不同沥青混合料的拌和流动特性探讨

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论文字数:46566 论文编号:sb2021082909242337106 日期:2021-09-05 来源:硕博论文网
笔者经过研究,得出以下结论: (1)学界以及工程领域对沥青混合料给予了高度重视,并围绕其拌和和易性展开了研究,但局限之处在于缺乏对拌和阶段流动性的研究,且各类型沥青混合料的对比分析也相对空白。 (2)通过对现有拌和设备的分析,经过优化后提出全新的变速拌和试验装置,其具有运行稳定,操作便捷的特点,可作为拌和和易性分析的重要工具。

第一章  绪论

1.1  问题的提出
近年来,沥青路面在世界范围内得到了广泛的应用,中国,美国,欧洲等国家的统计数据表明,沥青路面的使用量显著增加了。由于在沥青路面使用了沥青结合料,矿物之间的黏结性得到了明显的改善,从而提高了路面的质量。尽管沥青路面的成本很高,但它比混凝土路面提供了更好的驾驶舒适性,更光滑的沥青路面,更高的耐磨性,更低的干扰,更短的施工时间等。
为了改善路面,使之适应交通需求,延长路面的使用寿命,有必要对道路材料,生产质量,结构设计和施工实施等进行研究。沥青路面是一种由沥青结合料与碎石集料组成的路面结构。集料与沥青结合料的掺入即为沥青混合料。沥青混合料的拌和流动性决定了混合料的生产质量和沥青路面的工程质量。和易性指沥青混合料拌和,摊铺和压实的难度,其与混合料的黏度密切相关,并反映材料的拌和流动特性。影响沥青混合料和易性,具有沥青用量,沥青性质,级配类型等组成要素。从混合料组成来看,当混合料粗集料与细集料之间分配不当时,使混合料容易离析,难以拌和;此外,沥青用量对预期结果和拌和能力起着重要的作用,当沥青结合料的粉胶比过大时,混合料拌和困难,不容易压实,反之,不易摊铺。和易性好的沥青混合料可以为拌和,摊铺与压实提供良好的作业条件,施工成型后的路面质量达标;若选用的沥青混合料不具备足够良好的和易性,则不利于施工作业,难以保证路面质量。
因此,道路投入运营后,容易出车辙,松散,剥落,拥包等道路疾病,此外,该路面的服务水平,技术性能,驾驶舒适,用户安全,道路寿命等将受到严重影响。
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1.2  研究现状
沥青混合料的拌和流动性决定了混合料的生产质量和沥青路面的工程质量,关系到沥青路面投入使用后的性能。自提出沥青混合料和易性概念以来,以沥青混合料为对象的研究逐步丰富起来,相继揭露出力学性能的基本特质,关于拌和和易性,在此方面的研究也取得了一些成果,但缺乏不同沥青混合料混合料的流动特性研究。
1.2.1  欧美研究现状
Bougault  R.[9]等的研究具有突破性意义,于 1978 年在学界首次提出拌和和易性概念,并根据对沥青混合料的既有认知研发了一种单速扭矩试验装置,通过扭矩值评价沥青混合料的和易性。
1991 年,英国利兹大学的 Cabrera  J.G.[10]通过沥青混合料的密实程度评价了沥青混合料的和易性,研究表明,和易性差的混合料难以压实,导致孔隙率大。
2010 年,美国麻省大学达特茅斯分校的 Mogawer 等人[14]改进了沥青混合料和易性测试装置,将拌和桨固定,转动拌和锅来测试扭矩。试验以温拌剂掺量为控制要素,探讨在用量发生变化时生产的沥青混合料在流动性方面的具体表现,阐述两者的变化规律。
Ayman  Ali 等[15]的研究建立在 Mogawer 成果的基础上,提出优化后的和易性测试装置,以热拌及温拌沥青混合料为对象,探讨集料形状,沥青性质等对其性能的影响。结果表明:从和易性角度来看,以温拌泡沫沥青的表现更为良好,而而在最大公称粒径增加的条件下,导致混合料的和易性下降;混合料的组成因素对沥青混合料的拌和和易性具有重要影响。
瑞典学者 Roozbahany  E.G.等[16]的研究围绕沥青混合料流动特性而展开,以扭矩测试仪等装置为辅助工具,结果表明:沥青混合料拌和过程中所具有的和易性表现源自于多个方面,包含沥青性质,集料形状,级配,温度等;以拌和条件保持一致为前提,通过对和易性的分析得知,连续级配沥青混合料表现更佳,其明显优于间断级配型混合料;且在各类对和易性造成影响的因素中,又以沥青用量和级配类型最为显著。
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第二章  黏性材料的流动变形

2.1  材料的基本力学性质
物质是自然界的一种组成,应用于工程建设中则被称之为材料。基于特定的激励手段,材料将产生相应的响应。伴随外力的持续增加,超出材料的强度极限时将表现出不同程度的材料受损现象;若外力偏小,则伴有弹性,黏性和塑性特点。流变学的研究思路是,在弹性,黏性和塑性的基础上经过抽象化处理后可形成力学元件,以串联或并联的方式进行组合,构成力学模型,同时创建本构方程,而这正是流变模型理论的核心思想。依托于流变模型理论,能够以直观的方式认知材料的性能表现,如黏弹性,弹塑性,黏塑性等。此处在以黏性材料为基本对象所展开的流动变形分析中,仅考虑的是黏弹性和黏塑性两项性能指标各自所对应的黏性流动模型。
2.1.1  基本力学元件
力学元件是分析材料流变性质的基本单元,在流变模型理论中通常把材料的弹性,黏性和塑性理想化地简化为三个基本力学元件。弹性元件一般用“弹簧”来表示,根据线性特性引入弹性模量 E;黏性元件用“黏壶”来表示,同样线性特性引入了黏度系数η;塑性元件用“滑块”来表示,分别表示“应力极限(  f  )”如图 2.1 所示。

图 2.1   力学性能的基本元件 
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2.2  四大流动变形规律
材料是创建工程实体的基础要素,通常为固体,流体相混合的应用形式,流动与变形具有同步性,将其统称为流动变形。 外力的存在将改变材料原始状态,使其形成流动与变形。伴随材料的差异化特点,或是激励方式不同,所产生的流动变形都有较强的复杂性,但归根结底也存在共同之处。根据现有认知,材料流动变形所具有的共性可体现在四个方面,具体作如下分析。
2.2.1  顿粘性流动
牛顿黏性流动是一种极为基础的流动变形形式,具体见图 2.8a。通过对剪切应力 τ的分析得知,该指标与剪切速率 D 之间表现出极为显著的线性比例特征,由此表明其正好与牛顿定律相符。η 为比例系数,为常数(图 2.8b),指的是动力黏度,该指标并不会受到 τ 或 D 的影响。

图 2.8   牛顿黏性流动特征 

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第三章  试验材料及混合料设计........................23
3.1  试验用原材料 ................................... 23
3.1.1  碎石集料 ....................................... 23
3.1.2  沥青材料 ..................................... 24
第四章  变速拌和试验及流动特性............................40
4.1  试验装置介绍........................40
4.1.1  试验原理 ........................................ 41
4.1.2  试验装置构成   ..................................... 41
第五章  沥青用量对拌和流动特性的影响.....................52
5.1  试验方案及测试结果.....................52
5.1.1  主要的试验方法.....................52
5.1.2  试验结果整理.....................52

第八章  沥青混合料的拌和和易性分析

8.1  拌和流动模型的综合分析
结合前三章的结果,从试验数据绘制得到“拌和功率-拌和速率”的所有流变图表明,沥青混合料的拌和流动特性是一条截距为正,斜率为正的直线,即不通过坐标原点,分别如下
P=F+λV                              (8.1)
根据公式(8.1)的数值模拟结果,相关系数等于 1,具有良好的线性相关。
根据以上的测试结果总结可知,在测试试验中的 4 个变量,如沥青类型(z),沥青用量(ω),级配类型(j)和拌和温度(T),只有温度不影响沥青混合料的截距,只有级配类型不影响直线斜率,因此公式(8.1)可具体优化如下:
  P( ) =F( ) +( )⋅Vj,z,ω,Tj,z,ωλz,ω,T                 (8.2) 
结合第 2 章中对沥青混合料的流动变形的认识可知,符合上式变化规律的流动特性为线性黏塑性特征,服从宾汉(Bingham)模型,由一个黏壶和一个滑块并联组成(2.1节,图 2.7),本构方程为 ω
   τ = f +η⋅D                         (8.3) 
混合料的流动直线所包含的信息主要截距 F 值和λ值,前者表征拌和塑限,后者表征拌和黏度,两者均是混合料拌和性能的重要反映参数,统称为拌和流动参数,意义在于呈现混合料拌和流动特质,从学界研究来看则是重要的理论基础。
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结论


现就本文的分析内容作如下总结:
(1)学界以及工程领域对沥青混合料给予了高度重视,并围绕其拌和和易性展开了研究,但局限之处在于缺乏对拌和阶段流动性的研究,且各类型沥青混合料的对比分析也相对空白。
(2)通过对现有拌和设备的分析,经过优化后提出全新的变速拌和试验装置,其具有运行稳定,操作便捷的特点,可作为拌和和易性分析的重要工具。
(3)拌和流动性与宾汉模型反映的内涵具有一致性,模型直线的截距是重要指标,其表征了拌和塑限,而通过对斜率的分析可掌握拌和黏度情况。
(4)以流变模型理论为指导,综合考虑两项拌和参数,提出了拌和和易性指数,其指的是面积 A 导数的百分率。
(5)和易性的受干扰因素包含拌和的温度,沥青用量和级配,沥青种类。具体而言,拌和温度并不具有影响拌和塑限的能力,但随着温度的变化拌和黏度出现明显改变,此方面与沥青的黏温曲线特性具有趋同性。
(6)级配类型为重要影响因素,拌和塑限受其影响较为明显,集料越粗,此条件下的拌和塑限随之加大,但其并不会明显改变拌和黏度。而在沥青用量增加的条件下,将表现出拌和流动参数提升的变化趋势。
(7)温度下降,沥青用量增加,集料越粗,在此类条件下,沥青混合料拌和难度明显较大,和易性表现欠佳,并呈现出和易性指数偏低的特点。
参考文献(略)


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