论文总字数：21863字

摘 要

现阶段我国沥青路面的早期损坏如：骨料剥落、表面坑槽、颗粒松散等现象非常普遍，这些道路的损害不仅降低了路面的使用寿命，造成大量的材料浪费，而且更为严重的是极大的威胁了人们的生命。因此目前在我国的道路建设和管理养护中，如何解决沥青路面早期损坏成为了一个热点话题。影响沥青路面使用的因素有很多：例如材料的组成、结构以及性质，此外施工时所处的外界环境以及施工的方法对沥青路面的使用也有一定的影响。目前大多数的高速公路上使用的材料是沥青混凝土，它可以看作是一种复合材料，由沥青相、集料相以及沥青-集料界面相三相组成。据研究发现沥青混凝土的破坏往往是从界面开始的。

本文主要研究的是基于集料-胶浆界面结构特性的沥青混凝土性能研究，首先主要对课题的相关研究背景及意义、国内外研究现状等内容进行阐述，其次对沥青与集料界面的结构表征进行研究，分析了沥青与集料界面的细观结构与微观结构，探讨了沥青与集料的相互作用，然后从集料特性对沥青路面粘附性、疲劳性能、低温抗开裂性能、高温稳定性以及耐水性五个方面进行了分析，探究界面结构特性与混凝土路用性能的联系，最后对文章进行总结。

关键词：集料-胶浆界面；沥青混凝土；结构特性；性能

Abstract

Currently, asphalt pavement damage is very coon in China, such as: aggregate peeling, surface pit, loose particles and so on. The damage of these roads not only reduces the service life of the pavement, causes a lot of material waste, but also threatens people's life. Therefore, how to solve the early damage of asphalt pavement has been a hot topic in the road construction, management and maintenance in China. There are many factors that affect the use of asphalt pavement: for example, the composition, structure and nature of the materials. In addition, the external environment and construction methods also have an impact on the use of asphalt pavement.The material applied in many expressways is asphalt concrete, which can be regarded as a kind of composite material, consisting of asphalt phase, aggregate phase and asphalt aggregate phase. It is found that asphalt concrete is damaged from the junction.

This article mainly discusses the performance of asphalt concrete based on the structure characteristics of aggregate mortar . Firstly, it mainly describes the research background and importance of the topic, and the present research status domestic and foreign. Secondly, it studies the structure characterization of the between asphalt and aggregate, analyzes the micro structure and micro structure of the between asphalt and aggregate, and discusses the interaction between asphalt and aggregate Function, then from the aggregate characteristics of asphalt pavement adhesion, fatigue performance, low-temperature anti cracking performance, high-temperature stability and water resistance five aspects were analyzed, explore the relationship between structure characteristics and concrete road performance, finally the article is summarized

Keywords: aggregate-mortar ； asphalt concrete； structural characteristics； performance

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

1 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 混凝土界面研究现状 2

1.2.2 沥青胶浆的界面结构与性能研究 2

1.3 主要研究内容 3

2 沥青与集料界面的结构表征 4

2.1 沥青与集料界面细观结构研究 4

2.1.1 细观结构分析方法 4

2.1.2 细观结构特性评价指标 5

2.2 沥青与集料界面微观结构研究 6

2.2.1 微观结构分析 6

2.2.2 微观结构特性评价指标 6

2.3 沥青与集料的相互作用研究 7

2.3.1 沥青与集料界面相互作用研究 7

2.3.2 沥青-集料粘附性与沥青与集料界面水稳定性研究 8

3 集料特性对沥青路面路用性能的影响 10

3.1 集料特性对沥青路面粘附性的影响 10

3.1.1 胶质与沥青质的含量 10

3.1.2 老化 10

3.1.3 集料表面的自由能大小 10

3.2 集料特性对沥青路面疲劳性能的影响 11

3.3 集料特性对沥青路面低温抗开裂性能的影响 11

3.4 集料特性对沥青路面高温稳定性的影响 12

3.5 集料特性对沥青路面耐水性的影响 12

4 总结 14

参考文献 15

致谢 19

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

公路运输是五种主要运输方式之一，起着其他运输方式不能代替的纽带和桥梁作用。对其自身来说“要想富，先修路”就体现了公路运输的超前性；对于其他的经济产业，公路运输路运输以它特有的方式，贯穿于工业、农业以及手工业之间，极大地促进了经济的发展。所以说公路运输是国家综合国力和现代化水平的重要指标^[1]。近年来，由于中国社会经济的飞速发展，对道路基础设施建设不断完善，公路运输不仅成为一个独立的运输体系，而且在铁路和航空运输中起着重要的连接作用。

近年来，沥青路面的建设规模空前增长。随着中国交通运输和经济水平的不断发展，人们对沥青路面有了更加进一步的要求。但是，许多沥青路面在通车后的数年内会在表层产生相应的疾病，例如车辙，裂缝，水损坏，油浸等，这些对于交通的顺畅影响很大^[2]。

根据中尺度分析，硬化后的沥青混凝土由沥青砂浆，界面和集料组成，如图1.1所示。其中，界面承担着桥梁与枢纽的作用，它将沥青砂浆和性质完全不同的集料结合成一个整体，作为黏结剂的界面，其性能对混凝土性能有重要影响，研究表明界面性质越好则混凝土整体强度、弹性模量(刚度)、耐久性等性能越好^[3]。然而在界面处的结构相对疏松，强度较低，抵御外界因素影响的能力较差，因此界面被视为混凝土结构中最脆弱的部分。为了研究界面的微观结构和影响微观结构的因素有必要确定材料的组成，结构，过程和生产率定量关系的基础，是在各种环境条件下执行寿命预测和物质特性发展规律的基础^[4]。

图1.1 沥青混凝土的组成

1.2 国内外研究现状

1.2.1 混凝土界面研究现状

Farran等人^[5]在岩石学，矿物学和晶体学等各个方面发现，沥青和集料之间的区域中的水合产物结构相对疏松，强度低。 Shah ^[6]研究了混凝土界面的形成机理，预测了集料和沥青界面对混合料性能的影响，并建立了界面结构模型。 Harutyunyan V.S. ^[7]使用扫描电子显微镜(SEM)，X射线衍射分析(XRD)，超声回弹法，微量热法(Microcalorimetry)等研究了混凝土砂浆与集料之间的界面的粘附性能。吴中伟^[8]提出了混凝土中“中心质量假说”的各种级别。以及“中央群众效应”。魏鸿等^[9]使用扫描电子显微镜和电子能谱仪观察了再生水泥混凝土的微观形态和结构，发现再生水泥混凝土内部的界面并不统一，其结构厚度和元素分布等都有很大的变化，在过渡区外Si和其他元素连续分布，而在界面的过渡区域中这些元素会在某种程度上呈现聚集分布。袁民^[10]的研究发现采用多阶段加料和搅拌的过程代替传统的单次加料和搅拌的过程可以有效改善了水泥的分散性，水合度和平衡混凝土界面过渡区强度梯度。张海捷等^[11]研究了混凝土耦合系数与阻尼系数之间的关系。集料与水泥石之间的界面的黏结面积越小，混凝土的连接强度越小，它们之间发生振动和摩擦的可能性越小，混凝土的阻尼系数也越小。郑建军等^[12]利用计算机模拟研究了混凝土界面的分数和渗滤阈值，并讨论了混凝土界面之间的重叠，集料级配，最大集料粒径和界面厚度对混凝土表面积分数的影响。雷霆^[13]使用集料填充工艺在早期阶段显著提高集料-水泥石表面的附着强度。当炉渣用作添加剂时，改善界面附着力的效果最佳。叶果^[14]测试了新旧混凝土样品的剪切力，并比较了三种条件下新旧混凝土界面的抗剪强度：界面处的人工榫眼，界面处的人工榫眼和界面上的人工加固后的油溶液和配筋接口，揭示了新旧混凝土界面抗剪的原理。

1.2.2 沥青胶浆的界面结构与性能研究

由沥青与集料之间的相互作用形成的界面结构直接影响沥青砂浆的性能，因此科学家开始关注这一方面的研究。当前，测量沥青与集料之间相互作用的方法有很多，主要包括直接评估和间接评估两种。其中，直接评估是先将集料周围均匀包裹一层沥青，通过施加外在因素直接观察沥青的剥落情况，如：热浸，超声测量，U型剥离测试以及使用表面自由能理论。这种方法往往操作简单，但是受人为主观因素影响较大，而且没有一个定量的指标；间接评估方法主蛀主要是采用光学原理，通过对溶液吸光度的测定来评定沥青的剥落程度，这种方法可以较为准确的测量出沥青与集料之间的作用大小，但是操作较为复杂，不能在实际运用中推广。在SHRP研究中，Ramanathan ^[15]提出在室温(25℃)下使用超声技术测量沥青与集料之间的粘附力；魏建明^[16]使用床滴法测定了集料的表面自由能，并根据表面自由能理论研究了沥青与集料的粘附特性，分析得出四组分沥青含量与蜡含量和沥青表面自由能之间的关系；王抒音^[17]研究了通过浸入加热来改善沥青表面与集料之间相互作用的技术方法。

肖月^[18]使用动态剪切力高达15μm的流变仪精确地控制了集料-沥青中间层中沥青的厚度，并使用DMA动态热机械分析仪确定了在动态和静态条件下集料-沥青界面的延伸特性，对试验后的样品进行微观结构分析，通过微观结构分析各种因素对沥青砂浆疲劳强度，拉伸强度和抗裂性的影响。李华^[19]等人为五种矿物粉末制备了具有不同粉末与黏合剂比率的沥青悬浮液，并使用了常规的沥青测试方法，动态剪切流变仪，弯曲梁流变仪和布洛克菲尔德黏度计来测试沥青橡胶。测试了淤浆的高温和低温特性，并获得了测试条件，温度和粉末与黏结剂的比例对沥青砂浆流变性能的影响。沥青和矿粉的特性会影响沥青溶液的特性，其中酸度和碱度以及矿粉的平均粒径是主要影响因素。詹小丽^[20]等人使用DMA方法研究了沥青砂浆的相结构。当温度从Han曲线变化为30〜60℃时，沥青砂浆的Han曲线似乎不会随温度分离。它对应于温度-时间当量，并且对应于粘弹性材料的基本定律。目前，沥青和矿物粉末的相容性良好，并且没有相分离。当用改性沥青代替沥青时，得到的沥青溶液Khan曲线除以温度，这表示此时的沥青溶液处于相分离状态，相容性差，并且改性沥青砂浆的相容性条件更严格。从流变学的角度来看，郭猛^[21]分析了通过将各种矿物粉末和沥青以一定频率混合而获得的沥青溶液的复数模量，储能模量和损耗模量的变化规律，并分析了其是否对应于黏度。弹性材料的时温等效原理表明，储能模量高于一定温度，频率相对较低时，斜率较小，这与时温等效获得的主曲线有所偏离，表明其弹性成分增加，然后砂浆中矿石和沥青粉末的相分离并未形成另一个稳定的独特相：从主曲线图可以得出结论，在一定温度下，存储模块的主曲线在低频末端显示出清晰的分离，这不能叠加，即，“时间和温度的叠加误差”。然后，分别建立了Han图，VGP图和Cole-Cole图，并基于这五个测试结果，获得了VGP图，以评价沥青和沥青砂浆的时温等效原理的适用性和相分离特性。

1.3 主要研究内容

本文主要研究的是基于集料-胶浆界面结构特性的沥青混凝土性能研究，首先主要对课题的相关研究背景及意义、国内外研究现状等内容进行阐述，其次对沥青与集料界面的结构表征进行研究，分析了沥青与集料界面的细观结构与微观结构，探讨了沥青与集料的相互作用，然后研究了集料特性对沥青路面路用性能的影响，从集料特性对沥青路面粘附性、疲劳性能、低温抗开裂性能、高温稳定性以及耐水性五个方面的影响进行了分析，最后对文章进行总结。

第2章 沥青与集料界面的结构表征

2.1 沥青与集料界面细观结构研究

2.1.1 细观结构分析方法

随着技术的发展，数字图像处理技术为人们用来研究沥青与集料之间界面微观结构提供了新的思路。由于计算机断层扫描仪具有无损检测和高扫描精度的特点^[22]，所以数字图像处理技术逐步代替了传统的人工测量方法，成为了微观检查沥青与集料之间界面的重要基础。数字图像处理技术是通过分析沥青和集料界面上各组分的含量和空间分布，利用图像信息采集技术获得沥青和集料界面样品内部结构中空隙，沥青砂浆和粗集料的成分特征值，来分析各成分的特征值与界面宏观物理参数之间的关系，从而探究沥青和集料之间的界面性能。

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