沥青混合料高温抗车辙性能影响因素的试验研究
沥青混合料高温抗车辙性能影响因素的试验研究 兰州理工大学硕士学位论文沥青混合料高温抗车辙性能影响因素的试验研究姓名:郭瑞申请学位级别:硕士专业:岩土工程指导教师:李萍20210501硕十学位论文摘 要沥青路面具有良好的路用性能,在国内外的道路建设中得到广泛的应用,据统计在我国已建成的高速公路中,%以上均采用沥青路面在夏季持续高温季节,普通沥青路面在行车荷载作用下很容易产生车辙车辙不仅缩短了沥青路面的使用寿命而且降低了沥青路面的效劳质量,给国民经济带来较大损失首先,本文基于马歇尔标准击实试验,确定出了间断密级配沥青混合料和添加抗车辙剂的一 沥青混合料以下简称. 抗车辙剂沥青混合料的最正确沥青用量,并分析了抗车辙剂对马歇尔试验结果的影响其次,通过室内车辙试验分析了矿料级配组成、沥青用量、碾压次数、试验温度及抗车辙剂用量对间断密级配沥青混合料高温抗车辙性能粉用量,可以充分发挥间断密级配中集料的嵌挤作用;马歇尔试验的最佳沥青用量比车辙试验的最正确沥青用量高.%~.%;在沥青用量不增加的条件下,间断密级配沥青混合料抗车辙剂的最正确用量为.%;本文也分析了矿料级配组成、碾压次数及抗车辙剂用量对. 沥青混合料高温抗车辙性能的影响,并将其与. 抗车辙剂沥青混合料进行了对.比。
试验结果说明:在试验条件下相同的前提下, 抗车辙剂沥青混合料较. 沥青混合料的动稳定度值有明显的提高,最小提高幅度为 %;. 抗车辙剂沥青混合料只有形成骨架密实型结构,其高温抗车辙性能才能得到改善;在最正确沥青用量条件下,. 抗车辙剂沥青混合料的最正确抗车辙剂用量为.%关键词:车辙试验;马歇尔试验;动稳定度;高温稳定性:抗车辙剂沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究自≈目目自穹自自毫≈目 自自,. ,,% . , .,, ,. ,?,,.,? , , ??,. 耋...%.%..%.,,.?, . . . %.,一 ? .,一,..%.,:,,硕十学位论文,兰州理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品对本文的研究做出重要奉献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律后果由本人承当日期:知向年‘月,日作者签名:新婶学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保存、使用学位论文的规定,同意学校保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权兰州理工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,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文本学位论文属于、保密口,在 年解密后适用本授权书不保密卤请在以上相应方框内打“√〞作者签名: 日期:叫年月,口日日期:导师签名:詹卅?年‖月尸日番李柳可硕十学位论文第章 绪论.课题背景及研究意义改革开放的三十年,是我国历史上公路开展速度最快、规模最大、最具活力的时期据有关部门统计,在这短短的 年当中我国公路里程增加了 .万公里,高速公路从无到有,公路通达深度和覆盖面有了很大提高 年全国公路通车总里程已到达 万公里,高速公路总里程已达 公里路面是高等级公路的重要组成局部,公路路面相对于路基而言虽然只是薄薄的一层,但其工程造价却占到了公路工程总造价的 %~ %路面作为道路直接与行车发生关系的“界面〞,其工程质量具有特殊而重要的意义目前全国已建成的高级、次高级沥青路面公路里程约占总道路总罩程的%,其中高级沥青路面突破了 万公里在已建成的高速公路中,约%采用了沥青混凝土路面?通过近三十年的不断努力,我国在公路沥青路面修筑,特别是高速公路的沥青路面修筑方面已形成了以路面结构、材料、设计、施工和检测为核心的成套技术,路面的基层和面层均有了明显的改善。
京津塘高速公路、首都机场高速公路及八达岭高速公路等工程建成通车,对我国高速公路沥青路面建设有很大的促进作用虽然我国沥青混凝土路面的建设在短短的三十年中取得了很大的开展,但是沥青混凝土路面普遍存在的技术和质量问题的两个主要方面,即耐久性和路面的早期损坏却仍未从根本上的得到解决,并且国民经济高速开展而带来的公路交通量大幅度地增加,高速公路、一级公路的交通渠道化,超载重载的情况愈演愈烈,加之夏季罕见持续的高温,导致公路沥青路面出现的新问题又接踵而来这些己成为影响我国公路健康开展的突出问题而沥青路面的早期破坏中尤其以高温车辙破坏最为突出沥青混合料是一种典型的粘弹性材料,其物理力学性能与温度和荷载作用时间密切相关,特别是它的强度和劲度模量随着温度的升高而显℃~著降低普通沥青混合料路面不添加抗车辙剂在夏季温度到达℃沥青混合料路面温度为℃~℃时,在重交通荷载的重复作用下,且由于交通的渠道化,逐渐形成下凹,两侧鼓起的永久性变形即所谓的“车辙〞这种永久性变形是现代高等级沥青混合料路面最常见的高温病害我国大局部地区夏季日平均气温高达℃~℃,在这样高沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究的温度条件下,一方面由于黑褐色沥青自身具有较强的吸热性能,使整个路面形成一个巨大的温度场加速其变形,同时又由于普通沥青混合料路面自身的抗变形能力相对较差,以致在夏季高温条件下,随着温度的升高,沥青混合料路面逐渐产生车辙变形。
车辙不仅影响行车的舒适性,而且对交通平安造成威胁正是由于沥青混合料自身所固有的粘弹特性、影响沥青路面高温性能因素的多样以及车辙形成机理的复杂性等因素的综合作用,使得解决沥青混合料路面的高温稳定性问题已成为一个世界性的难题正是在这样的情况下,通过在沥青混合料中添加一定量的外加剂以形成一种新型的沥青混合料或者通过改变沥青混合料的矿料级配组成等措施,以改善沥青路面的高温抗车辙性能,已成为当前从事公路与城市道路研究人员解决沥青路面高温车辙问题的一种解决途径沥青混合料的开展概况及其高温稳定性能概述..沥青混合料的开展概况约在公元前的年,在巴比伦铺筑了第一条沥青路面,但这种技艺不久便失传了一直到 世纪,人们才有用沥青混凝土来筑路据记载, 年在英国开始进行煤沥青碎石路面铺筑; 年在巴黎首次用碾压法进行沥青路面铺筑; 年前后在伦敦、华盛顿、纽约等地采用沥青做路面铺筑人们在筑路作业时,感到沥青需要加热,致使其使用上很方便,年在科诺大学广场上开始第一次使用稀释沥青当时,沥青路面还只限于在道路外表涂刷一层沥青,即现在的单层沥青外表处治在此以前,均可以称为是沥青材料在道路工程中使用的启蒙时期第二个时期大约在世纪的年代到年代。
年美国首先提出针入度作为沥青的分级指标 年德国马尔库逊提出了最初的沥青组分分析方法,研究了沥青的组分含量同路用性能的关系】口近几年来,随着公路等级的不断提高,对沥青材料提出了更高的要求,促使研究工作进一步深入开展在沥青指标方面,除了针入度、延度、软化点等目前常用的三大指标外,先后提出了脆点、含蜡量、组分分析、粘附性以及旋转薄膜烘箱老化等一系列非常规指标还应用流变学理论和方法研究了沥青的粘弹性力学、蠕变、应力松弛、沥青性能对温度和时间的依赖关系,以及劲度和针入度指数等流变学有关的指标与此同时,出现了各种改性沥青硕士学位论文纵观国际沥青混合料的开展史上,大体上经历了三个具有里程碑的阶段【在路面结构类型方面,简单的沥青外表防治已不能满足交通要求,出现了用拌制的沥青混合料铺筑路面年代,在美国的工程兵团供职的马歇尔工程师提出了著名的马歇尔试验方法,并提出了初期的马歇尔稳定度等技术标准和评定方法年代初,美国试验路的铺筑和大量的试验研究结果的发表,使沥青路面的设计、施工、结构、材料发生了根本的变化这个工作是从年代开始的,试验路的成果是集当时研究成果之大成,许多成果成为美国路面设计指南及一系列施工标准的依据。
年代初,美国战略公路研究方案及研究工程的进行,使沥青及沥青混合料的研究开创了一个新的纪元国际上对沥青混合料的研究得到了前所未有的重视延续了半个世纪的沥青标准、沥青混合料的体积设计方法,受到了沥青结合料路用性能标准及沥青混合料性能设计的挑战和冲击,就世界范围而言,这方面的工作目前正在紧张的进行之中,尚未最终完成这个时期,我国在沥青路面方面通过了三个五年方案的科技攻关,也取得了很大的进展六五〞国家科技攻关期间,依托天津疏港公路沥青路面研究了一系列沥青路面的修筑技术,包括抗滑性能研究针对我国生产的普通石油沥青进行了沥青混合料的性能及改性沥青研究七五〞国家科技攻关,由交通部和石油部合作,研制开发了国产重交通道路石油沥青,并对其性能进行了较为的试验研究这期间,修订了?公路沥青路面施工技术标准?和?沥青路面施工及验收标准?,一系列科技成果纳入了标准八五〞国家科技攻关期间,主要借助美国的“战略公路研究方案〞,针对当前国产的七种代表性沥青及沥青混合料进行了较为全面系统的研究,且提出了符合我国不同自然区域道路实际情况于路用性能的气候分区,提出了沥青及沥青混合料的技术指标及相应的试验方法,包括高温、低温、水稳定性等各个方面,并提出了初步的技术标准建议值。
尽管自从年代以来国内外许多从事沥青混合料研究的人员在沥青和沥青混合料方面作了大量的研究,但是由于沥青是一种成分比拟复杂的的无定型高分子化合物,同时沥青路面又是在复杂多变的气候与交通荷载的条件下工作,如何将各种情况下沥青路面的使用品质同沥青及沥青混合料的性能指标联系起来,尚需有待进一步研究沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究..沥青混合料高温稳定性能沥青路面高温稳定性能,是指沥青路面在夏季高温通常为路表温度℃条件下,经车辆荷载长期反复作用后,不产生车辙、推移拥包等病害的性能沥青混合料是一种粘弹性材料,其物理力学性能与外界环境温度和荷载大小及其作用时间密切相关沥青路面在使用期间,经历了从低温到高温不同环境条件的考验通常所说的沥青路面“高温稳定性能〞中的“高温〞条件是指沥青路面在使用过程中受交通荷载的反复作用,容易产生车辙、推移、拥抱、泛油等永久变形的温度范围道路使用的实践表明,在通常的汽车荷载条件下,永久变形主要是在夏季气温高于℃~℃左右,已经到达或超过了道路沥青的软化点温度情况下容易产生,且随着外界环境温度的升高和荷载的加重,变形愈大相反,低于这个温度,就不会产生严重的变形也就是说,所谓的“高温〞条件通常是指外界环境温度高于℃~ ℃的气温条件。
根据沥青材料的温度时间换算法那么,长时间承受荷载与温度条件是等效的,而且时间是累积的车辆在高速公路上以 /的速度行驶,对路面沥青层的作用时间不超过. ,而在城市道路的交叉口、停车站,车辆停车时间 ,相当于正常行车 辆的情况因此,通常所说的高温稳定性也应包括长时间荷载作用情况沥青路面在高温条件下或长时间承受荷载作用,沥青混合料会产生显著的变形,其中不能恢复的局部即通常所说的永久变形永久变形降低了沥青路面的使用性能,危及行车平安,从而缩短了路面的使用寿命由于沥青混合料所固有的粘弹性、影响沥青路面高温贴特性的因素的多样性、车辙形成的复杂性,使得永久变形成了一个世界性的难题,防治沥青路面的永久性变形即车辙也就成了世界各国公路技术人员的重要研究课题美国战略公路研究方案的沥青研究工程在执行期间,总经费万美元中有万美元用于永久变形的研究上该研究的研究人员在对现有的沥青混合料高温特性试验方法进行评价的根底上,提出了新的试验、评价方法我国公路研究人员对沥青混合料的高温特性进行过大量的试验研究,并且取得了许多有价值的研究成果,提出了适合我国国情的沥青混合料高温稳定性能指标与标准,使我国沥青路面的高温稳定性问题的到了有效的控制。
其中主要成果有:“六五〞国家科技攻关期间,依托对天津疏港公路沥青路面的研究,用粘弹性理论计算车辙深度,用单轴蠕变硕十学位论文试验确定有关参数,提出了我国各个地区的有效温度;“七五〞国家科技攻关期间,在沥青混合料的高温稳定性方面,进行了车辙试验、蠕变试验、环道试验及加速加载试验;“八五〞国家科技攻关期间,在沥青混合料的高温稳定性方面,提出了沥青及沥青混合料的技术指标和相应的试验方法【沥青混合料高温稳定性常见的病害有以下几种】:.推移、波浪、拥包推移、波浪、拥包等损坏主要是由于沥青混合料路面在水平荷载作用下抗剪强度缺乏所引起的导致此类沥青混合料抗剪强度缺乏的主要原因有:混合料用油过大,细集料或填料过多,沥青标号选择不适宜,在沥青混合料铺筑之前外表平整度差,上下层间光滑接触,无层间黏结力等其外界原因那么可能是夏季高温时间长、交通量大、车速慢,特别是刹车较多的路段,如道路弯道、陡坡路段、城市公共汽车站附近等处,易产生推移、波浪、拥包等损坏泛油泛油是指沥青混合料内部多余的沥青在车辆荷载作用下向沥青路面外表迁移的结果沥青移向外表,使路外表光滑、抗滑性下降,在潮湿情况下严重影响车辆的行车平安泛油的主要原因是沥青用量过大或压实沥青混合料的残留空隙率太小。
车辙车辙是路面行车道轮迹带在车辆荷载反复作用下形成的永久下陷变形的累积结果车辙的产生会严重影响沥青混合料路面的效劳质量和使用寿命车辙出现后路面的平整度下降,雨天路外表排水不畅,降低了路面的抗滑能力,甚至会由于车辙内积水而导致车辆飘滑,影响高速行车的平安当然,车辙槽内是否会积水,与车辙深度和路面横断面的坡度有关由于车辙使得路面横断面方向高度起伏变化大,车辆在超载或更换车道时方向失控,从而影响车辆操作的稳定性车辙是高速公路沥青路面最有危害的破坏形式之一由于沥青混合料所固有的粘弹特性、影响沥青路面高温特性的因素的多样性、车辙形成的复杂性,使永久变形成了一个世界性难题,防治沥青路面的车辙也成了世界各国公路技术人员的重要研究课题通常研究沥青混合料的高温稳定性,主要是针对沥青路面的车辙而言的为了防止沥青混合料路面出现车辙,提高其高温抗车辙能力有重要的意义沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究.沥青路面车辙问题的国内外研究现状..国外研究现状早在 年美国试验路研究期间,对车辙路段进行了开挖,提出的报告认为产生车辙的主要原因是剪切应力,由此结果推荐使用高强度的路面材料【】年开展了限制路基应变的标准,使用了弹性或粘弹性的层状体系来预测路面结构的永久变形】。
年对这种方法进行了进一步研究【】年,在第三届沥青路面结构设计国际会议上,和提出了层应变法 ‘年第五届沥青路面结构设计国际会议以后,车辙问题的研究热点开始转移到面层上来年,建立了沥青路面的非线性粘弹性低温应力松弛模型【】对澳大利亚一条几百公里的道路进行了实测,并用统计学的方法对路面外形的资料进行了分析使用了一个小变形的模型来预测渠化和漫游交通车辙的不同【】这个模型包含了温度和荷载速率依赖,以及塑性组件,成功地预测了大多数路面的永久变形行为但对一些路面结构,预测结果和实际路面不相符合对简单剪切实验等进行了大量研究,认为试件的长高比对实验结果有较大影响,建议使用长方体试件【 对沥青材料的疲劳和车辙的线性粘弹性特性进行了评述,将评价疲劳和抗车辙能力的标准和实际路面进行了比照,认为标准对沥青路面车辙的评价和实际情况有差异,提出了以损失能 作为评价沥青路面的抗车辙能力和疲劳裂缝的标准【对简单剪切实验等进行了大量研究,认为试件的长高比对实验结果有较大影响,建议使用长方体试件【引年,通过对沥青路面的频率扫描实验和恒定高度的重复简单剪切实验得出,剪切特性具有非线性;适当的试件形状和尺寸是非常重要的等做了简单剪切实验,得到结论:如果使用较小的长高比,那么会低估剪切模量。
做了单轴压缩实验和恒定高度剪切实验,对单轴压缩实验来说,圆柱体直径 、高度就能精确表征动态模量和永久变形,恒定高度剪切实验那么不依赖试件的尺寸年,美国和提出了几种新建和改建沥青路面的车辙预估模型,在路面设计中考虑了车辙的因素,以车辙深度作为控制车辙的指标硕十学位论文..国内研究现状在国内,朱永灵、林绣贤应用线性粘弹性理论研究沥青路面的永久变形【 林绣贤对沥青面层永久变形计算中有关参数确实定方法进行了研究许志鸿等以粘弹性层状体系理论为根底,结合蠕变实验和现场测量结果,提出了一种简化的高等级公路沥青路面车辙的预估方法,比拟符合我国的实际情况【 徐世法、朱照宏在分析沥青路面永久变形时,应用了粘弹性理论,采用了“四单元五参数〞的模型,提出了一个较为合理的车辙预估方法,采用单轴蠕变实验确定参数,并在车辙预估模型中考虑了侧向隆起,提出了以粘性劲度模量作为评价沥青路面车辙的标准【】徐世法、朱照宏针对我国高等级沥青路面结构的具体特点提出以容许车辙深度作为车辙的控制指标,并给出了沥青路面容许车辙深度范围,指出了有效的车辙防治措施¨徐世法、朱照宏利用蠕变实验对沥青混合料的高温变形特性进行了分析,提出了一种有效地表征沥青混合料变形特性的流变学模型,建立了一种高等级道路沥青路面车辙的预估方法【】。
杨众等对现有的车辙预估方法进行了综述,提出了一种使用车辙实验确定永久变形的车辙预估方法一~改良的层应变法引曹林涛通过实验讨论了空隙率、级配、荷载和沥青用量对沥青混合料高温抗变形能力的影响【引李一鸣利用国产车辙实验机对沥青混合料进行了车辙实验,结果认为严格控制温度是实验成败的关键,控制荷重比控制单位轮压更合理可靠【 李一鸣、俞建荣从力学的观点分析了沥青路面车辙的形成机理【黄晓明、张晓冰和邓学钧对沥青路面车辙进行了环道实验研究,提出了不同保证率下的车辙预估模型【引综观国内外有关沥青路面车辙的研究可以看出,尽管有关沥青路面车辙形成的研究方法已较为全面,有纯经验的回归公式法和理论统计法,但由于其没有考虑路面的整体效应和自身的局限性或由有些模型的参数确定较困难,以至于这些方法很难在实际工程中推广,从而致使沥青路面的车辙问题长期以来未得到解决,因此通过研究车辙本身的形成机理和过程及施工现场的实际情况,在沥青混合料中添加一定剂量的抗车辙剂或改善沥青混合料自身矿料级配组成,以提高沥青路面的高温抗车辙性能,已成为工程中切实可行的途径抗车辙剂及其沥青混合料的国内外研究现状抗车辙剂作为一种新型的沥青混合料外掺剂,其对提高沥青混合料沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究的路用性能有很大的帮助,尤其是对改善沥青混合料路面的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性尤为突出。
目前国内外市场上常见的抗车辙剂主要有: 、、、抗车辙剂及抗辙王抗车辙剂其中: 抗车辙剂是法国的..公司生产的提高沥青混合料抗车辙能力的一种外掺剂,其主要成分是塑料,外观为深蓝色颗粒,粒℃其用量一般取矿料用量径,可在常温下保存,熔点为的.%.%;抗车辙剂由德国柏林卢博道路与环境公司生产,专门用于道路石油沥青混合料的改性,其主要为提高沥青混合料的高温稳定性,增强与矿料的粘结性而专门研制的,其外观为黑色固体,%左右,. %左右,. 和的粒径占%左右,. 的占.的粒径各占%~%左右,其形状不规那么;是一种新型的沥青混合料外加剂,可以显著提高沥青的粘度,从而改善沥青混合料的路用性能,国外主要用于排水性路面;抗车辙剂由由我国深圳海川工程科技与欧洲大型筑路公司共同研发,并得到国内多家路面新材料科研机构及化工科研部门支持的一种新型沥青混合料外掺剂,为黑色颗粒状,其密度为.?‘~. ?粒径不大于,熔点为℃左右本文中所采用的抗车辙剂为西安天虹交通科技生产的抗辙王抗车辙剂其外观为纯黑色固体颗粒,主要优点是可明显提高沥青混合料的高温稳定性和低温弹性,同时可明显改善沥青混合料的抗疲劳性,最显著的特点是其卓越的抗车辙能力。
其另一特点是使用方便,在添加沥青之前,直接将抗车辙剂颗粒定量投入到热集料中而不必预先进行沥青一聚合物混合,干拌一定时间后即可参加沥青,简单易行抗辙王不但可以提高沥青混合料的力学性能指标和改善沥青抗老化性能,还可以减轻因交通荷载造成的路面疲劳破坏和增强沥青与集料的粘结力除此抗辙王还具有可以与其它材料同时使用等优点添加抗辙王抗车辙剂不需改变沥青混合料的矿料集配仅需对其油石比进行微调【】【】】自从进入国内市场,抗辙王已在不少高速公路中得到使用例如:银川柳忠高速公路段、邵怀高速公路段以及被厦门的工程采用等,其主要性能指标见第章表.所示掺加有抗辙王的沥青混合料,其高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性均得到了明显的改善,且具有改性沥青混合料的局部优点特别在沥青混合料的高温稳定性方面,改善尤为突出抗辙王沥青混合料添加剂在与矿料的拌和过程中,局部溶解或膨胀于沥青中,形成胶结作用,从而到达提高沥青混合料的软化点温度、增强其粘结度和降低混合料的热硕十学位论文敏性等,以到达改善沥青混合料的高温抗车辙性能,同时抗辙王在与矿料的拌和过程中局部拉丝成塑料纤维,在矿料骨架内搭桥交联而形成纤维加筋作用,增强了沥青混合料的整体性。
除此之外,抗辙王沥青混合料外掺剂的弹性成分在较高温度时具有使沥青路面的变形局部弹性恢复的功能,从而降低了成型沥青混合料路面的永久变形添加有抗辙王的沥青混合料适合于交通量大、重载较多的路段以及夏季气温较高地区的公路的铺筑【 研究说明掺有抗辙王抗车辙剂的沥青混合料路面,其中面层的高温稳定性得到显著改善的同时,绝对车辙深度也有了明显地降低【综观上述有关抗辙王及其沥青混合料的国内外研究现状可以看出,抗辙王作为一种新型的沥青混合料外掺剂虽已在沥青混合料路面的施工过程中得到应用,但有关其沥青混合料高温抗车辙性能的研究并不多,因此本文就此问题进行了进一步的分析与探讨本文的主要研究内容目前国内外有关车辙问题的研究内容已较多,本文的主要研究内容包括以下几个方面:.通过室内马歇尔击实试验确定出了间断密级配沥青混合料和.抗车辙剂沥青混合料的设计级配、马歇尔试验的最正确沥青用量分析矿料级配组成、沥青用量、碾压次数、试验温度及抗车辙剂用量对间断密级配混合料高温抗车辙性能的影响变化间断密级配沥青混合料中的沥青用量,进行车辙试验,分析间断密级配沥青混合料的车辙试验结果,并确定出其车辙试验的最正确沥青用量分析矿料级配组成、碾压次数及抗车辙剂用量对. 抗车辙剂沥青混合料高温抗车辙性能的影响。
变化. 沥青混合料中抗车辙剂的掺量,进行车辙试验,分析.抗车辙剂沥青混合料的车辙试验结果,并确定出其车辙试验的最佳抗车辙剂掺量分别将通过马歇尔试验和车辙试验确定出的间断密级配沥青混合料沥青混合料的最正确沥青用量进行比照分析,并建立二者之间的关系将. 抗车辙剂沥青混合料和. 沥青混合料的车辙试验结果进行比照分析,评价抗辙王在改善沥青混合料高温抗车辙性能中所起的作用沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究第章沥青路面车辙概述车辙是沥青路面行车道轮迹带在车辆荷载反复作用下形成的永久下陷变形的积累结果车辙的产生会严重影响沥青混合料路面的效劳质量和使用寿命车辙出现后路面平整度下降,雨天路外表排水不畅,降低了路面的抗滑能力,甚至会由于车辙内积水而导致车辆飘滑,影响高速行车的平安由于车辙使得路面横断面方向高度起伏变化大,车辆在超车或更换车道时方向容易失控,从而影响车辆操作的稳定性轮迹处沥青混合料厚度减薄,削弱了面层及路面整体结构的强度,从而容易诱发路面的其他病害,缩短路面的使用寿命车辙是高速公路沥青路面最有危害的破坏形式之一但是由于沥青混合料自身所固有的粘弹特性、影响沥青路面高温抗车辙性能因素的多样性及车辙成因的复杂性,使的车辙成为一个世界性难题,防治沥青路面出现车辙也成了世界各国公路技术人员的重要研究课题。
车辙的分类及产生机理..车辙的分类沥青路面在缓慢移动或重交通车辆荷载作用下会产生变形并留下永久的微变形随着时间的推移,这些微变形会慢慢累积产生车辙现象车辙不但随着路面交通荷载的增大而增加且也随着外界环境温度的升高而增加例如有关研究说明:外界环境温度℃时,车辙的增加速度比℃时快 倍车辙是沥青路面沿轮迹纵方向的凹陷,其主要来源于路面各层的永久变形,是沥青路面特有的一种损坏现象根据其成因不】:同,车辙可分为以下几种类型【.结构型车辙由路面基层及路基变形引起的由于荷载作用传播扩散后超过路面各层的强度,发生在沥青面层以下包括路基在内的结构层的永久性变形,叫做结构车辙这种车辙的宽度较大,两侧没有隆起现象,其断面呈字形,如下列图.所示失稳型车辙在高温条件下,由于行车荷载的反复作用,荷载应力超过沥青混合料所能承受的稳定性应力极限,发生流动变形不断累积形成的车辙,叫做沥青路面的流动性或失稳型车辙其特点是两侧伴有隆起现象,内侧硕士学位论文呈非对称形状,其最容易发生在上坡路段、交叉口附近,即车速慢、车胎接地产生的横向应力大的地方,横断面呈型,如下列图.所示路基变形原地面.?曩矜/’,●‘●缝黧\.剪切变形图沥青路面形车辙.磨耗型车辙由于沥青路面顶层的材料在车轮磨耗和自然环境因素下持续不断地损失形成,尤其是冬季埋钉轮胎形成的磨损性车辙。
压密型车辙由于沥青混合料进一步被压密引起的,这种车辙的特点是只在轮迹下,呈字或型,但两侧没有隆起,车辙的形成在初期阶段开展很快水损害型车辙由于沥青混合料的中下层产生明显的水损害而失去了沥青膜的粘结作用,从而在荷载作用下出现了因变形累积而形成的车辙车辙的产生机理沥青混合料路面在重复交通荷载及其它因素共同作用下,会由于永久变形的累积导致路面出现车辙 年试验发现:永久变形主要是由于各结构层厚度的减少,车辙深度的 %发生在路面本身,其中%发生在面层、 %发生在基层、%发生在底基层;%由于路基的沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究沉陷引起【 纵观车辙的形成过程可简单地划分为三个阶段,如图.所示:车辙深度荷载作用次数图沥青混凝土路面在行车荷载反复作用下的车辙开展.开始阶段的压密过程沥青混合料在被碾压成型前是由骨料、沥青及空气组成的松散混合物,经碾压后在高温下处于半流态的沥青及由沥青与矿粉组成的胶体被挤进矿料间隙中,同时骨料被强力推挤排列成具有一定骨架的结构碾压完毕交付使用后,当汽车荷载作用时,此密实过程还会有进一步开展沥青混合料的流动高温下的沥青混合料处于以粘性为主的半固结体,在轮胎荷载作用下,沥青及沥青胶浆便产生流动,从而致使沥青混合料网状骨架结构产生失稳。
这局部半固态物质除局部填充于混合料空隙外,还将随沥青混合料自由流动,从而使路面受载处被压缩而变形矿料骨架的重排列及破坏高温下处于半固态的沥青混合料,由于沥青及胶浆在荷载作用下首先流动,混合料中粗细颗粒组成的骨架成为荷载的主要承当者,再加上沥青的润滑作用,强度较大的颗粒在荷载直接作用下会沿着矿料问的接触面滑动,促使沥青及其胶浆向富集区流动,以致流向混合料自由面,特别是当骨料间沥青及胶浆过多时,这一过程会更加明显由上述分析可知,引起沥青路面永久变形的主要原因是剪切变形因此研究沥青混合料高温条件下的抗流动变形能力极为必要造成沥青混合料路面出现车辙变形的原因很多,但总体上可分为沥青混合料自身组成和外部环境两种原因硕十学位论文.沥青混合料高温抗车辙性能的常用试验方法可用于沥青混合料高温性能试验的方法很多,包括试验室圆柱试件的单轴静载、动载、重复试验,三轴静载、动载、重复试验,径向静载、动载、重复试验,简单剪切的静载、重复加载和动力试验,此外还有中空圆柱试件的动力、剪切试验,棱柱形梁试件的弯曲蠕变试验,小型模拟试验设备的车辙试验,大型环道、直道试验设备的足尺路面高温性能试验和现场试验路面的加速车辙试验及马歇尔试验等。
由上述可知,评价沥青混合料高温抗车辙性能的方法很多我国目前采用的方法主要为车辙试验法】车辙试验方法最初是由英国开发的,由于试验方法本身比拟简单、试验结果直观,而且与实际沥青路面的车辙相关性好,因此得到广泛应用车辙试验是一种模拟实际车轮荷载在路面上行走而形成车辙的工程试验方法该试验方法的原理是通过采用车轮在板块试件或路面结构上反复行走,观察和检测试块或路面结构的响应,通过动稳定度值和试件经碾压后的车辙深度来表征试验结果车辙试验的最大特点是能够充分模拟沥青路面上车轮行驶的实际情况,在用于试验研究时,还可以改变温度、荷载、试件厚度、尺寸、成型条件等等,以模拟路面的实际情况,搞清楚各种因素变化对车辙变形.的影响目前世界上广泛采用的是室内小型往复式车辙试验机进行沥青混合料抗车辙性能试验在进行车辙试验时,可以观察到轮辙形成的全过程试块在车轮荷载的反复作用下,首先是轮迹下的沥青混合料开始下陷,形成初始车辙,然后是轮迹两侧的沥青混合料慢慢的隆起,且隆起的高度、形状均差不多,至试验结束之前,其隆起速度加快车辙试验的目的是测定沥青混合料的高温稳定性,即抗车辙能力,可供沥青混合料配合比设计的高温稳定性检验沥青混合料的高温稳定性是其路面使用性能的重要指标之一,目前国内外大多数采用室内车辙试验来评价沥青混合料的高温稳定性能。
车辙试验被认为是沥青混合料性能检验中最重要的指标,它是评价沥青混合料在规定温度条件下抵抗塑性流动变形能力的方法根据车辙试验结果,各国提出了两种不同的评价指标:动稳定度和相对变形指标,这两种指标均反映了沥青混合料在高温条件下的抗变形能力我国目前采用的方法是参考日本道路协会方法而提出的,试验温度沥青混合料高温抗乍辙性能影响因素的试验研究考虑我国绝大多数地区的温度条件,采用℃,根据我国路面设计的标试验轮总荷载准车轮荷载,试验轮对试验板的压强为.士.重为,试验过程记录绘制时间一变形曲线从车辙试验得到的时间一变形曲线一般有如图?所示三种形式,在试验变形曲线的直线段上,求取、 对应的车辙变形和其计算公式如下式.所示:变形量时间/:必×× .【一式中:一一动稳定度,次/;,一一荷载轮作用时间一般为时的永久形变,:一一荷载轮作用时间一般为时的永久形变,;的试件为一一试件尺寸系数室内制的.,路面切割的宽 的试件为.;Ⅳ.一一试验轮往返碾压速速,通常为次/沥青路面车辙控制指标和标准.路基顶面容许车辙深度世纪年代,..提出用限制土基顶面压应力防止车辙产生此后英国、法国、意大利、比利时等国都建立了土基压应变的标准。
但路基顶面容许竖向压应变控制指标仍存在着一下两点缺乏之处:该指标不能较好地反映路面车辙的实际变形情况;不能预估沥青路面在不同时期的车辙深度,因此不能有效地指导路面的养护和管理工作硕士学位论文针对上述问题,随后各国根据本国的气候及交通等具体情况提出了各自的容许车辙标准‘ ,如下表.所示表. 容许车辙深度/名称容许车辙深度/美国地沥青协会英国 壳牌石油公司 高速公路 一般公路干线公路 比利时次级公路.蠕变劲度沥青及沥青混合料是典型的粘弹性材料,在高温条件下,其粘弹性性能表现的尤为突出沥青路面的车辙或永久性变形就是沥青混合料粘弹性能的直接反映单轴静载蠕变试验是沥青混合料高温稳定性众多试验方法中的其中之一,经过广阔从事沥青路面研究人员多年的试验研究,获得了一些珍贵的材料参数,如下表.所示这些参数主要用于对沥青混合料的高温稳定性进行评价与验证,或用于相应车辙预估模型的输入参数来预测车辙深度由表中数据可见,由于研究者所采用的试验条件不同,因此提出的蠕变劲度极限值差异也较大表. 沥青混合料蠕变劲度模量极限值.相对变形指标法相对变形指标是法国最早提出的,它是在规定的作用次数和时间下所产生的变形于试件总后的比值,作用次数根据实际交通荷载和沥青混合料的使用要求而不同,其计算公式如下:相对变形按息下式.计算:,.艿:竺×%,式中:一一试件相对变形量,%;址一一荷载作用下试件总变形量,;沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究一一试件的厚度,:法国在世纪年代规定轮辙试验永久变形的两个等级如下:等级:作用 次,相对变形率三 %:等级:作用次,相对变形率薹 %,等级常用于高交通量水平的道路。
车辙试验动稳定度标准在车辙试验过程中,沥青混合料试块上车辙的产生与开展都与实际沥青路面车辙的产生与开展十分相似,大量的试验结果也证明,车辙试验的动稳定度与沥青路面的车辙深度有着较好的相关性,因此,假设能恰当地进行沥青混合料的设计,使其动稳定度满足规定的要求,就有可能对沥青路面的车辙深度进行有效的控制我国的?公路沥青路面施工技术标准?规定:对采用马歇尔试验法设计的沥青混合料,应进行抗车辙性能检验下表.,为我国针对不同的沥青混合料和工程所处地区的气候分区,在?公路沥青路面施工技术标准? .提出的沥青混合料车辙动稳定度技术要求‘】 表. 沥青混合料车辙试验动稳定度技术要求技术指标 动稳定度/次.’~ 试验月份平均.夏最高气温 方法.夏炎热区 .夏热区?区℃及气候分区 . . .. . . . . .普通沥青混合料茎改性沥青混合料耋非改性耋改性耋一般交通路段、重交通路段混合料从上述有关动稳定度的概念可以看出,试件的相对变形指标和动稳硕十学位论文定度指标都反映了沥青混合料在高温条件下的抗变形能力,但相对变形更为直接地反映了车辆荷载作用下试件的变形情况,而动稳定度仅是一个间接的评价指标本章小结本章讨论了沥青路面车辙破坏类型及其产生机理、沥青混合料高温抗车辙性能常用的评价方法及其控制指标。
通过对沥青路面车辙破坏类型及其产生机理的分析,可以看出:.在车辆荷载作用下沥青路面所产生的剪切变形是引起车辙的主要原因,因此在配制沥青混合料时,应选择具有良好质地和级配的矿料及粘稠度较高的沥青,以提高沥青路面在高温条件下的抗车辙变形能力可以采用动稳定度值和相对变形量两种指标评价沥青路面的高温抗车辙能力;标准中规定的沥青混合料动稳定度的指标值是一个正常沥青混合料所能到达的最小值,假设实测结果小于该值,并其说明其高温抗车辙性能较差沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究第章原材料试验与沥青混合料配合比设计在广泛收集与分析了国内外有关沥青混合料路面高温抗车辙性能方面相关研究成果的根底上,结合兰州地区的实际情况,本文选取间断密级配和.抗车辙剂两种沥青混合料进行试验,分析了影响其高温抗车辙性能的因素试验中所使用沥青为兰炼.沥青,矿料为兰州安宁采石场的砂岩,填料采用石灰岩矿粉,抗车辙剂采用西安天虹交通科技公司生产的抗辙王抗车辙剂原材料试验..矿料本课题所用粗细集料均采用兰州安宁采石场的砂岩,经人工筛分后按所选级配逐级称量回配矿粉采用石灰岩矿粉,集料各项性能指标如表.所示,均符合?公路沥青路面施工技术标准?的要求。
集料的密度按照?公路工程集料试验规程? .规定进行测定:粗集料密度采用网篮法测定;细集料密度采用李氏比重瓶法测定其试验结果分别如表.和表.所示技术指标 指标值 技术指标 指标值吸水率/% . ~ . . ~ .与沥青黏附性等级/级 表观. 密度 .洛杉矾磨耗损失/% 石屑针片状含量/% . /? 矿粉密度/?一表.粗集料视密度 . . .粒径/. . . .表观相对密度/?‘. . . .毛体积相对密度/? . . . . .粒径/. . . . . .视密度/?‘矿粉的视密度采用李氏比重瓶法测定,其值为./硕十学位论文..沥青沥青混合料要求沥青具有较高的粘度,与集料有良好的黏附性本课题所采用的沥青为兰炼重交通石油沥青.,参照重交通道路石油沥青的技术指标,按照?公路工程沥青及沥青混合料试验规程?.的试验操作要求进行【〞,其技术指标试验结果见表.技术指标 指标值针入度℃,,/.℃延度/℃.蜡含量蒸馏法/%.密度/?一.溶解度/%闪点/℃ .软化点/℃动力粘度℃/? ...抗车辙剂抗车辙剂是由多种聚合物复合而成的沥青混合料的一种外掺剂,本课题所采用的抗车辙剂为西安天虹交通科技公司生产的抗辙王抗车辙剂。
抗辙王外观为纯黑色颗粒状固体,主要优点是可以明显改善沥青混合料的高温稳定性和低温黏弹性,同时还可以改善沥青混合料的抗疲劳性其最显著的特点是卓越的抗车辙性能,另一优越性是施工工艺非常简单,将称量好的抗辙王固体颗粒直接投入沥青混合料中与其一起拌和,而无需单独加热抗辙王的各项性能指标如表.所示熔融 断裂 弹性粒径 密度/ 熔点 软化 拉伸度工程 外观 指数/ 延伸 模量./℃ 点/℃’/率/%?‘.~ ~ ~ ~ .~黑色指标 ≤ ~ ~.颗粒 . 检测 黑色. .三结果 颗粒沥青混合料高温抗车辙性能影响因素的试验研究.沥青混合料级配设计的方法目前确定沥青混合料最正确沥青用量的方法有:马歇尔试验法、综合设计法及的性能设计法与综合设计法及的性能设计法相比较马歇尔试验法设计法是一种基于体积设计的方法,虽然与性能设计法有较大的差异,但因其操作简单为世界各国广泛使用马歇尔试验法是由年代在美国工程兵团供职的密西西比州道路局的马歇尔工程师提出的一种评价沥青混合料稳定性的试验方法,该方法至今仍在世界上很多国家沿用,只是根据交通开展的要求不断地进行了适当修订马歇尔试验是将沥青混合料制成直径为 .的圆柱形试件,在高温下℃采用规定的马歇尔稳定度试验仪,测定在规定的加载速率条件下破坏前所能承受的最大荷载即马歇尔稳定度和对应的变形,即流值。
马歇尔稳定度越大、流值越小,说明高温定性越好从年以来,马歇尔试验被许多国家广泛的直接采用,有时仅将试验条件作一些修改虽然马歇尔试验在世界上许多国家被广泛的采用,但也有其局限性有学者用沥青混合料重复荷载三轴试验、三轴蠕变试验及单轴无侧限蠕变试验和马歇尔试验比拟了各种沥青混合料的力学性质,结果说明,与更符合实际情况的重复荷载三轴试验相比,马歇尔试验在评价沥青路面抵抗永久变形方面并不是很好的方法,用其不能列出沥青混合料永久变形性能的优次序,但鉴于其操作方法简单,至今仍被很多国家采用间断密级配沥青混合料配合比设计针对目前我国对于传统密级配沥青混合料路用性能的研究已比拟成熟,对于间断密级配沥青混合料的路用性能研究还不够深入、不系统的缺点,本文采用马歇尔和车辙试验相结合的方法,对影响间断密级配沥青混合料高温抗车辙性能的因素进行了分析,旨在探讨各种影响因素更为合理的取值范围,以进一步改善间断级配沥青混合料高温抗车辙性能所谓间断密级配,就是指在矿料的组成中,大小颗粒不是连续存在,而是在某一个或某几个粒径范围内没有或有很少矿料颗粒组成的一种矿质混合料问断密级配沥青混合料有较高的密实度,容易形成骨架密实结构,其高温抗车辙性能明显高于传统密级配类型沥青混合料【 ,其组成特点为:粗骨料间相互嵌挤形成骨架,使其具有良好的结构特性,骨架空隙由沥青马蹄脂胶浆填充,空隙率减小。
这种混合料不仅有足够数量的粗骨料可以形成空间骨架结构,而且有适宜数量的细骨料填充于硕十学位论文骨架间的间隙,可使沥青混合料具有较高的密实度,其内摩阻力和粘结力较普通沥青混合料均有明显的提高确定矿料级配所谓矿料级配组成设计,就是确定矿质混合料中不同粒径的颗粒相互间的用量比例关系,通常采用不同粒径颗粒的质量比来表示为了便于分析级配组成对间断密级配沥青混合料高温稳定性的影响,本文按照一的规定,结合兰州地区的实际情况,并参考?沥青混合料设计与施工?中矿料配合比设计的要求【 ,选择了三种不同的矿料级配其中三种级配中.筛孔的通过率依次为:%、%、%;.筛孔的通过率均为 %左右三种级配的矿料组成如表.所示,级配曲线如图.所示编号. . . . . . . . .级配 . . . .级配 .级配加∞∞担\咖印缸求恤如加. . . . . . . . .粒径/..计算马歇尔试件相关物理指标沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究和矿料的密度指标值、三种级配中不同粒径集料的百分含量及式.、.、.、?,可以计算出所选三种间断密级配的矿料的合成毛体积密度、合成表观密度丫扑粗集料骨架的毛体积相对密度丫及骨架间隙率,其计算结果如表.所示。
三种间断密级配沥青混合料的矿料的合成毛体积相对密度和合成表观密度的计算公式分别为:‰瓦甄扎 .心辱辱..辱乃 儿 九一式中:‰一一矿料的合成毛体积相对密度;‰一一矿料的合成表观密度;;、、?以一一各种矿料成分的配合比,其和为乃、儿、?以一一各种矿料成分相应的毛体积密度;丌、杉?形一一各种矿料相对应的表观密度粗集料骨架的毛体积相对密度及骨架间隙率计算公式分别为:?Ⅳ.,一儿一互 吃: 一且×吃一老× 地/式中:地一一.以上粗集料的毛体积相对密度;、仍、?以一一粗集料骨架局部各种矿料占全部矿料级配混合料中的配合比:硕士学位论文. . . . .级配. . . . .级配. . . . .级配..选择初试沥青用量通过查阅相关资料及以往的试验经验,初步确定三种间断密级配沥青混合料的初试沥青用量均为:.%计算马歇尔试件理论最大相对密度沥青混合料的理论最大相对密度按下式.计算,经计算三种间断密级配沥青混合料的理论最大相对密度如表.所示轳瓦五丽 式中:乃一一沥青混合料的理论最大相对密度;;、见、?见一一各种矿料成分的配合比,其和为以、托、?以一一各种矿料成分相应的毛体积密度;见一一试件的油石比,以 。
