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沙漠高速公路高性能沥青混合料研究 长安大学硕士学位论文沙漠高速公路高性能沥青混合料研究姓名:张彩利申请学位级别:硕士专业:道路与铁道工程指导教师:韩森20040101摘 要本文针对沙漠地区特殊气候特点,就榆靖沙漠高速公路如何解决沥青路面高温稳定性及低温抗裂性之间矛盾开展研究。本文在深入分析已有研究成果基础上,应用设计方法对榆靖沙漠高速公路沥青路面进行沥青混合料设计,同时通过掺加纤维及对沥青进行改性的方式改善沥青混合料的路目性能。本文系统的比较了马歇尔设计方法及设计方法的内在差异,并对优选出的级配与普通级配沥青混合料的路用性能进行对比研究,尤其是在进行低温抗裂性能研究时,应用约束试件温度应力试验对沥青混合料的低温性能进行了评价。本研究还采用室内研究推荐出的合理的级配铺筑试验路,结合试验路的铺筑介绍青混合料施工中应注意的问题,手:对试验路使用效果及性能进行检测。室内试验及试验路研究证明沥青混合料设计方法能够有效的改善沙漠地区沥青路面的路用性能。改性沥青 纤维 约束试件温度应力关键词:沙漠地区 路用性能试验仃 ? ,:. ,. ., ?.:第一章概述§卜 问题的提出及研究意义我国是一个多沙漠国家,沙漠总面积.万平方公里,约占全国陆地总面积的.%,且主要分布在我国的西部。国家正在进行的西部大开发中比较重要的一项就是在西部地区进行大规模的交通基础设篪建设,这就意味着在沙漠地区要进行大规模的公路建设,但由于沙漠地区特殊的自然气候影响,进行大规模的建设过程中必然会遇到一系列问题。沙漠地区具有典型的大陆性气候,其第一个耀:点是温差大,表现为冬季严寒干冷、夏季酷热干燥、春秋季较短。沙漠最高气温出现在月,可达,最低气温发生在月和月,可达一,气温跨度达;其第二个特点是晴天多、日照强,年平均晴天目数约占%,日照最少的匀:份晴天约占%。由于日照时间长,紫外线强度较大,加上我国沙漠多分布在原地区,空气较稀薄,进一步加强了紫外线对地面的辐射强度,从而引起较高的地面温度。由于上述自然气候的影响,沙漠地区沥青路面的主要问题表现为:冬天路面极易产生裂缝,且由于高等级公路的基层一般都采用半刚性基层,半刚性基层的温缩和干缩引起面层的反射裂缝,使得沥青路面晌裂缝问题更为严重;夏天高气温和长时间的日照,使面层沥青混合料温度升高幅度很大,从而有可能引发高温稳定性不足,在车辆作用下易产生车辙。由于高孟天气下黑色沥青对太阳辐射的吸收作用,沙漠地区路面温度将高出地面温度很;。有关研究表明“,在塔克拉玛干沙漠公路上,路面温度将会比沙漠表面温度高出%,若按平均和极端最高地面温度计算,路面温度可高达。因此,在沙漠地区修筑沥青路面时,如果不季虑上述气候问题而进行沥青混合料设计及材料选择,则修筑的沥青路面容易产生开裂、车辙、坑槽及抗滑性能不足等早期破坏现象,从而使得路面的使用性能衰减加快,使用寿命大大缩短,个别破坏严重的路段甚至要进行重新修复。传统的马歇尔设计方法经过半个世纪应用,对沥青混合料设计和沥青路面做出了许多的贡献。但是随着新材料、新结构、新工艺的不断涌现,这个带有经验性质的方法逐渐显出越来越多的局限性。其主要表现为不能预防路面早期破坏,以及试件成型方法不能模拟行车压实状态。因此研究开发出种新的沥青混合料设计方法来取代传统的方法是迫在眉睫的。美国“”计划进行了一项为期五年耗资美元的沥青课题,旨在制定一个新的沥青结合料规范、试验和设计方法。沥青课题的最终研究成果称为,包括一个胶结料规范、混合料设计体系和分析方法。设计方法作为一种新的沥青混合料设计方法有很多优点,其中最重要的一个优点就是:沥青混合料设计方法能够把基于沥青材料特征的性能同设计的环境条件结合起来,通过控制车辙、低温开裂和疲劳开裂来改善路面性能。本研究以榆林靖边沙漠高速公路为依托,针对沙漠地区特殊的气候条件,应用沥青混合料设计方法重点解决沙漠地区沥青路面高温稳定性和低温抗裂性的矛盾,同时深入研究沥青混合料配合比设计方法,优化出适用于沙漠地区的矿料级配组成,为以后沙漠高速公路应用沥青混合料设计方法提供可借鉴的经验。§卜国内外研究概况由于沥青混合料自身性能的优劣将直接影响到沥青路面的使用性能,所以国内外的科研和生产人员长期以来一直为研究出性能优异的沥青混合料而努力。为获得高性能的沥青混合料,可以从改变沥青混合料类型级配组成和优化沥青混合料设计方法这两方面入手。沥青混合料设计方法作为目前比较认可的一种设计方法,为设计出性能优异的沥青混合料提供了强有力的保证。为此,本课题研究采用沥青混合料设计方法来优化沙漠地区所用沥青混合料的配合比。一、现状及在美国的实际应用整个设计体系基本上是基于美国的计划而来的。在美国主要是由美国联邦公路局负责对推广,并得到了的全力支持,据当时规划,至年,新的胶结料性能规范将全面取代针入度规范和粘度规范;至年,混合料设计方法将全面取代马歇尔混合料设计方法。系统创始于一九九二年初,目前在的主持下,正在向全国的实际工程中推广应用,同时继续改进和完善它。为推广它在全美的应用,还特别建立了五个系统中心分别负责不同区域的推广工作。通过一系列的讲座、宣传、培训、示范和一定的政府资助,现在已有个州开始应用系统。用系统进行设计施工的项目从一九九六年的个猛增至一九九八年的个,约占所有沥青混凝土铺翁量的%。虽然仍需要时间来证实,但从过去几年的实践来看,系统已显示出其优越性。如一九九五年三月在亚利桑那州凤凰城以东号公路上用系统设计修建的路面,在繁重荷载车流下经历了连续天。以上的高温,路面显示了很好的抗车辙性能。又如一九九五年八月在明尼苏达的蓝地县,修建的一段罩面,虽然其所在地是全美最冷的地方之一,但几年后这个新路段出现的低温开裂较其附近同期修建的常规罩面路面要少得多。据德克萨斯州交通运输研究所 的估计,用系统所修建的沥青混凝土路面,其寿命较常规路面会增加%。当前美国每年用在沥青混凝土路面的经费超过一百亿美元,若系统能在至年的时间内在全美推广使用,则每年可警省开支达亿美元。在对设计方法进行进一步研究和应用过程中,其中最令人关注的是西部环道。美国西部环道是美国联邦公路局在内华达州投资数百万美元铺筑的路面加速损坏试验路。西部环道试验路项目包括个热拌沥青路面试验段,于年月开始运行。此项目的两个兰三要目的是通过评价材料和施工性质沥青用量、集料级配、现场空隙率等的设计值偏差对路面性能的影响,继续研究与使用性能相关的沥青路面设计规范:提供计戈热拌沥青混合料设计方法的早期工程实践检验。由于西部环道的一些结果没有达到预期研究的目的,之后,在美国国家沥青研究中,?又铺筑了大型的试验环道,总之,对于技术的研究仍在进一步的进行和完善之中。二、在世界的推广及应用系统问世后即在欧洲引起了很大兴趣。现在欧洲也在研制符合其特点的新的沥青混凝土设计分析系统,并由其特设组织“欧洲国家公路研究实验室论坛”负责。最近该论坛特邀美系统的主要研究人员赴欧洲讲学。目前系统的部分试验装置及路面性能预测模型已在欧洲一些国家使用。罗马尼亚及墨西哥已引进了美国的系统并建立了国家试验中心,正将系统本土化并加以推广应用。三、技术在我国的应用年江苏省交通科学研究院利用世界银行贷款率先在我国引进了全套沥青结合料和沥青混合料设备,并与年月开始对沪宁路实际使用混合料和用设计的混合料进行了加速性能试验。长安大学、天津市政工程研究院、山东交通科学研究所、交通部重庆公路所、辽宁交科所,同济大学、东南大学、华南理工大学、石油大学等十多家单位也先后引进了部分沥青结合料试验仪器年旋转压实仪。同济大学和上海市政利用技术铺筑了部分试验路。山东交通科学研究所利用混合料设计方法,年率先在我国铺筑了高速公路抗滑表层公里。年湖北省在湖北国道上铺筑了试验路。江苏省在苏北高速公路建设中应用该技术修建公里长的路面。结合本课题的研究,课题组于年月在中国第一条沙漠高速公路?榆靖沙漠高速公路上利用混合料设计方法铺筑了部分试验路。这也是国内首次将沥青混合料设计方法应用于沙漠高速公路。§卜研究思路及主要内容一、研究思路本课题将以理论研究为指导思想,应用设计方法设计矿料级配,以提高沥青路面的高温稳定性,通过掺加改性剂及纤维的方式来改善沥青混合料的的高、低温性能。根据理论分析结果,进行室内试验并选择最佳方案。在室内试验的基础上,现场铺筑试验路,通过分析与观测试验路进一步验证室内及理论分析成果,并针对出现的问题,加以改进与完善。二、研究的主要内容本文在充分吸收国内外研究成果的基础上结合沙漠地区气候特点开展沥青混合料设计方法的应用研究。其研究的主要内容有:、针对目前常用型级配的不足,采用沥青混合料设计方法,设计出一种高、低温性能都良好的级配。其主要内容如下:原材料的选择。按照沥青混合料设计方法的要求选择合适的沥青结合料、集料以及改性剂。并对选择的原材料技术指标进行测试分析。选择改性剂时,选用不同厂家的多种改性剂对实体工程提供的改性难度比较大的克拉玛依沥青进行多种改性方案研究。采用体积设计法设计出合理的级配。根据设计方法要求选择三个试验级配通过限制区、禁区下、禁区下二,并通过成型试件以选择出体积指标符合要求的级配。同时对选择出的符合要求的级配进行水稳定性检验。、对目前常用的马歇尔设计方法及?设计方法的优缺点进行比较。同时分别采用马歇尔设计方法口设计方法对相同的原材料进行设计,进而比较两种设计方法的内在差异。、对型级配与选择出的级配的高温稳定性进行比较研究。不仅比较沥青结合料为基质沥青时两种级配混合料高温性能的差异,而且对采用改性沥青及掺加纤维的两种级配混合料的高温性能进行比较。同时对级配混合料不同沥青用量下的高温性能进行比较,进币总结提高沥青混合料高温稳定性的途径。、应用两种不同的试验方法低温弯曲试验及约束试件温度应力试验评价两种级配沥青混合料的低温性能,总结影响沥青混合料低温性能的因素,并对两种试验方法原理及评价指标进行系统分析。、在室内试验及分析的基础上进行试验路的铺筑,并及时、定期地对试验路的使用效果和性能进行检测。第二章研究方案及方法§研究方案本课题各项方案的确定及安排均以如何有效地提高沙漠地区沥青路面的高、低温性能为目标。一、原材料选取与性质分析、原材料选取本课题使用的集料料源主要有:宁夏石灰岩、榆林砂岩、包头花岗岩,考虑到成本、加工能力、工期、集料技术性能及路面长期抗滑性能等多方面因素,最终选用宁夏石灰岩和榆林砂岩作为本次研究所用的集料。沥青结合料则采用工程提供的克拉玛依沥青及对其进行改性后的沥青,由此分析该沥青在沙漠地区应用中预期的性能。为改善沥青混合料的性能,还选用博尼维纤维进行研究。、原材料性质分析集料的物理、力学性质测试;对沥青进行改性及测试其技术性能。、改性方案研究、改性沥青技术性能分析评价二、沙漠高速公路沥青混合料配合比设计、马歇尔设计方法进行级配设计:、沥青混合料设计方法进行级配设计。三、沥青混合料路用性能对比分析对设计出的级配沥青混合料和级配沥青混合料分别进行以下几种分析:、基质沥青混合料路用性能分析;、改性沥青混合料路用性能分析;、纤维基质沥青混合料路用性能分析;、纤维改性沥青混合料路用性能分析。四、试验路研究、试验路方案试验路可分为两大部分,第一部分为级配沥青混合料试验路;第二部分为级配沥青混合料试验路。、在室内研究的基础上,铺筑不同试验段以做比较,并对试验路进行观测、分析进一步验证室内试验结果以及理论分析结果。§试验方法一、原材料试验方法、沥青结合料首先按公路工程沥青及沥青混合料试验规程中沥青试验方法对沥青进行常规指标测试,其次按照沥青结合料技术要求对沥青进行分级。具体测试方法及结果见第三章§一。、集料对工程提供的集料按照集料技术要求进行测试,具体测试方法及结果见第三章§。二、沥青混合料性能试验、高温稳定性试验沥青混合料的高温稳定性,即沥青路面抵抗流动变形的能力。用于评价沥青混合料高温稳定性能试验的方法很多,如单轴加载试验、三轴压缩试验、弯曲蠕变试验、简单剪切试验、车辙试验和大型环道试验等。在诸多的试验中,车辙试验是一种使用较为普遍、与实际受力状况相关性好、模拟较为直观且试验并不复杂的评价方法,它是在规定的温度下通过板状试件与车轮间的往复相对运动,使试件在车轮的重复作用下产生压密、剪切、推移相流动,从而产生车辙,用仪器将试件的变形和试验时间进行测定就可以用来检验沥青混合料的高温性能。因此本课题采用车辙试验检验沥青混合料的高温稳定性。其评价指标为动稳定度和相对变形。本次研究采用的车辙试验仪如图.所示。试验荷重为,轮压为.,试验温度为。试验的整个过程由汁算机控制,同时自动采集数据进行动稳定度计算。试验完毕后可直接得到动稳定度次数及时间和车辙深度关系曲线。试验方法见公路工程沥青及沥青混合料试验规程。动稳定度计算公式见式?:协:掣式中:?动稳定度次/;?一试验轮往返碾压速度通常为次/:,?试验机类型修正系数;:?试件系数:?试验时间:一般为时的车辙深度咖:?试验时间.一般为时的车辙深度。图? 一型自动车辙试验仪、低温抗裂性试验沥青路面开裂是路面的主要病害之一,也是各国道路界普遍关心的问题。目前国内外用于研究沥青混合料低温抗裂性能的试验方法有多种,主要包括:约束试件温度应力试验、切口小梁弯曲试验也即积分试验、低温弯曲蠕变试验、低温压缩应变能试验、间接拉伸试验劈裂试验、低温弯曲破坏试验、收缩系数试验、应力松弛试验等。本次研究采用约束试件温度应力试验简称和低温弯曲试验来评价沥青混合料的低温性能。低温弯曲试验试验采用美国公司生产的材料测试系统试验机,如图?所示。整个试验过程可通过程序进行控制并由计算机自动采集试验数据。图? 试验机约束试件温度应力试验约束试件温度应力试验我国又称冻断试验,是计划从众多的试验方法中筛选出来的作为评价沥青混合料低温抗裂性的:了法。它能够模拟实际温度变化及沥青混合料实际受力状况,较真实地反映出沥青混凝土的低温抗裂性能。本次研究采用一型沥青材料松弛蠕变多功能试验机进行试验,如图所示。图松弛蠕变多功能试验机、水稳定性试验评价沥青混合料水稳性的方法很多,其中常用的静荷载试验有浸水马歇尔试改进的法验、浸水抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验和试验方法,即冻融劈裂试验:动荷载试验方法中最典型的是浸水车辙和浸水环道试验,它们是力求模拟现场实际条件的工程性试验方法。在这些方法中,冻融劈裂试验与现场相关性良好,且不需要专用设备,因此为很多国家接受。本课题采用公路工程沥青及沥青混合料规程 中浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验两种试验方法来研究沥青混合料的水稳定性。浸水马歇尔试验该试验用残留稳定度来评价沥青混合料的水稳定性,残留稳定度越大水稳定性越好。试验时,每种级配成型个试件,分成两组,一组马歇尔试件在水浴中恒温后测定其稳定度,另一组在。水浴中恒温后测定稳定度,最后按式?计算得到浸水残留稳定度。.:×。?式中:?试件的残留稳定度%:?试件浸水后的稳定度;?试件浸水后的稳定度。冻融劈裂试验冻融劈裂试验试验用劈裂强度来评价混合料的水稳定性,越大水稳定性越好。试验时每种级配成型个试件,分成两组。具体的试验步骤如下:试件按选用的级配成型,采用双面击实次,冷却至室温后脱模;将试件随机分为两组,每组不少于个,第一组置于室温下备用;将第二组试件在真空条件下保持,然后打开阀门,恢复常压,在水中静置.;耿出第二组试件放入塑料袋中,加入约水,扎紧袋口将试件放入冰箱,冷冻温度为 ±,保持;将放入冰箱中的试件取出后,撤去塑料袋立即放入已保温为。的恒温水槽中保温:将第一组与第二组试件全部浸入。水中至少保温,保温时保持试件之间的距离不小于唧,然后取出试件以/的加载速率进行劈裂试验;计算劈裂强度。?睾×宝 婴.置耄 塑.等笔 堕堕九式中:?冻融劈裂试验强度比%;足?未经冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度;矗,?冻融循环后第二组试件的劈裂抗拉强度;?第一组试件的试验荷载的最大值;只?第二组试件的试验荷载的最大值;.?第一组试件的高度:,?第二组试件的高度啪。、抗滑性能试验道路的使用安全与否很大程度上取决于路面的抗滑性能。目前测定路面抗滑性能的试验主要有两个:表面构造深度试验和擦系数试验。本次研究采用表面构造深度试验来评价路面的抗滑性能。构造深度试验时用轮碾法成型车辙板试件 其尺寸为×,或者在现场试验路上进行试验。试验方彦为手工铺砂法,所用试验仪器为量砂筒,推平板和刮平尺。试验方法见公路工程沥青及沥青混合料试验规程一,按式?计算构造深度。.:坐墼:掣/ 式中:?沥青混合料表面构造深度;?砂的体积;?摊平砂的平均直径。第三章原材料的选择沥青混合料设计方法的一个主要任务就是材料的选择,其中包括集料的选择、沥青结合料的选择以及改性剂的选择。§集料的选择一、集料特性要求。质集料的技术要求是对路面专家进行广泛调查以后确定出的。专家们普遍认为集料特性在沥青混合料抵抗高温变形方面起着主要作用,而对疲劳开裂和低温开裂的影响却很少。系统中需要使用两种集料特性:认同特性和资源特性。“认同特性”即粗集料的棱角性、细集料棱角性、扁平细长颗粒含量以及粘土含量。“资源特性”即材料的韧度、安定性和有害物质含量。、认同特性粗集料棱角性粗集料棱角性是指留在.筛上有一个或二个破碎面集料的重量百分比。破碎面的定义为破碎面的投影面积与该颗粒最大横截面积之比大于%时称为破碎面。规定该特性主要是为确保粗集料有较高的内摩阻力及较高的抗车辙能力。细集料棱角性细集料棱角性定义为小于.的松压集料的空隙百分率,同粗集料一样,规定该特性也是为确保细集料有较高的内摩阻力和抗车辙能力。扁平与细长颗粒设计方法中,扁平细长颗粒含量定义为大于.粗集料颗粒的最大与最小尺寸之比大于的质量百分率。一般认为,粗集料针片状含量的多少影响到沥青混合料在施工和行车荷载下集料的破碎,对混合料的体积指标、抗车辙能力、疲劳性能等可能也有影响。粘土含量粘土含量定义为包含在细于.筛的集料中的粘土颗粒含量百分率。粘性土的存在易使沥青结合料从集料表面剥落,从而影响到混合料的水稳性。、资源特性除了集料的认同特性以外,研究者认为一些性质对沥青混合料的性能也起着决定作用,这些性质主要由集料的矿物性质决定,受地域性质影响,因此,应当根据当地材料由各地区自行确定其技术标准。这些性质主要包括集料的韧度、安定性及有害物质含量。韧度韧度指的是在洛杉矶磨耗试验中集料混合料损失百分率。安定性安定性是指集料混合料在硫酸镁或硫酸钠溶液中浸泡损失的百分率。这个试验估计集料在路用服务过程中抵抗风化的能力,有害物质含量有害杂质含量定义为污染物泥块、页岩、才:块、云母、煤等的质量百分率,可以采用粗集料和细集料来进行分析。二、原材料特性本次研究采用的集料为陕西榆林产砂岩、宁太阳山石灰岩、小保当砂以及石灰岩矿粉。根据尺寸将集料分为、咖及矿粉这几档。各种集料技术指标见表一卜表一卜集料物理力学指标 表试验结果指标规范要求石灰岩 砂岩保当砂. . 压碎值%. .磨耗值%. .:冲击值%. .坚固性%大于级对沥青粘附性 级 级? . .表观密度.一 . . ./. .:一 . .毛体积密.一 .度/. .针片状含量%. .吸水率%表矿粉技术性能试验结果项目 矿粉 技术要求. .表观密度/含水量% . 外观 符合要求 无团粒结块表集料筛分试验结果砂岩 砂岩 石灰岩 小保当砂石灰岩筛孔尺寸 石灰岩矿粉 通过率%通过率% 通过率% 通过率% 通过率% 通过率%. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .§沥青结合料的选择沥青性能检验和评价技术指标体系,大致经历了个发展阶段:针入度分级体系、粘度分级体系、沥青性能分级体系。针入度是一种经验性的稠度指标,不能真实地表征沥青的粘度。针对针入度分级体系的局限性,美国在世纪年代提出粘度分级体系,即以粘度划分道路粘稠石油沥青的标号。但是,针入度和粘度分级都不能反映沥青在整个路面范围内的性能,按照粘度和针入度分级的沥青规范,可能把具有不同温度和性能特征的沥青划为同一等级。因此,年,美国国会通过了计划,研究结果表明,目前测定沥青性能所使用的方法是经验的、简单的不能反应沥青的流变性能”】,并于年提出了以沥青性能为依据的沥青规范沥青结合料规范,它以流变学为基础,采用车辙因子、疲劳因子、蠕变劲度等与路用性能密切相关的指标建立沥青性能分级体系。一、沥青胶结料性能等级选择原则、沥青结合料试验仪器及其作用沥青结合料规范将沥青分为四个主要等级和个亚级,四个主要等级为、,亚级从一一,每档。是的缩写,表示路用性能,分级直接采用设计使用温度表示适用范围。例如,表示该级沥青适用于嚣高设计温度不高于,最低路面设计温度不低于。的地区。结合料等级 表高温等级 低温等级?,一,一一,一.一,一,一一,一,一,一,一?,一.一,一,一,?,一,一,一,一,?,一,一,一,一?,一,一,一,沥青结合料性能试验与仪器 表?路面破坏 仪器 技术指标永久变形与疲劳 动态剪切流变仪 复数剪切模量与相位角弯曲梁流变仪卧 蠕变模量低温开裂 蠕变速率直接拉伸仪 破坏应变短期老化 旋转薄膜烘箱 质量损失长期老化 压力老化仪旋转粘度计施工和易性 粘度施工安全 沥青闪点仪 闪点温度沥青结合料规范的特色就是能够模拟沥青结合料三个临界阶段。对初始沥青进行的试验代表运输、储存和装卸的第一阶段,这一阶段通过动态剪切流变仪测量沥青的动态剪切模量及相位角 完成。第二阶段代表混合料生产和铺筑过程中的沥青,用经过旋转薄膜烘箱加热后沥青结合料的老化来进行模拟。第三阶段借助于压力老化箱来模拟沥青结合料经过长期老化后的性能。、沥青胶结料规范优点沥青胶结料规范与以往其他沥青规范不同的是该方法中的试验测试过程能够直接与气候条件建立起联系,采用分级方法,沥青级别反应的是沥青的温度使用条件,即试验标准相同,但是不同沥青达到标准的温度不同。而针入度、粘度分级则是试验温度一样,不同的沥青在规定温度时的指标不同。总之,与现行的沥青针入度和粘度规范相比沥青胶结料性能规范具有以下重要特性:?试图使用性能指标;?测量沥青动态的粘弹性指标:?增加了低温指标;?综合考虑了施工期和使用期的沥青老化问题;?既适用于未改性沥青,也适用于改性沥青:?指标固定,变化试验温度。、沥青胶结料选择步骤沥青结合料的选择一般按照以下步骤来进行:收集工程所在地附近的气候数据,利用气候数据库确定工程项目所在的气候条件;选择计算气候资料的可靠度也即选择温度可靠水平;估计所选择可靠度的路面设计温度;确定满足路面最高和最低设计温度的最低路面性能等级:根据交通类型选择调整所选择的结合料气候等级;利用粘度一温度曲线图确定实验室拌和与压实温度。、本课题沥青结合料选择、工程所在地气候条件榆林地区位于东经度分至 度分,北纬度分至度分,海拔高度多米,属中温带干旱大陆性季风气候,日照充足、四季分明,特点是气候多变,温差较大,气温偏冷,年平均气温.,年极端最高气温.。,年极端最低气温一.,年平均降水量,最大冻层深,最大积雪,冰冻期天左右。根据收集的榆林地区年气象资料可知榆林地区气温资料如表?所示。榆林地区纬度及气温资料 表?高温 低温纬度度连续平均气温 标准差连续平均低温 标准差. . , . .、根据路面设计温度选择等级高温路面设计温度高温路面设计温度有两种确定方法:对于面层规定高路面设计温度在路面表面下处,低温路面设计温度位于路表。瑚冲高温模型】.:.?.。. ?.式中:。?路表面以下删处的最高温度;?七天平均最高空气温度;?项目工地的地理纬度度。带有概率的高温模型,。.一。?.;日.?式中:二。?路表面最高温度:,?七天平均最高空气温度;?项目工地的地理纬度度;?路面下深度单位,此处:仃。?温度最高的平均温度的标准差;?根据标准正态分布表,.,可靠度%。低温路面设计温度低温路面设计温度模型有三种确定的方法:低温模型最初研究者提出的路面低温模型认为路面最低温度就是最低空气温度;?乃加拿大修正公式卜【由于在寒冷地区路面温度总是高于气温因此加拿大提出式.?.乙.式中:瓦。?低温路面设计温度;,?最低的空气温度。公式。,一. .何一.。“?式中:。?路面下的最低路面温度:?七天平均最低空气温度;?项目工地的地理纬度度:?路面下深度单位,此处:口。,?平均空气低温的标准差;?根据标准正态分布表,.,可靠度%。根据上述各公式及表?.可以计算出榆林地区路面设计温度见表?。不同模型计算的榆林地区路面设计温度 表计算模型 高温设计温度 低温设计温度.加拿大. 一.注:表中各公式均按%可靠度计算根据表?计算结果和表?沥青结合料等级,可初步确定榆林地区分级为。、根据交通量和速度进行等级选择根据?沥青技术中心及沥青协会设计阶段的研究结果,可有下表,即交通量和交通速度等级选择表。根据交通速度和交通量进行胶结料选择调整 表?注: 设计的。是设计车道年预估的累计当量轴荷载次数,不管实际道路的设计寿命是多少,总以年的,并以此选择合适的设计水平:停滞交通?平均交通速度小于/慢速交通?平均交通速度/标准变通?平均交通速度大于/;根据表示等级数级相当于,增加高温等级,低温等级不变;应考虑增加一个高温等级。经调查,可知榆靖沙漠高速公路交通量水平介于×.之间,且考虑到沙漠地区夏季气候比较炎热、紫外线照射醑:较强的特点,故考虑增加两个高温等级,所以榆靖沙漠高速公路最终分级可毫为?。三、沥青结合料评价根据沥青供应情况选用基质沥青,:牛采用对其进行改性。分别按照常规试验方法和试验方法对进行评价。其结果见表.和表,.。常规试验结果表?试验结果 技术要求一技术指标 .实测记录针入度,. . .实测记录 .延度 .软化点环球法 闪点密度 / . 实测记录针入度比% 延度 .旋转薄膜加热试验 实测记录。 质量损失% 一. .软化点 .实测记录由表?,可知,沥青满足我国重交通道路石油沥青技术要求。试验结果 表?试验指标 试验结果 技术要求试样 试验仪器 试验温度/. .原样沥青 .粘度?/. .旋转薄膜烘箱残留 ?物. ? .】压力老化. 后残留物由表?可知,克拉玛依基质沥青的性能分级为?,不能满足榆林地区分级的要求,因此需要对其改性以提高沥青结合料的等级。四、拌和温度与压实温度的确定根据相应规范要求用 粘度计对所选用的沥青进行粘度试验,采用的纺锥体编号为:,旋转速度为:,测得沥青各温度下的粘度,其结果见表?。沥青各温度下的粘度 表?温度 粘度.根据袁。?在半对数坐标图上绘制出基质沥青温度与粘度关系如图?所示。雹.撂.】温度图 基质沥青粘温目线图由粘温曲线图可得出对应于.±.?和.?粘度时的基质沥青混合料的拌和与压实温度分别为。一和。§沥青的改性一、改性剂的选用改性剂的选择是根据所在地区的气候条件、变通条件、经济实力、改性沥青设备条件,阻及当地路面的主要破坏形式和改性目的综合确定。本次研究结合工程所在地沙漠气候条件、交通条件及改性目的即高低温性能都要兼顾的原则选用改性剂。改性剂是一种热塑性弹性体以丁二烯和,苯乙烯为单体采用阴离子聚合制得,是线型或星型嵌段共聚物,它兼有橡胶和塑料的性能,是目前世界上使用最多且最具发展前途的改性剂。但是由于历青改性剂的改性效果取决于多方面的因素,如基质沥青的组成和产品的种类,使得能否获得优良的改性沥青成为较复杂的问题。因此,本研究在采用最任高速剪切工艺条件下,通过采用不同厂家的多种改性剂对克拉玛依沥青进行改性试验研究,在寻找到与沥青相容性较好的改性剂基础上,又添加合适昏】助剂,以进一步改善改性剂与沥青的相容性,从而使改性沥青的性能达到较高的指标要求。二、改性剂技术指标本研究开始阶段对北京燕山石化公司合成橡胶厂和中国石化岳阳石油化工总厂两个厂家生产的种改性剂均做了试验初步选出燕、燕山国创号、燕山、岳阳道改号、岳阳五种改性剂进行对照研究。其改性剂技术指标如表?所示。改性剂技术指标 表?燕山 岳阳燕山 燕山国 岳阳道改技术指标删创号 结构 星型 星型 线型 星型 线型嵌段比/ / / / / /. . .挥发分% , . . .灰分%. . . . .拉伸强度. . .%定伸应力 拉断伸长率% 永久变形%. . .熔体流动速度/ . .三、改性工艺经过多次试验,本次研究将改性沥青的加工工艺分为三个阶段进行,即混溶阶段、高速剪切阶段和发育阶段。具体加工过程如下:、首先将高速剪切机预热,同时将沥青加热至。:、按一定比例取改性剂加入己加热的沥青中恒温慢速搅拌分钟,称之为混溶。这一阶段在高温下热运动加剧,分子链可以自由流动、链段展开,可促进在沥青中分散的可能性;、然后进入高速剪切阶段,即将已混溶的及沥青高速剪切搅拌大约分钟,其间注意控制加热以避免温度过高引起沥青老化;、高速剪切完成后将沥青在。的恒温下放置小时并不时的搅拌,称之为发育阶段。这一阶段主要是为了能使充分溶解并均匀、稳定地分散于沥青中,以使得链段恢复、接枝,从而使在沥青中形成网状结构。四、改性效果分析采用不同掺量.%、.%、.%的种改性剂分别对沥青进行改性试验研究,最后得出随着掺量的增加改性效果越明显。采用.%掺量时改性效果最为明显。表?列出.%掺量时不改性沥青的试验结果。不同改性沥青括术指标 襄燕山 燕山国 燕山岳阳道 岳阳技术指标创号改号针入度指数 ?. . ., . . . . . . .当量软化点。. . .延度, . . ?. 一. 一.当量脆点。. . .延度.针入度比%由表?试验结果可以看出:、改性剂的加入使得沥青针入度指数从一.提高到一.,且不同改性剂的改性沥青中,针入度指数差别较大,说明加入改性剂种类不同,对改性沥青温度敏感性的影响也不同。从改善沥青的感温性来讲,燕山改性剂要比岳阳改性剂的效果明显,其中燕改性剂对沥青感温性的改善效果最为明显。、不同改性沥青的当量软化点不同,这表明同一剂量,不同类型的改性剂对基质沥青的高温性能改善效果不同,从改善高温性能效果来看燕改性剂效果最好,燕山国创号次之。、改性剂的加入使得基质沥青的延度有所提高,这表明改性剂的加入改善了基质沥青的低温性能。从。延度提高程度来看,改性效果比较明显的是岳阳和燕山改性剂。同样,改性剂的加入使得基质沥青的当量脆点有所降低,从当量脆点降低的程度来看燕和燕山改性剂表现的更为明显。综合。延度与当量脆点。试验结果,可知燕山和岳阳发性剂对沥青的低温性能改善效果较明显。、从后试验结果可以看出,后沥青的延度由改性前的,增加到.。这说明改性剂的加入改善了沥青的抗老化性能。综合上述结果,可知改性剂的加入确乓能够改善沥青的性能高温、低温以及抗老化性能,且不同改性剂对沥青的改性效果不同,但都不能达到预期的改性沥青?的技术要求。尤其是在低温性能方面相差更远。在试验过程中可以发现,经过三个阶段的工工艺,静置一定时间后,在蝴青中易发生离析现象。这表明与沥青的相容性较差,所预期的在沥青中的网状结构未能形成,因此未能充分发挥其作用。所以如何改善相容性成为进一步提高改性沥青性质的主要问题之一。五、相容?生改善改性剂与沥青的相容性与多种因素有关,如基质沥青的组分、改性剂的结构等,在已对改性剂进行了选择、且再不可改变的情况下,基质沥青的组分对改性效果影响就成为主要因素。为此,对沥青进行了四组分分析,试验分析结果如表?所示。沥青四组分试验结果 表?芳香分 胶质 沥青质组分 饱和分.含量%研究表明?,聚烯烃类的改性剂与饱和分含量较高的沥青相容性较好,而橡胶类如或热塑性橡胶类如,则与芳香分含量较高的沥青相容性较好,特别是芳香分含量高、饱和分含量低的沥青与会获得相当高的相容性。由试验结果表?可以看出,采用的沥青中芳香分含量较少,仅为%一般克拉玛依沥青为%左右,饱和分含量较高,达到了%一般克拉玛依沥青的饱和分含量为%。由于这种不利于改性的沥青组分含量比例,使得和沥青相容性较低,导致了改性沥青技术性能的提高未能达到期望的效果。为此,加入对聚合物改性剂起溶胀作用、提高相容性的助剂,有助于提高改性沥青的技术性能。显然,在克拉玛依沥青中掺入调节芳香分和饱和分比例的助剂