新型添加剂在沥青路面中的应用研究

摘要

随着交通的高速发展,我国公路建设也突飞猛进,对路面材料也提出了更高的要求。常规的沥青混合料的性能已难以满足要求,必需对其加以处理以改善沥青的使用性能。在沥青中添加改性剂进行改性,是当前国内外研究的先进技术措施之一,市场上也因此出现了种类繁多的沥青添加剂。 目前国内对沥青添加剂已经做了一些研究,但工程应用尚处于初级阶段,仅仅局限于少数几种常用添加剂,对沥青添加剂的研究未能形成系统的理论基础。在一些地区对改性沥青还有一个认识过程。另外,市场上新型沥青添加剂种类繁多,很多对沥青及混合料的影响还不明确,缺乏系统的数据积累。 本文通过深入的研究多种添加剂的改性机理和对沥青混凝土的性能影响,为新型沥青添加剂的进一步工程应用提供参考。 主要研究内容如下： (1)不同添加剂对沥青胶结料高低温性能的影响研究 选取软化点试验、稠度试验和动态剪切试验(DSR)评价改性沥青胶结料的高温性能,选取延度、测力延度试验、直接拉伸试验和简支梁弯曲蠕变试验评价改性沥青的低温性能,并根据试验结果分析几种添加剂对沥青胶结料高低温性能的影响。在沥青胶结料高温性能方面,几种添加剂随着掺量增加都不同程度增大了弹性部分变形量,高温稳定性得到提高。加入TPS和上交大的沥青胶结料低温性能有所提高,加入路孚8000、Sasobit和Domix的沥青胶结料的低温性能改善不明显。 (2)改性沥青胶结料的微观结构研究 采用微观仪器对几种改性沥青胶结料进行观测,通过微观分析技术得到改性沥青的微观结构、常规试验方法得到改性沥青的技术性能指标值、运用回归分析方法建立改性沥青的微观结构与其使用性能之间的定量关系,为评价改性沥青的性能提供另一条简单而有效的途径；进一步明确与改性沥青使用性能相关性较好的微观结构参数；为通过微观结构控制改性沥青性能的设想作一探索,为开发改性沥青材料的组成设计新方法作一个基础的研究。 (3)改性沥青混合料的基本性能试验 根据选定的路面结构类型,采用符合实际环境因素、受力状态、变形过程的试验方法,来确定添加新型添加剂后沥青混合料的基本性能,包括高温性能、疲劳性能和低温性能,对不同类型新型添加剂对路用性能的改性效果进行对比分析。在试验时高温性能试验选取了车辙试验方法,并进行了车辙试验与沥青高温指标的相关分析,疲劳性能试验选取了四点弯曲疲劳试验方法进行,低温性能试验选取了低温小梁弯曲试验和约束试件温度应力试验进行。 TPS对沥青混合料的高温性能、疲劳性能均有明显的提高,但对低温性能提高不大；上交大改性剂对沥青混合料的基本性能有比较全面的改善,尤其对低温性能的改善效果最好；路孚8000对沥青混合料的高温性能的提高显著,但是疲劳性能极差,也对低温性能有不良影响；Sasobit的使用并没有使沥青混合料的基本性能有显著的提高,仅对对高温性能有所帮助,但疲劳性能和低温性能都下降了。 (4)沥青路面典型病害的发展规律研究 通过ABAOUS有限元程序,对车辙、反射疲劳裂缝和温缩裂缝等沥青路面典型病害的发展规律进行了研究,重点考虑沥青路面的温度场和应力场对沥青路面各层位的病害发展的不同影响,为不同层位评价标准的建立提供依据。同时,还对各病害的发展寿命进行了分析,为权重模型提供参数。车辙以蠕变模型为基础、反射疲劳裂缝和温缩疲劳裂缝以断裂力学模型为基础,采用与实际路面相符的应力场和温度场,以ABAQUS有限元程序进行数值分析,对各病害的发展规律进行了深入地探讨,并对半刚性路面典型病害的发展寿命进行了计算。 在加载的初期,沥青路面的车辙大幅度增加,初期的车辙量占到全部车辙量的一半以上。然后随着加载时间的增加,车辙量虽然也在增加,但是逐渐稳定,有保持不变的趋势。从沥青路面的各个层次来看,中面层的车辙量最大,几乎占到总车辙量的一半；其次上面层的车辙也较大,下面层的车辙最小。反射疲劳裂缝,随着裂缝的向上扩展,应力强度因子K2逐渐增加,裂缝的发展速度逐渐加快,发展初期的疲劳寿命对总疲劳寿命的贡献很大,占到总寿命的80％左右。 温缩疲劳裂缝,随着裂缝的向上扩展,应力强度因子K1逐渐增加,一般在沥青路面上面层就可以达到沥青混合料断裂韧度,然后便迅速形成贯穿整个沥青路面的横向温缩裂缝。 (5)沥青混合料综合评价的权重模型 分析现有各种求取权重的数学思想和数学方法,结合本文已有的研究成果,借鉴层次分析法的思想,通过改进比较矩阵法建立沥青混合料路面性能的权重模型。对沥青混合料性能的重要性程度进行了数学定义,完成了本文客观评价的基础。通过沥青混合料混合料路用性能的预估寿命,结合改进的比较矩阵法建立了权重模型,分别求取了上面层、中面层、下面层,以及整个沥青路面的各路用性能的权重。 从各路用性能的权重来看,上面层的沥青混合料设计应以抗车辙性能为主,兼顾疲劳性能；下面层的沥青混合料设计应以获得最大疲劳性能为主要目标；中面层的沥青混合料设计应以获得最大抗车辙性能为主要目标。 (6)不同添加剂改性的沥青混合料综合性能评价 将沥青混合料的基本性能指标的进行一致化处理,得到评价对象,并由改进的比较矩阵法求取的权重,得到了沥青混合料在面层的不同层位的综合性能指数,不同的添加剂的综合性能指数差异明显。TPs性能优异,几乎在各层位都是满分：上交大改性剂得分较高,能适用于各个层位；路孚8000,由于其疲劳性能较差,除了不能适用于下面层外,可以用于中上面层；Sasobit的综合评价系数,无论在哪个层位都不如基质沥青混合料。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.2国内外改性沥青研究情况

1.2.1沥青改性剂研究及其微观结构

1.2.2沥青胶结料及混合料高温性能研究

1.2.3沥青胶结料及混合料的低温性能研究

1.2.4沥青混合料疲劳性能研究现状

1.2.5沥青混合料综合性能评价研究现状

1.2.6小结

1.3研究的内容及技术路线

第二章新型添加剂对沥青胶结料高温和低温性能试验及评价

2.1沥青胶结料的高温性能试验

2.1.1针入度及针入度指数

2.1.2软化点

2.1.3稠度

2.1.4动态剪切试验

2.2沥青高温性能试验结果的灰色关联度分析

2.2.1灰色系统基本原理

2.2.2灰关联分析法的一般步骤

2.2.3常规沥青高温指标与动态剪切试验灰色关联分析

2.3新型添加剂对沥青胶结料的低温性能试验及评价

2.3.1沥青的延度

2.3.2测力延度试验

2.3.3沥青的直接拉伸试验

2.3.4沥青的简支梁弯曲蠕变试验

2.4本章小结

第三章改性沥青胶结料微观观测

3.1概述

3.2试验仪器和方法

3.2.1改性沥青微观观测方法

3.2.2试验设备介绍

3.2.3微观图象的采集

3.2.4试验图象处理

3.3改性沥青微观图象分析

3.3.1微观图象采集

3.3.2微观图象结构量化分析

3.3.3微观结构与使用性能关系的分析

3.4本章小结

第四章新型添加剂对沥青混合料高温性能影响分析

4.1车辙试验

4.1.1试验原材及级配

4.1.2试验结果

4.2车辙试验与沥青高温指标相关性分析

4.2.1沥青软化点与沥青混合料的车辙试验

4.2.2沥青稠度与沥青混合料的车辙试验

4.2.3沥青车辙因子与沥青混合料的车辙试验

4.3沥青混合料车辙试验与沥青高温指标相关性分析

4.4本章小结

第五章不同添加剂对沥青混合料低温及抗疲劳性能影响分析

5.1低温性能影响分析

5.1.1概述

5.1.2低温弯曲破坏试验

5.1.3约束试件温度应力试验(TSRST)

5.2新型添加剂对沥青混合料疲劳性能试验

5.2.1沥青混合料疲劳性能试验方法选择

5.2.2沥青混合料疲劳实验

5.3本章小结

第六章沥青路面典型病害的发展规律研究

6.1概述

6.2沥青路面的车辙发展规律研究

6.2.1沥青路面车辙评价模型选择

6.2.2 ABAQUS有限元的数值分析

6.3沥青路面反射裂缝疲劳发展规律研究

6.3.1反射疲劳裂缝评价模型选择

6.3.2ABAQUS有限元的数值分析

6.4沥青路面温缩开裂的发展规律研究

6.4.1温缩开裂评价模型选择

6.4.2ABAQUS有限元的数值分析

6.5本章小结

第七章沥青混合料综合评价体系研究

7.1基于层次分析法的沥青混合料性能权重模型研究

7.1.1层次分析法简介

7.1.2常用的权重模型

7.1.3改进的比较矩阵法

7.1.4沥青混合料性能的权重

7.2沥青混合料综合性能的评价研究

7.2.1不同层次的评价标准

7.2.2评价对象的一致化

7.2.3综合性能指数计算

7.3本章小结

第八章结语

8.1主要结论

8.2本文主要创新点

8.3进一步研究建议

致谢

攻读博士期间发表的论文

参考文献