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1、年月石 油沥青第卷第期试验与研究一硬质沥青及其混合料性能试验研究刘初 砰沙庆林李报科长沙理工大学公路工程学院长沙摘要一硬质沥青是指 枯稠度相对杖大的基质沥青,具有针入度小、拈拥度大、劲度大、软化点高、延度小的特点,其高沮性能优 良,沮度教感性好,低沮性能略差。针对硬质沥青及其混合杆的性能指标,尤其是高沮性能、低沮性能和疚劳性能,同时与石油沥青一、改性沥音进行对比试脸研究,以全面了解硬质沥青的使用性能,为硬质沥青的应用提供依据,也为夏李炎热地区、重抽 载道路和长大橄坡路段的高子级公路沥青路面建设提供参考。关链词道路工祖硬质沥青沥青混合抖路用性能对比试脸研究车辙损坏是近年来夏季炎热地区、重轴载道潞
2、、长大纵坡路段等高速公路沥青路面的主要损坏形式之一。目前提高沥青路面高温稳定性的方法和措施主要有调整沥青混合料的矿料级配、表面层或上中面层均采用改性沥青及改性沥青混合料特别是改性沥青混合料表面层、加强沥青路面的材料控制与施工控制等途径,在一定程度上改善了沥青路面的温度稳定性,但仍没有从基本上解决,一些两层采用 了改性沥青的路面,在重荷载作用下,底面层又产生失稳而出现车辙,三层均采用改性沥青,情况有所好转,但造价太高。沥青混合料是由沥青胶浆及骨料两部分组成,其中沥青胶浆由沥青、矿粉还可能包括纤维等添加剂组成。胶浆在混合料中所 占比例不大,但对路面性能的影响却起着十分重要的作用,沥青路面的很多病害
3、往往是由于沥青胶结料的性质较差引起的现有研究表明,沥青胶结料对沥青混合料路用性能的抗车辙贡献率约占到,对沥青混合料的低温抗裂性则起主要作用,可见沥青胶结料的重要性。硬质沥青是指粘稠度相对较大的基质沥青,具有针入度小、粘稠度大、劲度大、软化点高、延度小的特点,其高温性能优 良,温度敏感性好,低温性能略差。世纪年代前期,法国在中下沥青面层中常用针入度为的沥青,沥青用量为年曾用针入度为的沥青做底面层混合料,同时增加沥青用量至与表面层相同,大量试验结果表明使用针入度为的沥青混合料的抗永久变形能力比改性沥青混合料抗永久变形能 力还要强,其疲劳寿命比原底面层混合料的疲劳寿命增长,年法国正式制定针入度为的沥
4、青制作高模量沥青混凝土的规范。在我国,尽管我国规范中有一及一沥青标准,石化部门也研制过相应的生产工艺,除少数几个生产企业有过少量生产如广东茂名石化公司、江苏泰州石化总厂、广东中油高富燃油公司等总体来说,受生产条件制约,硬质沥青在我国的生产不多,其应用也相应较少。针对硬质沥青的性能指标,尤其是高温性能、低温性能和疲劳性 能,同时与石油 沥育一、改性沥青进行对比试验研究,全面了解硬质沥青的使用性能,为硬质沥青的推广应用提供依据,也为夏季炎热地区、重轴载道路和长大纵坡路段的高等级公路沥青路面建设提供参考。收稿日期一一。作者简介刘朝晖一,男,硕士,长沙理工大学公路工程学院,教授,主要从事道路工程教学与
5、科研工作。基金项目高等学校博士学科点专项科研基金 资助课题国家 自然科 学荃 金资助项目批 准号湖南省教育厅资助科研项目年第卷一硬质沥资胶结料性能指标采用的硬质沥青为中海泰州一,通过室内试验与分析,研究硬质沥青材料常规试验、硬质沥青与普通石油沥青一性能的对比、硬质沥青与一般改性沥青改性沥青性能的对比试验、硬质沥青的分级。通过研究,对硬质沥青性能指标进行评价。常规性能指标对比试验依据一的试验方法,对中海泰州硬质沥青一试样按石油沥青技术指标进行测试,结果见表。表表明,硬质沥青的高温指标 软化点和感沮性能达到改性沥青标准的一类标准,虽然在低温指标上表现不足,应用于夏季炎热地区而言,硬质沥青体现了优异
6、的路用性能 高温稳定性,从而体现出其应用的经济性。表技术指标翻试结果项目一改性沥青密度一针入度一,农一、一沥,常舰性能指标试牲结软化点项目一一当软化点针入度一,廷度延度溶解度,弹性恢复,叼后软化点环球法质损失当软化点针入度比,一延度蜡含,溶娜度,密度八。一。后质变化写针入度比,沥,粘度指标对比试验研究表明阁,沥青的粘度对其路用性能有很大的影响,与沥青路面的抗车辙性能有很好的相关性,沥青粘度大,粘结力强,所拌制的沥青混合料强度高,稳定性和耐久性好采用旋转粘度计测量沥青胶结料的粘度,对、的粘度测试结果见表。延度农,甘粘度试脸结从表可以看出,硬质沥青除了在低温指标延度上表现不足外,其余指标均表现优异
7、,特别是高温指标,软化点比普通重交通道路沥青提高了,温度敏感性指数尸也好于普通重交通道路石油沥青。对照规范要求,该高粘度沥青除延度指标外,其余指标都达到级沥青要求。依据一的试验方法,对中海泰州硬质沥青一试样按改性沥青的技术指标进行测试,结果见表所示。枯度 沥青品种高枯度沥青一重交通沥青一改性沥青注表中试脸结果单位为。为一从表中可以明显的比较出三种沥青在粘度指标上的差 异,一的粘度远大于普通沥青,的粘度是石油沥青的倍、改性沥青的第期刘朝晖等一硬质沥育及其馄合料性能试验研究倍,在粘度上是名副其实的高粘度沥青。沥份与石料的粘附性试验沥青对石料粘附性的优劣,对沥青路面的强度、水稳性以及耐久性都有很大影
8、响,故粘附性也是沥青的重要性质。评价沥青与集料的粘附性,采用水煮法,用粒径大于的花岗岩粗集料,经左右的沥青浸润,取出冷却后在沸水中煮,观察碎石表面沥青膜被水移动剥落的程度,分个等级评定其粘附性。结果如表。子的测试结果见表。农沥,疲劳因子试牲结果沥青品种占。古,口,改性沥青衰沥,与矿料的枯附性等级对比试验沥青品种枯附性等级 级一。沥青改性沥青一。沥青弯曲梁流变仪用于测量沥青在极低温度下的劲度,在试验中,有两个参数值,即蠕变劲度和蠕变速率值,胶结料规范和设计体系要求的是的和蠕变速率,同时要求不超过,值要求不小于。对硬质沥青一、普通重交沥青、改性沥青的试验结果见表。如表所示,受沥青枯度差异的影响,硬
9、质沥青与矿料的粘附性也表现最好,其混合料的水稳性和耐久性也必然会表现出优良的性能。硬质沥青的分级性能试验对胶结料高温性能的评价闭,胶结料规范采用动态剪切流变试验,用车辙因子来表征结合料抗永久变形的能力。在最高路面设计温度下,占越大越好因抗车辙因子越大,能同时反映出较大与古较小的综合影响。规范要求测定原样沥青以及残留物的车辙因子,分别不小于和。对三种沥育胶结料各温度下车辙因子的试验结果如表所示。表,试验结果一一一 沥青种类扭,二硬质沥青一石油沥青一改性沥青衰沥,胶结料动态劳切试验结果原样沥青后 沥青种类改性沥青技术要求从表中可看出,按胶结料规范分级思想,一高温级 别为,一为,改性沥青为,硬质沥青
10、表现出优异的高温性能。在常温下,对三种沥青胶结料盆劳因由表结果,按美国胶结料规范分级思想,硬质沥青一的低温等级为,石油沥青一为一,改性沥青为一硬质沥青一的低温性能足 以保证其应用于夏季炎热地区的可靠性。一硬质沥资混合料性能试验为 了解硬质沥青混合料性能,对普通重交通沥青一、改性沥青、硬质沥青一在、一级配下进行混合料性能的对比试验研究。混合料粗集料全部采用花岗岩碎石,石屑为石灰岩,同时在混合料 中以水泥替代等量矿粉。马歇尔试验三种不同沥青的混合料马歇尔试验结果见表。盘石油沥青年第卷衰沥混音料马尔试脸结混合料类型一一一改性沥,一一一十一一。十改性沥青一十一技术要求沥青用,试件密度一试件空欧率,沥青
11、饱和度,稼定度流值一。表结果表明,三种沥青粘度的不同造成沥青与矿料之间形成的沥青膜厚度不相同,粘度越大,沥育膜越厚,其混合料的最佳油石 比也越大。另外,作为强度指标的稳定度,硬质沥青混合料稳定度值高于其余两种混合料,体现了优异的高温强度特征。高通性能试验车辙试验采用国内的常规车辙试验对比、评价三种沥青混合料的高温稳定性。考虑到车辙试验机传感器精度以及动稳定度指标 自身的缺陷,本研究增加作用次的累积形变量指标,具体试验结果见表。车辙试验结果表明,硬质沥青混合料车辙动稳定度和作用次累积变形两个指标均表现优异,一混合料平均为改性沥青混合料的倍,为石油沥青混合料的倍。单轴贯入剪切性能试验采用一种全 新
12、的剪切试验方法单轴贯入剪切,其原理就是在 试件上使用小于试件直径的钢压头进行加载,通过这个试验来模拟路面中的实际受力状态,然后通过力学分析,从而求出混合料的抗剪性能。力学分析和路面实际使用情况都 表明用单轴贯入能较好地模拟 道 路上的实际受力状况。在最佳油石 比、士空隙率水平旋转压实成型试件,条件下进行贯入剪切和抗压强度试验,结果见表。衰,常规车辙试验结果沥棍料类型油石 比,动往定度次一作用次变形一十一一一一改性沥青一一一十一一。十改性沥青衰单轴贾人剪切试验结混合料类型一十一改性沥青一一。改性沥青第一主应力占,第三主应力份抗剪应力内康攘角。粘策力。,第期刘朝晖等一硬质沥青及其混合料性能试验研究
13、从表可以看出硬质沥青混合料的高温抗剪应力和粘聚力表现最好,均高于其他两种沥青混合料内摩擦角反映混合料结构内部的嵌挤作用,同一级配条件下,嵌挤能力应该是相近的,但 内摩擦角的大小取决于矿质集料尺寸均匀度、颖粒形状、表面粗糙度等,这些因素往往离散性较大,试验中测得的内磨擦角往往也显现得较为离散。剪切试验美国公路战略研究计划开发的剪切 试验机能较好评价沥青混合料的高温抗剪性能,其恒高度重复剪切试验则很好地用来预估沥青混合料的车辙与永久变形性能。混合料在最佳油石 比下旋转压实成型空隙率为试件,在温度为下进行试验,试验结果如表所示。水稳定性试验采用方法 冻融劈裂试验对沥青混合料水稳定性进行对比试验与评价
14、。方法即为改进的方法,它要求采用空隙率的马歇尔试件,分成普通试件和冻融试件两组,两组试件的劈裂强度比即为了百。试验结果见表。衰冻勇裂试牲结果混合料类型普通试件冻融试件了,一十一改性沥青一一。改性沥青表试验结果混合料类型油石比,写,创一“,写一一改性沥青一一。改性沥青表中反映了沥青混合料稳定阶段剪切应变曲线的斜率,随着重复剪切次数的增加,越小,永久剪切应变越趋于稳定,说明沥青混合料内部形成稳定的骨架结构或者骨料间沥青胶浆粘结力较强,在剪切过程 中产生的限制应力较大,抗剪切能力较高,高温性能较好。为剪切应变曲线的截距,即为初始剪切应变,反映了在重复剪切之前沥青混合料内部抵抗剪切的能力,越小,则初始
15、剪切应变越小,说明沥青混合料自身骨架结构较好或者骨料间粘结 力较强,在重复剪切之前抗剪切能力就较高,高温稳定性较好。可见高粘度硬质沥青混合料、值相对重交通道路石油沥青混合料的要小很多,比一般的改性沥青混合料的也要小,反映了硬沥青混合料在抗永久变形能 力上的优异性。试验结果可以看出,由于三种沥青胶结料粘度的差异,使沥青与矿料之间产生 的粘附作用 不同,粘度越大,粘结作用越强水煮法试验结果也体现了同样的结论,同时,粘度的增大造成混合料最佳油石 比的增大,油石比的增大对混合料的抗水损害能力是有利的。低温性能试验采用一中低温弯曲试验评价沥青混合料低温性能。该试验得到极限应变和劲度模量两个指标对三种沥青
16、混合料进行低温性能评价。表低通有曲试验结果沥混合料类型极限应变只。一劲度模十改性沥青十改性沥青内乙自匕洲月“月口连,月,八试验结果表明三种沥青混合料低温弯曲试验极限应变应均大于一,满足低温抗裂性能技术要求,由此可见,高粘度硬质沥青应用于石油沥青年第卷南方湿热地区的中下面层,在低温抗裂性方面过分担忧是不必要的。应劳性能试验疲劳试验是美国计划开发的成果,是目前能较好模拟道路受实际行车荷载作用的室内疲劳试验。从控制模式上来看,混合料受到反复轮载的作用,轮载保持不变,从这一点上看相当于 以应力控制。采用疲劳试验对三种沥青混合料的疲劳性能评价结果见表,以疲劳寿命表征。农沥资说合料应劳璐命 轮压混合料类型皮劳寿命 次平均值 次十改性十改性试验结果表明高粘度硬质沥青混合料疲劳寿命在采用应力控制的试验中表现优异,其寿命比普通重交沥育混合料疲 劳寿命平均增长,也比一般的改性沥青混合料平均增长。力学参数试验采用一中、方法对三种沥青混合料在抗压强度、抗压 回弹模、劈裂强度的试验结果见表。农沥,混合料力学性能试脸结棍合料类型扰
