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。     

密级配沥青混合料自愈性能的评价方法

为科学评价沥青混合料的自愈性能,开发基于高压渗水的密级配沥青混合料自愈性能的测试装置,提出评价指标,通过试验确定愈合时间、愈合温度与最小样本数等关键参数。通过测试不同愈合温度与时间、混合料类型与微胶囊掺量下的密级配沥青混合料的渗水速率比（v_e）,验证该方法的敏感性与稳定性。对比分析v_e与间歇式疲劳寿命及劈裂愈合强度比（SHSR）,论证该方法的有效性。结果表明：该方法的适宜试验参数为愈合时间12 h,愈合温度45℃,制缝温度5℃±2℃,最小样本数n=4;该方法能有效区分测试条件（愈合温度与时间）、混合料类型及最大公称粒径、微胶囊掺量对自愈性的影响,平行试验结果的变异系数在3.0%,满足敏感性及稳定性要求;v_e与间歇式疲劳寿命及SHSR在评价密级配沥青混合料自愈性方面具有一致性,且具有试验设备简单,结果稳定等优点;在一定范围内,沥青混合料裂缝自愈效果随微胶囊掺量的增加和温度的升高而提高,且自愈性能随愈合时间的延长呈非线性增长;公称最大粒径越小,自愈效果越好,悬浮密实级配AC的自愈性能优于骨架密实级配SMA。     

微胶囊沥青混合料的裂缝自愈与路用性能研究

微胶囊沥青混合料具有一定的裂缝自愈能力,可延长沥青路面使用寿命,其研究已逐步引起重视。采用高压渗水试验评价微胶囊沥青混合料的自愈性能,研究微胶囊掺量、混合料属性(公称最大粒径、空隙率、沥青种类和用量)与使用环境(温度、时间及水分)对自愈性能的影响规律,考察微胶囊掺量对混合料路用性能的影响。结果表明,沥青混合料自愈性能随微胶囊掺量的增加先提高后降低,最佳微胶囊掺量为6%;随着公称最大粒径与空隙率的增加,混合料自愈性能逐渐变差;基质沥青混合料的自愈性能优于改性沥青,且油石比越大自愈性能越好。在一定范围内温度越高、自愈性能越好,自愈性能随愈合时间的延长呈非线性增长,水分对沥青混合料自愈有着不利的影响。随着微胶囊的增加,混合料中的矿料摩阻力与矿料/沥青黏附性降低,导致沥青混合料的高温稳定性与水稳定性有所降低;掺入微胶囊后,沥青混合料的裂缝自愈能力得到增强,因此反映抗裂性能的低温弯曲破坏应变得到一定程度的改善。综合混合料自愈性能与路用性能随微胶囊掺量的变化规律,推荐微胶囊掺量为4%~6%。     

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.     

基于黏弹理论的橡胶改性沥青自愈性能研究

为研究橡胶改性沥青的自愈性能,从橡胶沥青的黏弹特性出发,测试了温度、持续时间对橡胶沥青黏弹性能的影响,分析基于黏弹理论的橡胶沥青自愈性能。采用DSR流变仪分析研究了温度扫描和时间扫描模式下橡胶沥青的自愈性能,评价了粉胶比、应力大小、损伤度对橡胶沥青自愈性能的影响,建立了橡胶沥青的自愈指数——损伤度的数学模型。研究结果表明:温度越高,持续时间越长,沥青材料的黏度越低,从而提高了分子的流态特性,有利于沥青材料实现自愈合;随着粉胶比的增加,橡胶沥青的布氏黏度逐渐增大,自愈能力降低;作用应力越大,自愈能力越小;自愈期前后的初始模量和损伤度基本相同,表明橡胶沥青实现了自修复,自愈性能较好;沥青材料自愈合性能与损伤度成反比,损伤度越大,材料的可恢复性越小,自愈合性能越不显著;通过自愈合指数方程,能够较准确预测不同损伤度条件下沥青材料的自愈合能力。     

级配对橡胶沥青混合料高温性能影响研究

为研究级配对橡胶沥青混合料高温性能的影响,该文对基于贝雷法、CAVF法、经验法所设计的沥青混合料进行车辙试验和单轴贯入试验,通过贝雷法和级配分形法进行级配评价,结合级配评价指标分析级配对混合料高温性能的影响。试验结果表明:级配对橡胶沥青混合料高温性能影响显著,但CAVF法和贝雷法两种级配设计方法对橡胶沥青混合料高温性能影响不存在明显优劣,应根据实际混合料性能进行级配优选;单轴贯入模量与混合料动稳定度相关性良好;级配评价指标中,贝雷法评价参数CA值与动稳定度和单轴贯入模量相关性较好,建议使用该指标用于级配设计的优化评价。     

基于模糊层次分析与综合评价法的矿料级配优选

矿料级配是影响沥青混合料路用性能的重要因素。基于9种级配的ATB-25沥青混合料路用性能正交试验结果,将模糊层次分析与模糊综合评价相结合,应用于矿料级配的路用性能评价。先利用模糊标度值定量表示各指标间的相对重要程度,构造模糊判断矩阵,计算出评价指标单层权重与总排序权重,然后引入隶属度函数将不同评价指标归一化,构建模糊关系矩阵,最终计算得出模糊综合评价值。研究结果表明,1^#～9^#矿料级配的综合路用性能排序为：4^#>5^#>1^#>6^#>9^#>3^#>2^#>7^#>8^#;该方法减小了判断矩阵一致性检验的困难性与复杂性,消除了指标间的不可比性,考虑了权重因素的影响,可为沥青混合料多指标正交试验结果分析中运用模糊数学方法提供借鉴。     

沥青混合料半圆弯曲低温断裂-愈合特性

采用半圆弯曲(SCB)试验评价了不同级配沥青混合料在低温环境中产生宏观开裂后的自愈合性能。在0℃时将带有切缝的AC-13,SMA-13,AC-20混合料半圆试件进行SCB断裂-愈合-断裂试验。根据试验结果计算获得了半圆试件宏观开裂的临界荷载、临界断裂能和J积分断裂韧度,并将愈合后和愈合前的临界荷载比、临界断裂能比和J积分断裂韧度比定义为沥青混合料自愈合指数,用其量化分析沥青混合料的自愈合性能。研究结果表明:采用SCB试验可以评价沥青混合料的宏观开裂自愈合性能,在0℃时发生宏观开裂的沥青混合料在一定环境中能发生自愈合,如在100℃环境中愈合8 h后,愈合指数超过50%;愈合指数随温度和时间的增加而增加,但存在一个有效愈合期,超过该愈合期后,提高温度和延长时间对愈合能力无显著提高,在愈合时间8 h时,有效愈合温度宜为60℃,在愈合温度为60℃时,有效愈合时间宜为8 h;相同条件下,混合料开裂程度越大,愈合能力越低;沥青混合料自愈合性能除了与沥青用量有关,还受混合料级配矿料粒径大小的影响,本研究中沥青混合料愈合能力大小顺序为:AC-13SMA-13AC-20。     

微波与感应加热对沥青混合料自愈特性影响研究

为了研究微波与感应加热对沥青混合料自愈特性的影响,采用裂-愈循环前后三点弯曲试验强度之比对愈合率进行表征,通过试验与计算对两种加热方式下沥青混合料加热特性进行分析,采用微观观测并辅以其他试验方法对混合料加热前后理化特性进行探讨。结果表明:钢棉可以增强沥青混合料抗松散性能,但混合料设计时应考虑钢棉的掺入使混合料空隙增大的影响;沥青混合料自愈机理在于混合料内部空隙的重组;微波加热具有较感应加热更好的愈合效果,但微波加热易导致温度过高造成沥青损伤,建议微波加热时间不大于40 s,有条件时应优选感应加热技术。     

沥青及其混合料自愈合性能试验研究

为了对比分析基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青的自愈合性能,并研究沥青种类、愈合环境、破坏程度对混合料疲劳-自愈合进程的影响。通过DSR(动态剪切流变仪)的Time-Sweep(时间扫描)模式测试了沥青复数剪切模量随加载次数的变化,采用愈合指数HI评价沥青的自愈合能力;利用DSC(差示扫描量热仪)测试沥青相态转变过程中的焓变;基于四点弯曲疲劳试验测试了混合料劲度模量随加载次数的变化。研究结果表明:从流变性角度分析,橡胶改性沥青的自愈合性能最好,SBS改性沥青次之,基质沥青最差,随着损伤度的增大,以上3种沥青的自愈合指数呈下降趋势;从分子扩散角度考虑,基质沥青的自愈合能力最小,基质沥青愈合裂缝的能力优于SBS改性沥青及橡胶改性沥青。沥青类型及愈合环境对混合料的愈合进程具有重要影响,提高愈合环境的温度可以加速混合料的愈合,破坏程度的增加对混合料的自愈合具有负面影响。     

级配对摊铺式橡胶沥青应力吸收层性能的影响

为研究级配对摊铺式橡胶沥青应力吸收层性能的影响,选取3类10型典型级配共7组,基于多种级配定量评价方法,分别采用高温车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验评价了级配对沥青混合料高温性能和水稳定性性能的影响.采用不同温度下的小梁弯曲试验评价了级配对沥青混合料应力吸收性能的影响.结果表明:级配A沥青混合料的高温性能和应力吸...     

微胶囊自愈型沥青混合料制备及性能研究

沥青路面在车辆荷载和环境因素的共同作用下,通常出现裂缝、局部损伤等病害。为研究提高沥青路面裂缝自愈合性能的技术手段,对微胶囊选材及制备合成工艺、掺微胶囊的沥青及沥青混合料性能特征、微胶囊在混合料裂缝愈合中的作用机理等问题展开研究。通过高温车辙试验、小梁低温弯曲试验和冻融劈裂试验对掺入微胶囊的沥青混合料路用性能进行分析,综合考虑推荐微胶囊掺量为0.4%～0.6%。试验结果对微胶囊自愈型沥青混合料的使用、微胶囊技术的推广及应用具有一定指导意义。     

基于多级嵌挤型骨架的沥青混合料配合比优化设计及路用性能评价

针对传统连续级配设计的不足,以某高速公路沥青混合料配合比设计为基础,进行多级嵌挤形式级配设计,采用马歇尔试验方法确定最佳油石比,并对最佳设计配合比沥青混合料的路用性能进行评价。结果表明,沥青混合料的毛体积相对密度、沥青饱和度随着油石比的增大而增大,空隙率与油石比则呈现相反的趋势,沥青含量对矿料间隙率的影响较小;粗级配矿料形成的密实结构需要较多的次集料及沥青填充,一般通过调整粗集料比例可获得最佳密实状态;随着沥青含量的增大,混合料的流值增加量略有提高,沥青混合料的高温抗变形能力降低;该工程不同面层最佳油石比分别为5%、4.8%、4.2%,采用多级嵌挤级配设计获得的级配具有较好的路用性能。     

基于多级嵌锁抗剪级配设计的沥青混合料路用性能研究

针对常规AC型沥青混合料高温抗车辙性能不足的问题,采用一种新的级配设计方法-多级嵌挤抗剪级配设计法进行MAS-20沥青混合料的级配设计,并对其路用性能进行了验证。结果表明,MAS-20沥青混合料的高、低温性能较常规AC-20沥青混合料均具有显著提升;水稳定性与常规AC-20沥青混合料相当。     

高寒大温差条件下沥青混合料低温性能研究

为研究高寒、大温差以及降温速率等因素综合作用下的沥青混合料低温性能,在室内模拟高寒大温差条件,通过变化沥青类型、用量、级配等因素制备多种沥青混合料,利用约束试件温度应力试验(TSRST)、低温弯曲试验、冻融劈裂试验等研究沥青混合料在高寒大温差条件作用下低温性能的变化规律。研究结果表明:在高寒、大温差作用条件下,沥青混合料类型对其低温性能存在显著影响,SMA类沥青混合料冻断温度低于AC类沥青混合料,3种混合料的低温性能由高到低依次为SMA-13AC-13AC-16;沥青类型对沥青混合料低温性能存在显著性影响,其中SBS改性沥青SBR改性沥青基质沥青;此外,高寒大温差条件对沥青混合料强度及水稳定性有显著的影响。研究成果可以为青藏高原等高寒大温差地区沥青路面面层混合料的优化设计提供依据。     

汉堡车辙评价沥青混合料性能的适用性研究

通过采用不同级配、不同沥青胶结料、不同添加剂的沥青混合料进行汉堡车辙试验,分析汉堡车辙试验评价沥青混合料性能的适用性,试验结果表明:针对不同级配、不同改性沥青、不同添加剂的沥青混合料,汉堡车辙试验具有明显的区分度;沥青混合料采用车辙动稳定度试验时,车辙深度仅为1～2 mm,容易产生试验误差。汉堡车辙试验适用于评价沥青混合料的综合性能,包括高温与水稳定性能。     

环境因素作用下季冻区沥青混合料早期性能衰减定量评价

研究季冻区沥青混合料在外界水、冰冻、老化等综合作用下早期路用性能衰减效应,并对其进行定量评价。对服役时间为1~4年的4类沥青混合料进行回收,并经加热制备相应试验试件;采用抽提试验确定回收料级配特性,并据此制备相同矿料级配的新沥青混合料;基于弯曲破坏试验、劈裂破坏试验等获取上述新旧两类沥青混合料的力学参数,得出沥青混合料力学性能参数在1~4年服役时间范围内的衰减曲线,实现季冻区沥青混合料早期性能衰减的定量评价。研究成果为今后季冻区沥青混合料的设计提供参考,对提高季冻区沥青混合料的路用性能具有一定意义。     

损伤程度对沥青混合料损伤-愈合行为的影响研究

沥青混合料具有自愈合能力，而目前沥青混合料损伤愈合行为的作用机制仍不明确。因此，本文对多因素条件下的沥青混合料自愈合特性进行了研究，从而有助于确定有效的沥青路面养护策略。基于四点弯曲疲劳试验，对不同损伤程度的沥青混合料自愈合进程进行对比分析。结果表明：愈合时间和愈合温度对不同损伤程度的沥青混合料自愈合能力具有积极作用，而低温条件对沥青混合料的自愈合性能具有较大不利影响。给定足够的愈合时间及愈合温度，100%湿度条件对沥青混合料自愈合能力影响显著，将使沥青混合料自愈合效率降低至15%-45%左右。损伤程度的增大对沥青混合料自愈合能力的削弱作用显著。损伤程度过大时，部分微裂纹相互贯通扩展为宏观裂纹，超过裂纹自愈合的临界宽度，导致无法愈合。此时，需借助其他增强愈合性能的手段进行外界干预，从而提高沥青混合料的自愈合效率，进而一定程度恢复路面的服役性能。     

基于DMA方法的沥青类材料相态转变温度研究

为了研究沥青类材料(包括沥青、沥青胶浆及沥青混合料等)的相态转变温度T_p的特性及其内在关系,选择2种不同特性的沥青并制备了其各自对应的不同粉胶比的沥青胶浆及不同级配的沥青混合料,采用动态力学分析(DMA)方法在相同的试件尺寸及相似的温度扫描模式下测试了每一类材料的T_p;进而对27种不同沥青、不同级配及不同油石比的AC5型沥青混合料的T_p采用标准方法进行了测试比较。结果表明:选择损耗模量峰值点对应的温度作为T_p可以有效地将3种沥青材料进行对比,沥青及沥青胶浆的T_p为负值,而沥青混合料的T_p变为正值;沥青性质是影响沥青类材料T_p的主要因素,相同沥青的3种沥青类材料具有很好的相关性;粉胶比对于沥青胶浆以及级配对于沥青混合料同样产生影响,随着粉胶比的增加,沥青胶浆的T_p逐渐增加,随着细集料的增加,沥青混合料的T_p逐渐降低;AC5型沥青混合料中,油石比及级配同样对T_p产生不同影响,橡胶沥青混合料AR的T_p更低,说明其具有更好的低温性能。采用DMA方法测试T_p可以为评价沥青类材料的低温特性提供一定的参考。     

基于超标准(高温重载)试验条件的抗车辙沥青混合料优化设计研究

为研究超标准(高温重载)条件下沥青混合料的抗车辙性能，以及优选适用高温特重荷载路段的抗车辙沥青混合料配合比，通过改变车辙试验温度与荷载工况进行车辙试验，模拟路面实际受到的高温与重载。选取矿料种类、沥青种类、抗车辙剂NRP掺量、级配类型4个因素，使用正交试验设计法设计车辙试验方案，使用动稳定度评价沥青混合料抗车辙性能的优劣。通过极差分析得到不同因素的影响程度大小，确定优选组合；通过多元回归分析法，拟合3种沥青混合料的动稳定度与抗车辙剂NRP掺量、级配类型、温度和荷载因素之间的关系。试验结果表明：4个影响因素在超标准(高温重载)条件下对沥青混合料的高温稳定性影响程度大小排序为NRP掺量>级配类型>沥青种类>矿料种类；抗车辙沥青混合料最优组合为玄武岩矿料、SMA-13级配、1.5%NRP掺量、SBS改性沥青；多元回归关系式经验证，拟合效果较好。