集料中含水量对冷补树脂型沥青混合料性能的影响外文翻译资料

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集料中含水量对冷补树脂型沥青混合料性能的影响

摘要

由于树脂型沥青混合料的声学性能和经济优势，它作为大跨度桥梁的路面材料在我国越来越受欢迎。通常，该混合料与直接从露天库存中取出的集料在常温下拌和和摊铺。然而，那些集料中通常含有水分，而这些水分可能会影响集料和沥青胶浆之间的粘附力。采用悬滴法、柱芯技术、车辙试验、间接拉伸试验、三点弯曲梁试验来研究用湿集料配制成的树脂型沥青混合料的性能。试验结果表明，集料中的水分会降低树脂型沥青和集料之间的粘度，并对树脂形沥青混合料的性能有不利影响。为了减轻集料中水分带来的不利影响，向树脂型沥青混合料中加入生石灰。随后的试验表明，生石灰可以减轻集料中水分对树脂型沥青混合料性能造成的不利影响。因此，添加生石灰是提高在常温或者低温下与湿集料拌和的树脂型沥青混合料性能的一种有效方法。

1、简介

树脂型沥青是环氧树脂和沥青材料发生化学反应得到的产物。不同于环氧沥青,树脂型沥青可以在常温下发生交联反应[1]。由于其良好的性能和低成本，冷拌树脂型沥青已越来越多地用于我国大跨度桥梁。因为冷拌树脂型沥青混凝土直接使用暴露在露天没有进行预热处理，由于环境湿度集料中含有大量的水分。图1显示了我国月平均空气相对湿度达40%以上且人口密集的几个城市。雨季期间，我国南方相对空气湿度达到90%以上[2]。在这样环境下的集料可以充分吸收水分进而危害树脂型沥青混合料的性能。然而，集料中水分对冷拌树脂型沥青混合料性能的影响尚未被完全了解。

图1.我国典型城市的平均每月相对空气湿度

对沥青混合料水稳定性的研究已经有数十年了，虽然大多数研究集中在热拌沥青混合料。Aramhula等人基于他们开发的介观模型研究水汽扩散的机理和影响因素。他们说沥青混合料的水分损坏直接受其水分扩散系数的影响。江等人通过60℃时动水压力研究了沥青混合料中沥青膜从集料表面的剥离行为。基于多孔介质理论，郭等人 [5]开发了一种针对饱和沥青路面的有限元模型，还分析了分析孔隙水压力的发展和周期加载对孔隙水压力的影响。Caro等人 [6]分析了机械和物理材料性能和在沥青混合料反应进行水分扩散过程中加载条件的影响。他们发现沥青混合料和集料的扩散系数，以及集料—骨架界面的粘结强度对沥青混合料的水稳定性影响最大。胡和钱[7]开发了二维沥青玛蹄脂有限元素模型，包括集料，界面和沥青胶浆元素，他们用这个模型研究了环氧沥青混合料中的裂纹的发生和传播及其在水应力耦合作用下的机械剥离和开裂性能。他们发现水损伤发生骨料和沥青粘合剂截面处，增加原料中的含水量水损坏变得更加严重。 基于表面能理论，肖等人[8] 模拟了沥青粘合剂和集料之间的粘附性和水损坏，还研究了原材料的影响。冯等人使用柱芯技术和静滴法 依次[9]测定不同含水量水泥混凝土样品和SBS改性沥青的表面能参数，石灰石与沥青粘结剂的键能比花岗岩更好，而且刚性粘合剂和骨料之间的粘合强度要高于软粘合剂和骨料之间的粘合强度[10]。

过去的研究结果得出结论：沥青混合料中的水分大大降低了热拌沥青混合料的耐久性。 得出这个结论，集料水分对冷拌树脂型沥青混合料性能的影响也值得深入研究，考虑到在现如今桥梁施工中冷拌逐渐成为一个新的规范。 此外，如果集料水分对树脂沥青混合料的性能有有害影响，则需要采取补救措施。

2、研究目标和范围

本研究的目的是调查影响湿集料对树脂型沥青混合物性能的影响并找到一项有力的措施来减轻这种影响。为了实现这些目标，就必须研究湿集料与树脂型沥青之间的粘附性并研究冷拌树脂型沥青混合料的车辙试验，水稳定性和弯曲性能。向树脂型沥青混合料添加生石灰从而提高其性能的效果也需要进一步研究。

3、树脂型沥青的性能

3.1.和易性

树脂型沥青是两个溶液之间交联反应的产物。第一种溶液是含有作为溶剂的基质沥青和作为溶质的环氧树脂，而另外一种溶液含有沥青和胺类固化剂。一旦两种溶液混合， 树脂型沥青的黏度随着时间的推移而增加，并影响拌和的和易性 [11]。通过旋转粘度试验研究树脂型沥青不同温度下的粘度 [12]。测试结果如图2所示，图2表示树脂沥青的粘度在较高的温度下增加得更快。在60℃，树脂型沥青的粘度增长最快。通常，桥面甲板的表面温度在夏天可达70℃，这给混合料拌和和摊铺提出了挑战，因为在路面结构变硬之前，树脂型沥青粘度已达最大，图2也表明在25℃下需要8小时，使树脂型沥青达到表干状态，需要70小时才能完全硬化，相对地，这就保证了树脂型沥青在路面施工时的和易性。用于压实的沥青混合料最佳实践粘度范围为0.25Pa·s至0.31Pa·s [13]。夏季铺路时，树脂型沥青混合料应在一小时内合成和压实。

图2.拌和前沥青的粘度增长

3.2.破坏强度和延伸率

冷拌沥青的断裂性能通过断裂伸长试验进行研究[14]。沥青试样是在室温下合成并在60℃下固化16小时。试件厚度为5mm，加载速率为50毫米/分。测试结果如表1所示。从表1可以看出，树脂型沥青断裂时的伸长率受温度的影响很大。 树脂型沥青在-20℃变脆且容易断裂。 当温度升高到70℃时，树脂型沥青的断裂强度变低，但其伸长率相对较高。 这个观察表明树脂型沥青在炎热的天气下容易发生永久变形。

表1.沥青的破坏强度和延伸率

4.沥青混合料设计

树脂型沥青混合料使用具有13.2％破碎值的玄武岩集料。 针状颗粒的含量为5.7％，表观相对密度为2.725。 细集料使用人工砂。 表2是树脂型沥青混合料的级配。

表2.沥青混合料的级配

应用马歇尔设计方法确定沥青混合料的最佳沥青用量。根据表2中级配，五种不同沥青用量的试样每侧压实50次，然后在25℃下养生3天。根据马歇尔设计方法进行实验室测试，试验结果总结表3。树脂型沥青混合料的油石比确定为9.0％为。

表3.容重、马歇尔稳定度、流值

5.水分对沥青与集料间粘度的影响

沥青与集料间的粘度随着时间的推移发生变化，树脂沥青从液态转变为固体状态，通常发生在几小时内。 因此，分别研究液态沥青与集料间的粘附性和固态沥青与集料的粘附性以模拟混合物在施工过程中的粘附状态和质量。

5.1.施工中沥青与集料的粘附性

图3显示了静滴试验（25℃）新拌树脂沥青分别在干和湿集料的结果。含水量为集料质量的2％。液态树脂沥青与聚集体之间的粘度可以通过杨氏方程计算，如式 （1）。

表示粘附力，表示液态树脂沥青的表干密度，而表示树脂沥青和集料的接触角。

含有水分的集料可以被水薄膜覆盖，这将导致比树脂沥青和骨料间接触角更小的树脂沥青和这种水膜间接触角（图3（b））。 实验观察结果表明一旦水滴与集料接触，它们分布在总体表面上大致为零接触角并牢固地粘附在骨料上。 这个发现表明液态树脂沥青之和集料间的粘附性由于水分的存在而减小。

（a）干集料中的沥青 （b）湿集料中的沥青

图3.沥青与干/湿集料的静滴试验

5.2沥青与集料在使用寿命中的粘附性

粘附性是不同颗粒或表面相互黏结的趋势，沥青与集料之间的粘附力是由于范德华力相互作用引起的粘附力和由于路易斯酸碱相互作用引起的粘附力的总和[15]，如等式 （2）。

在等式（2）表示沥青与集料间的粘附力，和分别表示由范德华力相互作用引起的粘附力和由路易斯酸碱相互作用引起的粘附力。可以由等式（3）得到。

代表由范德华力相互作用引起的树脂沥青和集料以及两者之间表面张力。由于，等式（3）可以写为：

路易斯酸碱相互作用的粘附公式，给出为：

代表由路易斯酸碱相互作用引起的树脂沥青和集料以及两者之间表面张力。由于， , ，等式（5）可写为：

这里，分别表示酸性和碱性沥青的表面张力。类似地，分别表示酸性和碱性集料的表面张力。

将等式（4）和等式（6）代入等式（2）得：

从等式（7）可以看出，表面张力分量确定后，树脂沥青和集料间的粘附力就可以得到。

静滴试验和柱芯技术分别是用来确定树脂沥青和集料的表面张力分量。静滴试验中，三种类型的液体，即蒸馏水，丙三醇和甲酰胺在25℃下滴加到固体树脂沥青上。

固态树脂沥青的表面张力分量可以由等式（8）计算得出：

其中，表示液体的总表面张力，是由于范德华力相互作用而引起的液体表面张力，和表示由于液体中酸和碱的比例而引起的表面张力。

通过将已知三种液体的表面张力分量（表4）代入等式（8），固态树脂沥青表面张力分量可以知道，结果如表5所示。

表4.液体的表面张力

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