功能型沥青路面养护材料设计方法与性能研究

摘要

沥青路面微表处养护技术作为预防性养护技术中最具代表性的方式之一，具有施工方便，开放交通快，可有效修复车辙，明显改善路面的路用性能，延长路面使用寿命，节能环保以及综合效益好等特点，具有十分广阔的推广应用前景。然而随着现代科学技术的不断进步，人们对路面材料提出了更高的要求，不再仅仅满足于传统意义上的路用性能研究，而是希望其除了具有一般材料所应有的路用性能之外，还可以满足某些特殊的功能要求，能向功能化和智能化方向发展。这将极大促进高速公路建设质量，提高交通运输效益，进而会产生巨大的经济和社会效益。 本文从优化微表处混合料设计方法和常规性能出发，研究多因素对其动态、粘弹流变和疲劳特性的影响及其变化规律，并在此基础上展开了对降噪、隔热降温等多功能性的研究评价。主要研究工作如下： 首先应用正交设计方法对影响功能型预防性养护材料常规路用性能（包括拌和时间、粘聚力、粘附砂量、耐磨耗性能、抗轮辙变形能力和水稳定性等）的各个因素的显著性水平进行了分析。研究结果表明：改性乳化沥青用量、用水量、水泥用量、集料种类和级配类型等对常规路用性能有影响，其中改性乳化沥青用量的影响最为显著。在此基础上，优化了设计方法。 第二，采用Superpave简单性能试验方法（Simple Performance Test，简称SPT）研究了不同橡胶粉掺量对功能型预防性养护材料动态模量、粘弹流变特性和疲劳性能的影响。研究结果表明：动态模量和相位角具有明显的频率依赖性和温度依赖性，适宜掺量橡胶粉的掺入能提高混合料的动态模量，同时使相位角减小；采用时-温等效原理可以将不同温度和荷载作用频率下的动态模量试验结果转化得到动态模量主曲线，适宜的橡胶粉掺量能使动态模量在整个频率（或温度）范围内的变化幅度减小，混合料的温度敏感性降低；动态模量与相位角的关系可以用半对数模型来表征；适宜掺量的橡胶粉能改变混合料的粘弹性质，主要表现为橡胶粉的掺入降低了混合料的总蠕变变形，同时又提高了混合料的总变形中弹性变形和可恢复粘弹变形的成分，从而降低永久变形；橡胶粉的掺入能增大混合料的蠕变劲度模量，其蠕变试验加载过程中蠕变劲度模量随时间的变化关系可以由幂函数形式来表征；橡胶粉掺入后混合料的疲劳寿命均会得到较大的改善，且改善效果在较低应力水平下表现更加显著；建议橡胶粉掺量不宜超过3%。 第三，在保证功能型预防性养护材料满足路用性能要求的基础上，展开对其降噪性能以及基于此材料太阳热反射涂层隔热降温性能的研究，掌握其性能的变化规律，并进行机理分析探讨。研究结果表明：橡胶粉的掺入能够改善混合料的降噪性能，提高其吸声系数，同时受到各种因素的影响，其中乳化沥青用量和橡胶粉掺量的影响显著；橡胶粉改性降噪的主要机理在于减振；根据沥青路面的光热环境，建立了沥青路面表面的热平衡方程；太阳热反射工作原理包括红外反射和辐射双重功能；通过自制的试验系统以及室内外试验测得的自制太阳热反射涂层的热反射率为62．8%，最大降温幅度达9℃左右，说明太阳热反射涂层有良好的降温效果。 最后，针对功能型预防性养护材料使用过程中存在的问题，结合参考微表处工程应用实例，从微表处施工技术中的施工组织、步骤和工艺，以及施工质量监控、检测与评价标准等方面进行了分析和总结，从而为功能型预防性养护材料施工提供了技术指导和借鉴。同时，也对功能型预防性养护材料进行了社会经济效益分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2研究目的及意义

1.3国内外研究现状

1.3.1道路预防性养护技术研究历程与概况

1.3.2沥青路面预防性养护技术研究

1.4研究内容及技术路线

1.4.1研究内容

1.4.2研究技术路线

第2章原材料与试验方法

2.1原材料技术性能与级配

2.1.1改性乳化沥青

2.1.2矿料

2.1.3填料

2.1.4添加剂

2.1.5水

2.1.6所用级配

2.2试验方法与设备

2.2.1改性乳化沥青及基本性能

2.2.2动态模量、粘弹性质及疲劳特性

2.2.3降噪试验

2.2.4隔热降温试验

第3章设计方法与路用性能研究

3.1性能要求和评价方法

3.1.1拌和试验

3.1.2粘聚力试验

3.1.3负荷轮碾压试验

3.1.4湿轮磨耗试验

3.1.5配伍性等级试验

3.2设计方法研究

3.2.1级配范围

3.2.2设计方法

3.2.3材料用量

3.3路用性能影响因素

3.3.1可拌和时间影响因素

3.3.2粘聚力影响因素

3.3.3粘附砂量影响因素

3.3.4耐磨耗性能影响因素

3.3.5抗轮辙变形能力影响因素

3.3.6水稳定性影响因素

3.4本章小结

第4章动态模量、粘弹特性与疲劳性能研究

4.1动态模量研究

4.1.1基本理论

4.1.2试验方法

4.1.3动态模量和相位角的频率依赖性和温度依赖性

4.1.4橡胶粉掺量对动态模量和相位角的影响

4.1.5改性乳化沥青对动态模量和相位角的影响

4.1.6动态模量主曲线

4.1.7动态模量与相位角关系

4.2粘弹特性研究

4.2.1基本理论

4.2.2研究方法

4.2.3蠕变变形

4.2.4蠕变劲度模量

4.3疲劳特性研究

4.3.1基本理论

4.3.2试验方法

4.3.3疲劳变形分析

4.3.4疲劳寿命分析

4.4本章小节

第5章功能性研究

5.1降噪性能研究

5.1.1基本理论

5.1.2试验方法

5.1.3影响降噪性能的主要因素

5.1.4橡胶粉降噪机理分析

5.2隔热降温性能研究

5.2.1热平衡分析

5.2.2沥青路面热平衡方程

5.2.3太阳反射涂层的基本原理

5.2.4太阳反射涂层的原料选择与制备

5.2.5试验方法

5.2.6试验结果分析

5.3本章小节

第6章工程应用研究

6.1施工机械设备和气候条件要求

6.1.1施工机械设备技术要求

6.1.2施工气候条件的要求

6.2对原路面的要求及处理方法

6.2.1对原路面的要求

6.2.2原路面的处理方法

6.3施工准备与试验段铺筑

6.3.1施工准备

6.3.2试验段铺筑

6.4施工步骤和施工工艺

6.4.1施工步骤

6.4.2具体施工工艺

6.5施工质量控制

6.5.1施工前材料与设备的检查

6.5.2施工过程的质量控制

6.6交工验收质量检测与评价

6.6.1交工验收时机的选择

6.6.2交工验收检测项目

6.6.3工程等级评定

6.7社会经济效益分析

6.8本章小节

第7章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果

致谢