因此本章对高粘度改性沥青的抗老化性能评价方法进行评价,对 OGFC 路面的耐久性研究具有重要意义。试验时,将沥青试样瓶依次放入烘箱环形架中,关上箱门后启动环形架转动,其转动速度为(15±0.2)r/min。与此同时,将流速为(4000±200)ml/min 的热空气喷入试验瓶中。烘箱温度应在 10min 内回升至(163±0.5)℃,保证沥青试样在此温度下受热不少于 75min,即总持续时间 85min。短期老化之后,测定了三种沥青的 25℃针入度及延度,并对其进行了动态剪切流变试验,试验方法及条件如第二章 2.3 节所述。三种沥青 RTFOT 前后的针入度及延度值如表 5-1 所示:


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结论


本文针对高粘度改性沥青的高温性能、低温性能、感温性能及抗老化性能等方面采用各种评价方法进行了比较研究,并提出了适用于高粘度改性沥青的性能评价方法。主要得出以下结论:
(1)以 /sin *G 作为高温性能评价指标可知,高粘度改性沥青的高温性能优于 70#基质沥青,且在短期老化后,其高温抗车辙能力得到进一步提升;但相位角  忽略了其在外力卸去之后,延迟弹性会使一部分变形逐渐恢复的特性,用  来反映其粘弹性组成并不适用。因此用 /sin *G 对高粘度改性沥青的高温性能进行评价存在一定不足。
(2)零剪切粘度能较好地评价高粘度改性沥青的高温性能。高粘度改性沥青在低剪切速率下无法进入粘性流动状态,通过对动态频率扫描试验所得的粘度—频率图外延无法直接得到其零剪切粘度;采用 Carreau 模型拟合得到三种沥青的零剪切粘度均能够得到较大的相关系数。高粘度改性沥青的零剪切粘度远大于 70#基质沥青,具有较好的高温性能。
(3)多应力蠕变恢复试验能更真实地摸拟沥青路面重复加载及卸载的车辆荷载作用,能很好的反映高粘度改性沥青“延迟弹性”的特征。相比其他评价指标,应变恢复率和不可恢复蠕变柔量能更好地评价高粘度改性沥青的高温性能。高粘度改性沥青的延迟弹性恢复性能好,粘性变形小,在低应力水平下,其不可恢复变形量很小,不可恢复变形的增长量也十分平缓,即使是在重交通量的情况下,依然具有较好的高温性能。
(4)弯曲梁蠕变试验适合评价高粘度改性沥青的低温性能,弯曲蠕变劲度模量和蠕变速率是较好的低温评价指标。在合格的温度范围内,两种高粘度改性沥青的弯曲蠕变劲度模量较小,蠕变速率较大,其低温抗裂性能优于 70#基质沥青。
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参考文献(略) 

(责任编辑:gufeng)
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