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盐冻融与干湿循环作用下橡胶SBS复合改性沥青混合料性能试验土木工程研究

论文编号:lw201807181013026979 所属栏目:土木工程论文 发布日期:2018年08月11日 论文作者:www.51lunwen.com

本文是一篇土木工程论文,本文采用橡胶 SBS 复合改性沥青作为研究对象。首先对季冻区影响沥青混合料性能的自然因素和人为因素进行了论述,然后对融雪盐融冰化雪的原理以及融雪盐对沥青混合料的浸蚀机理进行分析,并分析了多种因素作用下沥青路面的劣化机理。


第 1 章 绪论


1.1 研究的背景和意义

改革开放以来,我国道路工程建设得到了迅猛的发展,交通运输服务保障能力大幅提升。道路交通运输网络规模的持续扩大。截止到 2016 年末,我国的道路总里程已达到 469.63 万公里,比 2015 年末增加约 11.90 万公里。其中,道路的养护总里程为 459.00 万公里,占道路总里程的 97.7%。全国高速公路总里程 13.10万公里,较 2015 年末增加约 0.74 万公里。全国范围内,高速公路的车道总里程已达 57.95 万公里,较 2015 年末增加了约 3.11 万公里。如此快速、大规模的公路建设堪称为世界上的奇迹,获得了举世瞩目的成就。

伴随着我国高等级公路的快速、大规模的建设,沥青路面的应用也越来越广泛。相对于水泥混凝土路面而言,沥青混合料路面作为一种典型的柔性路面,其中的结合料—沥青是一种典型的粘-弹-塑性材料,因而沥青混合料路面具有适当的弹性变形和塑性变形能力,能够承受一定范围内的应变而免遭破坏;现代化高精度施工机具的大面积推广和应用使得沥青路面的施工质量得以保证,其较高的平整度大大提高了行车的舒适度;沥青混合料路面充分起到减震和抵抗磨耗的作用,汽车轮胎和沥青路面形成两级减振,使行车更加平稳,同时也降低了噪声。再者,由于沥青路面经过摊铺碾压降到规定温度以下后即可开放交通,也极大的缩短了施工工期。与此同时,沥青路面还具有养护维修方便等优点。

据统计报道,近些年来在我国道路工程建设当中,沥青混合料路面在整个道路建设总里程的使用率占 90%以上。而且基于目前沥青路面的应用效果和铺筑技术水平的成熟度等现状,在未来的道路工程建设领域中,沥青混合料路面将会得到更加广泛的应用。

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1.2 国内外研究现状

1.2.1 融雪盐对沥青混合料性能的影响

季冻区在冬季经常会有降雪天气,尤其是一些气候较湿润、纬度较高的地区,降雪则更为频繁且不易融化。路面上的大量积雪会严重影响道路交通的畅通运行且威胁到行车安全。因此,世界上绝大多数国家普遍采用撒布融雪盐的方法来除冰化雪,融雪盐的在除冰化雪时具有低成本高效率的优点,但长期大量使用融雪盐,会在不同程度上影响沥青路面结构稳定,且会加速路面病害现象的发生,大大降低路面的使用寿命和路用性能。

国外对于融雪盐对沥青混合料的影响研究相对较早。

1943 年,瑞典的 Arnfelt 教授在对沥青混合料路面的破坏机理时发现,尿素与稀释的乙醇溶液混合后若发生冻结现象,则会加剧沥青路面结构的破坏。

20 世纪 50 年代以后,美国和加拿大以及北欧的一些国家通过研究发现,融雪盐在物理方面和化学方面都会对沥青混合料路面产生不良影响。且都将减弱融雪盐对路面影响的措施加入到路面设计规范中。

美国的 McDonld 教授与 Perenchioo 教授通过研究指出:物理破坏对沥青与集料的黏附性有很大影响,在沥青路面的破坏中起主要作用;而融雪盐溶液会渗透到沥青混合料内部空隙中,再加上高、低温的交替变化,以及行车荷载对混合料的作用,会造成混合料内部空隙中残留的融雪盐结晶膨胀,膨胀应力会使混合料的承载力降低,加剧沥青路面的破坏。

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第2 章 季冻区沥青混合料性能影响因素及劣化机理


2.1 季冻区沥青混合料性能影响因素

2.1.1 自然环境因素

自然环境因素主要包括大气温度、太阳辐射、大气对流、大气降水等。

沥青路面自建成通车开始服役后,在寿命期内始终暴露在自然条件下,会受到高低温交替、降雨降雪以及太阳光辐射的影响。而季冻区的气候条件则更加不稳定,在周期范围内存在着冻融循环和水的循环(干湿循环)。沥青路面的实际使用寿命和路用性能与工程所在地区的自然环境因素息息相关,而温度和湿度是气候环境条件中两个最主要的因素。就季冻区来讲,对沥青混合料路用性能和使用质量影响最主要的因素是极端低温。季冻区冬季的极端低温和夏季的高温造成季冻区大温差的特点,在高、低温循环交替作用下,沥青路面很容易产生车辙和开裂等病害现象。因此,高、低温交替所引起的冻融循环是影响沥青混合料性能高低的主要因素之一。

吉林省地处中纬度亚欧大陆的东部,东部地区距日本海和黄海海域较近,气候湿润且降雨频繁;而西部地区毗邻干旱少雨的蒙古地区而距海较远,气候干燥而且少雨,所以吉林省是典型的温带大陆性季风气候,一年当中四季分明,雨热同期。本省春季降水量很小且大风天气较多;夏季气温高降水多;秋季多晴朗天气雨量小;冬季寒冷且持续时间长。区域范围内自东南地区向西北方向由湿润气候逐渐过度到半湿润气候再过度到半干旱气候。所以,沥青混合料路面在实际使用过程中需要经受降雨、降雪和道路洒水和蒸发干燥等反复的干湿交替过程。大气降水和道路洒水会使路面处于湿润状态,若积水不能及时排走则会导致路面积水,而积水很容易从路面的空隙或裂缝中下渗到路面结构内部,汽车动荷载也会造成路表的动水压力使水进入到路面内部,却不易让水顺利排走。在荷载的反复荷载下,会造成沥青与矿料的结合面反复被水冲刷,产生剥离,随之而来的就是路面结构的侵蚀与破坏。因此,水的影响也即干湿循环作用是造成路面水损坏的主要原因之一。

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2.2 季冻区沥青路面性能劣化机理

在对季冻区沥青路面性能劣化的机理分析之前,有必要认识和了解一些关于路面性能影响因素的作用原理。

2.2.1 融雪盐融冰化雪的原理

2.2.1.1 融雪盐的技术评价标准

评价融雪盐的优劣,主要从融雪盐的融化冰雪性能、酸碱度和腐蚀性以及重金属毒性物质含量等多方面因素综合评价。有关评价融雪盐的国内外标准并不多,国内外主要的技术评价指标如表 2-1、2-2 所示。

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第 3 章 试件制备及试验方案...............18

3.1 原材料的选择及技术性质......... 18

3.1.1 橡胶 SBS 复合改性沥青 ............. 18

3.1.2 粗集料 ........... 18

第 4 章 盐冻融与干湿循环作用下橡胶 SBS 复合改性沥青混合料性能研究.33

4.1 高温性能试验研究........... 33

4.1.1 试验评价指标 ............ 33

4.1.2 试验方法及试验过程 ...... 35

第 5 章 结论与展望 ................57

5.1 结论......... 57

5.2 展望........... 57


第4章 盐冻融与干湿循环作用下橡胶SBS复合改性沥青混合料性能研究


4.1 高温性能试验研究

沥青混合料的高温稳定性作为最重要的路用性能之一,一般是指沥青混合料在夏季高温条件下(通常为 60℃),历经车辆荷载长期反复作用后,抵抗车辙和波浪等永久变形的能力。当温度较高时,沥青路面结构的抗剪能力会变低,当车辆保持较低的加荷速率时,路面结构就显现出稳定性差的问题。车辙和波浪是沥青混合料路面结构高温稳定性差的主要表现形式。车辙和波浪的产生降低了路面的使用时间和服务质量,威胁行车安全。国内外的众多学者和科研单位都十分注重车辙等病害的研究与处理,经过多年的研究和发展,目前沥青路面的车辙病害已得到了一定程度上的改善。但车辙病害依然广泛存在于当前的路面工程中,还没有得到很好的解决,因此需对其更进一步的探索和研究。

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第 5 章 结论与展望


5.1 结论

本论文以橡胶 SBS 复合改性沥青混合料为研究对象,通过融雪盐浸蚀、冻融循环与干湿循环加速模拟东北季冻区大温差、干湿交替以及冬季降雪时融雪盐对路面的影响和破坏。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对历经不同水平的融雪盐溶液浸蚀、冻融循环与干湿循环作用后的橡胶 SBS 复合改性沥青混合料试件分别进行了高温车辙试验、低温弯曲试验和冻融劈裂试验,测定了其高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性等指标,分析了橡胶 SBS 复合改性沥青混合料路用性能的变化,并总结了其性能劣化的规律。

本文通过试验研究得到的主要结论如下:

(1)当冻融循环与干湿循环次数固定时,随着融雪盐溶液浓度的不断升高,橡胶 SBS 复合改性沥青混合料的动稳定度 DS、低温弯曲破坏应变 εB和冻融劈裂抗拉强度比 TSR 均表现为先缓慢上升,当达到一定程度(融雪盐浓度在 8%左右)时,而后又开始缓慢下降。因此可知,当融雪盐浓度为 8%左右时,对橡胶 SBS复合改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性的影响最小。故,8%是季冻区橡胶 SBS 复合改性沥青混合料路面冬季降雪时融雪盐使用的推荐剂量。

(2)当融雪盐溶液的浓度固定时,在 0%、4%、8%、12%和 16%浓度的融雪盐溶液的浸蚀下,随着冻融循环与干湿循环次数的增加,橡胶 SBS 复合改性沥青混合料的车辙试验动稳定度、低温弯曲破坏应变和劈裂抗拉强度比均不断下降,所得的冻融与干湿循环对混合料路用性能影响程度大小为 15 次>10 次>5 次。

(3)融雪盐浸蚀、冻融与干湿循环对橡胶 SBS 复合改性沥青混合料车辙试验动稳定度 DS、低温弯曲破坏应变 εB和冻融劈裂抗拉强度比 TSR 等指标影响程度的大小为:冻融与干湿循环次数>融雪盐溶液浸蚀。

参考文献(略)