粉胶比对沥青胶浆低温性能影响效应分析
第一章 绪论
按照《公路自然区划标准》划分，吉林省地区属于季冻区。区域内高速公路和城市道路沥青路面常见破坏形式为温度骤然变化引起温度应力超过路面材料强度导致路面开裂和由于温度变化引起沥青路面疲劳导致开裂。同时，在行驶车辆引起的动水压力和温度应力变化等条件下，沥青混合料容易引起松散脱落现象。沥青路面的松散与开裂严重影响着沥青路面的使用寿命，降低了道路的服务水平[1,2,3]。因此，研究沥青混凝土材料的低温开裂和松散破坏的破坏机理具有重要的意义。根据《公路沥青路面设计规范》标准对沥青混合料低温抗裂性能评价性试验主要为沥青混合料劈裂试验，而对沥青混凝土路面抗松散性能评价性试验主要为水煮法试验。但是，由于沥青材料本身物理化学性质复杂，亦属于温度敏感性材料，且沥青或者沥青胶浆在沥青混合料的组成中起到胶结作用。沥青混合料的低温开裂和沥青与混合料界面的剥离现象必然与沥青材料本身性能以及沥青与矿料胶结作用具有极大相关性能。因此，本项研究以研究沥青胶浆低温开裂强度和沥青与矿料接触面强度性能为方向，分析沥青与矿料接触面细观强度低温特性和低温影响机理，分析 SBS 改性沥青温度改性特性，明确粉胶比对沥青胶浆强度的影响，确定最佳矿粉掺量。
实现沥青与矿料界面低温条件下的细观强度定量测试对不同种类沥青和酸碱性矿料以及沥青和矿料接触界面的表面特性等相关性能分析具有重要意义。本项研究内容主要包括了 SBS 改性沥青及不同矿粉掺量的沥青胶浆与矿料低温细观强度特征分析，同时根据不同掺量沥青胶浆的细观低温粘结强度数据规律分析得出最佳矿粉掺量。
沥青与矿料间的低温粘结强度是沥青本身温度强度特性体现，沥青与矿料界面低温粘附强度是沥青与矿料胶结作用性能体现，而沥青与矿料低温总体拉伸强度是沥青与矿料总体细观强度的综合体现。沥青与矿料界面间的低温失效模式的评定是评价沥青与矿料不同低温条件下其强度破坏主要因素的体现。因此，实现沥青与矿料接触面细观强度定量测试对于季冻区沥青路面的沥青品质、矿料酸碱性、矿料的表面物理特性的筛选以及与之相对应的相关的改性剂、外掺剂的改性效果的评价具有显著意义。沥青胶浆作为沥青混合料的胶结材料，主要由沥青和矿粉两部分组成，沥青品质和沥青与矿粉拌合比例对沥青胶浆的胶结性能具有关键影响因素。矿粉的添加可以有效降低沥青高温流动性。
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1.2.1 沥青材料低温性能评价研究现状
沥青材料的低温抗裂性能是沥青路面低温抗裂性能的关键因素[4]。1972 年在密歇根大学召开第一届沥青路面结构国际会议将沥青以及沥青混合料低温抗裂性定为重要研究目标[5]。自 1918 年美国公路局确定以针入度分级，1960 年又提出粘度分级。1994 年日本等学者认为沥青路面的开裂本质是由于沥青的脆性断裂而引起的，所以沥青的低温强度是考察沥青路面低温断裂的重要原因。由此，提出了采用改进的弗拉斯脆点测量沥青的断裂强度和弹性系数。这种方法可以进行沥青低温品质的比较。针入度、粘度以及弗拉斯脆点等这些参数指标从根本上就是希望能够定性说明沥青品质，对沥青的品质作出比较[6,7,8]。为此，美国公路战略计划（SHRP）又提出了按照沥青路用性能进行分级，这种分级方法依赖于沥青的粘弹性，并提出了不同施工温度条件下沥青相关的流变特性指标，在美国广泛应用[9,10]。但是这种有别于经验性的指标是经验性分级标准中从未有的，需要专门的试验仪器和方法，并未得到世界的采纳和应用。我国道路石油沥青技术标准一直采用针入度分级[11,12]。由于沥青低温针入度，延度，当量脆点等经验性指标不能很好反映其路用性能，加之美国 SHRP 计划成果的推动，采用力学指标定量测定沥青的路用性能等相关研究成为了各国沥青技术指标修订的新的趋势[13]。近些年国内外诸多学者基于粘弹性力学原理定量测定沥青的高低温性能指标[14,15,16]。2002 年谭忆秋等基于沥青低温流变特性性能提出三块板测粘法测量沥青低温 0 度表观粘度以此评价沥青胶浆的低温性能[17]。2007 年詹晓丽采用灰关联度理论分析表明临界开裂温度能较好评价改性沥青低温性能，但同时指出了该方法仍有很多不足[18,19]。薛忠军等学者采用三参数 CAS 模型基于蠕变试验计算低温松弛弹性模量，评价沥青低温性能[20,21]。陈华鑫，王秉纲等基于国内外沥青低温性能评价体系方法的研究对沥青低温性能评价指标做了详细评论，认为常规的针入度、延度、低温粘度、弗拉斯脆点等经验性指标均不能很好反应沥青低温路用性能，而玻璃化转变温度虽然能表征其低温路用性能，但它受限测试方法，且并不是定值而是一个范围。因此，该指标作为常规检验方法还不现实。同时，指出基于 SHRP 计划提出的 BBR 试验和 DTT 试验更合理[22]。BBR 试验是沥青进行 PG 分级中的一个重要的试验方法，该方法考虑了沥青的低温环境和低温蠕变特性[23]。DTT 试验是在恒定应变速率下测得沥青单轴抗拉强度的一种试验方法，可以得到沥青破坏时的应力和应变[24,25]。
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第二章 粘结粘附定量测试技术原理
为了能够定量测试粘结粘附强度，就必须能够精确测量出沥青胶浆与矿料界面间粘结粘附失效的面积。在试验过程中发现，沥青胶浆与矿料界面间的粘结与粘附失效破坏模式非常分散。在某些区域主要为粘结失效破坏，而有些区域主要为粘附失效破坏。但粘附失效区域中会带有粘结失效，同时粘结失效区域中也会夹杂粘附失效。在一个失效界面中，我们可以很清晰地利用肉眼分辨出粘结和粘附失效破坏。但由于粘结粘附失效模式区域非常分散，人工方法中只有网格法才能近似统计，统计结果也不近人意，有必要采用计算机技术智能分辨出粘结粘附失效区域面积。通过分析发现，沥青胶浆与矿料界面间的失效破坏面具有如下特点：一、沥青与矿料颜色不同、差异明显色调单一。沥青常规下为黑色，因此沥青与矿料界面间粘结失效颜色为黑色；沥青与矿料间粘附失效其颜色为类棕黄色。二、粘结粘附失效为互斥事件。不难得知如果失效界面上某一点若是粘结失效破坏，则该点不可能为粘附失效破坏。也就是说，界面上某一点既是粘结又是粘附失效破坏的事件是不可能发生的，粘结粘附失效概率和为 1。三、根据网格法统计出的数据得知，在同一低温状况下，每个界面失效样本中粘结粘附的失效面积均不相同，也就是说粘结粘附失效样本具有一定的随机性。由于同一样本沥青与矿料界面间失效破坏模式具有如上特性，因此仅仅需要区分出粘结失效和粘附失效面积比率即可通过统计方法拟合出粘结与粘附强度。
利用大津算法通过Matlab程序处理后得到的部分样本效果图如图 2.2 所示。图 2.2 中 a)为预处理后失效界面图像。将其进行灰度转化后即为 b）灰度图像。将图 b）利用 OTSU 算法处理后得到图 c)，即为最大类间方差法辨别的粘结与粘附失效的边界灰度图。为了清楚区分粘结与粘附失效区域，将粘结失效部分处理为白色背景，即图 d）为粘结失效与粘附失效区域对比图像。图 2.2 中 a) 和 d）对比可以发现，粘结失效区域与粘附失效区域基本可以吻合。
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沥青胶浆低温粘结粘附强度定量测试是基于沥青胶浆与沥青矿料界面间的失效模式特点而提供出基本的试验原理和数据处理方法。中厚层沥青油膜在低温状态下会出现粘结和粘附失效破坏。由于两种失效破坏彼此互斥，且失效面积离散性大，失效界面颜色较为单一。因此，采用了最大类间方差图像处理方法对粘结粘附失效面积分别进行了统计。粘结粘附强度的得出采用了最小二乘原理数据拟合方法。由于试验数据和试验条件等因素的影响，需要剔除误差较大的试验数据。因此，该试验数据的误差分析方法也对应给出，以此用来保证拟合结果的正确性。
对于沥青的低温细观粘结强度的测试试验技术方法，本文主要应用本试验课题小组科研团队开发的沥青胶浆低温粘结强度及粘附强度定量测试技术，该测试技术获得了中国发明专利的授权。而对于粘附性能的相关力学试验测试方法，国内外并没有相关的技术资料，鉴于中厚层油膜低温拉伸破坏条件下沥青-矿料界面会出现粘附破坏现象，经过一系列研究分析总结出第二章所述试验原理。对于油膜厚度的定义，该课题小组科研团队分别采用不同油石比对沥青混合料进行了大量的试验，通过质量损失法可以确定油石比所对应的油膜厚度。其中，当沥青混合料油石比为 3.5% ~ 4.0%时，测得油膜厚度约为 0.25 mm。当沥青混合料油石比为 4.5% ~ 5%时，油膜厚度约为 0.45 mm。
在该试验过程中需要保证沥青胶浆低温条件下出现粘附失效破坏，因此试验过程中选择沥青胶浆油膜厚度为中厚层油膜，油膜厚度选定为 0.25 0.05 mm。该试验方法主要分为试模制备和试模养护、试模加载以及图像获取三大步骤。试模制备过程中首先将一定质量的试验沥青样本放置在沥青恒温加热烘箱中保持135℃条件下 15 分钟，确保沥青加热充分，保持热熔状态。同时，在沥青加热过程中，利用电热炉对刀片进行预热，并利用热刀对试验试模中的矿料下表面接触面进行充分预热以确保沥青胶浆与矿料界面能够保证充分的粘结润湿。然后，待沥青充分保持热熔态时迅速取出，，并用热刀蘸取热熔态沥青胶浆并均匀地涂抹在矿料试模下表面上。
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3.1 沥青粘结粘附性能试验测试方法.....................................16
3.2 粉胶比对沥青胶浆低温粘结强度性能测试方法........................18
第四章 沥青胶浆低温粘附粘结性能影响机理分析............................23
4.1 沥青胶浆低温粘结粘附强度测试数据..................................23
4.2 沥青胶浆低温强度数据分析............................................26
第五章 粉胶比对沥青胶浆低温强度性能影响机理分析....................36
5.1 不同粉胶比沥青胶浆低温粘结强度测试数据............................36
5.2 矿粉填料掺量低温粘结强度数据分析...................................39
第五章 粉胶比对沥青胶浆低温强度性能影响机理分析
本次试验中选用产自中国 SBS 改性沥青，SBS 掺入量为 2.5%（质量比）。为了保证改性剂充分均匀地融入基质沥青，试验材料采用高速剪切机进行充分搅拌，搅拌时间为 5 分钟，搅拌速度为 2000 r/min。矿粉填料选用目前在中国地区普遍采用的典型石灰岩矿粉，试验前采用标准筛对其进行筛分，保证其宏观级配满足相关规范的要求。同时，相关研究表明，由于矿粉细观级配的不同会导致其细观孔隙率的不同，即 Rigden 孔隙率会有一定的差异。而该种差异有可能会影响到沥青胶浆中的结构沥青与自由沥青的比例从而导致沥青胶浆的细观强度会有一定的影响。因此，试验前采用 BT-1600 颗粒图像分析系统对该石灰岩矿粉填料的细观级配进行了测试，测试结果见图 5.1。
为充分分析矿粉填料掺量对低温条件下沥青胶浆粘结强度的影响效果，本项研究过程中将矿粉填料掺量进行了充分细化，制备沥青胶浆时采用以下几个矿粉填料掺量，以粉胶比表征（粉胶比为矿粉填料质量与沥青质量的比值），分别为0:1、0.6:1、0.8:1、1:1、1.2:1、1.5:1、2.0:1。在试验制备过程中，由于沥青胶浆在高温状态下呈粘流态，精密天平的精度为 0.1 g。每一组矿粉掺量之间的误差比可以控制在 2%以内。为排除矿粉填料细观粉体特征对试验结果的影响，添加矿粉填料前均采用 BT-1600 颗粒图像分析系统对所添加的矿粉填料进行细观粉体特征测试，为保证矿粉填料与沥青基体充分混合均匀，试验过程中采用沥青高速剪切机对添加了矿粉填料的沥青胶浆充分剪切。制备完成的具有不同矿粉掺量的沥青胶浆见图 5.2。该种测试技术基于沥青油膜低温破坏测试沥青结合料的低温粘结强度。矿粉的掺量主要对于沥青胶浆低温粘结性能和流动性能相关。因此，最佳粉胶比的测定是基于沥青胶浆低温细观粘结强度性能而进行了相关的评价。而经过先期大量相关试验数据可知，对于沥青的油膜厚度对沥青混合料细观低温粘结强度来说，影响效果不明显。且通过先期的大量的探索性试验可以发现，在该试验测试过程中，沥青油膜相对较厚时（0.45 mm 左右），低温状态下油膜发生破坏时，不会发生沥青结合料与矿料接触面的粘附失效破坏，仅发生沥青结合料自身的粘结失效破坏。基于此，对于最佳矿粉掺量试验测试，为避免粘附失效破坏对测试结果的影响，试验前确定沥青胶浆油膜的厚度为 0.5 mm，保证沥青胶浆油膜发生破坏时仅为沥青胶浆自身的粘结失效破坏。试验数据的处理是根据沥青胶浆油膜发生破坏时的拉伸破坏荷载及沥青胶浆油膜的面积求解沥青胶浆相应低温条件下的低温粘结强度。
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第六章 结论与展望
本论文主要采用产自中国的盘锦 90#沥青并用 SBS 改性剂进行不同掺量改性。基于课题组研发的粘结粘附定量测试技术对不同粉胶比的沥青胶浆低温性能进行定量测试。同时，系统客观地分析了 SBS 改性沥青与矿料界面的低温性能。研究过程中的主要成果与结论如下：
（1）基于图像处理技术对课题组发明的粘结强度定量测试技术中粘附面积的统计作出了改进与完善。该方法能够有效代替了网格划分法统计粘附失效面积。低温条件下，中厚层油膜在直接拉伸作用下，沥青与矿料界面存在粘结与粘附失效，其失效区域离散于整个界面中，可以通过 OTSU 算法识别统计出不同失效模式区域。利用最小二乘原理数据处理方法可以比较精确计算拟合出某一温度下的粘结与粘附强度。采用最小二乘原理与误差分析数据统计方法，能够实现了不同低温条件下粘结粘附共存状态下的定量测试技术。
（2）沥青低温粘结强度与粘附强度随温度变化的规律基本一致。沥青胶浆脆化前与脆化后对沥青-矿料表界面低温强度有显著的改变。粘结强度是沥青材料的自身强度特性，而粘附强度体现了沥青材料与矿料之间的胶结作用。SBS改性剂的掺加可以有效降低沥青胶浆的低温敏感性，适当提高了沥青胶浆的低温强度。矿料接触面总体拉伸平均强度是沥青与矿料界面极限强度的综合体现。粘结粘附失效率试验样本统计表明沥青-矿料总体抗拉强度的主要控制因素随着低温条件的不同而发生变化。
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参考文献（略）
本文编号：186223
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/186223.html
