详情

原文传递硬质沥青及其混合料流变特性与低温性能研究

论文题名：	硬质沥青及其混合料流变特性与低温性能研究
关键词：	硬质沥青;混合料;流变特性;低温性能;变形规律
摘要：	硬质沥青是一种针入度较低、劲度较高的胶结料，以其优异的高温性能，被欧盟国家广泛应用于高等级道路工程中。而在我国以30＃沥青为代表的硬质沥青虽然得到了初步的应用，但其低温性能和流变特性的研究尚不完善，阻碍了硬质沥青的推广使用。因此，系统地研究硬质沥青流变特性和低温性能评价指标是十分必要的。本文应用粘弹材料流变学理论，结合动态粘弹、静态粘弹试验，研究硬质沥青及其混合料流动变形规律和低温性能评价方法及指标，主要工作包括：　　本文进行典型硬质沥青的选择，主要根据我国沥青针入度分级体系，选择了有代表性的七种30＃沥青和一种更低针入度的沥青作为研究对象，囊括了不同油源及不同生产工艺（包括氧化工艺、溶剂脱沥青工艺和调合工艺）。　　基于重质油化学结构理论，开展了八种硬质沥青化学组成的研究，包括元素组成、族组成和结构族组成等。采用组分分析、元素分析、凝胶渗透色谱（GPC）、傅里叶红外光谱（FT-IR）和核磁共振氢谱（1H-NMR）等手段和方法确定了八种硬质沥青的组分特征、元素特征、分子量和化学结构参数，建立了平均分子式及结构，分析了化学组成特性与硬质沥青基本性能的相关性。　　系统研究了不同温域范围内硬质沥青的流变特性，包括高温流变性能和低温流变性能。采用剪切模式、多重应力蠕变模式和稳态流动模式下动态剪切流变试验系统（DSR）研究了硬质沥青的高温流变规律，得到了硬质沥青的车辙因子、复数剪切模量G及主曲线、不可回复蠕变Jnr和零剪切黏度等参数，研究发现硬质沥青的高温 PG等级可达76℃，相同针入度等级、不同油源硬质沥青流变性能差异明显。采用差示扫描量热仪（DSC）研究了硬质沥青的相态变化规律，确定了玻璃态转变温度Tg；采用低温弯曲流变仪（BBR）研究了-3℃~-18℃硬质沥青原样和PAV老化样品的低温蠕变特性，基于Burgers模型研究了粘弹参数随温度的变化规律，研究了综合柔量指标。基于线性回归及灰色聚类分析理论研究发现，硬质沥青软化点、PI和60℃动力黏度受到沥青质、胶质的影响较大；同时对于多数低温性能指标，胶质、沥青质对硬质沥青的影响是显著的，饱和分、芳香分的影响不明显。化学结构中氢碳比HAU/CA、取代率σ对低温性能指标的影响是显著的，而结构单元数n及侧链长度L对低温性能指标的影响是最低的。同时研究发现，族组成、结构族组成与硬质沥青低温性能指标的关系中，延度是相对不敏感的指标，因此，用延度表征硬质沥青低温性能是不合理的。　　在骨架密实型和悬浮密实型两种矿料级配设计及基本性能验证的基础上，比较了硬质沥青混合料与橡胶沥青混合料、SBS改性沥青混合料的路用性能，发现硬质沥青混合料高温性能与这两种混合料相当，低温性能可以满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）1-3区的要求。之后，系统研究了五种硬质沥青混合料的动态粘弹性能。采用10～70℃条件下的动态模量试验，得到了硬质沥青混合料的动态模量和相位角，并建立了基于Sigmoid函数的动态模量主曲线。基于CAM模型及数据拟合方法得到了硬质沥青混合料 Ge、Gg*、fc、R等粘弹参数，比较了不同级配、不同硬质沥青差异，发现级配调整可以改善硬质沥青混合料的粘弹特性。　　采用间接拉伸蠕变试验和约束温度应力试验（TSRST）开展了硬质沥青混合料低温蠕变性能和温度收缩性能研究。得到了不同硬质沥青骨架密实型和悬浮密实型级配混合料的蠕变柔量、断裂温度TF及断裂应力FF等参数，建立了蠕变柔量主曲线及温度应力曲线，掌握了不同硬质沥青混合料低温蠕变和降温收缩的规律，发现悬浮密实型级配混合料对低温变形的适应能力优于骨架密实型级配，同时研究了不同硬质沥青之间的差异。　　采用灰色关联理论研究了硬质沥青胶结料低温性能指标与沥青混合料评价指标相关性分析，发现硬质沥青混合料低温评价指标与延度关联度最低，而与 BBR蠕变劲度模量S和m值具有较高的关联度。说明延度指标难以表征硬质沥青的低温路用性能。选择弯曲蠕变劲度模量S、m值及脆点指标作为硬质沥青的评价指标，采用硬质沥青混合料低温弯曲极限应变指标，根据线性关系得到了硬质沥青低温评价指标门槛值。　　在研究的基础上，采用实体工程对硬质沥青的高温、低温路用性能进行验证，经过多年观测发现硬质沥青的路用性能优异，低温性能满足工程要求。　　综上，在研究硬质沥青化学组成特性和流变特性研究的基础上，进行了硬质沥青及混合料的综合性能研究，尤其对其低温性能评价方法及指标进行研究。在与路用性能相关性分析的基础上，本文提出了基于流变学的低温性能评价指标，并提出了门槛值。这项研究使硬质沥青的低温性能评价更加科学合理，便于硬质沥青的推广应用。工程实践证明，硬质沥青综合路用性能优异，本文所提出的硬质沥青低温性能评价体系科学有效，本研究为硬质沥青在气候分区1-3区及我国南方地区推广应用提供了依据。
作者：	董雨明
专业：	道路与铁道工程
导师：	谭忆秋
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文