摘要 水是導致路面早期損壞的一個重要原因。瀝青路面水損壞是指水進入瀝青混合料內(nèi) 部導致混合料的強度和耐久性降低，設(shè)計和施工不合理時，這種現(xiàn)象更為明顯。當水存 在于混合料內(nèi)部時，瀝青膠漿( 瀝青與礦粉的混合物) 的粘結(jié)力和瀝青一集料之間的粘 附均有所減弱。不論是熱帶，還是溫帶，只要有水存在的地方，就有可能發(fā)生路面的水 損壞。這是一個全球都共同存在的問題，但主導作用的機理有所差別。 本論文采用五種方法，即殘留馬歇爾穩(wěn)定、修正的l o t t m a n 、動態(tài)模量試驗、剪切 強度比以及集料和瀝青的表面能，來評價集料與瀝青的界面粘結(jié)力。前三種方法已被廣 泛用于評價瀝青混合料的水敏感性。而剪切強度比與集料和瀝青的表面能，是一種簡單、 方便的實驗方法，可用于評價瀝青與集料的粘結(jié)力。 毛細上升法用于測定料料的接觸角，s e s s i l e 方法測量瀝青的接觸角通過 y o u n g d u p r 6 方程，來測定表面能。實驗采用石灰?guī)r和花崗巖，兩種不同瀝青通過表面 能來評價其抗水損害性。 實驗結(jié)果表明石灰石集料比花崗巖有較好的抗水損害。采用表面能也可以有效地評 價混合料的水穩(wěn)定性。該試驗方法操作簡單、方便快捷。 關(guān)鍵詞：表面能，酸根，非極性，粘結(jié)力破壞，內(nèi)聚力破壞，水損壞 a b s t r a c t 腸f e ra n d o rm o i s t u r ec a nc a u s ep a v e m e n t st os u f f e rp r e m a t u r ef a i l u r e jm o i s t u r ed a m a g e c a l lb ed e f i n e da st h ee a r l yl o s so fs t r e n g t ha n dd u r a b i l i t yc a u s e db ym o i s t u r ep e n e t r a t i n g t h r o u g ht h ea s p h a l t - a g g r e g a t em i x t u r e t h eh o tm i xa s p h a l t ( h m a ) l a y e rw h i c hd e r i v e si t s s t r e n g t hf r o mt h ec o h e s i v er e s i s t a n c eo ft h eb i n d e ra n dg r a i ni n t e r l o c ka n df r i c t i o n a lr e s i s t a n c e o ft h ea g g r e g a t e sm a yf a i lp r e m a t u r e l yi nt h ep r e s e n c eo fw a t e ro rm o i s t u r ee s p e c i a l l yw h e n p o o r l yd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d t h ec o h e s i v eb o n do ft h em a s t i c ( a s p h a l tb i n d e rp l u s m i n e r a lf i l l e r ) a n da d h e s i v eb o n db e t w e e na g g r e g a t e sa n dt h ea s p h a l tb i n d e rw e a k e n si nt h e p r e s e n c eo f w a t e ro rm o i s t u r e m o i s t u r ed a m a g eo fh m ac a no c c u ri na l le n v i r o n sa sl o n ga s m o i s t u r ei sp r e s e n ti nt h em i x t u r et h o u g ht h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t a lh a sa ne f f e c to nw h a t k i n do fs t r i p p i n gm e c h a n i s m sw i l lb ep r o m i n e n t t h e r ea r es e v e r a lt e s tm e t h o d st h a th a v eb e e nd e v e l o p e ds i n c et h e19 3 0 st oh e l p i d e n t i f ym i x t u r e st h a t a r el i k e l yt ob es e n s i t i v et om o i s t u r ed a m a g e h o w e v e r ，t h e r ei s c u r r e n t l yn ot e s tm e t h o dt h a ti sa b l et oc o r r e l a t e1 a b o r a t o r yr e s u l t st of i e l dp e r f o r m a n c e t i l i s t h e s i sd e s c r i b e st h ee v a l u a t i o no ft h ei n t e r f a c i a lb o n db e t w e e na g g r e g a t ea n da s p h a l tc e m e n t mh m a u s i n gf i v em e t h o d sn a m e l yr e t a i n e dm a r s h a l ls t a b i l i t y , m o d i f i e dl o t t m a n f a t i g u e t e s t ，l a ps h e a rt e s ta n dt h em e t h o db a s e do nt h es u r f a c ee n e r g yo fa g g r e g a t ea n da s p h a l t c e m e n t t h ef i r s tt h r e em e t h o d sh a v ew i d e l yb e e nu s e di nt h ea s s e s s m e n to fh m a ss e n s i t i v i t y t om o i s t u r ed a m a g ea n da r ep e r f o r m e do nc o m p a c t e dh m aw h i l s tt h el a s tt w om e t h o d sa r e p r o p o s e di nt h i sr e s e a r c ha sa l t e r n a t i v et e s tm e t h o d sd u e t ot h e i rs i m p l i c i t y t h el a s tt w oa r e p e r f o r m e do nu n c o m p a c t e da g g r e g a t e a s p h a l tc e m e n tm i x t u r e s t h ec a p i l l a r yr i s em e t h o dh a s b e e nu t i l i z e dt od e t e r m i n et h ec o n t a c ta n g l eo fa g g r e g a t e sa n dt h es e s s i l em e t h o df o rt h e m e a s u r e m e n to f c o n t a c ta n g l eo f t h ea s p h a l tc e m e n t t h e r e a f t e r , t h es u r f a c ef r e ee n e r g yo f b o t h t h ea g g r e g a t e sa n da s p h a l tc e m e n tw a sd e t e r m i n e du s i n gt h ey o u n g - d u p r 百e q u a t i o n t w o t y p e so fa g g r e g a t e s ，al i m e s t o n ea n dg r a n i t e ，a n dt w oa s p h a l tc e m e n t sa r eu s e dt op r o d u c ef o u r d i f f e r e n tm i x t u r e so fh m a t h ef o u rm i x t u r e sa r es u b s e q u e n t l yt e s t e du s i n gt h ef i v em e t h o d s a n dt h e nr a n k e db a s e do nt h e i rr e s i s t a n c et om o i s t u r ed a m a g e b a s e do ne x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a 1 1t h ef i v em e t h o d si n d i c a t et h a th m am i x t u r ew i t h l i m e s t o n ea g g r e g a t eh a db e r e rr e s i s t a n c et ow a t e rd a m a g et h a nt h o s ew i mg r a n i t ea g g r e g a t e t h em e t h o d su s e do nu n c o m p a c t e dm i x t u r e so f f e rv i a b l ea l t e r n a t i v e st ot h ea s s e s s m e n to f w a t e rs u s c e p t i b i l i t yo fh m a e s p e c i a l l yt h em e t h o db a s e do ns u r f a c ee n e r g ym e a s u r e m e n t so f a s p h a l tc e m e n ta n da g g r e g a t e s t h i sm e t h o di ss i m p l e ，q u i c k e ra n dt h ee q u i p m e n tu t i l i z e dc a n e a s i l ya n dc h e a p l yb ea s s e m b l e dw h i l s ts t i l le m p l o y i n gl a t e s ta d v a n c e m e n t si na d h e s i o nf a i l u r e t h e o r y k e y w o r d s ：s u r f a c ee n e r g y , p o l a r , a p o l a r , a d h e s i v ef a i l u r e ，c o h e s i v ef a i l u r e ，m o i s t u r e d a m a g e 圖1 1 圖1 2 圖1 3 圖2 1 圖2 2 圖2 3 圖2 4 圖2 5 圖2 6 圖2 7 圖2 8 圖2 9 圖2 10 圖2 1l 圖2 12 圖3 1 圖3 2 圖3 3 圖3 4 圖3 5 圖3 6 圖3 7 圖3 8 圖4 1 圖4 2 圖4 3 圖4 4 圖4 5 圖5 1 圖5 2 圖5 3 圖5 4 圖5 5 圖5 6 圖5 7 圖目錄 熱拌瀝青混合料( h m a ) 水損壞模式1 水對瀝青混合料應(yīng)力應(yīng)變的影響2 實驗研究流程圖3 路面結(jié)構(gòu)中的水的來源組成5 水作用的可逆性7 根據(jù)集料表面電荷對集料的劃分10 不同集料表面水p h 值得變化12 微粒間勢能的變化l3 p h 值對電動勢的影響13 瀝青一集料界面上分子方位16 集料表面粗糙程度對粘附性的影響16 瀝青混合料兩種破壞形式與瀝青膜厚度的關(guān)系17 加載間隔時間對混合料模量的影響l 8 混合料殘余強度與空隙率的關(guān)系2 0 固體一液體界面的接觸角22 a c 一13 級配2 8 混合料組成3 0 毛細上升實驗34 毛細上升實驗電子秤35 s e s s i l ed r o p ( 滴落) 法實驗3 7 萬能試驗機38 作者采用靜態(tài)壓力機成型試件39 剪切實驗4 0 各種集料和液體質(zhì)量增長的平方與時間的關(guān)系42 質(zhì)量增加的平方與時間的關(guān)系圖47 干濕狀態(tài)下試件剪應(yīng)力值的比較5 5 四種混合料組合剪切強度比的比較56 集料性質(zhì)和瀝青性質(zhì)對剪切強度比的影響5 6 不同瀝青混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果5 7 集料和瀝青性質(zhì)對混合料殘留穩(wěn)定度值的影響5 8 四種不同混合料組成的間接拉伸強度比5 9 集料和瀝青性質(zhì)對混合料間接拉伸強度比的影響5 9 不同荷載加載次數(shù)下四種混合料的k 值6 1 四種混合料在不同加載次數(shù)下的p 值6 3 集料被水浸潤的面積百分率p 與荷載加載的次數(shù)n 的相關(guān)關(guān)系6 3 衣目錄 表2 1各個粘附理論之間的聯(lián)系與區(qū)別9 表2 2影響瀝青集料粘附性的材料屬性9 表2 3四種不同來源的瀝青的組分情況l4 表2 4瀝青分子中極性組對集料的吸引特性15 表3 1a c 一13 級配2 8 表3 2粗集料密度2 9 表3 3細集料密度29 表3 4瀝青的基本指標29 表3 5不同瀝青混合料的最佳用量3o 表3 6毛細上升實驗中所用液體的性質(zhì)3l 表4 1第一組實驗液體一固體界面接觸角計算結(jié)果統(tǒng)計表4 3 表4 2第二組實驗液體一固體界面接觸角計算結(jié)果統(tǒng)計表43 表4 3第三組實驗液體一固體界面接觸角計算結(jié)果統(tǒng)計表4 4 表4 4接觸角試驗結(jié)果匯總表“4 4 表4 5石灰?guī)r和花崗巖三維矩陣中的系數(shù)值45 表4 6濱州7 0 # 和歡喜嶺7 0 # 的接觸角值4 9 表4 7濱州7 0 # 和歡喜嶺7 0 # 三維矩陣的系數(shù)4 9 表4 8集料與瀝青的表面能組成51 表4 9鋪展系數(shù)及自由52 表4 1 0根據(jù)干燥狀態(tài)和濕潤狀態(tài)下自由能所得出的混合料順序53 表4 1 l根據(jù)干燥和濕潤狀態(tài)下自由能中的l w 組分所得的混合料排序結(jié)果5 3 表4 1 2根據(jù)干燥和濕潤狀態(tài)下自由能中的a b 組分所得的混合料排序結(jié)果5 4 表4 1 3四種瀝青一集料組合剪切實驗結(jié)果5 4 表5 1不同瀝青混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果57 表5 2四種不同的混合料組合的修正的l o tt m a n 試驗結(jié)果 5 8 表5 3四種不同混合料組合干燥狀態(tài)下的動態(tài)彈性模量( g p a ) 6 0 表5 4四種不同混合料組合飽水狀態(tài)下的動態(tài)彈性模量( g p a ) 6 0 表5 5不同荷載加載次數(shù)下四種混合料的k 值61 表5 6四種混合料在不同加載次數(shù)下的p 值6 2 表5 7采用傳統(tǒng)方法混合料水穩(wěn)定性優(yōu)劣排序6 4 表5 8采用剪切試驗和表面能試驗混合料水穩(wěn)定性優(yōu)劣排序6 4 表5 9各種評價混合料水穩(wěn)定性方法的優(yōu)劣比較65 論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明：本人所呈交的學位論文是在導師的指導下，獨立進行 研究工作所取得的成果。除論文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，對論文的 研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本論 文中不包含任何未加明確注明的其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的成 果。 本聲明的法律責任由本人承擔。 論文作者簽名：凋躊氣2 。唧年6 月1 1 日 論文知識產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明 本人在導師指導下所完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識產(chǎn)權(quán)歸 屬學校。學校享有以任何方式發(fā)表、復制、公開閱覽、借閱以及申請 專利等權(quán)利。本人離校后發(fā)表或使用學位論文或與該論文直接相關(guān)的 學術(shù)論文或成果時，署名單位仍然為長安大學。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名：凋碳矸 2 0 0 - t 年6 月f f 日 導師簽名：斷山鄉(xiāng)今一 d7 年么月夕日 ( 長安大學碩上學位論文 第一章緒論 1 1 研究背景及目的意義 贊比亞主要公路網(wǎng)的總里程至今已達到4 0 1 1 3 公里。根據(jù)國家公路會議的年終報 告，其中4 4 的道路已有嚴重損壞，需要維修或重建。由于資金短缺，使得公路的維 修養(yǎng)護工作往往不能及時實施，路面的早期破壞現(xiàn)象逐漸增加。 水往往是導致路面早期損壞的一個重要原因。瀝青路面水損壞是指水進入瀝青混合 料內(nèi)部導致混合料的強度和耐久性降低，設(shè)計和施工不合理時，這種現(xiàn)象更為明顯。當 水存在于混合料內(nèi)部時，瀝青膠漿( 瀝青與礦粉的混合物) 的粘結(jié)力和瀝青一集料之間 的粘附均有所減弱。r o b e r t se ta l ( 1 9 9 6 ) 認為熱拌瀝青混合料的強度主要由瀝青結(jié)合料的 粘結(jié)力、集料之間的嵌擠力和摩阻力構(gòu)成。如果瀝青與集料之間的粘結(jié)較弱，則在瀝青 一集料界面上就容易發(fā)生破壞，從而導致路面的早期損壞【1 】。圖1 1 表明了水損壞模式。 有的集料與瀝青粘附性較好，有的集料與瀝青粘附性較差，但水損壞都是水存在的情況 下發(fā)生的，唯一不同的是損壞發(fā)生的早與晚。j d a n g e l o 和rm a n d e r s o n ( 2 0 0 1 ) 認為 水損壞會加劇車轍、疲勞裂縫、松散和坑槽等破壞【2 】。 圖1 1 熱拌瀝青混合料( h m a ) 水損壞模式 圖1 2 表明水損壞對混合料承載力的影響，設(shè)計荷載循環(huán)次數(shù)由n 1 減少至n 2 。o c r 和t ，的數(shù)值代表路面到達其壽命終點的臨界應(yīng)力和應(yīng)變。 第一章緒論 b 協(xié) i 秘 善 c 鑫 ， 灌構(gòu)溢 磊謄鐾； 5 青 浸誓輯” 1 0 0 1 0 0不小于1 0 0 軟化點( r b ) ，。c4 7 64 8 5不小于4 3 密度( 1 5 。c ) ， 1 0 1 81 0 1 3 實測記錄 第三章原材料r 豐質(zhì)j 實驗方法 3 1 3 混合料組成 經(jīng)過原材料不同組合，形成四種不同的混合料。如圖3 2 所示。 料剃，類 溯1 7 類裂 混合料 名稱 詫崗巖 0上 歡存嶺7 0 囂劉h7 0 j l上 l h gb g i l 圖3 2 混合料組成 按照規(guī)范j t gf 4 0 - 2 0 0 4 要求，各個混合料的最佳瀝青用量( o a c ) 、平均瀝青膜厚 度列入表3 5 。 表3 5不同瀝青混合料的最佳用量 混合料名稱 指標 h lb lh gb g 最佳瀝青用量， 4 3 84 3 84 4 24 3 5 平均瀝青膜厚度，微米 6 66 66 76 6 3 1 4 毛細上升實驗中所用液體 實驗中采用四種不同的液體，分別是己烷、庚烷、水和丙三醇。由于己烷的表面能 較低，它可以將集料完全濕潤。各種液體的性質(zhì)列于表3 6 中。 3 2 實驗方法 實驗中除特別說明外均采用中國交通部頒布的相關(guān)的實驗規(guī)程。實驗規(guī)程與a s t m ( a m e r i c a ns t a n d a r dt e s t i n go fm a t e r i a l s ) 和a a s h t o ( a m e r i c a na s s o c i a t i o no fs t a t e h i g h w a y o f f i c i a l s ) 的基本相同。若中國規(guī)范中所沒有的實驗，則在本文中將詳細講述 相關(guān)的實驗過程。 長安人學碩上學位論文 表3 6毛細上升實驗中所用液體的性質(zhì) 液體名稱 性能指標( 2 0 0 c ) 己烷庚烷水丙三醇 密度，k g m 3 6 5 96 8 49 9 81 2 6 1 粘度，1 0 p a s 0 3 0 60 4 1 00 8 3 51 4 7 8 9 8 y t o 8 1 1 8 42 0 37 2 86 4 表面能，y 0o 2 5 55 7 4 m j m 2y +o o 2 5 53 9 2 y 墉1 8 42 0 32 1 83 4 3 2 1 瀝青與集料的常規(guī)實驗 實驗嚴格按照規(guī)范j t j0 5 2 2 0 0 0 1 2 9 1a n d j t ge 4 2 2 0 0 5 3 0 1 進行。 ( a ) 瀝青實驗 密度：t 0 6 0 3 1 9 9 3 針入度 ：t 0 6 0 4 2 0 0 0 延度 ：t 0 6 0 5 1 9 9 3 軟化點：t 0 6 0 6 2 0 0 0 ( b ) 集料實驗 密度( 粗集料) ：t0 3 0 4 2 0 0 5 密度( 細集料)：t0 3 3 0 2 0 0 5 砂當量 ：t0 3 3 4 2 0 0 5 3 2 2 馬歇爾實驗 混合料馬歇爾設(shè)計方法用于確定混合料的最佳瀝青用量。設(shè)計的目的在于提出滿足 規(guī)范對礦料間隙率、瀝青飽和度、空隙率、流值等要求的混合料，并且造價低廉。具體 實驗步驟詳見公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范j t gf 4 0 2 0 0 4 中b 5 和b 6 3 8 1 。此外按照規(guī) 范j t j0 5 2 2 0 0 01 3 9 1 中t 0 7 0 9 2 0 0 0 的步驟，可以得出各個混合料的殘留馬歇爾穩(wěn)定度。 試件的制作成型參照規(guī)范j t j0 5 2 2 0 0 0 中t0 7 1 0 2 0 0 0 進行。 進行馬歇爾殘留穩(wěn)定度實驗時，需成型六個滿足空隙率要求的試件，試件直徑 第三章原材料性質(zhì)與實驗方法 1 0 0 m m ，高6 3 5 m m 。六個試件分為兩組，各3 個。第一組試件在6 0 l o c 的水浴中 浸泡3 0 - 4 0 分鐘。然后取出試件在馬歇爾穩(wěn)定度儀上進行實驗，分別測出穩(wěn)定度和流 值。第二組試件在6 0 1 o c 的水浴中浸泡4 8 小時。然后取出試件進行實驗，分別測 出穩(wěn)定度和流值。馬歇爾殘留穩(wěn)定度記為t ，計算如下： ?。航z蘭! 2 1 2 5 】 m s 4 0 m i n “f “ 其中m s 4 8 伽，慨m i i l 咖分別代表兩組試件馬歇爾穩(wěn)定度的平均值。 3 2 3 修正的l o t t m a n 實驗( 凍融劈裂實驗) 在此實驗中，需確定凍融劈裂實驗強度比t s r 。t s r 表征了實驗室條件下水的作用 對混合料拉伸強度的影響。實驗結(jié)果可以預測瀝青混合料長期抵抗水侵害的能力。t s r 就是混合料受水影響前后拉伸強度的比值，可根據(jù)其對不同混合料抵抗水損壞能力進行 優(yōu)劣排序。 ( a ) 成型試件 四種不同的混合料按照各自的最佳瀝青用量成型試件，與馬歇爾成型方法基本類 似。擊實次數(shù)略有不同。馬歇爾試件采用雙面擊實7 5 次，而該實驗中雙面擊實5 0 次。 同樣成型六個試件，分為兩組，各三個。其中一組在干燥狀態(tài)下進行間接拉伸實驗，另 一組使其先在一定的實驗條件下保持一段時間，然后再間接拉伸。 ( b ) 實驗條件 試件首先真空飽水，然后進行凍融循環(huán)。 將試件在真空容器中浸泡于水，施加1 3 至6 7k p a 的絕對壓力，約5 - - 一1 0 分鐘。然 后關(guān)閉壓力，繼續(xù)真空飽水5 - - 一1 0 分鐘。 將飽水的各個試件放入裝水的塑料袋中，密封保存。然后將密封的塑料袋放入 - 1 8 4 - 3 0 c 的低溫箱內(nèi)至少1 6 小時。 然后將試件取出，去掉塑料袋，把試件放入6 0 - j ：l o c 的水浴中浸泡2 4 4 - 1 小時。 浸泡2 4 4 - 1 小時后再將試件放入2 5 + 0 5 0 c 的水中浸泡2 + 1 小時。同時，干燥的試件 也放入2 5 + 0 5 0 c 的水中浸泡2 _ - l 1 小時。最后各個試件進行間接拉伸實驗( i t s ) 。 ( c ) 間接拉伸實驗 將試件置于兩個壓條之間，放置于拉伸試驗機上，沿著試件直徑方向，以每分鐘 5 0 r n m 的恒定速度加載。記錄儀器上顯示的最大壓應(yīng)力，以計算i t s 。 3 2 長安大學碩士學位論文 ( d ) 計算公式 間接拉伸應(yīng)力可按下式計算： i t s ：蘭里旦q 7 r t d 其中： i t s 一一間接拉應(yīng)力，k p a ； p 一一最大壓力，n ； t 一一試件厚度，i l l m i d 一一試件直徑，姍。 凍融劈裂實驗強度l - j f ( t s r ) 可按下式計算： t s r = 哿 【3 1 】 3 2 】 其中i t s 的值為三個試件凍融前后的劈裂抗拉強度的平均值。 3 2 4 表面能實驗 測量瀝青與集料的表面能有多種不同的方法。本文采用毛細上升實驗測定集料的表 面能，采用s e s s i l ed r o p 法實驗測定瀝青的表面能。 ，集料表面能的測定 測定固體表面能的方法有很多種，如s e s s i l ed r o p 法，u n i v e r s a ls o r p t i o n 法，i n v e r s e g a sc h r o m a t o g r a p h 等。在本文的研究中采用毛細上升實驗( c a p i l l a r yr i s em e t h o d ) ，實驗 操作簡單易行，造價低廉。將粉末狀的固體裝于毛細管中，毛細管的一端浸入液體重， 該液體的表面張力是已知的。細小的粉末顆粒之間會形成微小的毛細管通道，液體就會 沿著這些管道上升，記錄時間t ( 以秒計) 內(nèi)，液體上升的高度h ( m ) 。根據(jù)w a s h b u r n 公式( 式3 3 ) ，可知只要得知一( m ) ，就可算出c o s0 。 z ：型掣 3 3 】 z r 其中： 札指液體的表面能( 或表面張力) ，j m 。2 ； t 1 指液體的粘度，p a s ； 若所用的液體能夠充分浸潤固體( 即c o s 0 = 1 ) ，則粉末狀固體的產(chǎn)可按照下式計算： r 木 ：蘭翌壘： ty 3 4 】 電 第三章原材料性質(zhì)與實驗方法 根據(jù)y o u n g d u p r 6 公式( 公式2 7 ) ，液體與固體之間的接觸角與二者的表面能有關(guān)。 ( 1 + c d s o ) r 工= 2 ( 廄+ 廝+ 廄萬) 【2 - 7 圖3 3 毛細上升實驗 玻璃瓶 s i e b o l de ta l 將式3 3 進行修正，形成另一表達式，此式適用于毛細作用下，固體質(zhì) 量大幅增長的情況l 加i 。 一般質(zhì)量與密度有如下關(guān)系： w = , o a h - - 臚尸粒h【3 5 】 其中： p 為液體的密度； a 指固體顆粒形成的空隙的橫截面積； w 指固體質(zhì)量的增加量。 將式3 5 變化為： h = 去 3 6 p 萬，木2 1 長安大學硬士學位論文 由式3 3 和3 6 可得： wz ：。女旦：! 竺! f 可 【37 】 其中： c 為系數(shù)，表征了集料的幾何性質(zhì)( 單位：m 5 ) 。 若所用的液體能夠充分浸潤固體粉末( 即c o s b = c o s0 = 1 ) ，則給定一種固體粉末，就 可阻算出它的c 值。 口2 ，t 5 3 8 】 圈34 毛細上升實驗 ( a ) 實驗步驟 具體測定集料表面能的實驗步驟如下； i 準各四種表面能已知的液體，其中一種可以充分浸潤固體粉末； i i 每一種集料都準備四個試樣： i i i 按照圖3 3 和34 所示，將試樣放入玻璃管，四個試樣分別采用不同的液體 i v 分別測定四個試樣的w 和t 值； v 當液體完全浸潤固體粉末時，根據(jù)公式37 確定c 值； v i 計算其他三種液體的c o so ； 第三章原材料性質(zhì)與實驗方法 重復i 到v i 中的實驗步驟，至少兩次，并計算出c o s0 的平均值； v i i i 將實驗結(jié)果帶入公式2 7 ； i x 計算出固體表面能。 ( b ) 材料及儀器 電子秤( 精確至o 0 1 9 ) 2 0 c m 長、直徑2 c m 的毛細玻璃管，一端裝有連接套管，并有三角架以支撐整 個玻璃管 盛放液體的玻璃瓶，靠近瓶底連接一細玻璃管作為出口 孔徑小于0 0 7 5 m m 的濾篩 計時器 石灰?guī)r與花崗巖的細集料( 小于等于1 1 8 m m ) 實驗用液體：水、丙三醇、己烷、庚烷 ( c ) 試樣的準備與測定 每次實驗都準備1 0 0 9 細集料。1 1 8 ，0 6 ，0 3 ，o 1 5 和0 0 7 5 m m 的篩上均為2 0 9 。將 1 0 0 9 細集料在烘箱中烘4 小時，然后在室溫下冷卻，同時將試樣遮蓋以免吸收空氣中 的水份。集料冷卻至室溫后，裝入毛細玻璃管中，壓實2 0 次。將玻璃管安裝固定，如 圖3 3 和3 4 ，并開始測定。在第一分鐘內(nèi)，每1 0 秒測定一次。以后直至1 0 分鐘，3 0 秒測定一次。對于丙三醇，由于質(zhì)量增加較緩慢，因此記錄質(zhì)量每增加0 0 1 9 的時間。 二，瀝青表面能的測定 液體的表面能和表面張力在數(shù)字上是相等的，而且可以互相通用。s e s s i l ed r o p 法( 滴 落法) 已經(jīng)被應(yīng)用在表面能的研究中，該法由于對設(shè)備的要求不是很高所以顯得簡單實 用。 該方法基本原理是：用一滴已知表面能性質(zhì)的液體滴到待檢測的材料上，然后直接 測量該液體與待檢測材料形成的接觸角。一旦接觸在固體表面上的三個不同方向的接觸 角被確定的時候，利用y o u n g d u p r 6 方程( 方程2 7 ) 形成三個連續(xù)方程，用得到的這組 方程就可以研究固體材料的表面能組成。試驗中，瀝青膠漿被放在鍍膜玻璃板上，然后 通過注射器在瀝青膠漿上滴下液體。鍍膜玻璃板在試驗中必須得保持水平。 用滴落法測量接觸角的檢測設(shè)備是由一套光學捕捉系統(tǒng)和圖象分析軟件組成的。在 本研究中，檢測設(shè)備如圖3 5 ，是由放大鏡和數(shù)碼相機來捕捉圖象的。一旦有水滴落的 3 6 長安大學碩一卜學位論文 圖象產(chǎn)生，水平表面的平衡被破壞，數(shù)據(jù)隨即被傳送到計算機進行分析。用a u t o c a d 軟件，可比較容易的測量接觸角。接觸角的測定也可以從手動打印的數(shù)碼相機捕捉到的 圖像上獲得 圖3 5 滴落法實驗 ( a ) 步驟和材料 加熱瀝青膠漿直到它熱融化成一個均勻粘度的液體。用一個平整的玻璃板蘸取受熱 熔化的結(jié)合料，隨后讓整個玻璃板的溫度下降到室溫。與此同時，讓試驗液體在水浴中 保持2 0 * ( 2 。試驗開始后就可以捕捉從兩種物體界面位置的液體滴落圖象。這就使得在 一次滴落試驗中可以獲得四個測量接觸角的機會。重復試驗3 次以上，這樣對于每種檢 測液體總共可以獲得1 6 次測量接觸角的機會。實驗所用的液體可以是水、甘油、正己 烷。 ( b ) 計算 在瀝青膠漿上檢測液體的接觸角被測量后，1 6 個試驗結(jié)果的平均值被用在 y o u n g - d u p r 6 方程中來計算瀝青膠漿的表面能特性。應(yīng)當指出，這個試驗過程類似與集 料的表面能特性測試。兩種評價接觸角方法唯一的不同點是c r m 被運用在集料試驗中， 而滴落法被用在瀝青膠漿試驗中。 3 2 5 動態(tài)模量 在該實驗中，控制壓應(yīng)力o ，作用于豎直的圓柱體試件產(chǎn)生規(guī)定的應(yīng)變，循環(huán)作 3 7 第三章原材 性質(zhì)與實驗方法 用n 次。每次加載都計算相應(yīng)的模量值。 實驗采用m t s 萬能材料實驗機。m t s 試驗機可以根據(jù)需要進行多種不同功能的實 驗。試驗機可產(chǎn)生拉力、壓力、扭轉(zhuǎn)、或壓力與扭轉(zhuǎn)組合。數(shù)據(jù)可自動采集，并保存至 相連的電腦內(nèi)。 m t s 萬能材料實驗機主要由實驗裝置、數(shù)字控制器及電腦組成。圖3 6 顯示了萬能 材料實驗機的組成。 ( a ) 成型試件 四種混合料按照各自的最佳瀝青用量成型馬歇爾試件。試件采用靜態(tài)壓力機壓實， 空隙率為7 。將6 個試件分為2 組，各3 個。將第一組試件在干燥狀態(tài)下進行循環(huán)壓 力加載疲勞實驗，第二組試件先在規(guī)定的實驗條件下保持一段時間，然后再進行循環(huán)壓 力加載疲勞實驗。試件直徑為1 0 15 m m ，高度為1 0 0 r a m 。 試件 加藏裝 圖3 6 萬能試驗機 ( b ) 實驗條件 將試件在真空容器中浸泡于水，施加1 3 至6 7k p a 的絕對壓力，約5 1 0 分鐘。然 后關(guān)閉壓力，繼續(xù)真空飽水5 1 0 分鐘。 將飽水的各個試件放入裝水的塑料袋中，密封保存。然后將密封的塑料袋放入 - l g e 3 0 c 的低溫箱內(nèi)至少1 6 小時。 然后將試件取出，去掉塑料袋，把試件放入6 0 e l 。c 的水浴中浸泡2 4 d ：1 小時。 浸泡2 4 e l 小時后再將試件放入2 5 士o 5 0 c 的水中浸泡2 士1 小時。同時，干燥的試件 也放入2 5 - 05 。c 的水中浸泡2 a ：i 小時。最后各個試件進行循環(huán)壓力加載疲勞實驗。 長安大學碩士學位論文 ( c ) 動態(tài)模量的涮定 將試件從2 5 ： 0 5 0 c 的水中取出，放置在試驗機的支座上。在無側(cè)限條件下加載， 控制應(yīng)力1 1 5 k p a ，豎直作用于圓柱體試件上反復加載頻率為ih z 。實驗溫度為 2 5 ：e 05 0 c 。兩個傳感器連接在試件的外圍。加載循環(huán)分別為1 0 , 1 0 0 ，5 0 0 , 1 0 0 0 , z s 0 0 , 2 0 0 0 , 2 5 0 0 , 3 0 0 0 ，3 5 0 0 和3 6 0 0 次并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。 圖37 作者采用靜態(tài)壓力機成型試件 ( d ) 計算 測定第i 次循環(huán)時的軸向應(yīng)力o 。和可恢復變形e + ，可計算出回彈模量： e ：丑【3 9 ， 其中o 。和e 為各種混合料三個試件干濕條件下試驗結(jié)果的平均值。 3 2 6 剪切實驗 剪切實驗可用于評價混合料中瀝青與集料之間的粘結(jié)強度或瀝青結(jié)合料的內(nèi)聚力。 在粘合工業(yè)和d u p o n t l 3 1 中，剪切實驗是一項常規(guī)實驗，該實驗同樣適用于對瀝青的研 究。實驗中，將兩塊玻璃片粘結(jié)起來，粘結(jié)面積為6 4 5 c m 2 。然后在拉力裝置上將玻璃 片按不同的方向拉伸，記錄破壞之前的最大拉力，就是結(jié)合料的粘結(jié)力。 實驗方法如下： ( a ) 試件尺寸 成型兩個圓柱形試件，試件直徑為5 0 2 m m ，高2 5 ： 2 m m 。將兩個試件用瀝青粘結(jié) 第三章原材 4 性質(zhì)與實驗方法 起來。粘結(jié)面積為1 96 3 e r a 2 。 ( b ) 加載方式和速度 如圖3 8 ，剪切實驗裝置使得試件在剪切作用下相分離。剪切面上受到的最大的力 就是剪切應(yīng)力。加載控制應(yīng)變，加載速率為1 0 n u n m i n u t e 。 ( c ) 實驗溫度 試件在1 8 。c 下進行實驗。若在更高的溫度下實驗，不同瀝青結(jié)合料的剪切力差別 不丈，并且破壞一般發(fā)生于瀝青結(jié)合料內(nèi)，而不是在瀝青一集科的界面上。 ( d ) 瀝青粘結(jié)層厚度 將瀝青加熱至1 4 0 。c ，取2 9 瀝青涂與集料的表面( 瀝青粘結(jié)層約1 0 n u n 厚) 。將集 料在室溫下冷卻i 天。 ( e ) 實驗方法 試件室溫下冷卻1 天后，將6 個試件分為2 組，將第一組試件放入1 8 0 c 低溫箱內(nèi) 2 小時，然后取出進行剪切實驗，加載速率為1 0m m m i n u t e 。第二組試件先放入2 5 。c 水浴中浸泡2 4 小時，然后再放入1 8 0 c 低溫箱內(nèi)2 1 小時，再進行剪切實驗，加載速 率與上相同。由此可以計算出兩組試件的剪切強度的比值。 s u r f 艙ea f i e xt e s t d i s p l a yd e v 沁8 圖3 8 劈切實驗 ( f ) 計算 一產(chǎn) b 州 其中；s s 指飽水與干燥環(huán)境下試件的平均剪應(yīng)力。 長安大學碩士學位論文 第四章瀝青與集料粘附性分析 4 1 界面粘附 粘結(jié)破壞模型是基于瀝青與集料在沒有水存在情況下的表面能提出的。首先計算集 料的表面能。 4 1 1 集料表面能的計算 第三章得出w a s h b u r n 公式，表征了質(zhì)量增長w 與時間t 的關(guān)系： w 2 ：c p 2 y l c o $ of 4 1 】 刁 對于己烷，它可以充分浸潤集料顆粒，因此有c o s0 = c o s0 = 1 。此時，公式4 1 變 為如下式，得到參數(shù)c 的表達式： c ：孚 【4 。2 2 】 c = l 一1 1 pyl l 得到c 值，可以認為己烷的c 值與其他三種液體的相同。可以按照下式計算瀝青集 料界面的接觸角。 c d 胡：k 蘭 c p 圪t 【4 3 】 圖4 1 ( a ) t 至4 1 ( h ) 和表4 1 至4 4 給出詳細的實驗結(jié)果。附錄a 列出毛細上升實 驗的原始數(shù)據(jù)。 。守 拶 。 器 s 暑 羔 璺p g 驀 呂 們 4 0 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 面i 瑾( s ) ( a ) 4 1 04 0 08 1 互0 l i m e ( s ) (z囂一廿譬2q口_矗ia事jo p j 邕f 0勾04 0 0 而t e ( s ) ( c ) 0 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 螂) ( 田。 1 a 1 8 砌砌姍黜 t m - e ( s ) ( e ) 0 0 0 2 4 0 0 t n m ( s ) 3 0 0 6 0 09 0 01 2 0 0 t i m e ( s ) ( 曲 3 0 06 0 09 0 0 t m e ( s ) 圖4 1 各種集料和液體質(zhì)量增長的平方與時間的關(guān)系 4 2 (7宕)o8j3口h_氤一oj0 o j b f l f 8 5 2 9 6 3 0 一n p m哪ioc一_c西一哪：io m=西丁叮 0 8 6 4 2 0 1 0 0 0 o 0 7暑一p跨2。口一-矗奄j0 o高罩寸 一7宕一q器ajuii：t18i。事jo急：叮 長安大學碩士學位論文 表4 1 第一組實驗液體一固體界面接觸角計算結(jié)果統(tǒng)計表 123 = 1 x 2 +4 = 2 + 35 = 1 x 4 w 2 t 刁 7 集料液體 l k 9 2 s )p 2 九 c c 分yl c o se 0 水 7 1 1 e 一0 9 1 1 5 e - 0 82 7 2 e 1 6 4 2 4 e + 0 70 3 0 1 37 2 。4 6 庚烷 6 2 1 e 0 94 3 1 e 0 82 7 2 e 1 61 5 9 e + 0 80 9 8 5 09 9 4 石灰?guī)r 己烷 7 0 9 e 0 93 8 3 e 0 82 7 2 e - 1 61 4 1 e + 0 81 0 0 0 0 s p r e a d s 丙三醇1 0 8 e 1 11 4 5 e 0 52 7 2 e 1 65 3 4 e + 1 00 5 7 6 45 4 8 水1 0 7 e 0 91 0 7 e 一0 96 2 5 e 1 61 8 4 e + 0 70 0 1 9 7 8 8 8 7 庚烷 1 1 3 e - 0 84 3 1 e 0 86 2 5 e 1 66 9 0 e + 0 70 7 8 2 43 8 5 2 花崗巖 己烷1 6 3 e 一0 83 8 3 e - 0 86