耐久性抗滑路面薄层性能设计模型

本文为我的博士论文摘要部分(Summary page (PDF download))的中文翻译。

篇前(作者注):中国炼焦生产能力和产量居世界第一,因此作为炼焦生产副产品的含焦油沥青产量快速增加。全面禁止含焦油材料的使用,学习荷兰等国把所有含焦油材料焚烧处理显然不现实。因此,当前中国面临该问题的重点并不是开发焦油沥青的取代材料,而是如何更环保的使用焦油沥青。焦油沥青对水资源和居住环境的污染问题,目前在世界上依旧是一个没有一致结论的热门研究课题。例如美国,面对部分地区出台法令禁止在居民区停车场使用含焦油沥青,就有部分机构发表研究数据,以此反驳并认为焦油沥青并不是环境中多环芳香烃的主要来源。

路面薄层在世界各国具有非常广泛的应用。它不仅可以提供额外的路用功能,还能给被覆盖层提供保护作用,从而极大的延长整体路面的使用年限。因为被覆盖层在路面薄层的保护下,可远离外部物质如汽油等,气候环境如紫外线和氧作用等带来的破坏和老化。

抗滑薄层是路面薄层中特殊的一种路用结构,通常由高磨耗值的集料和胶结剂组成。抗滑薄层专为对路面防滑性能有特殊或更高要求的路用区域,如机场跑道、交通路口等而设计。在轮胎和路面间提供高磨擦系数是抗滑薄层的主要功能贡献。因此,其使用的胶结剂材料必须能够提供足够的粘结性能,从而减少甚至消除表面集料的脱落。

在荷兰,大部分机场跑道抗滑面层使用的胶结料为焦油沥青。不同于常用于路面设计的其他沥青,焦油沥青由于其焦油组分的存在,对汽油等化学物质有着优异的抗腐蚀能力,同时跟集料的粘结性能亦非常突出。然而,正是由于焦油组分的存在,其富含着已被国际癌症研发中心认为是最重要的环境和食品污染物之一的多环芳香烃。因此荷兰已于上世纪八十年代起,全面禁止含焦油产品的使用,而机场含焦油抗滑薄层则是唯一的例外。然而自2010始,机场跑道亦将全面禁止使用含焦油材料。寻找合适的替代品,则成了急需解决的现实问题。

本研究着力于制定抗滑薄层对粘结剂材料的性能规范和评价方法。首先,课题基于对含焦油薄层圆柱形芯样的研究,提出直观可行的性能指标。芯样来自于六个军用机场。性能指标包括抗老化性能、表面微结构、含焦油薄层与下面层的抗拉抗剪性能等。含焦油抗滑薄层的最小构造深度达1.26毫米,并能够在长服役期内稳定保持这一构造深度。实验室设计改进的拉拔实验和剪切实验方法,能够很好地用于测试薄层与沥青混合料层粘结层的粘结性能。含焦油沥青薄层与下面层的抗剪性能,明显优于普通沥青混合料层间抗剪性能。基于含焦油抗滑薄层的研究结果,提出了对新材料的性能要求及对应的评价方法。

其次,本论文纹对一些潜在的新型材料,进行了详细深入的研究。新型材料包括复合高分子聚合物改性乳化沥青(MBE)、双组分改性环氧树脂 (MER)和双组分环氧树脂改性沥青(EMB)。分别通过直接拉伸实验、高温老化和环境箱模拟老化、动态剪切流变仪、动态热机械分析仪和应力松弛实验研究了材料的固化机理和直接抗拉强度、高温稳定性、抗环境老化性和低温松弛性能。研究结果表明,通过材料配比设计,可得到具有优秀抗高温性能、合理的应力松弛性能、可观的抗拉强度和破坏应变的双组分环氧树脂改性沥青,具备用作抗滑薄层粘结剂的可能性。

第三,本研究基于具备最优性能的双组分环氧树脂改性沥青设计出了新型抗滑薄层。同时,来自机场跑道的不含焦油抗滑薄层芯样用于对比。研究结果表明基于双组分环氧树脂改性沥青设计的抗滑薄层能够提供更好的层间粘结性能,甚至比含焦油抗滑薄层更优秀。

第四,通过建立有限元模型,分析了抗滑薄层在荷载作用下粘结剂内部的应力应变分布。模型以EMB和MBE的粘弹性实验数据为材料属性输入参数,使用纳米CT扫描图片建立二维抗滑薄层有限元模型。计算结果显示,抗滑薄层本身的集料嵌体结构对粘结剂内部力学分布有着非常显著的影响。并且其嵌体结构在使用MBE时,对粘结剂内部应力应变响应的影响更加显著。在相同的外部加载条件下,使用EMB时产生的应力稍微高于使用MBE时,而对应应变则远远低于使用MBE时。同时,外部加载消失后,EMB具有更快的应力恢复能力。

最后,在本博士论文研究的基础上,对新型粘结剂材料未来在抗滑薄层中的应用提出了一些可供参考的建议。例如,铺筑试验段和抗油性能,疲劳性能和破化机理等。

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8 则回应给 耐久性抗滑路面薄层性能设计模型

  1. Leniy说:

    86年生人,02年就上大学了呀,博士就不是一般人

  2. 这种材料在国外用的比较多,不知道中国什么时候可以普及这种材料。

  3. 希望我国能够尽快的把这种材料实施起来。

  4. 学习了,非常严谨的文章,非常严谨的治学态度!

  5. Jiasa说:

    兄弟,Eurobitumen现在对于环保要求这么高,连石油沥青都要去测MI含量,谁又敢顶风作浪用tar呢?参见IARC 2013 (IARC Monograph 103) 对于沥青致癌等级的改变。
    前段时间,欧洲某国公民起诉沥青公司,说长期搞沥青路面施工引起肺癌,已经引起eurobitumen对于沥青HSSE的全面检讨和更新……
    另外薄层罩面永远解决不了层间粘结问题,环氧大规模施工基本不可能。
    唯一解决方法就是采用同步摊铺机,参见Novachip技术…

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