硬質(zhì)瀝青及其混合料流變特性與低溫性能研究.pdf

1、硬質(zhì)瀝青是一種針入度較低、勁度較高的膠結(jié)料，以其優(yōu)異的高溫性能，被歐盟國(guó)家廣泛應(yīng)用于高等級(jí)道路工程中。而在我國(guó)以30＃瀝青為代表的硬質(zhì)瀝青雖然得到了初步的應(yīng)用，但其低溫性能和流變特性的研究尚不完善，阻礙了硬質(zhì)瀝青的推廣使用。因此，系統(tǒng)地研究硬質(zhì)瀝青流變特性和低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是十分必要的。本文應(yīng)用粘彈材料流變學(xué)理論，結(jié)合動(dòng)態(tài)粘彈、靜態(tài)粘彈試驗(yàn)，研究硬質(zhì)瀝青及其混合料流動(dòng)變形規(guī)律和低溫性能評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)，主要工作包括：
　　本文進(jìn)行典

2、型硬質(zhì)瀝青的選擇，主要根據(jù)我國(guó)瀝青針入度分級(jí)體系，選擇了有代表性的七種30＃瀝青和一種更低針入度的瀝青作為研究對(duì)象，囊括了不同油源及不同生產(chǎn)工藝（包括氧化工藝、溶劑脫瀝青工藝和調(diào)合工藝）。
　　基于重質(zhì)油化學(xué)結(jié)構(gòu)理論，開展了八種硬質(zhì)瀝青化學(xué)組成的研究，包括元素組成、族組成和結(jié)構(gòu)族組成等。采用組分分析、元素分析、凝膠滲透色譜（GPC）、傅里葉紅外光譜（FT-IR）和核磁共振氫譜（1H-NMR）等手段和方法確定了八種硬質(zhì)瀝青的組分特征

3、、元素特征、分子量和化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了平均分子式及結(jié)構(gòu)，分析了化學(xué)組成特性與硬質(zhì)瀝青基本性能的相關(guān)性。
　　系統(tǒng)研究了不同溫域范圍內(nèi)硬質(zhì)瀝青的流變特性，包括高溫流變性能和低溫流變性能。采用剪切模式、多重應(yīng)力蠕變模式和穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模式下動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)（DSR）研究了硬質(zhì)瀝青的高溫流變規(guī)律，得到了硬質(zhì)瀝青的車轍因子、復(fù)數(shù)剪切模量G*及主曲線、不可回復(fù)蠕變Jnr和零剪切黏度等參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)瀝青的高溫 PG等級(jí)可達(dá)76℃，相同針入

4、度等級(jí)、不同油源硬質(zhì)瀝青流變性能差異明顯。采用差示掃描量熱儀（DSC）研究了硬質(zhì)瀝青的相態(tài)變化規(guī)律，確定了玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg；采用低溫彎曲流變儀（BBR）研究了-3℃~-18℃硬質(zhì)瀝青原樣和PAV老化樣品的低溫蠕變特性，基于Burgers模型研究了粘彈參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，研究了綜合柔量指標(biāo)。基于線性回歸及灰色聚類分析理論研究發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)、PI和60℃動(dòng)力黏度受到瀝青質(zhì)、膠質(zhì)的影響較大；同時(shí)對(duì)于多數(shù)低溫性能指標(biāo)，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)對(duì)硬

5、質(zhì)瀝青的影響是顯著的，飽和分、芳香分的影響不明顯?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)中氫碳比HAU/CA、取代率σ對(duì)低溫性能指標(biāo)的影響是顯著的，而結(jié)構(gòu)單元數(shù)n及側(cè)鏈長(zhǎng)度L對(duì)低溫性能指標(biāo)的影響是最低的。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，族組成、結(jié)構(gòu)族組成與硬質(zhì)瀝青低溫性能指標(biāo)的關(guān)系中，延度是相對(duì)不敏感的指標(biāo)，因此，用延度表征硬質(zhì)瀝青低溫性能是不合理的。
　　在骨架密實(shí)型和懸浮密實(shí)型兩種礦料級(jí)配設(shè)計(jì)及基本性能驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，比較了硬質(zhì)瀝青混合料與橡膠瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料

6、的路用性能，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)瀝青混合料高溫性能與這兩種混合料相當(dāng)，低溫性能可以滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）1-3區(qū)的要求。之后，系統(tǒng)研究了五種硬質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)粘彈性能。采用10～70℃條件下的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，得到了硬質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量和相位角，并建立了基于Sigmoid函數(shù)的動(dòng)態(tài)模量主曲線?；贑AM模型及數(shù)據(jù)擬合方法得到了硬質(zhì)瀝青混合料 Ge*、Gg*、fc、R等粘彈參數(shù)，比較了不同級(jí)配、不同硬質(zhì)瀝青差異

7、，發(fā)現(xiàn)級(jí)配調(diào)整可以改善硬質(zhì)瀝青混合料的粘彈特性。
　　采用間接拉伸蠕變?cè)囼?yàn)和約束溫度應(yīng)力試驗(yàn)（TSRST）開展了硬質(zhì)瀝青混合料低溫蠕變性能和溫度收縮性能研究。得到了不同硬質(zhì)瀝青骨架密實(shí)型和懸浮密實(shí)型級(jí)配混合料的蠕變?nèi)崃?、斷裂溫度TF及斷裂應(yīng)力FF等參數(shù)，建立了蠕變?nèi)崃恐髑€及溫度應(yīng)力曲線，掌握了不同硬質(zhì)瀝青混合料低溫蠕變和降溫收縮的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)懸浮密實(shí)型級(jí)配混合料對(duì)低溫變形的適應(yīng)能力優(yōu)于骨架密實(shí)型級(jí)配，同時(shí)研究了不同硬質(zhì)瀝青之間的差

8、異。
　　采用灰色關(guān)聯(lián)理論研究了硬質(zhì)瀝青膠結(jié)料低溫性能指標(biāo)與瀝青混合料評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)瀝青混合料低溫評(píng)價(jià)指標(biāo)與延度關(guān)聯(lián)度最低，而與 BBR蠕變勁度模量S和m值具有較高的關(guān)聯(lián)度。說明延度指標(biāo)難以表征硬質(zhì)瀝青的低溫路用性能。選擇彎曲蠕變勁度模量S、m值及脆點(diǎn)指標(biāo)作為硬質(zhì)瀝青的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用硬質(zhì)瀝青混合料低溫彎曲極限應(yīng)變指標(biāo)，根據(jù)線性關(guān)系得到了硬質(zhì)瀝青低溫評(píng)價(jià)指標(biāo)門檻值。
　　在研究的基礎(chǔ)上，采用實(shí)體工程對(duì)硬質(zhì)瀝青的高

9、溫、低溫路用性能進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過多年觀測(cè)發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)瀝青的路用性能優(yōu)異，低溫性能滿足工程要求。
　　綜上，在研究硬質(zhì)瀝青化學(xué)組成特性和流變特性研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了硬質(zhì)瀝青及混合料的綜合性能研究，尤其對(duì)其低溫性能評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)進(jìn)行研究。在與路用性能相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，本文提出了基于流變學(xué)的低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，并提出了門檻值。這項(xiàng)研究使硬質(zhì)瀝青的低溫性能評(píng)價(jià)更加科學(xué)合理，便于硬質(zhì)瀝青的推廣應(yīng)用。工程實(shí)踐證明，硬質(zhì)瀝青綜合路用性能優(yōu)異，本文所提