对石蜡改性性能的对比较与典型SMA混合料的研究(中文版)

1、对石蜡改性性能的对比研究与典型的SMA（沥青玛蹄脂碎石混合料）混合料摘要： 沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）是一种通过减少路面使用期间永久形变量来降低维护和修复路面的费用的热沥青。此外，温沥青混合料（WMA）最近已被用于降低沥青混凝土的混合和压实温度，从而间接地降低沥青混合料的初始投资成本，这对于能源高耗国来说尤为重要。本研究的主要目的是将这些技术结合起来，以产生更有效的沥青混合材料。为此，两个不同的添加剂（纤维素纤维和苯乙烯 - 丁二烯 - 苯乙烯（SBS）被用来构造典型的SMA混合料，同时使用一种WMA添加剂（蜡）用于制备温沥青玛蹄脂碎石混合料标本改良过后的沥青粘合剂需进行粘合剂性能测试。通

2、过进行马歇尔试验、间接拉伸强度（ITS）实验、水分的易感性测试、动态蠕变实验和弹性模量测试来对不同类型的SMA混合物的性能进行评估。然后通过机械经验设计过程来检验改良的效果。结果表明费Fischer-Tropsch蜡（FT）可以提高基底胶接性质。尽管含蜡量的不同可以降低胶结剂流失量，但这种降低是不足够的，所以只有在必要的时候才使用额外的添加剂。尽管在提高蜡对SMA混合料的影响中取得和些许进步，但其影响还是微不足道的。此外，通过比较测试的结果，获得了SMA混合料的各种性能之间所具有良好且显著的相关性，。因此，可以得出结论，对于对应的未改良的混合料，使用了纤维素纤维，SBS和FT蜡的将分别增加道路

3、使用寿命的1.08，1.243和1.154倍以上。DOI：10.1061 /（ASCE）MT.1943 5533.0000584。 2013年美国土木工程师学会。数据库主题词：沥青；混合物；蠕变；水分；对比研究。关键词：石基质沥青温拌沥青；菲舍尔；费托（FT）蜡；动态蠕变试验；水分敏感性；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（SBS）；纤维素纤维。对于许多年，沥青摊铺行业一直试图减少简介多年来，本行业为减少环境污染的加剧和生产成本等问题已设法降低沥青铺路时沥青混凝土的施工温度。在这样的背景下，一种新兴的温拌沥青（WMA）新技术已经在不同国家被广泛的开发使用。WMA技术的研究始于1997年德国对京都议定

4、书中减少温室气体排放的研究。2002年以来该技术被美国、欧洲广泛使用。温拌沥青技术是为沥青混凝土生产过程提供一个广泛的方法来减少拌和与压实温度，从而降低能源消耗（KristjáNSDóTTIR等人，2007年）。使用WMA混合料的其他好处在于制造和放置方面。它可以在寒冷的季节实施，减少排放，减少运距，节约成本，减少老化等等（甘地2008;小莫卡塔里等人2011年）在前人研究的基础上（爱德华兹和redelius 2003年琼斯2004年赫尔利和全2005年kanitpong等人，2006年，2007年，甘地2008;超细2009;哈姆扎等人，2010年萨姆帕斯席尔瓦等人201

5、0年）WMA技术已被用于热拌沥青（HMA）并取得显著的效果。然而，研究的影响WMA性能的添加剂石基质沥青（SMA）混合物是稀缺的。WMA技术的应用中除使用水基技术（乳状液和泡沫），合成粘合剂，粘合剂混合技术等等外，使用最广泛的应用程序是直接掺入石蜡作为粘合剂。其中，有一种被广泛使用的Sasobit蜡，它包括一种从煤的气化菲舍尔 - 费托（FT）过程中产生的长链脂肪烃（40-115链长度碳原子），Sasobit的熔点约为85-115°C（甘地2008年）。另一种类型的FT蜡则容易在伊朗rheofalt LT-70中产生，其熔点为70°C。此外， SMA(如抗车辙沥青混合料)是

6、一种具有高粗骨料骨架抗力的间断级配沥青混凝土。粗骨料馏分混合物是一种耐久性高、抗湿性好的砂浆，而这种砂浆是由水泥沥青，填料，和稳定添加剂所制成（布朗和manglorkar 1993）。SMA源于1960年的德国，当时研究人在寻找耐磨损镶钉轮胎需要的一种沥青混合料的制造方法。SMA混合料于上世纪90年代在美国开始使用，其在欧洲的成功使用后，现在世界各地都在广泛的运用。SMA混合料具有的优良性质包括较高的车辙和抗滑性能、耐久性、改进的抗反射裂缝、更好的排水性和少噪音污染等（oghadas内贾德等人 2010）。由于SMA混合料的性质和沥青有较大的差距（通常为5.57.5%），于是SMA混合料与纤维

7、或聚合物相混合后必须具有化学稳定性（Al hadidy和谈2009）。纤维如涤纶，矿物质，纤维素，和聚合物如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS），乙烯醋酸乙烯酯（伊娃），聚乙烯等是SMA混合料常用的在典型的原料，它们可防漏从而提高这些混合物的机械性能（塔伊富尔等人。2007 behbahani等。2009。） 由于2002年沥青补贴的取消，全球沥青的官方价格在增加，然而伊朗沥青的价格确已经在过去的10年里增加了十倍（aflaki和塔巴塔対2009）。虽然自2000年以来能源补贴在提升但是能源的成本也上升了。需要必要的方法和技术来应对经济的一直增加，因此，沥青行业最重要的是新的和更有效的技术来应对社

8、会的需求。因此，现代新技术是将引进的新的经济的方法与经过验证的现有的方法有机的结合。研究目标本研究的主要目的如下：探头使用9.5毫米的SMA混合料的级配，可行性通过NCHRP 425号（布朗和库勒，1999），推荐伊朗的材料；评估基础的蜡改性的性质与SBS改性粘结剂，并使它们形成比较；确定是否FT蜡可降低粘结漏,达到SMA混合料的允许水平；典型的改性混合物稳定剂FT蜡评价拉伸强度和SMA的水分敏感性；研究弹性模量和抗车辙性能用不同类型的SMA混合料，包括纤维素，SBS，蜡的改性混合物；通过使用社会科学统计分析程序（SPSS）统计软件包设置SMA混合料不同的性能之间的关系，包括马歇尔稳定度，马歇

9、尔商，间接拉伸强度，永久变形，和弹性模量；通过机械经验的设计探讨SMA混合料层改造的效益，包括厚度减少或改善路面的使用寿命。材料矿物骨料是由位于东北部的德黑兰肯多文沥青植物(Asb基兰煤矿)供应，其组合性能如表1所示。矿物填料是通过200号筛分的岩尘，填料的体积比重为2.702公斤=1立方厘米。沥青水泥样本研究AC-60 / 70，由伊朗德黑兰的炼油厂和石油公司pasargad提供。这种类型的粘合剂是全国广泛使用的，所使用的粘合剂的物理性能如表2所示。我们使用来制造SMA标本准备托盘的纤维素纤维只能与沥青混合。SMA混合料中加入总质量的0.3%的纤维素纤维混合粘结剂。换句话说，SMA样品0.3

10、%的纯纤维被用来构建此SMA样品。这类添加剂均与沥青水泥在混合之前的集合体混合。FT蜡的基本性质（rheofalt lt-70）提供在表3中。生产蜡改性粘结剂时，蜡（2，3，和4%重量的粘合剂）加入到预热150°C的粘结剂. 用低速搅拌器混合搅拌至少10分钟。表3给出了这种蜡的基本性质。线性结构SBS被用来修改沥青粘结剂,ITERPRENE SBS /G-L。按照先前的研究(伊尔德利姆2007)，混合粘结剂与聚合物按5%的SBS沥青水泥加入到加热了的粘合剂(170°C)，并在这温度转速调节在1500转。大约30分钟后,我们增大速度高达4000 rpm每1 h做成了均匀粘结剂

11、。这项研究中的所采用的规范的SBS如表4所示。实验程序粘合剂流变测试通过测量相应的测试，修改绑定未修改的流变学特性,包括渗透、针入度指数、软化点和延性。相关的结果如表5。根据表5,不同的蜡可以显著提高粘合剂性能，并通过这个改进增加蜡的百分比。另外,还可以减少5%的SBS渗透，提高软化点的基粘结剂分别为30.2%或31.4%，然而,正面的影响是不一样的。%4SBS的蜡能提高基础粘合剂的渗透和软化点分别为39.7和45.1%。 因为它的热塑性，沥青粘结剂的一致性可能会改变。温度敏感性的变化速度反应该粘合剂的浓度的变化。长期渗透指数用来探讨温度敏感在沥青粘合剂中的变化是有用的。沥青针入度指数越来越多

12、，与温度敏感性相关的却较少。针入度指数值常用方程（1）计算。SBS和蜡对粘合剂的渗透指数的正效应（见表5）。SBS和蜡4%两个以上（包括SBS和蜡）百分之五可增加粘合剂的渗透指数。考虑到蜡4%不同的百分比的改性剂提高流变性能不同，最佳粘合剂的流变性能是什么比例呢。然而，这并不表明这种蜡的用量可以定量的注入基底胶接剂，沥青混合料的测试运行中所有蜡改性的混合物在混合性能有不同比例的蜡效率 设计：混合料的搅拌与压实温度 构建SMA标本时搅拌压实温度和粘度分别为170 +20和280 + 30 CST（布朗和manglorkar1993）。根据图1，制备可控核含纤维素的基底胶接剂SMA标本时拌和与压实

13、温度分别为158和146°C。石蜡改性沥青的施工温度小于基粘结剂；例如，4%蜡能降低搅拌温度高达144°C。基于生产能力，建议生产商选择不同剂量的蜡，研究表明可分别为2，3，和4%粘合剂的重量。推荐制造商控制SBS改性沥青的施工温度为175°C到165°C。混合料级配优化设计：425号NCHRP报告（布朗和库勒，1999）提出了SMA混合料的设计方法。制备SMA标本选择9.5毫米级配的SMA混合料。库勒和布朗进行的实验数据显示，要成功地设计出碎石与碎石相胶接和抗车辙需要细级配的SMA混合料（9.5毫米和4.5毫米）。越细的SMA混合越耐用（库勒和布朗20

14、03）；但是，它需要更多的花费来压实。在伊朗的一个知名的混合料设计中，马歇尔设计混合时采用标准ASTM 1559（ASTM 1989a）程序来评估混合物的体积性质。如图2所示，在计算优化级配范围时，首先考虑三个极限（上，中，下）。下列报告建议，混合物中最初加6.2%粘结剂。计算SMA混合物的体积性质时，需要计算的参数，有VCA，VMA，Va，列于表6。此处，要求它是必须满足VCA比1和VMA > 17。如表6所示，中间的VCA比为0.927，是空隙率的6.95%。粘合剂的这个数量的空隙率，和其他样品相比较高，因此选择中间极限为最佳级配不合理。更明智的做法是选择中间到上部的最佳级配，在一个

15、方式中的VCR比接近1。这个选择过程的目的是为了生产更经济的粘结剂的混合料。本最佳级配是如图2所示。性能试件的制备与最佳级配进行如表6。所有的VMA值均大于17%，如表6所示。混合料设计：最佳的粘结剂含量最佳的粘结剂含量（OBC）应该在3VA4的标准范围内。模拟炎热气候时空隙量为4%。三系列的SMA混合料，应该将混合物分组来计算OBC，分别确定SBS /蜡和纤维素的OBC。给每个子集添加不同比例的粘结剂，从而来评价混合物的体积性质和确定的OBC的数值。粘结剂的优化结果表明，SBS、纤维素分别控制为7.1%和6.8%得到改性混合物OBC（表7）。在下面的部分中，我们将解释由于排空的影响，在蜡改性

16、沥青混合料中，为减少粘合剂漏下来，我们添加了0.3%的纤维素纤维到混合料中的原因。因此，WSMA混合物的OBC值确定为6.8%。实验室试验时为防止沥青水泥的一致性变异，粘合剂都保持相同的蜡的百分比。混合料设计：流走一种对混合物的排空的潜力进行测试的程序对SMA混合料进行了测试，并在425号NCHRP报告中进行了描述。排空试验的结果如图3，表明漏下来的混合物的价值超过所要求的规格。这部分的重点在于WSMA样品的制备，改变蜡的含量不能有效降低排空的价值；因此，WSMA混合物在纤维改性蜡的使用上就显得十分必要。0.3%的纤维素纤维用于降低蜡改性沥青的排空量。因此，对改性混合物的SBS 、WSMA的控

17、制在于对未改性和改性纤维素的控制。性能测试:马歇尔试验虽然马歇尔试验通常是对热拌沥青混凝土混合物进行混合设计，但马歇尔稳定度和流值等是SMA混合料通常的测量信息，而不是验收的标准(Al-Hadidy和奕秋2009 a,b)。由表8可知,所有的修改混合物的马歇尔稳定度比未修改的混合物更高。不同比例的蜡可以相对增加SMA混合料的马歇尔稳定度,但效果不明显。例如,改进2%、3%和4%的蜡的马歇尔稳定度分别是2.1、6.5和3.7%。因此,对不同的WSMA混合,3%的蜡表现出最高的马歇尔稳定度。然而, 所有混合物中SBS蜡改性是最稳定的,马歇尔稳定度高达19.5%。SBS改性标本展出的一个较小程度上的

18、流动值,其他混合物不符合。例如,WSMA以2%的混合改性蜡比纤维素改性混合物有更高的流动值。可以通过计算马歇尔稳定度的流值确定马歇尔系数。混合物展示出一个更大的改进性能。如表8，SBS改性和3%的蜡改性混合物有最大马歇尔商值。 性能测试：湿度敏感性不利的水分影响可能取决于环境条件，如区域降水量或长期冻结（沙1999）。水分会以两种不同的方式影响沥青混合物：粘附损失和凝聚力丧失。前者是粘合剂从集料表面薄膜分离；后者主要原因则是沥青混凝土降解，僵硬度降低。根据先前的研究,可以通过降低胶结剂和聚合物之间的吸附力来增加沥青混合料的湿度敏感性(Kanitpong 等人。2007;Wasiuddin et

19、 al。2008;Sheth 2010)。然而,一些报告指出减少施工温度可以改善水分敏感性 (甘地2008;Merusi et al。2010;桑切斯阿隆索et al . 2010)。此外,有不少报告指出不同的WMA混合物的湿度敏感性有不同的数值 (赫尔利和Prowell 2005;2006;2010年Sampath Hurley)。评价沥青混凝土混合物的湿度敏感性的标准方法是AASHTO (AASHTO 2011 T 283;通常称为修改测试用Lottman)。425号报告中指出，砂浆SMA混合料的TSR值应满足标准(至少70%)。因此,混合物为满足TSR，水分敏感低于70%时，为使混合物达

20、到要求它可能有必要使用添加剂或抗剥落剂。用于评估水分磁化率的SMA混合料共有36个样本。六个相同的样本(三对干燥和潮湿的条件)每个类型的混合物有三个。表9为水分敏感性的测试结果。如表9所示,未改性和SBS改性混合物其最值(分别在两个干和湿条件)最小。此外,纤维素纤维还改善了SMA混合料的拉伸强度，对于不同的WMSA混合物，提高蜡的质量可以少量提高ITS值，对于蜡含量4%的WMSA混合料来说其值一般小于3% (641和532)。导致这些结果的原因可能与失粘有关,这些原因可以归结于蜡的影响。对于TSR值, 相对于其他性能的修改来说，SBS有更好的效果,从而增加在抗湿性标本的SMA值可高达89%。然

21、而,不同的百分比的蜡对于改善TSR值没有较好的效果。2%的蜡含量对于混合料的TSR值没有任何影响，但使用3%或4%的蜡含量对于TSR值有一个2%的增长。因此,这证实了在文献中提到的蜡含量对于TSR值有影响的思想 (甘地2008;Merusi et al。2010;桑切斯阿隆索et al . 2010)。观察到的抗水性能力的增加可归因于混合料中蜡的疏水性。然而,由于蜡能减少粘合剂和骨料之间的附着力，从而纤维素改性的SMA与蜡改性的SMA的TSR值几乎无差异。性能测试:动态蠕变试验各种实验测试,如静态蠕变、动态蠕变,轮跟踪和间接拉伸试验通常用于评估潜在的沥青混合料的永久变形。在著名的方法中，动态蠕

22、变试验是用来评价沥青混合料的车辙性能的最好方法(Kaloush et al . 2002)。此外,研究结果表明从车轮跟踪测试测量获得的车辙深度的测量和从单轴蠕变试验获得变形应变(Kalyoncuoglu和Tigdemir 2010;Mirzahosseini et al . 2010)。UTM- 5的使用是为了评估SMA的蠕变行为。标本的负载是单轴和动态,代表重复应用轴负载在路面结构。所有标本(三个相同的对于每个替代)准备一个具有4%空隙的马歇尔压实机。所有的样品的沥青标本高度几乎相同。对于不同类型的混合物，其他条件也相同;所有的标本加载一个400 KPa的水平应力 (58.4 psi)被应用

23、于。装货的形状是矩形有一个负载和休息期间是1 s,测试前, 将所有样本放置在一个温度为45的环境室中，放置4h，使整个样本的温度分布均匀。持续测试每个样品直到循环10000次或者加载试样达到第三阶段。图4给出了对于每种类型的SMA混合料累积应变和变化的循环数。每一条曲线都代表了通过测试每一种混合物的三个样品所得的对应的三条不同的曲线。未改性的混合物明确指出了混合物抗永久变形能力的降低，然而，在所有的SMA样品中大多数SBS改性混合物可以抗车辙。蜡含量的不同可以在某种程度上增加SMA混合物的抗车辙能力。比起其他蜡含量百分数来说，蜡含量为3%的作用效果较为明显。改性纤维素与蜡含量2%的改性SMA混

24、合料的抗车辙能力几乎没有差异，这种结果可以归因于这种含量的蜡并没有在沥青中形成一个统一的网状结构，从而未能改变其性能。        为了建立起对比不同类型的SMA混合物抗车辙能力的标准，这个标准是指在蠕变曲线进入第三区的流变指数FN。在这种情况下，图5通过FN清楚的描述个比较了SMA的抗车辙性能。       总之，基于从马歇儿的稳定性和动态蠕变试验中所取得的成果，是用蜡含量3%的SMA混合料来构建更有效的WSMA混合物是合乎逻辑的。因此，蜡含

25、量3%的WSMA混合物被认为是进行弹性模量试验和机械经验设计的最佳WSMA混合物性能测试:弹性模量弹性模量,Ir,是沥青混合物其中最重要的一个性能,这是进一步用于机械设计路面结构的程序。它衡量路面反应条件的动态应力和相应的应变。弹性模量通常是沥青混合料在间接拉伸模式下(以下D4123 ASTM,棕色和Foo(1991)进行测量，用于评估沥青混凝土混合物的弹性性质(布朗和Foo 1991)。弹性模量通常是通过公式(2)计算。如下所示:对每一组混合物,制备生产的三个类似的马歇尔试件，大约 15%的间接抗拉强度作用于样品垂直于直径的方向。频率、负载,和休息时间分别被调整为1赫兹,0.1s和0.9 s

26、。测试前4小时使用恒温箱将所有的标本都放在其中并均匀的保持在25°C。每三个样本进行测试，平取其平均值为混合物的Mr。根据图6，SBS改性混合物具有最高的Mr。OWSMA混合物也有一个为纤维素改性试样的1.212倍弹性模量，这可能表明FT蜡能够提高沥青混合物的弹性模量。性能测试结果的统计分析为了探讨不同性质的SMA混合料之间可能的相互关系，应进行统计分析。在这项研究中，性能测试结果之间的关系如马歇尔稳定度，马歇尔商，动态蠕变，和弹性模量试验都使用线性回归进行了检查。此外，对每个组合，提供与相关方程相应的信息。线性回归的方法用于检验性能测试结果的相关性。线性关系的精度影响随着相关系数（

27、R）和皮尔森双尾的意义（P）变化。如前所述，每个测试，三个相同的样品进行了测试。图7中的每个点代表这三个样品的平均值。从R和P值，对于不同SMA混合料性能之间有很好的线性关系。所有的P值均小于0.05，其中可以确的是这些关系是足够重要的。机械经验的设计在这个研究中，从两个不同的方面来评估改造的效益，（1）在路面结构层厚度的减少（2）在路面系统使用寿命的延长。前者已被广泛称为层厚度减少（LTR）。对于未改性混合物和改性混合物，当使用寿命保持不变时，LTR是用来确定路面的允许结构层厚度的减少量。而后者称为交通效益比（TBR），可以被付诸实践用以定义当路面部分保持同样的两个先前提到的混合物时所容许额

28、外数量的传递轴的量。本文在前人研究的基础上，总结出车辙和疲劳开裂可能是沥青混凝土结构失败最关键的类型。车辙已被描述为在路面层沿轮路径的永久变形的积累。另外，在沥青混凝土表面裂缝的传播，由于负载重复，可以被称为疲劳开裂。路基的顶部层的竖向抗压应变和在沥青混凝土层的底部的水平拉伸应变作为两个车辙和疲劳现象的重要指标。在这项研究中，kenlayer软件，一中由黄先生所研究（黄1993）的有效可信的程序用于分析典型的多层弹性路面系统（黄1993）。一个用于分析典型路面部的情况如图8所示。轮胎的80 KN标准轴荷载被认为是作用在表面上的路面部分的荷载。使用不同的改性剂以及多层弹性设计来评估路面寿命增长和

29、结构层厚度的减少，从而可以得到一系列SMA混合料的弹性模量和结构层厚度以运输和道路研究实验室(TRRL)显示的10.16毫米(0.4英寸)车辙深度作为柔性路面失效判据，并提供了方程（3）来估计容许的车辙荷载重复次数，可靠性为85%（黄1993），如下：为了研究沥青混合料的效率和定义从疲劳开裂失效许用载荷重复Eq。按TRRL(黄1993)所提供的公式(4)计算得到，如下所示:因此,对于每个组混合物,两个N值可以用方程式(3)和(4)计算出。较小的值应该被考虑作为允许荷载重复的数量，因为这样一个值会更关键。此外，为修改LTR型混合物，方程式 (5)和(6)可以使用计算的值,如下:此处T和C分别代表

30、层的厚度和荷载重复的临界数量；M和U分别代表修改及未改性路面系统。钱德拉(2008) 分别从有益角度使用方程式(5)和(6)评估纤维对减少结构层厚度和延长寿命的影响(钱德拉et al . 2008)。此外,Al-Hadidy 修改SMA混合料添加剂,如SBS、ST、聚乙烯和聚丙烯等，LTR值评估了用不同添加剂对SMA进行改性的效果，同时也报道了它们的改良效果分别为1.295、1、27、1、359、1、48. 正如表10和11所示, 考虑到两个不同的条件评估的有益作用修改的LTR条款:SMA厚度是变量和其他层的厚度是常数；热拌沥青混凝土厚度是变量和所有其他层的厚度是常数。ND值低于 NF，可以表

31、明对于每个混合物，ND 是比 NF更关键。因此，ND 是被视为 Ncritical 调查的有利影响修改。因此，改性后的混合物比未改性的SMA混合物有较高的 Ncritical 值，中文希望可以明确的证明不同改良剂对于不同的SMA有不同的改良效果通过改变SMA的结构层厚度而对改性纤维素纤维、OWSMA、SBS改性混合物的改良效果分别为9.76%、17.31%、24.79%。这个事实可以清楚的表明这些添加剂能有效减少SMA结构层的厚度。此外，依赖与设计者的构想，先前指出的添加剂可能还可以用于降低沥青混合料的结构层厚度。通过比较表10和表11中的LTR值，假设SMA层的结构质量比HMA层的结构质量好，则HMA层的厚度的降低值理论上应比SMA层厚度的降低值更大。例如，LTR 值为 SBS 改性层的24.79%时的目的是降低 SMA 层的厚度。然而，LTR值为SBS改性层LTR值得29.7%时的目的是为了减少沥青混合料的结构层厚度。对TBR的价值方面，SBS 改性的混合物创造了最高价值，而纤维素改性的混合物具有最低值。本节中的重要的一点是，FT蜡相对于纤维素改性混合物可以提高TBR值1.07倍。结论这项研究的目的是要应用到基于蜡 W