基于扭转剪切试验的沥青混合料抗剪强度分析

沥青路面的高温抗变形能力与沥青混合料的抗剪强度密切相关.根据路面荷载作用下沥青混合料中矿料颗粒的受力特点及转动状态,自主研发了扭转剪切试验装置.针对不同级配沥青混合料,在不同条件下进行扭转剪切试验;分析了骨架稳定性、沥青用量和温度对扭转剪切特性的影响,建立了考虑骨架稳定性指数、沥青用量和温度的抗剪强度预估模型.结果表明:最大扭转剪切力可以用于评价沥青混合料的抗剪强度;最大扭转剪切力随温度升高呈指数形式减小,随沥青用量增加呈二次函数关系变化,随骨架稳定性指数增大呈幂函数关系增大.构建的抗剪强度预估模型能够较为准确地表征各因素耦合作用下沥青混合料的抗剪强度,可以为沥青混合料优化设计及路面养护决策提供参考.

生物基树脂改性沥青流变特性评价及体系融合行为

受石油资源储量和供应的限制,将生物质材料引入石油沥青已经成为一个热门话题。本研究以麦草秸秆液化产物为原材料合成三种生物基树脂(BPF、BPU和BPF-PU),并将其用于生物沥青的制备,旨在探究生物基树脂对沥青流变特性的影响及二者之间的交互作用。首先,通过频率扫描和多重应力蠕变恢复试验分析了树脂对沥青胶结料黏弹特性和高温抗车辙性能的影响;其次,借助流变学理论对树脂-沥青体系的相态结构进行了分析;最后,从荧光显微结构和官能团分布特征的角度探究了二者之间的融合行为。结果表明,BPF和BPF-PU能够增加沥青中的弹性成分,提升其高温抗车辙性能,而BPU则会强化沥青的黏性响应;三种树脂能够较为均匀地分散到基质沥青中,并与其形成稳定的相态结构,这可能是因为树脂与基质沥青之间形成了醚键(C-O-C)。本研究有助于为农作物秸秆的增值转化和生物沥青的开发提供新的思路,但在生物沥青性能的全面评价方面需要进一步研究。

沥青路面养护技术能耗及碳排放量化分析

在沥青路面养护工程中,不同养护技术对能耗和碳排放等生态环境的影响存在差异,不同养护技术在不同生命周期阶段能耗与碳排放的特征也有所不同。为了对公路养护决策提供节能减排方面的指导,基于生命周期分析(life cycle analysis,LCA)理论,采用净发热值法和排放因子法分别建立了能耗与碳排放量化模型,对比分析了铣刨重铺、薄层罩面、微表处、同步碎石封层、稀浆封层5种养护技术在不同生命周期阶段的环境影响。结果表明:5种养护技术中,能耗最为密集的阶段均为材料物化阶段,该阶段的能耗占比均超过总能耗的60%;材料运输阶段的能耗值及碳排放量均最小,不到15%;建设施工阶段,混合料拌和环节对环境影响最为集中,其次是摊铺和碾压环节。5种养护技术的年均能耗值排序为:同步碎石封层>微表处>稀浆封层>铣刨重铺>薄层罩面;年均碳排放量排序为:铣刨重铺>同步碎石封层>稀浆封层>薄层罩面>微表处。因此,综合考虑节能减排及服役性能因素,薄层罩面技术表现最为优异。

铝锆偶联剂改善生物沥青混合料水稳定性研究

为了提高生物沥青与石灰岩集料的黏附性,采用铝锆偶联剂对石灰岩集料进行改性.采用改进水煮试验、接触角试验分析铝锆偶联剂对生物沥青与石灰岩集料黏附性的影响;基于红外光谱和扫描电子显微镜试验分析微观变化和改性机理;采用沥青混合料水稳定性试验对石灰岩集料性能变化进行验证.结果表明,在0.2%铝锆偶联剂掺量下的15 min水煮试验中,生物沥青质量损失率相较改性前降低了20.52%;铝锆偶联剂使石灰岩集料由亲水性转变为亲油性,生物沥青与石灰岩集料的配伍率提升;红外光谱表明改性石灰岩集料表面引入了铝锆偶联剂的有机长链;扫描电子显微镜观测发现,铝锆偶联剂能在石灰岩集料表面形成薄膜,完成化学包裹;改性后的生物沥青混合料的残留稳定度与冻融劈裂强度比相较于改性前分别提升了7.91%与12.63%.

沥青路面水性聚氨酯丙烯酸热反射涂料制备

以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚丙二醇(PPG)等原料制备水性聚氨酯(WPU),通过丙烯酸单体和交联剂改性WPU制得水性聚氨酯丙烯酸(WPUA)乳液。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析WPUA的官能团,利用铅笔硬度和百格划线法对WPUA膜的硬度、附着力进行测定,利用水接触角试验对WPUA膜的疏水性能进行测试;以降温值、黏度值、光泽度作为评价指标,借助正交试验设计确定WPUA热反射涂料的最佳配方;通过室内太阳辐射模拟装置以及室外太阳照射试验对WPUA热反射涂料的降温效果进行测试。结果表明,WPUA膜的附着力和硬度均得到提高,具有较好的疏水性;WPUA热反射涂料的最佳制备配方为固含量30%的WPUA乳液、16%的金红石型钛白粉、2%的石英砂和4%的中空玻璃微珠。WPUA热反射涂料室内外降温效果显著。

沥青混合料汉堡车辙试验条件及评价指标研究

采用2种沥青、2种级配拌制4种混合料,分别在水浴和空气浴下进行50℃和60℃的汉堡车辙试验,分析了水和温度对车辙深度的影响;讨论了车辙深度和蠕变速率指标评价沥青混合料高温性能的不足,提出了车辙变形率指标.结果表明,水环境和提高温度都会加速车辙的产生,50℃水浴和60℃空气浴车辙深度的相关性好,50℃水浴汉堡车辙试验可以反映沥青混合料的抗车辙性能,建议B级沥青采用45℃,A级沥青采用50℃,改性沥青采用60℃的试验温度.

道路沥青热氧老化模拟试验研究

沥青材料的抗老化性能是沥青路面耐久性的关键影响因素,室内模拟老化试验是研究沥青抗老化性能的重要方法.为了对比不同试验方法的老化效果,对5种沥青进行了延时旋转薄膜烘箱老化(RTFOT)、压力老化(PAV)以及自行设计的60℃烘箱老化试验,并与自然老化路面的回收沥青指标进行了对比分析.结果表明,上述3种老化试验方法的老化效果之间有很好的对应性和等效性,都能较好地反应实际路面沥青的长期老化行为;虽然不同方法的老化温度和氧浓度存在差异,但其老化机理都是氧化反应,并无本质区别,认为RTFOT老化试验可以作为模拟沥青长期老化的试验方法.

基于粘度和延度变化的沥青抗老化性能评价方法

针对当前道路沥青的抗老化性能评价方法的不足,研究了5种道路沥青老化过程中的粘度和延度的变化规律,提出了基于135℃粘度和15℃延度的沥青抗老化性能评价方法,并建立了评价沥青抗老化性能的老化度和抗老化系数指标。研究结果表明:该评价方法及指标可以区分不同沥青在整个老化过程中的抗老化性能,评价指标中老化度可以评价不同老化时间的老化程度,有助于预测沥青路面在老化作用下出现开裂病害的时间;抗老化系数体现了沥青本身的抗老化性能,为沥青的选择提供了依据。

沥青混合料高温蠕变变形行为及机理

采用3种级配沥青混合料,在不同温度条件和应力水平下进行静态蠕变试验,根据应力应变关系得到了稳态蠕变速率,讨论了温度和荷载应力对沥青混合料稳态蠕变速率的影响,并通过稳态蠕变速率与温度、应力水平的量化关系获得了应力指数和蠕变激活能,并分析了沥青混合料的蠕变行为与机理.研究表明:虽然3种沥青混合料的稳态蠕变速率均随温度和应力水平的提高而逐渐增大,但它们的应力指数相差不大,均小于3,属于矿料界面位错机理控制的扩散蠕变;沥青混合料蠕变激活能与车辙动稳定度相关性较好,可以反映该混合料的高温稳定性,其中中型级配AC-16沥青混合料的蠕变激活能最高;公称粒径大小不是影响沥青混合料高温性能的决定性因素.

橡胶粉在热沥青中的溶胀降解特性分析

制备废胶粉改性沥青是实现废橡胶资源化利用及减轻环境污染的有效途径.为了研究胶粉在沥青中的物化行为以及对沥青的改性作用,分别在不同胶粉掺量、不同温度和处理时间条件下制备胶粉改性沥青,采用洗脱法分离胶粉后,使用光学显微镜测定胶粉粒径的变化,提出体积膨胀率表征胶粉在沥青中的体积变化;并对用筛析方法分离胶粉后的沥青样品,进行了红外光谱(IR)和差示扫描量热(DSC)分析.结果表明:制备胶粉改性沥青过程中,溶胀和降解是影响胶粉体积的两个重要因素,随着胶粉掺量增加、制备温度升高和处理时间延长,体积膨胀率均呈先增大后减小趋势;溶胀后的橡胶分子发生断链降解释放出小分子物质溶于沥青组分发挥改性作用,特征官能团吸收峰大幅增强;195℃,1.5 h和175℃,3.0 h制备的沥青样品DSC谱线出现了强烈的吸热峰,即处理温度过高或时间过长,可能发生胶粉过度降解、胶粉团聚或沥青老化行为,使胶粉改性沥青的物化状态发生改变,导致性能劣化.从胶粉溶胀与降解的角度,建议胶粉掺量在20%左右,处理温度不高于195℃,处理时间不超过1.5 h.

沥青混合料矿料滑移剪切变形特性

沥青混合料的变形是矿料颗粒滑移累积的外在表现。为了分析沥青混合料的矿料滑移剪切变形特性,开发了一种矿料滑移试验装置,采用不同级配的五种沥青混合料,在不同的试验条件下进行矿料滑移剪切变形试验。根据试验曲线,提出了矿料滑移破坏荷载(Fs)、矿料滑移破坏变形(Ds)、矿料滑移模数(M)和矿料滑移能量指数(SEI)等评价参数,分析了评价参数与车辙变形之间的关系,讨论了试验温度和沥青含量对沥青混合料抗滑移变形性能的影响。结果表明,Fs对于较大公称最大粒径的混合料存在局限性;随着温度的升高,五种沥青混合料的矿料滑移能量指数(SEI)与温度呈乘幂关系衰减,相关系数R2均大于0.89;对于不同的混合料,四个评价参数与车辙深度(RD)的相关性排序为:SEI>Fs>M>Ds,推荐SEI作为沥青混合料矿料滑移剪切变形的评价参数。对于AC-13b混合料,随着沥青含量的增加,40℃和60℃的SEI均先减小后增大,均在最佳油石比4.5%附近达到峰值519.2和492.6,即当沥青用量接近最佳沥青含量时,矿料骨架效应和沥青粘结性可以达到较高的水平,沥青混合料具有最大的矿料滑移剪切稳定性。

沥青紫外光老化特性及机理探讨

为了研究沥青紫外光老化行为及机理,采用两种沥青进行室内模拟光老化试验,通过对沥青不同老化时间的黏度和延度对比分析,研究了沥青紫外光老化的高低温性能衰变行为,并采用组分试验、胶体结构以及红外光谱(IR)分析,探讨了其微观变化及老化机理.结果表明,紫外光老化主要发生在沥青表面,导致沥青的低温性能大幅衰减,对高温性能的影响相对较小;沥青中的芳香分和胶质对紫外光较为敏感,容易发生光氧化反应生成沥青质,胶体不稳定指数和相对羰基指数均不断增大,沥青性能不断劣化.

沥青野外热氧老化模拟试验研究

当前研究沥青老化行为广泛采用旋转薄膜烘箱(RTFOT)、压力老化容器(PAV)等试验方法,其试验温度和压力条件与实际路面环境状况差别较大.为了研究夏季野外环境条件对沥青老化进程的影响,在沥青路面温度特征分析的基础上,自行设计了60℃烘箱老化试验.通过对沥青老化前后及不同老化时间的软化点、针入度、延度、粘度以及低温劲度模量的对比分析,研究了沥青的老化衰变行为,并采用组分试验、胶体结构以及红外光谱(IR)分析,探讨了沥青的热氧老化行为和机理.结果表明,与高温条件下剧烈的热氧老化行为不同,夏季野外气候下沥青分子发生温和的缓慢氧化,生成极性含氧大分子物质,低温性能大幅衰减,这是沥青路面耐久性不足的重要原因.

沥青混合料动态响应的试验条件影响及其主曲线研究

动态模量是沥青混合料黏弹性动态响应的重要表征参数之一.选择3种级配的沥青混合料进行不同试验条件的沥青混合料性能试验,分析了沥青混合料动态模量随加载频率及试验温度的变化规律,得到了不同加载频率下动态模量随试验温度的衰减模型;分析了加载频率对动态模量衰减率的影响,并讨论了动态模量移位因子,绘制了沥青混合料动态模量主曲线.结果表明,随着加载频率的升高,沥青混合料的动态模量逐渐增大,但温度越高,增加幅度越小;动态模量随着温度的升高呈指数关系衰减,加载频率越高,衰减速率越大,其中改性沥青混合料AC-13的动态模量随温度衰减速率最小;在较高的温度下(如55℃),不同加载频率的动态模量差异很小.动态模量主曲线和移位因子可以较好的描述加载频率和试验温度对沥青混合料黏弹性响应的影响.

沥青混合料黏弹性响应影响因素分析

选择3种级配的沥青混合料进行不同温度和应力水平的蠕变试验,根据应力应变关系得到的蠕变柔量曲线获取Burgers黏弹性模型参数,分析温度、应力水平、矿料级配以及老化作用对沥青混合料黏弹性的影响.结果表明,随着温度的升高,3种沥青混合料的E1、η1、E2、η24个参数总体不断降低,即沥青混合料软化、模量减小,但不同温度下3种混合料的黏弹性参数排序并不相同;应力水平对沥青混合料的黏弹性能有显著影响,处于中间荷载水平0.5 MPa时4个黏弹性参数的区分度最大,但不同级配的沥青混合料对应力水平的响应存在差异,公称最大粒径相近的混合料的某些黏弹性参数变化趋势较一致;老化是沥青混合料黏弹性变化的重要原因,但短期老化和长期老化的影响并不相同.

非线性微分动力学模型的沥青老化行为

为了研究沥青的老化行为及抗老化性能，将沥青进行旋转薄膜烘箱老化（RTFOT）和60℃烘箱老化试验，并从不同使用年限的路面回收老化的沥青，采用非线性微分动力学模型对不同老化方式的沥青粘度进行拟合，根据模型参数讨论了沥青在不同老化条件下的性质变化和老化速率，并分析了老化机理的差异。结果表明，非线性微分模型可以有效地模拟沥青室内和野外老化进程，模型参数L和r可以实现对老化状态和老化速率的量化。不同老化温度下，沥青都有其对应的极限老化状态。RTFOT老化与野外老化的极限老化程度约为60℃烘箱老化的4～5倍，RTFOT老化6h与野外老化6a的老化效果接近，延时的RTFOT老化方法可以模拟实际路面沥青的长期老化。

炭黑改性沥青混合料的动态响应主曲线分析

为了分析炭黑改性沥青的动态响应,在不同试验温度及加载频率下进行基质沥青混合料和炭黑改性沥青混合料的简单性能试验(SPT),分析了两种混合料动态模量和相位角的变化规律,并根据试验数据,采用Sigmoidal模型,得到了沥青混合料的动态模量移位因子及模型参数,形成了两种沥青混合料动态模量和相位角主曲线,并对其进行对比分析.结果表明,炭黑改性沥青混合料的活化能ΔE_a和移位因子lg[α(T)]在低于参照温度时小于基质沥青混合料,而在高于参照温度时大于基质沥青混合料.随着加载频率的升高,动态模量主曲线呈"S"形曲线逐渐增大,而相位角主曲线先增大后减小,但不如动态模量主曲线光滑,尤其在低频范围内数据分散.动态模量主曲线和移位因子可以较好地描述加载频率和试验温度对炭黑改性沥青混合料黏弹性响应的影响.炭黑改性沥青混合料在低于37.8℃时的动态模量更大,具有更好的抗变形能力;随着温度的升高,当温度超过37.8℃时,两种混合料的黏弹性响应差异不大,即在低频或高温条件下的炭黑改性效果不显著.

基于CMOD法的沥青混合料抗裂性能评价方法仿真

为了降低评价结果与实测结果之间的误差,提出基于CMOD法的沥青混合料抗裂性能评价方法。确定沥青混合料配比参数,构建试件有限元计算模型,得到试件的CMOD曲线,将其与有限模型相结合,得到CMOD值;将相应的参数导入虚拟数字试验软件中,确定材料微观结构与力学性能之间的联系;根据沥青性能要求,设定实验环境参数以及抗裂性能评估指标,实现沥青混合料抗裂性能评价。构建仿真环节,实验结果证实,所提方法所得评价结果与实测结果基本一致,具有较高的可信度。

基于AMPT的沥青混合料的黏弹性动态响应特性

为了研究沥青混合料的黏弹性动态响应特性,选择3种级配的沥青混合料进行不同试验条件的沥青混合料性能试验（AMPT）,分析了沥青混合料动态响应参数动态模量和相位角随温度及加载频率的变化规律,并拟合得到不同加载频率下动态模量随温度的衰减模型,讨论了动态模量衰减率与加载频率的关系。结果表明,沥青混合料的动态模量随着温度的升高呈指数关系衰减,加载频率越高,衰减速率越大,其中改性沥青混合料AC-13的动态模量随温度衰减速率最小;在较高的温度下（如55℃）,不同加载频率的动态模量差异很小。不同加载频率的相位角出现峰值的温度不同,加载频率越低,出现峰值的温度也越低;在0.01-2.0 Hz范围内,3种沥青混合料的相位角均出现峰值的位置均不超过25℃,而25 Hz对应的相位角峰值均出现在45℃处。根据试验结果推断在较宽的温度和频率范围内,相位角随频率的增大先增大后减小。

沥青绝氧热老化行为与机理研究

为了研究沥青在绝氧状态下的老化特性,本文采用自行设计的模拟老化试验方法对LAL、ESSO2种沥青进行了高温绝氧老化试验,通过对沥青不同老化时间的软化点、针入度、黏度、延度以及低温劲度模量进行对比分析,研究了沥青高温绝氧老化的性能衰变行为,并采用组分试验、胶体结构以及红外光谱(IR)分析,探讨了其微观变化及老化机理。结果表明,绝氧热老化过程中,沥青的高温性能先降低后提高,低温性能先提高后降低;老化过程中沥青分子的降解与交联聚合共存,在老化初期以断链分解为主,沥青变软,胶体结构向溶胶型转化;而随着时间的延长,交联聚合起主导作用,沥青的低温劲度和黏度增加,胶体结构逐渐向凝胶型转化。但与热氧老化相比,绝氧热老化物理性质和微观结构变化幅度相对较小。