第一章 緒論

1.1 研究的目的及意義
按照《公路自然區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》劃分，吉林省地區(qū)屬于季凍區(qū)。區(qū)域內(nèi)高速公路和城市道路瀝青路面常見破壞形式為溫度驟然變化引起溫度應(yīng)力超過路面材料強(qiáng)度導(dǎo)致路面開裂和由于溫度變化引起瀝青路面疲勞導(dǎo)致開裂。同時，在行駛車輛引起的動水壓力和溫度應(yīng)力變化等條件下，瀝青混合料容易引起松散脫落現(xiàn)象。瀝青路面的松散與開裂嚴(yán)重影響著瀝青路面的使用壽命，降低了道路的服務(wù)水平[1,2,3]。因此，研究瀝青混凝土材料的低溫開裂和松散破壞的破壞機(jī)理具有重要的意義。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)對瀝青混合料低溫抗裂性能評價性試驗主要為瀝青混合料劈裂試驗，而對瀝青混凝土路面抗松散性能評價性試驗主要為水煮法試驗。但是，由于瀝青材料本身物理化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，亦屬于溫度敏感性材料，且瀝青或者瀝青膠漿在瀝青混合料的組成中起到膠結(jié)作用。瀝青混合料的低溫開裂和瀝青與混合料界面的剝離現(xiàn)象必然與瀝青材料本身性能以及瀝青與礦料膠結(jié)作用具有極大相關(guān)性能。因此，本項研究以研究瀝青膠漿低溫開裂強(qiáng)度和瀝青與礦料接觸面強(qiáng)度性能為方向，分析瀝青與礦料接觸面細(xì)觀強(qiáng)度低溫特性和低溫影響機(jī)理，分析 SBS 改性瀝青溫度改性特性，明確粉膠比對瀝青膠漿強(qiáng)度的影響，確定最佳礦粉摻量。
實現(xiàn)瀝青與礦料界面低溫條件下的細(xì)觀強(qiáng)度定量測試對不同種類瀝青和酸堿性礦料以及瀝青和礦料接觸界面的表面特性等相關(guān)性能分析具有重要意義。本項研究內(nèi)容主要包括了 SBS 改性瀝青及不同礦粉摻量的瀝青膠漿與礦料低溫細(xì)觀強(qiáng)度特征分析，同時根據(jù)不同摻量瀝青膠漿的細(xì)觀低溫粘結(jié)強(qiáng)度數(shù)據(jù)規(guī)律分析得出最佳礦粉摻量。

瀝青與礦料間的低溫粘結(jié)強(qiáng)度是瀝青本身溫度強(qiáng)度特性體現(xiàn)，瀝青與礦料界面低溫粘附強(qiáng)度是瀝青與礦料膠結(jié)作用性能體現(xiàn)，而瀝青與礦料低溫總體拉伸強(qiáng)度是瀝青與礦料總體細(xì)觀強(qiáng)度的綜合體現(xiàn)。瀝青與礦料界面間的低溫失效模式的評定是評價瀝青與礦料不同低溫條件下其強(qiáng)度破壞主要因素的體現(xiàn)。因此，實現(xiàn)瀝青與礦料接觸面細(xì)觀強(qiáng)度定量測試對于季凍區(qū)瀝青路面的瀝青品質(zhì)、礦料酸堿性、礦料的表面物理特性的篩選以及與之相對應(yīng)的相關(guān)的改性劑、外摻劑的改性效果的評價具有顯著意義。瀝青膠漿作為瀝青混合料的膠結(jié)材料，主要由瀝青和礦粉兩部分組成，瀝青品質(zhì)和瀝青與礦粉拌合比例對瀝青膠漿的膠結(jié)性能具有關(guān)鍵影響因素。礦粉的添加可以有效降低瀝青高溫流動性。

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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 瀝青材料低溫性能評價研究現(xiàn)狀

瀝青材料的低溫抗裂性能是瀝青路面低溫抗裂性能的關(guān)鍵因素[4]。1972 年在密歇根大學(xué)召開第一屆瀝青路面結(jié)構(gòu)國際會議將瀝青以及瀝青混合料低溫抗裂性定為重要研究目標(biāo)[5]。自 1918 年美國公路局確定以針入度分級，1960 年又提出粘度分級。1994 年日本等學(xué)者認(rèn)為瀝青路面的開裂本質(zhì)是由于瀝青的脆性斷裂而引起的，所以瀝青的低溫強(qiáng)度是考察瀝青路面低溫斷裂的重要原因。由此，提出了采用改進(jìn)的弗拉斯脆點測量瀝青的斷裂強(qiáng)度和彈性系數(shù)。這種方法可以進(jìn)行瀝青低溫品質(zhì)的比較。針入度、粘度以及弗拉斯脆點等這些參數(shù)指標(biāo)從根本上就是希望能夠定性說明瀝青品質(zhì)，對瀝青的品質(zhì)作出比較[6,7,8]。為此，美國公路戰(zhàn)略計劃（SHRP）又提出了按照瀝青路用性能進(jìn)行分級，這種分級方法依賴于瀝青的粘彈性，并提出了不同施工溫度條件下瀝青相關(guān)的流變特性指標(biāo)，在美國廣泛應(yīng)用[9,10]。但是這種有別于經(jīng)驗性的指標(biāo)是經(jīng)驗性分級標(biāo)準(zhǔn)中從未有的，需要專門的試驗儀器和方法，并未得到世界的采納和應(yīng)用。我國道路石油瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一直采用針入度分級[11,12]。由于瀝青低溫針入度，延度，當(dāng)量脆點等經(jīng)驗性指標(biāo)不能很好反映其路用性能，加之美國 SHRP 計劃成果的推動，采用力學(xué)指標(biāo)定量測定瀝青的路用性能等相關(guān)研究成為了各國瀝青技術(shù)指標(biāo)修訂的新的趨勢[13]。近些年國內(nèi)外諸多學(xué)者基于粘彈性力學(xué)原理定量測定瀝青的高低溫性能指標(biāo)[14,15,16]。2002 年譚憶秋等基于瀝青低溫流變特性性能提出三塊板測粘法測量瀝青低溫 0 度表觀粘度以此評價瀝青膠漿的低溫性能[17]。2007 年詹曉麗采用灰關(guān)聯(lián)度理論分析表明臨界開裂溫度能較好評價改性瀝青低溫性能，但同時指出了該方法仍有很多不足[18,19]。薛忠軍等學(xué)者采用三參數(shù) CAS 模型基于蠕變試驗計算低溫松弛彈性模量，評價瀝青低溫性能[20,21]。陳華鑫，王秉綱等基于國內(nèi)外瀝青低溫性能評價體系方法的研究對瀝青低溫性能評價指標(biāo)做了詳細(xì)評論，認(rèn)為常規(guī)的針入度、延度、低溫粘度、弗拉斯脆點等經(jīng)驗性指標(biāo)均不能很好反應(yīng)瀝青低溫路用性能，而玻璃化轉(zhuǎn)變溫度雖然能表征其低溫路用性能，但它受限測試方法，且并不是定值而是一個范圍。因此，該指標(biāo)作為常規(guī)檢驗方法還不現(xiàn)實。同時，指出基于 SHRP 計劃提出的 BBR 試驗和 DTT 試驗更合理[22]。BBR 試驗是瀝青進(jìn)行 PG 分級中的一個重要的試驗方法，該方法考慮了瀝青的低溫環(huán)境和低溫蠕變特性[23]。DTT 試驗是在恒定應(yīng)變速率下測得瀝青單軸抗拉強(qiáng)度的一種試驗方法，可以得到瀝青破壞時的應(yīng)力和應(yīng)變[24,25]。

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第二章 粘結(jié)粘附定量測試技術(shù)原理

2.1 圖像處理技術(shù)測定粘結(jié)粘附失效比
為了能夠定量測試粘結(jié)粘附強(qiáng)度，就必須能夠精確測量出瀝青膠漿與礦料界面間粘結(jié)粘附失效的面積。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，瀝青膠漿與礦料界面間的粘結(jié)與粘附失效破壞模式非常分散。在某些區(qū)域主要為粘結(jié)失效破壞，而有些區(qū)域主要為粘附失效破壞。但粘附失效區(qū)域中會帶有粘結(jié)失效，同時粘結(jié)失效區(qū)域中也會夾雜粘附失效。在一個失效界面中，我們可以很清晰地利用肉眼分辨出粘結(jié)和粘附失效破壞。但由于粘結(jié)粘附失效模式區(qū)域非常分散，人工方法中只有網(wǎng)格法才能近似統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果也不近人意，有必要采用計算機(jī)技術(shù)智能分辨出粘結(jié)粘附失效區(qū)域面積。通過分析發(fā)現(xiàn)，瀝青膠漿與礦料界面間的失效破壞面具有如下特點：一、瀝青與礦料顏色不同、差異明顯色調(diào)單一。瀝青常規(guī)下為黑色，因此瀝青與礦料界面間粘結(jié)失效顏色為黑色；瀝青與礦料間粘附失效其顏色為類棕黃色。二、粘結(jié)粘附失效為互斥事件。不難得知如果失效界面上某一點若是粘結(jié)失效破壞，則該點不可能為粘附失效破壞。也就是說，界面上某一點既是粘結(jié)又是粘附失效破壞的事件是不可能發(fā)生的，粘結(jié)粘附失效概率和為 1。三、根據(jù)網(wǎng)格法統(tǒng)計出的數(shù)據(jù)得知，在同一低溫狀況下，每個界面失效樣本中粘結(jié)粘附的失效面積均不相同，也就是說粘結(jié)粘附失效樣本具有一定的隨機(jī)性。由于同一樣本瀝青與礦料界面間失效破壞模式具有如上特性，因此僅僅需要區(qū)分出粘結(jié)失效和粘附失效面積比率即可通過統(tǒng)計方法擬合出粘結(jié)與粘附強(qiáng)度。

利用大津算法通過Matlab程序處理后得到的部分樣本效果圖如圖 2.2 所示。圖 2.2 中 a)為預(yù)處理后失效界面圖像。將其進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)化后即為 b）灰度圖像。將圖 b）利用 OTSU 算法處理后得到圖 c)，即為最大類間方差法辨別的粘結(jié)與粘附失效的邊界灰度圖。為了清楚區(qū)分粘結(jié)與粘附失效區(qū)域，將粘結(jié)失效部分處理為白色背景，即圖 d）為粘結(jié)失效與粘附失效區(qū)域?qū)Ρ葓D像。圖 2.2 中 a) 和 d）對比可以發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)失效區(qū)域與粘附失效區(qū)域基本可以吻合。

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2.2 最小二乘原理技術(shù)
瀝青膠漿低溫粘結(jié)粘附強(qiáng)度定量測試是基于瀝青膠漿與瀝青礦料界面間的失效模式特點而提供出基本的試驗原理和數(shù)據(jù)處理方法。中厚層瀝青油膜在低溫狀態(tài)下會出現(xiàn)粘結(jié)和粘附失效破壞。由于兩種失效破壞彼此互斥，且失效面積離散性大，失效界面顏色較為單一。因此，采用了最大類間方差圖像處理方法對粘結(jié)粘附失效面積分別進(jìn)行了統(tǒng)計。粘結(jié)粘附強(qiáng)度的得出采用了最小二乘原理數(shù)據(jù)擬合方法。由于試驗數(shù)據(jù)和試驗條件等因素的影響，需要剔除誤差較大的試驗數(shù)據(jù)。因此，該試驗數(shù)據(jù)的誤差分析方法也對應(yīng)給出，以此用來保證擬合結(jié)果的正確性。
對于瀝青的低溫細(xì)觀粘結(jié)強(qiáng)度的測試試驗技術(shù)方法，本文主要應(yīng)用本試驗課題小組科研團(tuán)隊開發(fā)的瀝青膠漿低溫粘結(jié)強(qiáng)度及粘附強(qiáng)度定量測試技術(shù)，該測試技術(shù)獲得了中國發(fā)明專利的授權(quán)。而對于粘附性能的相關(guān)力學(xué)試驗測試方法，國內(nèi)外并沒有相關(guān)的技術(shù)資料，鑒于中厚層油膜低溫拉伸破壞條件下瀝青-礦料界面會出現(xiàn)粘附破壞現(xiàn)象，經(jīng)過一系列研究分析總結(jié)出第二章所述試驗原理。對于油膜厚度的定義，該課題小組科研團(tuán)隊分別采用不同油石比對瀝青混合料進(jìn)行了大量的試驗，通過質(zhì)量損失法可以確定油石比所對應(yīng)的油膜厚度。其中，當(dāng)瀝青混合料油石比為 3.5% ~ 4.0%時，測得油膜厚度約為 0.25 mm。當(dāng)瀝青混合料油石比為 4.5% ~ 5%時，油膜厚度約為 0.45 mm。

在該試驗過程中需要保證瀝青膠漿低溫條件下出現(xiàn)粘附失效破壞，因此試驗過程中選擇瀝青膠漿油膜厚度為中厚層油膜，油膜厚度選定為 0.25  0.05 mm。該試驗方法主要分為試模制備和試模養(yǎng)護(hù)、試模加載以及圖像獲取三大步驟。試模制備過程中首先將一定質(zhì)量的試驗瀝青樣本放置在瀝青恒溫加熱烘箱中保持135℃條件下 15 分鐘，確保瀝青加熱充分，保持熱熔狀態(tài)。同時，在瀝青加熱過程中，利用電熱爐對刀片進(jìn)行預(yù)熱，并利用熱刀對試驗試模中的礦料下表面接觸面進(jìn)行充分預(yù)熱以確保瀝青膠漿與礦料界面能夠保證充分的粘結(jié)潤濕。然后，待瀝青充分保持熱熔態(tài)時迅速取出，，并用熱刀蘸取熱熔態(tài)瀝青膠漿并均勻地涂抹在礦料試模下表面上。

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第三章 瀝青-礦料界面試驗...........................................16
3.1 瀝青粘結(jié)粘附性能試驗測試方法.....................................16
3.2 粉膠比對瀝青膠漿低溫粘結(jié)強(qiáng)度性能測試方法........................18
第四章 瀝青膠漿低溫粘附粘結(jié)性能影響機(jī)理分析............................23
4.1 瀝青膠漿低溫粘結(jié)粘附強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)..................................23
4.2 瀝青膠漿低溫強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析............................................26
第五章 粉膠比對瀝青膠漿低溫強(qiáng)度性能影響機(jī)理分析....................36
5.1 不同粉膠比瀝青膠漿低溫粘結(jié)強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)............................36

5.2 礦粉填料摻量低溫粘結(jié)強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析...................................39

第五章 粉膠比對瀝青膠漿低溫強(qiáng)度性能影響機(jī)理分析

5.1 不同粉膠比瀝青膠漿低溫粘結(jié)強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)
本次試驗中選用產(chǎn)自中國 SBS 改性瀝青，SBS 摻入量為 2.5%（質(zhì)量比）。為了保證改性劑充分均勻地融入基質(zhì)瀝青，試驗材料采用高速剪切機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢�，攪拌時間為 5 分鐘，攪拌速度為 2000 r/min。礦粉填料選用目前在中國地區(qū)普遍采用的典型石灰?guī)r礦粉，試驗前采用標(biāo)準(zhǔn)篩對其進(jìn)行篩分，保證其宏觀級配滿足相關(guān)規(guī)范的要求。同時，相關(guān)研究表明，由于礦粉細(xì)觀級配的不同會導(dǎo)致其細(xì)觀孔隙率的不同，即 Rigden 孔隙率會有一定的差異。而該種差異有可能會影響到瀝青膠漿中的結(jié)構(gòu)瀝青與自由瀝青的比例從而導(dǎo)致瀝青膠漿的細(xì)觀強(qiáng)度會有一定的影響。因此，試驗前采用 BT-1600 顆粒圖像分析系統(tǒng)對該石灰?guī)r礦粉填料的細(xì)觀級配進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見圖 5.1。

為充分分析礦粉填料摻量對低溫條件下瀝青膠漿粘結(jié)強(qiáng)度的影響效果，本項研究過程中將礦粉填料摻量進(jìn)行了充分細(xì)化，制備瀝青膠漿時采用以下幾個礦粉填料摻量，以粉膠比表征（粉膠比為礦粉填料質(zhì)量與瀝青質(zhì)量的比值），分別為0:1、0.6:1、0.8:1、1:1、1.2:1、1.5:1、2.0:1。在試驗制備過程中，由于瀝青膠漿在高溫狀態(tài)下呈粘流態(tài)，精密天平的精度為 0.1 g。每一組礦粉摻量之間的誤差比可以控制在 2%以內(nèi)。為排除礦粉填料細(xì)觀粉體特征對試驗結(jié)果的影響，添加礦粉填料前均采用 BT-1600 顆粒圖像分析系統(tǒng)對所添加的礦粉填料進(jìn)行細(xì)觀粉體特征測試，為保證礦粉填料與瀝青基體充分混合均勻，試驗過程中采用瀝青高速剪切機(jī)對添加了礦粉填料的瀝青膠漿充分剪切。制備完成的具有不同礦粉摻量的瀝青膠漿見圖 5.2。該種測試技術(shù)基于瀝青油膜低溫破壞測試瀝青結(jié)合料的低溫粘結(jié)強(qiáng)度。礦粉的摻量主要對于瀝青膠漿低溫粘結(jié)性能和流動性能相關(guān)。因此，最佳粉膠比的測定是基于瀝青膠漿低溫細(xì)觀粘結(jié)強(qiáng)度性能而進(jìn)行了相關(guān)的評價。而經(jīng)過先期大量相關(guān)試驗數(shù)據(jù)可知，對于瀝青的油膜厚度對瀝青混合料細(xì)觀低溫粘結(jié)強(qiáng)度來說，影響效果不明顯。且通過先期的大量的探索性試驗可以發(fā)現(xiàn)，在該試驗測試過程中，瀝青油膜相對較厚時（0.45 mm 左右），低溫狀態(tài)下油膜發(fā)生破壞時，不會發(fā)生瀝青結(jié)合料與礦料接觸面的粘附失效破壞，僅發(fā)生瀝青結(jié)合料自身的粘結(jié)失效破壞�；诖�，對于最佳礦粉摻量試驗測試，為避免粘附失效破壞對測試結(jié)果的影響，試驗前確定瀝青膠漿油膜的厚度為 0.5 mm，保證瀝青膠漿油膜發(fā)生破壞時僅為瀝青膠漿自身的粘結(jié)失效破壞。試驗數(shù)據(jù)的處理是根據(jù)瀝青膠漿油膜發(fā)生破壞時的拉伸破壞荷載及瀝青膠漿油膜的面積求解瀝青膠漿相應(yīng)低溫條件下的低溫粘結(jié)強(qiáng)度。

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第六章 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論與主要成果
本論文主要采用產(chǎn)自中國的盤錦 90#瀝青并用 SBS 改性劑進(jìn)行不同摻量改性�；谡n題組研發(fā)的粘結(jié)粘附定量測試技術(shù)對不同粉膠比的瀝青膠漿低溫性能進(jìn)行定量測試。同時，系統(tǒng)客觀地分析了 SBS 改性瀝青與礦料界面的低溫性能。研究過程中的主要成果與結(jié)論如下：
（1）基于圖像處理技術(shù)對課題組發(fā)明的粘結(jié)強(qiáng)度定量測試技術(shù)中粘附面積的統(tǒng)計作出了改進(jìn)與完善。該方法能夠有效代替了網(wǎng)格劃分法統(tǒng)計粘附失效面積。低溫條件下，中厚層油膜在直接拉伸作用下，瀝青與礦料界面存在粘結(jié)與粘附失效，其失效區(qū)域離散于整個界面中，可以通過 OTSU 算法識別統(tǒng)計出不同失效模式區(qū)域。利用最小二乘原理數(shù)據(jù)處理方法可以比較精確計算擬合出某一溫度下的粘結(jié)與粘附強(qiáng)度。采用最小二乘原理與誤差分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法，能夠?qū)崿F(xiàn)了不同低溫條件下粘結(jié)粘附共存狀態(tài)下的定量測試技術(shù)。

（2）瀝青低溫粘結(jié)強(qiáng)度與粘附強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律基本一致。瀝青膠漿脆化前與脆化后對瀝青-礦料表界面低溫強(qiáng)度有顯著的改變。粘結(jié)強(qiáng)度是瀝青材料的自身強(qiáng)度特性，而粘附強(qiáng)度體現(xiàn)了瀝青材料與礦料之間的膠結(jié)作用。SBS改性劑的摻加可以有效降低瀝青膠漿的低溫敏感性，適當(dāng)提高了瀝青膠漿的低溫強(qiáng)度。礦料接觸面總體拉伸平均強(qiáng)度是瀝青與礦料界面極限強(qiáng)度的綜合體現(xiàn)。粘結(jié)粘附失效率試驗樣本統(tǒng)計表明瀝青-礦料總體抗拉強(qiáng)度的主要控制因素隨著低溫條件的不同而發(fā)生變化。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：186223