沥青混合料加热愈合方法研究

论文总字数：38443字

摘 要

沥青材料的自愈特性已经得到道路研究人员的广泛认可，如果能采取一定方式促进沥青混合料的愈合速率，并增强其疲劳性能，有望延长沥青路面的使用寿命。

本文设计了不同导电材料掺量的SUP-13沥青混合料试件，导电材料限定为石墨和钢纤维。然后评价了导电材料对试件马歇尔稳定度及流值的影响，结果表明：添加了石墨的马歇尔试件的强度有所下降，而只添加了钢纤维的马歇尔试件则具有更好的变形能力。

其次，对不同导电材料掺量（0.25%钢纤维，0.5%钢纤维，0.25%钢纤维 14%石墨）的试件进行了导电性的测试，并解释了相关的导电原理。试件的体积电阻率随着导电纤维及填料的增加而下降。此外，石墨可以增强钢纤维沥青混合料的导电性能。

再次，本文首先对三种马歇尔试件（无导电材料的试件，添加0.25%钢纤维的试件，添加0.25%钢纤维和14%石墨的试件）进行了微波加热试验，加热时间为4分钟，对比了不同试件的温度与加热时间的关系，结果表明添加了导电材料的试件的加热效果好于普通试件。然后，本文通过四点弯曲疲劳试验，采用疲劳-愈合-再疲劳的试验方式，对三种沥青混合料试件进行了试验，愈合方式分为自然愈合与加热愈合。试验结果表明：不同试件在自然愈合条件下的恢复有所差异，疲劳性能由好到差分别为：0.25%钢纤维试件gt;普通试件gt;0.25%钢纤维 14%石墨试件。此外，钢纤维沥青混合料的加热愈合效果较为明显。

最后，本文对整个研究过程进行了总结分析，并提出了需要进一步研究和解决的问题，为进行更深入的研究提供参考。

关键词：沥青混合料；钢纤维；导电性；微波加热；四点弯曲疲劳试验；自愈合

INVESTIGARION ON SELF-HEALING OF ASPHALT MIXTURE VIA HEATING

Abstract

Self-healing properties of asphalt materials have been widely recognized by roadway researchers, if we can promote the healing rate and enhance the fatigue performance of bitumen and asphalt mixtures via some certain methods, which is expected to extend the life of asphalt concrete.

Three types of SUP-13 asphalt mixtures with different conductive material content were used in this article; the conductive material is defined as graphite and steel fiber. Then we evaluated the influence of conductive material on the Marshall Stability and flow values of test specimens. The results showed graphite will reduce the strength of Marshall Specimen, while the test specimen with only steel fiber obtains better deformation resistance.

After that, the electrical conductivity of different test specimens (with 0.25% steel fiber, with 0.5% steel fiber, with 0.25%steel fiber and 14%graphite) was tested, with the relevant theories of conducting introduced. The volume resistivity of test specimen decreases with the addition of conductive fibers and filler. Moreover, graphite can enhance the conductivity of asphalt mixture with steel fibers.

Then, microwave heating test were carried out on three types of Marshall Specimens (without conductive materials, with 0.25% steel fiber, with 0.25%steel fiber and 14%graphite), the heating time is 4 minutes, the relationship between heating time and temperature was showed. The results showed the heating effect of specimens with conductive material was better than general specimens. Besides, four-point-bending test was conducted on three types of asphalt mixture via “fatigue-healing-fatigue” test program, the healing method were nature healing and microwave healing. The test results showed different specimen showed different healing recovery via nature healing way, the fatigue performance ranks as 0.25% steel fiber specimengt; general specimensgt; 0.25% steel fiber 14% graphite specimen. In addition, the healing recovery of 0.25% steel fiber specimen was obvious.

In the end, we summarized the whole research process and propose the issues that require further study and resolution, which provide a reference for in-depth study.

Keywords: asphalt mixtures; steel fiber; electrical conductivity; microwave; four-point-bending test; self-healing

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1自愈合的研究 2

1.2.2沥青混合料自愈合特性 2

1.2.3导电沥青混合料 3

1.2.4加热愈合沥青混合料的研究 4

1.3研究内容及重难点 5

1.4研究技术路线 5

1.5可行性论证 5

第二章 沥青混合料配合比设计 6

2.1原材料性质 6

2.1.1沥青 6

2.1.2集料 6

2.2 混合料设计 7

2.2.1 Superpave混合料设计方法 7

2.2.2级配设计 8

2.2.2确定沥青用量 9

2.3 试件成型 10

2.4 马歇尔试验 11

2.4.1 试件成型 12

2.4.2 试验方法 12

2.4.3 试验结果 12

第三章 导电性测试 14

3.1材料 14

3.2 理论背景 15

3.2.1 渗流阈值 15

3.2.2 导电性影响因素 15

3.3导电性测试与分析 16

3.3.1 测试方法 16

3.3.2 测试结果与分析 17

3.4本章小结 19

第四章 疲劳愈合试验 20

4.1四点弯曲疲劳试验 20

4.1.1 疲劳试验介绍 20

4.1.2 试验设备 21

4.1.3 试验参数 21

4.1.4 试验步骤 22

4.2 疲劳试件制备 23

4.3 疲劳试验参数计算 24

4.4 试验方案 25

4.4.1 微波加热试验方案 25

4.4.2 疲劳试验方案 26

4.5 愈合指标 26

4.6 试验结果及分析 27

4.6.1 微波加热结果分析 27

4.6.2 毛细流动理论 28

4.6.3 自然愈合结果分析 30

4.6.4 加热愈合结果分析 31

4.7 本章小结 32

第五章 总结与展望 33

致谢 34

参考文献 35

第一章 绪论

1.1研究背景

公路交通是我国交通运输系统的重要组成部分之一，对国民经济的发展、现代化建设水平的提升都具有重大意义。良好的道路交通网是反映国家经济水平和社会稳步发展的重要标志。随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，人们对公路交通的基础建设也提出了更高的要求。截止2013年底，我国公路通车总里程已经突破了420万公里，其中高速公路总里程已超过10万公里，位居世界第一^[1]。2015年初，最新统计数据显示，我国公路基础设施继续呈现出良好的增长势头，其中全国新增公路里程 9.38万公里，高速公路 7450公里，此外，2014年新改建的农村公路达到23万 公里 ^[2]。

沥青路面获得了道路工程人员越来越广泛的应用，相比于水泥混凝土路面，沥青路面具有表面平整，行车振 动，驾驶舒适，无接缝、耐磨、噪音小、施工 时间短、可分期修建、方便养护和维修等优点 ^[3]。目前，我国90%以上的高速公路都使用的沥青路面。然而，沥青路面在长期的使用过程中，沥青混凝土结构在复杂的交通环境下会不可避免地产生微裂缝和局部损伤。这可能会减少路面结构的使用寿命，甚至危及整个道路结构的安全。因此，在我国公路建设保持良好势头的同时，道路工作人员同样需要着重关注道路的养护和修复工作。

在高等级公路沥青路面中，主要有以下几种 常见的病害：裂缝（横向、纵向及网状裂缝）、车辙、松散剥落及表面磨光等^[3]。其中路面疲劳开裂的问题愈发严重，已经 成为沥青路面最主要的破损形式之一。各种外部因素，如交通荷载、天气、氧化作用、紫外线等都可能是导致裂缝的原因。最初，沥青混合料中的裂缝只是微米级的，但是这些裂缝如果不能得到及时的修复和处理，在持续的交通荷载和环境的影响下，它们会很快地扩展、贯通、不断累积而造成路面开裂。

然而，我们通过实地观测发现，沥青路面在冬季时产生的的收缩裂缝和疲劳开裂等病害，在夏季温度较高的时候 ，微裂缝数量会有所减少，并且表面可观测到的部分宏观裂缝的宽度也会变窄，这说明沥青材料具备自愈合的特性。当路面处于无交通荷载和温度足够高的状态下，沥青混凝土中的微裂缝会开始闭合，尽量恢复到理想的“原始状态”^[4]。

当温度足够高时，例如在夏季的时候，自愈会自然发生，但这是一个非常缓慢的过程，裂缝可能需要许多天才能完全自我愈合，并且无法保证路面处于长期的休息时间。因此，依靠沥青混凝土的自然愈合不能到达完全或大量修复路面损伤的目的。研究表明，沥青材料的愈合速率及效果是随着温度的升高而增加的^[5]。通过加热来加速沥青混合料自愈合的方式也是最为直接以及可望应用于道路实地应用的方法。为此，如果我们能采取某种技术或方式，设计或者优化沥青混合料的级配组成（如加入导电相材料），人为地通过某些加热方式（如感应加热、微波加热及红外加热等）来促进沥青混合料的自愈合，主动地修复沥青路面出现微裂缝和局部微损伤，从而提高甚至完全恢复沥青混凝土的强度，有望减少路面的养护工作以及延长沥青路面使用寿命。

综上所述，沥青材料的自愈性能已经得到路面研究人员的广泛认可，这可能会延长沥青路面的服务寿命。沥青及沥青混合料的自愈合特性是研究沥青及沥青混合料的疲劳性能、增强沥青材料的抗疲劳能力、建立试验室与现场疲劳寿命关系的基础。通过加热的方式提升愈合的速率及效果也在国内外学者的研究中得以证实。然而，由于沥青混合料自愈行为的复杂性及室内试验方法与室外实际情况的差异性，目前还亟需更深入的研究来完善这种方式。通过研究不同种类的沥青混合料，不同加热方式，提出合理有效的加热程序，真正延长现役沥青混凝土的使用寿命，意义重大。

1.2国内外研究现状

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