1. 研究目的与意义

从二十世纪九十年代以来，随着国家对交通基础设施投资的增多，我国的公路建设得到了飞速的发展，特别是高速公路的通车里程增长迅猛。2015年年底将达到高速公路建设12.3万公里，同时支撑三大战略协同发展自律建设，包括国际经济合作走廊类的连接沿海沿江重要口岸工作的建设，要服务于新型城镇化。高速公路的建设有力的带动了沿线地区的经济发展，显示出了巨大的经济效益和社会效益。沥青路面以其良好的力学性能、平稳舒适的行车条件、施工周期短以及养护维修简单等特点在高速公路工程中得到广泛的应用。上世纪90年代初，美国战略公路研究计划（SHRP）的施行以及SUPERPAVE等一大批研究成果的发表，使沥青及沥青混合料的研究进入了一个新的纪元。

2013年，全国高速公路日平均交通量为20998辆，日平均行驶量为229416万车公里，比2012分别增长5.6%、14.6%，截止至2015年则增长更多。由于公路交通量日益增长，大多数沥青路面在使用数年后就普遍出现 了各种路面病害，水损坏是路面出现早期破坏的主要形式，水损坏的出现也会加速沥青路面其他病害的出现，如：沥青剥落、坑槽、推移、车辙、唧泥等。这些病害大大降低了路面的使用寿命，使得高速公路提前进入大规模的养护维修期，增加了路面养护成本。测试不同类型沥青、集料的剪切强度和拉拔强度，并进行剪切疲劳试验，研究沥青与集料间的界面强度及疲劳特性。通过本课题的研究，能够较全面的掌握沥青、集料类型对沥青与集料界面强度的影响，从而为提出改善沥青与集料粘附性的措施。所以，沥青和集料粘附性能研究对沥青路面的发展有重要意义。

2. 国内外研究现状分析

《沥青与集料界面强度试验研究》文献综述

摘要：高速公路的建设有力地带动了沿线地区的经济发展，也使公路运输结构发生了深刻的变化，快速运输日益显示出巨大的经济效益和社会效益。迄今为止，我国高速公路总里程已经超过12.3万公里，因为沥青路面具有良好的行车舒适性和优异的使用性能、建设速度快、维修方便等优点，其中90%以上都是采用沥青路面[1,2,3,4,5]。由于沥青和集料之间的相互作用是沥青混合料结构形成的影响因素，而且它直接关系到沥青混合料的结构强度、温度稳定性、水稳性等一系列主要性能，对沥青混凝土路面使用寿命也有着较大的影响。而在我国，沥青路面发生的早期病害，基本都与其有关。因此研究沥青与集料界面界面强度试验研究是一个值得探究的课题[6]。

本文主要阐述了我国当前沥青混凝土路面存在的现状，病害以及产生的原因。另外通过查阅书籍和翻看国内外最新的研究成果，对国内外的研究状况进行了大致的了解和分析，国外的研究起步比较早，研究的范围和深度都比较广，也取得了比较高的成果。而我国研究起步相对较晚，但国内研究人员结合我国特有的石油沥青和集料进行研究并取得了较大的成果。目前国内外研究沥青/集料粘附性能的评价方法归结为主要有粘附性试验、表面能 理论方法、沥青胶浆流变性试验、沥青/集料界面剪切试验等。而本次研究沥青与集料界面强度试验的主要方法为界面剪切强度试验和Pull-off拉拔试验。

关键字：沥青；集料；界面强度；剪切强度试验；拉拔试验；

1概述

现代交通的发展对沥青路面性能提出了更高的要求，如高速、安全、舒适和耐久， 传统的沥青路面已很难适应这种要求。目前路面的车辙、松散、开裂等破坏现象在许多道路上时有发生[5,6]。因此，改善沥青路面的使用品质，加强沥青路面建设技术指导，延长路面的使用寿命和提高投资效益是各国交通部门所面临的重要课题。

沥青混合料是一种由多种物质成分组成的非均匀多相材料，从结构上来说，它可以 看作是增强相（集料和矿物填料）、基体相（沥青）和介于两者之间的界面相组成的三相材料[7]。三者在混合料中所起的作用不同：增强相彼此嵌挤，形成骨架，主要承担外界的车辆荷载；基体相将增强相粘结在一起，并传递应力至增强相；而界面在沥青混合料中的作用非常重要，它不但是混合料中沥青和集料之间的桥梁，是集料能够充分发挥 其承载作用的纽带，而且由于该区域物质的组成及形貌与基体部分不同，其结构相对疏松，且强度较低，在外界因素的作用下，该区域易出现裂纹[8]，因此界面在工程实际中往往成为制约沥青混合料整体性能的研究表明，沥青路面的破坏现象与混合料中沥青和集料界面区域的性质有很大的关系[9]。因此，界面在工程实际中往往成为制约沥青混合料整体性能的瓶颈，同时也为沥青路面病害的发生埋下了隐患。研究表明，沥青路面的破坏现象与混合料中沥青和集料界面区域的性质有很大的关系。如果沥青与集料之间的粘结较弱，则在沥青-集料界面上就容易发生破坏，从而导致路面的早期损坏。

综上所述，沥青与集料界面上的相互作用是沥青混合料结构形成的决定性因素，它 不仅关系到沥青混合料的强度、温度稳定性、老化速度，而且直接决定了沥青与集料的粘附性的大小，所以研究沥青和集料界面区域的性质，探索其相互作用原理，对提高沥 青路面中胶浆-集料间的粘结强度，揭示沥青混合料中粘结层的力学机理，从而有效解决沥青路面表层掉粒、剥落等破坏问题，这对完善沥青路面性能，改善技术措施，消除沥青路面早期损坏，延长路面的使用寿命具有重要的现实意义、良好的社会经济效益和广阔的应用前景[11]。

2国内外研究现状

沥青与矿料之间的粘附性研究很早就己经开始了。早在20世纪20年代，美国就开始在考虑沥青混合料剥落数据的基础上对混合料的性能好坏进行指标区分，他们己经能认识到，由于水的存在，使集料表面与沥青的粘结力降低、沥青胶结料本身的凝聚力下降[12]。美国的Hveem在20世纪40年指出了集料与沥青界面的粘附性是影响沥青混合料水稳定性的关键因素，也是内在因素。因此，应该有许多方法来提高在恶劣的条件下任何沥青与所有集料的粘附性。如果一种成分在炼油厂就加入沥青中这一做法商业上可行的话，所有的水损害问题就可以解决了，但是没有精确的试验方法来验证这种处理方法的有效性。

20 世纪40 年代，在美国工程兵团就职的工程师马歇尔提出了著名的浸水马歇尔稳定度试验,提供了检验沥青混合料受水损害时抵抗剥落能力的试验。1956 年Andersland and Goetz 利用超声波来评价压实沥青混合料的抗水剥离能力。同时，Texas 大学的 Kennedy, Roberts等人又提出了水煮法测粘附性试验。

20世纪90年代初，美国战略公路研究计划(SHRP)及研究项目进行，SUPERPAVE 等一大批研究成果的发表，开辟了沥青及沥青混合料研究的新纪元。在这个计划中，沥青研究项目的经费占了整个SHRP计划研究经费的三分之一。SHRP计划共有九个研究 项目,22个研究成果，对沥青的性能、沥青与集料之间的相互作用、沥青与沥青混合料的路用性能以及沥青混合料的路用性能预测方面做出了巨大的贡献。提出的搅动水净吸附法，用定量的方法描述了沥青在矿料表面的吸附和剥落情况。

我国在八五期间，沥青混合料路用性能是攻关研究专题之一，通过大量的试验来测定评价和改善沥青混合料的粘附特性，同时在对相关试验方法做了全面而深入的探讨的基础上，推荐60℃水浸法和搅动水净吸附法作为评价沥青与矿料粘附性等级的标准方法，并把浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验作为检验沥青混合料水稳定性的标准试验方法。原西安公路交通大学在八五国家科技攻关课题研究时，制作了一套不同剥落率的样本照片，可以采用对照照片地方法进行粘附性等级评定，在一定程度上避免了水煮 法、水浸法评定粘附性等级时人为因素的影响。

3、沥青与集料粘附性能的评价方法

目前国内外研究沥青与集料粘附性能的评价方法归结为主要有粘附性试验、表面能 理论方法、沥青胶浆流变性试验、沥青/集料界面剪切试验、Pull-off拉拔试验等。其中：

（1）剪切粘附性试验 [14]

长安大学延西利等在2001年对沥青和石料粘附性进行了剪切试验分析给出了沥青与石料间粘附性强弱的定量评价方法及其受剪切速率和试验温度影响的变化规律。试验得出的结论是：试验中剪切破坏发生在沥青和集料间的界面层上，也就是说：剪切强度的大小可反映沥青与集料间粘附性的大小。因此给出了沥青与石料间粘附性强弱的定量评价方法，并认为此方法与水煮法试验结果有良好的相符性，且集料性质对粘附性的影响要大于沥青性质对粘附性的影响。方法如下：

将集料和沥青做成如图所示的形式，利用力学原理定量分析沥青和集料的粘结力，集料和沥青的粘附模型见图1.1。

图1.1 集料和沥青粘附模型

（2）Pull-off拉拔试验

ASTM D 4541Pull-off Strength of Coatings using Portable Adhesion Testers[15]可用来确定涂料与金属基层之间的粘附力的强度，国内的魏建明博士受此启发，采用类似的仪器与方法，将涂层换为沥青或者沥青胶浆，金属基层使用集料代替，用以研究沥青材料及其与集料间的强度Pull-off 试验示意图见图1.2。考虑到基底仅有部分与沥青接触， 我们可以认为与基底接触的沥青的半径与加载装置的半径R相等，加载前沥青膜的厚度为h。如果沿着 Y 轴的方向施加一个荷载 P，沥青膜将会被拉长Δh，最终将会在最薄弱的地方发生破坏，所以Pull-off试验测量的是发生破坏时的拉伸应力值，结合强度也被定义为破坏时的平均Pull-off 拉伸应力；如果沥青粘聚强度小于沥青-基底的粘附强度，则出现粘聚破坏，反之发生粘附破坏[16]。

图1.2 沥青/集料pull-off试验示意图

4总结

通过此次学习与研究，我学习到集料性质的影响要远大于沥青的影响。而对于同种集料，沥青的性质则起到决定性作用。若沥青相同的情况下，集料的碱值是最关键的因素，其本质是集料的化学成分是最重要的影响因素。对于沥青性质对沥青与集料界面的粘附性的影响[7]，沥青各组分、粘度、沥青酸值、沥青的电性能、表面张力、蜡含量等与粘附性的影响，结果表明最关键的因素是沥青的酸值。对沥青材料的粘度与粘附性的关系进行了研究，结果表明，沥青与集料的粘附性好坏首先取决于集料 的化学性质。对于同种集料，沥青的性质则起到决定性作用。试验证实，沥青的粘度对 粘附性有影响，但不存在明显的相关性。然而，对于同一种集料，沥青的粘度可起到重要作用[17]。国外对沥青性质对粘附性的研究较为细观，对吸附在集料表面沥青的化学成分和吸 附性强度进行了研究，得出了一些结论，让我们能更深入理解沥青和集料粘附理论，而且对研究改进沥青和集料粘附性的措施及研制改性剂都是有很大帮助。

参考文献

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[2]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京，人民交通出版社.

[3]黄晓明，吴少鹏等编著.沥青与沥青混合料[M].南京:东南大学出版社，2002.

[4]辛德刚，王哲人，周晓龙.高速公路沥青路面材料与结构[M].北京:人民交通出版社，2003.

[5]孔维川，集料特性对沥青_集料界面性能影响研究[D].长安大学硕士学论文，2012.

[6]张越，沥青与集料粘附性研究[D].长安大学硕士学论文，2014.

[7]王恒武.玻璃纤维/聚合物基复合材料界面粘结强度的实验与理论研究[D].武汉理工大学硕士学论，2003.

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[11]李晓民，张肖宁，王绍怀.基于动态粘弹力学的沥青胶浆高温性能试验研究[J].公路交通科技，2007.

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[14]延西利,梁春雨.沥青与石料间的剪切粘附性研究[J].中国公路学报.2001.

[15]ASTM D4541, Pull-Off Strength of Coatings Using Portable Adhesion Testers[S]. USA: American Society for Testing and Materials,1995.

[16]Copeland A.R. Influence of moisture on bond strength of asphalt-aggregate systems[D].Nashville, USA: Vanderbilt University,2007.

[17]封晨辉.沥青材料的粘附与粘附性研究[D].西安，长安大学，2003.

3. 研究的基本内容与计划

内容：主要通过界面剪切强度试验和pull-off拉拔试验，来研究沥青与集料界面强度，其中通过查阅资料，学习两种试验的试验方法，了解试验器具的使用和数据记录以及后期试验结果的分析。

计划：

(1)2016.1月16日前，查阅与选题相关的专业文献资料，熟悉沥青混合料相关基础知识及各种技术规范，查阅文献，完成开题报告及文献综述；

4. 研究创新点

把握在校做实验的机会，利用好图书馆和校内网查阅相关专业文献资料，熟悉基础知识和各种技术规范。进一步探索研究沥青/集料界面相互作用的机理，分析集料的物理和化学特性对沥青/集料界面粘附性的影响，在更深层次理解界面性能，为改善沥青/集料界面性能提供依据。