沥青作用机理

沥青作用机理（精选九篇）

沥青作用机理 篇1

1 车辙病害及其主要表现形式

车辙是沥青路面特有的一种损坏表象, 行车的舒适性和安全性由于车辙的出现受到严重影响, 减少了路面的设计使用时间。由于车辙边缘应力的增加, 使路面产生纵向裂纹, 雨水便从纵向裂纹处渗入, 从而导致路面的基层水被破坏, 路面质量降低, 路面养护成本增加。车辙造成道路路面不平整, 路面的纵横向排水能力变差, 集聚的雨水使路面抗滑能力不足, 机动车车轮和车辙发生很大变化阻力, 使行车安全稳定性变差。根据车辙形成的不同原因, 可将其分成以下主要类型: (1) 压密型车辙这类车辙是非正常车辙, 是由于压实度不够造成通车后的夏季混合料持续一段时间压实而出现的车辙, 产生的原因是高速公路施工时选在夏季温度降低后进行压实路面。 (2) 失稳性型车辙失稳性型车辙产生的原因是由于在夏季等高温条件下, 道路混合料的抗剪切强度小于机动车轮荷载作用的剪应力, 使道路混合料发生流动变形累加, 从而使机动车轮外缘处形成的车辙。高温稳定性低的沥青混合料, 就会出现失稳型车辙。 (3) 结构型车辙结构型车辙是由于车轮荷载作用大于道路结构的实际承载能力, 道路路基纵向各个材料结构层发生不可逆的变形。 (4) 磨耗型车辙沥青路面结构顶层的材料长时间磨损形成, 特别是汽车的防滑链和带钉轮胎对路面磨损严重。

为了减缓或防止磨耗型车辙的出现, 主要采用以下方法: (1) 使用高性能粗细骨料, 憎水性的、磨细的石料和表面粗糙、棱角性好、硬质的骨料, 这些材料都能够使混合料的沥青路面抗车辙能力和高温稳定性得到提高。 (2) 沥青混合料矿料级配的改善, 在道路施工规程许可范围, 尽量使用粒径大的骨架密实型结构, 以此改善集料的级配。 (3) 沥青结合料改善方面, 沥青的使用量尽量选择最佳沥青用量的使用下限, 并且使用较硬的沥青标号。 (4) 采用合适的矿料间隙率和空隙率。 (5) 使用新型结构、新型材料。 (6) 加强施工质量的控制, 精确按照施工组织设计中要求的温度, 包括控制初压温度、拌料温度、到场温度、出厂温度在内的所有温度, 所有温度中的一个温度不合适, 沥青混合料的性能都会变化。施工碾压的控制, 要按照时间要求及时压实路面。 (7) 路面材料设计的优化, 在道路施工时添加抗车辙剂可以加大道路路面抗车辙能力, 不增加施工机械设备, 添加抗车辙剂在混合料中对加强路面的抗变形能力效果非常突出。

2 抗车辙剂作用机理分析

沥青混合料路用性能是工程应用的直接依据, 包括抗老化性能、高温稳定性、低温抗裂性能、耐疲劳性能、水稳定性能。因我国气候条件复杂, 地理变化大, 超载问题严重, 交通运输量大, 因此研究抗车辙剂方面的科研工作相对不多, 充分详细的研究抗车辙剂沥青混合料的路用性能, 对我国道路避免出现车辙有着重要意义。

路面结构的中面层往往使用沥青混合料。从分析结构层面上发现, 外界载荷与环境因素对其的影响很大, 因而在高温性能、水稳定性能和低温抗裂性能方面要求较高。

2.1 高温抗车辙性能

高温抗车辙性能是指沥青混合料在高温、车道荷载压力下路面结构抵抗变形的能力。由于沥青路面在高温条件下的粘度变小, 因而沥青混合料的抗变形能力也相应变小, 在机动车车辆荷载反复持续作用下, 车辙、波浪和拥包等现象就会在沥青路面上发生, 因此试验及评价抗车辙剂沥青混合料的高温稳定性能对保证沥青路面结构的使用安全性能非常关键。

2.2 低温抗裂性能

在寒冷地区冬季气温大幅度降低时, 由于沥青路面层被基层约束, 不能自由收缩, 使得沥青路面在很短时间内出现比较大的来不及释放出去的温度应力, 并产生和累积一定的能量, 当温度应力大于沥青混合料所能承受的极限应力时, 就会使路面发生开裂, 这种情况在白天和夜晚温度差别较大的地区也时常出现, 路面的整体性被破坏, 使沥青路面的整体结构承载力减小和路基软化, 影响沥青路面的使用性能。因而在低温条件下, 抗车辙剂能够有效阻止沥青混合料出现裂纹。

2.3 水稳定性能

沥青路面在有水的情况下, 水通过路表面裂纹浸入集料和沥青界面, 使沥青膜逐渐从集料表面层上下落, 使集料之间的粘结力逐渐变小从而引发沥青路面损坏。水的作用会导致许多路面损坏, 这种损坏会导致沥青路面的使用寿命减少及使用性能下降, 因而抗车辙剂在沥青混合料使用时应有极好的水稳定性。

3 结语

沥青混合料抗车辙剂使用后, 从其对于路用性能的影响与改善出发, 不但非常有效的提高了沥青混合料高温稳定性, 对混合料的水稳定性、低温性能和耐久性等也有非常有效的改善。

摘要：本文通过几种车辙的表现形式的介绍, 分析了车辙的成因并阐述了车辙的危害。并提出在沥青混合料中加入抗车辙剂, 来改善沥青混合料的性能。最后又着重介绍了抗车辙剂的三种性能。

关键词：车辙,沥青

参考文献

[1]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, 2002.

沥青路面现场冷再生机理分析 篇2

通过大量试验和对冷再生技术反应机理的分析,得出了不同添加剂种类和剂量对其性能的`影响、适宜的冷再生材料级配范围及抗压强度、抗压回弹模量、劈裂强度等主要设计参数.

作 者：吴忠芳 管凤勇  作者单位：黑龙江省龙建路桥第四工程有限公司 刊 名：黑龙江交通科技 英文刊名：COMMUNICATIONS SCIENCE AND TECHNOLOGY HEILONGJIANG 年，卷(期)：2009 32(3) 分类号：U416.217 关键词：沥青路面   现场冷再生   机理分析  

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沥青作用机理 篇3

经过大量室内实验及工程实践得到, 聚酯玻纤布具有良好的延缓反射裂缝扩展能力, 并与玻纤格栅进行了对比实验, 结果表明加铺聚酯玻纤布后, 沥青混合料的疲劳寿命大大增加, 甚至是加铺玻纤格栅疲劳寿命的4倍[1]。聚酯玻纤布厚度很薄, 与常见的土工织物, 玻纤格栅厚度相近, 这一类在进行机理分析时常常忽略抗弯、抗压作用, 而简化为只能承受拉应力的薄膜材料[2]。本文以双层板理论为指导, 充分考虑影响加铺层受力的各种因素, 通过建立有限元模型, 分析这类薄层加筋材料延缓反射裂缝的一般规律, 研究聚酯玻纤布在沥青加铺层中加筋作用机理。

1 计算模型与参数

选择什么地基类型应根据实测结果与计算结果相比较后确定, 经过实测水泥混凝土面板的弯沉和计算结果比较后认为板角弯沉采用winkler地基模型与实际情况比较吻合, 板中和板边弯沉分析则采用弹性半空间地基模型与实际情况比较吻合, 如果水泥混凝土板下设有半刚性基层横向超宽的情况下, 半刚性基层下的地基应当采用winkler地基模型, 方可使得实测结果与计算结果比较吻合[3]。

当气温升降时面板出现膨胀和收缩变形, 水泥板与地基的摩擦力大小会阻止膨胀和收缩量, 从而可能影响到加铺层的温度应力。摩擦力大小与板长、降温幅度和摩擦系数有关, 一般来说摩擦系数在一个比较大的范围内变化, 但是对于水泥混凝土路面加铺层这种结构, 由于从新建路面到加铺改造这段时间内, 水泥板经过多次回复往返运动, 很大程度上消除了层间不平整, 摩擦系数相对于初始值下降很多, 并且比较稳定, 一般为0.7～0.65[4]。

文章研究的结构层类型是在水泥路面+加筋材料+沥青路面即“白改黑”, 重点研究加筋材料的作用机理, 因此使用典型路面结构进行计算, 参数如下:

沥青加铺层弹模E1=1600MPa, 泊松比u1=0.35, 厚度H1=11cm, 热膨胀系数αa=2.5×10-5;水泥混凝土板模量E2=30000MPa, 泊松比u2=0.15, 厚度H2=22cm, 板长L=5m, 板宽=3.5m, 热膨胀系数αc=1×10-5;加筋材料弹模E3=200～1600MPa, 泊松比u3=0.35;地基反映模量100MPa/m;加筋材料与水泥板、加铺层粘结强度102～106MPa/m;行车荷载0.7MPa;温度变化的取值:面层平均降温10℃, 水泥板平均降温4.7℃, 温度梯度29℃/m。

2 加铺层温度应力分析

当气温发生变化时, 加铺层和水泥板必定产生胀缩变形, 如果胀缩变形受到某种约束, 就会产生温度应力。如果路面结构层是相互独立的板体结构, 那么温度下降时, 各路面结构层以路面长度的一半为中心, 发生收缩变形。自由收缩应变为ε=α△T, 当约束力足够大时, 可以使沥青加铺层不发生收缩变形, 此时, 沥青加铺层所受的拉应力为σ=αE△T[5]。如果拉应力超过沥青加铺层极限抗拉应力就会出现裂缝。

以往分析温度应力时, 常把降温和温度梯度两种因素分开计算, 其实降温过程往往会伴随路面结构出现温度梯度, 为了尽量真实地反映实际受力状态, 本文在计算过程中同时考虑降温和温度梯度。夹层的材料参数主要有夹层上、下接触面的粘结系数、夹层铺设宽度、弹性模量、夹层厚度, 通过有限元分析, 结果见表1～表4。

从表1可以看出, 粘结强度对温度应力影响很大, 粘结强度越大, 加铺层底部温度应力越大;上、下层粘结强度对温度应力都有几乎相同的影响;要有效减小加铺层底部温度应力至少应该在加铺层与土工布或水泥板与加紧材料形成一个薄弱面。

从表2中可以得到:加铺层底部拉应力呈现两种变化规律, 当粘结强度比没有采取防反射裂缝措施小, 夹层能形成隔离层时, 夹层铺设宽度越大, 加铺层底部拉应力减小;当粘结强度比没有采取防反射裂缝措施大时, 夹层能能够很好地传递加铺层与水泥板之间的应力时, 铺设宽度越大, 加铺层底部拉应力增大。

从表3可以看出, 弹模增加, 加铺层底部拉应力值略有减小, 减小幅度不大, 降幅不超过10%。这表明依靠土工布 (格栅) 来承担加铺层底部拉应力, 效果不明显, 因为土工布 (格栅) 厚度很小, 一般在0.7～1.1mm之间, 即使弹模较高也不能承担多少拉力。

从表4计算结果中可以看出, 当加筋材料弹模较小时随着厚度增加, 底部拉应力减小;当加筋材料弹模较大时, 厚度增大时, 加铺层底部拉应力增大。

3 加筋材料对沥青层底拉应力的影响分析

下面分析加筋材料的力学参数对沥青层底拉应力的影响, 结果见表5～表7。

从表5计算结果可以看出, 当层间粘结系数很小时, 路面结构受力模型为分离式双层板, 沥青加铺层承受一部分的弯拉应力, 粘结系数越小弯拉应力越大。层间粘结系数由小变大时, 加铺层中性轴向下移动, 分离式双层板逐渐转化成结合式双层板, 底部拉应力也变小, 直至中性轴移至水泥板时, 沥青层处于全截面受压状态。

另外, 从荷载作用在有接缝和无接缝板结果比较可以看出, 即使板不存在接缝, 沥青加铺层也会出现较大拉应力, 而这部分应力始终为拉应力的主要组成部分。所以薄层加筋材料通过改变上下层之间的粘结状态, 可以有效降低加铺层底部拉应力, 却对降低应力集中引起的拉应力效果不明显。

从表6可以看出, 当加筋材料粘结系数比未采用加筋材料的小时, 铺设宽度增大时, 板的抗弯刚度减小, 所以铺设宽度越大, 沥青层底部拉应力增大, 看出在相同的粘结系数情况下, 宽度对加铺层底部拉应力的影响不大;当加筋材料粘结系数比原先大时, 铺设宽度增大时, 板的抗弯刚度增大, 所以铺设宽度越大, 沥青层底部拉应力减小;同时还可以看到当层间粘结系数相同时, 应力值随铺设宽度变化较小, 这是因为沥青层抗弯刚度与水泥板相比是很小的, 即使是层间完全连续的双层板也不能使板的抗弯刚度增加多少, 因而铺设宽度不同弯沉的改变量确不大, 所以靠铺设宽度来减小沥青层底部拉应力是不合适的。

从表7可以看出, 上、下层粘结系数都很大时可以较好地降低加铺层底部拉应力, 而当下层粘结系数较小时, 底部拉应力仍较大;粘结状况相同时, 弹模变化时, 沥青层底拉应力值变化不大;上述现象表明, 用土工织物, 格栅等承担沥青层底部拉应力效果不大, 因为这类材料厚度很薄, 约为0.8～1.1mm, 即使产生应变为10.3, 也最多能承担1.25×10.3MN的拉力, 所以降低层底拉应力的有效方式是通过土工织物与水泥板的界面, 让水泥板承担大部分拉应力。

4 加筋材料的力学参数对剪应力的影响分析

根据有限元计算验证以上分析结果, 重点考察加铺层底部剪应力和加铺层最大剪应力, 同时为了考察裂缝对加铺层的不利影响, 对比了没有接缝情况下的应力值, 结果见表8～表10。

从表8计算结果可以看出: (1) 当粘结系数比较小 (102MPa/m) 时, 水泥板+沥青加铺层结构可当作分离式双层板, 此时最大剪应力出现在加铺层中部, 板底的剪应力是很小的。 (2) 当粘结系数很大 (106 MPa/m) 时, 水泥板+沥青加铺层结构可当作结合式双层板, 此时整个双层板只有一个峰值, 出现在双层板的中性轴, 并且沿板厚呈抛物线分布, 所以加铺层的层底剪应力最大。 (3) 当轮载作用在没有接缝的水泥板+沥青加铺层结构时也会引起剪应力, 这是车辆自身必然引起的剪应力, 并且这部分剪应力始终是主要组成部分。即使存在接缝, 也不会使剪应力增加很多。

从表9计算结果可以看出:加筋材料铺设宽度对剪应力值影响不大, 但是影响规律比较复杂, 存在先增大后减小, 或者先减小后增大, 但是变化幅值都很小。

从表10计算结果可以看出, 弹模对加铺层剪应力影响很小。

5 小结

采用双层板理论为基础, 利用有限元计算结果详细分析了加筋材料及接缝对沥青加铺层的影响。主要结论如下:

(1) 存在接缝时, 会使加铺层应力值有所增大, 但水泥板接缝不是造成加铺层底部产生拉应力 (剪应力) 的主要因素, 如果用忽略接缝宽度的断裂力学进行分析, 会强化接缝产生的不利作用。

(2) 层间粘结系数不同沥青加铺层受力模式不同, 是影响加铺层受力状态的最主要因素。

(3) 加筋材料铺设宽度, 对沥青层底应力有影响, 但由于沥青加铺层抗弯刚度很小, 所以铺设宽度对荷载应力影响不大。

(4) 由于加筋材料厚度很薄, 弹模对应力影响也不大。

摘要：聚酯玻纤布厚度很薄, 与常见的土工织物, 玻纤格栅厚度相近, 这一类在进行机理分析时常常忽略抗弯、抗压作用, 而简化为只能承受拉应力的薄膜材料。本文以双层板理论为指导, 充分考虑影响加铺层受力的各种因素, 通过建立有限元模型, 分析这类薄层加筋材料延缓反射裂缝的一般规律, 研究聚酯玻纤布在沥青加铺层中加筋作用机理。

关键词：聚酯玻纤布,沥青加铺层,加筋作用,有限元分析

参考文献

[1]倪富健, 尹应梅.聚酯玻纤布复合沥青混合料疲劳性能.交通运输工程学报, 2005, 5 (3)

[2]尹应梅.聚酯玻纤布在高速公路罩面工程中的应用研究[学位论文].南京:东南大学, 2005.

[3]西部交通建设科技项目, 水泥混凝土路面断板分析及防止技术研究.

[4]姚祖康.水泥混凝土路面设计.安徽科学技术出版社, 1999年.

沥青作用机理 篇4

结合高速公路沥青路面施工工程实例,针对沥青路面温缩和干缩特性,在收缩应力作用下易产生收缩裂缝的缺点,阐述了高速公路沥青路面裂缝产生机理,提出了防治反射裂缝的控制措施.

作 者：王艳明 郝财国 作者单位：王艳明(中交二公局第四工程有限公司,洛阳,471013)

郝财国(湖北路桥集团有限公司,武汉,430050)

沥青作用机理 篇5

关键词：公路工程,沥青路面,半刚性材料,温度应力,水理所用,耐久性

0 引言

半刚性基层具有强度高、水稳性和冰冻稳定性好、刚性较大等优点, 同时, 半刚性基层材料板体性好, 利于机械化施工且工程造价低, 能适应重交通发展的需要, 为实现“强基薄面”的结构提供了可靠保证。因此, 我国高等级公路建设中越来越多地采用了半刚性材料基层和底基层。

1 温度收缩机理分析

1.1 固相复合材料的热胀缩分析

半刚性材料中的固相颗粒大部分为结晶体, 少部分为非结晶体, 其热学性质由质点间的键性和热运动以及结构组成所决定。组成晶体的质点 (原子、分子、离子) 间的键性一般较强, 质点的热运动只是在其平衡位置附近的热振荡。影响晶体热膨胀缩性的因素主要有:晶体内质点间的键力、离子电荷及质点间距、晶格与晶体类型以及晶格的空间结构等。质点间的键力越强、离子的间距越小以及电子电荷越大时, 热胀缩系数就越小;晶体质点的配位数越大, 则热胀缩系数越大;层状晶体, 垂直于层面方向的热胀缩系数要大于层面方向的热胀缩系数;精密堆积结构比敞旷式结构有较大的热胀缩系数。

石灰中CaO为正方形晶体, 各向同性, 其线胀缩系数αt=12.9×10-6/℃;Ca (OH) 2和Mg (OH) 2晶体为扩展到二维空间的层状结构, 层间为范德华力键合, 故热胀缩性呈各向异性, 具有较大的值:沿层向αa=9.8×10-6/℃, 垂直于层向αb=33.4×10-6/℃。

粉煤灰中玻璃体的主要成分是活性SiO2 (占40-60%) 和Al2O3 (占20-35%) , 由于玻璃体的空心结构, 虽说SiO2和Al2O3都具有较大的热胀缩性, 但整体材料的热胀缩性比较小, 一般αt=8×10-6/℃。

CaCO3结晶体为复三方偏三面不规则形大晶体, 其热胀缩性也是各向异性, 垂直c轴的αt=6×10-6/℃, 平行于c轴的αt=25×10-6/℃。

火山灰反应及水泥水化反应的各向生成物中, C-S-H凝胶体是其主要成分, 它是由微小晶体组成, 在微观上无序而宏观上有序的层状体。C-A-H和C-A-S都为三方晶系晶体, 但前者为层状结构, 后者为柱状结构。这些晶体均具有相对较大的热胀缩, 一般情况下αt=10~20×10-6/℃。

综上所述, 就组成固相的矿物颗粒而言, 原材料各矿物一般有较小的胀缩性, 其中粘土矿物的胀缩性较大, 粉煤灰的胀缩性最小;而新生胶结物则具有较大的温度胀缩性。

1.2 水对半刚性层材料热胀缩性的影响

半刚性材料内部广泛分布着孔隙, 包括大孔隙、毛细孔和凝胶孔。自由水存在于大孔隙中, 毛细水存在于毛细孔和凝胶孔中;表面结合水存在于一切固体表面;层间水存在于晶胞与胶凝物层间;结构水和结晶水存在于矿物晶体结构内部。

水对半刚性层材料热胀缩性的影响主要是通过三种作用实现的, 即扩张作用、毛细管张力作用和冰冻作用。水的热胀缩系数相当大, 比固相部分的热胀缩系数大4-7倍。温度升高时, 水的扩张压力使颗粒间距增大而产生膨胀;反之, 则产生收缩。

毛细管张力作用有两个方面的影响:其一, 温度下降时, 毛细水的表面张力增大, 从而加大了材料的收缩系数;其二, 由于毛细水弯液面的内外存在压力差Δp=σ (1/R1+1/R2) (σ为表面张力, R1、R2分别为弯液面的主曲率半径, 当弯液面近似为圆曲面时, R1=R2=R) , 以压的形式作用于毛细管壁。温度下降时, R变小, 引起Δp的增加, 即对管壁的压力增大, 从而引起整体材料的收缩。应指出的是, 毛细管张力作用只有当含水量在一定范围内时才存在, 当材料过干或过湿时, 毛细管张力作用消失。因此, 在干燥和饱水状态下, 材料的温缩系数应比含水而非饱水状态下的值小。

各孔隙中的水在其冰点温度以下冻结时, 体积增大9%, 从而引起材料膨胀。同时, 由于冰具有较大的收缩系数, 又会使整体材料的温缩系数增大。从以上分析可以得出:

(l) 半刚性层材料中固相部分的收缩系数取决于各固相的成分及其含量配比;

(2) 随着化学反应的进行以及新生物的结晶硬化, 半刚性层材料的收缩系数不断增大;

(3) 水对半刚性层材料的胀缩性影响极大, 当温度高于冰点时, 水的存在会使其收缩系数显著增大;当温度低于冰点时, 在含水量较大的情况下, 水的冻结会引起整体材料胀缩, 从而使其收缩系数减小;

(4) 半刚性层材料强度的增长, 又会在一定程度上制约水的作用。

2 干燥收缩机理分析

2.1 毛细管张力作用

半刚性层材料毛细管中水的弯液面存在内外压力差 (即毛细管张力) , 以压力的形式作用于毛细管壁, 其大小与毛细管的半径成反比。当水分蒸发时, 毛细管水面下降, 弯液面的曲率半径变小, 致使毛细管压力增大, 从而产生收缩。根据开尔文方程及拉普拉斯方程, 毛细管压力Δp可用下式计算:

式中:σ为弯液面表面张力;r为毛细管水面曲率半径;R为气体常数;T为温度;p为水的密度;M为水的分子量;p/p0为相对湿度。

可见, 毛细管张力Δp随r和p/p0的减小而增大, 其增长速率亦随r和p/p0的减小而增大。为此, 随着水分的蒸发, 半刚性层材料的干缩系数αd将随之增大。

2.2 吸附水及分子间力作用

毛细管水蒸发完结后, 随着相对湿度的继续减小, 半刚性层材料中的吸附水开始蒸发, 使颗粒表面水膜变薄, 颗粒间距变小分子力增大, 导致其宏观体积进一步收缩。这一阶段的收缩量要比毛细管作用的影响大得多, 但这一增强的趋势也是有限的。这是由于颗粒间同时也存在着排斥力, 源于颗粒间中央处结合水的离子浓度高于颗粒表面很远处正常水溶液离子浓度, 从而出现渗透压力, 水分子向颗粒间渗透, 使颗粒互相排斥, 所以随着颗粒间距的进一步减小, 吸附水分子间力的作用达到最大值后开始逐渐减弱, 在吸附水和分子间力的影响减弱过程中, 层间水的作用开始明显, 但它随着晶胞间距的变小, 颗粒间斥力逐渐增强, 从而对宏观收缩的影响越来越弱。到一定程度后, 收缩量逐渐减小, 直至终止收缩。

2.3 层间水作用

半刚性层材料中含有大量层状结构的晶体或非晶体, 如粘土矿物、C-S-H凝胶、C-A-H结晶等, 其层间夹有大量层间水与水化离子, 随着相对湿度的进一步下降, 层间水蒸发, 致使晶格间距减小, 从而引起整体材料的收缩。因此, 含粘土矿物 (尤其是蒙脱石) 和丰富火山灰反应生成物的半刚性材料, 具有强的层间水作用, 从而具有较大的干燥收缩性, 而含粘土多的半刚性材料比含水化物多的材料层间水作用更强烈。

2.4 碳化脱水作用

该作用是指Ca (OH) 2与CO2反应生成Ca CO3过程中析出水分而引起的体积收缩。也有人认为碳化收缩是由于干燥收缩引起的压力使Ca (OH) 2结晶分解, 以及由于在无应力空间Ca CO3的沉淀而引起。掺入粉煤灰后, 其吸收水泥水化生成的氢氧化钙, 大大减弱了水泥稳定碎石的碳化作用, 同时也降低了碳化所产生的收缩。

除此以外, 含有集料的半刚性层材料, 集料本身的收缩也会影响整体材料的千燥收缩性能。通常, 孔隙率大、吸水率高、模量值低的集料具有较大的干燥收缩率。把引起半刚性层材料干燥收缩的三个主要作用过程的收缩力与含水量之间的关系绘制成曲线, 大致呈抛物线形变化。

3 结束语

总之, 半刚性基层具有良好的板体性能, 较高的强度和较强的荷载扩散能力。相对于柔性基层来说, 半刚性基层下路床顶面的荷载压应力与压应变较小, 有利于保持路基处于良好的工作状态并处于弹性工作状态, 从而有利于减轻沥青路面的车辙, 同时, 还能因地制宜地利用当地材料, 具有较大的经济优势。

参考文献

[1]黄晓明.路面设计原理与方法[M].北京:人民教育出版社, 2001.

沥青裂缝成因机理的分析 篇6

关键词：沥青路面,裂缝,原因,治理

无论是沥青路面, 还是水泥混凝土路面, 裂缝永远都是影响路面使用寿命的主要危害。虽然在初期, 裂缝宽度比较细小, 一般不会对我们的行车安全带来影响, 但是, 如果我们不对初期产生的裂缝进行有效的治理, 在雨水的渗透下, 就会对路基造成较大的损害, 路基的压实度不再满足要求, 在行车荷载的作用下, 裂缝就会扩张, 然后周围的裂缝连接成一片, 形成网状的裂缝, 俗称龟裂[1]。因此对沥青路面裂缝的成因机理进行了详细的分析和推理。对未来沥青路面病害的治理有着十分重要的意义。

1 沥青路面的分类及识别

一般在我们的沥青路面中, 裂缝根据其形状可以分为横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝[2]。横向裂缝一般垂直于行车方向, 裂缝比较短, 一般延伸到半幅路面, 或者全幅路宽;纵向裂缝一般沿着行车方向, 裂缝呈细长状;而网状裂缝顾名思义像渔网一样, 纵横交错。根据他们的形态, 我们自然而然就可以很好地进行区分了。

2 裂缝的成因分析

裂缝根据其形状可以分为横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝。由于这几种裂缝的成因原因大致相同, 都是由设计、施工质量、外界环境以及养护影响的, 下面将从设计、施工等四个方面进行详细的阐述:

1) 设计的影响。通过调查分析可知影响沥青路面的品质最直接的因素就是集料的选取和级配设计。如果设计没有考虑好这两个因素, 在沥青混凝土摊铺完后容易造成潜在的空洞, 粗骨料在重力作用下会向下层动, 造成集料之间的粘合度不好, 导致集料分布不均匀。空洞的扩大或缩小会造成沥青混凝土路面内部裂缝的游移, 在外部行车荷载的作用下, 裂缝就会逐渐由内部向表面移动, 从而引起路面的断裂。2) 施工与温度的影响。沥青在摊铺过程中存在内表的温差, 我们要避免内表的温差过大, 应该选择合适的摊铺时间, 把握好摊铺的均匀程度。3) 外界环境的影响。我们知道, 当我们的降水渗入到裂缝中就会有两种情况, 一者是在上表层浸润, 不能浸入下表层的集料部分。二者就是直接渗入到下表层集料部分[3]。我们分开来考虑, 当降水仅仅在上表层发生浸润, 那么这时沥青面与集料面的接触部分就有可能浸入少量水, 进而如果在温度的冷热作用下液体发生膨胀, 就会在两表面之间产生力, 当这种力超过了两者粘合的力就会使两者分离, 这只是一种可能的原因。另外, 如果降水渗入到上表层, 且有一部分游移水存在, 那么在外部的行车荷载作用下, 这部分游移的水就会产生运动, 从而造成水动力, 在这种水动力的反复作用挤压和冲刷的作用下, 暴露在空气中的沥青混凝土材料就有可能从表面脱离, 夹杂在我们的裂缝中。遇有大雨或是其它因素, 这些夹杂的残料被转运出裂缝, 这样裂缝就会越来越宽, 而在裂缝的边缘处由于不再有足够的强度抵抗行车荷载的作用就会进一步脱离, 从而在这样的恶性循环中裂缝的存在终将会影响到我们的交通通行[4]。我们再来看看另一种情况, 当降水渗入到下表层的时候。如果说降水在重力作用下浸入到了沥青混凝土路面的下表层, 那么路结构中各种集料的表面都与水有一定的接触, 那么内部就很有可能发生部分集料的氧化, 从而引起相应的放热, 在温度差值的影响下就会产生一定的温度应力, 如果这种应力突破了集料间粘合的极限, 那么集料间就会分离从而形成一条或者多条隐形的裂缝, 一经外部作用而扩张就会在我们的路表面表现出来。还有一种更加糟糕的危害, 那就是在雨水不断地游移和冲刷下, 下表层的集料被水带走, 使我们的路断面形成一个倒过来的V字形, 继而在行车荷载作用下由于承载强度不够就会坍塌, 从而造成路面的破坏。

3 采取的措施

为了使我们的道路能够更好的满足我们的使用, 我们需要采取一定的措施来预防和治理我们道路中出现的裂缝, 根据其成因, 我们可以从设计, 施工, 以及养护等方面进行合理的预防和治理。在设计上, 我们要严格按照规范来设计, 最好多次验算, 使路面的强度能够很好的满足我们的使用需求;在施工时, 我们要严格控制施工质量, 应按照规范以及设计要求来施工, 尤其是在压实度和接缝方面;在养护方面, 发现裂缝时, 要及时进行治理, 防治其进一步扩展。

4 结束语

沥青路面在我们的交通领域, 运用十分广泛, 给我们的生活带来了很大的便利, 虽然, 目前它有着一些缺点, 但是我相信, 经过我们共同的努力, 有一天沥青的病害将不会对我们造成影响, 沥青路面也将会更好的服务于我们的生活。我们的明天也将会更加美好。

参考文献

[1]李俊, 谢军, 赖正林.沥青路面荷载型裂缝的剪切机理与成因分析[J].北方交通, 2012, (4) :1-5.

[2]罗磊.沥青路面反射裂缝成因机理与防治对策[J].中国新技术新产品, 2014, (6) :39.

[3]姜庆华.沥青路面裂缝成因分析及预防措施研究[J].科技信息, 2010, (5) :340-341.

沥青路面低温开裂机理及影响因素 篇7

沥青路面开裂是世界各国沥青路面使用中均会遇到的主要病害之一, 其分布十分普遍, 无论是冰冻地区, 还是非冰冻地区, 都会出现开裂现象, 只是各自的裂缝严重程度不同而已。为了搞清楚发生横向裂缝的原因, 不少单位都进行了调查研究, 但在具体看法上一直存在着分歧。一种意见认为横向裂缝都是 (或大部分是) 沥青面层的温缩裂缝:另一种看法认为主要是半刚性基层收缩裂缝所引起的反射缝。实际上这两种原因兼而有之。另外还有一些其他的开裂形式, 是综合原因造成的。

沥青路面的破损有各种分类方法, 国际上并无统一方法。我国根据路面评价管理系统的研究成果及养护维修的要求, 为便于分析路面破损原因, 进行预测, 在《公路沥青路面养护技术规范》 (JTJ073.2-2001) 也有类似的沥青路面破损分类, 并对有关裂缝类的详细分类作了介绍 (见表1) 。

裂缝的危害在于裂缝破坏了沥青路面的整体性及连续性, 水分容易随裂缝侵入路基, 使路基、路面遭受水害与冻害, 导致路面承载能力下降, 加速路面破损。在路面开裂早期如不及时处理, 则早期细小的纵向或横向裂缝会导致后期路面出现块裂或龟裂。这些裂缝受雨雪的侵蚀和交通荷载的共同作用就会产生泥浆、坑槽等病害加速路面使用性能的降低和路面结构的破坏。

2 沥青路面的低温开裂机理

从裂缝的成因上分析, 裂缝大致可以分为两类, 一类是荷载型裂缝即主要是由于行车荷载作用而产生的裂缝。另一类是非荷载型裂缝。沥青面层上的非荷载型裂缝主要是温度裂缝。温度裂缝主要是横向裂缝, 在沥青路面的各种形式裂缝中, 横向裂缝占绝大多数。由于温度变化产生的温度应力和疲劳作用而引起沥青路面表面开裂, 在行车荷载和温度荷载的共同作用下, 裂缝形成并逐渐向下层扩展, 这形成了表面裂缝。另外, 我国目前的路面基层形式大部分为半刚性基层, 由于半刚性材料的干缩性和低温收缩性, 裂缝最先在基层内产生, 其后在路表交通载荷和温度荷载的重复作用下, 在沥青面层内形成反射裂缝。当然, 由于半刚性基层沥青面层的开裂是一个很复杂的现象, 引起开裂的原因也很多。

2.1 荷载裂缝

由于路面设计不周或施工原因, 结构层本身强度不足, 不能适应日益增长的交通量及轴载作用而产生的强度裂缝, 最初一般表现为纵向裂缝, 然后发展为网裂。这一类有荷载产生的裂缝在中、低级道路及一些超载严重的高等级车道轮迹处常见, 属于荷载裂缝。

2.2 温缩裂缝

横向裂缝主要是沥青路面的温度收缩裂缝, 简称温缩裂缝位于路面面层的沥青结构层, 直接受到气温变化的影响, 当温度下降时, 沥青面层就会产生收缩变形。由于沥青路面没有收缩缝, 于是这种变形会受到基层对路面的摩擦阻力和路面无限连接板体对收缩变形的约束作用, 使沥青路面层内部产生拉应力。另一方面, 沥青混凝土具有应力松弛性能, 当给沥青混凝土一定的应变时, 由此产生的应力会随时间延长而松弛。在一般的温度范围内, 由温度降低而产生的拉应力, 会由于应力松弛而减小, 将不产生出现裂缝那么大的应力。但当出现寒流或寒潮时, 过快的降温速率将使路面内的应力来不及松弛, 出现过大的应力积累。与此同时, 由于温度降低, 沥青混合料的应力松弛模量逐渐增大, 应力松弛性能降低, 也导致应力积聚过大, 当温度应力积累到超过沥青混合料的极限抗拉强度时, 路面就将出现裂缝, 以便将应力释放出去。通过本质分析现象, 就不难理解温缩裂缝容易发生的时段往往并不是在当地的极端温度条件下, 而经常大量发生在寒流和寒潮到来的时间里。我国北方, 11月份沥青路面经常会在寒流到来的一夜之间出现大量的温缩裂缝。

沥青面层由于暴露在自然环境中, 沥青容易老化, 沥青混合料的极限拉伸应变小, 应力松驰性能差, 也是造成沥青路面产生裂缝的重要因素。

2.3 温度疲劳裂缝

产生低温裂缝的沥青混凝土层, 春天气温回升时裂缝弥合, 到了冬天, 沥青混凝土层再次出现收缩, 若基层摩擦力小, 在实际收缩时, 裂缝就变宽了, 若基层摩擦力大, 沥青混凝土就不会收缩了, 新的裂缝便产生, 裂缝数量也将增加。这是由于温度疲劳循环的作用所造成的。除了温度疲劳作用年循环外, 温度的日循环、短时间内的温度循环、冷热交替, 都能在混合料内部出现疲劳损坏现象。

2.4 反射裂缝

反射裂缝是由于下铺层不连续处 (裂缝或接缝) 作用在热拌沥青混凝土面层底的应力超过了材料的抗拉强度并使面层底面开裂, 裂缝逐渐向上扩展直至穿透面层, 反映到表面的裂缝。反射裂缝一般多发生在加铺层上, 由于旧有的水泥路面的接缝和裂缝, 或旧有沥青路面的纵向裂缝、横向裂缝和块裂等, 在加铺时未加以适当的处理而导致加铺层产生与下铺层裂缝形状相似的反射裂缝。在新建的半刚性沥青路面上, 半刚性基层受天长日久的温度变化引起的温缩裂缝或受外界环境湿度变化影响产生的干缩裂缝, 也会向路表面扩展形成基层反射裂缝。基层反射裂缝是指半刚性基层先于沥青面层开裂, 基层产生裂缝后反射到沥青面层上来的裂缝, 其表现形式多为较规则的横向裂缝。就基层类型而言, 一般柔性基层的反射裂缝少于半刚性基层的反射裂缝。半刚性基层的开裂通常由温缩或干缩引起, 多数情况是在基层铺筑后, 由于未及时按规定进行养生或由于未及时铺筑沥青面层, 使基层长期暴露在大气中, 在降温和水分蒸发联合作用下而开裂。当然也可能在铺筑沥青面层后, 路面在使用过程中, 由于温度骤变, 当基层内的温差超过某一范围, 致使其温度应力超过其抗拉强度而开裂。后者一般发生在沥青面层相对较薄且日夜温差较大的地区。由于底层或基层不连续处 (接缝或裂缝) 的水平运动或垂直运动, 会使沥青路面的底面层产生较大的拉应力或剪应力, 并最先开裂, 然后裂缝在荷载应力和温度应力的单独或共同作用下逐渐向上延伸、扩展, 并贯穿整个面层, 开成下宽上窄的裂缝。反射裂缝常存在两种开裂模式:一种反射裂缝发生在薄沥青面层上, 半刚性基层的裂缝促使沥青面层大致在相同位置产生裂缝, 此裂缝起始于面层底面, 在应力作用下逐渐向上扩展并穿透面层, 这是一种传统认为的典型反射裂缝;另一种反射裂缝发生在较厚的 (如大于5cm) 沥青面层上, 下层的裂缝促使沥青面层在大致相同的位置产生裂缝, 此裂缝起始于面层的表面, 在应力作用下逐渐向下传播直到与下层裂缝相连, 也称之为对应裂缝。

此外, 路基的冻胀及收缩也会导致路面产生开裂。因此, 在我国的高等级公路半刚性基层沥青表面层上出现的横向开裂, 是由沥青面层本身的低温收缩开裂、半刚性基层收缩裂缝的反射性开裂等许多原因综合作用造成的。

3 低温开裂的影响因素及危害

3.1 材料特性

1) 沥青性质:影响沥青混合料低温开裂程度最重要的单一因素就是沥青结合料的温度-劲度关系。低温下的劲度或稠度和温度敏感性是最重要的因素, 低粘度 (或高针入度) 级的沥青结合料会随温度降低而产生劲度的缓慢增加, 从而减少了低温开裂的可能性。在低温条件下, 沥青混合料的变形能力越强, 抗裂性能就越好, 而沥青混合料的变形能力与其低温劲度模量成反比。也就是说为了提高沥青混合料的低温抗裂性, 应选用低温劲度较低的混合料。影响沥青混合料的低温劲度的最主要因素是沥青的低温劲度, 而沥青粘度和温度敏感性是决定沥青劲度的主要指标。对于同一油源的沥青, 针入度较大、温度敏感性较低的沥青低温劲度较小, 抗裂能力较强。所以, 在寒冷地区, 可采用稠度较低、劲度较低的沥青, 或选择松弛性能较好的橡胶类改性沥青来提高沥青混合料的低温抗裂性。

2) 集料类型和级配:耐磨、低冻融损失和低吸水率的集料具有较好的横向抗开裂性。具有这些特点的集料低温时强度几乎不变化, 吸水性集料减小低温时强度。这是因为存在于混合料中起粘结作用的沥青少于非吸水性集料混合料中的沥青。如果设计的混合料能产生良好的抗车辙能力, 则用于混合料中的集料的级配对低温强度几乎没有什么影响。通常, 密级配沥青混合料的低温抗拉强度高于开级配的沥青混合料, 但是粒径大、空隙率大的沥青混合料内部微空隙发达, 应力松弛能力略强, 温度应力有所减小, 两方面的影响相互抵消, 故沥青混合料的这两种级配类型与路面开裂程度之间没有显著关系。

3) 沥青含量:沥青含量在最佳范围内的变化不会对混合料的低温开裂形能有很大影响, 增大沥青用量就增大了温缩系数, 但同时降低了劲度。

4) 空隙率:对不同残留空隙率的沥青混合料作温度应力试验发现:空隙率越小, 破坏温度越低, 但差别不大, 而破坏时的温度应力有相当大的差别, 空隙率越小, 温度应力越高。

3.2 环境因素

1) 温度:对于某一给定沥青路面, 路表面温度越低则温度开裂的可能性越大。路表面温度与周围大气温度和风速有关。

2) 降温速率:降温速率越大, 则温度开裂趋势越明显。这可以从春秋早晚很大温差时路面产生裂缝来证明。

3) 路面老化:路龄越大则温度开裂可能性越大。这是由于沥青路面老化后劲度增大, 沥青变形能力和粘结力降低。

3.3 路面结构几何尺寸

1) 路面宽度:现场调查结果表明, 窄路面比宽路面的温度裂缝间隙更近。7m宽的中等道路初始裂缝间距约为30m, 而宽度为15-30m的普通机场路面的初始裂缝间距大于45m。

2) 路面厚度:沥青面层越厚, 温度裂缝产生的可能性越小。在圣安妮试验路上, 将沥青层厚度从10cm增加到25cm, 当所有其他变量同样时, 开裂率只有原来一半。

3) 沥青混凝土层和基层摩擦系数:在未处理的集料基层上铺一层罩面明显减少了低温开裂的发生率。这可能是因为与粒料基层粘结完好的沥青面层的温缩系数减小。基层材料的级配, 特别是小于0.075mm材料的百分率对低温开裂的产生有一定影响。

4) 施工裂缝:高温时用钢轮碾压低劲度的沥青层要产生横向微裂缝, 以后可能在这些微裂缝处形成横裂, 裂缝间距通常比一个车道的宽度要小。

3.4 施工阶段影响

3.4.1 软土地基沉降

在含水量较高、强度低、孔隙率大、压缩性高的软弱土层即软土地基上修筑路基, 若处理不当, 往往会发生路基失稳、过量沉陷和不均匀沉降, 路面产生纵向裂缝, 导致公路破坏或不能正常使用。

3.4.2 基层施工质量差

由于抢工期、赶进度, 造成料源紧缺, 原材料质量难以保证, 不能按照施工规范的要求施工。半刚性基层没有合理的龄期, 放松对工程质量的控制, 使得基层和底基层质量低劣, 造成基层网裂破坏, 反射到面层, 面层出现网裂。水从裂缝下渗到路基中, 在行车荷载反复作用下出现淤泥。在龄期不足的情况下, 由于摊铺机和重型运料车辆的碾压并转弯, 底面层施工时用振动压路机碾压, 这都会破坏水泥水化、硬化形成的初期强度。施工中不能严格控制半刚性基层施工碾压时的含水量, 碾压完成后不能及时养生, 碾压完成后或最迟在养生结束后不能立即用乳化沥青做透层或封层, 都会对基层的质量产生较大的影响, 进而诱发裂缝的出现。

3.4.3 沥青面层颗粒离析

沥青混合料离析致使局部粗集料偏多, 细集料偏少而不易压实或不密实。矿料与沥青的粘结力小, 抗剪强度低, 容易出现龟裂和松散。

3.5 沥青路面裂缝的危害

沥青路面裂缝的危害主要在于以下几点:

1) 缩短路面的使用寿命。

2) 纵向裂缝容易沿行车方向呈台阶状, 横向裂缝的唧浆导致裂缝两侧凹陷, 均对行车的舒适性甚至行车安全带来影响。

3) 桥头跳车处的路面横向裂缝, 在路面积水的作用下加速了跳车发展的速度, 同时对路基造成冲刷。

4) 块状的路面纵横裂缝如不能及进修补, 将很快发展成为网裂, 松散或坑槽, 导致路面病害的发生, 严重影响沥青路面的服务水平。

4 结论

1) 分析了沥青混合料的开裂形式, 裂缝的划分以及种类。分为疲劳裂缝、块裂、边缘裂缝、纵向裂缝、反射裂缝和横向裂缝。

2) 各种低温开裂模式的机理, 一类是荷载型裂缝即主要是由于行车荷载作用而产生的裂缝。另一类是非荷载型裂缝。沥青面层上的非荷载型裂缝主要是温度裂缝。由于温度变化产生的温度应力和疲劳作用而引起沥青路面表面开裂, 在行车荷载和温度荷载的共同作用下, 裂缝形成并逐渐向下层扩展, 这形成了表面裂缝。

3) 影响低温开裂的主要因素:

a.环境变化, 骤然的降雨和降温天气是造成温缩裂缝的主要原因。

b.路面长期使用中的老化影响, 路表长期接触阳光, 大气, 和水分, 致使其老化, 其模量便大, 抗裂性能降低。

c.路面结构因素, 路面结构设计不合理, 达不到实际需要的强度, 容易使结构层发生疲劳破坏, 进一步加剧了裂缝的产生。

d.交通荷载因素, 渠化交通以及超载的影响加速了路面裂缝的形成。

摘要：沥青路面开裂是世界各国沥青路面使用中均会遇到的主要病害之一, 其分布十分普遍, 无论是冰冻地区, 还是非冰冻地区, 都会出现开裂现象, 只是各自的裂缝严重程度不同而已。为了搞清楚发生横向裂缝的原因, 不少单位都进行了调查研究, 但在具体看法上一直存在着分歧。一种意见认为横向裂缝都是 (或大部分是) 沥青面层的温缩裂缝:另一种看法认为主要是半刚性基层收缩裂缝所引起的反射缝。实际上这两种原因兼而有之。另外还有一些其他的开裂形式, 是综合原因造成的。

关键词：沥青路面,低温开裂,开裂机理,影响因素

参考文献

[1]中华人民共和国行业标准.北京:人民交通出版社, 2001.公路沥青路面养护技术规范 (JTJ073.2-2001) .

乳化沥青的形成机理及发展 篇8

1.1 乳化沥青的定义

所谓的乳化沥青, 就是将粘稠的沥青加热至流动态, 再经机械力的作用形成微滴分散在有乳化剂—稳定剂的水中而形成的均匀、稳定的乳状液。

1.2 乳化沥青的组成

乳化沥青主要是由沥青、乳化剂、稳定剂和水等成分组成。

1.2.1 沥青

沥青是乳化沥青组成的主要材料。在选择用于制备乳化沥青的沥青时, 首先要考虑它的易乳化性。沥青的易乳化性与它的化学结构有密切关系。一般认为易乳化性与沥青中的沥青酸含量有关, 通常认为沥青酸总量大于1%的沥青, 采用通用的乳化剂和一般工艺即易于形成乳化沥青。

1.2.2 乳化剂

乳化剂含量虽低, 但它是乳化沥青形成的关键材料。沥青乳化剂是表面活性剂的一种类型, 从化学结构上来看, 它是一种“两亲性”分子, 分子的一部分具有亲水性质, 另一部分具有亲油性质。 亲油部分一般由碳氢原子团组成, 特别时由长链烷基构成, 结构差别很小。亲水部分原子团则种类繁多, 结构差异较大, 这使乳化剂有多种不同类型。

沥青乳化剂按其亲水基在水中是否电离而分为离子型和非离子型两大类。离子型乳化剂按其离子电性, 又分为阴 (或负) 离子型、阳 (或正) 离子型和两性离子型三类。

1.2.3稳定剂

掺加适量的稳定剂可使乳液具有良好的贮存稳定性, 减缓颗粒之间的凝聚速度, 提高喷撒或拌合机械作用下的稳定性。稳定剂可分为有机稳定剂和无机稳定剂两类。

1.2.4水

水是乳化沥青的主要组成部分。由于水中常含有各种矿物质或其他影响乳化沥青形成的物质, 因此不可忽视水对乳化沥青性能的影响, 生产乳化沥青的水应不含其他杂质。

2 乳化沥青的形成机理

2.1降低界面张力的作用

在乳化沥青中, 水为连续相, 为沥青的分散介质, 沥青是非连续的分散相。在常温下, 水的表面张力较大, 沥青的表面张力较小, 沥青与水的界面张力大小随沥青性质不同而变化。根据吉布斯 (Gibbs) 定律可知:

其中, G为沥青微滴表面自由能;S为沥青微滴的总表面积;σaw为沥青与水的界面张力;C为常数。

由上式可知, 当沥青与水的界面张力 (σaw) 为一定值时, 表面自由能 (G) 随着沥青液滴总表面积 (S) 的增加而增加。沥青—水体系是一个热力学不稳定体系, 为了保持热力学平衡, 沥青液滴自然趋向“聚析”以降低表面自由能。为保持沥青液滴的高度分散性, 既不缩小沥青液滴的总表面积 (S) 而又能保持沥青—水体系的稳定, 唯一的途径就只有降低沥青—水的界面张力 (σaw) 乳化剂在沥青—水的体系中, 非极性端朝向沥青、极性端朝向水, 这样定向排列可使沥青与水的界面张力 (σaw) 大大降低, 因而使沥青—水体系形成稳定的分散系。

2.2界面膜的保护作用

在沥青—水的界面上, 乳化剂定向排列, 降低沥青与水的界面张力的同时, 还在沥青微滴的周围形成“界面膜”。此膜使沥青微滴在相互碰撞时, 不致产生聚结。界面膜的紧密程度和强度, 与乳化剂在水中的浓度有密切的关系。当乳化剂在最适宜的用量时, 界面膜由密排的定向分子组成, 此时界面膜的强度最高, 沥青微滴聚结需要克服较大的阻力, 因而保证了沥青—水体系的稳定性。

2.3双电层的稳定作用

通常在稳定的沥青乳液中, 沥青微滴都带有电荷, 其来源于电离、吸附和沥青微滴与水之间的摩擦。电离与吸附带电同时发生。沥青—水界面上电荷层的结构, 一般是扩散双电层分布。双电层由两部分组成:第一部分为单分子层, 基本上固定在界面上, 这层电荷与沥青微滴的电荷相反, 因此称为吸附层;第二部分由吸附层向外, 电荷向水介质中扩散, 此层称为扩散层。乳化沥青的稳定性取决于在吸附层与扩散层界面上的电动电位的大小由于每一沥青微滴界面都带相同电荷, 并有扩散双电层的作用, 故沥青—水体系称为稳定体系。

综上所述, 沥青乳液之所以能形成高稳定的分散体系, 主要是由于乳化剂降低了体系的界面能、界面膜的形成和界面电荷的作用。

3 乳化沥青的应用及发展方向

乳化沥青在道路工程中的应用是从20世纪30年代发展起来的, 起初主要是以水作稀释剂而制成的阴离子乳化沥青。50年代一些国家相继研制出了阳离子乳化沥青, 从而使乳化沥青在各国迅速发展起来。在我国虽然乳化沥青起步较晚, 但是发展速度非常快。乳化沥青技术已开始大范围的推广应用, 它主要应用于透层油和透层油封层、撒布封层、防尘处理、表层补强、稳定作用冷再生、改性封层、冷拌坑槽修补、粘结封层、预涂层 (预拌) 、道路裂缝修补、防护层等方面。

在道路沥青的使用过程中, 为保持沥青的流动性, 要消耗大量的燃料, 并会产生环境污染等问题。由于乳化沥青在常温下流动性好, 渗透性强, 现场不需加热, 施工简便, 效果显著, 节省能源, 减少环境污染和改善施工条件等优点, 因此具有广阔的发展前景。乳化沥青发展可概括地分为硬件与软件两个范畴, 硬件发展主要在生产乳化沥青的机械设备及应用乳化沥青的施工机械方面。乳化沥青技术软件的发展在于开发出多种用途的乳化沥青, 使乳化沥青在各种领域中得到广泛应用。例如, 研制多种乳化剂以适应各种改性沥青乳化的需要, 开发出多种固化剂、缓破剂、促凝剂、稳定剂等外加剂以适应工程施工的需要。改性乳化沥青可以提高稀浆封层的高温稳定性、低温抗裂性、内聚力、粘附性、抗剥落能力、早期强度、防水性能, 从而延长使用寿命, 具有非常可观的经济效益和社会效益。

摘要：对乳化沥青的定义及组成材料进行了阐述, 并从界面张力的作用、界面膜的保护作用、双电层的稳定作用等方面分析了乳化沥青的形成机理, 最后对乳化沥青的应用及发展方向进行了论述, 以广泛推广乳化沥青的作用。

关键词：乳化沥青,形成机理,界面张力,界面膜

参考文献

[1]严家及.道路建筑材料 (第三版) [M].北京:人民交通出版社, 2001.

[2]虎增福.乳化沥青及稀浆封层技术[M].北京:人民交通出版社, 2001.

[3]梁乃兴, 韩森, 屠书荣.现代路面与材料[M].北京:人民交通出版社, 2003.

[4]虎增福, 牛润莲.浅议改性乳化沥青技术在我国道路工程中的发展与应用[J].石油沥青, 2003 (11) :15-16.

[5]李英萍.乳化沥青稀浆封层应用技术[J].山西建筑, 2005, 31 (13) :136-137.

温拌沥青混合料压实机理分析 篇9

1 温拌沥青路面材料

1.1 沥青

沥青是一种玻璃态物质,没有固定的熔沸点,遇热会软化,具有一定的流动性,温度降低时会硬化,这是一个可逆的过程。粘弹力学认为沥青是一种粘弹塑性材料,其强度是温度和作用时间的函数。即在一定的作用时间下,强度随温度的升高而降低;在一定的温度下,强度随荷载作用时间的增加而降低。一般认为,在一定的温度范围内,温度越高,沥青的粘度越小,流动性越好,沥青起润滑的作用,混合料容易被压实。但流动性太大沥青易离析影响储存和运输,流动性可以保证混合料具有一定的稳定性和韧性,以免裂缝,所以选择的基质沥青粘度不宜太小。

1.2 集料

集料是影响温拌沥青混合料压实的关键。特别是集料的形状和表面纹理,还有集料的强度和集料的酸碱性等。一般地,卵石比破口石易于压实;有明显纹理的集料比没有明显纹理的集料易于压实;板状集料比块状集料易于压实。高强的集料在压实过程中不会被压碎,容易形成嵌挤骨架密实结构。一般的碱性集料压实好于酸性集料,主要是沥青酸酐一般显酸性,与酸性集料吸附性弱于碱性集料。

1.3 温拌沥青混合料

采用物理和化学方法添加温拌剂,改善沥青混合料的施工操作性,在完成混合料成形后,这些物理和化学添加剂并不对路面使用性能构成负面影响的一种沥青混合料技术。当沥青含量较低时,温拌沥青混合料易出现花料,难以压实;当沥青用量较多时,形成的混合料不稳定且容易出现沥青脆断现象(即开裂)。

集料的级配也影响着压实。粗集料含量多,集料与集料之间的嵌挤力就大,混合料很难被压实;相反,细集料含量多,集料在混合料中起填充作用,易于压实,但细集料如果含量太多反而不易压实,主要是因为在压路机的作用下会推移粒料。

2 温拌沥青混合料力学模型

2.1 温拌沥青混合料压实的一般过程

温拌沥青混合料的压实过程是从松散颗粒,软塑状态逐步过渡到紧密块体,硬塑粘聚态,抗拉强度,抗剪切能力剧烈提高的过程。高温时(通常认为高于碾压温度),混合料的压实近似于粘性土。即高温状态下温拌沥青胶结料的粘度降低,内聚力较小,近似于符合库伦定理,颗粒可以自由变形和重新组合,压实容易;随着温度的降低,温拌沥青胶结料的粘度增大,内聚力变大,颗粒可以自由变形和重新组合的概率变小,压实趋于困难;当温度继续下降到碾压温度范围以下,颗粒的自由变形和重新组合受阻,几乎压不实,出现类似于“橡皮土”。在此,进一步研究集料颗粒的重新组合受到集料之间摩擦力阻抗,棱角性小的凸粒,近似于圆形混合料比棱角性大的易于压实。采用Dirac-Coulomb方程估算温拌沥青胶结料的抗侧移强度,当胶结料的内聚力(C)和内摩擦角(φ)最小时,抗侧移也最小,用最小的压实功就能使胶结料混合料充分挤密压实。

2.2 固结-液体流模型

温拌沥青混合料是一种多相非均质的混合料。类似土的固结原理,它比粗粒类体系“软”,又比细粒类“硬”。所以,对温拌沥青混合料压实机理提出一种粘塑性基本观点。主要体现在:沥青自身特性如何表现,集料颗粒如何重新排列。由于温拌沥青混合料在压实温度范围内,存在一定的流动性,这种流动性与水相似,但粘度比水大(可量化),采用修正的固结理论类比于压实过程中胶结料的性能,将会更加接近于实际工程压实机理。

3 温度应力场

温拌沥青混合料技术没有被广泛的推广应用的一个最主要的因素就是压实。压实中最关键的因素就是温度。本文认为温拌沥青混合料的热传递过程是非稳态传热过程。在温度应力场中主要抓住了层厚、风速、下卧层温度、空气环境温度等因素变化时温度场变化规律,分析温度场对外界条件变化的敏感性。

3.1 摊铺层厚度

根据热传导定理,温拌沥青混合料面层摊铺碾压过程中逐渐散失的热量使混合料表面附近的空气形成一个较高的温度区域,这一高温区域的形成对抑制热量的散失起到屏蔽作用,热的空气屏蔽作用形成,外界环境中的常温区就已经远离混合料,从而保护了温拌沥青混合料的热量损失。当摊铺层较厚时,这种屏蔽效应更加明显,从而减少了较低温环境对混合料的影响。由于温拌剂的加入能更好地促进混合料的压实,密实的沥青混合料更能有效地减少热量的散失。

3.2 风速

由热对流原理,风速对温拌沥青混合料降温速率也较为明显。风的影响主要是能够促使空气的流动,加快热传递。从整个摊铺层温度来看,风速越大,在相同时间内温度下降越快,并且表面散热最快,底部温度下降较缓,而摊铺层中部温度保持稳定状态,这主要是由于风速越大,表面与空气热交换加快,温度曲线从对称逐渐发展为不对称,可见在大风天气情况下,下卧层温度对摊铺层温度的影响具有很重要的作用。

如果在无风或风力很小的情况下,摊铺层表面附近一定区域形成的高温空气屏蔽区相对稳定和完整,因而温拌沥青混合料向空中传递的热量就较少,混合料温度也将以较低的速率下降;如果风是不间断地、无固定方向的,摊铺层上方的空气对流交换热量,使摊铺层表面与上层空气的温差一直比较大,这样混合料通过热对流向空气传递热量就多。因此,风力对温度场的影响很大。而且风的冷却影响可导致混合料的表面产生一种硬壳面,厚度一般约为1 cm。这种硬壳面在钢轮压路机的碾压作用下,会造成路面的热龟裂,严重影响温拌沥青路面将来的使用寿命。因此,在风速较大的情况下,应抓紧时间碾压,以免影响工程质量。

3.3 下卧层温度

采用温度梯度分析下卧层温度的影响。下卧层温度主要影响摊铺层底部的温度,下卧层温度越高摊铺层底部温度越高,而摊铺层表面、中面的温度基本不发生变化,主要是因为摊铺层底部直接与下卧层接触,而且温度梯度较大,进行热传递的速率也大,而摊铺层表面与中面的温度梯度较小进行热传递的速率较小的缘故。

3.4 空气环境温度

空气温度主要对热流和长波辐射的对流系数有影响。由于空气的比热容很小,还有摊铺层上一定范围内的热屏蔽作用,使得空气环境温度对摊铺层温度随时间有减小的趋势,但总体影响的速率较小。远不及风速和下卧层对温度应力场的影响。

总体分析认为,外部因素对温拌沥青混合料降温速率影响的敏感性排序为:层厚>风速>下卧层温度>空气温度。

4 压实机械

4.1 传统压实机械

对于典型的传统压实机械,温拌沥青混合料与滚轮的接触面积小,提供的应力是快速且持续时间非常短。短时间的作用不足以使温拌沥青混合料发生粘塑性流动,引起胶结料的高弹性劲度的响应;较小的接触面积,会产生较大的应力可能会压碎大的集料影响粗集料的骨架结构,还可能产生一个很大的水平推力;光轮压路机可能产生热龟裂,影响路面的使用性能。

4.2 理想的压实机械

基于对温拌沥青混合料材料性能、固结-液体流模型、温度应力场等的分析,希望找到这样一种压实机械。

1)具有大的接触面积。

大接触面积可以有助于温拌沥青混合料的压实,排除空气、空隙分布均匀;大接触面积可以产生的水平推力最小,抑制沥青膜两侧的材料隆起。

2)作用时间长。

基于固结-液体流模型,认为温拌沥青混合料在碾压温度范围内,类似于细粒土的固结原理。根据有效应力原理,最初作用对细粒土的冲击作用由孔隙水来承担。由此认为,温拌沥青混合料在短期作用下不发生流动,通过增大胶结料劲度来抵抗荷载作用。因此,即使作用较小,也会促使胶结料流动,填充空隙,排除空气,压实混合料。

3)保温效果好。

温度是压实温拌沥青混合料的关键因素。要求在压实过程中要有良好的保温隔热效果。

4)有助于摊铺层表面返油。

要求把多余的沥青胶结料返摊到摊铺层表面,填补表层空隙以达到密封表层,防止水、泥浆和空气侵入等目的,有助于防止路面水损害,提高路面耐久性。

目前,虽然还没有完全理想的压实机械,但也有一些研究,比如热熨压实机械HIPAC的研发应用。

4.3 压实温拌沥青混合料

性能良好的压路机可让路面获得足够的压实度和平整度。温拌沥青混合料压实机械应备有钢轮式、轮胎式及振动压路机,并能按合理的压实工艺进行组合压实。

压实前,应控制好摊铺层的压实厚度。为了获得良好的压实效果,控制温度应当在所规定的最低压实温度以上;有效地组织使用压路机进行碾压,尽可能增加有效压实时间。压实过程要遵循“紧跟、慢压、高频、低幅”的原则,应维持恒定的压实速度。适当增加碾压功,减小混合料空隙率。压路机折返时严禁刹车急停,避免产生表面推移、拥包和裂缝。采用推荐操作压实过程,减少压路机压碎级配骨料,避免混合料产生离析现象。在超高部位,先压实半径小的低端,再压高端,且重叠一定压实宽度。压实过程中要注意边缘处的线形和高度。应有专人监督不宜压实的部位,进行人工压实。

5 注意事项

鉴于温拌沥青混合料压实温度比普通热拌沥青混合料低的情况,有效压实时间有限的实际情况,本文在实际施工中提出几点注意。

1)根据温拌沥青混合料的材料性能,在选择基质沥青时尽量选择粘度在温拌沥青可调的范围之中,在添加温拌添加剂时,温拌剂一般表现是在高温时粘度降低,增加施工和易性,降低压实温度;在低温时,不影响基质沥青的粘度或者粘度有提高能力,增加温拌沥青混合料的低温性能。集料一般选择强度较大和表面纹理发育完整,粘性良好的碱性集料。因为,温拌沥青混合料之所以不能全面推广,主要是因为现阶段没有完全研究添加温拌剂对沥青混合料的粘附机理的影响,沥青路面的抗水损能力的影响。在集料的选择时,尽量有针对性的避免其中不利影响,以免影响压实效果。

2)基于固结-液体流模型,分析温拌沥青混合料的压实效果,认为温拌沥青混合料的压实最主要的影响因素是作用面积和作用时间,充分发挥温拌沥青混合料的粘弹性,降低弹性阻尼响应。即在压实过程中,适当增加轮胎压路机的碾压遍数可以提高温拌沥青混合料的压实效果。

3)根据温度应力场的分析,在温拌沥青混合料压实过程中,保温措施很关键,压实必须在有效压实时间范围内完成;必须保证一定的厚度;风速、下卧层温度、环境温度都必须考虑到温拌沥青混合料温度散失允许的范围内。一般认为在层厚一定的情况下,温拌沥青混合料不宜在大风天气里进行上面层沥青混合料的铺筑。

4)在压实温拌沥青混合料时,按照普通热拌沥青混合料进行:初压、复压和终压三道工序。一般认为在复压时,宜增加轮胎压路机压实遍数,可以增加温拌沥青混合料的压实效果。

6 结束语

根据温拌沥青混合料的特点,提出温拌沥青混合料对材料性能的具体要求;由固结-液体流模型,得出大的接触面积和长的作用时间有助于温拌沥青混合料的压实;基于温度场温度损失的敏感程度,认为在一定层厚的情况下,不宜在大风天气铺筑温拌沥青路面;在选择压实机械方面,在初压、复压和终压三道工序中,在复压时宜采用胶轮压路机,并增加胶轮压路机的压实遍数,有利于温拌沥青路面压实。

摘要：温拌沥青混合料的压实问题关系到温拌沥青混合料技术的推广运用。根据温拌沥青混合料的固有属性,从沥青路面材料、固结-液体流模型、温度应力场、压实机械等方面入手,分析温拌沥青路面材料性能、固结-液体流模型、温度梯度等对温拌沥青混合料压实机理的影响,探讨温拌沥青混合料压实应注意的问题。

关键词：道路工程,温拌沥青混合料,压实机理,注意事项

参考文献

[1]左锋,叶奋.国外温拌沥青混合料技术与性能评价[J].中外公路,2007,27(6):164-168.

[2]杨雪茹,毕胜强.沥青混合料压实技术分析[J].施工机械&施工技术,2011,28(6):43-45.

[3]王志美.温拌沥青路面混合料压实特性研究[D].重庆:重庆交通大学,2011.

[4]袁迎捷,周进川,胡长顺.沥青混合料压实机理新解[J].公路,2002(2):50-53.

[5]尹如军,李玉亭,张占军.沥青混合料有效压实时间的实测与分析明[J].公路,2001(2):37-40.

[6]刘建勋.温拌沥青混合料施工关键技术研究[D].西安:长安大学,2010.

[7]许亚强.沥青混合料压实机理探讨[J].筑路机械与施工机械化,2003,20(5):24-26.

[8]陈新轩.轮胎压路机压实热拌沥青混合料的机理和作用[J].长安大学学报:自然科学版,2010(5):49-51.