SBS改性沥青混合料自愈合能力影响因素的优化

沥青这种有机胶凝材料,在一定的时间、温度条件下,其自身具有愈合能力,同理沥青混合料在一定的时间和温度条件下亦具有愈合特性,但其自愈合效果仅能在最佳环境条件下达到理想状态。为了研究沥青混合料的愈合影响因子,探索最佳愈合条件,提高路面养护过程中沥青混合料的自愈合能力,选取常用的沥青路面表面层SBS改性沥青混合料为研究对象,采用控制应变的小梁四点弯曲疲劳破坏-愈合-疲劳破坏试验,对沥青混合料破坏愈合前后的疲劳寿命进行了对比研究,同时采取了愈合后的疲劳寿命恢复百分率作为评价指标。采用多因素多水平正交试验,对不同愈合时间、愈合温度以及应变条件下沥青混合料的自愈合特性进行了系统研究。研究结果表明:对于SBS沥青混合料,愈合温度和愈合时间均与沥青混合料的疲劳寿命恢复率呈正相关,但愈合温度不能超过沥青胶结料的软化点,否则影响沥青混合料高温稳定性;而应变大小与疲劳寿命恢复率呈反比关系,随着应变的增大,沥青混合料的疲劳寿命恢复率减小;愈合温度对沥青混合料的自愈合效果影响最为显著,愈合时间影响次之,应变大小影响最小;对于SBS改性沥青混合料,其最佳愈合条件是温度60℃,愈合时间6 h,应变1 000με。因此,在路面养护过程中,较高温度和控制交通量及超荷载条件可有效提高沥青路面自愈合能力。     

控制损伤条件下沥青材料的断裂愈合性能

沥青材料具有自愈性能,并通过对微损伤的修复,使沥青路面可持续使用。然而,沥青材料的自愈通常和粘弹性变形的恢复同时发生,使得沥青材料的愈合性能分析变得复杂。该文在控制材料损伤条件下,并排除粘弹性模量恢复的影响,对沥青结合料的自愈性能进行评价。首先,该文制定了一个愈合试验方案和数据分析方法,通过试验可以对沥青造成损伤并在间歇期前评定损伤等级,然后在愈合过程中监控沥青材料性能的变化和评价损伤愈合的程度;其次,建立愈合方程,在不同损伤等级及温度下模拟沥青材料的愈合性能。基于两种材料(PG 64-28、PG 70-28)的试验结果,发现在沥青材料模量长期的恢复过程中,主要受到自愈性能的影响,而粘弹性模量恢复在荷载移除后的早期就会发生,而且,沥青材料的愈合性能和疲劳性能的恢复受温度和损伤等级的影响很大。     

改性剂对沥青自愈合能力的影响

采用动态剪切流变试验仪(DSR),对70号基质沥青和添加SBS、岩沥青、表面活性剂3种改性剂的沥青进行间歇疲劳加载。试验采用应变控制加载模式,当沥青达到规定的损伤度(D=15%、30%、45%)时,停止加载,并设置不同的间歇时间(300s、600s、1 800s、3 600s、5 400s)使沥青愈合,再进行重复加载。通过表象评价指标(HI1、HI2)和能量指标(HI3)对沥青愈合能力进行分析,研究改性剂对沥青自愈合能力的影响。试验结果表明:3个评价指标对沥青自愈合能力评价具有一致性,添加SBS改性剂使沥青愈合能力明显增强,添加岩沥青愈合能力减弱,添加表面活性剂对沥青愈合能力影响不大;愈合指标与间歇时间的1/4次方(t1/4)存在着很好的线性关系,且不同沥青愈合方程的斜率的大小关系与沥青自愈合能力排序一致。     

不同类型沥青胶浆自愈合行为方程

在设计耐久性路面时,自愈合技术在延长沥青路面使用寿命方面有着巨大优势。明晰沥青自愈合行为和定量评价沥青自愈合性能,是沥青自愈合技术应用的前提。基于扩散理论,将自愈合分为润湿愈合和扩散愈合两个过程,沥青的润湿愈合强度在裂缝开裂后的短时间内得以形成,进入间歇期后主要进行扩散愈合,且扩散愈合强度与愈合时间成线性关系,进而建立了考虑温度及愈合时间影响的沥青材料宏观自愈合行为方程,定量描述了沥青胶浆愈合强度随愈合时间变化的过程,对量化沥青材料的自愈合过程具有重要价值。然后,基于沥青的复数模量指标,提出以损伤恢复度作为宏观愈合能力评价指标。此外,在不同温度条件下对不同损伤度、填料类型、粉胶比、沥青类型的沥青胶浆进行疲劳自愈合试验,发现损伤恢复度与愈合时间具有较强的线性相关性,从而验证了提出的毛细扩散理论对沥青胶浆自愈合的适用性。最后,根据毛细扩散愈合机理和沥青组成成分特点,分析了不同沥青胶浆的自愈合行为的差异性。通过对不同沥青类型与温度条件下的胶浆愈合方程进行参数分析,发现可采用愈合方程曲线的截距和斜率分别表征沥青胶浆的润湿愈合强度与扩散愈合速率,进一步验证了理论方程的可靠性。     

基于正交试验基质沥青自愈合性能影响因素研究

沥青材料作为一种黏弹性物质,具有自愈合性能.为研究影响70#基质沥青的显著性因素,设计正交试验选取了间歇温度、间歇时间、损伤度三个因素并采用动态剪切流变仪进行"疲劳-愈合-疲劳"试验,根据极差、方差得到各因素对自愈合性能指标的影响.结果 表明:影响自愈合性能指标HI1的主要因素是间歇时间,间歇温度和损伤度几乎无影响,认为采用指标HI1评价基质沥青的自愈合性能欠妥;对影响自愈合性能指标HI2的因素显著性排序为间歇温度＞间歇时间＞损伤度,且随间歇温度的升高、间歇时间的延长将大幅提高沥青材料的自愈合程度;自愈合指标HI3"考虑了加载次数与模量的联系,从而对自愈合指标H3"修正得到,各因素对指标的显著性HI3"排序为损伤度＞间歇温度＞间歇时间,且随着损伤度的增大,自愈合程度逐渐降低,体现自愈合性能良好的最优组合为间歇温度30℃、间歇时间4h,损伤度10％.     

沥青自愈合性能评价指标修正及应用

通过对比和分析现有沥青自愈合指标的不足，以模量下降速率重新定义自愈合指标，该指标值越小说明沥青材料的自愈合性能越优。采用动态剪切流变仪（Dynamic Shear Rheometer，DSR）对7种沥青进行不同间歇时间和不同损伤度下间歇加载式的自愈合试验，以毛细扩散理论下的自愈合行为方程对自愈合指标进行线性拟合，获得代表沥青瞬时自愈合和后期自愈合的参数，用以研究沥青的自愈合性能。结果表明：沥青的自愈合指标随着间歇时间的增大而减小，但其变小的速率趋于缓慢；7种沥青在不同损伤度下的自愈合指标值与间歇时间的0.25次方存在较好的线性正相关，判定系数R²均在0.85以上，无论是基质沥青还是改性沥青，新指标都具有较好的适用性；SBS改性沥青的瞬时自愈合优于基质沥青，随着添加到SBS沥青中改性剂掺量的增大，改性沥青的瞬时自愈合表现出先弱后强的趋势，而这7种沥青的后期自愈合性能与其瞬时自愈合性能正好相反，代表瞬时自愈合和后期自愈合的参数具有较好的负相关，说明瞬时自愈合性能优的沥青其后期自愈合性能较差。     

基于耗散能理论的沥青胶结料疲劳与自愈特性研究

采用动态剪切流变仪(DSR)对PG64-28与PG70-28两种沥青进行不同间歇时间下沥青疲劳与自愈试验,基于耗散能理论,选择耗散能(DE)和耗散能变化率(RDEC)描述基质沥青的损伤和愈合现象。结果表明,沥青的自愈有助于延长其疲劳寿命;建立的带有间歇加载程序的DSR试验与真实的交通荷载方式更相似;耗散能理论为评价胶结料愈合提供了更有效的方法和指标;平台值与间歇时间半对数曲线的斜率可表征沥青的愈合率,曲线斜率越高,自愈率越大,沥青的愈合能力越强;聚合物改性沥青具有比基质沥青更高的自愈率;随着初始应变的减小,愈合率逐步增加;应力标准与愈合影响没有明显的关联;胶结料在低温时愈合能力变差。     

考虑自愈合补偿的多种沥青混合料疲劳性能比较

为给疲劳优先工况条件下的抗裂沥青混合料设计及改性剂选择提供参考,通过选定相同的沥青用量,采用小梁疲劳试验机研究了11种不同沥青混合料在考虑了自愈合补偿后的疲劳性能.采用50％初始劲度模量降低疲劳寿命Nf50评价基质沥青混合料疲劳性能,采用归一化劲度次数积疲劳寿命NfNM评价改性沥青混合料的疲劳性能.研究结果表明:当未考虑自愈合时,11种沥青混合料中SBS-AC13疲劳性能最好,当考虑自愈合后,仍是SBS-AC13疲劳性能最好;橡胶沥青混合料ARAC-13自愈合能力最好;疲劳自愈合能力与空隙率、级配都呈很好的相关性.     

基于自愈合性能的沥青混合料设计因子研究

为了解决我国沥青混凝土道路养护中的路面开裂问题,为沥青路面建设与预防性养护提供数据支持,为区域养护政策与标准制定提供理论支撑,特针对当下公路沥青路面和城市道路沥青路面中普遍存在的开裂病害进行了自愈合性能影响因子研究。为了更好地模拟道路开裂和研究自愈合性能影响因素,从沥青混合料配合比设计着手,基于四点小梁弯曲疲劳试验,通过N_(fNM)方法中的评价方法,选取疲劳恢复率作为评价指标,采用单因素方法对沥青混合料的空隙率、沥青用量、沥青种类及级配等因子进行了系统研究,并选用灰关联分析研究各因子显著影响水平。结果表明:首先,沥青混合料的自愈合能力与其空隙率成反比关系,随空隙率的增大,其疲劳寿命恢复率减小;其次,沥青混合料的自愈合能力与沥青用量成正比关系,随沥青用量的增大,其疲劳寿命恢复率增大;再者,SBS改性沥青混合料的自愈合能力要比普通沥青混合料更好,且随改性沥青的基质沥青标号的增大而增大;最后,不同级配的沥青混合料,其疲劳恢复率也是不一样的,随着最大公称粒径的增大,其疲劳寿命恢复率减小。同时,灰关联分析结果显示,沥青种类对沥青混合料的自愈合能力的影响是最显著的,其次沥青混合料的空隙率和沥青含量对其自愈合能力的影响较显著,而级配类型对沥青混合料的自愈合能力影响则不显著。     

沥青混凝土路面多孔混凝土基层的疲劳性能

多孔混凝土作为沥青混凝土路面的基层时,和面层一起受到车辆荷载和温度的反复作用,结构设计中需考虑其疲劳性能。通过室内小梁弯拉疲劳试验,分析疲劳寿命试验数据的概率分布,得出多孔混凝土疲劳寿命服从双参数威布尔分布,以此建立了不同应力水平和等效应力水平下两种形式的疲劳方程;分析了疲劳寿命变异性的影响因素及减小变异性的相应措施,比较得出其疲劳性能优于半刚性基层材料。利用得出的疲劳方程,建立了多孔混凝土作为沥青混凝土路面基层时,进行层底弯拉应力验算的弯拉强度结构系数,可用于路面结构计算。     

基于神经网络理论的沥青混合料疲劳性能的预测模型

荷载条件、环境条件以及沥青混合料本身性质都会影响沥青混合料的疲劳性能.而疲劳试验所得出的疲劳方程不能反映众多因素对沥青混合料疲劳性能的影响.文中将荷载间歇时间、加载频率、试验温度、沥青混合料空隙率、沥青软化点、沥青用量等6个影响因素适当组合,在MTS材料试验系统上进行了不同条件下的应力控制的疲劳试验;然后,运用遗传算法和神经网络理论来考虑各因素对沥青混合料疲劳性能的影响,得出一种较为完善的沥青混合料疲劳性能的预测模型.研究表明,这种方法是科学的和可行的,所得出的预测模型的精度较高.     

基于神经网络理论的沥青混合料疲劳性能的预测模型

荷载条件、环境条件以及沥青混合料本身性质都会影响沥青混合料的疲劳性能.而疲劳试验所得出的疲劳方程不能反映众多因素对沥青混合料疲劳性能的影响.文中将荷载间歇时间、加载频率、试验温度、沥青混合料空隙率、沥青软化点、沥青用量等6个影响因素适当组合,在MTS材料试验系统上进行了不同条件下的应力控制的疲劳试验;然后,运用遗传算法和神经网络理论来考虑各因素对沥青混合料疲劳性能的影响,得出一种较为完善的沥青混合料疲劳性能的预测模型.研究表明,这种方法是科学的和可行的,所得出的预测模型的精度较高.     

利用不可恢复蠕变柔量评价沥青自愈合性能

为找到能简便、准确评价沥青结合料自愈合能力的指标,采用特制试验环将70~#基质沥青制作出具有内部缺陷的双片组(3 mm+3 mm)和一次性制作的单片组(6 mm)试样,分别进行了不同试验温度、平行板间距、愈合时间和愈合温度条件下沥青样品的MSCR试验,并对比DSR温度扫描试验结果。研究发现,对于40℃保温2 min愈合的试样,在试验温度25℃、平行板间距5 mm时进行MSCR试验得到的不可恢复蠕变柔量之比(S_(Jnr))可作为沥青结合料自愈合性能的评价指标,为表征沥青结合料的自愈合性能,提供了一种新的试验方法和评价指标。     

基于MMLS3和四点弯曲试验的沥青混合料疲劳性能研究

利用小型加速加载设备MMLS3对5,25,50℃下的2种沥青混合料(SMA-13和AC-13)的车辙深度变化规律进行研究,并将试验结果与2种沥青混合料在与MMLS3试验相同温度条件下通过四点弯曲疲劳试验获得疲劳寿命进行分析对比。结果表明:(1)由于更低的孔隙率与更好的抗剪切变形能力,SMA-13的车辙深度始终低于OGFC-13;(2)沥青混合料疲劳寿命受控制应变、温度、级配类型的影响,在评价不同的沥青混合料疲劳性能时必须综合考虑;(3)相同温度条件下,通过控制车辙深度获得的使用寿命远大于通过控制应变为300×10~(-6),600×10~(-6)时的四点弯曲疲劳试验获得的疲劳寿命。     

乳化沥青冷再生混合料疲劳性能研究

采用目前工程上常用的两档沥青路面铣刨旧料对RAP掺量为80％和100％的乳化沥青冷再生混合料进行材料组成设计.通过击实试验和劈裂试验分别确定其最佳流体含量和最佳乳化量用量.在配合比设计基础上采用控制应变加载模式对乳化沥青冷再生混合料疲劳性能进行试验研究,确定了加载较为合理的应变水平,即300,250,200με和150με.试验结果表明,在应变水平较高时,两种RAP掺量下乳化沥青冷再生混合料能承受有限的荷载作用次数,当应变水平降低到150 μe时,两种RAP掺量混合料在150万次荷载作用下仍未破坏,采用劲度模量与荷载作用次数预估的方法确定了疲劳寿命.通过对4种应变水平-荷载作用次数进行疲劳曲线拟合,提出两种RAP掺量下乳化沥青冷再生混合料的应变控制指标.     

沥青自愈合行为评价及影响因素分析

利用动态剪切流变仪(DSR)进行了改进的“疲劳愈合疲劳”加载试验，采用毛细流动扩散理论证明了评价方法适用性，表征了沥青自愈合行为。通过响应面法分析了愈合时间和损伤程度对沥青样品自愈合性能的影响规律。结果表明：改进的“疲劳愈合疲劳”加载试验可用于表征沥青愈合特性。沥青损伤程度越大，初期瞬时湿润愈合能力越差，而后期扩散愈合率越强。延长愈合时间，降低损伤程度，对沥青自愈合有积极作用。影响沥青自愈合性能因素强弱排序为：愈合时间>损伤程度>愈合时间与损伤程度的交互作用。     

高速公路沥青稳定基层疲劳性能试验研究

通过与国外沥青稳定基层常用级配及国内相关级配的比较,经过大量的马歇尔试验和强度试验,初选出沥青稳定碎石1#(公称粒径26 5mm)和沥青稳定碎石2#(公称粒径31 5mm)两种级配。然后,在MTS810材料试验系统上进行应力控制的疲劳试验,研究其抗疲劳性能,并进行疲劳寿命预估。研究表明这两种沥青混合料的力学性能和疲劳性能较佳,能够用于修筑高速公路的沥青稳定基层。     

水泥灌浆半柔性橡胶沥青混合料疲劳性能试验研究

采用矩形梁4点弯曲疲劳试验对水泥灌浆半柔性橡胶沥青混合料的疲劳性能进行研究,对-15℃、-10℃、-5℃、0℃、15℃五种不同温度下的水泥灌浆半柔性橡胶沥青混合料进行控制应力疲劳试验,得到其在以上温度条件下的荷载疲劳方程。     

不同标号沥青稳定碎石性能对比试验研究

结合工程实际,通过对ATB30、ATB40两种级配下的30#和70#沥青稳定碎石进行车辙试验、蠕变试验、残留稳定度试验、冻融劈裂试验、小梁弯拉强度及疲劳试验,比较评价了不同标号沥青稳定碎石的高温性能、水稳定性能、疲劳寿命。结果表明:相同级配类型下,30#沥青优于70#沥青稳定碎石的路用性能。     

沥青稳定基层疲劳性能研究

通过与国外沥青稳定基层常用级配及国内相关级配的比较，经过大量的马歇尔试验和强度试验，初选出沥青稳定碎石1#（公称粒径26．5mm)和沥青稳定碎石2#（公称粒径为31．5mm)两种级配。然后，在MTS810材料试验系统上进行了应力控制的疲劳试验，研究其抗疲劳性能，并进行疲劳寿命预估，研究表明这两种沥青混合料的力学性能和疲劳较佳，能够用于修筑高等跌沥青稳定基层。