水泥—沥青混合料
水泥—沥青混合料（精选12篇）
水泥—沥青混合料 第1篇
半刚性基层因具有良好的板体性、强度和刚度而被广泛的应用, 然而, 半刚性基层的抗变形能力差, 在温度和湿度变化时, 易产生收缩裂缝, 进而严重影响路面的使用性能。废旧沥青混合料在公路改扩建中已得到了广泛的应用。废旧沥青混合料中的沥青属于柔性材料, 有利于改善半刚性基层的收缩和变形。本研究对不同掺量废旧料 (40%、60%和80%) 水泥稳定碎石混合料的收缩性能进行了试验研究, 并与一般水泥稳定碎石 (CSM) 的收缩性能作比较。
1 原材料及配合比
1.1 原材料
本试验所掺废旧沥青混合料采用连霍高速公路郑洛段面层铣刨料, 油石比为4.4%;新骨料采用石灰岩碎石, 其基本性能指标符合路用要求;水泥采用缓凝复合硅酸盐水泥 (PC32.5) , 其基本性能测试指标均符合要求。
1.2 配合比设计
1) 级配设计。根据规范[4]中的骨架密实级配, 本文提出采用“S”型级配, 通过废旧料和新骨料所占比例调整级配, 合理设计出不同RAP料掺量的水稳碎石混合料和CSM的级配。
2) 击实试验。根据规程中T0804-1994规定, 采用重型击实法对不同RAP料掺量的水稳碎石混合料和CSM进行击实试验, 水泥剂量采用5%。
2 干缩性能
2.1 试验方法
本试验根据规程[5]中T0854-2009采用手持应变仪测量试件在一定失水率条件下的干缩变形。试件标养7 d后, 将其放置于干缩箱内, 在试验的前14 d, 每天测量试件的质量及其收缩变形量, 之后两天一测, 直到试件含水量不再减小, 体积基本保持不变为止。
2.2 结果分析
2.2.1 失水率对干缩性能的影响规律
1) 试验初期, 试件的干缩应变和干缩系数增长比较缓慢, 当失水率<2.5%时, 试件的干缩应变仅占最大干缩应变的30%左右, 而失水率已达到总量的60%以上。原因是试验初期, 干缩应变对失水率敏感性小, 干缩应变相对滞后, 之后随失水率的增大而急剧增加。
2) 当失水率趋于平稳时, 40%、60%和80%RAP料掺量的水稳碎石混合料的平均干缩系数相对于CSM分别减少了25.9%、36.4%和46.2%, 原因是RAP料中的沥青减少了混合料内部孔隙率, 甚至有一部分会变成封闭孔隙, 经过水泥稳定后, 随着水化产物的增加, 其内部孔隙进一步减少, 内部的水分难以蒸发, 从而使干缩应变减小[6]。
2.2.2 暴露时间对干缩性能的影响规律
1) 试验前7 d, CSM的干缩应变近似呈直线上升, 掺RAP料水稳碎石混合料的增长速率相对较缓;暴露时间达到30 d时, 所有混合料的干缩应变均趋于稳定。
2) 随着暴露时间的延长, 试件的干缩系数逐渐增大, 暴露时间在4 d以内时, 变化很小, 5~10 d内迅速增长, 且CSM比掺RAP料水稳碎石混合料的增长速率大, 而后缓慢增长, 最后趋于稳定。
3 温缩性能
3.1 试验方法
本试验根据规程中T0855-2009采用应变片法进行试件温缩变形量的测量。试件标养7 d后, 置于60℃的烘箱烘12h, 然后对试件进行表面处理, 粘贴应变片以及电线连接等, 再将试件横向放入高低温交变箱, 温度从50℃开始降温, 10℃为一温度段 (保持恒温3 h) , 直至试验终点温度-20℃。
3.2 结果分析
温度对温缩性能的影响规律如图1和图2所示。
1) 由图1可知, 所有混合料的累计温缩应变随着温度的降低呈线性增大, 变化趋势基本类似。由图2可知, 在正温度区间时, 所有混合料温缩系数在平均值附近上下波动, 在负温度区间 (-10~0℃) 时, 所有混合料温缩系数达到最大值, 随温度的进一步降低, 温缩系数呈下降趋势。这一点与已有的研究结果[7]基本一致。
2) 由图2可以得出, 在正温度区间, 掺RAP料水稳碎石混合料温缩系数基本上
4 结语
1) 掺RAP料水泥稳定基层在施工初期前10 d左右的养生条件至关重要, 建议施工后1周内必须进行湿法养生, 以防失水过大、干缩应变加剧, 从而过早地产生干缩裂缝。
2) 掺RAP料水稳碎石混合料的施工和养生适宜温度为10~20℃, 温缩系数变化较缓, 不易产生温缩裂缝;施工或养生温度<0℃时, 废旧沥青混合料中的沥青表现出脆性, 极易产生温缩开裂, 影响施工质量。
摘要：为了改善半刚性基层收缩性能, 文章提出了将废旧沥青混合料掺入到水泥稳定基层中, 通过室内试验, 对不同掺量废旧沥青混合料水泥稳定基层的干缩性能和温缩性能进行了分析研究。结果表明, 与一般水泥稳定碎石相比, 大掺量废旧沥青混合料水泥稳定基层能有效的改善其收缩性能。
关键词：水泥稳定基层,废旧沥青混合料,干缩,温缩,收缩性能
参考文献
水泥—沥青混合料 第2篇
沥青砼下面层采用走移动基准梁厚度控制方式连续作业，
摊铺机熨平板进行预热，预热温度达到100℃以上。将摊铺机两侧传感器置于移动基准梁上调整到适宜位置，并将振动夯板与振动熨平板调整至最佳位置，摊铺机准备受料，
水泥—沥青混合料 第3篇
摘要：作为道路与铁道工程专业的必修专业课程，“沥青与沥青混合料”教学目前仍存在很多的问题。根据实践教学活动，并结合该课程的特点，分别从理论和实验的教学方法和教学手段出发，针对不同专业要求、学生层次、教师业务水平和教材建设等方面提出了相应的改革设想，改革措施的重点和核心是要激发学生学习“沥青与沥青混合料”这门课程的兴趣，以及自主学习的动力和自主创新的实践能力。
关键词：沥青与沥青混合料；教学改革；理论教学；实验教学
作者简介：黄宝涛（1975-），男，山东邹城人，江苏科技大学土木工程与建筑学院，讲师。（江苏?镇江?212003）袁鑫（1982-），女，河南南阳人，东南大学土木工程学院博士研究生。（江苏?南京?210096）
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）20-0083-02
近十年来我国高速公路建设突飞猛进，截至2010年，全国高速公路达7.41万千米，车道总里程为32.86万千米。“五纵七横”12条国道主干线已经提前全部建成。沥青路面由于无接缝、行车舒适、施工快捷、维修方便、噪音低成为了我国高速公路的主要路面结构类型。沥青与沥青混合料的性能决定了我国高速公路沥青路面的长期使用性能，“沥青与沥青混合料”是道路与铁道工程专业的一门非常重要的专业课程，是道路建筑材料专业基础课程的深化，更是路面结构方向硕士和博士研究生的专业学位必修课。该课程主要包括沥青和沥青混合料两大部分。“沥青与沥青混合料”是集设计理论和试验操作、施工检测、质量评定、养护维修于一体的道路与铁道工程专业必修学位课。随着中国高速公路建设的迅猛发展，新型沥青路面材料、新型施工技术、新型养护维修工艺层出不穷，这些新情况给该课程的教学增加了难度。为了实现道路与铁道工程专业本、硕、博三级培养目标，让学生真正掌握这门课程的主要内容并能将其应用于我国高速公路的工程建设实践，必须不断进行课程教学建设，探索新的课堂教学方法和新的试验教学方法。[1]
一、课程教学存在的问题
沥青与沥青混合料的研究对象是由级配石子组成骨料、沥青胶砂组成粘结料、中间有孔隙气体或孔隙流体组成的固、液、气三相非连续多孔介质材料。沥青与沥青混合料是一门研究沥青混合料的设计方法、沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、动态特性及疲劳性能和沥青混合料的老化性能的学科，它是土木工程、道路与铁道工程、桥梁与隧道工程等多个专业本科生的专业基础课和硕士、博士生的专业必修课，该门课程的突出特点是集设计理论和试验操作、施工检测、质量评定、养护维修于一体。[2]课程横向跨度大，学该门课程前首先要掌握道路建筑材料、材料力学、非连续介质力学、接触力学、石油沥青和细观动力学等多门专业基础课。沥青与沥青混合料研究的对象学生没有接触过、比较生疏，材料设计公式繁多以及试验操作、施工检测、质量评定的过程复杂等，因此，本科学生不易理解和掌握。沥青的物理性能和沥青混合料的设计方法及其长期路用性能是“沥青与沥青混合料”课程教学的主要部分。由于“无法按照需要设计出满足性能要求的沥青路面材料”，且随着技术的进步、试验手段的革新、新型沥青混合料的设计理论不断更新，但沥青与沥青混合料教材更新速度滞后，课堂教学时学生基本都是单向地接受老师的传授，外加沥青与沥青混合料抽象，学生学习热情不高，研究生更是不能积极主动地自学。
沥青与沥青混合料试验操作和长期路用性能评价的方法是该门课程学习的一个重要环节和学生深入理解所获取知识的实践手段。但是，目前实验教学方面存在很多问题，实验项目的开设受限于高校实验室的硬件设施，由于实验室设备不足，只能进行演示性实验教学。加上近几年以美国SHARP研究成果为代表的surpave沥青混合料设计法需要的试验设备价格昂贵，比如：旋转压实仪、低温弯曲蠕变梁BBR试验仪、动态剪切DSR流变仪、析漏试验、肯塔堡飞散试验仪等只有教育部行业重点实验室或国家重点实验室才能配备。一般学校的实验室无法配备沥青与沥青混合料这种新型常规的教学试验仪器，教师只能进行课堂演示实验说明，更无法指导学生进行试验操作，这些都跟不上与时俱进的教学新形势，因此，沥青与沥青混合料试验教学改革方面首先要购买新型沥青混合料试验设备。通过具体的试验操作，激发学生对沥青与沥青混合料的学习兴趣，提高学生的创新意识和创新能力，因此，试验教学是提高学生综合素质的一种重要途径。
二、理论课程教学的改革探讨
如何更好地上好沥青与沥青混合料的基础理论部分，让学生直观生动地接受沥青混合料的设计方法和设计过程、掌握沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、动态特性及疲劳性能、沥青混合料的老化性能的相关力学参数指标和性能评价方法及手段等相关的知识结构是该门课程教学改革的首要任务。由于沥青与沥青混合料的基础理论部分涉及的影响因素太多，对于理论课的教学革新不能太着急，需要针对本、硕、博不同层次的专业知识要求，以及一本、二本、三本等不同素质的学生以及不同专业知识背景的教师等方面循序渐进地推进教学革新。
1.关于专业要求方面
沥青与沥青混合料是公路与城市道路工程、机场工程、道路与铁道工程、桥梁与隧道工程、交通规划与管理、交通运输工程等交通土建专业的学位专业课，因此，理论课程教学方式的革新需要根据专业的不同深度要求，进行有针对性的教学方式改进，对不同特色的专业的学生不能统一传授相同的知识体系。譬如交通规划与管理专业的学生对知识点掌握的标准就相对道路与铁道工程专业的学生的要低，则讲授过程中需要针对交通规划与管理专业的要求对沥青与沥青混合料课程教学内容适当精简压缩，学生只要知道沥青与沥青混合料的知识体系和什么场合铺筑什么类型的沥青混合料即可；对于道路与铁道工程专业的学生，在讲授沥青与沥青混合料课程时，要详细讲授车辆间歇时间、随机轴载组合，最佳沥青用量对沥青混合料路面的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、动态特性及疲劳性能、老化性能影响的内容；对于硕士研究生教学，考虑学生需要对工程问题出现的机理和工程对策的需要，必需按照“细观认识机理，宏观解决问题”的思路对学生进行讲授，应该从材料组成、优化设计、沥青混合料细观结构决定其宏观路用性能的观点，将非连续介质力学、接触力学和细观动力学等方面的知识传授给学生。
2.在针对不同素质的学生方面
自从开设“沥青与沥青混合料”这门专业课以来，课程的理论教学覆盖了不同层次的学生，包括道路与铁道工程的硕士研究生、道路与桥梁专业的一本、二本、三本等不同层次类型的学生。由于沥青与沥青混合料授课过程中涉及车辆间歇时间、随机轴载组合，最佳沥青用量对沥青混合料路面的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、动态特性及疲劳性能、老化性能等相关的知识结构，对于理科出身的学生学习“沥青与沥青混合料”要相对容易些，而文科出身的学生由于缺乏严密的逻辑思维能力，学习起来难度较大。因此，要针对不同基础的学生，有针对性地循序渐进、浅显易懂地传授相关的知识体系，在条件允许的情况下，可以通过到交通工程施工企业的实验室和施工现场实地参观调研，通过施工企业工作人员对沥青混合料设计、检验、施工、检测、性能评定、维修养护等全过程操作让学生深入理解掌握本课程关键知识内容。
3.关于任课教师方面
教师首先要具有深厚的知识结构，宽阔的道路与铁道的专业背景、丰富的施工组织管理经验、掌握沥青混合料路面的检测评定技能、有较高的教学水平和技巧。因此，任课教师要根据自身情况有针对性的去“充电”：缺少施工组织管理经验的要经常到施工企业去锻炼学习；缺少检测评定技能的要到有资质的道路检测机构去学习；教学水平欠缺的要去听优秀教师的课，以便掌握教学方式和方法；通过一系列的途径不断充实任课教师的专业知识体系和传授知识方式和方法。要求任课教师能够结合我国高速公路工程建设的最新情况，结合新型沥青路面材料、新型施工工艺、新的沥青混合料设计方法、新的检测评价指标和评价手段、与时俱进地传授给具有不同层次的学生。要有目的的搜集国内外沥青与沥青混合料方面的最近研究成果的图片，将高速公路、民航机场沥青道仓的新材料的跑道图片做进课件里面，通过多媒体激发学生对沥青与沥青混合料的学习兴趣和自主学习的能力，并且培养学生的思考和创新能力。
4.关于教材的选择方面
为了培养不同专业的学生，对硕士研究生、本一、本二、本三和成教等五个层次的学生，要有针对性地编写不同层次的沥青与沥青混合料培养计划和课程教学大纲，要根据专业特点和学生层次不同而确定知识传授的深度和宽度。譬如道路与铁道工程专业硕士研究生要多增加些如何从材料组成、级配优化设计和细观动力学、随机荷载下高速公路沥青路面结构与材料的动力特性等方面的知识内容。土木工程专业重点介绍些适合住宅小区轻型载荷下彩色沥青路面的级配设计、最佳沥青用量的确定等方面的知识特性。定期组织沥青与沥青混合料的专业教师对所选用的教材结合学生的掌握情况进行综合评价，使教材的选用更趋于人性化、合理化、学习效果高效化。[3]由于沥青与沥青混合料与道路建筑材料、材料力学、非连续介质力学、接触力学、石油沥青和细观动力学等多门专业基础课联系密切，交叉较多，在讲授时应将教学内容有侧重地精选和融会贯通，以提高课程的教学效率，让学生掌握课程的精华。譬如新型环氧沥青路面材料方面，一些教材增加了长大钢桥面环氧沥青表面铺装层等现代新型沥青材料的内容，在教材选订时优先选订有关我国高速公路、汽车专用道、二级干线公路，三级、四级县乡道路沥青路面设计与施工方面的最新研究成果内容的新版教材。[4]
5.关于教学方法与教学手段方面
教师要根据自己的专业特色背景和工程实践管理经验摸索出符合不同层次对象、不同专业特色、不同深度要求的课程教学方法和手段。笔者认为在课堂教学中，多介绍一些新型高速公路沥青路面、新型民用机场道面、长大纵坡重型交通沥青路面、耐疲劳抗退化的新型路面等工程实例，涉及的新型及设计方法和试验操作技能、施工检测手段、质量评定方法、养护维修新技术等概念都以工程实例图片进行讲解。另外，如何提高学生的学习积极性是任课教师首要的任务，这就要求教学中开展互动式，激发学生学习的乐趣，也可以通过专题视频短片的放映，让学生通过图像音频讲解，深化对课堂知识的认识。如果条件允许，可以在学校内部修建沥青路面试验段，理论课堂知识讲授完后，带领学生到沥青路面试验段参观，让学生近距离对课堂所传授的知识通过实物消化吸收，以便提高教学效果。
三、实验教学的改革探讨
对于沥青与沥青混合料实验教学来讲，教师对沥青混合料的各种仪器设备进行操作演示，学生再实地操作，这样培养学生的动手操作能力、学会整理测试资料和分析测试数据的能力。在操作过程中，学生将所学的知识融会贯通，若发现新问题，则请教师指点，这可以提高学生解决实际问题的能力，激发学生对科研的兴趣，以至于培养学生的创新意识。[5]如果实验室暂时没有相关的教学仪器设备，可以通过计算机仿真模拟软件，通过虚拟实验手段将实验过程给学生演示一遍，效果更形象直观且生动。
沥青与沥青混合料实验基本项目包括石油沥青的性能、石油沥青、乳化沥青、改性沥青、环氧沥青的技术标准以及评价方法，沥青混合料矿料的设计方法及最佳沥青用量确定的马歇尔稳定度试验、沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、动态特性及疲劳性能、沥青混合料的老化性能等实验。[6]
随着高校由教学研究型向研究教学型大学的转变和卓越工程师培训计划的开展，高校与企业的联系进一步加强，高校缺少的试验仪器和设备，可以利用企业的试验仪器设备来弥补，做到优势互补和双方共赢。另外，以美国SHARP研究成果为代表的surpave沥青混合料设计法所需的各种新仪器设备和各种先进的实验方法的诞生，要求实验教师充分利用高校与企业间的产学研合作项目，积极组织感兴趣的学生一起参与沥青混合料研究项目的实验过程，让学生在进行相关实验时，体验科研的乐趣、分享新成果取得重大突破的欢愉。学校也可以定期邀请具有交通工程甲级资质的相关企业高管或实验技术主管，来做关于实验的学术报告，让学生在轻松交流的气氛中掌握沥青与沥青混合料的最新成果和试验技能。
四、结论
“沥青与沥青混合料”课程的教学方式和方法的革新是个任重而道远的过程，本文主要是根据该课程教学中存在的问题，有针对性地分析了每一教学环节应该注意的事项和教学革新的内容。教师要结合不同层次对象、不同专业特色、不同深度要求的培养目标，有针对性地增减和优化教学的具体内容、采取合适的方式和技巧激发学生的学习兴趣、结合卓越工程师培训计划的开展，任课教师要在教学方法与手段和实验实践等环节方面不断地创新与实践，强调学生主动性和创新性，以培养我国交通行业急需的各类专业技术人才，促进高速公路交通事业的发展。
参考文献：
[1]苏丽娜.《道路建筑材料》课程教学改革刍议[J].洛阳理工学院学报(自然科学版),2008,(1):84-87.
[2]汪海年.《道路建筑材料》教学方法的改革探讨[J].石家庄铁路职业技术学院学报,2009,(1):106-109.
[3]李锐铎,王宇斌.新形势下道路建筑材料试验教学方法改革探讨[J].内江科技,2010,(1).
[4]丁华.道路建筑材料课程教学改革探讨[J].西南农业大学学报(社会科学版),2011,(5):204-205.
[5]张彩利,李宁利,等.《道路工程材料》教学改革探讨[J].教育教学
论坛,2012,(8):123-125.
[6]王正君,刘春花.加强道路建筑材料实践教学环节的研究[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2007,(9):55-56.
水泥—沥青混合料 第4篇
1 温拌沥青混合料的目的
《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004规定:沥青路面不得在气温低于10℃ (高速公路和一级公路) 或5℃ (其它等级公路) , 以及雨天、路面潮湿的情况下施工, 但是某些时候由于施工期较短, 为了工程进度在低温下铺筑沥青混合料的客观情况还是存在, 在低温下铺筑沥青路面容易出现以下问题:沥青混合料与环境温差大、降温快;摊铺困难, 平整度难以保证;压实困难, 难以获得理想的压实度和密水性。通过温拌沥青混合料能够很好地解决上述问题, 同时又能防止沥青混合料拌合过程中温度过高导致沥青老化, 还能起到节能减排的效果。
2 现有可实现温拌的技术
根据实现温拌方式的不同可分为四大类[3]。
2.1 泡沫沥青法
典型技术是WMA-Foam, 它是在拌和的不同阶段将软质沥青和硬质泡沫沥青加入到混合料中, 第Ⅰ阶段将温度为100~120℃的软质沥青加入到集料中进行拌和, 以达到良好裹覆;第Ⅱ阶段将极硬的沥青泡沫化后加入到预拌的混合料中再进行拌和。
2.2 沥青-矿物法
典型技术是Aspha-Min, 采用的矿物是一种合成沸石。在沥青混合料拌和过程中将这种粉末状材料 (大约0.3%) 加入进去, 从而使沥青连续地发泡反应。泡沫起到润滑剂的作用, 使混合料在较低温度 (120~130℃) 下具有可拌和性。
沸石 (水合硅酸铝结晶粉末) 由德国的Eurovia公司生产。沸石中含有约20%的结晶水, 在85℃以上时水分散失出来, 从而使沥青发泡。
2.3 表面活性剂法
目前国内用的比较多且较成熟的水溶液温拌添加剂主要是基于乳化平台技术的水溶液添加剂。该技术主要是通过将皂液浓缩液直接加入搅拌锅进行沥青混合料拌和从而降低混合料的拌和温度达到降温的作用效果, 其拌和温度通常为100~130℃, 施工所需设备和施工工艺与热拌沥青混合料基本相同。主要代表产品为:Evotherm DAT。
2.4 有机添加剂法
该类温拌添加剂目前以Sasobit合成蜡为主。
3 温拌与热拌沥青混合料的性能比较
本次试验以AC-13和SMA-13两种类型的沥青混合料通过温拌和热拌方式, 对它们的各项路用技术指标进行比较, 使我们对温拌沥青混合料的路用性能有了进一步的认识。
3.1 原材料性能
(1) 沥青。沥青采用韩国SK-70道路石油沥青, 抽检结果见表1, 显示沥青各项技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004规定。改性沥青采用SBS改性剂, 改性剂用量采用5%, 具体性能指标见表1。
(2) 粗集料。粗集料应洁净、干燥, 表面形状为立方体, 且无风化、无杂质, 并有足够的强度、耐磨耗性。本试验采用的是玄武岩, 主要技术指标参数见表2。
(3) 细集料。细集料采用机制砂。机制砂应洁净、干燥、无风化、无杂物, 且有适当的颗粒级配, 同时要求与沥青有良好的粘附能力, 相关指标试验结果见表3。
(4) 填料。矿粉不得含有泥土等杂质, 应干燥、洁净、无团粒结块。其技术指标经检测结果见表4。
3.2 合成级配设计
本试验采用AC-13型沥青混凝土和SMA-13两种级配类型材料, 级配组成见表5。拌和沥青分别采用基质沥青和改性沥青, 拌和方式分别采用热拌和温拌, 本次温拌沥青主要是通过表面活性剂法 (DAT浓缩液) 来实现的, 温拌浓缩液与沥青质量比5∶95, 基于表面活性剂法的温拌沥青混合料在基本不改变沥青混合料材料配合比的前提下, 沥青混合料拌和温度大致降低30~40℃。
3.3 热拌沥青混合料和温拌沥青混合料路用性能评价
(1) AC-13温拌与热拌沥青混合料的性能对比见表6。
(2) SMA-13温拌与热拌沥青混合料的路用性能对比见表7。
从表7的数据对比, 可以看到温拌沥青混合料的路用性能符合热拌沥青混合料的技术要求, 由于温拌沥青混合料拌和温度降低30~40℃, 沥青老化降低, 所以温拌能够提高沥青混合料抗水损坏、抗车辙等性能。
3.4 温拌沥青混合料的压实性能
(1) 针对采用温拌和热拌不同方式下, AC-13改性沥青混合料在不同出料温度下试件的空隙率进行对比, 见表8。
从表8可以看到热拌AC-13混合料的空隙率随着温度的降低逐渐增大, 温拌改性沥青混合料在95~125℃温度区间内, 空隙率基本不变, 说明温拌沥青混合料的可压实性能基本变化不大。
(2) SMA-13温拌改性沥青混合料不同出料温度下试件的空隙率, 见表9。
从表9也可以看到温拌SMA-13与温拌AC-13混合料相类似, 温度处在110~130℃之间, 空隙率基本不变, 说明可压实性能基本变化不大。
4 结论
(1) 温拌沥青混合料降温效果显著, 通常比热拌沥青混合料温度低30~40℃, 缓解了热拌工艺环境下污染严重、能耗大、沥青老化等问题[4];
(2) 温拌沥青混合料的各项路用性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》相关要求, 水稳定性、抗车辙能力甚至优于热拌沥青混合料;
(3) 在某一温度范围内, 温拌沥青混合料的可压实性能随着温度变化不大, 保证了施工时有较长的压实时间, 有效地提高了路面压实度。
摘要：介绍了目前实现温拌的四种技术途径, 以表面活性剂法为例, 通过对温拌AC-13、热拌AC-13、温拌SMA-13、热拌SMA-13等几种混合料进行试验比较, 分析了温拌沥青混合料路用性能及其优势。
关键词：温拌沥青混合料,热拌沥青混合料,路用性能,比较
参考文献
[1]JTJ052-2000, 公路工程沥青及沥青混合料试验规程
[2]JTG F40-2004, 公路沥青路面施工技术规范
[3]王庆胜, 辛星, 杨数人.水溶液类温拌添加剂对沥青及混合料性能的影响[J].公路交通科技, 2011 (12) :94-97
沥青混合料纤维加强作用的研究 第5篇
通过对沥青混合料掺加纤维的研究,系统分析了纤维加强沥青混合料的.马歇尔稳定度、水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性及耐疲劳性能,探讨了纤维增强沥青混合料的强度形成机理,并与普通密集配沥青混凝土进行了对比、分析,结果表明:纤维沥青混合料是一种具有优良品质的沥青路面材料.
作 者：李文龙 韩君良 李文琦 LI Wen-long HAN Jun-liang LI Wen-qi 作者单位：李文龙,李文琦,LI Wen-long,LI Wen-qi(新疆伊犁公路总段,新疆,伊宁,835000)
韩君良,HAN Jun-liang(西安公路研究院,陕西,西安,710054)
废旧沥青混合料的再生利用 第6篇
关键词：沥青路面；混合料；再生利用
在沥青路面经过一段时间的使用之后，因为交通荷载力和自然因素的综合作用，使用一定年限以后，需要对沥青路面进行大面积的维修，有的时候甚至可能会对沥青的全段路面进行重新的梳理和修整，但是大面积的维修而产生的废旧沥青混合料，一方面会对环境造成污染，另一方面也浪费了资源，研究废旧沥青混合料的再生利用，可以在一定程度上产生巨大的社会效益和经济效益，由此可见对，废旧混合料的再生利用已经成为当下的一个主要话题。
1 废旧沥青再生混合料的设计和搅拌工艺研究
1.1 废旧沥青再生混合料配合比设计研究
再生沥青混合料配合比的设计和普通沥青混合料的设计方法存在着一定的相似之处，但是也有着一定的不同之处。废旧的沥青一般具有较大的含量，而且沥青的老化程度和集料级别的离散性也比较大，这会直接对旧料的利用率产生影响，而产品比例和拌合也会受到一定的影响，最终可能会对沥青的再生利用质量产生影响[1]。所以为了更好的保证再生沥青混合料的路用性能和路用价值，对再生沥青混合料配合的设计过程需要遵照如下步骤：①需要对于旧沥青的混合料进行破碎处理，烘干之后再进行离心处理，将覆盖在史料上的沥青除掉，然后进行水洗和烘干，对废旧沥青混合料矿料的级配组成比例进行确定；②对目标及配合机组旧料掺配比例进行选择，同时在根据目标及配合相关的旧料产品比例，重新对新旧集料的各档掺配比例进行确定；③以沥青的再生结果为依据，对施工的可行性进行综合性考虑，将不同组的油石比和级配下所需要的新沥青和再生剂的用量进行确定；④对拌制工艺进行选择。
1.2 废旧沥青再生混合料拌制工艺研究
做好再生沥青混合料的拌合工作，在拌合的时候需要对再生剂所加入的方式予以考虑，进而确保在生计与旧料当中的历经作出充分的混溶，以便于达到最好的再生效果。而在旧料当中因为沥青老化严重，加之沥青表面的坚硬程度较大，所以软化点相对来说较高，在这种情况下，对其进行熔融，那么就需要将温度加热到最高，但是如果温度较高，可能会导致沥青在热氧化的作用下，发生进一步的老化，会对其性能造成一定的影响[2]。所以在进行拌合的时候，对旧料进行预热十分重要，需要通过预热实验来寻找一个合适的温度。同时因为再生混合料的拌合温度和时间与普通的混合料存在着一定的不同之处，所以调整拌合时间和拌合温度能够促使再生剂充分的溶解，进而渗透到旧沥青当中，也能够促使其核心沥青进行良好的混熔。
2 旧沥青路面再生方法研究
2.1 再生方法分析
现如今，在对沥青路面进行再生时，一般会涉及到4种方法，厂拌冷再生现场热再生和现场冷再生。
厂拌热再生一般是通过工厂进行，需要将沥青的混合路面进行铣刨以后运回工厂，然后对这些废料进行破碎和筛选，之后进行进一步的处理，将其废旧沥青当中的含量和沥青的老化程度进一步进行确定，以便于更好地对石料的级配进行确定。在此基础上根据沥青的混合料作出设计，确定所需要添加的各种新集料的各档比例，并在此基础上对再生剂与新沥青的混合比例予以确定，再进行拌合，按照新沥青混合路面完全相同的方法，对路面进行重新的铺筑，这种方法目前被广泛地应用在不同条件下的旧沥青路面再生当中。
而厂拌冷再生是将沥青混合楼面的相关材料运回厂，同样进行搅拌，当破碎以后，相关的混合料当做骨料重新加入适当的水泥和石灰再一次进行搅拌，并将其扑住在基层与底基层[3]。这种再生的方法存在必然的缺点，最大的缺点是不能够充分地对废旧的材料当中的旧沥青予以充分的利用，同时旧沥青也在一定程度上对混合料产生一定的影响，对混合料的抗压强度产生影响。但反过来讲这种情况也具备一定的优点，因为在生产过程中，这基本上不需要相关的专用设备来支持就能够实现。
而现场热再生主要是在现场进行的一种再生，这种再生也被称之为表层再生。其主要方法是通过一系列的加热、翻耕、混拌、摊铺和碾压等工序来实现的。这种方法能够一次性地将旧沥青的混凝土路面再生实现，同时也不需要对旧废的沥青混合料进行运输，具有较高的时效和功效。
最后是现场冷再生，现场冷再生主要是通过专用的生机械在现场进行铣刨、破碎、加入新的料进行拌合、摊铺和预压，然后通过压路机进行进一步的压实处理。这种情况可以主要应用在低级别的公路路面的修建中。
2.2 再生方法的比较
对以上几种再生方法进行比较，现场热再生与现场冷再生都能够满足较高级别的路用性能，而厂拌冷再生却不具有较高的现实意义，它也不能称之为真正意义上的沥青再生，这种方法只能在较为低层次的路面进行应用，而且应用的范围也受到了限制。厂拌热再生具有较优越的适应性，这能够通过沥青混合料的合理搭配进行严格的设计和生产使用。再生沥青混合料能够在很大程度上确保相关指标能够达到标准，而厂拌热再生能够对原路费用资料进行重新利用，而且能够将相关的材料进行回收，以及其他的工程，符合废物再利用的原则，能够将沥青混合料的废料价值最大程度地挖掘出来。
3 结语
本研究主要分析废旧沥青混合料的再生利用，通过本研究的分析，对废弃物沥青混合料进行再生利用能够有效的缓解环境问题，同时也有助于废物再利用，但是需要充分的考虑工艺的应用。
参考文献：
[1]魏荣梅，余剑英，吴少鹏，董华均，张咏梅.紫外光老化对沥青化学族组成和物理性能的影响[J].石油沥青，2015，22（01）：175-176.
[2]张金喜，李娟.我国废旧沥青混合料再生利用的现状和课题[J].市政技术，2015，21（06）：56-58.
沥青路面沥青混合料针对性设计 第7篇
近年来,随着交通量不断增长以及车辆行驶的渠化,高温车辙病害已成为我国高等级公路和城市道路早期损坏的主要形式。究其原因,主要是沥青路面在高温季节行车荷载反复作用下永久变形的累积,轮迹处沥青层厚度减薄,削弱了面层及路面结构的整体强度。另外,因雨天车辙内积水而导致车辆飘滑和车辆更换车道时方向失控,影响了行车的安全。
目前大部分治理工作都集中在沥青路面养护维修阶段,而在沥青混合料设计时考虑得相对较少,导致了在道路使用阶段养护费用的增加,造成了不必要的浪费。下面根据车辙产生的主要原因提出针对性设计措施。
1 沥青路面车辙产生原因
我国高等级公路和城市道路主要是灰土路基和半刚性基层沥青路面组成的路基路面结构,路基的强度较高,在交通荷载作用下形成的结构型车辙较少,而面层沥青混合料的高温稳定性不足导致的失稳型车辙则是主要的。该类车辙主要由沥青混合料原材料性能、配合比和中面层混合料设计方面的原因引起。
1.1 集料表面纹理和颗粒形状的影响
实践证明,悬浮密实型沥青混合料抗车辙能力较差,主要原因是集料颗粒和颗粒之间未形成嵌挤骨架。若集料颗粒表面粗糙,形状接近立方体,集料易形成嵌挤结构,则有利于沥青混合料抗车辙性能的提高。
1.2 矿料化学性质的影响
矿质材料的性质对沥青混合料高温稳定性的影响,主要从它与沥青的相互作用表现出来,能够与沥青起化学吸附作用的矿质材料,可提高沥青混合料的抗变形能力。
在矿质混合料中,对沥青混合料高温稳定性影响最大的是矿粉。因为矿粉具有最广大的表面,特别是活化矿粉,活化矿粉对提高沥青混合料的抗剪切能力起特殊作用。由于活化的结果改变了矿粉与沥青相互作用条件,改善了吸附层中沥青的性能,从本质上改善了沥青混合料的结构力学性质。
1.3 沥青性质的影响
对于组份确定的混合料,其车辙性能将取决于沥青的高温粘度、劲度。另外,沥青中含蜡量偏高,蜡在高温时融化使沥青粘度降低,影响高温稳定性,增大沥青的温度敏感性;蜡使沥青与集料的亲和力变小,影响沥青的粘结力。
1.4 矿料级配的影响
沥青混合料的矿料级配,对路面抗剪强度的影响很大。沥青混合料中,起骨架作用的粗集料必须有足够数量,才显示出较大的内摩擦力和抵抗变形能力。足够数量中间的颗粒使沥青混合料有良好的和易性和要求的密实性。细集料用量过多会使沥青混合料在车辆荷载作用下的一部分弹性变形不能及时恢复。
关于级配类型传统想法认为,间断级配混合料的抗车辙能力优于连续级配混合料,但试验表明,合理连续级配混合料的高温稳定性优于间断级配的沥青混合料,但SMA除外。
沥青混合料中矿粉与沥青的比值即粉胶比,对沥青混合料抗剪强度影响很大。在一定范围内,其比值越大,则抗剪强度和抵抗变形的能力愈高。然而,当矿粉与沥青比例一定时,较多数量的矿粉将引起沥青混合料抗变形能力的降低。
1.5 沥青混合料空隙率VV、矿料间隙率VMA的影响
沥青混凝土的抗剪强度取决于粘聚力和内摩阻力,它们的高温稳定性不仅与材料本身的性质有关,而且与混合料的空隙率有密切关系。VV较大的沥青混合料,路面抗剪强度主要取决于内摩阻力,而内摩阻力基本上不随温度和加荷速度而变化。因此,具有较高的高温稳定性;VV较小的沥青混合料路面,则相对来说沥青含量较大,温度升高沥青粘度降低,粘聚力和内摩阻力也降低,使沥青混合料抗变形能力下降。
VMA过大或过小都会对沥青混合料的路用性能产生不利影响。VMA过大主要是由于沥青用量过大、细集料用量偏多等原因造成,这会对沥青混合料高温稳定性产生负面影响,容易出现车辙病害。VMA过小主要是由于沥青混合料的VV和沥青用量过小造成的,同样会对沥青混合料的高温抗变形性能产生不利影响。
1.6 路面中面层沥青混合料性能的影响
我国沥青路面面层结构一般为上、中、下三层,大量试验研究结果显示,沥青面层的最大剪应力位于中面层。其次是上面层,最后是下面层。我国不少设计部门往往只重视上面层的沥青混合料设计,忽视中面层的车辙控制,造成整个面层的总车辙量增大。
2 沥青混合料的针对性设计措施
2.1 原材料的选择
2.1.1 集料
考虑集料外形对混合料抗车辙能力的影响,应优先挑选碎石含量多的矿料,并控制碎石中的扁平、针状颗粒的含量不超规定,同时粗、细集料都必须有较好的表面纹理和粗糙度。考虑沥青与集料的粘附性对沥青混合料高温稳定性的影响,混合料最好采用碱性集料,如石灰岩、玄武岩等。
2.1.2 矿粉
碱性矿粉表面具有活性,这种活化矿粉与沥青相互作用,形成了较强的结构沥青膜,大大提高了沥青的粘聚力,降低了沥青混合料的部分空隙率,因而降低了自由沥青的含量,这对沥青混合料抗剪切能力有很大提高。因此,应选用石灰岩轧磨的矿粉配制的沥青混合料。
2.1.3 沥青
(1)根据不同温度的车辙试验研究结果,沥青混合料温度在软化点附近时,产生车辙的速率最快,因此我国南方等温度较高和交通量较大的地区应优先选用针入度较小、软化点高的沥青,考虑与其它改性剂相比,SBS改性剂提高混合料软化点的效果最好。
(2)应采用含蜡量低的沥青。
(3)选用粘度高的沥青。
2.2 矿料配合比
(1)上面层和中面层沥青混合料宜采用嵌挤型级配,如S型嵌挤密实型级配和SMA间断级配。嵌挤型沥青混合料的强度是以矿料间的嵌挤力和内摩阻力为主、沥青粘结力为辅而构成,其受温度影响较小。
(2)改变采用粗级配抗车辙能力较强的传统观念,上面层和中面层沥青混合料宜采用中级配。
(3)选择合理的VMA。
2.3 沥青用量
(1)确定上、中面层沥青混合料的沥青用量时,采用略小于马歇尔试验确定的最佳沥青用量OAC的值。
(2)适当增大粉胶比,保持粉胶比为1～1.2。保证集料颗粒表面具有充足的沥青膜厚度,以确保沥青与集料之间具有足够的粘结力。
2.4 空隙率
研究表明,剩余空隙率达6%～8%的沥青路面和剩余空隙率大于10%的沥青碎石(表面需加密实防水层)路面,在陡坡路段和停车站处经10年的使用,均平整稳定,未出现波浪、推挤等病害。即使是使用稠度较低、粘结力较小的渣油作为胶结材料也能保证必要的高温稳定性;而剩余空隙率为1%～3%的沥青混凝土路面却出现了严重的车辙病害。
3 结论
(1)沥青路面车辙的产生与集料表面纹理和颗粒形状、矿料化学性质、沥青性质、矿料级配、沥青混合料空隙率、矿料间隙率、路面中面层沥青混合料的性能有关。
(2)沥青混合料原材料选择时,粗细集料宜优先挑选碎石含量多的矿料,并控制碎石中的针片状颗粒的含量不超规定,上、中面层混合料尽量选用玄武岩。
(3)沥青混合料原材料选择时,矿粉宜选用石灰岩轧磨的矿粉。
(4)上、中面层沥青混合料均可使用SBS改性沥青,基质选用含蜡量低、粘度高的沥青。
(5)矿料级配宜采用S型嵌挤密实型级配和SMA间断级配;不要盲目选用粗级配,中级配往往效果更加;用合理的VMA控制矿料配合比设计。
(6)上、中面层沥青混合料采用略小于马歇尔试验确定的OAC的值;适当增大粉胶比,保持粉胶比为1～1.2。
(7)沥青混合料配合比设计时,要控制沥青混合料的设计空隙率为3%～4%。
参考文献
[1]Kevin D Stuart,Walaa S Mogawer,Pedro Rom-ro.Validation of Asphalt Binder and Mixture Tests That Measure Rutting Susceptibility[M].FHWA-RD-99-204,2000
[2]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京:人民交通出版社,2001
[3]JTG F40—2004,公路沥青路面施工技术规范[S]
[4]沈金安.沥青与沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001
再生沥青混合料的混合效率研究 第8篇
随着再生沥青混合料 (RAP) 越来越多地应用于沥青路面施工, 新旧沥青混合效率问题一直被道路研究者所关注。一般来说, 经历过服役期的沥青路面在车辆荷载和外界环境的反复作用下, 结合料不同程度地被氧化, 稠度变大。然而, 当将旧结合料应用于新路面结构时, 人们一般假定新旧沥青是完全混合的, 这个假定对沥青路面的长期服务性能起着至关重要的作用。如果稠度很大的旧沥青没有与新沥青均匀地混合在一起, 再生沥青路面结构性能将得不到保证。
很多道路研究者针对再生沥青混合料的研究做了大量工作, 自2000年以来, 国内开始对沥青路面结合料的老化行为和再生机理进行系统深入的研究, 并结合地区情况加以应用。但与发达国家相比, 我国的沥青路面再生技术还处于起步阶段, 缺乏必要的理论指导, 混合料的性能评价也有待深入研究。交通部于2008年发布了《沥青路面再生应用技术规范》 (JTG F41-2008) , 对指导我国沥青路面再生技术的应用和推广具有积极的推动作用[1]。为了有效回收利用翻修产生的沥青废料, 需开展废旧沥青材料与新沥青的混合效率研究, 该研究具有显著的经济、社会和环境效益。一般来讲, 沥青路面在车辆荷载和外界环境的反复作用下, RAP材料中沥青经过长期老化而变硬变脆[2]。然而, 当旧结合料应用于新路面结构时, 人们一般假定新旧沥青是完全混合的, 这个假定对沥青路面的长期服务性能有较大影响[3]。如果稠度很大的旧沥青没有与新沥青均匀地混合在一起, 再生沥青路面结构性能将得不到保证。研究新旧沥青混合效率而恰当地设计路面结构, 服务整个道路使用寿命是一项很重要的工作。黄宝山和Bowers等人为了评价新旧沥青混合效率采用了DSR和有限元分析等方法[4], 中国对RAP材料的研究开展较晚, 目前还没有一个成熟的应用指导意见。
笔者主要对新旧沥青的混合效率进行细致的研究, 并对不同的研究结果对比分析, 包括施工拌合工艺、研究方法对新旧沥青混合效率的影响, 得出目前研究新旧沥青混合效率的方法对于恰当设计路面结构而服务整个道路使用寿命是很重要的。另外, 从保护环境、节约能源和经济的角度考虑, 旧沥青与温拌剂结合使用是非常有必要的。
2 材料选择与试验方法
2.1 材料选择
PG 64-22新沥青、新集料、回收沥青混合料。回收料应在筒形辊机中处理2min后对其标准筛分, 收集仅落在2.38mm孔径上的细料, 保证集料没有灰尘、团聚现象;新集料为石灰岩, 也对其进行标准筛分, 收集落在12.7mm孔径上的粗集料;经处理后的回收料对其抽提, 测得沥青含量为3.26%。拌合试验要求混合料的沥青含量为3%, 65%的回收料, 35%新集料, 加入新沥青的量是集料重量的0.91%, 新沥青掺量由室内试验得到。温拌剂分为表面活性类和蜡类2种, 其掺量分别为沥青总量的0.42%和1.5%, 根据不同的拌合工况将相应温拌剂加入热沥青中搅拌均匀。
2.2 拌合试验
新沥青和新集料加热拌合, 为了确保新沥青很好地裹覆到新集料上, 待拌合1min后, 再加入回收料一起拌合至试验设定时间, 试验工况见表1。拌合完成后把粗料与细料分离, 按照AASHTOA T164的标准方法用正溴丙烷作溶剂分别对粗、细料做溶液抽提, 回收沥青。
2.3 DSR试验
回收的沥青做DSR和频率扫描试验, 温度为10℃, 25℃和40℃, 频率为0.01、0.1、1、10、20和25HZ, 历时8s, 最终生成25℃下的DSR主曲线。
2.4 GPC方法
凝胶渗透色谱法 (简称GPC法) , 是用来测定高聚合物相对分子质量及其分布的快速而可靠的方法, 可以评价沥青结合料特性。依据以往研究, 混合效率定义为粗集料里大分子含量与细集料里大分子含量的比值, 其表达式为:
3 结果分析
3.1 拌合时间影响分析
复数模量随拌合时间变化的主曲线如图1所示, 粗集料里回收的沥青流变特性较好且拌合时间在30s、60s、105s时没有明显差别, 细集里回收的沥青流变性较差, 这种情况下可以判断从粗集料中回收的沥青没有混合旧沥青。但是当拌合时间增加到150s时, 在较低的拌合频率下复数模量明显增大, 这表明从粗集料中提取出了旧沥青。
由图2中的数据得出:拌合温度为60℃, 拌合时间从30s增加到150s的工况下, 混合效率大约从55%增加到将近80%。将拌合时间 (分别30s、60s、105s、150s) 与混合效率线性回归, 得出拟合方程:混合效率%=0.1591x拌合时间+49.73。
假定整个拌合时间内, 混合效率与拌合时间呈直线变化, 由回归方程知, 混合效率达到100%所需要的拌合时间约为5min, 在实际工程中是不现实的。但是在室内尝试着做了拌合时间为5nim的情况, 得出了一个重要结论:拌合时间从150s增加到300s, 混合效率仅仅从77%增加到78%, 通过增加拌合时间来提高混合效率是几乎没有意义的。而且拌合时间超过150s后, 拌合时间与混合效率不成线性关系, 出现这种结果很可能是拌合时间过长, 混合料温度下降所致, 也可能是持续提高拌合温度混合效率不会继续提高。当然, 300s的拌合时间应用于施工现场是不实际的。
3.2 拌合温度影响分析
混合效率随拌合温度的变化如图3所示, 细集料的旧沥青大分子量百分率没有明显增加, 可能是由于粗集料上的沥青正在接收RAP中旧沥青分子;也可能是由于新的热集料与新热沥青可以促进旧沥青溶解, 并且新旧沥青进一步相互扩散;还有可能是温度增高, 新沥青被氧化而变硬, 同时旧沥青的稳定性也有利于一部分新沥青被氧化。但是必须考虑到温度升高对混合效率的潜在影响, 这一部分的研究仍在继续。
3.3 温拌剂影响分析
分别对2种温拌剂的使用效果进行了评价, 对比分析得出两者都有利于新旧沥青混合, 但是具体表现有差异, 添加表面活性类与其它2种方法相比更有利于提高混合效率。这表明:表面活性类温拌剂确实有助于新旧沥青混合, 蜡类温拌剂似乎可以改善混合料的工作性, 粗集料与新沥青拌均匀后更容易裹覆RAP材料。在拌合时间更长、温度更高的条件下, 进一步研究蜡类与表面面活性类温拌剂的作用时发现:蜡类温拌剂也提高了RAP的掺合能力。
4 结论
为了评价拌合时间、拌合温度与温拌剂对新旧沥青混合效率的影响, 用大量新集料, PG 64-22新沥青、回收料中的细料作为拌合原材料。对9种工况下的混合料进行拌合试验, 拌合后将裹覆有沥青的粗细集料分开并分别抽提, 回收沥青, 采用DSR和GPC试验方法, 研究沥青的流变特性和分子量分布, 得出以下结论:
4.1 在一定的拌合条件下, 新旧沥青混合效率能达到80%以上。
4.2 拌合时间增加, 新旧沥青混合裹覆到新集料上。
4.3 拌合时间超过2.5min, 即使拌合时间与混合效率呈线性关系, 对提高混合效率的作用也很有限。
4.4 拌合温度对混合效率有显著影响, 拌合温度从130℃上升到180℃, 混合效率从59%增加到70%。
4.5 拌合温度超过180℃时, 回收料里的大分子含量没有明显增加。
4.6表面活性类温拌剂对提升新旧沥青混合效率有显著影响, 掺加温拌剂拌合条件在130℃、105s混合料达到76%, 等同于不掺温拌剂拌合条件在160℃、150s的情况。
参考文献
[1]郑南翔, 侯月琴, 纪小平.老化沥青再生性能的预估分析[J].长安大学学报 (自然科学版) , 2009, 29 (3) :6-10.
[2]谭忆秋, 王佳妮, 冯中良, 等.沥青结合料紫外老化机理[J].中国公路学报, 2008, 21 (1) :19-24.
[3]Zhao, S., Huang, B., Shu, X., et al..Compara-tive evaluation of warm mix asphalt containing high percentages ofreclaimed asphalt pavement[J].Constr.Build.Mater., 2013, 44, 92-100.
沥青混合料中矿料级配的研究 第9篇
1级配设计
由于试验量的限制不可能考虑到所有级配情形, 本文粗集料的结果组成采用堆积密度试验进行逐级堆积, 得到间隙率较小的矿料级配作为优化后的粗集料合理结构组成, 通过选取典型的矿料级配进行重点研究。
1.1原材料
试验所用粗集料为漳州地区的灰绿岩碎石;细集料采用灰绿岩机制砂;将原材料筛分为单粒径进行试验研究。沥青采用厦门华特沥青实业有限公司70#A级道路石油沥青。
1.2堆积密度试验方案及结果
将原材筛分为单粒径, 然后将粗集料按照表2的试验方案进行不同比列混合, 按照T 0309-2005的试验方法进行堆积密度试验。通过逐级堆积密度试验, 从而得到不同粒径的堆积密度性质。
在阶段 (一) 验结果表明:粒径16∶13.2比例为1∶2时, 自然堆积间隙率和捣实堆积间隙率均为最小值;在阶段 (二) 中表明:粒径 (16~13.2) :9.5比例为1∶1时, 自然堆积间隙率和捣实堆积间隙率均为最小值;在阶段 (三) 中表明:粒径 (16~9.5) :4.75比例为1.5∶1时, 自然堆积间隙率和捣实堆积间隙率均为最小值;在阶段 (四) 中表明:粒径 (16~4.75) :2.36比例为4∶1时, 自然堆积间隙率和捣实堆积间隙率均为最小值;随着较细的粗集料加入, 矿料间的自然堆积间隙率和捣实堆积间隙率越小。
由表2可以得到该粗集料的最佳级配比例为:16mm∶13.2mm∶9.5mm∶4.75mm∶2.36mm=2∶4∶6∶8∶5。
1.3典型级配的选取
本文选取了条典型的级配进行研究 (如表3) , 级配1~级配5代表5种关键筛孔通过率, 即为5种不同粗细比例的矿料级配;级配6~级配7、级配3代表粗集料相同, 细集料不同的级配。
2试验结果及分析
2.1沥青混合料的级配分形
所谓分形是一种散乱的延伸, 单结构却十分精细的图案, 如把它放大, 就会显示反复出现的细节, 相似的结构在所有尺度上都存在, 分形现象是一个重要特征就是自相似性, 应用中多是统计意义上自相似和局部一定尺度上的分型结构, 分形几何最重要的概念是分形位数, 简称分维。沥青混合料骨料级配具有突出的自相似性, 完全可以利用分形几何学进行研究, 而且骨料中存在几个层次的分形, 骨料表面就是一种分形, 不同集料混合后, 代表骨料尺寸的粒径就形成了一个分布, 这个分布函数就是一种数学分形。
对于骨料级配质量分维数的计算目前主要有两种方法: (1) 根据骨料通过各级筛孔的通过率用计算机迭代求出; (2) 利用ln (Mx/M) 与lnx的关系求出。现本文用第 (2) 种方法, 只要在双对数坐标ln (Mx/M) 与lnx函数图存在直线段, 就表明混合料骨料颗粒分布具有分形结构, ln (Mx/M) 与lnx关系用回归一次方程, 根据斜率有ln (Mx/M) = (3-D) lnx+a, 可求出D。由表3的级配可以得到级配对数表4;由表4可以得到各级配的一元线性回归方程表5
由上表4、表5可以看出, 级配2~级配4可以看出细集料增加, 混合料分形维数是在乘增加趋势, 级配1和级配5存在不符合AC-16的级配要求, 则级配的相关系数就小。级配6的颗粒偏粗, 细集料偏少, 分形维数明显较小。即为级配越细, 分维数越大;级配越粗, 分维数越小。
2.2最佳沥青用量及结果分析
根据上面的颗粒级配, 选取油石比为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%, 分别进行马歇尔试验, 得到7种不同级配的马歇尔试验结果 (如表6) 。
从表6可以看出, 不同的颗粒级配对混合料的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、最佳油石比、稳定度、流值均有一定的影响。所选的7种级配的最佳油石比在4.5%~4.9%范围内, 在级配1~级配5中表明:随着级配关键筛孔通过率的降低, 沥青混合料的最佳油石比逐渐减小。级配6~级配7、级配3的马歇尔试验结果表明:粗集料相同, 细集料的不同会影响沥青混合料的空隙率和最佳沥青用量;细集料偏细, 最佳油石比增加, 沥青混合料空隙率减小;细集料偏粗, 最佳油石比减小, 沥青混合料空隙率增大。
3结论
(1) 通过逐级堆积密度试验方法, 找出该粗集料的最佳级配比例为:16mm∶13.2mm∶9.5mm∶4.75mm∶2.36mm=2∶4∶6∶8∶5。
(2) 通过分形理论可以得到级配越细, 分维数越大;级配越粗, 分维数越小。
(3) 通过马歇尔试验可以得到不同的颗粒级配对混合料的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、最佳油石比、稳定度、流值均有一定的影响;在级配1~级配5中表明:随着级配关键筛孔通过率的降低, 沥青混合料的最佳油石比逐渐减小;级配3、级配6~级配7表明:在粗集料相同时, 细集料偏细, 沥青混合料最佳油石比越大。
参考文献
[1]JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范[S].北京:人民交通出版社, 2004.
[2]高远, 杨建明.分形几何在沥青混合料骨料级配中的应用[J].河南建材, 2007, 7 (5) :13-14.
[3]李国强, 邓学钧.集料的分形级配研究[J].重庆交通学院学报, 1995, 4 (2) :38-43.
[4]陈忠达, 袁万达, 高春海.多级嵌挤密实级配设计方法研究[J].中国公路学报, 2010, 19 (1) :32-37.
[5]JTG E42-2005公路工程集料试验规程[S].北京:人民交通出版社, 2005.
沥青混合料模量预测模型 第10篇
在新的美国半经验半力学沥青路面设计指南 (MEPDG) 中, 三轴压缩试验条件下测试得到的复合模量 (|E*|, 其能用于反映沥青混合料在准静态柔性路面结构分析中的弹性模量) 被引入用于分析及预测柔性路面运营期间的车辙及裂缝损坏。根据设计输入参数要求的精确度, 分析中需要首先测得混合料的模量或根据Witczak预测模型获得[1]。由于混合料的复合模量难以获得, 且试验费用较高, 因此很多研究尝试通过回归公式, 根据沥青及混合料的特性等预测混合料的复合模量。
沥青混合料的模量取决于混合料的体积参数以及组成材料的相关参数等, 体积参数包括了集料以及沥青的体积比、空隙率等参数。集料在混合料中所起的骨架作用以及空隙体积等取决于成型的方法以及所选取的温度。此外, 沥青本身劲度的增加以及沥青不断被集料所吸收也将改变混合料的模量, 使其随着时间的变化由柔性转为脆性。沥青混合料拌合过程中, 拌合的温度及时间、集料的水分含量及洁净度, 以及沥青的粘度等都能对沥青的裹缚厚度、细集料的填充作用以及混合料的均匀性等产生影响, 从而影响混合料整体的黏稠度。在特定的环境条件下, 欲精确预测沥青混合料的模量并不是一件容易的事情, 回归模型的精确度常常受到各种因素的制约。当知道了各类模型所存在的自身局限性以及明确了实际预测应用中所需要的精度等, 将有可能减少路面性能的预测错误以及决策中的错误。
基于经验的预测模型可能使用于当地也可能适应于世界各地, 其主要取决于模型如何建议以及所采用的标准。建立模型所采用的数据库决定了模型的适应范围, 任何外部引入的数据库都将可能降低模型预测的精确性。另一个影响因素需要考虑的是模型中所采用的回归数学公式, 其精度取决于回归模型数学公式时能概括的物理现象的程度。切合实际物理力学反应所推荐建立起来的能预测得到更为准确或更为接近的预测值, 而纯粹基于数学手段、曲线回归可能导致回归模型的不收敛及错误。此外, 经验的模型可以根据当地可用的试验数据条件进行进一步的验算及校正, 以及引入一些校正因素以消除模型可能的误差。
本研究的主要目的是根据沥青的粘弹性材料属性, 采用当前主要的几个模型预测沥青混合料的模量, 尤其是对比了最近获得的Di Benedetto模型[2,3]与已经存在并被新的美国路面结构设计指南中所规定采用的Witczak模型[4], 以及Hirsch模型[5], 研究中根据采用联邦公路管理局加速荷载设备 (FHWA-ALF) 测试设备所获得的有关沥青混合料动态模量以及沥青剪切模量的试验测试数据库系统, 该数据库系统分别由Pellinen[6]、 Bonaquist等人[7]以及明尼苏达州公路项目 (MnROAD) 研究中所获得。诸多学者对Witczak模型以及Hirsch模型等进行了大量研究, 如Schwartz [9], Bonaquist 等 [10], Dongré 等 [11] 以及 Birgisson 等[12], FHWA-ALF数据库在参考文献[9,10]中被使用。本文作者认为FHWA-ALF数据库引入本研究的模型对比分析中能更好地对模型的精确性作出评价。FHWA-ALF数据库更多地反应了实验室条件下的混合料状态,
MnROAD数据库更多地反应了沥青现场拌合的状态。研究中首先对现有预测模型进行对比分析, 并将各个模型应用到两套数据库系统中。
1 预测模型的评价
1.1 现有预测模型
早在1964年, Heukelom和 Klomp等人[13]根据粘合剂的硬度通过回归分析提出了混合料的预测模型, 这是最早的预测模型之一。到1977年Bonnaure 等人[14]进行了进一步的研究, 1969年Shook和Kallas开发了第一个沥青混合料模量计算模型, 并由美国沥青协会公开发表[15]。其他的预测模型如表1所示, 其中包含了各模型建立过程中试验测试的试件制配方法以及试验温度等, 各研究模型的计算公式如附录A所示。壳牌及沥青协会的模型可以在黄仰贤的著作《路面结构设计方法》[16]中查阅获得。
注:表中Sm=|E*|mix;Sb=|E*|binder;Vol.体积参数;η沥青粘度;Grad.集料级配;τ特征时间。
1977年, Bonnaure等人[14]根据Van der Poel的计算图表以及沥青模量 (Sb) 获得预测混合料复合模量的计算公式。这些计算公式主要基于根据壳牌公司提出的两点支承弯曲梁设备测得的试验数据, 其公式中模量主要根据对不规则矩形试件的加载测试结果计算获得, 该测试方法中对试件的独步进行固定约束, 在其另一自由端施加正弦式荷载。通过验证该模型可用于预测在低温或中等温度状态下 (-1530°C) 混合料的模量。
当前常用的Witczak模型实际上是由Shook 和 Kallas等 [15]在美国沥青协会的研究成果模型所发展而来, 其研究中采用由揉搓压实仪在实验室制备的高为200mm的试件, 在其上施加轴上正弦式荷载, 并采用应变仪测试轴向的应变。随着更多测试数据的取得, Witczak在美国马里兰大学时, 与其同事一起先后又多次对模型进行了改进和发展。1979年, 关于复合动态模量的试验测试方法来源于美国试验及材料协会 (ASTM) 制定的标准方法:关于沥青混凝土动态模量的测试方法 (ASTM D 3497-79) 。该测试方法加载条件控制温度为5、25、40℃以及加载频率分别为1、4、16Hz。其他的温度及频率在接下来的研究中被不断加入, 以构建起完整的混合料模量理论主曲线。在最初的ASTM草案中, 测试中施加的压力保持恒定不变, 荷载频率不断变化, 在接下来的试验测试中也采用同样的加载方法。在1996年, Fonseca 和Witczak[18]拓展了该模型, 以便能考虑场地拌合以及运营服务期间能导致的沥青老化问题。1999年, 模型又一次被修正以便能考虑改性沥青的影响[4], 如此同时试件的制作方法由揉搓压实法向旋转压实方法转变, 此时的数据库系统包含了2750个数据点, 其中有205中混合料, 39种集料以及9种普通沥青和14中改性沥青。2006年, Bari 和Witczak[19]在亚利桑那州立大学对模型进行了进一步的改进, 以便结合现有美国超级路面设计方法 (Superpave) 中有关沥青的测试参数规定, 该模型中引入沥青剪切模量 (|G*|) , 该数据库包含了7500个数据点, 其中有141个新混合料, 2070个数据点取之短期烘箱老化沥青, 2370个取之场拌混合料, 以及210个取之现有路面取芯。
1969年, Hirsch模型最早应用于预测水泥混凝土的力学行为[20], 其充分考虑了不同类型的弹性复合材料。Christensen, Pellinen, 和Bonaquist [4]通过考虑混合料是有集料、沥青以及空隙所构成的三相体系, 并按并联的方式组合在一起, 从而给出了较为满意的预测精度。该模型能用于预测单轴压缩状态下沥青混合料的动态弹性模量以及剪切模量 (常通过纯剪切试验SST获得) , 数据库包括了FHWA-ALF、MnROAD以及WesTrack数据库 (该数据库通过试验获得, 采用短期烘箱老化沥青以及旋转压实法制备试件) 。总共采用了206个数据点, 包括18种混合料、5种集料以及8种沥青 (其中2种为改性沥青) 。
Di Benedetto等[2,3]提出的“2S2P1D”模型是唯一的基于流变学理论模型预测沥青及混合料的线性粘弹性特性, 与其他预测模型不同之处在于它能在同一流变模型中一起考虑沥青及混合料。Di Benedetto等还开发了适用与全球范围内沥青与混合料复合模型的相关关系模型 (Global-DB) , 其不同于“2S2P1D”模型, 所采用的数据库中包括了5种混合料和5种沥青 (其中有3种为改性沥青) 。
Witczak模型和Hirsch模型能认为是真正适用于全球范围的模型, 而壳牌和美国沥青协会的模型仅仅适用于低温及中等温度的区域。2S2P1D模型仅仅是当地的一个模型, 它并没有考虑各种混合料的通用一致性因素, 模型对于每类混合料都必须进行分别考虑, 但它提出了一个比较完整的混合料理论主曲线。Global-DB模型同样也没有考虑混合料自身的特性, 但是转移常量 (论文后面详述) 能联系起混合料的一致性特性及老化问题。
1.2 模型预测相关参数
模型预测相关参数及常量如表2所列, 根据需要的问题确定沥青的粘度, 以及根据温度及荷载作用时间确定沥青的硬度或模量。模型中采用的体积参数包括:Vb沥青的体积, Vg集料的体积, Va空隙率, Vbeff有效沥青体积, VMA矿物集料中所占的空隙体积以及VFA表示空隙中填充沥青的体积。有效沥青体积不包括被吸收的沥青部分, 而Vb指的是混合料中沥青的总体积。所有的模型均采用了空隙率作为输入参数, 因为得知集料及沥青的体积以及空隙率后, VMA和VFA均能通过计算获得, 反之亦然。
对于沥青的参数, 部分模型采用牛顿粘度 (η, λ) , 有些模型采用沥青剪切模量, 其可从动态剪切流变试验 (DSR) 获得。而壳牌模型中采用的是Van der Poel计算图表, 其可采用预估的沥青模量来代替实际的沥青模量或蠕变强度。
对于稳定剪切与动态流变结果的关系可以近似地采用经验Cox-Merz准则, Cox-Merz准则能支持剪切率的相互叠加, 其依赖于稳定剪切粘度和频率, 以及符合粘度及剪切率, 如式 (1) 所示。
|η* (ω) |=η (γ) ω=γ (1)
该准则可适用于未填充、结构简单性 (线性) 材料, 对于剪切率相互独立的牛顿流体 (δ=90°) , 零剪切粘度和剪切复合模量之间的关系可以近似地基于Cox-Merz准则:
undefined (2)
基于Cox-Merz准则, Bonaquist, Pellinen 及 Witczak[21]等提出一个经验模型, 其可用于将沥青剪切模量转换成稳定剪切粘度 (当相位角偏离90度时接近牛顿粘度) 。
undefined (3)
式中:η=表面牛顿粘度, 单位:Pas;
G*=沥青复合剪切模量, 单位:Pa;
ω=角频率, 单位:弧度/s;
δ=相位角, 单位:弧度;
a0, a1, a2=拟合参数。
尽管当前模型还属于经验公式, 然而其理论基于Maxwell流变模型进行模量及粘度的预测, 其能在线弹性材料中考虑弹簧效应以及在粘弹性行为中考虑阻尼的作用等。假设Maxwell模型中荷载为正弦式荷载, 其应变反应也复合正弦规律, 根据力与应变可以获得复合模量, 其取决于角速度、粘度以及相位角的大小, 如公式 (4) 、 (5) 所列。
undefined (4)
undefined (5)
如在Maxwell模型中稳定剪切粘度为牛顿流体的零剪切粘度 (η0) , 经验的拟合系数需要考虑沥青呈现非牛顿力学行为表现 (当相位角小于90度) 。Bonaquist等[21]提出了部分拟合系数的值可用于普通沥青及改性沥青。
可以注意到Bonaquist等的模型采用的形式与Superpave中有关沥青分类参数 (|G*|/sinδ) 非常相似。如前所述, Cox-Merz准则可以用于分析非填充、单一结构形式的材料。因此可以得出结论:由于改性沥青不能满足这个准备, 所以采用Cox-Merz准则预测得到的改性沥青的力学行为结果相对普通沥青存在更大的误差。此外, 实际沥青的行为远远比单一的Maxwell单元模型要复杂得多, 因此以上两个原因都能帮助解释采用Superpave |G*|/sinδ评价改性沥青会存在较大的误差和适应性较差的原因。
Di Benedetto模型可用于当地及全世界各地适应的模型, 其输入参数只有三个。对于2S2PID模型, 特征时间仅仅取决于温度。对于Global-DB模型, α是一个由沥青到混合料的转变因子, 而E0-binder和Einf-binder分别表示衍生静态模量以及实际静态模量。
2 模型流变理论的等效性
进行模量预测模型对比的时候需要重点考虑的两个方面: (1) 各个模型理论基础的等效性; (2) 复合模量试验室测试中如何获得材料的各类参数。
2.1 复合模量
在准静态柔性路面结构分析中, 复合动态模量作为弹性模量|E*|使用。尽管复合动态模量|E*|与温度及加载速率相关, 而弹性模量E理论上仅仅和温度相关。弹性静力学响应是与时间无关的, 应变的产生也是瞬间的, 然而弹性动力学响应是有时间滞后性的弹性行为, 可以在层状弹性分析中考虑荷载速度, 能避免更为复杂的粘弹性应力应变的力学分析。基于时间-温度重复叠加的原则, 考虑温度以及加载速率对力学响应的影响, 可以由此原则建立模量与荷载频率的相关关系理论曲线。
复数数学运算方法可以方便地用于解决在强制振动荷载作用下沥青混合料及沥青的粘弹性力学响应, 对于正弦式拉压荷载可以采用复数的表达形式:σ*=σ0eiωt, 应变的复数表达式:ε*=ε0ei (ωt-φ) , 如图1所示。复合模量E* (iω) 同样可以表示成为复数的形式:
undefined (6)
式中:σ0应力幅值;
ε0应变幅值;
ω角速度, ω=2πf;
应力与应变比的幅值为σ0/ε0定义为复合模量的常数部分定义为动态模量|E* (iω) |, 如式 (7) ～ (9) 所示。
undefined (7)
undefined (8a)
undefined (8b)
undefined (9)
2.2 试验方法的不同处
如图2所示, 振动荷载可以通过多种方式施加, 剪切试验采用应变控制, 轴向压缩试验采用应力控制。静态剪切试验采用单一剪切加载, 沥青动态流变试验采用扭转加载方式, 动态模量测试试验采用半正弦拉应力荷载或半正弦压应力荷载, 或者拉、压组合荷载。在动态流变试验、静态剪切试验和轴向拉、压缩试验中, 采用测试平均值的方法或者施加零剪切应力, 然而在施加的半正弦应力或应变加载是有渐变的常量荷载与正弦荷载叠加而成, 其平均值接近0, 应力或应变的类型是实验测试中重要的一个参数。
在应变控制剪切试验中, 其幅值包括了可恢复及永久剪切应变两类。如果材料是纯粹的粘弹性材料, 永久应变主要是由于粘性流变所导致的, 正弦荷载加载过程中的应变相位滞后值反应了能量的消散及可回收的数量, 如果相位滞后值为0度则所有的应变均可恢复, 如果相位滞后值为90度则所有的应变都是永久不可恢复的。然而, 在高温状态下, 沥青混合料的永久应变可能包括了一部分塑性应变。
与剪切应变幅值类似, 拉应变幅值也包括了可恢复及永久应变两部分, 而其永久应变又包含了粘性及塑性应变等。然而, 如果在控制应力或者控制应变的试验中应变幅值根据加载部分的信号获得, 其包含了由非零荷载产生的蠕变;但是如果根据非加载部分信号获得其仅仅包括振动应变, 蠕变的累积是由于循环加载所产生的, 如图2所示, 它由可恢复及永久应变两部分组成。
如壳牌及美国沥青协会的模型中, 试验测试在低温及中等温度条件下进行, 蠕变将会很小而可以被忽略不计, 此点在1979年美国国家公路与运输协会 (AASHTO) 草案中建立, 该草案中规定应变的测试应在初始蠕变状态完成后的稳定状态下进行。然而对于高温及低荷载频率状态下, 在半正弦加载时间中很难几乎不可能去获得稳定的应变状态, 因此, 在高温作用下测试动态模量更加容易变动, 其相对试验室内测试应变以及分析等方面也更加不同。
由于动态模量试验被应用到线粘弹性材料领域, 在拉、压应力或应变控制加载过程中试件不能产生膨胀或硬化。然而, 由于试件内部可能产生微小的裂缝, 并且随着应变幅值的增大而增大, 这将可能导致试件的过早损坏而使得模量降低。当荷载加载采用半正弦的方式, 随着材料内部蠕变的不断发生可能导致应变硬化, 并导致内部集料被过度挤密而使得模量增大。这种趋势对于简易剪切试验有所不同, 任何由于集料移动而可能导致的颗粒松散膨胀都将受到轴向加载力的约束, 如图3所示。理论上, 剪切应变不会导致体积的变化, 而仅仅发生形状的改变, 但是, 简易剪切状态下仍然存在颗粒材料的膨胀问题。
振动加载中许多方法可以用于计算模量和相位角, 如SST软件使用快速傅里叶变换, 其他常被常用的方法还有:UMD方法[22]、IPC方法[23]以及SPT方法[24]等。Pellinen和Crockford [25]根据试验温度分别为-10、4、21、38以及54°C时的动态模量测试结果, 对比了这些方法, 得出结论为:各类分析方法对于计算模量的影响比对相位角的影响要小。采用提取最大值的方法评价材料属性时会导致最糟糕的结果。采用IPC方法与采用SPT方法所获得回归预测结果比较相近。在0.1Hz加载频率、任意温度条件下, 采用SPT方法比其他方法所获得的预测值要低11%左右, 对比黑色区域的试验结果, 采用UMD方法获得的相位角要比采用IPC和SPT方法获得的值要高, 在此区域内IPC方法和SPT方法获得的结果比较接近, 而FFT方法和SPT方法获得的模量和相位角的结果几乎一致, 剔除部分波动超过5%以上的数据能明显地改善数据的质量。
各类模型采用的试验方法如表3所示, 总而言之, 如果在层状弹性分析中将动态模量作为弹性模量使用, 应变幅值及相位滞后值中都必须剔除蠕变的影响, 最终的应变结果值将借助于经验εp/εr模型预测沥青混合料的车辙, 其中εp为半正弦循环加载产生的永久应变, εr为弹性可恢复应变。
图4为两类典型的线粘弹性材料标准的线性固体材料以及粘弹性液体材料 (基于Burger模型) , 其各自关于频率的主曲线图, 在固体模型中, 独立弹簧及Maxwell单元呈串联组合排列, 而在Burger模型中, Maxwell单元与Voigt-Kelvin单元串联组合排列。
对于粘弹性固体模型所有的应变均能恢复, 而粘弹性液体模型只能恢复一部分应变, 其中有一部分是永久不可恢复应变。2S2P1D模型和Witczak模型均代表的是粘弹性固体模型, 当卸载时其应变均能恢复, 而Hirsch模型是粘弹性液体模型, 其在卸载时呈现出固相和液相, 部分的应变是可恢复的, 其他部分是不能恢复的永久应变。接触系数Pc能将模型从液态转换成固态, 随着温度的增加或者荷载频率的减小。如果将独立弹簧系数设定为0, 则2S2P1D模型可以转变为粘弹性液体模型。一般地, 在高温状态下沥青可以采用粘弹性液态模型进行建模。然而, Di Benedetto 等人[2,3]发现对于一些聚合物改性沥青, 其初始模量E0-binder稍微偏离0, 而在高温状态下表现为弹性材料。
图4中所示的固体和液体模型均为粘弹性蠕变模型, 在两类单元承受相同蠕变应力作用下, 各单元的应变均能用于进一步计算整体的蠕变。在等效流变松弛模型中独立弹簧单元与Maxwell单元平行排列或者两个Maxwell单元独立平行排列。由于各个模型中应变延后时间以及应力松弛时间存在偏差, 所以当将蠕变模型转换为松弛模型时模型的参数必须进行必要的调整。增加更多串联的Voigt-Kelvin单元或者并联的Maxwell单元可以获得连续的滞后及松弛频谱。2S2P1D模型可以获得连续频谱, 如其能以无穷数量串联的Voigt-Kelvin单元或者并联的Maxwell单元表示, 但其不能用于简单的蠕变 (如标准线性固体) , Global-DB模型如此相同。
2.3 模型形式对比
2.3.1 Witczak等式
Witczak等式表现为S形曲线关系, 其模型一般表达式如附录A所示, S形曲线关系的最大、最小值如图5所示, 分别为δ和δ+α, 其分别对应Di Benedetto模型中的E0-mix和Einf-mix。转变区的水平值以及主曲线的斜率分别用β和γ表示。参数δ和α由集料级配和混合料体积参数决定, 如式 (10) 、 (11) 所示参数β和γ取决于沥青的特性。
不同温度及老化状态下沥青的粘度由经验公式 (12) 所确定, 该等式给出了图4中粘性渐变线的斜率。
loglogη=A+VTSlog (TR) (12)
式中:η=牛顿粘度, 单位:cP;
TR=温度, 单位:度 (朗肯温度计法) ;
A=回归截距;
VTS=粘度的温度敏感性回归斜率。
2.3.2 Di Benedetto模型
2S2P1D模型由2个弹簧单元、2个抛物线蠕变单元以及一个线性牛顿阻尼所组合而成, 名字的由来是其英文首字母的组合, 该模型是Huet-Sayegh相似模型的普遍化, 像Huet-Sayegh模型一样, 2S2P1D模型可以获得连续频谱 (例如能以无穷数量串联的Voigt-Kelvin单元或者并联的Maxwell单元表示) 。与其他模型不同, 它能在同一个流变模型中同时考虑沥青和混合料。2S2P1D模型的形式如图6所示, 模型的数学表达式如式 (13) 所示。
undefined (13)
式中:i=复数, i2=-1;
ω=2πf (f荷载频率) ;
E0静态模量 (ω0) ;E∞实际模量 (ω∞)
η= (E∞-E0) ;
k, h系数;δ常量;τ时间特征参数。
由于模型以复数形式表达, 其仅能反映在复平面的状态, E0Einf和表示复合模量在最低及最高频率下对应的最小和最大近似值, 如图6所示。如果将E0设定为0, 复合模量转变为与频率减小值的指数函数形式, 在较低频率下该模型等同于线性牛顿阻尼模型, 如图4所示意。
Di Benedetto等人[2] 也提出了适合全球范围内的沥青和混合料复合模量的关系式, 此处成为Global DB 模型, 它与2S2P1D模型是相互独立的, 如式 (14) 。
undefined
2.3.3 Hirsch 等式
20世纪60年代, Hirsch模型主要用于预测水泥混凝土或泥结碎石的模量, 其可用于预测复合材料的参数以及混合料的参数等。其中有两个模型并联及串联模型, 分别如式 (15a) 和 (15b) 所示。Ec代表弹性复合模量, ν表示泊松比。Hirsch模型对应于Burger模型的平行和串联布置相位的类型, 如式 (16) 。
沥青混合料在高温状态下呈现为连续复合材料性质 (液体) , 但在低温状态下更多表现为平行复合型材料 (固体) 。集料相位在平行部分内, 称作集料接触体积PC, 其表示集料彼此紧密接触的部分。随着集料接触体积增加, 混合料的模量增加。为了提高模型用于预测粘弹性材料力学行为的有效性, 串联及并行相位部分必须依赖于时间和温度的变化。Christensen等[5]根据此推论建立了起接触体积Pc与VMA、VFA以及沥青剪切模量 (|G*|) 的相关关系, 如式 (17) 所示。
集料接触体积Pc将原有沥青的液态行为转变为集料级配的固态行为, 完整的Hirsch模型回归公式见附录A。如上所述, Hirsch模型等同于Maxwell单元和Voigt-Kelvin单元连续的Burger模型, 在Burger模型中的牛顿粘度η与|G*|/ω相等。
Hirsch模型形式表现为S形对数曲线关系, 动态模量和动态剪切模量的静态模量值可以根据以下公式获得, 其中模量Einf-mix为28959MPa;剪切模量Ginf-mix为4143MPa。
究竟采用粘弹性固态模型还是采用粘弹性液态模型对沥青混合料建立模型主要取决于其应用以及混合料的模量参数。如果集料以粘弹性固体建模, 其在自重作用下会发生蠕变, 但会随着时间而消失而材料本身不会发生破坏。对于液体材料, 粘性应变会随着时间增大导致蠕变不断增加直至破坏。
对于弹性层状理论分析建立的是交通荷载的短时间瞬时作用模型, 因此蠕变在此处并不是太重要。沥青混合料在长期重复交通荷载作用下会发生永久不可恢复变形, 所以在高速公路路面上才会产生车辙病害。另外, 如果欲获得长期的蠕变效应, 沥青混合料的蠕变行为不能会忽略。
3 预测模型的精确性和适用性
在公路建设中, 预测模型可以由两种应用的途径, 其中最明显的应用是用于预测或估计模量的大小用于结构的设计及对比等;另外一个作用是计算和对比各类混合料的特性, 如对比根据现场取芯测得的以空隙率标准化的模量数据, 对于具体预测值的大小并不重要。
3.1 各类模型的精确性
基于采用NCHRP 1-37A半力学半经验方法, 对面结构设计中的沥青混合料性能预测, Schwarz[9]研究发现动态模量|E*|偏差±50%会导致车辙预测深度和路面疲劳开裂面积的近似相等比例的变化。尽管对于26种沥青混合料模量的预测结果存在差异, 尤其在高温状态下可能过高地预测|E*|, 然而整体的研究结论证明Witczak模型能给出应用到半经验半力学路面性能预测及设计方法中足够精确的预测结果, Schwartz[9]还发现Witczak预测模型主要影响因素以温度为主, 而降低了其他混合料参数的影响, 该发现与Pellinen[6]的研究结论一致。Pellinen还发现壳牌模型[14]在预测体积参数方面要优于Witczak模型, 但其用于预测混合料的模量值时存在明显的不足。
Birgisson等人[12]采用佛罗里达州典型应用的沥青混合料对Witczak模型进行了研究, 采用旋转薄膜烘箱老化沥青测得的剪切模量, 并利用公式 (3) 计算沥青的粘度, 测试旋转薄膜烘箱老化沥青的粘度采用Brookfield试验设备。在10到40度温度下测试混合料的参数。其研究发现测试得到的沥青粘度能获得更为精确的模量预测结果, 而采用理论转换公式计算得到的沥青模量值要低40%左右。尽管如此, 他们仍然推荐采用剪切模量用于获得沥青的粘度, 对于模量的预测中用考虑偏差的校正, 其研究结果与Cyne等人的研究结论相吻合。
关于Witczak和Hirsch模型的综合研究方面, Dongré等人[11]对横跨美国的5类典型路面结构中的沥青混合料的动态弹性模量进行了预测。预测的结果与在美国联邦公路局 (FHWA) 沥青试验中心测试得到的值进行对比, 研究结果表明采用Witczak和Hirsch模型理论上能获得比较理想的有关混合料动态弹性模量的预测结果, 然而其与测试结果的预测精度有限, Witczak模型的预测结果是689MPa, 而Hirsch模型预测结果为340MPa, 其研究中还发现模型预测并不能反映出混合料生产过程中的差异, 通过对比MALT的混合料模量测试结果与模型预测结果发现:当沥青含量增加或者空隙率减小, 模量的预测结果过小;当沥青含量减少或者空隙率增加, 模量的预测结果过大。
Pellinen和Xiao[28]在研究中发现木质纤维以及填充矿粉等可以明显使沥青混合料硬化。Pellinen和Xiao在该研究中还采用Hirsch模型建立基于空隙率的模量预测标准化程序, 对于在沥青拌合厂拌合生产过程可能取得的部分低剪切模量及动态模量值的沥青材料, 采用Hirsch模量可能得到部分不合理的模量值。这些模型本身的局限性是与用于推导Hirsch模型的最初采用的数据库有关, 在这些数据库中动态弹性模量的值差别从183到20900MPa, 而对于简易剪切模量试验获得的动态剪切模量其差别从20到3880MPa。
3.2 模量调整系数
如上所述, 采用预测模型获得的现场拌合配置的沥青混合料模量精度上可能不如一般的在实验室拌合配置的混合料。Pellinen和Xiao[28]的研究中给出了必要的调整因素的值, 他们的研究中对SST剪切模量以及沥青混合料的动态模量根据建设的四阶段 (混合料配合比设计阶段、场地拌合阶段、现场施工阶段以及运营服务阶段) 进行, 对四类混合料分别进行试件制备和测试: (1) 实验室制备和压实的混合料; (2) 现场拌合并在实验室压实的混合料; (3) 一星期内的路面取芯试件; (4) 建造后一年的路面取芯试件。采用同样的材料以及目标空隙率对比各类混合料, 可以对实验条件、混合料老化时间、压实方法以及服务时间对混合料模量的影响。实验室采用的是4小时短期老化沥青。由于建造过程中实际的空隙率会偏离目标值, 因此, 为了对比混合料的模量, 测试得到的力学参数需要标准化为同样的空隙率以保持对比因素的一致性。
研究中发现在实验室制备和老化的沥青混合料的模量要比采用场地拌合并在实验室压实成型的沥青混合料模量值平均高30%, 比现场路面取芯测得的值高65%。而不同混合料类型之间的差距很大。如表4所示为对于不同类型混合料的平均调整系数。图7所示为研究中的混合料的变化比率。
表4中是调整后的平均值, 其与图7中所示值并不直接相等, 如SR-56混合料偏差比较大而被剔除, 这样做是为了剔除过大误差提高结果的精确度。其中I65、SR64、I74和US31等都是SMA混合料, 他们之间的差异并不明显。
3.3 混合料动态模量与剪切模量的关系
线粘弹性理论公式:|G*|=|E*|/2 (1+v*) , 如果泊松比v*=0.5, 则动态模量是剪切模量3倍。然而实际测试获得的动态模量与剪切模量的关系并不完全符合理论的关系, 实际中模量会随着温度的增加而减小, 从而产生误差的增大。测试获得的剪切模量要比通过动态模量理论换算值要低, 需要用到8个泊松比方能使得两模量值成立等式关系, 此外, 测试获得的相位角也存在明显的差别, 采用简单剪切试验获得的相位角明显要偏大[5,6,29]。
有许多的理论可用于解释这个问题:其中一些理论将产生误差的原因归结于设备本身的机械缺陷;有些理论将误差原因归结为试验方法本身的问题和缺点[5,6,29,30,31]。Saahed等人[29]修正理论方法解释混合料在动力荷载作用下的力学行为, 其研究认为SST实验测试中包含了永久应变而动态模量测试试验在分析的过程中并未考虑蠕变的影响, 并认为实际上由于塑性和粘性变形导致的能量消散应该成为粘性反应, 虽然这是一个强制性的说法, 永久应变在SST试验中并不能累积, 因此关于永久应变的假定性说法应在单一循环荷载下进行。
尽管剪切模量和动态模量模型的理论不尽一致, 在SST剪切模量试验可获得的前提下通过转化的方式获得动态模量预测结果也是可行的方法。可以通过两种方法实现:根据经验的回归公式获得或者利用Hirsch预测模型转换。Christensen等人[5]基于非线性回归关系|G*|=a|E*|b建立预测模型, 其中a=0.0603, b=1.0887。Pellinen和Xiao[24]也研究了在不同建设时期下的剪切模量与动态模量关系模型, 研究结果表明关系式中参数的取值依赖与混合料的类型。此外, 时间的制备方法等均影响所获得的两者之间的关系。采用场拌法获得的混合料比实验室拌合混合料具有更好的相关性, 这是由于场地拌合能使得混合料更加均匀, 相反地, 采用压路机现场压实以及厂拌混合料的整体差异性会导致现场取芯试件模量的相关性不好, 尽管对空隙率进行了标准化控制平均7.5%, 表5中列出了研究中获得的相关系数。
由于动态模量和剪切模量都与沥青的刚度相关联, 因此可以通过混合料的动态模量预测剪切, 反之亦然。Pellinen和Xiao建议基于Hirsch模型利用剪切模量能通过建模预测获得混合料的动态模量, 同样可以基于Hirsch模型通过根据沥青模量估算混合料的剪切模量。这整个过程都可以借助微软Excel软件中的求解函数很方便地实现。分析表明测试及预测的沥青混合料剪切模量之间具有很好的相关性, 因此通过反算能获得适用于实际工程足够精度的沥青剪切模量, 在根据剪切模量的试验数据预测沥青混合料的动态模量, 反之亦然。
4 沥青混合料模量预测及分析
4.1 分析方法及预测值
取用9类沥青混合料及其对应的沥青材料, 用于评价三种预测模型根据沥青模量预测沥青混合料模量等方法的精确性。FHWA-ALF试验用沥青混合料是采用了4小时短期老化方法并采用旋转压实方法, 控制混合料的空隙率与现场基本一致。MnROAD试验用沥青混合料采用1999年MnROAD建设过程中现场拌合的沥青混合料, 并在实验室采用旋转压实的方法成型试件, 试件预热至130度后进行压实成型, 分析中沥青混合料采用旋转薄膜烘箱老化沥青数据[6,7], 沥青参数测试温度分别为15到80度、34到64度。混合料动态模量的测试温度:ALF数据测试温度为-9、4、21、38、54度[6];MnROAD数据测试温度为-20、-10、4、20、40和54度[8]。由于沥青和混合料的测试数据均是在不同温度和荷载频率作用下, 主曲线是用于获得需要的混合料及沥青的模量组成, 所有的主曲线均以温度34度作为参考, 沥青的主曲线是根据CAM模型获得, 混合料的主曲线采用S形回归函数关系式获得, 其允许不同的回归系数[33]。MnROAD所用的沥青主要是设计用于增加混合料在低温状态下的柔性, 然而ALF所用沥青多为弹性低密度聚乙烯, 主要起到填充混合料的作用。表6中给出了沥青的PG分级以及对应的沥青粘度的回归系数A以及VTS值。在主曲线构建中, 沥青的模量取Gg=1259MPa。
表7分别列出了在Arrhenius和WLF公式中的沥青混合料的相关回归系数, 主曲线根据S形回归曲线函数以及不断调整回归系数所获得, 平均的表观活化能Ea=195kJ, WLF公式中的C1和C2分别为20.5以及210, 表7中还给出了通过回归分析获得的沥青混合料的模量值。
表8中给出了Hirsch模型和Witczak模型中需要的混合料的体积参数, 以及Witczak模型中需要的级配。Global DB模型只需要4个常量:混合料静态模量、混合料玻璃态模量、沥青玻璃态模量以及转换因子。基于5类混合料的模型常数校正, Di Benedetto等人[2]提出α=2.82, 建议采用Einf-binder=2100MPa, Einf-binder=36000MPa以及E0-mix=65MPa。
为了分析实际混合料参数对预测结果的影响, 在分析中采用了混合料主曲线静态模量及玻璃态模量, 此外, 采用Di Benedetto等人研究中给出的参数[2]。为了建立混合料属性与参数的关系, 采用最小二乘法拟合测试及预测结果。
表9中归纳了研究的变量, 如统计分析中用到的混合料和模型的组成参数, Global DB模型由四项组成:def 是一个默认值;def_fit由拟合推荐静态模量值与值;mix由静态模量值拟合获得 (如表7所示) ;mix_fit由表8中的值与α值。
4.2 模量预测及平均误差
图8、9归纳了对所有混合料及模量的预测结果, 图10中给出了各模型的误差值。对比发现, 整体上Hirsch模型能获得最为精确的预测结果, 采用ALF混合料建立数据库是合理的。然而, Hirsch在预测高温状态下的模量值过高, 而且在Pellinen和Xiao等的相对较软的厂拌混合料测试结果中研究中同样发现该问题。Global DB模型采用不断调整混合料模量的预测平均值、最大值和最小值界限的方法, 但图8和9中发现拟合系数并不能明显改善整体的预测结果。
如图10、11所示, 误差的产生与温度、混合料类型以及老化的条件有关, 此处的误差为均方差, 由图10可知, 对于ALF混合料, 在中等温度状态下预测结果最为精确, 随着温度的降低或升高误差也随着增大。整体上预测的平均误差达到42%, 此值比较大, DB模型给出了对比的预测结果, 并取用默认常量代替实际混合料的参数。由图11可知, 采用MnROAD混合料以及RTFO老化沥青数据, 整体的误差增大到了80%, 采用Witczak模型在高温状态下的预测结果误差最大, 然而DB模型获得最小的平均误差。如图12所示为MnROAD混合料的预测结果误差, 平均误差值达到122%, 采用Hirsch模型和Witczak模型获得的模量预测结果都不理想, 而DB模型能给出最佳的预测结果, 尽管误差也达到了50%。
图13、14和15分别对比了不同温度下, 采用不同预测模型所获得的结果与试验测试结果的对比, 对于ALF混合料, 所有的预测模型获得的结果基本在同一数量级上, 但是在高温状态下, DB模型与Hirsch模型、Witczak模型差异较小, 对于MnROAD混合料数据系统有同样的发现。一般地, DB模型的预测结果要低, 而Hirsch模型和Witczak模型的预测结果要高, DB模型在高温状态下的预测结果偏低, 预测结果有时要低于Witczak模型和Hirsch模型。
表10中给出了各预测模型的总体平均误差, 表中过大误差取正, 过小误差取负。由表可知, 对于ALF混合料的模量预测结果要优于MnROAD混合料, 其总体的偏差要小, 精度更高。对于MnROAD混合料, RTFO法老化沥青模量预测结果优于PAV法老化沥青预测结果。在Di Benedetto模型中, 沥青模量的对混合料模量的预测结果影响较大。由上可知各个模型并不是能准确地用于各类混合料的力学行为预测。
Hirsch模型和Witczak模型是回归公式模型, 然而DB模型是根据流变理论以及时间、温度的叠加效应进行推导获得, 因此模量预测结果是与温度相关的系统变量, 回归模型呈现出能极大地减小误差而其关于变量的敏感性欠缺。
5 讨论
与Dongré等人[11]类似的研究发现:Hirsch模型和Witczak模型能用于预测实验室制备的混合料而不能预测其他情况下生产的拌合混合料。然而, 与Birgisson等人[12]的研究有着不同的研究发现:通过剪切模量的沥青混合料模量表证沥青的粘度并不会导致比试验测试结果过高的预测结果。
系数的值波动范围较大, 其主要与混合料的属性有关, 体积的相关参数数据用于回归得到系数, 研究中发现填充沥青的空隙率与系数有着最好的相关性, 如图16所示。此外, Hirsch模型中的参数接触体积与系数有着很好的相关性。
Dongré 等人[11]研究中的混合料其预测结果与测试结果对比效果较差, 认为仍有很多比较重要的作用混合料模量的因素并没有充分地考虑到预测模型之中, 预测中温度的敏感性较强, 因此沥青模量的差异性加上其他拌合过程中的不确定因素是主要影响预测模型的方面, 这些其他的因素包括:集料水分含量、吸收能力的变化、拌合条件以及其他。表11列出了可能影响混合料力学响应的因素, 表中部分在预测模型中直接采用的变量用黑体标示了出来, 对于混合料模量的预测模型可能的应用是用于其质量的控制, 但其尚不能取代实验室的测试。
图17中总结了模量预测模型的可能应用及其应用途径, 如图17所示, 最为精确的预测模型可用于实验室制备的短期老化以及旋转压实的沥青混合料。
对于储存时间少于一个月以及老化的厂拌混合料, 最为合理的选择是采用RTFOT法老化沥青的模量。此外, 集料水分的含量也需要考虑, 现场刚铺筑路面的取芯试件的预测结果会相对较大, 这是由于现场压路机压实的混合料比实验室旋转压实法制备的沥青混合料要柔软一些。因此, 如果必须通过现有的预测模型获得厂拌及现场沥青混合料的模量, 需要在预测模型中考虑调整系数以减小误差。
实际应用中, 动态模型预测模型并不能很好地区分在特定环境和其他条件下, 不同混合料的不同力学响应。关于动态模量的实验室测试在实际应用中仍然十分必要。
6 结论
本研究通过对比Di Benedetto模型、Witczak模型以及Hirsch模型等三个沥青混合料模量预测模型, 研究结果体现:采用这些预测模型均能获得某一特定条件下混合料的模量;由于高温状态下模量的预测存在较大的差异, 因此如果想获得更为精确的模量值推荐采用试验测试的方法, 通常预测的误差在40%左右, 而测试的误差常低于20%;类似地, 由于低温状态下预测模量的差异也较大, 推荐采用固定的玻璃态模量值以及Bonaquist等人[34]提出的混合料模量理论主曲线方法;沥青模量根据混合料要求的条件确定, 为减小预测结果的误差同样需要考虑调整系数;从理论上分析, Hirsch模型采用粘弹性液态模型, 其更便于做进一步的调整, 如考虑混合料的蠕变特性等;如果结构设计中需要考虑沥青混合料的小应变状态下的模量预测, Hirsch模型和Witczak模型均可以采用。
Hirsch模型和Witczak模型的预测结果相似, 且两个模型对与实验室混合料的预测误差比较相近, 然而, 对于厂拌混合料, 两个模型获得的RTFO法老化沥青混合料的预测模量偏大, 采用PAV法老化沥青混合料的预测结果偏低。结果体现回归模型更为精确仍然没有Di Benedetto模型预测结果精确, 这是由于Di Benedetto模型考虑了时间、温度的叠加效应, 如果系数取值正确, 将能获得非常精确的预测结果。对于MnROAD混合料的模量预测, 低温状态下沥青的各参数值需要重点考虑, 其会影响沥青主曲线, 最终影响到动态模量的预测结果。
致 谢
本论文研究中部分试验数据来之美国明尼苏达州交通部门的研究经费资助, 在此表示感谢。
摘要：本文研究基于沥青混合料粘弹性特性, 根据实验结果对现有沥青混合料的预测模型的有效性。尤其采用了Di Benedetto等人的模型与现在美国新路面设计指南中采用的Witczak模型以及Hirsch模型等进行了对比分析。Di Benedetto模型与其他模型的不同之处是对沥青及混合料同样考虑了流变模型。本研究采用的沥青混合料动态模量以及沥青混合料的试验测试数据均来源于联邦公路管理局加速荷载设备 (FHWA-ALF) 测试结果以及明尼苏达州公路研究项目。预测中采用旋转薄膜烘箱法 (RTFO) 及压力老化容器法 (PAV) 的老化沥青测试数据, 并根据现有的经验转化公式将沥青模量转化为粘度。研究结果表明在满足一定条件下采用三种模型均能用于预测沥青混合料的模量。预测模型中应老化沥青的条件应符合沥青混合料的设计要求, 为减少预测模型的误差应根据实际情况对各参数进行调整。理论上, 采用基于粘弹性液态模型Hirsch模型能更便于进一步的调整, 如引入混合料的蠕变行为等。对比结果表明, 采用Di Benedetto模型能获得更为精确的预测结果, 但是在低温及高温条件下如不引入混合料的相关参数将导致更大的误差。
关键词：热拌沥青混合料,动态模量,预测模型,沥青及混合料主曲线
参考文献
[1]National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) . 1-37A-2002 Design Guide (Draft) . Washington, DC, 2004.
[2]Olard, F., Di Benedetto, H., “General“2S2P1D”modeland relationbetween the linear viscoelastic behaviors of bitu-minous binders and mixes”, Road Materials and PavementDesign, Volume 4, Issue 2, 2003.To be published.
解析热压式沥青混合料路面施工工艺 第11篇
关键词：热压式沥青混合料;路面;施工工艺
国内自改革开放以来，经济实力与综合国力都得到比较大的提升，公路建设发展很快，尤其是高速公路。而在高速公路主要采用沥青路面，这种路面在国内的应用规模日益增大，人们越来越重视其质量控制力度。到目前为止，大部分沥青路面的施工工艺都是比较常规的施工技术，一旦在施工过程中存在任何差错，都会导致质量隐患。因此，沥青路面的施工工艺是否优劣，对路面的使用性能造成直接影响。必须采用先进的施工工艺，确保路面质量。
1 热压式沥青混合料路面概述
热压式沥青混合料可以简称为HRA，其结构具有悬浮密实性，主要从沥青、矿粉与细集料形成的胶浆劲度中获得强度。在热压式沥青混合料中，细集料比较多，粗集料比较少，导致HRA的空隙率接近0，而且用油量比较高，使得HRA有比较高的抗拉、耐磨、抗滑和密实抗渗的优点。HRA能够在一定程度上减少紫外线的穿透，从而延长混合料的使用寿命。一般来说，HRA在海拔比较高、温差比较大，而且比较湿冷的地区路面中适用。
2 热压式沥青混合料路面的施工工艺分析
对于一般的沥青混凝土路面来说，热压式沥青混合料路面在嵌入层的施工与其相同。但是也存在区别，即上面层的沥青预拌碎石骨料的撒布与碾压。
2.1 摊铺嵌入层施工工艺分析
2.1.1 摊铺厚度
在热压式沥青混合料路面嵌入层的摊铺中，其施工工艺和普遍的沥青混合料摊铺的施工工艺比较相似。这一施工工艺最关键的地方就在于对嵌入层的摊铺厚度进行良好的控制，使得嵌入层摊铺厚度与嵌入碎石骨料粒径的大小、集料的含量等相对应。比如在嵌入层中，骨料粒径为14毫米的碎石含量应该为35%。而且当热压式沥青混合料路面上层撒布的碎石骨料粒径为20毫米时，则嵌入层摊铺厚度范围应该在45毫米至50毫米之间。
2.1.2 摊铺的环境温度
根据我国沥青路面施工规范的相关要求，嵌入层的沥青混合料摊铺的施工环境温度应该在100C以上。而对于热压式沥青混合料来说，在干燥而且没有风的情况下，即使环境温度为00C也可以施工。但是需要注意的是，当环境温度下降达到-30C时，则必须停止热压式沥青混合路面嵌入层的摊铺施工。而在下雨的情况下，则需要推迟嵌入层的摊铺施工时间，而且要注意不应该在覆盖有雪或者结冰的下承层面上进行摊铺施工。
2.1.3 下承层的质量检查与清洁度
与摊铺热拌沥青混合料的施工相似，在对热压式沥青混合料的嵌入层进行铺筑之前，应该对其下承层，即基面、路面中面层或者下面层等方面进行质量检查。在摊铺之前，应该对其表面进行清洁。而且清洁的路面宽度范围应该超过要摊铺施工的范围，使得沥青混合料路面达到干燥清洁这一要求。由现场负责人对路面清洁度进行检验，通过之后才可以进行铺筑施工。要保证沥青层的粘结效果，就应该通过沥青洒布车将粘层油适量地喷洒在沥青层上。要注意撒布量范围应该为0.25kg/m2至0.35kg/m2，确保粘层油在路面上的覆盖均匀，避免路面出现花白现象。
2.1.4 摊铺施工工艺注意要点分析
（1）在摊铺机前，应该确保有适量的料车等候，避免摊铺机等待运料车而耽误施工。
（2）摊铺机就位之后，应该对熨平板的预拱度、工作仰角等进行妥善调整。在摊铺混合料前，应该对摊铺机进行一个小时左右的预熱，从而使得夯板、分料器与熨平板等部件的温度达到100摄氏度以上。然后，在受料斗的表面涂抹比较少量的隔离剂，从而避免混合料出现粘附现象。
（3）在对热压式沥青混合料进行摊铺时，摊铺机应该备有两台以上，从而进行梯队作业。相邻两边在摊铺的过程中，要注意留有3厘米至5厘米的摊铺重叠。如果摊铺作业的地区为高寒陡坡地段，在气候条件不好的情况下，相邻两台摊铺机不应该保持太远的距离，一般应该在5米至10米之间。
（4）要注意摊铺机的输出量应该和沥青混合料的运输、拌合等方面的能力相匹配，从而保证摊铺的连续性。而摊铺速度应该根据摊铺宽度、厚度、施工机具配套情况以及拌合厂的产量等方面来确定，要达到2m/min～4m/min这一要求。如果无法进行连续摊铺，则应该做好施工缝，从而避免冷接缝。
（5）在摊铺的过程中，要对摊铺状态进行不断调整，从而确保沥青混合料可以连续摊铺。在摊铺的时候，熨平板应该根据其铺筑厚度而采用中、强夯等级来确保沥青路面的初始压实度应该至少达到85%。
2.2 沥青碎石骨料的预拌与撒布分析
要注意在选用骨料时，确保其耐磨性与棱角性，而且要具有均匀的粒径大小。将骨料与沥青混合预拌，完毕之后通过机械将其撒布在热压式沥青混合料路面上，也可以采用人工撒布。在撒布骨料的过程中，要注意面面俱到，直到骨料已经完全撒布在路面上，避免有的路面没有撒到。如果采用机械撒布存在不均匀的现象，则需要采取人工补撒措施。另外，可以采用拖挂式碎石撒布机来确保预拌碎石撒布的均匀性。在热压式沥青混合料路面中，磨耗层预拌碎石是比较重要的组成部分，有利于增强路面的耐磨耗性能与抗滑性，对路面发挥着很重要的功能性作用。有关研究表明，当预拌耐磨碎石骨料在路面上的撒布量达到12kg/m2的时候，会使其表面达到1.5毫米的构造深度，而且分布均匀，可以增强热压式沥青混合料路面的耐磨与抗滑能力。
2.3 预拌沥青碎石骨料的碾压分析
在热压式沥青混合料路面上撒布预拌沥青碎石骨料之后，需要使用压路机对其进行碾压。在这个过程中，要注意控制好压路机的碾压时机。一般来说，当预拌沥青碎石骨料在路面上撒布完毕之后，在温度较高的情况下，压路机对撒布的碎石进行碾压时，可以将其完全压进嵌入层中，无法实现表面露石的目的。而在温度比较低的情况下，嵌入层已经具有一定的硬度，压路机对撒布的碎石进行碾压时，要将碎石骨料压进嵌入层，就会存在一定难度。而且这种情况下，路面的耐久性能也会变差，导致车辆在路面上行驶时，骨料非常容易脱落。因此，要把握好压路机的碾压时机。
在热压式沥青混合料中，细集料比较多，实际上比较容易压实，而且有比较好的施工和易性。压实的次数在压路机对路面进行碾压时，是比较关键的影响因素。有研究表明，当压实次数为45次时，热压式沥青混合料的空隙率达到2%，矿料的间隙率会达到15.3%，而且沥青的饱和度会达到91.0%。而超过45次的压实次数，则会使得前述指标渐渐处于比较稳定的状态。因此，对热压式沥青混合料成型造成影响的压实次数主要集中在压实的前45次上，然后影响逐渐下降。当碾压温度范围为100C至1200C时，无论压实次数是多少，都有比较好的可压实性。而在撒布碎石之后，最好的路面碾压温度范围应该是1100C至1200C。
结束语
在热压式沥青混合料路面上，可以撒布粒径具有均匀性的预拌沥青碎石，在构造上具有较大的深度，而且有良好的抗滑优点，可以节省优质石料，降低修筑成本，推广与应用前景比较好。但是在国内，热压式沥青混合料路面的发展仍然处于研究的起步阶段，必须加大其研究与实践力度，实现其良好发展。
参考文献：
[1]杨彭.热压式沥青混合料路面施工工艺过程控制的研究[D].西南交通大学，2011.
[2]梅万波.热压式沥青混合料路面结构行为研究[D].西南交通大学，2013.
冷补沥青混合料研究 第12篇
伴随着经济基础在我国的迅猛的发展,使得我国上层建筑得到了急剧的增长,尤其是在交通运输方面,大型机动车辆的增加,车辆超载严重现象,使得我国所建设的公路面临着极其严峻的考验,大型机动车辆的持续碾压,混凝土强度低的地方在承受了如此强大的力后造成了路面的开裂、损坏,使得沥青混凝土路面出现了坑槽,这不仅破坏了沥青混凝土公路的美观,也对道路的使用寿命以及车辆的行车安全造成了极其严重的影响。因此,使用合理的材料选择合理的施工手段对公路的坑槽、坑洼进行修补,定期对道路进行有效的养护,是利国利民的大事,不仅能节省国家资源还可以使得道路寿命增加。以往对道路坑槽的修补,一般使用的都是热拌沥青混合料,但是这种混合料有着很多的缺点,使用这种混合料不仅会造成资源的严重浪费,还对周围的环境造成了很大的影响,并且这种材料受环境的影响比较大,因此使得其施工工序极为复杂。因此选择受温度限制小,应用范围广泛的冷补沥青混合材料是大势所趋。
2 道路冷补阐述
我们一直提道路的冷补,何谓冷补道路施工,道路冷补是在道路养护中相对于传统的热温修补而言的,在道路的坑槽坑洼的修补中,采用低温或者是常温的状态下对于道路进行修补,就是我们常说的也是现在经常使用的冷补技术。我们这样的状态下所使用的材料就是冷补材料,一般而言,沥青冷补混合料就是把沥青稀释后与没有通过加热的矿料混合搅拌而成的一种混合材料。
相比与以前经常使用的热补材料,冷补沥青混合料可以在任何时段任何地点使用,是一种高科技产品。这种材料不仅可以在环境以及天气状况及其恶劣的条件下使用,还可以修补各种不同类型的道路路面。
3 冷补沥青混合料的成型机理
就沥青的强度形成过程而言,沥青冷补材料与热沥青材料有着很大的区别,后者使用的是热塑性较强的沥青,而前者使用的材料的热塑性已经完全消失是经过改性后的材料。冷补沥青的强度形成机理极其的复杂,这一过程需要缓慢的进行。在修补的施工中,由于冷补沥青混合料具有可塑性以及流动性强的优点,因此通过摊铺、碾压,混合料能被挤压至坑洼、坑槽的各个角落。通过行车的压实和在空气中不断的晾晒,混合料中的一些溶剂不断的挥发,使得沥青材料越来越粘稠,冷补混合料之间的间隙越来越小,颗粒的分布更加的紧凑均匀,矿料之间的粘性力更加的牢固。
这一过程使得单位面积上的混合料的含量逐渐的增大,填补的坑洼处沥青的路面的软绵绵的感觉也逐渐的消失,以上过程所经历的的时间一般是8d左右。以此往后大约是3个月的时间,混合材料的强度会随着时间的推移逐渐的增大,填补的坑洼处路面的形状以及强度也趋于稳定,其性能达到了前所未有的高度,甚至会超过热沥青混合料的强度。
冷补沥青混合料强度的成型一般要分为两部分:(1)由于混合材料的自身的作用,通过沥青的粘附性,使得矿料之间的粘附力以及内聚作用增大,矿料之间形成有机的整体结构,颗粒变得不再容易分离。(2)来自外界因素的作用,通过不断的碾压以及通行车辆不断给其力的作用,使得颗粒之间的间隙逐渐的减小,混合材料的摩擦力变得越来越大,冷补材料的强度逐渐的增大。通过这两种因素的共同作用,沥青混合料的初期强度形成,这一强度足以能够承受车辆的荷载[1]。
4 配置改性沥青混凝土
4.1 确保有合理的加工设备以及沥青池
冷补沥青混合料主要生产的原材料是液性改性沥青,液性改性主要是通过柴油、道路沥青、沥青添加剂等合理的进行配置,混合灌在配置改性沥青时需要有导热系统、油泵循环搅拌以及机械搅拌等系统进行配置,确保能够将保温、循环搅拌等需求全面实现。图1为冷补沥青混凝料配置流程图。
4.2 配置改性沥青的配合比
沥青以及冷补添加剂在配合设计时,应该确保沥青、添加剂以及柴油等有着合理的比例,对掺配添加剂的比例进行计算时,应该通过混合料的使用期限、使用环境、使用温度以及使用用途等方面进行全面调整。
4.3 掺配施工工艺
首先将混合灌内的沥青材料加热到一定的温度内,通过脱水处理进行使温度降低到合理的范围内,另外,通过对油池内沥青材料的重量进行分析,将添加剂通过合理的比例进行调配,并且一边搅拌一边添加,还应该将柴油掺入,有着1~1.5h的搅拌,当搅拌施工到混凝土材料有着相同的颜色时。倘若添加剂在掺配施工过程中有着混淀的情况,则应该摇匀处理,在掺配过程中避免出现明火,确保能够准确的进行计量工作以及均匀的搅拌。
5 冷补沥青混合料相关施工措施
5.1 冷补沥青混合料的使用范围
冷补沥青混合料能够在不同种类的道路面层施工中适用,例如庭院场地、公园道路、人行道、机场跑道、停车车道、桥面铺装、水泥混凝土道路、沥青混凝土道路等结构中。道路面层在施工过程中,应该通过对坑槽深度进行分析,确保冷补沥青混合料的粒径符合相关要求。
5.2 冷补沥青混合料的施工要点
(1)通常情况下,首先要全面清理道路面层周围的石渣以及坑穴,确保道路面层的坑穴内冰块、泥浆等杂物能够清理干净,并且应该整齐的切割四周坑穴,施工时应该能够清楚的看到固体面。
(2)倘若道路面层坑穴的深度<5cm,那么在坑穴四周填进的冷补沥青混合料应该有1.2~1.5cm高出的高度,均匀的进行铺设施工,使坑穴四周呈现圆弧的形状,然后通过压实处理,倘若坑穴有着较深的深度,那么则应通过逐层压实、封层填补等措施进行处理。图2为道路面层的压实施工。
(3)完成修补施工后,应该将细砂或者石粉均匀的撒在道路面层的表面,同时通过工具进行全面清扫,确保表面空隙能够被细料填满。应该保持坑穴表面处于无轮迹、平整以及光洁等状态,通过压实工艺对坑穴边角以及四周进行处理,确保没有松散的情况出现。
6 冷补沥青混合料的特点
通过上面的叙述我们可以知道冷补沥青混合料的应用范围极其广泛的,并且冷补材料的优点也是极其的众多,下面介绍了几种重要的优点:
(1)冷补沥青混合料的受外界环境的限制较小,这种材料不仅可以在天气状况和好的条件下使用,对于潮湿的雨雪天,以及干燥天气下也可以适用,并且坑槽修补后的性能不会受到影响。
(2)冷补材料可以适用在多种路面,不仅可以应用于普通的公路,桥梁路面还可以对那些机械装置很难施工的路面进行修补。
(3)公路护养修补施工操作简单,使用的设备不会限制其施工工艺,也不需要使用特定的施工技术,使用的材料也不必提前配好,可以随用随补。我们所要做的只需将要修补的地方清理好,将材料放进去,用汽车碾压几遍即可。
(4)道路养护所用的成本较小,冷补沥青混合材料在对道路进行护养时,不会因为天气的变化影响施工进度,也不需要对其进行加热和搅拌,可以随用随取,即节省了投资,又不会造成浪费。
(5)提高了修补质量,冷不沥青混合料的抗性能力极强,他不仅能抵抗大型车辆的荷载,还能抵抗住水的侵害以及腐蚀的作用,使得其抗老化的能力增强,大大的增强了使用寿命,修补的坑洼坑槽一般10年以上也不会出现裂缝的现象。
(6)绿色环保经济实用,冷不材料的使用不会对周围环境造成影响,其生产过程中也不会产生废料,即经济实用又可以保护环境[2]。
7 冷补沥青混合料性能评价
7.1 粘附性的评价
冷补沥青混合材料中最薄弱的环节就是沥青的抗水能力,这主要是由于这种材料中参入了一定的稀释剂,在水的作用下使得混合材料的粘性降低,造成了与矿料的粘附性作用下降,使得沥青混合料不易向矿料四周扩散,最终会影响到沥青的强度,从而影响了道路的使用寿命。
7.2 成型强度评价
摊铺之后的冷补沥青混合料,通过日久的作用以及车辆的不断的碾压,使得沥青中的稀释剂不断地挥发,混合材料的粘性能力不断的增强,也使得沥青的强度随之增大。冷补沥青的强度的形成需要很长的时间,一般是需要几个月的时间才能使其强度和形变能力达到稳定的状态。冷补沥青混合料强度的形成过程中会有很多因素影响其成型的速度,比如说是环境的温度,天气条件以及该路段的车流量等。对于其试验的方法主要有表1中几种[3]。
8 展望
就目前来说对于冷补沥青混合料的研究还不成熟。本文对其讨论也是常识性的,因此会存在很多的不足以及缺陷,我们以后的研究可以就下面几个方面展开:
在上文中的提到的烘烤下马歇尔试验只是模拟摊铺后的压实作业,无法反应溶剂的渗透作用,相反常温下的马歇尔试验只能对后一种方法进行模拟,对于前一种方法却无法模拟。因此找到一种能够同时模拟两种情况的试验模式是我们研究的重点,需要我们花大量的时间去钻研。
冷补沥青混合料的评价指标的影响因素有很多,但是最为主要的就是试验数据的不足,因此增加研究的次数,增加样本的使用量,从而拓展试验的数据。对冷补沥青混合料的评价性能以及指标做深入的研究[4]。
9 结语
冷补沥青混合料近年来在公路修补中的应用越来越广泛,但是依然存在很多的问题,主要是性能评价指标的存在很多的缺陷,使得其在环境以及车辆的作用下很容易遭受到破坏。实际上冷补混合料在国外的应用很成功,但是在我们国家对于其应用还没有形成十分完备的技术规范。因此,在我国对于冷补沥青混合料还要继续进行深入的研究。
摘要：在我们国内,冷补沥青混合料的研究一直受到众多研究人员的青睐,作为一种新兴材料,冷补沥青混合料在道路路面坑洼、坑槽的修补中应用十分广泛。冷补沥青混合料的应用之所以如此广泛,因为其优点众多,首先来说,冷补沥青混合料在任何天气下都可以使用,并且还可以随用随补。但是由于对冷补沥青混合料性能评价指标的欠缺,造成了其质量一直达不到理想的要求,不能使得其优势得到完全的发挥。本文对冷补沥青混合料的成型机理以及特点做出了介绍,并且针对这些现象的不足,对冷补沥青混合料的性能评价指标进行了研究,并在此基础上提出了对于开发沥青混合料的展望。
关键词：冷补沥青混合材料,道路养护,评价标准
参考文献
[1]李峰,黄松昌,徐剑,秦永春.冷补沥青混合料组成设计研究[J].武汉理工大学学报,2010,32(14):79～82.
[2]李峰,黄松昌,徐剑,秦永春.冷补沥青混合料性能评价指标体系[J].公路,2010(11):156～61.
[3]崔磊.冷不沥青混合料研究[C].长安大学硕士学位论文,2006:44～59.
水泥—沥青混合料
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