科研训练新

学校代码：10128 学 号：200810606114

科研训练成果说明书

题 目：沥青混合料高低温性能评价

方法调查

学 院：土木工程学院 系 别：道路交通系 姓 名：白书恒

学 号：200810606114

专 业：土木工程（交通土建方向） 班 级：土木08-2 指导教师：崔亚楠

二○一一 年 十二 月 十五 日

内蒙古工业大学土木工程学院科研训练成果

项目名称 沥青混合料高低温性能评价方法调查 学号 200810606114 成绩 6576543 学生信息 姓名 白书恒 指导教师 项目立项预期目标 崔亚楠 联系电话 项目完成主要工作 沥青混合料的高温及低温性能的评价，包括蠕变试验 单轴压缩注： 试验 轮辙试验等 本表只填写概要性的结论，详细内容需要另附说明资料。 项目需要改进和完善之处 采用更好的办法对沥青的性能进行评价，方便工程中应用 结题验收情况 签字： 20 年 月 日 备注： 另附说明资料中要附参考文献, 其格式(如字体、行距等)要求同课程设计。 摘要: 沥青是一种成分比较复杂的无定型高分子化合物的混合物，同时沥青路面有时工作在复杂多变的气候条件与交通荷载的情况下，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需大量的工作。本文介绍了沥青混合料高温和低温评价方法，即单轴压缩试验、马歇尔试验、蠕变试验、轮辙试验和简单剪切试验。针对低温开裂在沥青路面上普遍存在的现象,对沥青和沥青混合料低温性质进行了研究,通过对实验数据的总结, 分析和研究沥青混合料的低温性能与路用性能关系提出了改善沥青低温性能的方法。

Abstract: asphalt is a kind of more complex composition of amorphous polymer mixture of asphalt pavement, and sometimes work in the complex and changeable weather conditions and traffic load conditions, how the various cases the service performance of asphalt pavement with asphalt and asphalt mixture performance indicators linked to the amount of work. This paper introduces the asphalt mixture at high temperature and low temperature evaluation methods, i.e., uniaxial compression test, Marshall test, creep test, wheel tracking tests and simple shear test. In the low temperature cracking in asphalt pavement on the phenomenon that exists generally, on asphalt and asphalt mixture at low temperature properties were studied by analyzing the experiment data, summary, analysis and research of the low temperature performance of asphalt mixture road performance and puts forward improvement of asphalt low-temperature performance method.

关键词: 沥青混合料; 高温稳定性;低温抗裂性; 评价方法

沥青混合料高温性能的评价指标 1 单轴压缩试验

用于沥青混合料高温稳定性评价最简便的方法是以高温( 一般采用60 ℃) 抗压强度RT 及用常温与高温时抗压强度的比值即软化系数KT( RT/R20 ) 来衡量。单轴压缩试验测定抗压强度时其侧压力σ = 0，在受力过程中压板与试件两端接触面上存在摩擦力的约束，这些都与工程实际有些差别。因此采用高温抗压强度RT 与软化系数KT 评价混合料的高温稳定性均有一定的误差。 2 马歇尔试验( 1948 年)

很长时间来人们一直采用马歇尔试验的稳定度、流值和马歇尔模数作为评价沥青混合料高温稳定性和混合料设计的依据，但是由于马歇尔试验过程中试件内部的应力分布状态极为复杂，因此试验结果很难对路面实际状况作出关联评价。 3 蠕变试验

由于马歇尔稳定度和流值是混合料稳定性的一种经验性指标，它不能确切反映永久变形产生的机理，近年来，有以蠕变试验取代它的趋势。蠕变试验常采用单轴静载、三轴静载、单轴重复加载和三轴重复加载四种方式进行。单轴静载蠕变试验以一圆柱形试件在轴向施加一瞬时荷载，并保持荷载大小不变，经过一段时间后再立即卸载，使试件变形恢复，由此可得到通常的蠕变曲线。动态蠕变试验有两种加载方式，即连续动态加载和间歇重复加载。静态蠕变曲线包括了可恢复的弹性黏弹性变形和不可恢复的黏塑性变形。动态蠕变曲线包括了黏塑性变形与来不及恢复的弹黏性变形。动态蠕变试验的两种加载方式中，后一种更接近实际荷载的作用，它的蠕变曲线也更多的由材料的永久变形组成，因此它是较好的一种试验方法。

4 轮辙试验

轮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，从广义上来说，室内小型往复轮辙试验、旋转轮辙试验、大型环道试验、直道试验等都可认为是属于轮辙试验范畴。这些试验最基本的和共同的原理就是通过采用车轮在板块状试件或路面表面结构上反复行走，观察和检测试块或路面结构的响应。轮辙试验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有效方法。通过板块状试件与车轮之间的往复相对运动，使试块在车轮的重复荷载作用下，产生压密、剪切、推移和流动，从而产生车辙。由此可得出三类指标。 ( 1) 任何一个时刻的总变形，即车辙深度。

( 2) 在变形曲线的直线发展期，通常是求取45 min、60 min的变形 ( 3) 变形速率RD，它实际上是动稳定度DS 的倒数。

由实践可知，总变形尽管非常直观，但不同试件之间的波动较大。在整个变形中，开始阶段的几次碾压能产生很大的变形，与试件接触的均匀程度是数据波动的重要原因。另外，总变形能区分试验结果的差别，但不便估计变形的发展情况。因此采用动稳定度作指标，以避免试验开始阶段，尤其是开始与试件接触的影响是比较合理的。 5 简单剪切试验

沥青路面混合料的高温永久变形主要是由沥青混合料的塑性剪切流动引起的，简单剪切试验就是用于直接考察沥青混合料的抗剪切流动性能。这个试验方法由土的直剪试验方法移植过来，并进一步考虑了沥青混合料的特殊性质，增加了垂直的动力荷载、围压和温度控制，可测定试件的回弹剪切模量、动力剪切模量等。 沥青及沥青混合料低温特性对影响低温沥青路面在使用期内产生的低温裂缝是

目前各国普遍存在的问题,尤其是寒冷地区更为突出,具有普遍性。由于裂缝的存在,使路面的使用性能降低, 大大地缩短了路面的使用寿命, 具有极大的危害性。大量的实践和研究证明: 温度开裂有两种形式: 一种是由于气温骤降造成面层温度收缩, 在有约束的沥青层内产生的温度应力超过沥青混凝土的抗拉强度时造成的开裂; 另一种是温度疲劳裂缝。为此, 评价沥青低温性能应选择低温性能优越的沥青将能很好地控制低温裂缝的产生。 沥青混合料低温性能的评价指标

沥青混合料的低温抗裂性能指标主要集中在低温延度、沥青劲度模量、沥青针入度、针入度指数PI、低温粘度等。

1.1 基于沥青本构关系提出了采用0 ℃表观粘度和由各温度下沥青实测粘度计算的粘温指数评价沥青低温条件下的沥青低温粘度。试验表明:零剪切粘度与无穷大剪切粘度在评价沥青低温性能时有反常现象, 故采用表观粘度来评价沥青的低温路用性能。众多的研究表明, 沥青的粘度反映了沥青的品质, 与路面使用性能有较好的相关关系。低温粘度则反映了沥青的低温使用性能, 低温粘度越小,说明该种沥青在低温下容易流动, 低温变形能力强, 抗开裂性能强; 反之,沥青低温粘度越大, 则说明其低温变形能力差, 较易开裂。现在普遍采用的是针入度指数PI、针入度粘度数PVN 及由粘温曲线决定的斜率(粘温指数VTS) 等。针入度指数PI 通常反映的是沥青在中等温度范围内的感温性。PVN 反映的是沥青在25 ℃～135 ℃(或60℃) 温度范围内的感温性。而VTS 则反映的是沥青在60 ℃～135 ℃温度范围内的感温性。

1.2 延度作为评价沥青低温性能的指标, 由于其方法简单, 比较直观等优点, 一直为众多的国家所采用。许多试验表明了延度值与路面低温开裂有不同程度上

的相关, 并由此提出了不同要求的延度标准。美国宾州试验路证明了延度是表征沥青路面性能很好的指标, 且得出结论是4℃延度与路用性能一致, 延度越大, 路面状况越好。近年的研究表明, 延度的试验温度有降低的趋势。十八届道路会议肯定了0℃延度在沥青路面抗裂方面的重要性。壳牌公司提出的延度建议值 中, 沥青的延度值相同, 但试验温度不同, 以达到控制质量的目的。德国1995 年最新的道路沥青标准也将延度的试验温度按针入度不同下降到7℃、13℃等。美国沥青标准从来没有过延度, 美国联邦公路局FHWA在1988 年曾向运输部正式提出建议, 明确指出蜡的存在影响低温开裂, 并提出用4℃低温延度( 1cm/min) 对含蜡量进行限制。

1.3 当量脆点T1.2 许多国家的沥青规范中,低温开裂性能指标采用了弗拉斯脆点。它是在等降温速度的条件下用弯曲受力的方式测定其脆裂的温度, 是一个等劲度温度。但用脆点评价沥青的低温性能有其不足, 主要是试验的重复性较差, 试验用的刚片刚度不一, 试件的制备和降温条件各异, 都会对试验的结果产生影响。对于我国含蜡量较多的沥青来说, 其脆点虽低, 但冬天开裂情况仍相当严重, 因此弗拉斯脆点失去了评价沥青低温抗裂性能的作用。利用当量软化点的原理, 假设沥青在弗拉斯脆点时的针入度为1.2, 由沥青的针入度对数温度回归直线方程求取针入度为1.2 时的温度, 为了区别传统的脆点, 称之为当量脆点T1.2。

2 美国SHRP 提出的沥青低温性能指标

根据SHRP 研究项目, 美国在Superpave 的沥青结合料路用性能规范中明确提出了以沥青结合料弯曲蠕变试验(BBR) 的极限劲度模量和m值, 即沥青劲度模量的总斜率, 以及直接拉伸试验(DDT)破坏时的极限拉伸应变作为评价沥青低温性能

的指标。SHRP 试验中的小梁弯曲蠕变试验(BBR) 是一种简便的沥青劲度的直接测量方法, 通过测定小梁的施加荷载试验时小梁的弯曲变形, 应用工程中的梁理论就可以计算小梁的劲度, 进而确定沥青的性质。通常的沥青胶结料劲度在低温时劲度小, 延伸性好; 劲度大, 延伸性差, 但不排除有的沥青结合料劲度并不低, 可在破裂前却能进一步延伸。因此BBR 并不能完全反映这一类沥青结合料的延伸性能。SHRP 的研究证明直接拉伸破坏应变与沥青混合料的温度应力试验(TSRST) 的破断温度之间具有良好的相关关系。因此DDT 是对BBR 的补充。而从一定程度上说直接拉伸试验实际上就是一种“微延度”试验。在“八五”国家科技攻关专题研究中, 对七种国产代表性沥青进行了小梁弯曲蠕变试(BBR) 。通过试验, 将沥青10℃延度和当量软化点T1.2 与BBR 试验的弯曲蠕变劲度S 相比较后发现,延度大或当量软化点小的沥青, 其BBR 试验符合蠕变劲度模量要求的温度也低, 它们之间的相关性很好。其中- 18℃劲度模量与沥青的低温延度的相关系数可以达到0.9968, 这进一步说明我国采用低温延度作为沥青低温性能评价指标是合理的。在我国一般认为SHRP 的低温指标是优越的。但是SHRP 试验仪器价格昂贵, 在我国短时间内难以推广。但这并不妨碍SHRP 的试验思想与试 验方法给我们以启迪, 在科研工作中将会起到重要作用。 3 改善沥青低温性能的方法

沥青中掺金属皂和PE(聚乙烯)或EPS(聚苯乙烯)可改善其低温性能。现有的沥青技术性质是用一个多指标体系控制的, 掺改性剂使沥青个别性质有突破性的提高时, 必须注意是否削弱了其他性能, 总体是否在所用的条件下平衡。国内应用PE 改性剂的情况为掺PE 改善了沥青的高温性能(软化点得到提高)时, 而其低温延度锐减; 而国外掺PE 的沥青之所以能对沥青的高、低温性能均有较佳的改

性效果,全靠以精加工的由粗到细的一组胶体磨为主体的一台移动式设备, 它使以PE 为主要成分的改性剂均匀分散在沥青中,呈链状形成一定的网状结构,大大提高了沥青的高、低温性能。但即使是国外用一组胶体磨解决了PE 与沥青掺配的均匀性问题, 仍需掺第二组分炭黑改性剂, 以发挥复合改性剂的联合效应。因为单一组分改性剂难于赋予沥青抵抗高温变形和低温缩裂这两种互相矛盾的性质:PE 着重于改善沥青的性质,而PE与金属皂复配,对沥青和集料均有改性功能, 而沥青与集料表面的结合强度,取决于沥青渗入集料颗粒表面的孔隙和棱角所产生的机械嵌锁力,金属皂沥青在成堆时流动性较佳,易于渗入集料颗粒孔隙,形成化学吸附。究竟以哪一个温度作为评定沥青低温性能的标准温度, 应考虑以下因素确定: 不同性能的沥青在此温度下其延度应能拉开档次; 测试值不能太小, 否则试验误差已超过沥青自身性质的差异,同时应尽量避免出现大于100cm这样的不确定情况; 考虑到含蜡量对低温延度的影响, 基准温度应尽量低一些; 考虑试验操作方便, 测试方法简单,尤其要便于保温, 发现它们之间有良好的相关关系。所以, 规范中采用10℃延度作为低温性能指标比较合适。 结论

如上所述, 目前沥青的低温性能指标并没有较为统一的规定, 精确指标的确定还需要更进一步深入的研究。而低温延度指标由于多年的使用经验, 在一定程度上反映了沥青的低温性能, 但其物理意义不明确, 必须对其进一步的修正与完善。沥青的缩裂试验对研究沥青的低温开裂有意义,能较好的模拟路面开裂的实际情况, 因此有较大的潜力。对一些有明确物理意义的低温指标: 低温粘度、低温劲度的研究测试可以从根本上理解沥青的低温性能。对沥青低温领域流变学的研究是研究沥青低温性能的最根本的方法。

参考文献

[1] 卢铁瑞. 道路沥青混合料低温性能评价指标的研究[J].石油沥青,1998. [2] 赵亚兰. 沥青及沥青混合料低温流变性质研究[J] 山西建筑,2005. [3] 公路沥青路面施工技术规范[S].JTG F40- 2004

[4] 谭亿秋基于低温流变特性的沥青低温性能评价方法研究[J].中国公路学报,2002.

[5]沈金安. 沥青及沥青混合料[M]. 北京: 人民交通出版社,1994. 责任编辑: 温雪梅

1．交通部．公路沥青路面施工技术规范[S]．北京，人民交通出版社，2002 2．交通部．公路工程沥青及沥青混合料试验规程(052--2000)[S]．北京，人民交通出版社，2000

3．沈金安．沥青及沥青混合料路用性能[M]．北京：人民交通出版社，1993 4．郝培文等．不同沥青用量与级配组成对沥青混合料抗车辙性能的影响．西安公路交通大学学报，V01．18 No．3(B)．1998．07．199—202