道路沥青的路用性能

道路沥青的路用性能（三）徐强道路沥青的路用性能（三）•一沥青的抗疲劳性能•二沥青的老化性能•三沥青与集料的粘附性•六沥青的其他性能指标•五沥青的化学组成与性能之间的关系•四蜡对沥青路用性能的影响本部分知识结构图沥青结合料的抗疲劳性能定义路面在使用期间经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降，出现疲劳破坏，沥青抵抗这种破坏的性能，称之为抗疲劳性能。沥青结合料的抗疲劳性能研究状况国内长期以来属于空白。试验规程中没有提及有关疲劳性能的试验方法。国外•欧洲国家很早开始对沥青的抗疲劳性能进行研究–壳牌公司研究所（KSLA）、英国TRRL很早就擦用沥青动态剪切试验方法研究沥青的复数劲度模量和相位角–澳大利亚也有相关描述资料–美国在SHRP计划中，将沥青结合料的动态剪切模量及试验设备DSR列入Superpave的沥青路用性能规范沥青结合料的抗疲劳性能Superpave沥青胶结料性能规范要求时间t施加的剪应力时间t产生的剪应变Δtτmaxγmaxτminγmin沥青结合料的抗疲劳性能SHRP相关指标实轴虚轴'G''GGtfGhrrT22minmaxminmax3疲劳性能的表征G〞=G*·sinδ•G〞—复数剪切劲度模量的虚轴分量，反映变形过程内部摩擦产生的以热的形式散失的能量，叫做损失模量•δ—反映了粘弹性中粘性与弹性成分的比例与影响程度沥青结合料的抗疲劳性能虚轴'G''GG沥青结合料的抗疲劳性能对指标的评价G*·sinδ值越小，表示疲劳性能越好。G*·sinδ实际上包括了复数剪切劲度模量及相位角两个因素。总之，对检验沥青样品，低温下其G*越小，δ越大的样品，其耐疲劳性能越好。*1G*2G1E2E1212沥青结合料的抗疲劳性能试验要求试验温度•中等路面温度，大体相当于最高设计温度计最低设计温度平均值以上4℃，在年最不利季节时期的路面温度状态下，相当于纯融时期的温度条件。试验样品•沥青路面的疲劳破坏多发生在路面服务期的后期，沥青混合料已经相当的老化，所以试验样品不仅经过RTFOT模拟热拌过程中的老化，还必须经过PAV以模拟路面使用使用过程中的长期老化状态。沥青结合料的抗疲劳性能试验要求剪切频率•10rad/s，相当于3.183Hz–频率越高，即荷载作用时间越短，沥青的复数剪切劲度模量就越大。沥青的老化性能定义•沥青老化是指沥青在贮存、运输、施工及使用过程中，在环境因素（光热水氧）的作用下，会发生一系列的挥发、氧化、聚合，乃至沥青内部结构发生变化，同时发生性质变化，导致路用性能劣化的过程。重要性•直接影响路面使用寿命，是影响路面耐久性的主要因素沥青的老化性能沥青老化的三个阶段：运输、储存、加热过程中的老化•轻质油分挥发，沥青变脆，粘结力降低•与空气的氧气发生聚合反应•在转存过程中与氧气的充分接触，发生氧化反应沥青的老化性能沥青老化的三个阶段加热拌合及铺筑过程•热储存过程与密闭在仓中的空气发生氧化•混合料沥青薄膜厚度在5-15μm，在高温状况下，老化严重沥青的老化性能沥青老化的三个性能沥青在路面使用过程中的老化•在使用过程中，由于环境因素及荷载因素，特别是在水分、紫外线、氧气的长期作用下，会引起老化•挥发或骨料的吸收使得低分子油分含量减少•同大气中的氧发生反应使沥青的化学结构发生变化•分子间形成可导致触变效应的结构沥青的老化性能沥青老化的因素氧化作用•氧气与沥青发生化学反应的过程，反应速率取决于环境温度挥发作用•轻质油从沥青组分中逐渐逸出聚合作用触变作用胶体的脱水收缩作用分离和析出作用混合料的级配、路面的密度、孔隙率沥青的老化性能沥青短期老化的评价方法对应的主要生产阶段•短期老化（STOA），主要对应于沥青在拌合和铺筑过程中的老化。试验方法•TOFT•FTOFT将50克沥青式样放入直径140㎜深9.5㎜的不锈钢盛样皿中，沥青膜的厚度为3.2㎜，在163℃通风烘箱的条件下以5.5r/min的速率旋转，经过5小时候的质量损失及针入度等各种性质指标的变化的试验方法。将沥青式样35克装入高140㎜直径64㎜的开口玻璃瓶中，盛样瓶插入旋转烘箱中，一闭上你接受以4000mL/min的流量吹入的热空气，一般在15℃的速度旋转，经过75min老化后，测定沥青的质量损失及针入度粘度等各种指标的变化。沥青的老化性能沥青短期老化的评价方法两种试验方法的比较•相同点–两种试验方法都是使沥青暴露在热空气条件和气流中，一方面是沥青中轻质油分挥发，一方面使沥青中与空气中的氧气发生反应。沥青的老化性能沥青短期老化的评价方法两种试验方法的比较•不同点–日本和加拿大研究认为RTFOT试验不仅精度高而且重现性好–壳牌公司认为两试验评价氧化稳定性和油分挥发引起的硬化是合适的。RTFOT能避免改性剂发生离析，是改性沥青老化试验的标准试验方法–北欧认为两试验均能较好的反应在拌合过程中性质的变化。沥青的老化性能沥青长期老化评价方法对应的实际生产阶段•沥青在路面使用过程中的老化，是一个漫长的过程，称为长期老化（LTOA）试验方法•PAV（PressureAgingVessel）Sample沥青的老化性能沥青长期老化评价方法PAV老化试验要点•试验温度：视标号的不同规定为90~110℃•老化时间：20h•充气压力：2.1MPa•影响程度：相当于使用期路面表层沥青老化5年的情况。依据模拟老化使得沥青性质的变化能与现场老化条件相对应来确定室内老化条件沥青的老化性能我国现行规范对道路沥青老化的要求沥青与集料的粘附性粘附性机理沥青混合料的剥离（Stripping）是沥青路面常见的破坏形式。•剥离•剥落沥青与集料的粘附性表面张力理论•三相接触角为θ•矿料—沥青表面张力•水—矿料表面张力•沥青—水表面张力平衡状态剥离功bw沥青水集料集料水沥青不剥离剥离waababbwwa90018090abbwwabwbwabwabwsbwacoscos)cos1(bwW沥青与集料的粘附性表面电位的理论沥青与集料粘附的本质•两种材料的界面的亲和力，包括表面张力、分子引力、机械附着力、化学反应引力，尤其是物质表面的电荷引力。沥青与集料的粘附性沥青与集料粘附性的影响因素石料的化学成分及表面状况集料表面的粗糙度检验方法静态浸水法光电分光光度法沥青与集料的粘附性沥青剥落的模式沥青膜移动沥青膜破裂起跑水力冲刷和孔隙压力粘结层破坏沥青与集料的粘附性改善措施在沥青中添加抗剥落剂在拌制沥青混合料时添加消石灰粉或水泥选用碱性集料保证石料表面的清洁度沥青中蜡对路用性能的影响国产沥青的含蜡量问题1998年正式把蜡含量作为一个重要指标对待“七五”交通部门与石化部门合作从原油及生产工艺上降低了道路石油沥青的蜡含量“九五”进口原油，炼制低蜡含量沥青沥青中蜡对路用性能的影响蜡对沥青性能的影响J.PH.PFELFFER观点•表面凝聚，失去沥青光泽，减小沥青粘性•使得沥青体积变化规律复杂化•对许多与温度有关的指标检验产生明显影响•高的蜡含量使沥青的温度感应性增大沥青中蜡对路用性能的影响蜡对沥青性能的影响SHRP研究结论•沥青的蜡组分蜡结晶蜡非结晶蜡粗晶蜡微晶蜡塑性蜡脆性蜡（地蜡）沥青中蜡对路用性能的影响蜡对沥青性能的影响SHRP研究成果•不同测定方法测定蜡的品种及含量不同•总蜡量对沥青的粘温曲线斜率有重要的影响•结晶蜡含量是沥青低温开裂的主要因素•无定型蜡降低沥青粘度•容许蜡含量•蜡改性剂•提出含蜡量及结晶蜡含量化学分析沥青中蜡对路用性能的影响蜡对沥青性能的影响我国关于蜡对沥青路用性能影响的研究•蜡在高温时融化，使沥青粘度降低，影响高温稳定性增大温度敏感性•影响沥青粘结力及抗水剥离性•容易造成低温发脆、开裂•减小低温应力松弛性•低温时的流变指数增加，复合流动度减小，时间感应性增加•蜡的结晶及融化使一些测定指标出现假相沥青中蜡对路用性能的影响沥青蜡含量标准国际•德国、奥地利、比利时，不大于2.0%（蒸馏法）•法国，不大于4.5%（LCPC法）•波兰，2%，次等沥青3.5%国内蜡含量（蒸馏法）不大于%A2.2B3.0C4.5沥青中蜡对路用性能的影响蜡含量的测定方法国内外常用额定方法•裂解蒸馏法•吸附法•磺化法•色谱法我国标准方法•裂解蒸馏法沥青中蜡对路用性能的影响蒸馏：裂解脱胶质、沥青质裂解油脱蜡：乙醚乙醇溶剂（-20℃）过滤洗涤100%dSPDX式中，S—试样采取量（g）；D—馏出油量（g）；d—馏出油中试样采取量（g）P—所得蜡含量（g）。沥青的化学组成与沥青性能的关系沥青组分分析概述在我国，广泛使用四组分析法(SARA分析法）•饱和分（S）•芳香分（Ar）•胶质（R）•沥青质（A）五组分分析(化学沉淀法）•沥青质（At)•氮基（N)•第一酸性成分（A1)•第二酸性成分（A2)•链烷分（P）沥青的化学组成与沥青性能的关系国产沥青的组分特点国产沥青特点：沥青质低、蜡含量高、胶质多、芳香分少、饱和分多沥青组分取决于原油品种沥青的化学组成与沥青性能的关系沥青组分与沥青指标的关系与25℃针入度•沥青质胶质等重质成分是针入度变小，轻质分饱和分使针入度变大。与软化点•沥青质胶质等重质成分是软化点升高，饱和分或芳香芬轻质分使软化点降低。MRSAPt0002.01261.00561.01160.09131.7lgMRSAtBR002.0883.0589.0388.144..23T&沥青组分与沥青指标的关系与高温粘度•沥青质胶质等重质成分是高温粘度升高，饱和分或芳香芬轻质分使高温粘度降低。沥青的化学组成与沥青性能的关系eMdRcSbAat)lg(沥青的其他性能指标沥青的密度沥青的密度是沥青分子致密程度的指标，也是沥青质量性能的指标以15℃作为测定标准沥青布同温度下测得密度的换算：•沥青密度（25℃/25℃）=沥青密度（15℃）×0.996比重与四组分的相关关系•比重=1.06+8.5×10-4Ast-7.2×10-4Re-8.7×10-5Ar-1.6×10-3Sa沥青密度基本上由原油品种决定沥青的其他性能指标沥青的溶解度意义及一般规定•沥青溶解度指标主要目的是测试沥青产品的纯净程度•沥青溶解度都在99.0%以上，一般大于99.5%•我国规范规定沥青溶解度不小于99.5%常用溶剂•三氯乙烯（CHCL=CCL2)•四氯化碳（CCL4)•苯（C6H6)•三氯甲烷（CHCL3)•二硫化碳（CS2)•二氯甲烷（CH2CL2)沥青的其他性能指标沥青的闪点（flashpoint）标准定义•试样在规定盛样器内按规定的升温速度受热时所挥发的气体以规定的方法与试焰接触，初次发生一瞬即灭的火焰时的试样温度，以℃表示。表征沥青在施工过程中的安全性能。试验方法•克利夫兰开口杯法（COC）•泰格开口杯（TOC）沥青的其他性能指标沥青的电性能导电率•导电率表示电流在物质中传输的难易程度，是电阻的倒数，电阻以Ω为单位,单位是S/m。•沥青导电率一般为：10-12～10-14S/cm，常作为绝缘物质使用•沥青越硬，导电率越小•与沥青针入度的平方成正比，与粘度相对应沥青的电性能沥青的介电常数•沥青对氧、雨、紫外线的耐老化能力，路面的抗滑性能与沥青的介电常数有关•介电常数的计算沥青的其他性能指标板电容器电容真空作介质时相同平行电容器的电容沥青作为介质时平行板介电常数沥青的热性质比容与热膨胀系数•比容是沥青密度的倒数，即单位质量的体积•每升高1℃增加的体积即沥青的热膨胀系数，一般可取6×10-4ml/ml/℃•沥青无论采用何种方式运输和贮存都必须按照15℃时的体积作为依据沥青的其他性能指标沥青的其他性能指标沥青的热性质比热与热传导系数•单位质量的沥青每升高1℃所吸收的热量•单位面积内单位时间所传递的热量称为热通量，它与用温度梯度dT/dx表示的温度差成正比其比例系数称为热传导系数•不同温度下比热的计算)()()