（道路与铁道工程专业论文）温拌沥青混合料路用性能及温拌效果研究.pdf

s t a yo nr o a d p e r f o r m a n c ea n dw a r mm i xe f f e c to f w a r mm i x t u r e a s p h a l t ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：t i a ns h i l i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f l iw e i g u a n g p r o f z h e nn a n x i a n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 黼4 肌6m 30乃 脚1舢y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：、例亥少 d ，厂口年朔r 。日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： p 一，口年乡月f o 日 一矽，口年歹月，口日 摘要 随着人们对环境重视程度的日益提高，建设与保护成为大家共同关注的话题，近年 来，针对传统热拌沥青混合料存在能耗大、使用性能不利等问题，温拌沥青混合料 ( m ) 技术逐渐受到大家的重视。基于此，本论文对自主研发的w m a 进行了研究。 研究选取了一种新型复合材料作为改性剂，该材料不仅在高温时，通过良好的渗透 能力与较强的分散能力降低沥青粘度，低温时还会因为内部存在较为稳定的“网状”结 构，使沥青粘度得以适当的恢复与提高。 在此基础上，通过空隙率法、旋转压实综合法以及马氏法对比测试了w m a 的拌 和与压实温度，结果显示，与基质沥青混合料相比较，研究所提出的沥青混合料拌和与 压实温度分别降低了1 0 - 1 8 与1 0 1 6 ；此外，为了评价w m a 温度的变化效果， 采用自行研发的“沥青混合料温度实时跟踪装置”，对混合料温度衰变情况进行研究，测 试结果显示，与基质沥青混合料相比，w m a 的温度衰减速度较为缓慢。最后，对沥青 混合料路用性能进行了测试与分析，结果显示，该w m a 在兼顾了高温性能、低温抗裂 性能，同时也改善了水稳定性。 综上所述，该技术不仅通过降低拌和与压实温度充分体现混合料的温拌效果，还可 延缓施工时的温度损失，延长可施工时间，同时节省能源。 关键词：温拌沥青混合料，复合材料，温拌效果，温度衰减，路用性能 a b s t r a c t e m p h a s i so nt h ee n v i r o n m e n ta sp e o p l eb yt h ed a y ，t h ec o n s t r u c t i o na n dp r o t e c t i o nh a s b e c o m ea t o p i co fc o m m o nc o n c e r n i nr e c e n ty e a r s ，t h et r a d i t i o n a lh o tm i xa s p h a l tc o n s u m e s e n e r g ys e v e r e l ya n dp e r f o r m a n c ee x i s t sa d v e r s ei s s u e s ，s op e o p l eg r a d u a l l ya t t a c hi m p o r t a n c e t ow a r mm i x t u r em i x t u r e ( w m a ) b a s e do nt h i sc o n d i t i o n ，t h i sp a p e rs t u d i e si n d e p e n d e n t d e v e l o p m e n t sw m a w et a k ean e wt y p eo fc o m p o s i t em a t e r i a la sam o d i f i e r ，t h i sm a t e r i a ln o to n l yi nt h e 1 1 i g ht e m p e r a t u r er e d u c et h ed i s p e r s i o no fa s p h a l tv i s c o s i t yt h r o u g hg o o dp e n e t r a t i o n c a p a b i l i t ya n ds t r o n ga b i l i t y ，a n di nl o wt e m p e r a t u r e ，i te x i s t sr e l a t i v e l ys t a b l e ”n e t w o r k ” s t r u c t u r e ，t h e r e f o r ev i s c o s i t yc a nb ea p p r o p r i a t e l yi n c r e a s e da n dr e c o v e r e d o nt h i sb a s i s ，t h r o u g ht h ev o i d s ，t h ei n t e g r a t e ds g cm e t h o da n dt h em a r s h a l lm e t h o d ， w et e s tw m a sm i x i n ga n dc o m p a c t i o nt e m p e r a t u r e t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h em i x i n ga n d c o m p a c t i o no f w m ac o m p a r e d 、) l ，i t l lh m a sc a nr e d u c ea b o u t1 0 1 8 a n d1 0 1 5 6 c i n a d d i t i o n , t oe v a l u a t et h em o d i f i e dt e m p e r a t u r ee f f e c t s ，w eu s eai n d e p e n d e n tr & d s i n s t r u m e n tw h i c hi sn a m e d ”r e a l - t i m ea s p h a l tt e m p e r a t u r et r a c k i n gd e v i c e ”i ts t u d i e st h e d e c a yo ft h em i x t u r et e m p e r a t u r e 。t h er e s u l t ss h o w 彻t h et e m p e r a t u r eo fw m ac o m p a r e d w i t hh m a sc a nr e d u c es l o w l y f i n a l l y ，w eh a v et e s t e da n da n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo f a s p h a l tm i x t u r e s r e s u l ts h o w st h a tt h eh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wt e m p e r a t u r ec r a c k i n g r e s i s t a n c eo ft h ew m ac o u l db ei n c r e a s e d ，b u ta l s ot oi m p r o v et h ew a t e rs t a b i l i t y i ns u m m a r y ，t h et e c h n o l o g yn o to n l yf u l l yr e f l e c t st h ew a l t nm i xe f f e c tt h r o u g hr e d u c i n g t h em i x i n ga n dc o m p a c t i o nt e m p e r a t u r e s ，b u ta l s os i g n i f i c a n t l yd e l a y st h et e m p e r a t u r eo ft h e l o s si nc o n s t r u c t i o n , e x t e n d st h ec o n s t r u c t i o nt i m ea n ds a v e se n e r g y k e y w o r d s ：w a r mm i x t u r ea s p h a l t ，c o m p o s i t em a t e r i a l ，t h ew a r n lm i xe f f e c t ， t h ed e c a yo ft h et e m p e r a t u r e ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c e i i 目录 第一章绪论1 1 1 课题的提出及研究意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状6 1 2 3 现阶段温拌沥青混合料存在的问题7 1 3 研究内容8 第二章研究方案及试验方法9 2 1 研究思路与技术路线9 2 2 试验方案1 0 2 3 试验设备与测试方法1 1 2 3 1 试验设备儿 2 3 2 试验方法1 1 第三章组成材料技术性能研究1 9 3 1 基质沥青性能测试与分析1 9 3 1 1 沥青的选择1 9 3 1 2 基质沥青指标测试1 9 3 2 矿质集料指标测试2 0 3 2 1 集料的选择2 0 3 2 2 集料指标测试2 0 3 2 3 矿粉2 1 3 3 改性材料2 l 3 3 1 无机发泡材料2 2 3 3 2 乳化材料2 3 3 3 3 有机材料2 3 3 3 4 复合型材料2 4 3 4 改性沥青性能测试2 4 3 4 1 沥青三大指标2 4 3 4 2 温拌沥青粘附性2 5 3 4 3 温拌沥青相容性2 5 3 5 小结2 6 第四章温拌沥青混合料温拌效果研究2 8 4 1 配合比设计2 8 4 1 1 矿料级配设计2 8 i l l 4 1 2 最佳油石比2 9 4 2 温拌效果测试与分析3 1 4 2 1 试验方案3 1 4 2 2 数据分析3 3 4 3 小结3 8 第五章温拌沥青混合料内部降温特性研究3 9 5 1 试验方案与试验方法3 9 5 1 1 试验方案3 9 5 1 2 试验方法3 9 5 2 内部降温测试与分析4 0 5 2 1 沥青混合料整体分析4 0 5 2 2 代表性测试点分析4 1 5 3 加权温度分析4 5 5 3 1 原理介绍4 5 5 3 2 数据分析4 6 5 4 小结4 6 第六章路用性能研究4 8 6 1 高温稳定性4 8 6 1 1 马歇尔稳定度试验4 8 6 1 2 抗车辙性能4 9 6 2 低温抗裂性能；5 1 6 3 水稳性能5 4 6 3 1 浸水马歇尔试验5 4 6 3 2 冻融劈裂试验5 5 6 4 小结5 6 结论5 8 参考文献6 0 攻读学位期间的研究成果6 2 致谢6 3 i v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 近些年，我国采取对内扩大内需消费、对外扩展新兴市场的政策，不断加大国内基 础设施建设的投资力度，我国的公路建设取得了突飞猛进的发展，特别是在受到全球金 融风暴的影响后，我国政府再一次极大地加强了对基础设施的建设力度，从而公路、桥 梁事业又迎来了一个新的建设高潮。本论文依托于河南省交通厅交通科技项目“缓粘型 沥青混合料应用技术研究”开展研究。 基于全球度过的近1 0 0 年工业化时代，温室效应已经相当严重，全球气候变暖也已 成为不争的事实。2 0 世纪的最后1 0 0 年是过去1 0 0 0 年中最暖的1 0 0 年，其中，过去的 5 0 年又是过去1 0 0 0 年中最暖的5 0 年。1 9 9 2 年在巴西里约召开的世界环境发展大会， 1 9 9 7 年在日本通过的京都议定书，2 0 0 9 年1 2 月，在哥本哈根举行一场旨在给地球“降 温”的联合国气候变化大会，目的都是为了减排、抑制环境污染与全球气候变暖。 据中国国家发改委统计的数据，截至今年上半年，中国单位g d p 能耗在2 0 0 5 年基 础上累计降低了1 3 ，“十一五”规划( 2 0 0 6 年至2 0 1 0 年) 中的单位g d p 能耗降低2 0 的约束性指标有望实现，这相当于中国在5 年内至少减排1 5 亿吨二氧化碳。中国2 6 日正式对外宣布控制温室气体排放的行动目标，决定到2 0 2 0 年单位国内生产总值二氧 化碳排放比2 0 0 5 年下降4 0 - - 4 5 。u 1 在以往的高速公路建设中，虽然沥青路面以其特有的行车舒适性和良好的使用性 能，在高速公路中备受世界各国建设者的青睐，但多是以牺牲环境、能耗为代价采用热 拌沥青混合料的方式为主。热拌沥青混合料( h o tm i x t u r e a s p h a l t ，简称h m a ) ，在高温 拌合过程中不仅会产生大量的烟尘与温室气体，并且会影响到工作人员的身体健康，能 耗也相对较大。不仅如此，随着改性沥青的大量使用和对沥青路面压实度要求的提高， 沥青混合料的拌和与压实温度也在不断提高，虽然保证了生产过程中沥青混合料的工作 性问题，但同时也加速了沥青老化，增加了能耗以及烟尘等废弃物的排放。 基于温室效应日益凸显，积极响应世界环保的主题与政府的相关政策，在不影响沥 青混合料使用性能的前提下，研发一种既能减少c 0 2 的排放量，又能降低混合料温度、 减小污染的沥青混合料就显得尤为重要。温拌沥青混合料的应运而生正好满足了人们对 道路环保和节能的需求。温拌沥青混合料( w a r mm i x t u r ea s p h a l t ，简称w m a ) ，是一种 集保留热拌沥青混合料良好性能，同时兼有易施工、周期长，污染少，能耗低，抗老化 第一章绪论 等众多优点于一身的沥青混合料【2 1 。见图1 1 图1 1h m a 与w m a 气体排放现场对比 据德国研究表明，每生产1t 热拌沥青混凝土需消耗8l 燃料油。如果降低3 0 3 5 c 的拌和温度，可节约燃料油2 4 l t ，并可减少粉尘及3 0 以上的c 0 2 等气体的排放量【3 1 。 以下是一组h m a 与w m a 生产时能耗、气体排放量的数据对比，可以看出w m a 从单 位能耗与气体排放量上比h m a 减小了许多【4 1 。见表1 1 ，表2 1 表1 1 沥青拌和厂各类气体排放量 测试项目单位热拌温拌减少幅度( ) 二氧化碳( c 0 2 ) 2 6l6 1 5 氮氧化合物( n 0 2 ) m g m 3 1 4 64 07 3 5 一氧化碳( c o ) m g m 3 1 0 49 1 31 2 2 二氧化硫( s 0 2 ) m g m 3 1 33 3 7 4 6 烟尘 m p , m 3 4 9 7 2 5 94 7 9 注：热拌沥混合料出仓温度为1 5 0 c 左右；温拌沥青混合料出仓温度为1 2 0 c 左右。 表2 1 施工现场各类气体排放量 测试项目单位热拌温拌减少幅度( ) 沥青烟m e , m 3 2 1 11 79 1 9 苯可溶物 m g , m 3 1 9 50 5 8 l9 1 0 苯并【a 】芘 t a g m 3 0 0 9 4 40 0 1 8 78 0 2 综上所述，温拌沥青混合料替代热拌沥青混合料存有潜在的社会效益和巨大的经济 2 长安大学硕士学位论文 效益，研制与开发又具有极其深远的指导意义。结合以上原因，本文本对温拌沥青混合 料进行了初步地研究、开发与测试。 1 2 国内外研究现状 温拌沥青混合料的构想早在2 0 0 0 年的e u r o b i t u m e e u r o a s p h a l t 国际会议上就已经由 s h e l l 公司和k o l o v e i d e k k e 公司联合提出过，其实在此之前也曾对w m a 进行了一定的 试验、测试与验证p j ，其性能与效果可以同h m a 相媲美，只是成本有所增加。w m a 首先在日本和欧洲等国开始大量使用。随着环保意识的增强与技术水平的日臻成熟，沥 青混合料的温拌技术得到了快速发展，近年来的使用量基本上呈倍数增长，仅2 0 0 1 年 一年w m a 的使用量就达到了8 0 0 0 t ，2 0 0 2 年增长到1 5 0 0 0 t ，2 0 0 3 年甚至超过了3 0 0 0 0 t 6 。 基于温室效应与环境污染，w m a 的良好表现再一次引起了各国对w m a 的注意。道路 高温施工引发污染的时代也会随着迎来的新一轮w m a 研究、应用大潮即将过去。因此， 我国为了迎合环保理念，构建节能型、绿色型、环保型社会，从而引进了温拌沥青混合 料。当然，国内对w m a 的研究应用，尤其是在高等级公路中的应用还需要做大量的研 究及推广工作。 1 2 1 国外研究现状 与热拌沥青混合料相比，温拌沥青混合料就是将沥青通过一定的技术处理降低沥青 粘度，使其在较低温度下具有足够的流动性和可拌和性，进而实现在较低温度下混合料 的拌和与摊铺，于此同时保存其性能不亚于热拌混合料的使用性能。现行的温拌沥青混 合料制备技术主要由以下几种方法实现。 1 2 1 1 沸石沥青混合料 沸石沥青混合料：主要采用德国e u r o v i as e r v i c e s 公司研制而成的a s p h a - m i n 沸石 加入搅拌锅中与石料、沥青一同拌和而成。a s p h a m i n 沸石是一种人工合成的极细白色 粉末，主要成分为硅铝酸钠u j ，在结晶过程中按一定的规律排列成网状晶体骨架，此种 结构具有许多内部空隙。这些空隙容纳较大的阳离子，甚至是相对较大的分子和阳离子 群。沸石内部含有约2 1 的结晶水，当加热至8 5 以上时，在不影响沸石内部结构的 前提下，空隙中的结晶水开始释放，从而降低沥青粘度。 在沥青混合料拌和过程中，将沥青与0 3 的a s p h a - m i n 沸石一同加入。受热后的 沸石将释放结晶水，沥青发泡势必导致胶结料体积膨胀、粘度降低，这会提高混合料施 工和易性，而且保证了沥青可在较低的温度下充分覆盖集料。加入沸石后，混合料的拌 第一章绪论 和温度为1 3 0 - - 1 4 5 c ，与h m a 相比，拌和与压实温度可降低约3 0 ，减少约3 0 的 能耗，同时，该技术操作简单，无需大型设备。 沸石的使用范围较广，常规使用的沥青和聚合物改性沥青，包括再生沥青都可以添 h a s p h a m i n 。使用沸石后，混合料的摊铺温度下降了1 5 左右，但其使用性能与热拌 沥青混合料相比没有产生明显负面效果。 1 2 1 2w a m f o a m 沥青混合料 w a m f o a m 技术是由英国壳牌石油有限公司和挪威k o l o v e i d e k k e 合资共同开发 的。在拌和阶段使用两种单独的胶结料，软胶结料和以泡沫形式加入的硬胶结料，即两 种硬度不同的沥青材料。软胶结料的针人度较大，使其能在1 0 0 。c 时，具有一定的流动 性，从而便于与矿料拌和均匀，能够裹覆住矿料。软胶结料控制最小放置温度，混合料 可以在8 0 下放置，相对于h m a ，降低了5 0 6 0 ；硬胶结料是以泡沫沥青的形式 加入的，根据路面的需求，硬沥青在2 5 时的针人度应在1 0 - 1 0 0 ( o 1m m ) 之间。根 据要配制的调和沥青针人度来确定软胶结料和硬胶结料的混合比率。如果需要的话，结 合料中还可以加入抗剥落剂，以减少水损坏。 w a m f o a m 是一种分两阶段生产w m a 的技术。第一阶段，将l o o 左右的软沥青 与1 0 0 1 2 0 的矿料充分拌和，使软沥青完全裹覆在矿料表面；第二阶段，将冷水注入 到加热了的硬沥青中，形成大量的水蒸汽使硬沥青发泡；将硬沥青以泡沫形式迅速与裹 覆了软沥青的矿料在1 0 0 - 1 2 0 左右进行拌和。特别值得注意的是，第一阶段中集料的 最初裹覆对于阻止水接触胶结料和集料交界面从而进入集料是至关重要的，水必须从沥 青混合料中排出，以确保混合料性能。必要时，可掺加抗剥落剂提高混合料的抗水损害 能力。【8 】 由于硬沥青发泡后体积膨胀，粘度明显降低，结合软质沥青自身就能降低结合料粘 度，从而整体提高了混合料的和易性。基于混合料拌和摊铺温度较低，分别在1 0 0 - - 1 2 0 、8 0 - 9 0 之间，因而切之有效地节省了3 0 左右的能耗，同时减少了3 0 的c 0 2 排放量。但是该技术需要昂贵的泡沫化设备，故在欧洲应用较多。 1 2 1 3 乳化沥青混合料 基于较低粘度的关系，使乳化沥青在低温下与石料均匀拌和成为可能。但多数的乳 化沥青中含有大量的水。若拌和过程不能将水分完全排出，滞留在混合料内部的水势必 会影响混合料的性能。如能将乳化沥青的固化物提高到7 0 以上，同时掺加可以提高沥 青与集料粘附性的添加剂，则有可能在一定程度上解决以上问题。近几年，美国 4 长安大学硕士学位论文 m e a d w e s t v a c o ( 美德维实伟克) 公司发明了乳化沥青温拌沥青混合料技术 _ e v o t h e m 一技术，简称e w m a 。e w m a 的研发分为两个阶段：第一阶段是将一种 特殊的高浓度( 固含量约7 0 ) 乳化沥青替代普通热沥青进行混合料拌和，其拌和温度 为10 0 - - - - 1 3 0 ，施工所需设备和施工工艺与热板沥青混合料基本相同。第二阶段将皂液 浓缩液直接加入拌和锅进行沥青混合料拌和，其拌和温度也为10 0 - - 13 0 ，施工所需设 备和施q - i 艺同样与热拌沥青混合料基本相同。【州 与h m a 相比，e w m a 具有以下优点： ( 1 ) 在不牺牲沥青混合料路用性能的前提下，拌和温度与碾压温度分别降至 1 0 0 , - 一1 2 0 和7 0 11 0 ， ( 2 )混合料的设计、施工工艺与h m a 基本相同，且无需添加新设备， ( 3 ) 能够满足不同石料、级配和沥青的要求， ( 4 )减少能耗与气体排放量，减少沥青老化，延长施工季节。 根据e w m a 性能，可用于沥青路面的各结构层，不仅适用于沥青路面维修养护中的 薄层( 超薄层) 罩面，还适用于具有更高环保要求的城市道路的建设和维修养护、隧道 路面的铺筑和再生比例较高的混合料。 1 2 1 4s a s o b i t 沥青混合料 s a s o b i t ：白色球状颗粒，属于聚烯烃类物质，拥有长链，是一种窄分布的合成饱和 碳氢化合物的混合物，其主链分子中含有4 0 - - 1 1 5 个炭原子。它的熔点约为1 0 3 ，当加 热到1 1 5 以上时，即可完全溶解于沥青中，从而降低沥青粘度，便于施工；处于6 0 低温时由于内部拥有晶体网状结构，故可增大沥青粘度，提高混合料的抗辙性能；操作 过程非常简单，且不易发生离析现象。为了不影响混合料的低温性能，掺量一般选用2 4 ；当掺入3 的s a s o b i t ) 舌，混合料的拌和温度可降低1 5 2 0 。【1 o 】 制备沥青混合料时，既可将s a s o b i t j j t l 入热沥青中进行简单搅拌形成改性沥青，再与 热集料拌和；也可直接投入到拌和锅中与热集料一起拌和。这两种方法制备的沥青混合 料性能差异不大。 经研究表明，s a s o b i t 还可与其它聚合物共同作用，形成改性效果的新型改性剂，例 如，与s b s 反应，生成一种塑性高分子物质s a s o b i t 和弹性高分子物质的复合物。 1 2 1 5a s p h a l t a n b 沥青混合料 a s p h a l t a n b 是褐煤中甲苯提取物的副产品，主要成分为褐煤蜡，其熔点约为1 0 0 ， 性能与s a s o b i t 相类似。高温拌和时粘度降低，提高混合料的施工和易性，低温拌和时粘 第一章绪论 度变大，混合料抗辙能力得到增强。【1 1 】 1 2 1 6h a l f - - w a r mm i x t u r ea u s p h a i t 1 2 】 采用此项技术，拌和温度需控制在1 0 0 以下，将沥青结合料以泡沫的形式加入混合 料。试验结果表明，采用针入度为8 0 ( 0 1 m m ，2 5 。c ) 的沥青进行发泡后在1 0 1 与石料 拌和，发现沥青可较好的包裹石料，同时在8 9 条件下成型马歇尔试件，其空隙率可达 到4 o 的要求。这种半温沥青混合料的疲劳寿命与热拌沥青混合料基本相当，但其抗 剪强度相对较小。 1 2 1 7l o we n e r g ya s p h a l t 技术【1 3 】 l o we n e r g ya s p h a l t ( 简称l e a ) 采用法国l e a c o 、f a i r c o 和e i f f a g e t p 的技术， 并以此技术申请专利。l e a 是将潮湿的细集料和填料加入到事先与沥青拌和好的粗集料 中，在1 2 0 1 6 0 的温度下一同搅拌；水汽从集料里逸出与沥青接触激发出泡沫，泡沫 沥青经拌和完全裹覆集料表面，最终形成了w m a 。l e a 的混合料摊铺、碾压温度小于 9 0 ，能够在雨天摊铺，并且在低至6 0 的情况下仍能进行碾压。l e a 的施工工艺与 h m a 基本相同，且操作简单，便于施工，不仅提高了工作的安全性与舒适性，同时还 减少约5 0 的温室气体排放量，与超过5 0 的热能损耗，因而获得了2 0 0 6 年法国 i n t e r m a t 创新奖。 1 2 2 国内研究现状 国内温拌沥青混合料的技术研究起步于2 0 0 5 年4 月。由交通部公路科学研究所牵 头与几所研究机构合作共同开发。因为产品研发才刚刚起步，故起先以试验路为主。现 根据对国际温拌技术的研究与分析，我国决定将研究重点放在基于乳化平台的温拌法和 有机添加剂温拌法两种上。 交通部对节能减排的温拌技术也十分重视，及时将温拌技术研究纳入西部交通科技 项目计划，并将研究分为两个阶段： 1 4 】 ( 1 ) 2 0 0 5 年4 月 - 2 0 0 7 年6 月：乳化沥青阶段 2 0 0 5 年9 月，在北京成功铺设了中国第一条、全球第六条e w m a 试验路。 2 0 0 6 年9 月，在北京铺设了全球第一条改性s m a 温拌试验路， 针对北京、上海等地的集料和常用级配及沥青等情况，配置了专用的乳化沥青和改 性乳化沥青，进行了温拌沥青混合料的配合比设计和性能实验研究。针对不同温拌混合 料的种类确定了适当的成型温度和油石比，研究确定了温拌沥青混合料的设计方法。 ( 2 ) 2 0 0 7 年7 月至今：皂液浓缩液阶段 6 长安大学硕士学位论文 起初，探索将皂液浓缩液直接加入沥青拌和锅中进行混合料拌制，取得了成功。经 混合料性能检验，性能与采用乳化沥青时一致。目前，已有七个省市铺设了1 9 段试验 路，其中1 1 段采用乳化沥青法，7 段采用浓缩液法。 此外，国内现已在重庆、河南等地成功铺设了s a s o b i t 沥青混合料试验路。 1 2 3 现阶段温拌沥青混合料存在的问题 1 、人工沸石： ( 1 ) 由于沸石较大的比表面积，在沸石改性时，易出现离析的情况，且沸石目数 越小，离析现象越明显； ( 2 ) 在添加含水沸石后，虽然降低混合料的拌和及成型温度，但是混合料的空隙率 基本没有变化，表明对现场压实性能基本没有影响； ( 3 ) 添加含水沸石后，虽然降低混合料的拌和及成型温度，但混合料的高温稳定性、 低温抗裂性能基本保持不变。 2 、w a r m f o a m 混合料 由于混合料使用中需要硬沥青和软沥青，不仅会造成混合料生产上的不便，更重要 的是，在有些地区硬沥青和软沥青的供应会有困难，这就制约了该技术的推广。现有的 解决方案只是对单一沥青进行泡沫化处理而不分为硬沥青和软沥青，但这还是会影响混 合料使用品质。 3 、乳化沥青混合料： 基于乳化沥青是由改性材料与水分组合而成，在混合料拌和时，由于受热的原因， 水分蒸发，剩余材料中没有或只含有少量杂质，而只有这些剩余材料才能真正起到改性 沥青与混合料性能的作用。但真正影响乳化沥青混合料品质的是拌和时难于完全分离掉 的水分，这些水分会残留在混合料之中，对混合料后期使用性能造成极大的隐患。 4 、s a s o b i t 混合料： 虽然s a s o b i t 可以一定程度的降低混合料拌和温度，低温时粘度增加，但是由于 s a s o b i t 自身属于一种硬蜡，故在温度更低时，显现出蜡分的脆性，表现在改性沥青的延 度非常小，且混合料的低温抗裂性能也受到了影响。 综上所述，现有改性沥青混合料均存在不同程度的问题，故本文从改性材料着手， 致力于研究一种新型材料，通过制备改性沥青混合料，测试并研究沥青混合料的改性效 果与使用性能。 7 第一章绪论 1 3 研究内容 本论文可从以下几方面进行研究： 确定温拌沥青混合料的温 更深层地了解沥青混合料 拌沥青混合料的特点。 长安大学硕士学位论文 第二章研究方案及试验方法 通过大量的资料查阅与分析可以看出，现有的温拌技术在不同程度上都存在一定问 题，而温拌技术多受到改性材料的制约，基于此不仅要从温拌技术的层面考虑，还需慎 重选择使用的改性材料，进而对混合料的效果及使用性能进行综合考评。 2 1 研究思路与技术路线 本文由分析改性材料入手，研究其工作原理，比选出实现温拌技术的改性材料；分 析温拌沥青的改性机理，而后测试其性能指标，由此确定改性沥青的技术可行性，进而 确定改性材料参量；再由压实特性着手，通过空隙率法，旋转压实综合法与马氏法测试 混合料的拌和与压实温度，评价改性沥青混合料的温拌效果；与此同时，采用自行研发 设备“沥青混合料温度实时追踪装置”从整体角度与代表性测试点入手，对混合料的温 度衰变情况进行研究，并建立模型分析，分析判断温拌沥青混合料的降温规律。另外， 对混合料的路用性能进行了评价，不仅测试了表征混合料高温稳定性的稳定度与动稳定 度，还对表征混合料低温抗裂性能与抗水损性能的指标进行了测试与分析，验证了温拌 沥青混合料的实用性，最后从整体上对温拌沥青混合料进行了评价。 第二章研究方案及试验方法 2 2 试验方案 本文研究的内容主要有四部分：改性剂比选、混合料温拌效果研究、温拌沥青混合料温 度降温特性研究，与温拌沥青混合料路用性能测试与分析。以下是上述四部分的试验方案。 1 、改性沥青的制备 改性材料 0 备改性沥青 改性沥青性能测试 长安大学硕士学位论文 2 3 试验设备与测试方法 2 3 1 试验设备 2 3 1 1 沥青试验设备 表2 1 沥青试验设备 设备名称型号产地 f m 3 0 0 沥青剪切机上海弗鲁克流体机械制造有限公司 d i g i t a l 数显沥青针入度仪 s y d - 4 5 0 9 上海森地科学仪器设备有限公司 软化点测试仪s l r 江苏沭阳县路事达公路仪器有限公司 低温延度仪 s d y d 2 0 0 0 s 苏州苏达工程仪器有限公司 闪点仪 w s y 0 l a 无锡市石油仪器设备有限公司 沥青旋转薄膜烘箱 m i l a n ob 1 6 1 l t a l y 布氏粘度仪 d v i i + p r 0 美国b r o o k f i l e d 公司 真空毛细管动力粘度测试仪 z l n b 沈阳施博达仪器仪表有限公司 2 3 1 2 沥青混合料试验设备 表2 2 沥青混合料试验设备 设备名称型号产地 电热恒温鼓风干燥箱 1 0 1 3 上海路达试验仪器有限公司 沥青混合料搅拌机s d j 2 0苏州苏达工程仪器有限公司 沥青混合料最大理论相对密度仪 l z m d 江苏沭阳路事达公路仪器有限公司 四数显马歇尔稳定度实验仪d m 、江苏沭阳路事达公路仪器有限公司 马歇尔稳定度仪 a m s i i 西安公路仪器设备开发中心 自动马歇尔击实仪 m d j 1 西安公路研究所 车辙试样成型机h y c x 1北京航天航宇测控技术研究所 车辙仪h y c z 5 北京航天航宇测控技术研究所 旋转压实仪 a f g l cp i n ei n d u s t r yc o m p a n y s a n s 电子万能试验机g d x 深圳新三思剂量技术有限公司 室内混合料温度 实时跟踪测试装置 ( 申请专利) 2 3 2 试验方法 第二章研究方案及试验方法 ( 1 ) 沥青的感温性：按照沥青及沥青混合料试验规程t 0 6 0 4 2 0 0 0 进行不同温度下 沥青的针入度试验，其中以2 5 。c 针入度为主作为道路沥青指标。再通过不同温度下沥青 针入度的测试结果计算针入度指数p i ，用以评价沥青的温度敏感程度。 ( 2 ) 沥青的高低温性能： 根据规程，选用软化点与低温延度作为沥青高低温性能的评价指标。 软化点：按照沥青及沥青混合料试验规程t 0 6 0 6 2 0 0 0 进行沥青的软化点试验。 沥青延度：按照沥青及沥青混合料试验规程t 0 6 0 5 1 9 9 3 进行沥青的延度试验。 ( 3 ) 沥青与石料的粘附性：按照沥青及沥青混合料试验规程t 0 6 1 6 1 9 9 3 进行沥青与粗 集料的粘附性试验。 ( 4 ) 沥青的相容性：通常选用t 0 6 6 1 2 0 0 0 “聚合物改性沥青离析试验”评判改性材料在 沥青中的相容性。 ( 5 ) 沥青粘度测试 美国s h r p 计划中采用了在美国较为普及的b r o o k f i e l d 旋转粘度计进行沥青粘度的 测试，该设备具有操作简单、精度高等优点。而影响粘度计测试结果的主要因素有：旋 转转子的大小( 即转子型号) 、旋转速度( 转速或剪切速率) 、试验温度和试样的容积等。 对于b r o o k f i e l d 粘度计而言，采用统一的试样管进行盛样，如果试样的容积基本一致， 则可不考虑试样容积的影响。因此，只需考虑旋转转子、转速和试验温度的影响。目前 测试沥青粘度的试验方法都是参照s h r p 方法。 借助于b r o o k f i e l d 沥青旋转粘度计测定不同温度下沥青的粘度，并按照沥青结合料 规范中所提出1 3 5 对应的粘度不得超过3 p a s 的要求，控制沥青数据的可靠性。沥青 结合料粘度与结合料类型、剪变率和仪器参数有关，其计算方法中考虑3 个仪器参数， 计算式为： 1 5 】 町：业旦七1 七2 m 1 订= 一庀l j c 2 刀 s = 刀k3式( 2 1 ) f ：七1 七2 七3 上 10 式中： 巾一粘度( c p ) ； n 一转速( r m i n ) ； k l 一扭矩常数，其常数与粘度计类型有关； k 产转子体积常数；l 【3 _ 转子剪变率常数；s 一剪变率( 1 s ) ； 1 2 长安大学硕士学位论文 f l 剪应力( n m 2 ) ； 瑚矩百分数( ) ； 因此试验中只要有了转子的型号、剪切速率等试验参数即可得到沥青的粘度值的大 小。本试验在确定$ 2 7 号转子的情况下测试沥青粘度，要求试验中显示的扭距百分数介 ， 叼：业旦k 。k2 丁 于1 0 - 9 8 之间，否则应变换转子或转速按照。 刀 进行换 算。 鼍固夕 。一o 啦扩 。、j 麓瓣络蠢曩 c 曩越翁慧 ， 霹t 謦嚣警 - 膏麟 图2 4b r o o k f d e d 旋转粘厦计 ( 6 ) 马歇尔成型试验 马歇尔试验是目前混合料中最重要的一个试验，试验操作按照( j t j0 5 2 2 0 0 0 ) 中的 t 0 7 0 9 - - 2 0 0 0 进行。 ( 7 ) 旋转压实试验 仪器组成 旋转压实仪由集成计算机控制系统、带显示器的控制面、封闭的压实室、内置式脱 模器等组成；压实室由可调连接臂、模具转轮、加压头、固定连接臂、模具底座等组成， 如下图2 5 所示。 成型试件【1 6 】 将拌合好的混合料放入烘箱保温2 小时，然后倒入成型试件的模具。试件在一个控 制室中缓慢的压实，试件运动的轴线如同一圆锥，它的顶点与试件底部重合。旋转底座将 试模定位于1 2 5 0 的旋转压实角，以3 0r r n i n 的恒定速率旋转。压力加载头对试件实施6 0 0 k p a 的竖直压力，如图2 6 所示。这样在材料倒入试模中后同时受到竖向压力与水平剪 力的作用，使集料颗粒定向形成骨架，这种过程模拟了荷载对道路搓揉压实作用，用这种仪 器成型试件的体积特性、物理特性和现场钻芯取样的结果相关性很好。旋转角对压实有 第二章研究方案及试验方法 长安大学硕士学位论文 d s ：( t 2 - t 1 ) * n 宰c l * c 2( 式2 2 ) d 2 一d 1 式中：d s 一沥青混合料的动稳定度，次m m ； d l 一对应于时间t 1 的变形量，i i l i n ； d 2 一对应于时间t 2 的变形量，i r l i l l ； c 1 一试验机类型修正系数，曲柄连杆驱动试件的变速行走方式为1 0 ，链驱动试 验轮的等速方式为1 5 ； c 2 一试件系数，实验室制备的宽3 0 0 m m 的试件为1 o ，从路面切割的宽1 5 0 m m 的试件为0 8 ； n 一试验轮往返碾压速度，通常为4 2 次r a i n 。 ( a )( b ) 图2 7 车辙仪 ( 9 ) 低温弯曲试验 本文采用低温弯曲试验测试混合料低温状态下的指标。低温弯曲试验，不仅可以评 估沥青混合料低温时的抗弯拉强度、破坏应变，还能评价破坏时的弯曲劲度模量。抗弯 拉强度表征混合料抵抗弯拉应力作用的能力，抗弯拉强度越高，材料抵抗破坏的能力越 强，低温时抵抗收缩应力的能力就越强，路面低温抗裂性就越好。低温时混合料的破坏 弯拉应变与破坏时弯曲劲度模量也是表征混合料低温抗裂性的指标【18 1 。考虑到沥青路 面的温缩裂缝多发生在一1 0 - - + 1 0 范围内，按公路工程沥青与沥青混合料试验规程 ( j t j 0 5 2 - - 2 0 0 0 ) d pt 0 7 1 5 1 9 9 3 的方法，借助s a n s 电子万能试