（材料学专业论文）sma沥青混合料耐久性研究.pdf

摘要 随着我国公路建设的发展，交通量及交通荷载的增加，沥青路面的耐久性受到考验。 理论上讲，s m a 路面具有优良的耐久性，但近年来在推广应用中也出现许多问题。本 文通过s m a 混合料的耐久性影响因素进行分析研究，为更好地进行s m a 配合比优化 设计提供理论指导。 本研究通过不同粉胶比及填料类型的沥青玛蹄脂老化前后针入度、软化点和延度试 验对比，分析了粉胶比及填料类型对s m a 混合料耐老化性能的影响；利用浸水马歇尔 试验和冻融劈裂试验、疲劳试验，深入研究了各种因素对混合料水稳定性及疲劳性能的 影响程度，如4 7 5 m m 筛孔通过率、矿粉用量、沥青类型及用量以及空隙率。试验结果 分析表明，各种因素对s m a 混合料的水稳定性和疲劳性能均有不同程度的影响。最后， 对试验路进行了分析研究。 关键词：s m a ，耐久性能，沥青玛蹄脂耐老化性，水稳定性，疲劳性能 a b s t r a c t w i mk 曲w a yc o n s t r u c t i o nd e v e l o p m e n t ，m ei n c r e a s i n g 仃a 筋ca 1 1 d 舰伍cl o a d ，a s p h a l t p a v e m e md l l r a b i l i 够i sc o n s i d e r e d s t o n em 撕xa s p h a l tp a v e m e n ti sf i a m o u sf o ri t se x c e l l e n t d l l r a b i l i 吼b u tr e c e n t l yt h e r e 印p e a r s1 0 t so fp r o b l e m si np o p u l a r i z a t i o na n d 印p l i c a t i o n t 1 1 e p 印e rs t u d i e so ns e v e r a lf a c t o r s i n n u e n c eo nt h ed u r a b i l i t ) ro f t h em i x t u r e t h u st h ed e s i g nf o r s t o n em a t r i xa s p h a l tc a l lb eo p t i m i z e dr e a l s o m l b l y p e n e t r a t i o n 、s o r e l l i n gp o i n ta n dd u c t i l i 够c o m p a r i s o no fp r ea n dp o s ta g i n ga s p h a l t m 2 l s t i cw m c hh a sd i a e r e n tr a t i oo ff i l l e rt 0b i t u m e na n dm i n e m lf i l l e r 够p e sa r et e s t e dt h e r e a r ea j l a l y z e di nt h ep 印e r ，r a t i oo f 舢e rt 0b i t u m e na n dm i r l e r a l 卸e rt y p eh a se 仃e c to na g i n g r e s i s t a l l c eo ft h em i x t u r e ；s o a 虹n gm a r s h a l lt e s t 、f r e e z e t h a ws p l i t t i n gt e s ta i l df a t i g u et e s t a r eu t i l i z e dt os t u d yo ns e v e r a lf l a c t o r s i n n u e n c eo nt h em o i s t u 】汜s u s c e p t i b i l i t ) ，a i l df a t i g u e p r o p e r t yo fm em i x t u r e ，s u c ha s4 7 5 m mp a l s s i n gr a t e ，t h em i n e r a lf i l l e rc o n t e n t ，t h et y p eo f a s p l a l l ta 1 1 dc o n t e n t ，a i rv o i d ，a n ds oo n t b s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e 舀e eo fi 1 1 f l u e n c eo f s e v e m lf a c t o r sa r ed i 虢r e n t f i n a l l y ，t e s tr o a di s 咖d i e d 1 ( e yw o r d s ：s t o n em a t r i xa s p h a l t ，d u r a b i l i 班a g i n gr e s i s t a i l c eo f2 l s p h a l tm a s t i c ，m o i s t u r e s u s c e p t i b i l i t ) r ，f i a t i g u ep r o p e r t y n 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，均己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己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 吖年6 月笞日 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： 也眵泵弋匆阵臼多日 导师签名： 侈午 l 吖 弓 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 在高速公路的路面结构中，沥青路面以其连续性好、行车平稳舒适、抗震性好、噪 音小及维修方便等优点而得到广泛应用。虽然我国沥青路面修筑水平取得了长足的提 高，但是不少高速公路的沥青路面使用不久就出现了各种早期病害。例如：炎热夏季在 重载作用下形成车辙、推挤、拥包、波浪等永久性变形；在雨季及春融季节形成坑槽、 松散、剥落、麻面等水损坏：路表抗滑性能的迅速下降以及局部龟裂等路面病害都在一 些高速公路中陆续出现。对此，路面使用寿命受到普遍关注。 随着公路建设的发展，交通量及交通荷载的增加，沥青路面在车辆荷载作用下的疲 劳破坏也成为沥青路面的主要破坏形式之一。沥青混合料的疲劳寿命直接影响沥青路面 的使用寿命及使用性能，是决定沥青路面工程寿命周期成本的关键因素。 沥青路面应具有抵抗温度，阳光、空气和水等各种因素综合作用的能力，即在这些 因素作用下路面使用性能不致于很快恶化。当沥青路面抵抗温度、阳光、空气作用的能 力较差时，沥青路面易失去粘性、变脆，在行车荷载和其它因素的作用下混合料内聚力 消失，乃至于沥青与矿料脱离，使路面松散破坏。因此，沥青路面抵抗各种人为或天然 因素作用的能力( 即抗老化能力) ，也是影响沥青路面使用寿命的重要方面。 沥青路面的使用寿命取决于沥青混合料的耐久性，沥青混合料的耐久性包括沥青在 各种因素交互时作用的抗老化性质、混合料的抗水损害能力和汽车荷载及温度变化反复 作用下的耐疲劳性能。 沥青玛蹄脂碎石( s t o n em a t r i x a s p h 2 l l t ，简称s m a ) 路面是一种引人注目的新型沥 青路面结构，其优良的抗车辙性能和耐久性能闻名于世。s m a 是一种由沥青、纤维稳 定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青码蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙的沥青混 合料。欧洲的英、法、意文及其他一些文种均称为s t o n em a s t i ca s p h a l t ，1 9 9 0 年进入美 国后，逐渐改称为s t o n em a t r i x a s p h a l t ，两个英文名称均缩写为s m a ，而后者更强调了 混合料的骨架网构作用。 第一条s m a 路面始建于2 0 世纪6 0 年代中期的前联邦德国，已经有4 0 多年的历史， 至今仍然使用良好【l 】。近年来s m a 路面已经在我国个别省得到推广应用，并且铺筑了 一批试验工程与大面积应用工程。 第一章绪论 之所以要使用s m a ，是期望沥青混合料有更好的耐久性，路面有更长的使用年限。 s m a 混合料粗集料所形成骨架的大空隙由沥青、矿粉和纤维组成的玛蹄脂所填充，成 为空隙率小的密实结构，集料颗粒表面较厚的沥青膜，也使混合料具有很好的耐疲劳性 能。欧洲国家观察表明，s m a 路面的使用寿命比传统沥青路面长2 0 4 0 。德国等国 家早期所铺筑的s m a 路面使用用期已达3 0 4 0 年而不需要大修。尽管铺筑s m 路面 的初期投资要高2 0 2 5 ，但由于其使用寿命长，而使路面的周期投资明显降低，同 时，由于道路使用期间的维修和养护工作量较少，反而大大提高了投资效益。 理论上s m a 路面具有良好的耐久性，但是我国对s m a 研究较晚，缺乏使用经验， 一些工程没有从本地实际情况出发，进行适合于本地区的配合比设计，而是照抄照搬国 外的规范和经验，结果导致路面在使用初期就出现了损坏。对s m a 路面耐久性的影响 因素进行分析，对于优化s m a 混合料配合比设计，防止路面早期损害的发生有着十分 重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 s m a 技术是2 0 世纪6 0 年代晚期起源于德国，2 0 世纪7 0 年代欧洲很多国家开始使用 s m a 技术，以承受重交通荷载及较高的轮胎压力，取得了较好使用的效果，并很快普及 整个欧洲。1 9 9 0 年，s m a 技术引入美国，美国各州在进行试验路研究的基础上，逐渐推 广使用，s m a 路面占全部沥青路面的比例逐年递增，s m a 路面的使用性能总体上较为 满意。 沥青路面的早期水损害是一个世界性的问题。从上个世纪六七十年代开始，国外就 开始注意到沥青路面的水损害问题，6 0 年代美国沥青协会( t h ea s p h a l ti n s t i t u t e ) 出版 的沥青路面结构排水明确指出，导致路面早期破坏的首要外部因素是水。此后，美 国全美公路合作研究计划( n c h r p ) 、美国公路规划和研究计划( h p r ) 、美国战略公 路研究计划( s h r p ) 和联邦公路局、加拿大运输协会( t r a n s p o r t a t i o na s s o c i a t i o no f c a n a d a ) 、美国s h i 冲路面长期使用性能研究专家组( l t p pe x p e n 研o u p ) 都对沥青路 面水损害问题进行过专题研究，取得了大量应用性成果。 国外研究者对水损害的研究工作，主要包括水稳定性的影响因素、水损害的成因、 评价水稳定性的试验方法以及如何对水损害进行控制和防治等方面【2 1 。但由于沥青路面 使用中所发生的水损害涉及因素很多，至今许多问题都没有得到令人满意的答案，因此 2 长安大学硕士学位论文 还在进行不断的研究。 水稳性研究的重点主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 对抗剥落剂与集料性质的研究； ( 2 ) 对粘附一剥落理论的研究； ( 3 ) 对评价沥青混合料水稳定性试验方法的研究。 对具体的s m a 混合料，水稳定性的影响因素还需做进一步的研究。 s m a 疲劳性能的试验研究较少，而关于沥青玛蹄脂部分的疲劳性能的研究较多。 1 2 2 国内研究现状 与普通沥青混合料类似，s m a 混合料的耐久性主要包括沥青的耐老化性、沥青混 合料抗水损害能力和抗疲劳性能，对s m a 耐久性问题国内研究较少，但针对普通沥青 混合料耐久性问题，国内做了多方面的深入研究。 华南理工大学交通学院的王端宜教授等人对沥青路面水损害早期破坏机理进行了 分析并提出了相应的防治措施。通过分析沥青混合料空隙率对水稳定性的影响及空隙率 和渗透之间的关系，提出了用吸水率指标来评价沥青混合料的设计空隙率和水稳定性， 并利用数字图像技术和轮迹试验预测沥青路面的水损害及其程度。 沙庆林院士、沈金安教授、孙立军教授等人就空隙率对沥青路面水稳定性的影响进 行了详细的阐述，一致认为当沥青混合料的空隙率大于8 时，混合料的透水性显著增 大，水稳定性降低。孙立军、王旭东等人经过大量室内试验证明，空隙率对沥青混合料 的多种力学性能有显著影响。 同济大学吕伟民、郑晓光就矿料沾染泥土后对沥青粘附性的影响进行了专门研究， 认为矿料的清洁程度也是影响沥青混合料粘附性的一个重要因素，并提出了改善沥青和 矿料粘附性的措施，可以掺加液体抗剥落剂、消石灰或水泥。 长安大学教授提出不同的抗剥落剂均可以提高矿料和沥青之间的粘附性，但不同的 抗剥落剂对混合料的水稳定性有不同的影响【3 】。黄晓明等人对国内外水稳定性试验方法 进行对比分析，并采用浸水车辙试验，对常用的几种结构类型混合料进行试验，得出了 水稳定性降低与试验时间呈线性关系。孙立军教授在国内冻融劈裂试验的基础上，增添 了更苛刻的试验环境，提出了多次冻融循环的水稳定性全程评价方法【4 1 。同济大学的黄 彭通过路面结构受水浸泡的时间长短和路面结构的排水性能，以及受水浸泡后路面材料 抗压回弹模量下降的变化规律和层间接触条件变化分析，提出了沥青路面结构设计的新 3 第一章绪论 思路和新方法【5 1 。 东南大学葛折圣、黄晓明等人采用正交试验对沥青混合料疲劳性能的影响因素进行 了深入分析【6 】。研究荷载间歇时间、加载频率、试验温度、空隙率、沥青针入度、沥青 用量6 因素对沥青混合料疲劳性能的影响程度。首先，运用正交设计的方法将影响因素 适当组合，在m t s 8 l o 材料试验系统上进行不同条件下的应力控制的疲劳试验，并分析 各影响因素对沥青混合料疲劳寿命的影响程度，讨论各因素是如何影响沥青混合料的疲 劳性能的。研究表明，各因素对沥青混合料疲劳性能影响程度大小顺序为：荷载间歇时 间一试验温度一沥青品种一级配类型一沥青用量一加载频率。 同济大学的许志鸿等人对沥青混合料疲劳性能研究，提出几种高等级道路常用沥青 混合料的疲劳方程及沥青混合料抗拉强度结构系数，供设计参考阴。 s m a 混合料本身属沥青混合料范畴，但在许多方面与普通沥青混合料有一定差异， 对普通沥青混合料性能的影响因素、影响规律，对s m a 混合料也可能有一定差异，因 此，在涉及沥青路面耐久性问题时，有必要对s m a 混合料耐久性进行专门的分析研究。 1 3 本课题技术路线与研究内容 1 3 1 主要研究内容 本课题是在充分吸收国内外研究成果基础上，结合工程实际情况，对s m a 混合料 耐久性进行研究。主要研究内容有： ( 1 ) s m a 玛蹄脂耐老化性研究，主要包括沥青类型、粉胶比、填料类型对玛蹄脂 耐老化性的影响研究； ( 2 ) 4 7 5 姗筛孔通过率对s m a 水稳定性和耐疲劳性的影响研究； ( 3 ) 沥青类型及用量对s m a 水稳定性和耐疲劳性的影响研究； ( 4 ) 矿粉用量对s m a 水稳定性和耐疲劳性的影响研究； ( 5 ) 空隙率对s m a 水稳定性和耐疲劳性的影响研究； ( 6 ) 试验路研究。 1 3 2 技术路线 本课题通过室内试验和试验路铺筑，综合分析s m a 耐久性的影响因素。所采取的 主要技术路线如下： ( 1 ) 在分析国内外已有成果基础上，按照本课题的研究内容，制定详细的研究大 4 长安大学硕士学位论文 纲； ( 2 ) 进行原材料技术性质分析试验，为本课题提供基本技术资料，并进行s m a 配 合比设计； ( 3 ) 开展s m a 混合料耐久性的研究； 主要针对s m a 玛蹄脂耐老化性分析，s m a 混合料的水稳定性研究以及疲劳性能研 究，总结分析不同因素主要包括4 7 5 m m 筛孔通过率、沥青类型及用量、矿粉用量以及 空隙率对混合料耐久性的研究。 ( 4 ) 试验路铺筑及观测； ( 5 ) 结合室内试验分析和试验路段的总结，撰写课题报告。 5 第二章试验方案与试验方法 2 1 试验方案 第二章试验方案与试验方法 本研究试验方案主要分为以下两个部分： 2 1 1 原材料技术性质试验 1 、沥青结合料技术性质试验 采用韩国s ka 9 0 存基质沥青、克拉玛依a 7 0 襻基质沥青以及s b s 改性s ka 9 0 拌沥 青，其技术性质指标均满足公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 技术要求。 2 、矿料的基本物理、力学性质试验 采用的矿料为陕西临潼的角闪片麻岩，其技术性质指标满足公路沥青路面施工技 术规范( j t gf 4 0 一2 0 0 4 ) 技术要求。 3 、纤维技术性质试验 采用北京垦特莱公司的松散木质素纤维，其技术性质指标均满足公路沥青路面施 工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 技术要求。 4 、消石灰、水泥以及抗剥落剂的技术性质试验 2 1 2s m a 混合料耐久性试验研究 1 、s m a 目标配合比设计试验 在进行混合料水稳性、疲劳特性试验分析时，需首先确定混合料的配合比。混合料 配合比设计按照常规方法，从两方面着手进行： ( 1 ) 级配的确定 ( 2 ) 最佳沥青用量的确定 2 、s m a 玛蹄脂耐老化性能试验 填料类型、填料用量对s m a 玛蹄脂的耐老化性可能影响较大，故本试验主要从粉胶 比、填料类型对玛蹄脂耐老化前后针入度、软化点和延度三大指标的影响进行分析，试 验方案如图2 1 所示。 6 长安大学硕士学位论文 图2 1 沥青玛蹄脂耐老化性试验方案 3 、s m a 水稳定性试验 通过选择不同4 7 5 舢1 筛孔通过率，不同沥青类型及用量、不同矿粉用量、不同填 料类型和不同空隙率，进行s m a 水稳定性影响分析试验，水稳定性试验方法包括： ( 1 ) 浸水马歇尔试验 ( 2 ) 冻融劈裂试验 4 、s m a 疲劳性能试验 通过选择不同4 7 5 衄通过率，不同沥青类型及用量、不同矿粉用量和不同空隙率， 进行s m a 疲劳性能影响分析试验。 2 2 试验方法 2 2 1 车辙试验 车辙试验是在规定的温度下通过板状试件与车轮间的往复相对运动，使试件在车轮 的重复作用下产生压密、剪切、推移和流动，以此模拟实际车轮在高温下对沥青路面的 作用其评价指标为动稳定度和车辙变形量。 本研究采用的车辙试验仪如图2 2 所示。试验中荷重为7 0 0 n ，轮压为0 7 m p a ，试验 温度为6 0 。试验过程由计算机控制，同时自动采集数据进行动稳定度d s 计算。试验完 毕后可直接得到动稳定度次数及时间和车辙深度关系曲线。具体的试验方法见公路工 程沥青及沥青混合料试验规程( t j t0 5 2 q 0 0 0 ) 。 动稳定度d s 计算公式见式2 1 ： d s = 尘二兰掣qx c ： ( 2 1 ) 巩一反 1 第二章试验方案与试验方法 式中：d s _ 一动稳定度( 次 m ) ； n 试验轮往返碾压速度( 通常为4 2 次，m i n ) ； c ，试验机类型修正系数； c r 试件系数； d r 试验时间b ( 一般为6 0 商n ) 时的车辙深度( n 瑚) ； d l 试验时间l ( 一般为4 5 m i l l ) 时的车辙深度( m m ) 。 图2 2h y c z 一5 型自动车辙试验仪 222 水稳定性试验 结合我国的实际情况和标准试验方法，对沥青混合料主要进行两种水稳定性检验。 ( 1 ) 浸水马歇尔试验 该试验用残留稳定度来评价沥青混合料的水稳定性，残留稳定度越大水稳定性越 好。试验时，每种级配成型8 个试件，分成两组，一组马歇尔试件在6 0 水浴中恒温 3 0 1 1 1 i n 4 0 m i 后测定其稳定度m s ，另一组在6 0 水浴中恒温4 8 h 后测定稳定度m s l ，最 后按式2 2 计算浸水残留稳定度m s o 。 旌：! 鱼。1 0 0( 2 2 ) ” 舔 式中：m s 旷一试件的残留稳定度( ) ； m s l 试件浸水4 8 h 后的稳定度( q ) ； m s _ - 试件浸水3 岫血后的稳定度( k n ) 。 对s m a 混合料，规范规定4 8 小时浸水马歇尔试验残留稳定度不得小于7 5 ，对使用 改性沥青的不得小于8 0 。 ( 2 ) 冻融劈裂试验 长安大学硕上学位论文 我国在“八五”国家科技攻关课题研究中，将美国的洛特曼试验( a a s h t ot 2 8 3 ) 简化成我国的冻融劈裂标准试验方法，使它能在我国推广。冻融劈裂试验用劈裂强度比 t s r 来评价混合料的水稳定性，t s r 越大水稳定性越好。试验时每种级配成型8 个试件， 分成两组。具体的试验步骤如下： 试件按选用的级配成型，采用双面击实5 0 次，冷却至室温后脱模； 将试件随机分为两组，每组不少于4 个，第一组置于室温下备用； 将第二组试件在7 3 0 m m h g 真空条件下保持1 5 m i n ，然后打开阀门，恢复常压，在 水中静置o 5 h ； 取出第二组试件放入塑料袋中，加入约1 0 m 1 水，扎紧袋口将试件放入冰箱，冷冻 温度为1 8 士2 ，保持1 6 h ； 将放入冰箱中的试件取出后，撤去塑料袋立即放入已保温为6 0 的恒温水槽中保 温2 4 h ： 将第一组与第二组试件全部浸入2 5 水中至少保温2 h ，保温时保持试件之间的距 离不小于1 0 m m ，然后取出试件以5 0 舢彬m i n 的加载速率进行劈裂试验； 计算劈裂强度比t s r 。 t s r _ ( 鲁) 1 0 0 ( 2 3 ) 尺；竺：唑圣璺z 刍 ( 2 4 ) 灭，：q ：q 9 堡z 竺 ( 2 5 ) ， 厅2 式中：t s r 冻融劈裂试验强度比( ) ； 冠未经冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度( m p a ) ： 尼冻融循环后第二组试件的劈裂抗拉强度( m p a ) ； 异第一组试件的试验荷载的最大值( n ) ； 只第二组试件的试验荷载的最大值( n ) ； 如第一组试件的高度( m m ) ； 见第二组试件的高度( m m ) 。 2 2 3 渗水试验 沥青混合料的早期损坏仍然相当严重，其中由于路面渗水导致基层承载力下降发生 9 第二章试验方案与试验方法 的破坏占有相当大的比例。所以说沥青混合料配合比设计阶段进行沥青混合料的渗水试 验是相当重要的。尤其是对s m a ，基本上不渗水是重要的一个性质，应该在配合比设计 阶段对渗水系数进行检验。试验步骤如下： 按照规范要求制作沥青混合料试件，试件尺寸为3 0 c m 3 0 c m 5 c m ，脱模，揭去成 型试件时垫在表面的纸。 将试件放置于坚实的平面上，在试件表面上沿渗水仪底座圆圈位置抹一薄层密封 材料，边涂边用手压紧，使密封材料嵌满试件表面混合料的缝隙，且牢固地粘结在试件 上，密封料圈的内径与底座内径相同，约1 5 0 m m 。将渗水试验仪底座用力压在试件密封 材料圈上，再加上铁圈压重压住仪器底座，以防压力水从底座与试件表面间流出。 用适当的垫块如混凝土试件或木块在左右两侧架起试件，试件下方放置一个接水 容器。关闭渗水仪细管下方的开关，向仪器的上方量筒中注入淡红色的水至满，总量为 6 0 0 m l 。 迅速将开关全部打开，水开始从细管下部流出，待水面下降1 0 0 m l 时，立即开动 秒表，每间隔6 0 s ，读记仪器管的刻度一次，至水面下降5 0 0 m l 时为止。测试过程中，应 观察渗水的情况，正常情况下水应该通过混合料内部空隙从试件的反面及四周渗出，如 水是从底座与密封材料间渗出，说明底座与试件密封不好，应另采用干燥试件重新操作。 如水面下降速度很慢，从水面下降至1 0 0 m l 开始，测得3 m i n 的渗水量即可停止。若试验 时水面下降至一定程度后基本保持不动，水面试件基本保持不动，说明试件基本不透水 或根本不透水。 沥青混合料的渗水系数按式2 6 计算，计算时以水面从1 0 0 m l 下降至5 0 0 m l 所需的 时间为标准，若渗水时间过长，亦可采用3 m i n 通过的水量计算。 巳= ( 一k ) 心一) 6 0 ( 2 6 ) 式中：c 、r 沥青混合料试件的渗水系数，m l m i n ； v 1 第一次读数时的水量( 通常为1 0 0 m l ) ，m l ； v r 第二次读数时的水量( 通常为1 0 0 m l ) ，m l ； t l 第一次读数时的时间，s ； t r 第一次读数时的时间，s 。 2 2 4 疲劳性能试验 沥青混合料的抗疲劳特性是沥青路面抵抗车辆重复荷载作用破坏的能力。目前沥青 混合料疲劳特性的研究方法基本分为两种类型：一类为现象学法，即传统的疲劳理论方 1 0 长安大学硕学位论文 法，它采用疲劳曲线表征材料的疲劳性质；另一类为力学近似法，即应用断裂力学原理 分析疲劳裂缝扩展规律以确定材料的疲劳寿命。本课题采用现象学法。即采用美国胛s 公司生产的材料测试系统m r s _ 8 1 0 试验机，如图23 所示，进行控制应力疲劳试验，得 出疲劳曲线及疲劳方程，由曲线中的特征疲劳寿命、方程中的特征参数分析评价疲劳特 性。整个试验过程可以通过程序控制并由计算机自动采集试验数据。试件由轮碾法成型 的车辙板切割而成。 试验条件： 试件尺寸；4 0 x 4 0 2 5 0 衄，跨经1 5 0 m 础荷载波形：半正矢波 荷载频率：1 0 h z ：试验温度：1 5 ；加载方式：三分点加载 控制方式；控制应力的加载方式。 试验结果回归采用公式27 计算： 以= 槲 ， 变形后得 1 9 n ( - n 1 舛 ( 28 ) 式中：k ，r 一试验常数； _ v ，试件破坏时的加载次数。次； 口，对试件每次加载捕加常量应力的最大幅值，m p a 。 圈2 3 材料测试系统m t s 一8 1 0 试验机 225 谢伦堡沥青析漏试验 s m a 混合料的沥青用量是否合适关系到s m a 混合料结构的成败。因此在配合比设 计后需要对沥青用量进行两种检验：即是否因沥青太多造成析漏及是否因沥青太少造成 第二章试验方案与试验方法 飞散的试验。 谢伦堡沥青析漏试验( s c h e l l e n b e 玛b i n d e rd r a i n a g et e s t ) 是德国s c h e l l e n b e r g 研究所 为s m a 的配合比设计而制定的，是专门用来确定s m a 沥青用量的方法。它是为了确定 沥青混合料有无多余的自由沥青或沥青玛蹄脂量而进行的试验，由此确定最大沥青用 量。s m a 尽管需要较多的沥青，但无论如何不能超过所有矿料的表面积所能吸附的最大 沥青用量，否则，就要产生多余的自由沥青，成为集料之间的润滑剂，造成玛蹄脂上浮， 影响构造深度，降低高温稳定性。尤其在我国，这几年的实践表明，第二年高温季节s m a 路面泛油是最容易造成的病害。 析漏试验有烧杯法、搪瓷盘法、网篮法，我国已确定定采用烧杯法作为标准方法， 并订入了我国的试验规程。关于评定合格与否的指标，德国采用烧杯法试验时，规定了 三档， 0 3 为不合格， o 2 为好，在o 2 o 3 范围内表示可以接收，这就意味着 4 7 5 9 5m m0 4 6 本研究中采用的粗集料为陕西临潼的角闪片麻岩，集料规格分别为a ( 9 5 1 9 m m ) 、 1 4 长安大学硕士学位论文 b ( 4 7 5 9 5 m m ) 、c ( 2 3 7 5 衄) ，其主要技术指标如表3 1 所示。 3 1 1 2 细集料 由于s m a 是间断级配，细集料在s m a 中只占很少的比例，但同样要求石质坚硬、 富有棱角，并有一定的纹理、软质含量少、塑性低。细集料一般采用机制砂，天然砂由 于颗粒接近圆形，摩阻力小，不宜多用。 本研究采用石灰岩机制砂，其主要技术指标如表3 2 所示。 表3 2 细集料物理力学指标 实测值 技术指标规范值 试验方法 石灰岩 表观密度 2 3 每4 7 5 m m2 7 2 9 之2 5 0 t 0 3 2 8 ( g c m 3 ) o ，2 3 6 m m 2 6 9 6 毛体积密度 2 3 6 4 7 5 m m2 6 2 0 t 0 3 0 4 ( g c m 3 ) o 2 3 6 m m2 6 9 6 砂当量( ) 8 5 之6 0 t 0 3 3 4 含泥量( ) o 99t 0 3 3 3 3 1 1 3 填料 矿粉是s m a 混合料中重要的组成部分，它与沥青混合料形成玛蹄脂，从而影响s m a 的性能，其技术性质对混合料的稳定性与抗车辙能力有较大的影响。 本研究采用磨细的石灰石粉，其技术指标如表3 3 所示。 表3 3 矿粉技术指标 技术指标实测值规范值试验方法 表观相对密度( g c m 3 ) 2 7 lt 0 3 5 2 亲水系数 o 7 1 l t 0 3 5 l 含水量( ) o 3 s 1 o t 0 3 5 2 塑性指数( ) 2 6 4t 0 3 5 l 当采用酸性石料，如花岗岩、石英岩、砂岩等做粗集料时，沥青与石料的粘附性很 差，混合料的水稳定性不能满足规范要求，应当采用掺加消石灰、水泥及抗剥落剂等措 旌来改善沥青与矿料之间的粘附性。 1 5 第三章原材料技术性质与混合料配合比设计 本研究采用西安本地产的消石灰，其有效c a o 和m g o 含量为6 8 1 ，满足技术标 准中对l 级消石灰有效c a o 和m g o 含量大于6 5 的要求。 所用水泥为内蒙古的乌兰4 2 5 r 水泥，其物理、化学指标如表3 4 所示。 表3 4 乌兰4 2 5 r 水泥技术指标 物理性能化学成份 技术指标实测值规范值技术指标实测值规范值 细度( 8 0 m ) o 85 2 s 0 3 ( ) 2 2 1 3 5 初凝( h )2 ：2 94 ：2 0 m g o ( ) 2 3 4 5 7t 0 6 0 9 延度1 5 ( c m ) 3 44 4 3 2 0 表3 6s b s 改性s l ( 9 皑沥青( i c ) 技术指标 技术指标 实测值规范值。试验方法 针入度2 5 ( o 1 m m ) 7 36 0 8 0 t 0 6 0 4 针入度指数p 1 0 0 3 7 芝一0 4 软化点t r b ( ) 7 6之5 5 t 0 6 0 6 延度5 ( c m ) 4 1 9 之3 0 t 0 6 0 5 运动粘度1 3 5 ( p a s ) 2 0 79 t 0 6 2 5 闪点( ) 2 6 0 2 2 3 0 t 0 6 1 1 溶解度( ) 9 9 3 芝9 9 t 0 6 0 7 弹性恢复2 5 ( ) 9 36 5 t 0 6 6 2 4 8 h 热贮存软化点差( ) 1 8 叟5 t 0 6 6 l 密度1 5 ( g c m 3 ) 1 0 3 2t 0 6 0 3 r t f o t ( 1 6 5 ，8 5 m i n ) 后 质量变化( ) 0 1 11 0 1 0 针入度比2 5 ( )8 6兰6 0 t 0 6 0 9 延度1 5 ( c m ) 2 7 5 2 2 0 3 1 3 纤维技术性质 用于s m a 的纤维稳定剂可以是木质素纤维、矿物纤维、聚合物化学纤维的一种 第三章原材料技术性质与混台料配合设计 其中，木质素纤维的吸油性较高，对沥青的稳定作用显著，而聚合物化学纤维的加筋作 用明显。现在纤维几乎成了s m a 的必需成分，其原因与s m a 使用较多的矿粉和沥青 结合料密切相关。 本研究采用北京天成垦特莱科技有限公司的松散木质素纤维，其技术指标如表37 所示。外观图和微观结构如图31 和32 所示。 表3 7 纤维技术指标 技术指标实羽i 值规范值 纤维素含量( ) 8 96 灰分含量( ) 1 95 p h 值 75 l _ o 吸油率( 倍)= 5 含水率( ) 39 0( 5 田3 1 术质素纤维外观田田3 2 术质震纤维微观结构 纤维在s m a 混合料中的作用主要体现在： 加筋作用，纤维在混合料中呈三维的分散相存在，可以起到加筋作用； 分散作用，如果没有纤维，用量颇大的沥青矿粉很可能成为胶团，不能均匀地分 散在集料之间，而纤维可以使胶团适当分散； 吸附及吸收沥青作用，纤维可以充分吸附( 表面) 及吸收( 内部) s m a 混合料 中的沥青从而使沥青用量增加沥青油膜变厚，可提高混合料的耐久性； 稳定作用，纤维使沥青油膜处于比较稳定的状态，尤其是在高温季节沥青受热 膨胀时，纤维内部的空隙还将成为一种缓冲的余地，沥青不至于成为自由沥青而泛油： 长安大学硕士学位论文 增粘作用，纤维将增加沥青与矿料的粘附性，通过油膜的粘结，提高集料之间的 粘结力。 3 2s m a 混合料配合比设计 3 2 1 选择初试级配 本研究粗集料采用角闪片麻岩，细集料采用石灰岩机制砂，沥青采用s b s 改性 s k 9 0 拌，纤维采用垦特莱松散木质素纤维，其掺量为o 3 ( 以混合料总质量计) 。 依据依托工程永咸高速公路上面层厚度( 5 c m ) 选定s m a 的公称最大粒径为1 6 r 啪， 故4 7 5 m m 为粗细集料的分界筛孔。在规范设计级配范围内，调整各种矿料比例设计3 组不同粗细的初试级配，其中矿粉的通过率均在1 0 左右，9 5 舢筛孔通过率也在中值 上下波动。初试级配如表3 8 所示，级配曲线如图3 3 所示。 表3 8 初试级配 各筛孔( m m ) 通过量( )。 级配 1 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 80 6o 30 1 50 0 7 5 11 0 09 4 18 0 96 3 93 22 1 91 7 31 5 2 1 3 21 29 9 嚣 21 0 09 2 57 5 5 5 4 3 2 82 l1 7 11 5 11 3 2 1 29 9 31 0 09 3 17 7 55 7 5 2 4 1 8 7 1 5 41 41 2 71 29 6 r 规范中值 1 0 09 57 55 52 61 9 51 81 51 2 5 11 5t o - ：一 规范上限 l o o1 0 08 56 53 22 42 2 1 81 51 41 2 规范下限 1 0 09 06 54 52 01 51 41 21 0 98 壤 褥 求 妞 韬 囊 十级配1* 级配2斗级配3 + 规范中值+ 规范上限 一规范下限 沪 缪 莒矽 ，j i f ， z ， 。j 雹溯 山t 三兰1 = 7 o 0 7 5o 1 5 o 3 0 61 1 8 2 3 6 4 7 59 51 3 21 61 9 筛孔尺寸( 衄) 图3 3s m a 1 6 各初试级配曲线图 1 9 加如加m o 第三章原材料技术性质与混合料配合比设计 3 2 2 初试沥青用量计算 s m a 的显著特点就是以相当数量的沥青玛蹄脂填充石石结构的粗集料骨架空隙。 要形成玛蹄脂，必须有适量的矿粉吸附沥青，同时还要添加纤维，使其在混合料中起到 加筋、分散吸附、稳定、增粘等作用。 同济大学的林绣贤教授经过多年的研究，以沥青码蹄脂填充料的组成为基本原则， 提出了s m a 沥青混合料沥青合理用量的计算方法。此计算方法将s m a 中的沥青用量 分为三个部分：一是被集料吸入的沥青；二是被纤维吸入的沥青；三是裹附在集料表面 形成沥青膜的有效沥青陉5 1 。对以上各部分的沥青含量进行分析，提出沥青合理含量只的 计算公式： ， 暑= 皇安业盖l o o + 里t 每掣1 0 0 + k + o 4 ( 4 一y ) ( 3 1 ) u 卅6 u 锄 式中：只混合料中沥青合理含量，； g 沥青相对密度，g c m 3 ； 比单位混合料中有效沥青体积，c m 3 ； 瓯。沥青混合料的毛体积密度，咖i n 3 ： q ，单位混合料中集料质量，c m 3 起； c 系数，与面干吸水率w 有关，当w 1 3 5 2 6 流值( m m )7 2 4 谢伦堡沥青析漏试验的结合料损失( ) 0 0 3 8 郢1 肯塔堡飞散试验的混合料损失( )3 ，7 3 5 1 5 残留马歇尔稳定度( )8 5 1兰8 0 冻融劈裂试验残留强度比( ) 8 5 4 芝8 0 车辙试验动稳定度( 次m m )1 0 5 0 0三二3 0 0 0 渗水系数( m i n )基本不渗水垫o 低温弯曲试验破坏应变( 嶂) 2 7 4 02 5 0 0 由试验结果可以看到，得到的s m a 1 6 混合料目标配合比各种指标满足规范要求， 因此决定将这级配2 及最终油石比5 9 作为目标配合比推荐方案，为后续试验研究与 依托工程铺筑试验路做好准备。 3 3 本章小结 本章主要s m a 混合料的原材料的技术指标进行了测试分析，并对s m a 1 6 进行了 目标配合比设计。通过对三种初试级配进行了体积指标和路用性能的检验，最终选用