沥青及其混合料的动态流变性能研究开题报告

近几十年来，我国的公路建设，尤其是高等级公路建设得到了飞速发展，其中沥青路面以其优越的性能占据了主要地位。由于沥青混合料路面具有强度高、平整性能好、耐久性好等优点，而广泛应用于我国高等级公路路面面层结构。沥青路面是在柔性基层、半刚性基层上，铺筑一定厚度的沥青混合料作面层的路面结构。这种路面与砂石路面相比，其和强度稳定性都大大提高。与水泥混凝土路面相比，沥青路面表面平整无接缝，行车振动小，噪音低，开放交通快，养护简便，适宜于路面分期修建，是我国路面的重要结构形式。

作为沥青混合料的级配方法有AC，SMA和Superpave三种方法。

AC称为沥青混凝土，是连续级配，即各档料的用量是连续的，逐级填隙，其混合料属于悬浮密实型骨架。实验室级配设计时采用马歇尔击实成型。因为经验丰富，技术成熟，在我国使用的很多，基本上70、80%的1、2级公路的面层都会采用此级配； SMA称为沥青玛蹄脂碎石，是间断级配，即各档料的用量不是连续的，其特点是粗料多，细料少，用油量高，矿粉多，有时会在混合料内添加纤维以增强其骨架加筋效果，其混合料属于骨架密实型结构，表面的构造深度较好，路面抗滑性能较AC、SUP好。实验室级配设计时采用马歇尔击实成型。此类设计源自德国。成本较高，这种混合料疲劳性能、高温性能都较好； SUP全称Superpave，也是一种连续级配，与AC级配比较类似，混合料也属于悬浮密实型，只是在其级配设计时，有一个禁区，级配曲线是不允许通过的，实验室级配设计时与AC、SMA的设计成型方式不一样，它采用旋转压实，用的是体积设计法。这类级配设计源自美国的AASHTO的SHRP计划研究成果，因为其设计成本较高，目前在我国应用很少，尚处于引用与研究阶段。

但是沥青混合料通常采用经验的实验室设计方法进行设计，这意味着在确定实验室分析是否同路面性能有关时，需要野外的经验。然而，即使完全按照这些方法和提出的混合料设计标准，都不能确保路面性能优良。同样，即使有关机构决定扩充规范，这些规范对建立标准和获得某些性能保证方而也只能作出较小的动。与此同时，我国的汽车数量以及交通荷载量也成倍增加，再加上当前全球自然环境的逐渐恶化，一些沥青路面在使用早期就出现了许多病害，例如车辙、剥落、裂缝等，从而导致沥青路面的使用寿命大大缩短，远未能达到其设计使用寿命。因此，国内外许多专家学者多年来一直致力于长寿命沥青路面的研究和探索工作，力求从原材料选择、配合比设计、路面结构设计、摊铺压实工艺等方面来改善沥青路面的使用性能，延长其使用寿命。其中，在沥青路面中具有重要作用的沥青材料的性能一直以来都受到了人们的普遍重视。倘若作为胶结料的沥青性能不佳，就极易出现沥青路面病害，长此以往，我国在实现公路建设规划突破的同时，也将面临不断的路面翻修与维护，这不仅直接影响了交通质量和交通通畅性，同时也将耗费巨大的人力、物力、财力，对国家的经济发展带来重大的影响。

本研究的目的在于通过对不同级配方法下的沥青及沥青混合料老化前后的动态变性能的变化进行研究，从而找出级配、温度对沥青的流变性能的影响规律，以及沥青混合料在短期老化和在全气候老化试验仪中长期老化后的沥青的流变性能的变化规律。

主要研究内容：

（1) 沥青、集料的基本性能检测：沥青的三大性能指标（针入度、软化点、延度）、沥青的密度；不同粒径的密度（表观密度、毛体积密度）、吸水率，集料的筛分，集料的捣实密度等。

（2）原材料沥青的流变性能检测:沥青的动态剪切模量与相位角，沥青的粘度。

（3）学习AC-13、SMA-13、Sup-13路面面层的级配设计方法，并设计沥青混合料的配合比：利用石子和矿粉的筛分结果绘制级配曲线得到最佳级配，选用不同沥青掺量来制作马歇尔试件，测定三重（干重，水中重，表干重）并测定密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度和流值，最终得出沥青的最佳掺量。

（4）沥青混合料的流变性能实验：利用配合比制作车辙板，利用车辙实验与小梁弯曲实验分别评价其高温流变性能与低温流变性能。

（5）成型沥青混合料车辙试件老化：对松散料、成型之后的马歇尔试件、放入全气候老化试验仪中养护1000h的马歇尔试件进行沥青抽提。

（6）对抽提出的沥青进行流变性能检测：主要包括动态剪切流变实验、弯曲梁流变实验、粘度实验。

（7）比较各级配设计方法下的沥青混合料中沥青老化前后的流变性能。

预期目标：

1 探究级配、温度对沥青的动态剪切流变性能、粘性等流变性能的影响；

2 探究沥青混合料在短期老化和在全气候老化试验仪中长期老化后的沥青的流变性能的变化规律。

具体的实验步骤与流程：

1） 沥青、集料的基本性能分析：

1.1 沥青

按照试验设计内容，选用SBS改性沥青作为之后试验所用沥青，试验设计参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E42-2005）严格执行。沥青主要测定的指标有针入度、延度、软化点、密度等。

1.2 集料

AC-13、SMA-13、Sup-13路面面层级配设计试验所采用的集料粒径规格分别为1号（10～15mm）、2号（5～10mm）、3号（3～5mm）和4号（0～3mm）.从实际工地取回原材料后，原材料集料试验按照《公路工程集料试验规程》的要求和方法进行粗细集料的筛分试验，其中粗集料用干筛法测其表观密度、毛体积密度，用网篮法测得吸水率。细集料和矿粉(4号料）用水洗法测得其表观密度和毛体积密度，用容量瓶法测得其吸水率。

2） 原材料沥青老化前的流变性能检测：

动态剪切流变实验：试验设计参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE42-2005）严格执行，考察所用沥青在76℃下的指标是否达到1.1，如是，即为合格。

粘度实验：试验设计参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE42-2005）严格执行，利用试验所得数据绘制黏温曲线，从而确定压实成型温度范围。

经过试验测定，本研究所用SBS改性沥青为合格品。

3） 学习并掌握AC-13、SMA-1、Sup-13路面面层的级配设计方法，并设计沥青混合料的配合比。

3.1 AC-13与SMA-13级配设计

AC-13与SMA-13相近，根据筛分结果以及《公路沥青路面设计规范》中AC与SMA荐级配及其工程设计级配范围，知道了上下限与级配中值以及筛分数据可以利用图表法算出级配。用已经配好的集料加入油石比为4.2%,4.5%,4.8%,5.1%，5.4%的沥青来制作AC-13马歇尔试件，又加入油石比5.8%、6.1%、6.4%、6.7%的沥青来制作SMA-13马歇尔试件，对各个油石比不同的马歇尔试件进行实验，分别测得它们的干重，水中重，表干重。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E42-2005）的数据计算公式计算出试件的密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度和流值，最终求出沥青的最佳掺量。

3.2 Sup-13设计级配

Sup-13的设计与AC-13和SMA-13的设计有所不同，首先Sup-13的集料为非连续级配，因此它的级配曲线不再是连续的曲线，而是一个个独立的点。在绘制级配曲线时应避开Superpave一12．5的限制区，级配从限制区下方通过。以提高混合料抗永久变形能。根据筛分结果以及《公路沥青路面设计规范》中Sup-13荐级配及其工程设计级配范围，知道了上下限与级配中值以及筛分数据可以利用图表法算出级配。确定了级配后，利用其空隙率的数据从而确定其沥青掺量的经验值，再上下浮动0.5%，即分别用沥青掺量为4.3%、4.8%、5.3%、5.8%的配比，利用旋转压实仪成件，成型之后称其三重，得到体积指标，从而确定其最佳沥青掺量。再利用上述所得数据成型马歇尔试件，测定其体积系数与稳定度、流值等，从而检验其是否符合标准。

4） 不同级配下的沥青混合料的流变性能实验：

三种设计方法AC-13、SMA-1、Sup-13 下的级配与最佳沥青掺量确定后，利用这些数据制成车辙试板，成型过程按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG T0702-2005）的要求和方法进行。将制得的合格的车辙试件按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG T0702-2005）的要求和方法进行车辙试验与小梁弯曲实验。测得DS与挠度，从而分别评价其高温流变性能与低温流变性能。

5） 老化抽提

老化又分短期老化与长期老化，首先将三种最佳级配下的沥青混合料进行拌合，然后按松散料的抽提要求进行抽提，此时抽提出来的沥青作为0h的沥青与老化后的沥青进行性能对比，然后将成型好的沥青混合料车辙试件放入全气候老化试验仪中，分别选取不同老化时间的试件进行沥青抽提：包括刚拌合出来的沥青混合料的沥青抽提（短期老化）和养护1000h后的沥青混合料的沥青抽提（长期老化）

6） 老化前后沥青的流变性能的研究

6.1 粘度

本次研究选用Brookfield粘度计进行测试AC-13、SMA-1、Sup-13这三种级配下的松散料、短期老化、长期老化后的沥青混合料中的沥青的粘度，实验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG T0702-2005）的要求和方法进行，粘度测试的温度范围为60～150℃，利用实验，不同的沥青试样可以分别绘制出一条粘度曲线，利用实验所得数据，分析温度、级配、老化时间对沥青的粘度的影响。

6.2 动态剪切流变

本研究采用DSR测试AC-13、SMA-1、Sup-13这三种级配下的松散料、短期老化、长期老化后的沥青混合料中的沥青的动态流变性能。实验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG T0702-2005）的要求和方法进行，利用DSR测试的沥青动态流变参数主要为动态剪切模量和相位角，其中动态剪切模量主要代表了沥青的粘性性质，而相位角则主要代表了沥青的弹性性质。本次研究对沥青选取不同的试验温度，以探究温度对沥青的动态流变性能的影响，本次研究选取52℃、58℃、64℃、70℃、76℃作为试验温度，分别读取不同级配下不同老化时间下不同温度下的沥青的动态剪切模量和相位角，从而探究级配、老化时间、温度对沥青的动态流变性能的影响规律。

6.3 弯曲梁流变

本研究采测试AC-13、SMA-1、Sup-13这三种级配下的松散料、短期老化、长期老化后的沥青混合料中的沥青制成弯曲梁试件，弯曲梁流变实验粘度实验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG T0702-2005）的要求和方法进行，在实验规定的恒定温度-12℃下，测定其不同沥青试样的挠度与弯曲荷载，利用实验数据来考察级配、老化时间对沥青的动态流变实验的影响规律。

将对应级配下的沥青混合料的流变性能与相同级配下抽提出来的沥青的流变性能利用Excel软件进行处理，探究其之间是否可以建立数学公式，能够推断出改性沥青在改变其它条件下的情况下它的流动性能的变化，以及配制成沥青混合料后成型后的流变性能的变化，然后利用原材料进行试验验证，看其是否符合。

7） 比较各级配设计方法下的沥青混合料中沥青老化前后的流变性能。

将对应级配下的沥青混合料的流变性能与相同级配下抽提出来的沥青的流变性能利用Excel软件进行处理，探究其之间是否可以建立数学公式，能够推断出改性沥青在改变其它条件下的情况下它的流动性能的变化，以及配制成沥青混合料后成型后的流变性能的变化，然后利用原材料进行试验验证，看其是否符合。从而得出级配、温度、老化时间对沥青的动态流变性能的影响规律。

第1~3周：进行原材料沥青的基本性能检测，以及石料的性能检测，同时查找文献，确定实验方案；

第4~5周：设计AC-13、SMA-13沥青混合料：利用石子和矿粉的筛分结果绘制级配曲线得到最佳级配，选用不同沥青掺量来制作马歇尔试件，测定三重（干重，水中重，表干重）并测定密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度和流值，最终得出沥青的最佳掺量。确定其最佳级配和最佳沥青掺量后，作出老化试件放入老化箱老化；

第6周：设计Sup-13沥青混合料：利用石子和矿粉的筛分结果绘制级配曲线得到最佳级配，根据空隙率的选择确定沥青用量的范围，选取不同沥青掺量来制作旋转压实试件，测定三重（干重，水中重，表干重）并测定密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度。再用所得级配与沥青掺量制作马歇尔试件进行性能验证。确定其最佳级配和最佳沥青掺量后，作出老化试件放入老化箱老化；

第7周：利用上述所得数据制作车辙试件，并将其部分制成小梁试件，进行车辙实验与小梁弯曲实验，检测其高低温的流变性能，查阅并翻译外文文献，并查看相关文献，；

第8~9周：对三种级配下的沥青混合料配制松散料，将其中的沥青抽提出来，对三种级配下的沥青混合料配料成型，然后将其捣碎，抽提沥青；

第10周：将放进老化仪中的三种级配的老化样进行抽提，翻译外文文献；

第11周：将所有抽提出来的不同的沥青试样进行粘度测试，记录数据；

第12周：将所有抽提出来的不同的沥青试样进行动态流变测试；

第13周：将所有抽提出来的不同的沥青试样进行弯曲梁流变测试；

第14周：处理数据，撰写毕业论文初稿，提交外文译文；

第15周：修改并完善毕业论文；

第16周：制作PPT，准备答辩。