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原文传递基于表面能理论的沥青混合料水稳定性评价指标及其阈值研究

论文题名：	基于表面能理论的沥青混合料水稳定性评价指标及其阈值研究
关键词：	沥青混合料;水稳定性;环境温度;表面能;指标阈值
摘要：	沥青混合料的水稳定性与路面早期水损害密切相关，准确快速评估水稳定性有助于指导混合料设计，预防和减少路面水损病害的发生。与宏观水稳定性试验方法相比，表面能方法及其指标从微观能量角度定量分析沥青与集料间的黏附能力，进而判断沥青混合料的水稳定性优劣，其评价结果不受人为因素干扰且更加准确，受到广泛应用。然而，现有表面能评价指标未考虑沥青用量等宏观内在因素对材料黏附性的影响，且未探究外在温度因素对水稳定性的要求，同时缺乏统一的指标阈值。以上不足制约了表面能方法在评价沥青混合料水稳定性方面的进一步发展。　　对此，本文以表面能理论为基础，结合表面能试验与宏观水稳定性试验两种评价方法，考虑水稳定性影响内因与外因两类因素，以借助表面能评价指标及其阈值直接准确预测沥青混合料的水稳定性为目的，按照提出指标、验证指标与确定阈值的顺序，依次开展研究并获得以下研究成果：　　（1）提出了考虑矿料比表面积与沥青膜厚度的水稳定性评价指标SI。指标SI的单位为m2/kg，即借助单位质量沥青混合料所具有的总黏附面积来判断水稳定性优劣，其计算结果越大，则水稳定性越理想。指标SI不仅运用表面能方法定量分析黏附性，而且通过矿料比表面积和沥青膜厚度，反映沥青混合料矿料级配与沥青用量两个宏观内因对水稳定性的影响。　　（2）选用70#基质沥青和SBS改性沥青两种沥青，石灰岩、花岗岩和辉绿岩3种集料，以及石灰岩矿粉和辉绿岩矿粉两种填料，测试原材料表面能并计算由其构成的12种沥青混合料的指标SI。成型沥青混合料试件后进行浸水马歇尔试验、真空饱水马歇尔试验与冻融劈裂试验，采用控制变量并分类比较的方法，经宏观水稳定性试验验证可得，相较于传统的匹配性指标ER，指标SI与3种宏观试验指标之间的拟合优度更高，判定系数R2平均值为0.9380，存在良好的正相关关系，并且评价结果区分度更高，适用性更强。　　（3）测试-20℃~50℃区间内原材料表面能，探究了表面能参量及指标SI随温度的变化规律。沥青内聚功随温度升高而先增大后减小，其内聚性亦先增强后下降，-20℃（冻融循环）时沥青内聚性最小，说明冻融循环作用对沥青内聚性的削弱比单纯高温作用更严重；-20℃（冻融循环）时沥青–集料和沥青–填=料黏附功均最小，说明冻融循环作用严重削弱沥青–矿料黏附性，而高温作用对黏附性的影响多样化，视温度点而定；沥青混合料的剥落功随温度升高而先减小后增大，说明高温条件下水分更容易将沥青从集料颗粒表面置换而致使沥青膜剥落，冻融循环作用对剥落功的影响不显著；12种沥青混合料的指标SI随温度升高均先增大后减小，说明冻融循环和高温作用均会削弱水稳定性，其中冻融循环作用对花岗岩和辉绿岩沥青混合料水稳定性的削弱程度比高温作用更严重，而高温作用对石灰岩沥青混合料水稳定性的破坏更强。　　（4）确定了考虑温度因素的指标SI阈值。设计宏观试验方案并改进试验条件，选用4种沥青混合料进行-20℃的5次冻融循环劈裂试验、10℃和30℃的浸水马歇尔试验以及50℃的浸水汉堡车辙试验，借助以上3种试验指标及其技术要求，确定对应于-20℃（冻融循环）、10℃、30℃和50℃的指标SI阈值，对于基质沥青混合料，阈值依次为19.43、31.29、27.22和16.04；对于改性沥青混合料，阈值依次为27.06、38.87、30.47和16.04。　　（5）建立并验证了阈值与温度的关系模型。基质沥青混合料和改性沥青混合料的指标SI阈值随温度升高均先增大后减小，运用二次函数拟合阈值与温度的变化关系，其判定系数R2≥0.9875，拟合优度较高。同时由实际工程应用得出，相较于固定不变的阈值，随温度升降而动态变化的水稳定性指标阈值适用性更强，其评价结果更为准确合理。
作者：	牛茏昌
专业：	道路与铁道工程
导师：	Robert L.Lytton
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022