不同瀝青混合料的拌和流動特性探討

論文價格:150元/篇 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis 編輯:vicky 點擊次數:
論文字數:46566 論文編號:sb2021082909242337106 日期:2021-09-05 來源:碩博論文網
筆者經過研究,得出以下結論: (1)學界以及工程領域對瀝青混合料給予了高度重視,并圍繞其拌和和易性展開了研究,但局限之處在于缺乏對拌和階段流動性的研究,且各類型瀝青混合料的對比分析也相對空白。 (2)通過對現有拌和設備的分析,經過優化后提出全新的變速拌和試驗裝置,其具有運行穩定、操作便捷的特點,可作為拌和和易性分析的重要工具。

第一章  緒論

1.1  問題的提出
近年來,瀝青路面在世界范圍內得到了廣泛的應用,中國,美國,歐洲等國家的統計數據表明,瀝青路面的使用量顯著增加了。由于在瀝青路面使用了瀝青結合料,礦物之間的黏結性得到了明顯的改善,從而提高了路面的質量。盡管瀝青路面的成本很高,但它比混凝土路面提供了更好的駕駛舒適性、更光滑的瀝青路面、更高的耐磨性、更低的干擾、更短的施工時間等。
為了改善路面、使之適應交通需求、延長路面的使用壽命,有必要對道路材料、生產質量、結構設計和施工實施等進行研究。瀝青路面是一種由瀝青結合料與碎石集料組成的路面結構。集料與瀝青結合料的摻入即為瀝青混合料。瀝青混合料的拌和流動性決定了混合料的生產質量和瀝青路面的工程質量。和易性指瀝青混合料拌和、攤鋪和壓實的難度,其與混合料的黏度密切相關,并反映材料的拌和流動特性。影響瀝青混合料和易性,具有瀝青用量、瀝青性質、級配類型等組成要素。從混合料組成來看,當混合料粗集料與細集料之間分配不當時,使混合料容易離析、難以拌和;此外,瀝青用量對預期結果和拌和能力起著重要的作用,當瀝青結合料的粉膠比過大時,混合料拌和困難、不容易壓實,反之,不易攤鋪。和易性好的瀝青混合料可以為拌和、攤鋪與壓實提供良好的作業條件,施工成型后的路面質量達標;若選用的瀝青混合料不具備足夠良好的和易性,則不利于施工作業,難以保證路面質量。
因此,道路投入運營后,容易出車轍、松散、剝落、擁包等道路疾病,此外,該路面的服務水平、技術性能、駕駛舒適、用戶安全、道路壽命等將受到嚴重影響。
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1.2  研究現狀
瀝青混合料的拌和流動性決定了混合料的生產質量和瀝青路面的工程質量,關系到瀝青路面投入使用后的性能。自提出瀝青混合料和易性概念以來,以瀝青混合料為對象的研究逐步豐富起來,相繼揭露出力學性能的基本特質,關于拌和和易性,在此方面的研究也取得了一些成果,但缺乏不同瀝青混合料混合料的流動特性研究。
1.2.1  歐美研究現狀
Bougault  R.[9]等的研究具有突破性意義,于 1978 年在學界首次提出拌和和易性概念,并根據對瀝青混合料的既有認知研發了一種單速扭矩試驗裝置,通過扭矩值評價瀝青混合料的和易性。
1991 年,英國利茲大學的 Cabrera  J.G.[10]通過瀝青混合料的密實程度評價了瀝青混合料的和易性,研究表明,和易性差的混合料難以壓實,導致孔隙率大。
2010 年,美國麻省大學達特茅斯分校的 Mogawer 等人[14]改進了瀝青混合料和易性測試裝置,將拌和槳固定,轉動拌和鍋來測試扭矩。試驗以溫拌劑摻量為控制要素,探討在用量發生變化時生產的瀝青混合料在流動性方面的具體表現,闡述兩者的變化規律。
Ayman  Ali 等[15]的研究建立在 Mogawer 成果的基礎上,提出優化后的和易性測試裝置,以熱拌及溫拌瀝青混合料為對象,探討集料形狀、瀝青性質等對其性能的影響。結果表明:從和易性角度來看,以溫拌泡沫瀝青的表現更為良好,而而在最大公稱粒徑增加的條件下,導致混合料的和易性下降;混合料的組成因素對瀝青混合料的拌和和易性具有重要影響。
瑞典學者 Roozbahany  E.G.等[16]的研究圍繞瀝青混合料流動特性而展開,以扭矩測試儀等裝置為輔助工具,結果表明:瀝青混合料拌和過程中所具有的和易性表現源自于多個方面,包含瀝青性質、集料形狀、級配、溫度等;以拌和條件保持一致為前提,通過對和易性的分析得知,連續級配瀝青混合料表現更佳,其明顯優于間斷級配型混合料;且在各類對和易性造成影響的因素中,又以瀝青用量和級配類型最為顯著。
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第二章  黏性材料的流動變形

2.1  材料的基本力學性質
物質是自然界的一種組成,應用于工程建設中則被稱之為材料。基于特定的激勵手段,材料將產生相應的響應。伴隨外力的持續增加,超出材料的強度極限時將表現出不同程度的材料受損現象;若外力偏小,則伴有彈性、黏性和塑性特點。流變學的研究思路是,在彈性、黏性和塑性的基礎上經過抽象化處理后可形成力學元件,以串聯或并聯的方式進行組合,構成力學模型,同時創建本構方程,而這正是流變模型理論的核心思想。依托于流變模型理論,能夠以直觀的方式認知材料的性能表現,如黏彈性、彈塑性、黏塑性等。此處在以黏性材料為基本對象所展開的流動變形分析中,僅考慮的是黏彈性和黏塑性兩項性能指標各自所對應的黏性流動模型。
2.1.1  基本力學元件
力學元件是分析材料流變性質的基本單元,在流變模型理論中通常把材料的彈性、黏性和塑性理想化地簡化為三個基本力學元件。彈性元件一般用“彈簧”來表示,根據線性特性引入彈性模量 E;黏性元件用“黏壺”來表示,同樣線性特性引入了黏度系數η;塑性元件用“滑塊”來表示,分別表示“應力極限(  f  )”如圖 2.1 所示。
圖 2.1   力學性能的基本元件
圖 2.1   力學性能的基本元件 
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2.2  四大流動變形規律
材料是創建工程實體的基礎要素,通常為固體、流體相混合的應用形式,流動與變形具有同步性,將其統稱為流動變形。 外力的存在將改變材料原始狀態,使其形成流動與變形。伴隨材料的差異化特點,或是激勵方式不同,所產生的流動變形都有較強的復雜性,但歸根結底也存在共同之處。根據現有認知,材料流動變形所具有的共性可體現在四個方面,具體作如下分析。
2.2.1  頓粘性流動
牛頓黏性流動是一種極為基礎的流動變形形式,具體見圖 2.8a。通過對剪切應力 τ的分析得知,該指標與剪切速率 D 之間表現出極為顯著的線性比例特征,由此表明其正好與牛頓定律相符。η 為比例系數,為常數(圖 2.8b),指的是動力黏度,該指標并不會受到 τ 或 D 的影響。
圖 2.8   牛頓黏性流動特征
圖 2.8   牛頓黏性流動特征 

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第三章  試驗材料及混合料設計........................23
3.1  試驗用原材料 ................................... 23
3.1.1  碎石集料 ....................................... 23
3.1.2  瀝青材料 ..................................... 24
第四章  變速拌和試驗及流動特性............................40
4.1  試驗裝置介紹........................40
4.1.1  試驗原理 ........................................ 41
4.1.2  試驗裝置構成   ..................................... 41
第五章  瀝青用量對拌和流動特性的影響.....................52
5.1  試驗方案及測試結果.....................52
5.1.1  主要的試驗方法.....................52
5.1.2  試驗結果整理.....................52

第八章  瀝青混合料的拌和和易性分析

8.1  拌和流動模型的綜合分析
結合前三章的結果,從試驗數據繪制得到“拌和功率-拌和速率”的所有流變圖表明,瀝青混合料的拌和流動特性是一條截距為正、斜率為正的直線,即不通過坐標原點,分別如下
P=F+λV                              (8.1)
根據公式(8.1)的數值模擬結果,相關系數等于 1,具有良好的線性相關。
根據以上的測試結果總結可知,在測試試驗中的 4 個變量,如瀝青類型(z)、瀝青用量(ω)、級配類型(j)和拌和溫度(T),只有溫度不影響瀝青混合料的截距,只有級配類型不影響直線斜率,因此公式(8.1)可具體優化如下:
  P( ) =F( ) +( )⋅Vj,z,ω,Tj,z,ωλz,ω,T                 (8.2) 
結合第 2 章中對瀝青混合料的流動變形的認識可知,符合上式變化規律的流動特性為線性黏塑性特征,服從賓漢(Bingham)模型,由一個黏壺和一個滑塊并聯組成(2.1節,圖 2.7),本構方程為 ω
   τ = f +η⋅D                         (8.3) 
混合料的流動直線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,兩者均是混合料拌和性能的重要反映參數,統稱為拌和流動參數,意義在于呈現混合料拌和流動特質,從學界研究來看則是重要的理論基礎。
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結論


現就本文的分析內容作如下總結:
(1)學界以及工程領域對瀝青混合料給予了高度重視,并圍繞其拌和和易性展開了研究,但局限之處在于缺乏對拌和階段流動性的研究,且各類型瀝青混合料的對比分析也相對空白。
(2)通過對現有拌和設備的分析,經過優化后提出全新的變速拌和試驗裝置,其具有運行穩定、操作便捷的特點,可作為拌和和易性分析的重要工具。
(3)拌和流動性與賓漢模型反映的內涵具有一致性,模型直線的截距是重要指標,其表征了拌和塑限,而通過對斜率的分析可掌握拌和黏度情況。
(4)以流變模型理論為指導,綜合考慮兩項拌和參數,提出了拌和和易性指數,其指的是面積 A 導數的百分率。
(5)和易性的受干擾因素包含拌和的溫度、瀝青用量和級配、瀝青種類。具體而言,拌和溫度并不具有影響拌和塑限的能力,但隨著溫度的變化拌和黏度出現明顯改變,此方面與瀝青的黏溫曲線特性具有趨同性。
(6)級配類型為重要影響因素,拌和塑限受其影響較為明顯,集料越粗,此條件下的拌和塑限隨之加大,但其并不會明顯改變拌和黏度。而在瀝青用量增加的條件下,將表現出拌和流動參數提升的變化趨勢。
(7)溫度下降、瀝青用量增加、集料越粗,在此類條件下,瀝青混合料拌和難度明顯較大,和易性表現欠佳,并呈現出和易性指數偏低的特點。
參考文獻(略)


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