多场耦合因素下多功能长寿命城市沥青路面结构功能匹配一体化研究中期报告.doc

i 建设部科技示范工程 项目编号： 多场耦合因素下多功能长寿命城市沥青 路面结构功能匹配一体化研究 中 期研 究报 告 宜宜 昌昌 市市 建建 委委 城城 市市 建建 设设 重重 点点 工工 程程 管管 理理 办办 公公 室室 宜宜 昌昌 市市 虹虹 源源 公公 路路 工工 程程 咨咨 询询 监监 理理 有有 限限 责责 任任 公公 司司 武武 汉汉 理理 工工 大大 学学 湖湖 北北 益益 通通 建建 设设 工工 程程 有有 限限 责责 任任 公公 司司 二二一三年一三年 三三 月月 ii 目目 录录 报告之一报告之一 项目简介项目简介.1 1 1、工程背景、工程背景 1 2 2、研究目的与意义、研究目的与意义.2 3 3、研究内容与技术路线、研究内容与技术路线2 报告之二报告之二 研究报告研究报告.4 1 1、示范工程路面结构设计、示范工程路面结构设计4 1.1、示范工程路面结构组合主要设计参数.4 1.2、示范工程路面结构组合设计结果.7 2 2 高抗车辙沥青混凝土面层材料研究高抗车辙沥青混凝土面层材料研究.9 2.1 原材料选择与准备.9 2.2 配合比设计.11 3 3 抗裂性柔性基层沥青混凝土配合比设计抗裂性柔性基层沥青混凝土配合比设计16 3.1 原材料选择.16 3.2 配合比设计.17 4 4 拌和式水泥乳化沥青混凝土材料研究拌和式水泥乳化沥青混凝土材料研究19 4.1 水泥乳化沥青混凝土强度形成机理.19 4.2 基本配合比设计.21 4.3 路面组合疲劳试验.27 5 5 水泥乳化沥青混凝土中试水泥乳化沥青混凝土中试 31 5.1 施工组织机构.31 5.2 技术准备工作.31 5.3 施工工艺.36 5.4 施工质量控制.41 1 报告之一报告之一 项目简介项目简介 1 1、工程背景、工程背景 2012 年 3 月，宜昌市住建委城市建设重点工程管理办公室、宜昌市虹源公路 工程咨询监理有限责任公司、武汉理工大学和湖北益通建设工程有限责任公司 向住房与城乡建部提交了联合申请市政工程类科技示范工程的项目申报书，并 于 2012 年 3 月 22 日顺利通过了住建部组织的专家评审答辩会，2012 年 6 月获 得正式立项批文，项目名称为“宜昌市多功能长寿命市政路面工程”。 2012 年 6 月 25 日，由宜昌市住建委牵头组织项目联合申报单位协商，确定 在宜昌市城区合益路 k0+800k1+200 处进行现场铺筑试验，长度 400m。 合益路是宜昌市中心城区重要的横向主干路，由既有道路和规划道路组成， 起点东山大道，规划终点为东山四路，与城东大道平交，与汉宜高速公路立交， 其中东山大道城东大道为既有道路，城东大道东山四路为规划道路。 道路等级：城市主干路；道路红线宽 36 米，双向六车道，设计车速 v=50km/h 路面设计标准轴载：bzz-100；结构设计荷载：公路 i 级 科技示范段多功能长寿命路面主体结构设计年限为 20 年；推荐路面结构组 合如下： 4cm 抗抗滑滑、耐耐磨磨sma 沥沥青青混混凝凝土土上上面面层层 8cm 高高模模量量、抗抗车车辙辙 水水泥泥乳乳化化沥沥青青混混凝凝土土联联接接层层 8cm 防防裂裂抗抗疲疲劳劳沥沥青青碎碎石石过过渡渡基基层层 45cm 水水稳稳碎碎石石基基层层 土土基基 2 2 2、研究目的与意义、研究目的与意义 多功能长寿命路面是当前路面发展的新趋势，近年来已成为世界各国沥青 路面最为热门的研究内容，其核心是要求路面结构的表面层具有排水、降噪、抗 滑和耐磨的能力，联结层位于高压应力区，要求具有良好的承载力、抗车辙和耐 久性，整个路面结构体系中最大的拉应变产生在基层底部，该区域最易发生疲劳 破坏，因此基层应具备高柔性、抗疲劳、水稳定性好。其结构破坏形式基本上消 除了传统上普遍存在的基层疲劳损坏，路面的损坏往往只发生在路面的表层。多 功能长寿命路面初期修建费用较高，但设计年限长，日常养护费用较少，全寿命 周期费用效益比最大。 另外，以新型多功能长寿命路面结构的全寿命周期成本为目标结合路面结 构优化分析，对路面结构的材料性能参数和结构组合形式进行深入研究，探索该 型路面疲劳破坏机理，结合试验路段对以上研究成果加以验证和反馈，并在此基 础上提出适合中国国情的多功能长寿命复合式典型城市路面材料与结构组合型 式。本项目研究可为多功能长寿命路面在中国的发展和完善奠定一定的理论和 技术基础，具有明晰的科研价值和工程应用前景。 3 3、研究内容与技术路线、研究内容与技术路线 本研究项目拟采用柔性抗疲劳材料 hma 基层+冷拌式水泥乳化沥青混凝土 高压应力联接层sma 沥青混凝土多功能面层的长寿命路面结构，既可显著提 高路面结构的承载力和耐久性，又可防止高温下沥青材料产生过大变形，较好地 协调了耐久性、功能性和经济性对路面材料和结构相互矛盾的要求；同时通过对 多功能长寿命路面的温度场和温度应力研究，结合交通荷载分析，系统地探索长 3 寿命路面的破坏损伤模式，并由宏观力学尺度过渡到微观力学尺度研究长寿命 路面材料的破坏机理。 交交通通参参数数环环境境因因素素土土基基状状况况材材料料特特性性 长长寿寿命命城城市市道道路路厚厚度度组组合合 和和材材料料特特性性试试验验 安安全全系系数数 长长寿寿命命城城市市道道路路多多尺尺度度 损损伤伤模模型型研研究究 疲疲 劳劳永永久久变变形形温温度度影影响响 损损伤伤判判别别 长长寿寿命命城城市市道道路路结结构构组组合合与与材材 料料组组成成优优化化 4 报告之二报告之二 研究报告研究报告 1 1、示范工程路面结构设计、示范工程路面结构设计 1.1、示范工程路面结构组合主要设计参数、示范工程路面结构组合主要设计参数 1.1.1 计算依据计算依据 （1）路面工程施工图 （2）城市道路工程设计规范（cjj 372012） （3）公路沥青路面设计规范（jtg d502006） （4）公路沥青路面施工技术规范（jtg f402004） 1.1.2 路面设计计算标准与参数路面设计计算标准与参数 根据公路自然区划标准（jtj00386）中公路自然区划图，本项目自然划分 为3 区，属于华中地区亚热带气候，温暖潮湿，雨量充沛，一般年平均气温 18， 最冷月份为 1 月，平均气温为 5左右，极端最低气温18.1；最热月份为 7 月 底，平均气温 29 度，极端最高气温 41.3。多年平均降雨量为 1248.5mm，49 月份为雨季，其雨量占全年的 65以上；根据温度和雨量情况，本气候区为 131 区（夏炎热冬潮湿）；因此对路面高温抗车辙，低温抗开裂及水稳性有较 高要求。本示范路段主要技术指标和如下表 1，示范路段典型路面组合见表 2。 示范路段主要技术指标 表 1 序号 项目名称单位技术指标（规范值） 1 地形类别 平原微丘 2 公路等级城市一级快速路 5 3 行车道宽度 m223.75 4 路面等级高等级沥青路面 5 轴载 标准轴载 bzz100 6 设计年限 年15 示范段路面组合及主要技术指标 表 2 结构组合结构层 材料厚度 cm 回弹模量 （mpa,20 度） 回弹模量 （mpa,15 度） 劈裂强度 （mpa） 上面层sma4140018001.4 联接层 水泥乳化 沥青混凝土 8288035001.2 柔性 上基层 大粒径 沥青碎石 8101612000.7 下基层 水泥稳定 级配碎石 36141015000.5 示范段 结构组合 底基层 水泥稳定 级配碎石5 1.1.3 累计当量轴次和设计弯沉计算累计当量轴次和设计弯沉计算 1）以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，各级轴载按下式换算成标 准轴载 p 的当量轴次 n。 k i i i p p nccn 1 35 . 4 21 式中：n以设计弯沉值和沥青层底拉应力为指标时的标准轴载当量轴次 6 （次/d） 被换算车型的各级轴载作用次数（次/d） i n 标准轴载（kn）； p 被换算车型的各级轴载（kn） i p 被换算车型的轴数系数 1 c 被换算车型的轮组系数，双轮组为 1.0，单轮组为 6.4，四轮组为 2 c 0.38； 被换算车型的轴载级别。 k 2）计算试验路段一个车道上的累计当量轴次时按以下公式： e n 1 n 3651)1 ( t e n 式中：设计年限内一个车道的累计当量轴次（次/车道） e n 设计年限（年）； t 营运第一年双向日平均当量轴次（次/d） 1 n 设计年限内交通量的平均年增长量 车道系数 3）设计弯沉值根据公路等级、设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类 型按下式计算。 bsced aaanl 2 . 0 600 式中：设计弯沉值（0.01mm） d l 设计年限内一个车道累计当量轴次（次/车道） e n 公路等级系数，高速公路、一级公路为 1.0，二级公路为 1.1，三、四 c a 级公路为 1.2 7 面层类型系数，沥青混凝土面层为 1.0 s a 路面结构类型系数。半刚性基层沥青路面为 1.0，柔性基层沥青路面 b a 为 1.6, 对于混合式基层采用线性内插确定基层类型系数： 20/2）（ fb ha (8.0.5-2) 式中： f h 为半刚性基层或底基层上柔性结构层总厚度（cm）； 根据公式计算出特重交通流量下试验路段累计当量轴次、路表设计弯沉如 表 3。 示范路段累计当量轴次及路表设计弯沉 表 3 基年交通量（小客车 pcu/日）17785 累计当量轴次（bzz-100） 7 1008 . 2 路表设计弯沉（1/100mm）20.6 1.2、示范工程路面结构组合设计结果、示范工程路面结构组合设计结果 1.2.1 层底容许拉应力、路表计算弯沉和层底拉应力计算层底容许拉应力、路表计算弯沉和层底拉应力计算 沥青混凝土层、半刚性基层和底基层以拉应力为设计或验算指标时，材料的 容许拉应力按下式计算： r s s r k 式中： 路面结构层材料的容许拉应力（mpa） r 沥青混凝土或半刚性基层材料的极限劈裂强度（mpa） s 抗拉强度结构系数 s k 路表计算弯沉按下式计算： 8 ), )01 . 0 2000 63 . 1 , 2 1000 36 . 0 0 38 . 0 1 0 2 3 1 2121 1 cmmpap f mml p el f e e e e e ehhh f f e p l s s n n c cs 和当量圆半径（强（标准车型的轮胎接地压 弯沉综合修正系数 路表计算弯沉值（ 其中： 层底拉应力计算按下式： 层底拉应力以单圆中心以及双圆轮隙中心为计算点，并取较大值作为层底 拉应力。 理论最大拉应力系数 1 0 2 3 1 2121 , n n m mm e e e e e ehhh f p 1.2.2 层底容许拉应力、层底拉应力、设计路表弯层、路表计算弯沉层底容许拉应力、层底拉应力、设计路表弯层、路表计算弯沉 计算结果分析计算结果分析 示范路段结构组合设计计算分析 表 4 结 构 组 合 结构层材料 设计路表弯沉 （1/100mm） 路表计算弯沉 （1/100mm） 层底容许 拉应力 （mpa） 层底 拉应力 （mpa） 上面层sma20.614.00.38-0.156 联接层 水泥乳化 沥青混凝土 20.60.310.163 示 范 段 结 构 组 合 柔性 上基层 大粒径 沥青碎石 20.60.3-0.130 9 下基层 水泥稳定 级配碎石 20.60.220.042 底基层 水泥稳定 级配碎石 20.60.220.090 备注：层底应力+为拉应力，-为压应力 1.2.3 示范段结构组合初步设计计算结论示范段结构组合初步设计计算结论 示范段结构组合初步设计表明：路表计算弯沉为 14.0（1/100mm），小于设计 路表弯沉 20.6；各层底拉应力指标均小于容许拉应力。 示范段结构组合初步设计满足现有规范要求。 10 2 2 高抗车辙沥青混凝土面层材料研究高抗车辙沥青混凝土面层材料研究 2.1 原材料选择与准备原材料选择与准备 根据宜昌地理气候的特点，研究确定本项目所在地区路面最高与最低设计 温度的计算参数，为选择沥青性能等级提供科学依据。由于地域等原因，其温差 大，降雨量大，因此对原材料要求更为苛刻。集料、沥青材料的优选除了必须满 足规范规定的要求以外，还应具有耐温度疲劳特性，同时由其所配成的沥青混合 料必须具有良好的温度疲劳特性和水稳定性。 2.1.1 胶结料胶结料 沥青路面采用的沥青标号宜按照公路等级、气候条件、交通条件、路面类型 及在结构层中的层位中的受力特点、施工方法、当地的使用经验进行选择。宜昌 地处中国中西部，气候夏季炎热，冬季寒冷，多雨，因此需选择性能优良的沥青 结合料，而用于 sma 的沥青结合料必须具有较高的粘度，与集料有良好的粘附 性，以保证有足够的高温稳定性和低温韧性。沥青结合料采用 sbs i-d 改性沥青， 其基本性能指标见表 2- 1。 表 2- 1 sbs i-d 沥青基本性能指标 技术指标技术要求试验结果 针入度（25、100g、 5s ）（0.1mm）406053 延度（5、5cm/min）（cm）2036.7 软化点（环球法）（）6075.5 闪点（coc）（）230301 溶解度（三氯乙烯）（%）9999.4 离析，软化点差（）2.50.2 运动粘度（135）（pas）17%的要求，选取级配 b 作 为设计级配。 2.2.2 确定设计沥青用量确定设计沥青用量 根据所选择的设计级配和初试油石比试验的孔隙率的结果，应当分别以 5.6%、5.9%和 6.2%的油石比制作马歇尔试件。由于初试油石比的混合料体积指 标符合设计要求，因此省去上述步骤，只进行一次复核。复核试验以级配 b 配比 和油石比 5.9%制作马歇尔试件，其各项体积参数见表 2-。 表 2-9 马歇尔试件的体积参数 油石比 t fvvvfavmacvamixms %kn 5.92.5682.4703.977.117.132.48.31 复核结果表明，最佳油石比为 5.9%。 2.2.3 配合设计检验配合设计检验 （1）析漏、飞散试验）析漏、飞散试验 以油石比 5.9 制作马歇尔试件和制备沥青混合料，分别进行肯特堡飞散试验 和谢伦堡析漏试验，试验结果如表 2-。 表 2-10 析漏、飞散试验结果 油石比谢伦堡析漏损失肯特堡飞散损失 矿料级配 % 级配 b5.90.042.0 技术要求-0.115 由试验规范技术指标要求可知，上述结果均满足规范要求。 16 （2）高温稳定性检验）高温稳定性检验 以油石比 5.9%制作车辙试件 2 块，试件尺寸 30030050mm，601条件下 保温 5h，进行车辙试验，得到的结果见表 2- 。 表 2- 11 车辙性能研究 试验次数123 时间 t1(min)45 车辙变形(mm)1.8131.7521.824 时间 t2(min)60 车辙变形(mm)1.9211.8691.934 动稳定度 ds(次/mm)5833 5385 5727 平均动稳定度(次/mm)5648 技术要求(次/mm)3000 动稳定度为 5648 次/mm,大于 3000 次/mm，对比设计规范，高温稳定性能满 足设计要求。 （3）水稳定性检测）水稳定性检测 以油石比 5.9%制作 2 组马歇尔试件，分别测试浸水 30min 与 48h 的马歇尔 稳定度，其测试结果见表 2- 。 表 2- 12 浸水残留稳定度试验结果 浸水 时间 理论相对 密度 毛体积相 对密度 空隙率 沥青饱 和度 矿料间 隙率 稳定度ms0 h%kn 0.5h2.5682.4773.678.816.78.31 48h2.5682.4733.777.716.87.91 95.1 以油石比 5.9%制作 2 组马歇尔试件，分别测试未冻融循环与冻融循环后试件的 劈裂抗拉强度，其测试结果见 表 2-。 表 2-13 冻融劈裂强度比 试件高 度 毛体积相 对密度 空隙率饱和度 矿料间隙 率 试验荷 载 劈裂抗拉 强度 tsr测试指 标 mm%knmpa% 未冻融63.92.4733.777.716.85.210.513 冻融后64.22.4694.076.617.04.740.464 90.6 浸水残留稳定度高于公路沥青路面施工技术规范中的技术要求 80%；冻融劈 17 裂强度比亦高于公路沥青路面施工技术规范中的技术要求 80%。 （4）渗水系数检验）渗水系数检验 以油石比 5.9%成型三组车辙试件，分别测试渗水系数，测试结果见表 2- 。 表 2- 14 渗水系数试验 组别时间/s060120180 渗水系数 (ml/min) 平均渗水系数 (ml/min) 1体积/ml1001091191289 2体积/ml10011012113110 3体积/ml1001101191279 9 由上表可知，渗水系数小于公路沥青路面施工技术规范要求 80ml/min。 综合以上配合比设计检验可知，sma-13 最佳油石比为 5.9%。 18 3 3 抗裂性柔性基层沥青混凝土配合比设计抗裂性柔性基层沥青混凝土配合比设计 3.1 原材料选择原材料选择 3.1.1 胶结料胶结料 根据沥青路面结构设计要求与宜昌地区气候特点，柔性基层沥青混凝土采 用 ah70 号沥青，其基本性能指标见表 2- 1。 表 3- 2 ah70 沥青基本性能指标 技术指标技术要求试验结果 针入度（25、100g、 5s ）（0.1mm）608075 延度（10、5cm/min）（cm）2023 软化点（环球法）（）4248 闪点（coc）（）230264 溶解度（三氯乙烯）（%）9999.6 3.1.2 粗集料与细集料粗集料与细集料 粗集料采用石灰岩碎石，细集料采用石屑和机制砂。检测标准：公路沥青路 面施工技术规范(jtgf40-2004)，基本性能见表 3-2。 表 3-2 集料性能指标 技术指标表观相对密度 t/m3毛体积相对密度 t/m3含泥量%砂当量% 技术要求2.45550 粗集料2.6782.6820.1 (3-5)石屑2.7642.7280.5 (0-3)机制砂2.6642.6641.775 2.1.3 填料填料 采用宜昌花艳水泥厂矿粉，其性能指标见表 2- 。 表 3- 3 矿粉基本性能 技术指标表观密度毛体积相对密度亲水系数含水量 单位t/m3t/m3% 技术要求2.50 11 测量值2.8742.8740.70.2 19 3.2 配合比设计配合比设计 3.2.1 设计矿料级配的确定设计矿料级配的确定 表 3- 4 矿料级配设计 筛孔合成级配级配中值级配范围 (mm) 20-55-15 石屑机制砂矿粉 (%)(%)(%) 26.596.4 100.0 100.0 100.0 100.0 98.7 100.0 100100 19.269.3 100.0 100.0 100.0 100.0 89.2 95.0 90100 1651.6 96.4 100.0 100.0 100.0 81.8 72.5 6085 13.233.0 76.6 100.0 100.0 100.0 68.4 62.5 5075 9.54.9 51.0 100.0 100.0 100.0 49.6 52.5 4065 4.750.3 6.8 85.8 85.8 100.0 28.5 27.5 1540 2.360.2 1.1 30.4 30.4 100.0 11.0 13.5 522 1.180.2 1.0 16.9 16.9 100.0 7.2 9.0 216 0.60.2 0.9 10.5 10.5 100.0 5.3 6.5 112 0.30.2 0.9 5.4 5.4 100.0 3.9 5.0 010 0.150.2 0.8 3.6 3.6 97.9 3.3 4.0 08 0.0750.2 0.6 2.5 2.5 86.6 2.7 2.5 05 配比35.0 35.0 28.0 0.0 2.0 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 26.519.21613.29.54.752.361.180.60.30.150.075 筛孔尺寸(mm) 通过率(%) 级配上限 级配下限 合成级配 级配中值 图 3-1 矿料级配曲线 20 3.2.2 马歇尔试验马歇尔试验 选择油石比 3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 进行马歇尔实验，混合料拌和温度 160， 击实温度 140，马歇尔击实仪双面击实各 50 次。测试马歇尔试件的毛体积相对 密度 f、空隙率 vv 和马歇尔稳定度 ms，结果见表 3- 3。 表 3- 3 最佳油石比试验 油石比fvvms %kn 3.02.38010.45.71 3.52.3929.36.42 4.02.3058.16.63 4.52.3967.95.94 5.02.3886.54.89 3.2.3 确定最佳沥青用量确定最佳沥青用量 从表 3-5 中分析得出，相应于密度最大值的油石比 a1= 4.0 ，相应于马歇尔 稳定度最大值的油石比 a2=4.0，相应于空隙率规范中值的油石比 a3=5.2，相应于 沥青饱和度规范中值的油石比 a4=3.8，则计算出 oac1= (a1 +a2 +a3+a4)/4=4.0。 同时，由图中分析可知，满足各项技术指标的油石比最大值与最小值的范围为： 3.64.6，计算得出 oac2=（3.6+4.6）/2=4.1。经过综合分析后，初步确定得出最佳 油石比为 oacopt=（oac1 +oac2）/2=4.1。 21 4 4 拌和式水泥乳化沥青混凝土材料研究拌和式水泥乳化沥青混凝土材料研究 水泥乳化沥青混凝土（cement emulsified asphalt concrete，以下简称 ceac） 是将水泥、乳化沥青、级配碎石和一些外加剂等经冷拌、冷铺及碾压后形成的一 种兼具水泥混凝土刚性和沥青混合料柔性的新型路面材料，具有较较好的高温好的高温稳稳 定性、低温抗裂性及抗疲定性、低温抗裂性及抗疲劳劳性性。 与传统的热拌时沥青混合料相比，冷拌式的 ceac 具有以下几个优点： 1）对于冷拌式，乳化沥青中的水分和集料中包含的适当水分均不影响混合 料的质量，而热拌式沥青需要预先脱水，集料也需经过干燥除水处理，否则沥青 混合料的质量将受影响； 2）乳化沥青破乳后的水分可供水泥硬化凝结，较好的解决了乳化沥青破乳 “憎水”和水泥水化“需水”的矛盾； 3）ceac 采用冷拌、冷铺的施工工艺，可以降低能耗，减少环境污染，对于实 现文明、环保施工非常有利。 4.1 水泥乳化沥青混凝土水泥乳化沥青混凝土强度形成机理强度形成机理 ceac 是水泥混凝土和沥青混凝土的结合体，其强度形成与发展过程与水泥 在混凝土中作用密切相关，同时与乳化沥青增强粒子的作用有很大联系。ceac 属颗粒增强复合材料，乳化沥青粒子高度弥散地分布在混凝土骨料基体中，当基 体受荷载时，乳化沥青增强粒子阻碍导致骨料基体产生塑性变形的运动，对混凝 土产生强化效果。强化效果与乳化沥青粒子体积、粒子特性、粒子间距和粒子直 径等因素有关。 在水泥与水作用约 45min 后，丝状的结构不仅很快地在水泥表面形成，而且 22 在粒子之间填充水的空间内发展。随着水泥水化时间的延长，一方面由于水泥水 化所产生的多种水泥纤维以水泥颗粒为中心向周围空间发展，纵横交叉，逐渐填 充满混合料内的所有毛细空间，水泥与乳化沥青除物理吸附和化学吸附外，还可 能发生化学反应。其结果是水泥水化产物与沥青膜交织在一起，并同细集料牢固 结合而形成柔性空间网，正是水泥产物的凝结力及沥青的粘聚力、水泥与乳化沥 青的结合力，组成强大的复合力，使 ceac 成为一种“密实一骨架”结构。此时， 水泥砂浆充满孔隙，形成均匀、密实、孔隙闭合的整体，从而提高了混凝土的总 体强度。另一方面，混凝土中的沥青乳液因压实等原因，已开始分解破乳，沥青 从乳液的水相中分解出来，许多微小沥青颗粒相互聚结，成为连续的沥青薄膜， 以结构沥青的形式粘附在骨料的表面。由于这两种作用是同时进行的，两种胶凝 材料之间既相互独立又相互贯穿，不可分割，形成两种材料和性质均不相同的立 体空间网络，把骨料紧紧地结合在一起，与普通沥青混合料相比，除了原有单独 起作用矿质骨架和沥青的粘结外，水泥、乳化沥青混凝土提供了一种新型的、以 水泥凝胶为主体的第一骨架，这种质地坚硬的骨架，不仅大大提高了混凝土的抗 压性能，并且由于其自身的凝固力，对混凝土的抗拉能力也有所改善；同时，因水 泥水化时体积增加，生成的水化产物填充了乳液中水分蒸发形成的孔隙，使混凝 土更加密实，也相应地提高了混凝土的稳定性和耐久性。 从胶浆的角度考虑，在掺加水泥后，形成了多极空间双重网络结构体系。由 有机胶凝材料沥青的粘结和无机胶凝材料水泥的凝固两种胶凝材料的 共同作用构成的复合力，使 ceac 形成一个坚实的、既富有柔性又有刚性的整体， 它不同于沥青混合料的柔性空间网络，也与刚性较大但易于脆性破坏的水泥混 凝土不同，是一种多级空间双重网络结构体系；在粗细微三级分散系中，以乳化 23 沥青胶浆的凝胶结构与水泥浆晶体及凝胶体的水泥石和可能的水泥乳化沥青生 成物形成多重网络结构体系，是介于水泥混凝土和沥青混合料之间的，汲取其各 自优点的新型路面材料。 影响 ceac 强度的主要因素有水灰比（或者水胶比）、水泥的强度等级、乳化 沥青的用量、外加剂的种类、所选取的集料级配类型以及施工控制等。 a乳石比=8% b乳石比=6% 图 4-1 ceac 放大 5000 倍的 sem 图像 a乳石比=8% b乳石比=6% 图 4-2 ceac 放大 2000 倍的 sem 图像 课题组通过扫描电子显微镜法（sem）分析了 ceac 体系中水泥沥青浆体与 集料界面的微观形貌，为研究其强度形成机理提供了更好的理论支持。实验方法 如下：取 28d 龄期以上的 ceac 断面薄片，在 60下烘干，然后在 jsm-5610lv 型扫描电镜下观察其微观结构，放大不同倍数时的 sem 形貌结果如图 4-1、图 4- 24 2 所示。 从以上 sem 照片可以看出，乳石比为 6%的 ceac 水泥沥青浆体与集料界 面区域存在一定数量的孔隙，浆体与集料的交联不是很致密，随着乳化沥青含量 （即乳石比）的增加，沥青成膜趋于完整连续，沥青粒子渗入水泥混凝土内部的微 裂隙与孔壁中，与水泥水化产物相互交织形成更加完整的空间网状结构，从而进 一步提高和改善混凝土内部网架结构。 4.2 基本配合比设计基本配合比设计 4.2.1 原材料及性能指标原材料及性能指标 1） 乳化沥青 目前，道路用乳化沥青种类较多，按所选乳化剂种类可分为阴离子型、阳离 子型和非离子型，其中非离子型乳化沥青一般不用于公路。近些年来，阳离子型 乳化沥青由于与各类集料都具有良好的粘附性而被广泛应用于路面透层、黏层 和稀浆封层等，但阳离子型乳化沥青破乳速度较快，不利于与集料的充分拌和， 阴离子型乳化沥青破乳速度较慢，有利于控制拌和过程，以便使沥青与混合料裹 附均匀。对于乳化沥青的选择，课题组先后经过多次对比研究，最终采用本课题 组自身研发的特殊慢裂型阴离子乳化特殊慢裂型阴离子乳化沥沥青青，该该种种沥沥青破乳青破乳时间较时间较慢，与碱性集料慢，与碱性集料 粘附性良好粘附性良好。根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程（jtj 052-2000）的有关 试验方法对乳化沥青进行检测，其各项性能指标见表 4-1。 表 4-1 乳化沥青性能检测指标 性能指标性能指标要求试验结果 筛上剩余物（1.18mm）/%0.10.04 与粗集料粘附性(裹附面积) /%80 水泥适应性（20 秒内流出的样品量/ml）70100 残留物含量 /%5560.8 针入度(25、100g、5s /0.1mm4515078 25 性能指标性能指标要求试验结果 软化点（环球法）/4246 溶解度（三氯乙烯）/97.599.5 延度（25、5cm/min) /cm100126 延度（5、5cm/min) /cm2035 常温贮存稳定性（1d）/10.7 常温贮存稳定性（5d）/53.6 2） 水泥 采用湖北花艳水泥厂生产的 p.o 32.5 普通硅酸盐水泥，参照公路工程水泥 及水泥混凝土试验规程(jtj e30-2005)中的有关试验方法对水泥进行性能检验， 试验结果见表 4-2。 表 4-2 水泥性能检验指标 抗压强度(mpa)抗折强度(mpa) 指 标 比表面 积 (m2/kg) 初凝时 间(min) 终凝时 间(min) 3d28d3d28d p.o 32.531013438014.542.34.17.2 3） 集料 采用宜昌本地产的连续级配石灰岩碎石，根据公路工程集料试验规程 （jtg e42-2005）对集料进行试验，试验结果见表 4-3，均满足公路沥青路面设计 规范（jtg d50-2006）对集料的要求。所采用的矿粉种类为石灰岩，经严格筛分， 粒径小于 0.6mm。 表 4-3 级配碎石的物理力学性能 指标 集料 表观密 度 （g/cm3） 吸水率 （%） 针片状 （%） 压碎值 （%） 液限 （%） 塑性 指数 均匀 系数 26 石灰岩2.752.53.212301013 4） 水 拌合水应符合混凝土用水标准（jgj 63-2006）的要求。 4.2.2 集料级配设计集料级配设计 为提高路面抗车辙能力，同时提高其高温稳定性和水温性，根据公路沥青 路面设计规范（jtg d50-2006），下面层选用 ac-16c 级配类型，集料配合比和 集料合成级配见表 4-4，集料级配曲线如图 4-1 所示。 表 4-4 集料配合比 筛孔 合成级配级配中值级配范围 (mm) 15-5 石屑机制砂河砂矿粉 (%)(%)(%) 19.2100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100100 1692.8 100.0 100.0 100.0 100.0 96.8 95.0 90100 13.275.6 100.0 100.0 100.0 100.0 89.2 84.0 7692 9.546.1 100.0 100.0 100.0 100.0 76.3 70.0 6080 4.756.2 85.8 99.2 100.0 100.0 51.6 48.0 3462 2.361.2 30.4 83.8 95.7 100.0 21.7 34.0 2048 1.181.1 16.9 61.2 79.4 100.0 15.0 24.5 1336 0.61.1 10.5 37.9 49.1 100.0 11.7 17.5 926 0.31.0 5.4 20.4 30.5 100.0 9.1 12.5 718 0.150.9 3.6 12.1 12.6 97.9 8.1 9.5 514 0.0750.5 2.5 6.9 4.0 86.6 6.7 6.0 48 配比44.0 50.0 0.0 0.0 6.0 100 27 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 19.21613.29.54.752.361.180.60.30.150.075 级配上限 级配下限 合成级配 级配中值 图 4-1 集料级配曲线 4.2.3 配合比设计试验方法配合比设计试验方法 乳化沥青含量（乳石比）和水泥含量是水泥乳化沥青混凝土（ceac）配合比 设计过程中应重点控制的指标。对于不同乳石比和水泥含量的 ceac，分别测定 15劈裂抗拉强度及室温下的抗压强度来对其进行性能评价，以确定最佳配合比。 室内试验方案如下：参照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（jtj 052- 2000）中的马歇尔稳定度试验、劈裂抗拉强度试验及抗压回弹模量试验有关规定， 成型马歇尔试件，击实次数可以少于一般沥青混合料的击实次数，双面击实 4550 次即可；试件成型后，在室温条件下养护 7d，然后脱模进行以上各项性能 的测试。 28 29 室内试验结果见表 4-5，由表 4-5 可以看出： 1）掺入水泥后，劈裂抗拉强度和抗压强度均比不掺水泥的乳化沥青混凝土 有所提高； 2）ceac 的 15劈裂抗拉强度随着水泥含量的增加而增大。 通过综合分析，当乳石比为 6%，水泥含量为 5%时，此时材料的柔性比较适 中，同时有较高的稳定度。此外，通过击实试验，最大干密度为 2.35 g/cm3，ceac 的含水量控制在 1.5-2.5%范围内,比较有利于碾压成型。 表4-5 配合比设计及试验结果 编号碎石, %矿粉, %水泥, %乳化沥青 t, %水, %劈裂强度(7d), mpa 1941570/ 29415711.16 39415721.33 49415731.18 5941562.41.49 6941552.81.34 7941533.60.93 8941504.80.87 30 99460720.65 109442720.78 119424721.20 1.10 1.20 1.30 1.40 01234 added water content, % cleavage strength(7d), mpa 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 02468 emulsified asphalt content, % cleavage strength(7d), mpa 0.20 0.60 1.00 1.40 0123456 cement content, % cleavage strength(7d), mpa 31 32 5 5 水泥乳化沥青混凝土水泥乳化沥青混凝土中试中试 5.1 施工组织机构施工组织机构 根据上面层试验段施工的需要进行生产定岗定员、职责分明， 充分发挥各员工工作主动性，以起到监督、指导和保证施工质量的 作用。 5.1.1 生产指挥系统生产指挥系统 经理部以“质量第一，安全第一”为指导思想，生产指挥系统以总经理全面负 责指挥。 5.1.2 质量保证体系质量保证体系 已建立、健全了质保体系。经理部以“充分准备、精心施工、严格把关、确保 质量”为指导思想，由总工牵头，对沥青上面层施工技术方案进行了认真的研究， 编写了该沥青上面层试验段施工组织设计及施工技术方案。 5.1.3 试验检测机构试验检测机构 试验检测机构由经理部试验室主任负责，负责拌和厂取样并进行马歇尔试 验，抽提试验，压实度及平整度检测等各项试验检测工作。 5.1.4 生产岗位定员生产岗位定员 拌和楼各操作岗位、运输车辆、摊铺机、压路机、交通车辆、小型机动车均按 班、组、岗进行定岗、定员、定职责，工班跟随摊铺机和压路机，处理边、角及缺 陷部位。 33 5.2 技术准备工作技术准备工作 5.2.1 施工方案施工方案 采用拌和机集中拌和，大吨位自卸车运输至摊铺现场，一台 mt1200 型摊铺 机梯队作业，单幅全宽一次摊铺。 5.2.2 水泥乳化沥青混凝土配合比设计水泥乳化沥青混凝土配合比设计 目标配合比已由武汉理工大学设计。其主要指标如下： 水泥乳化沥青混凝土配合比 材 料水泥集料乳化沥青备 注 规 格p.o42.5ac-16c 阴离子乳石比水泥含量 配合比 （kg/m）5% 矿料配合比 矿料种类矿 粉1#2#3# 规 格石灰岩0-5mm 石屑5-10mm 碎石10-20mm 碎石 含量（%）4352536 配合比 （kg/m） 80700500720 5.2.3 材料准备材料准备 水泥：采用湖北宜昌生产的 po 42.5 普通硅酸盐水泥，参照公路工程水泥 及水泥混凝土试验规程(jtj e30-2005)中的有关试验方法进行检验。 34 乳化沥青：采用武汉理工大学提供生产配合比与乳化剂，宜昌砼富公司生产 的慢裂快凝型阴离子改性乳化沥青，参照公路工程沥青及沥青混合料试验规程 检测各项指标，其中水泥拌合性0.1%。 级配碎石：采用宜昌产连续级配（粒径在 026.5mm 之间）石灰岩碎石。 35 水：拌合水应符合混凝土用水标准（jgj63-2006）的要求。 5.2.4 施工流程施工流程 施工准备拌 和 碾 压养 生 运 输 摊 铺 施工工艺流程图 5.2.5 现场准备现场准备 （1）摊铺现场准备 摊铺段落先按沥青砼上面层施工前质量报检单进行报检，报检合格后方可 36 进行摊铺。 （2）拌和现场准备 a 采用一套强制搅拌拌合设备拌合，处于正常的工作状态，料场及拌和设备 周围场地均已硬化处理，确保材料不被污染。 b 拌和厂设计考虑了风向、运输等，有安全防火设施，运离居民点，地势干燥， 具备较良好的生产条件。 c 拌和厂各种规格矿料均分仓堆放，并设有防雨设施。 d 拌和厂动力设备配有足够的发电机组。若遇停电，可全部采用自发电保证 均衡生产不受影响。 (3)机械设备准备 水泥乳化沥青混凝土施工机械设备配置表 序号机械名称单位数量备注 1水泥稳定碎石拌合楼台1 37 2全自动履带式摊铺机台1 3大型装载机台1 4自卸运输车台1保证混合料运输 5双钢轮振动压路机台1自重 1215t 6胶轮压路机台1大于 25t 7洒水车辆1 8养护用麻布、草袋件按需要 5.3 施工工艺 水泥乳化沥青混凝土厚度为 8cm，采用一套 400 型水稳碎石拌合设备拌合， 一台摊铺机半幅作业，先胶轮压路机后钢轮压路机碾压密实。 5.3.1 准备下承层准备下承层 水泥乳化沥青混凝土面层施工前要对沥青碎石及封层进行一次认真的检验， 特别是要重要检验：标高是否符合要求；表面有无松散；平整度是否满足要求 ， 不达标路段应进行处理。 5.3.2 水泥乳化沥青混凝土的拌合水泥乳化沥青混凝土的拌合 （1）集料堆放 a、不同级配的集料分仓堆放；运输到仓位的集料应及时用装载机由边向中拢 料，以减小集料的离析。 b、控制集料的含水量，细集料料仓采用油布覆盖防雨。 （2）水泥乳化沥青混凝土配合比由武汉理工大学公司出具，在监理见证认可 情况下完成。 （3）混合料生产过程中的取样应符合下列规定： 38 a、集料的取样应在集料原产地料场（碎石场、砂场）分规格品种从每种料的 皮带运输机出料处取样。 b、集料在拌和厂的料堆上取样时，应在几个不同的位置、不同的高度取样并 混合得到，且应与料场取样的结果进行比较。 c、水泥乳化沥青混凝土取样应按照现行取样规定的方法执行。从运料车上 取样时，应从运料车上分几处采集一定深度下的样品。 d、集料或混合料取样筛分都必须是 3 次（或 3 车）以上试验结果的平均值。 当配合比设计时的数据有较大差异时还必须补充取样校核。 e、水泥稳定层拌和前，所有原材料均应由监理工程师见证取样，送至检测站 检测合格后方可使用。 （4）水泥乳化沥青混凝土采用拌和机拌和，型号为：mwb400型。搅拌前， 将水箱中水抽尽，加入已按配合比调整固含量的乳化沥青，通知加入配合比规定 含量的减水剂与消泡剂。根据设计配合比调整各粒料进料皮带的速度、水泥用量 和最佳乳化沥青用量。搅拌时不得调整皮带速度及水泥用量，乳化沥青用量可根 据粒料的实际含水量适当进行调整，以达到最佳含水量。 （5）水泥乳化沥青混凝土拌和时间以混合料拌和均匀为度，并经试拌确定。 （6）所有搅拌计量装置都必须不定期的进行校验。使用易堵塞管道时，应定 期进行检查清洗。 （7）搅拌过程中任何人不得擅自调整配合比。 （8）水泥乳化沥青混凝土成品出厂的质量验收要求 39 水泥乳化沥青混凝土成品出厂时应检测水泥稳定碎石的外观质量、重量，签 发运料单一式三份，一份存拌和厂，一份交摊铺现场，一份交司机。 5.3.3 水泥乳化沥青混凝土的运输水泥乳化沥青混凝土的运输 （1）计划配备 20t 运料自卸车 10 辆。早上 7 点 30 开始摊铺前现场应提前备 料 6 车以上，以错开早上高峰期，保证摊铺的连续性。运输路线选用交通压力相 对较小的路段，同时在施工前和交管部门积极联系协调，根据路况随时调整路线， 保证运输通道的畅通。运输路线为：搅拌厂城东大道现场原路返回。 （2）运输车辆使用前应先打扫干净。 （3）汽车从拌和楼向运料车上放料时，每卸一斗混合料挪动一下汽车的位置， 先装两端再装中间，以减少粗细集料的离析现象。 （4）前台备料车一律在摊铺机前纵向一字排开，每车间距根据每车混合料实 际摊铺长度定为 10-15m；所有车辆服从现场专人指挥，不得随意在摊铺场地内行 驶停靠。 40 （5）卸料时为防止料车碰撞摊铺机，派专人指挥料车倒车；运料车停在摊铺 机前 10-30cm，用摊铺机前滚轮顶着汽车轮胎同步前进，边前进边往摊铺机中倒 料。卸料时汽车应挂空挡，原则上不带刹车，以免摊铺阻力过大表面形成鼓包。 5.3.4 水泥乳化沥青混凝土的摊铺水泥乳化沥青混凝土的摊铺 （1）作业前先在摊铺机前方地面上洒一条灰线，摊铺机沿此线行驶即可控制 线路方向。根据摊铺厚度并将找平梁支座调整到规定的高度，安置好铝合金梁。 （2）调整摊铺机熨平板，转动拱度调节器，将熨平板调节至路面设计拱度，高 度为各层厚度乘以各层的松铺系数；调节完成后在熨平板全宽范围内垫 2 块木版， 使熨平板放稳。 （3）摊铺机工作仰角固定在 30，并将角度锁死。 （4）摊铺时应保证连续供料，摊铺速度控制在 3-4 米/分钟。摊铺时摊铺机不 得任意变速，振幅与振频要高，使初始压实度达到 85%以上，且振幅与振频不能 互为倍数，以免产生共振。 41 （5）摊铺过程中对于道路上的窨井，在进行摊铺前用钢板进行覆盖，以避免 在摊铺过程中遇到窨井而抬升摊铺机，保证平整度。窨井覆盖采用 1 米见方厚 10的钢板。摊铺碾压完毕后迅速将井挖出。 （6）摊铺时摊铺机的两侧各安排一名民工跟车，主要是防止漏料，对摊铺机 履带下进行清理，保持履带下干净，以免对平整度造成影响。 （7）根据路幅宽度，本次摊铺计划采用一台摊铺机作业的方式施工，型号为 新筑摊铺机。 （8）铺筑时设专职测量人员检查水泥乳化沥青混凝土厚度、横坡度、高程及 平整度，检测员要经常检查松铺厚度，每 5 米查一断面，每断面不得少于 3 点， 并作好记录，及时反馈信息给操作手；每 50 米检查横坡