沥青混合料饱水过程的强度演化规律及机理分析

为研究SBS改性沥青混合料在饱水过程中的力学强度演化过程,提出了一种基于圆孔孔边应力集中效应的力学模型,分别计算了非饱水和饱水孔隙的孔边应力.对不同沥青含量的SBS改性沥青混合料试件进行水敏感性试验(MIST)和恒温浸水试验,采用间接拉伸强度(ITS)和拉伸强度比(TSR)来表征沥青混合料的强度演化过程,分析孔隙水压循环次数、水浴时间、孔隙水压力和温度对沥青混合料强度的影响.结果表明:在劈裂荷载作用下,孔隙水压抗力消散了薄弱孔隙的应力集中;随着孔隙水压循环次数或恒温水浴时间的增加,试件的ITS先减小后增大,TSR持续增大;沥青混合料在饱水过程中的强度增加,实际上采集到的是沥青混合料自身强度与孔隙水压力的加和;温度对沥青混合料强度的影响比孔隙水压力的影响更加显著.

多聚磷酸复配SBS改性沥青微观结构特性评价

利用傅里叶红外光谱仪(IR)、原子力显微镜(AFM)与动态剪切流变仪(DSR)对多聚磷酸(PPA)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、PPA&SBS改性的三种沥青和基质沥青进行了表征测试。结果表明:PPA加入到基质沥青中会生成新的酯类化合物,PPA及PPA&SBS改性沥青均在800~1000cm-1波段出现了新的混合吸收峰,说明PPA与基质沥青、SBS改性沥青均发生了新的化学反应;通过AFM观察PPA、SBS、PPA&SBS改性沥青的三维形貌图可以发现,三种改性沥青表面比基质沥青要粗糙、崎岖,其中PPA&SBS改性沥青表面最粗糙。同时PPA改性沥青与PPA&SBS改性沥青的峰区高于基质沥青与SBS改性沥青,三种改性沥青峰区数量均较基质沥青多。通过均方根粗糙度Rq、峰密度指数Sds、表面承载系数Sbi三个指标对四种沥青的AFM三维形貌图观测结果进行了验证,验证结果表明PPA&SBS改性沥青具有最大硬度,DSR结果也表明其具有较好的高温抗变形能力;通过层次分析法(AHP)对评价四种沥青表面粗糙程度的三个指标进行了对比,发现表面承载系数Sbi具有最大权重0.5714,建议在利用AFM表征沥青表面粗糙程度时,使用Sbi更加真实、确切。

不同温域变化下半柔性路面材料细观界面损伤开裂分析

损伤开裂是目前影响沥青路面结构耐久与行车安全的重要因素之一。路用灌注式半柔性材料(SFM)通过在沥青混凝土骨架中灌注水泥浆,兼具水泥和沥青特性,具有较好的耐久性及行车舒适性,但SFM界面处由于各相材料变形不协调易引发细观损伤。为了揭示半柔性材料在温度变化过程中的界面损伤,利用有限元分析方法,通过引入内聚力模型(CZM)对SFM界面区域在不同温域下黏结-失效过程进行了模拟分析。首先,以25%目标空隙率设计SFM的骨架沥青混合料,在对其进行基本性能测试后灌注水泥浆,制备SFM试件。然后通过工业CT扫描,获得SFM的内部截面几何信息,构建细观有限元模型。分别对SFM组分包括开级配沥青混合料、水泥灌浆料以及集料进行不同温度范围内的温缩行为测试,将试验获得的线收缩系数输入有限元模型中进行计算,研究其界面区域在经历不同温域后的应力集中、失效程度及损伤分布等问题。结果表明:与多数工况类似,在从20℃向―30℃降温过程中,SFM内部应力主要集中于集料-沥青-水泥灌浆料界面区域。通过对各降温区段的应力大小及损伤程度分析后,发现20℃至10℃降温区间内,沥青膜黏结强度及断裂能最小且承受的不协调变形最大,因此该降温区间内SFM界面处损伤开裂最严重。

多聚磷酸改性沥青改性机制

为了研究多聚磷酸(PPA)对沥青的改性作用,分别制备了掺量为0.5%、1%、1.5%和2%(PPA与基体沥青的质量比)的PPA改性沥青。三大指标实验结果显示,随着PPA掺量的增加,针入度减小,软化点升高,延度减小,说明在沥青中掺入PPA使沥青高温性能得到改善而低温性能略有减弱。通过四组分分析(SARA)发现随着PPA掺量的增加,沥青中的胶质逐渐减少,沥青质逐渐增多,饱和分与芳香分基本不变。利用FTIR发现,相比基质沥青,PPA改性沥青的红外光谱整体图线发生了迁移,且出现了新的吸收峰,说明PPA改性机制为化学改性。利用AFM得到基质沥青与PPA改性沥青的形貌与相位图,分析发现掺入PPA后相位图中连续相(para-phase)面积明显减小,而分散相(peri-phase)面积明显增加,且蜜蜂结构(catana-phase)谷地尺寸变大,说明掺入PPA后沥青中沥青质含量将会增多,而低温抗裂性将有所减弱。

多聚磷酸改性沥青表面形态学与流变学特性

为了研究多聚磷酸(PPA)改性沥青的宏观和微观性能,基于表面形态学与流变学原理,利用原子力显微镜(AFM)与动态剪切流变仪(DSR)对基质沥青、4%苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性沥青(SBS与基质沥青的质量比)和2%PPA改性沥青(PPA与基质沥青的质量比)进行研究。利用AFM测出三种沥青的形貌图与相位图,发现:PPA改性沥青的蜜蜂结构尺寸略大于基质沥青与SBS改性沥青,PPA改性沥青的整体图像明亮度也大于基质沥青与SBS改性沥青。通过表面承载系数(Sbi)与峰密度(Sds)分析得出,PPA改性沥青硬度较高,且表面更为均一。利用DSR对上述三种沥青进行测试,通过复数剪切模量(G*)、相位角(δ)和车辙因子(G*/sinδ)三个参数分析得出,PPA改性沥青具有更好的高温抗变形能力。

多次孔隙水压作用下沥青混合料性能演化试验

为研究沥青混合料在水-力共同作用下的性能演化过程,在实验室内制备了3种不同沥青含量(3.5%、4.5%、5.5%)的SBS改性沥青混合料试件,利用沥青混合料水敏感性试验(MIST)进行不同次数(500次~7000次)孔隙水压作用的湿度处理,通过湿度处理后试件的物理指标(体积、毛体积密度)来表征沥青混合料的内部结构变化。利用间接拉伸试验(IDT)测得的不同孔隙水压作用次数下的ITS以及TSR来表征沥青混合料力学性能的演化过程。结果发现:随着孔隙水压作用次数的增加,试件内部结构发生了变化,导致试件体积先增大、后减小,毛体积密度有微小的下降。ITS以及TSR结果表明,试件力学性能先降低、后上升。在对不同MIST作用次数湿度处理后试件的含水率进行测量后发现:500次孔隙水压循环是试件由不饱和状态向饱和状态转变的临界作用次数。小于500次作用时,试件未饱和,MIST循环产生孔隙水压较大,因此力学性能不断降低;大于500次作用时,试件已饱和,温度作用取代孔隙水压作用成为主要影响,导致力学性能上升。因此,对于孔隙率为4%左右的小型密级配沥青混合料试件,推荐采用500次MIST循环作为湿度处理来进行沥青混合料的抗水损害能力的评价。