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高黏改性沥青及多孔沥青混合料的稳定性与耐久性研究

张正伟  
【摘要】:近年来,基于“环境友好、资源节约”的发展理念,道路基础设施更加注重与环境生态和排水系统之间的和谐发展。特别是城市道路,不再局限于简单的满足行人和车辆的基本通行,而是逐渐与使用环境和生态建设相辅相成,这无疑对道路材料性能与功能提出了更高要求。多孔沥青(PA)混合料作为一类特殊设计的混合料,具有高度连通的内部空隙,以及由粗集料相互接触和嵌挤形成的骨架-空隙结构,从而在安全、舒适和环保等方面获得诸多益处,是我国推行“海绵城市”建设和“城市地下综合管廊”建设的理想辅助方案,具有广阔的发展前景。然而,与欧美、日本等国家相比,PA混合料在我国的实际应用还处于初期阶段。究其原因,一方面,缺乏经济、适用并与我国气候和交通相匹配的高黏改性沥青;另一方面,PA混合料的温度稳定性和耐久性不足,制约着其在我国的进一步应用与发展。鉴于上述情况,本文拟在以下方面开展研究:基于对6类热塑性弹性体、增黏剂及增塑剂的作用机理与性质的分析,系统开展了高黏改性沥青的材料设计与制备,确定了4类适用的弹性体种类;引入多目标正交极差分析,揭示了不同材料组分及含量对高黏改性沥青6项主要技术指标的作用规律与机理;研制出3类性能良好的高黏改性沥青,并探究了其流变性、改性与老化机理。考虑老化、浸水和低温条件对沥青-集料黏附性的作用,利用原子力显微镜,探索了微观尺度单一及复杂条件下3类高黏改性沥青的形貌特征与纳观力学性质;改良附着力拉伸试验方法,研究了宏观尺度单一及复杂条件下3类高黏改性沥青与集料的黏附破坏规律;结合微观黏附机理与宏观破坏特征,优化了高黏改性沥青的组成设计。基于粒子干涉理论和堆积理论,对比研究了典型连续级配、间断级配和采用多级填充骨架密实及主骨架空隙填充方法进行分段设计的间断合成级配的贯入强度、空隙分布及集料接触特征;利用离散元虚拟试验模拟了针、片状集料对矿料级配体积特征的作用规律;据此开展室内试验,研究了不同细长比的针片状集料及含量对间断合成级配的贯入强度、空隙分布及集料接触特征的作用,探讨了PA混合料的级配设计与针片状限值。分析了沥青混合料各类稳定性与耐久性试验方法对空隙率和试件尺寸的敏感程度与可靠性,研究了PA混合料的高温动态蠕变破坏和低温约束应力冻断特征;探究了不同混合料老化与冻融循环耦合作用下PA混合料抵抗劈裂破坏与集料剥落的作用与机理;研究了混合料老化对间接拉伸强度和疲劳寿命的作用规律。在此基础上,研究了多种典型改性沥青、工程纤维和填料对PA混合料的温度稳定性和耐久性的作用规律与机理,分析了PA路面的常见病害与沥青性质及混合料性能之间的关系,探讨了不同技术方案对PA混合料常见病害的适用性。


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