沥青路面新型封水材料性能研究 专硕毕业大论文 建筑与土木工程.docx
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沥青路面新型封水材料性能研究 专硕毕业大论文 建筑与土木工程.docx
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沥青路面新型封水材料性能研究专硕毕业大论文建筑与土木工程
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指导教师签名:
年月日
文章题目:
沥青路面新型封水材料性能研究
专业:
建筑与土木工程
硕士生:
****(签名)
指导教师:
******(签名)
*****(签名)
摘要
沥青路面是近年来全球广泛采用的路面结构形式之一。
沥青路面在通车后1~2年后就可能出现不同程度的早期破坏,水损害是沥青路面产生早期破坏的主要原因之一。
路面一旦产生水损害,混合料的粘附性降低会出现裂缝、坑槽等破坏,并且随着时间的推移不断扩大,不仅降低了路面的使用性能甚至会损坏汽车的机械构件造成交通事故。
对沥青路面水损害的预防及水损害造成的早期破坏进行养护修补是十分有必要的。
而目前我国所使用的封水材料对防治沥青路面水损害有一定的效果,但并不明显且存在着很多缺陷,研究更新型的封水材料用于在建及再养路面,防止水损害的发生,提高道路的使用寿命,很有必要。
本课题通过参考大量文献研究了沥青路面水损害的成因及破坏机理,分析常用封水材料的作用机理、优缺点,归纳出新型封水材料的封水机理。
通过抗压强度、抗折强度试验测定新型封水材料的力学性质。
对未经处理的普通沥青混合料和灌注新型封水材料后的沥青混合料进行了马歇尔强度试验、劈裂试验、弯曲试验综合评定新型封水材料对沥青混合料力学性能的影响。
结合室内试验研究灌注新型封水材料沥青混合料的抗渗透性能、抗滑性能、粘结性能及水稳定性等路用性能。
新型封水材料主要由环氧树脂、固化剂、乳化沥青等组成,在沥青混合料中灌注这种新型封水材料能够有效的阻止水分的渗透,防止沥青面层受到氧气、紫外线等的作用,并具有良好的力学、路用性能,对我国沥青路面的建设和维修养护工程具有重要的参考价值。
关键词:
沥青路面;早期破坏;水损害;封水材料;路用性质
研究类型:
应用型研究
Subject:
Researchontheperformanceofanewtypeofbituminous
Pavementsealingmaterial
Specialty:
Architectureandcivilengineering
Name:
*****(Signature)
Instructor:
*****(Signature)
*****(Signature)
Abstract
Asphaltpavementisoneoftheroadstructuralformsmostlyappliedarroundtheworld.Asphaltpavementmayappearearlyfailureoneortwoyearsafteritopenedtotraffic,whichmainlyresultedfromwaterdamage.Oncetheroadsurfacesuffersthewatererosion,thedecreaseofthemixedmaterial'sadhesionwillcausecracks,pitslots,andotherdamage,andthey'llexpandastimegoeson.Thisnotonlyreducestheroadusage,butalsodamagethevehicles'mechanicalcomponents,whichmayleadstotrafficaccidents.Asaresult,itisprettynecessarytopreventthewaterdamageofasphaltpavementandmaintaintheearlyfailure.Whereas,thesealingmaterialsusedinourcountryhavesomeeffectsonthepreventionofbituminouspavement'swatererosion,buttheydon'tshowmanydefects.Itisratheressintialtofindnewsealingmaterialsfortheroadsinconstrutionandtheroadsinmaintaining,preventingthewatererosion,andincreasingthelifetimeoftheroads.
Byreadingmanyreferences,thisprojectstudiedthecauseofwaterdamageandmechanismofdeteriorationandanalyzedthemechanism,meritsanddemeritsofimpermeablematerialscommonlyused,summingupthesealingmechanismofnewtapeimpermeablematerial.Throughtestsonitsstrengthpropertyofnewtypeimpermeablematerial,likethecompressivestrengthandbendingstrength.Wedidcomparisontestsbetweenuntreatedcommonasphaltmixtureandasphaltmixtureaddingnewtypleimpermeablematerialon,bendingstrength,cuttingstrengthandMarshallstrengththeeffectsthatnewtypeimpermeablematerialhasonpropertiesofasphaltmixture.Alsowedidshopexperimenttoshowbarrierproperty,skidresistance,waterpreservationandwaterstabilityofasphaltmixtureaddingnewtypleimpermeablematerial.
Newimpermeablematerialconsistsofepoxyresin,hardeningagent,emulsifiedasphaltetc.Byaddingthisnewimpermeablematerial,wecouldpeventpenetrationofdampness,itwouldhaveimportantreferencetotheroadconstructionandmaintaining.
Keywords:
asphaltpavement;earlyfailure;waterdamage;impermeablematerial;
roadproperty.
Thesis:
AppliedResearch
1绪论
1.1研究背景
在过去的几十年里我国高速公路的发展异常迅速。
沥青混凝土路面作为一种无接缝的连续式路面,以其力学强度高、行车平稳舒适、噪音低、施工期短、维修方便等众多优点越来越多的被应用在各级公路建设中尤其是高速公路,我国90%以上的路面为沥青混凝土路面[1]。
和很多欧美国家相比,我国沥青路面的建设起步比较晚,技术力量的储备也不雄厚,并且由于我国很多地区的条件相对恶劣,道路用原材料如:
优质的石油沥青、集料严重缺乏等原因,在建及在养的沥青路面在结构上还存在种种问题。
近些年来我国国民经济平稳上升,人民生活及收入水平有了飞速的提高,交通运输业也有了较快的发展,车流量非正常的增大、重载车辆过多等都给沥青路面带来了许多负面影响,是我们预防沥青混凝土路面水损害及对损坏路面进行养护维修时必须要考虑的因素。
水是造成沥青路面水损害最主要的原因。
沥青在集料表面的粘附能力、沥青混合料的空隙率及压实程度、是否添加抗剥落剂、交通运行情况等都影响着沥青路面水损害发生的速度及范围。
通过大量的调查研究发现,一些路段甚至在通车1~2年后就出现了车辙、开裂、坑槽等如下图1.1所示的一些早期水损害破坏,并且随着时间的推移不断扩大。
一些坑槽不仅深而且损坏的面积也很大,这样会在车辆行驶的过程中产生颠簸,损伤汽车的机械构件,甚至可能造成交通事故。
因此预防沥青路面水损害、及时修补损坏路面是非常必要的[2]。
预防沥青路面水损害大大减少了公路养护管理部门的养护工作量和养护费,提高了高速公路的服务水平。
因此,为了能够有效的预防沥青路面水损害的产生,应该从以下几个方面考虑:
①在设计路面时本着开拓创新的设计思路;②研究新类型的级配用于改善沥青路面的结构层;施工时严格按照规范要求的压实标准及碾压强度,降低矿料间的空隙率;③选择封水性能好的防水材料;④加强路面排水体系建设,完善排水设施等。
而经过实践的不断证明,想要通过这些措施来避免沥青路面水损害的发生是不可能的,在现实铺筑沥青路面时,我们往往只是采用这些措施来尽量减少水损害的产生[3]。
对损坏路面的及时修护,有利于节约养护费用,而且能够及时有效的防止损坏路面面积的扩大,使该路段的使用寿命得以延长。
相反,当路面产生小的损坏而没有得到及时的修补养护,损伤路面的面积会随时间快速的发展扩大,后期修补时不仅会消耗更多的材料,需要投入更多的维修养护费用,而且也会对沥青路面的正常运营造成影响。
由此可以看出:
对高速公路早期损坏进行维修是很必要的,特别是对裂缝和坑槽的修补,可以延缓高速公路的破坏,延长公路的寿命,对社会和经济效益都有很大的作用。
我国目前对沥青路面所产生的裂缝,采用在初春或是深秋季节将加热后的沥青用油壶直接灌入清扫干净的裂缝处的修补方法─灌沥青修补法。
采用这种方法时经常会出现因为热沥青很快变凉,流动性降低而无法灌注到裂缝深处,或者在没有完全粘附于冷路面之前就被过往的车轮轻易带走而达不到预计的封水效果;对车辙采用将面层中细集料过多、油石比过大,碾压带以外被过往车辆推挤并隆起的部分用铣刨机铲除的办法;在干燥、温暖的气候条件下利用热拌沥青混凝土,对工程量较大,地点较为集中的路面坑槽进行维修养护具有可行性,但是在冬季和雨季或者对于工程量很小、地点不集中的零星工程,对热沥青的保温会给施工单位带来很多的不便,而且沥青拌合厂会因为所需数量过少而难以生产;罩面一般用于对龟裂的修护,而补强罩面用于较为严重的路面龟裂。
当沥青路面出现病害时我们需要在沥青路面维修的最佳气候条件下,采用上述的修补养护技术对损坏路面进行维修养护。
而我国目前对于在坑槽积水、雨季如何进行修补;为了减少或尽量解决沥青路面病害产生如何采用新材料及新工艺的研究;冬季及冻区如何进行维修养护等问题上,与欧美发达国家相比仍有相当大的差距[4]。
因此,研发能够随时用于维修养护沥青路面的修补材料是十分必要的。
图1.1沥青路面常见病害
1.2沥青路面的发展
沥青作为一种公路材料在相当长的时间里被全世界用于铺筑路面,据传说,在公元600多年前,人类历史上第一条沥青混凝土路面铺筑于古巴比伦,但是施工技艺很快失传。
人们最早记载用沥青材料铺筑道路已经是18世纪以后了。
1833年,人类历史上记载的最早的煤沥青碎石路面铺筑于英国格洛斯特郡。
大约1850年左右,巴黎铺筑了与目前常见的沥青路面很接近的热铺岩沥青路面。
1887年,随着汽车工业的蓬勃发展,为了满足各种交通荷载影响,美国发明了双层碾压式沥青混凝土路面并获得专利。
1930年沥青混凝土路面用摊铺机于美国问世,1934年众多欧美发达国家逐渐开始利用摊铺机铺筑高速公路。
1950至今,全球范围内的铺筑的公路数量直线上升,沥青路面在总的公路里程中占有非常重要的地位。
我国的公路建设起步较晚,但在改革开放后的几十年里发展迅猛,20世纪90年代以后我国逐渐缩短与欧美发达国家的差距,沥青路面在数量和质量上都有很大的突破,已经成为我国现代高等级路面的主要形式[5]。
沥青路面是由沥青材料与矿料拌和、凝结而成的,沥青路面的结构从下至上分别由垫层、基层、面层组成[6]。
沥青材料本身具有较好的粘结性能,是沥青混合料中的结合料,沥青裹覆在矿料表面,二者之间相互作用,将矿料粘结成整体,具有较好的粘附性,使得沥青混合料具有较好的稳定性和较高的强度,有效提高了沥青路面的使用质量。
沥青路面的使用质量主要由沥青和沥青混合料直接决定,但是由于沥青混凝土路面工作在复杂多变的交通荷载和气候环境下,而且沥青本身是一种相当复杂的无定型高分子化合物的混合物,给沥青路面的研究带来很多的难题,因此沥青路面的通病仍然没有彻底解决。
特别是春融季节、雨季,在水作用下产生的松散、坑槽等破坏,冬季由于低温所出现的开裂和半刚性基层的反射裂缝,高温时,受太阳辐射沥青材料可能会变软,在交通荷载的作用下沥青路面可能出现推移、拥包变形,局部龟裂,路表抗滑性下降等等早期破坏。
除了不合理的设计、施工会造成沥青路面早期破坏外,材料性能差也是很重要的原因。
沥青路面作为国内外道路工程中最广泛使用的路面形式,有其自身的优越性,主要表现在以下几个方面:
路表平整无接缝、施工便捷耗时较短、经久耐用、耐磨且适应各种行车荷载等[7]。
在一般情况下,目前国内外广泛使用的道路石油沥青和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》里规定的沥青混合料矿料级配已经能够满足现在交通和气候环境的需要。
但是在很多特殊情况下,规范中规定的道路工程常用的公路材料就不能满足要求了。
而且沥青路面一旦发生早期破坏会产生影响路面平整性的裂缝、坑槽,如果得不到及时的养护维修,甚至会进一步破坏路面的基层,导致更大的危害。
这就要求我们进一步研发新型材料用于提高在建及在养沥青路面的力学、路用性能。
1.3国内外研究现状
1.3.1国外研究现状
沥青混凝土路面水损坏及对损伤路面进行养护修补是一个全球性的问题[8]。
二十世纪二三十年代美国就开始着力研究沥青混凝土路面水损坏问题,特别是用于评价沥青混合料水损坏的试验方法。
在之后的几十年时间里,美国、英国、日本、加拿大、澳大利亚等发达国家先后投入了大量的人力物力深入的研究了沥青混凝土路面水损害及损伤路面修补问题,并获得了一大批应用性成果[9]。
在1930年~1940年期间,为了实现沥青混凝土路面在冬季或低温地区的快速简易修补,美国、日本、前苏联和英国等发达国家,已经研究应用了油砾石及低温、冷拌、常温、预拌式沥青混合料等的可储存式沥青混合料[10]。
前苏联经研究表明,粘稠沥青作为结合料使用在热拌沥青混合料中,稀释沥青作为结合料被冷拌沥青混合料采用,是热铺沥青混合料与冷拌沥青混合料的根本区别。
为了获得规范规定的耐久性、耐冻性、耐热性及强度,必须加入特定剂量的矿粉拌制冷铺沥青混合料,加入的矿粉越多,沥青越稀。
1949年,压实沥青受水作用时粘结性变化的试验方法(ASTMD1075)公诸于世,1988年重新修订了该方法,修订以后采用残留强度的试验方法来对经碾压沥青的粘结力做出评价[11]。
1959年颁布了试验方法(ASTMD1664)用于解释集料表面被沥青裹覆及相互剥离,1985年重新修订了该试验方法,修订后的试验方法用于评定沥青混合料在有水浸入的时候,沥青膜裹覆在矿料表面抵抗剥离的能力[12]。
现在常见的有NAT试验、水煮法、示踪盐法、浸水法等,这些方法只能用于检测沥青-集料的合格与否,因为它们的试验精度往往较差。
1970年~1980年期间,美国SHRP路面长期使用性能研究专家组(TLPPExpertGroup)、美国公路规划和研究计划(HP&R)、美国全美公路合作研究计划(NCHRP)、美国公路战略研究计划(SHRP)和联邦公路局,加拿大运输协会(TransportationAssociationofCanada)等都对沥青路面的水损害问题进行过专题研究[13]。
全面的研究了如何控制沥青混凝土路面水损害发生及用于评价沥青路面水损坏的试验方法,影响沥青混凝土路面水损坏的因素、破坏机理等,获得了一定的研究成果,并推广且应用于全球范围内。
如1971年美国衣阿华大学的Lottman教授提出了一个影响全球的试验方法-Lottman法,为了在短时间内模拟出水损害的在实际路面上破坏进程,将实际路面上受到水的影响集中强化,Lottman法采用了冻融循环的方法,将冻融循环前后试件的回弹模量、劈裂强度作为评价指标来评价沥青路面水稳定性[14]。
反映4~12年路况的长期标准和反映4年路况的短期标准是该试验的两个评价准则。
Lottman试验法路面岩心间、现场混合料、实验室混合料相关性良好,被很多国家引进使用或改进后使用。
1985年,Tunncliiff、Knadhal等人在利用Lottman试验方法来评价沥青混凝土路面水损害的发现,Lottman法得出的试验结果与沥青路面实际情况的差距非常大,是因为该方法过于死板的控制冻融循环次数。
之后重新修订了Lottman法得到改进的Lottman法(AASHTOT283),该试验方法是针对压实沥青混合料抵抗水损害提出的。
改进的Lottman法是目前全球常用的检测沥青路面水损害的试验方法,该方法得到的试验结果不仅可以用于评价液体抗剥落剂的抗剥落效果,而且可以用于检测混合料长期剥落敏感性[15-16]。
1996年10月于英国召开的工艺大会研究了温铺及冷拌冷铺沥青混合料,将普通沥青替换成乳化沥青拌制沥青混合料用于修复坑槽[17]。
位于英国爱丁堡市的赫瑞瓦特大学花费六年多的时间全面的研究了乳化沥青混合料,研究发现:
铺筑乳化沥青混合料需要被碾压密实,骨料的优劣、沥青砂胶影响着该混合料的力学性能。
(1)完全裂解乳化沥青需要沥青混合料的级配为开式粗级配,但这会造成其耐久性及劲度模量的降低,若为改性乳化沥青就能够避免。
(2)沥青混合料级配为细级配时,结合料可能不会完全裂解,但混合料的空隙率较小耐疲劳性较好。
(3)当结合料为改性沥青时,混合料的性能与热铺沥青混合料相近[18]。
英国为了使路面修补和人行道工程更加节能减材,相关部门委托研究所对其进行研究,最终得到了满意的研究成果,其研究成果被称为永久性冷铺路面材料(PCSM)[19]。
这种材料在一定程度上节省了材料的消耗,同时经过长时间放置后,材料性能不容易被损坏,但其也存在有缺点,就是在结构性能上与普通材料相比较低。
研究所选取的芯样经过4个月的形成稳定期后,把芯样放置在试验环道上,进行一系列的常规试验,如:
弹性劲度、徐变抵抗、抗车辙性,在试验后,从结果得出结论并对材料做出评价,评价注重于材料的修复性能,修复性能具体体现在抗滑性、面层剖面、面层纹理和透水性方面[20]。
为了更好的了解材料的弹性劲度,研究人员还做了如下实验:
芯样的针入度、软化点、空隙率、含水率等试验,结果表明材料在这方面有不可超越的优越性。
研究人员Golas和Bardon分别通过永久性修复材料的研制过程表示,乳化沥青混合料有通用热拌沥青混合料所不能比拟的优势。
SHRP计划中的几个试验方法是针对水损坏的改进和研究提出的[21]。
环境条件系统(EnviromnentalConditioningSystem,简称ECS)是其中异常重要的一个,用于评价沥青混合料水敏感性。
ECS类似于三轴试验,对强迫灌入水的沥青混合料圆柱体试件进行动力回弹模量试验[22]。
在能够产生模拟行车荷载的侧压力,干、湿、冷、热循环的环境箱中放入沥青混合料圆柱体试件。
大部分混合料剥落的可能性都能被ECS准确预测。
道路研究人员可以不仅利用ECS试验结果剔除有可能会出现剥落现象的沥青混合料,而且还能用于评定改性剂的使用效果。
但是ECS的试验过程及试验方法至今没有被广泛采用,因为ECS需要做进一步的修订才会成为能够被推广的常规试验[23]。
类似于冬季修补、坑槽修补、临时修补等课题在SHRP计划中也有涉及[24]。
SHRP计划重点研究了冷补沥青混合料摊铺压实、老化、工作性及强度测定,除了强度测定其余的都没有获得准确的结论。
国内外沥青路面通常会产生早期损坏道路养护部门要对这些损坏进行维修,复杂多变的气候条件加剧了路面的损坏。
TXDOT指出乳化沥青是应用最广泛的养护维修材料之一[25]。
德克萨斯学院提出低温稳定性较差、水稳定性不足、修补深坑槽后强度达不到要求等都是目前冷补冷铺沥青混合料使用过程中经常会存在的问题[26]。
综合来看,在实验室内对按规程或者标准制作的冷拌冷铺沥青混合料进行试验,由于不能很好的在短时间内模拟实际路面长期的环境、交通荷载的影响,且没有合适的试验方法和规范来规定冷拌冷铺沥青混合料的老化及工作性,所以与实际工程中的有很大差距不具备可比性。
冷补沥青混合料相对于传统的热拌沥青混合料,在能源、资源的消耗量以及二氧化碳的排放量上都得到了良好的控制,得到日本政府的支持深受日本民众及道路工作人员的欢迎[26]。
日本大有株式会社将它们提出的常温沥青混合料的技术标准和试验方法应用于实际工程中,但只能用于紧急修复非重载交通沥青路面[27]。
冷铺沥青混合料目前基本上还不能用于有重载交通的沥青混凝土路面面层。
所以能够用于修补交通通行量恨得的道路路面的养护材料是日本株式会社目前研究的项目,其能源的消耗相比于热拌沥青混合料减少了10%以上,且动力稳定性能指标达到DS=3000次/mm以上。
基于高浓度、高品质的未改性及改性乳化沥青,日本研发出五种常温拌和式路面分别为A~E路面。
A路面的结合料为高浓度乳剂,该乳剂具有阳离子系,基质为粘度较高的改性沥青,常温式沥青混合料路面是由该结合料和特定级配的骨料构拌和而成的。
该路面可直接施工进行罩面不要事先进行铣削,施工中大规模采用专用机械,可以提早通
B路面属于排水路面,是由固化剂和浓度高的改性乳化沥青在常温下拌和铺筑形成的能够用于维修零星工程,具有较好的耐磨耗性和抗剪切性,能够提高车辆行驶过程中的安全性并减少噪音。
C路面是具有良好抗剪切性的常温式路面,用收缩性小的水泥和经改性的乳化沥青在其专用的拌和机中拌和后铺筑而形成的。
D路面所用的结合料是一种复合结合料,该结合料是由环氧树脂和乳化沥青构成的。
使用这种结合料后路面的粘附性升高,不需要特定的专用机械进行施工。
E路面具有良好的抗流动性及耐磨性,其使用的结合料为粘性很小的环氧树脂,与D路面所用的施工机械相同。
国外主要是从结构、材料及预防
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