高速公路沥青路面施工控制关键技术研究毕业论文.pdf

长沙理工大学 硕士学位论文 高速公路沥青路面施工控制关键技术研究 姓名：赵小强 申请学位级别：硕士 专业：道路与铁道工程 指导教师：李闯民 20120516 摘要 近年来我国高速公路建设事业得到了飞速的发展，已修筑的高速公路路面中 绝大部分是沥青路面，由于车载和超载数量的不断大幅增加，造成了高速公路沥 青路面出现较多的早期破坏现象。因此，为了提高沥青路面施工的质量，延长路 面使用寿命，深入的开展沥青路面施工控制研究就显得十分必要。 本文以道贺高速公路为依托，以大量试验数据和理论分析为基础，先从集料 吸水率对混合料设计最佳油石比的影响进行研究，分析了不同吸水率沥青混合料 路用性能的影响，试验验证掺加木质素纤维可以有效地减小吸水率变异性对沥青 混合料设计的影响，同时研究了掺加纤维对混合料路用性能的影响，提出控制热 料含水率的措施，从而降低残留集料含水率大对混合料性能的影响。其次以石灰 岩为骨料，7 0 # 改性沥青为结合料，选用7 种不同程度集料离析的级配，研究集料 离析对沥青混合料体积参数和路用性能的影响，提出了道贺高速公路集料离析的 控制标准和预防措施。然后针对下面层、中面层和上面层，通过对不同厚度车辙 试件进行车辙试验，研究车辙试件厚度对动稳定度的影响，建立5 c m 标准试件厚 度与实际设计厚度之间的动稳定度值的换算关系。 最后从油石比、集料级配波动和高温稳定性三个方面，对道贺高速公路路面 施工质量进行实际评价。结果表明，油石比变化较小，变异系数仅1 0 8 ，集料 级配波动在控制标准的范围内，路面高温稳定性符合技术要求，同时建议利用路 面施工后得到的现场切块试件进行车辙试验来评价路面混合料的高温稳定性。 关键词：沥青路面；吸水率；路用性能；集料离析；车辙试验；施工评价； a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r st h ee x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o ni nc h i n ah a sd e v e l o p e dr a p i d l y t h e v a s tm a j o r i t yo ft h ec o n s t r u c t i o no fe x p r e s s w a yp a v e m e n ti sa s p h a l tp a v e m e n t a sf o r t h es u b s t a n t i a li n c r e a s eo ft h en u m b e ro fv e h i c l e sa n do v e r l o a d i n g ，t h ee x p r e s s w a y a s p h a l tp a v e m e n th a sm o r ee a r l yf a i l u r e t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f t h ea s p h a l tp a v e m e n tc o n s t r u c t i o na n de x t e n dt h ep a v e m e n tl i f e ，i tisv e r yn e c e s s a r y t oc a r r yo u ti n d e p t hs t u d yo nc o n s t r u c t i o nc o n t r o lo fa s p h a l tp a v e m e n t t h i ss t u d yi sb a s e do nd a o h ee x p r e s s w a yw i t hal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a l d a t a sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s t a r t i n gw i t ht h er e s e a r c ho ft h ei m p a c to fa g g r e g a t e w a t e ra b s o r p t i o ni no p t i m u mb i t u m e n a g g r e g a t er a t i o i nm i x t u r ed e s i g n i ta n a l y z e d t h ei m p a c to fd i f f e r e n tw a t e ra b s o r p t i o ni nt h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e ；a d d i n g l i g n i nf i b e r sc o u l de f f e c t i v e l yr e d u c et h e e f f e c to fw a t e ra b s o r p t i o nv a r i a b i l i t yi n a s p h a l tm i x t u r ed e s i g n ；a sw e l la st h ei m p a c to fa d d i n gf i b e ri nt h ep e r f o r m a n c eo f a s p h a l tm i x t u r e t h e ns e v e nd i f f e r e n td e g r e e so fa g g r e g a t eg r a d a t i o ns e g r e g a t i o nw i t h l i m e s t o n ea g g r e g a t ea n d7 0 # m o d i f i e da s p h a l tb i n d e rw e r ec h o s e nt os t u d yt h ei m p a c t o fa g g r e g a t e s e g r e g a t i o ni nt h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e i tp u t su pw i t ht h e c o n t r o ls t a n d a r d so fa g g r e g a t es e g r e g a t i o no fd a o h ee x p r e s s w a y a f t e r w a r d s ，t h e s p e c i m e n sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sf r o m t h eb o t t o ml a y e r ，m i d d l el a y e ra n du p p e rl a y e r w e r ec o n t u c t e dr u t t i n gt e s t ，i no r d e rt os t u d yt h ei m p a c to ft h es p e c i m e nt h i c k n e s si n t h ed y n a m i cs t a b i l i t y , a n de s t a b l et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e5 c ms t a n d a r ds p e c i m e n t h i c k n e s sa n dt h ea c t u a ld e s i g nt h i c k n e s sd y n a m i cs t a b i l i t y f i n a l l yt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yc o n t r o lo fd a o h ee x p r e s s w a yp a v e m e n tw a s e v a l u a t e df r o mt h r e e f a c t o r s ：b i t u m e n a g g r e g a t er a t i o ，a g g r e g a t eg r a d a t i o n f l u c t u a t i o n sa n dh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y t h er e s u l t ss h o wt h a t ，l i t t l ec h a n g ei n b i t u m e n a g g r e g a t er a t i o ，o n l y1 0 8 c o e f f i c i e n to fv a r i a t i o n ；a g g r e g a t eg r a d a t i o n f l u c t u a t i o n sw i t h i nc o n t r o ls t a n d a r d sl i m i t s ；t h er o a dh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y m e e t i n gt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s a tt h es a m et i m e ，i ti sr e c o m m e n d e dt ou s et h e s p e c i m e n si m m e d i a t e l yc u tf r o mc o n s t r u c t i o ns i t et o c o n t u c tt h er u t t i n gt e s t t o e v a l u a t et h eh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t yo fp a v e m e n tm i x t u r e k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；w a t e ra b s o r p t i o n ；p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ； a g g r e g a t es e g r e g a t i o n ；r u t t i n gt e s t ；c o n s t r u c t i o ne v a l u a t i o n ； n 1 1 研究背景 第一章绪论 自1 9 8 8 年沪嘉高速公路和沈大高速公路建成通车以来，我国加大了高速公路 的建设投资，高速公路得到了极为快速的发展。截至2 0 1 1 年年底，高速公路由“十 五“ 期末的4 1 万公里发展到8 5 万公里，居世界第二，仅次于美国的l o 万公里。 据统计，在我国已修筑的高速公路路面中绝大部分是沥青路面。随着国民经济的 快速发展和现代化道路交通运输的需要，对高速公路沥青路面的使用品质和有效 服务年限要求越来越高，沥青路面还将得到更大的发展。 不过，我们也应清楚地认识到，我国沥青路面出现早期破坏和耐久性差成为 一个突出问题，严重影响了我国公路健康发展。和其它国家相比，我国高速公路 沥青路面的实际使用寿命远远低于设计年限，一般使用5 - 8 年或3 - 4 年后便出现 显著的破坏，严重影响了行车舒适性和安全性，不得不进行大面积的维修，不仅 对交通、社会造成了很大的影响，在经济上也造成了巨大的损失【1 1 。路面早期破 坏的原因，主要在于三个方面：一是高速公路在建成后交通量较大，并且重载、 超载车辆较多，对路面的破坏作用十分明显；二是我国幅员辽阔，存在着特殊的 地质、土质和气候条件( 如不可预见的长期高温) ，如果未能全面考虑这种自然气 候因素，则会出现路面结构设计理论、理念及材料组成设计的不完善等，导致一 些高速公路的材料组成不能适应重交通和不同的气候地质等具体情况；三是高速 公沥青路面虽然已形成一套比较成熟完整的施工方法，但在各个施工工艺的质量 控制方面还不够完善【5 】。从沥青路面早期损坏的现状分析，大部分是因为沥青混 合料的非均匀性和离析而造成的局部损坏，这种集料离析主要是指粗集料和细粒 料的分布不均匀，偏离了设计的级配，路面局部损坏的普遍性也说明施工质量存 在很大的变异性吣l 。同时在道贺高速公路施工过程中发现，集料的吸水率变异性 过大，有些超过了规范的极值2 ，对混合料的油石比产生较大的影响，同时也 降低了混合料的路用性能。 另外，目前我国高速公路建设盲目赶工期现象较为普遍，导致在施工过程中 不能对某些关键环节进行有效的控制。同时，受经济利益的驱使，某些施工单位 在机械设备上投入不足，出现设备性能落后、数量不足的现象，而且施工中还存 在有意识按规范中负偏差控制路面厚度的现象，这些都将导致沥青路面出现早期 损坏。加上路面检测结果的滞后性，上述因素对路面造成的后果均无法补救。因 此，本研究在道贺高速公路建设的基础上，通过调查、室内试验和理论分析，研 究高速公路路面集料吸水率对沥青混合料设计的影响，集料离析对沥青混合料路 用性能的影响，以及车辙试件厚度与动稳定度关系，本研究技术成果将对高速公 路的施工建设提供技术支持，实现沥青路面施工质量的控制，具有显著的经济效 益和长远的社会意义。 1 2 国内外研究现状 沥青路面是以沥青材料作为结合料粘结矿料而修筑的面层与各类基层和垫层 所组成的路面结构，相比于水泥路面，沥青路面具有以下特点【3 】： ( 1 ) 沥青路面平整度和粗糙度较好，没有接缝，减震吸声，且无强烈反光， 行车舒适安全。 ( 2 ) 沥青路面施工可以全部采用机械化，控制施工质量，施工后便可开放交 通。 ( 3 ) 可以分段分期维修和养护，沥青混合料也可再生利用。 因此，沥青路面得到了广泛应用，尤其适合高速行车道路路面。由于交通量 的日益增加、车辆大型化和重载超载比例的增大，交通对路面的要求越来越高， 为了保证沥青路面优良的服务性能，经久耐用，要求沥青路面必须具有足够的高 温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗老化性、抗滑性等技术性能，以增加路面 的使用寿命，防止路面出现早期损坏。 ( 1 ) 高温稳定性 高温稳定性是指沥青混合料在高温条件下，能够抵抗车辆荷载的反复作用， 不发生显著永久变形，保证路面平整度的特性。沥青混合料是典型的粘一弹一塑 型材料，在高温条件下或长时间承受荷载作用时会产生显著的变形，其中不能回 复的部分成为永久变形，这种特性导致沥青路面产生车辙、波浪及拥抱等病害的 主要原因。在交通量大，重车比例高和经常变速路段的沥青路面上，车辙是最严 重、最有危害的破坏形式之一。 ( 2 ) 低温抗裂性 当冬季气温降低时，沥青面层将产生体积收缩，而在基层结构与周围材料的 约束作用下，沥青混合料不能自由收缩，将在结构层中产生温度应力。由于沥青 混合料具有一定的应力松弹能力，当降温速率较慢是，所产生的温度应力会随着 时间逐渐松弛减小，不会对沥青路面产生较大的危害。但当气温骤降时，所产生 的温度应力来不及松弛，当温度应力超过沥青混合料的容许应力值时，沥青混合 料被拉裂，导致沥青路面出现裂缝造成路面的损坏。因此要求路青路面具备一定 的抗低温抗裂性能，即要求沥青混合料具有较高的低温强度或较大的低温变形能 力。 ( 3 ) 水稳定性 沥青路面水稳定性不足表现为：由于水或水汽的作用，促使沥青从集料颗粒 2 表面剥离，降低沥青混合料的粘结强度，松散的集料颗粒被滚动的车轮带走，在 路表形成独立的大小不等的坑槽，即所谓的沥青路面“水损害“ 。当沥青混合料的 压实空隙率较大、沥青路面排水系统不完善时，滞留于路面结构中的水长期浸泡 沥青混合料，加上行车引起的动水压力对沥青产生剥离作用，将加剧沥青路面的 “水损害“ 病害。 ( 4 ) 抗老化性 在沥青混合料使用过程中，受到空气中氧、水、紫外线等介质的作用，促使 沥青发生诸多复杂的物理化学变化，逐渐老化或硬化，致使沥青混合料变脆易裂， 从而导致沥青路面出现各种与沥青老化有关的裂纹或裂缝。因此，沥青路面应具 有较好的抗老化性能。 ( 5 ) 抗疲劳性 在大量的行车荷载反复作用下，沥青路面就可能出现网裂和龟裂，而导致路 面最终破坏，沥青路面抗疲劳时间长度的特性实际上反应出了沥青路面的使用寿 命，而使用寿命长度则与设计参数的确定、材料的选用以及未来行车菏载的变化， 气候的影响均有直接关系。所以，在同等条件下，如何增强其抗疲劳特性是广大 沥青路面科技工作者共同关心的课题。 ( 6 ) 抗滑性 沥青路面的抗滑性对于保障道路交通安全至关重要，而沥青路面的抗滑性必 须通过合理地选择沥青混合料组成材料、正确地设计与施工来保证。因此用于沥 青路面表层的粗集料应选用表层粗糙、坚硬、耐磨、抗冲刷性好、磨光值大的碎 石或破碎砾石集料。通常，坚硬耐磨的矿料多为酸性石料，与沥青的粘结性较差， 为了保证沥青混合料的水稳定性，应采取有效的抗剥落措施。 ( 7 ) 平整度 路面平整度是评定路面质量的主要技术指标之一，它关系到行车的安全，舒 适以及路面所受冲击力的大小和使用寿命，不平整的路表面会增大行车阻力，并 使车辆产生附加的振动作用。这种振动作用会造成行车颠簸，影响行车的速度和 安全，影响驾驶的平稳和乘客的舒适。同时，振动作用还会对路面施加冲击力， 从而加剧路面和汽车机件的损坏和轮胎的磨损，并增大油料的消耗。而且，对于 位于水网地区，不平整的路面还会积滞雨水，加速路面的水损坏。因此，为了减 少振动冲击力，提高行车速度和增进行车舒适性，安全性，路面应保持一定的平 整度【6 1 。 道贺高速公路上面层使用的玄武岩的开口孔隙多，吸水率变异性大，普遍高 于规范的极限值2 ，集料对水较为敏感，影响了混合料的沥青用量，降低了集 料和沥青之间的粘附作用以及混合料的路用性能，将导致沥青路面发生早期水损 害1 1 1 8 1 。水损害的发生主要是因为在进入路面空隙中的水不断作用下，集料和沥 青之间的粘附性逐渐降低甚至消失，沥青膜也随之逐渐与集料剥离，在汽车荷载 的作用下混合料很快松散、掉粒，进而导致沥青路面发生推挤变形和坑槽等早期 损坏现象。目前我国评价沥青混合料的水稳定性主要采用的方法是马歇尔残留稳 定度和冻融劈裂强度比，另外国内还有一些学者根据混合料空隙率和水损害之间 的相互关系，提出使用吸水率指标和数字图像技术来预测评价沥青路面的水损害 程度。 沙庆林院士【1 1 带领研究人员先后对1 5 个省3 0 余条高速公路进行调查研究， 详细地分析了沥青路面产生水损害的现象与原因，提出了针对半刚性基层沥青路 面的预防措施，主要包括：降低沥青面层的各层混合料的设计空隙率，应不高于 5 ；增大集料与沥青之间的粘结力；提高压实标准；保证路面设计的足够厚度； 完善路面的排水设施。 国外对沥青路面的水损害进行了大量的研究，主要通过一下方面预防水损害 的发生：( 1 ) 建立良好的路面排水系统，设计排水结构层，如美国设置沥青透水 基层，德国使用的大孔隙排水型路面，日本和其他国家的沥青路面广泛使用多孔 隙沥青碎石。( 2 ) 提高原材料的质量，保证集料与沥青的粘附性，如使用干燥洁 净的集料，粘结性较好的改性沥青，在混合料中添加水泥等抗剥落剂。( 3 ) 控制 施工质量，改进施工工艺，集料的吸水率大时，应相应延长拌合时间，提高加热 温度以控制矿料的含水率，降低集料吸水率的变异性对混合料的沥青用量和路用 性能的影响，保证路面的水稳定性【3 引。 沥青路面发生早期损害的另一个重要原因是在施工过程中产生级配的离析， 级配离析导致沥青混合料的不均匀，路面的空隙率发生波动，偏离设计值，大大 降低其路用性能，减小了路面的使用寿命。在施工的各个环节都有可能发生级配 离析，如原材料的生产、储存、堆放、热料的筛分、拌合的控制、混合料的装卸 和摊铺等【2 1 1 。通过对沥青路面离析的调查研究发现，路面不仅发生粗集料的离析， 细集料的离析也同样发生。沥青路面发生粗集料离析表现为沥青用量减小，混合 料空隙率较大，水分容易渗入沥青和集料的表面而诱发路面产生水损害；发生细 集料离析时则相反，表现为沥青用量增大，空隙率较小，路面容易发生永久变形， 产生泛油、车辙等损害【3 卯。 国内外的一些学者对混合料的集料离析控制均做了许多研究，总结了离析产 生的原因，定义了离析的等级，提出了级配离析的控制技术措施和检测手段，为 施工过程中的级配离析控制提供了经验依据。国内一般采用混合料离心抽提筛分 和路面钻芯的试验方法检测级配的离析情况，根据试验结果再对施工工艺进行控 制【25 1 。美国多使用构造深度比最为评判离析的指标，此外还有核子密度仪法、热 成像法等。抽提筛分的试验结果只能反映实测级配与设计级配的偏离关系，不能 明确给出级配离析的程度，并且试验需要一定的时间具有滞后性，发生级配离析 4 时不能马上对其进行控制；钻芯具有随机性，不能反映路面的所有状况，也不能 反映级配离析的所有情况【l9 1 。根据这些缺陷，本文明确给出了集料离析的评判标 准，研究分析了在不同集料离析程度的情况下，混合料体积参数的变化波动规律， 以及对混合料路用性能的影响，同时确定了在施工过程中集料离析的控制标准和 控制方法。 沥青路面早期损害的另一种主要形式是在车辆荷载的不断作用下产生了不可 恢复的永久变形，在道路纵向轮迹位置产生带状的凹槽，即车辙，它是各结构层 在车辆荷载不断作用下产生塑性变形的结果。根据产生的原因不同，车辙可以分 为结构型车辙、失稳型车辙、磨耗型车辙、压密型车辙以及水损害型车辙。车辙 的影响因素很多，主要包括各层路面的设计结构、原材料性能、车辆荷载的大小、 作用次数和路面的实际温度等【3 7 】。随着公路交通的不断发展，交通量急速增大， 轴载增加，车辆超载现象的普遍存在，车辙问题广泛出现，已经成为沥青路面的 一种主要病害，严重影响路面的使用性能，降低路面的使用寿命。 沥青路面的车辙主要发生在高温时期，为了减小路面车辙的发生，就必须对 其进行高温稳定性的研究，评价其抗车辙的能力。国外关于沥青混合料的高温稳 定性试验较多，比如荷兰的单轴动载和单轴重复荷载压缩试验，该方法简单，操、 作方便，较好的模拟了路面车辆荷载的作用，能够测得混合料的回弹模量和变形 量。美国的三轴压缩试验，和单轴相比增加了侧向压力，能够更好地模拟实际路 面的受力情况，所测得的试验数据和单轴相同。使用万能材料试验机进行小梁弯 曲疲劳试验，根据不同的路面结构设计情况预先设定应力比或应变比，测得混合 料的疲劳次数。为了最能准确的模拟沥青路面产生车辙的过程和形成机理，国外， 进行了大型的环道、直道试验，如1 9 8 4 年法国建成的环道宽6 m ，外径4 1 m 的大 型环道，美国于1 9 9 6 年建成的环道宽1 l m ，全长2 9 k m 的椭圆形大型环道【2 引。 国内评价混合料的高温稳定性主要采用车辙试验，是根据日本道路协会铺装 试验法制定的，该试验方法简单，操作方便，在室内得到了广泛使用。我国规范 规定的沥青混合料车辙试验是用一块经碾压成型的板块试件，在规定温度条件( 通 常为6 0 “ 0 ) 下，以一个轮压为0 7 m p a 的实心橡胶轮胎在其上行走，测量试件在 变形稳定时期时，每增加1 m m 变形需要行走的次数，即称为“动稳定度( d s ) ， 单位为次m m 。混合料车辙试件厚度的选择主要课根据集料粒径大小及工程需要， 对于集料公称最大粒径1 9 m m 的混合料，采用尺寸为3 0 0 m m x 3 0 0 m m x 5 0 m m 的 试模成型，而对于集料公称最大粒径2 6 5 m m 的混合料，应采用尺寸为 3 0 0 m m 3 0 0 m m x l o r a m 的试模成型1 2 4 。高速公路沥青路面面层的结构设计一般为 4 c m a c - 1 3 + 6 c ma c 一2 0 c + s c ma c 一2 5 c ，如果车辙试件的厚度均为5 c m ，则不能较 好的反应实际的路面状况，基于上面的缺陷，应该通过不同的车辙厚度进行车辙 试验，研究试件厚度对动稳定度的影响，建立实际设计厚度与标准厚度之间的关 系。 在施工机械方面，为了防止混合料发生集料的离析，美国推出了不间断摊铺 和二次复拌新工艺，同时通过运用g p s 导航系统对施工机械进行控制，提高路面 的施工质量。德国、法国等国家通过运用r t k 模式定位技术，同时利用激光引导 技术，精确定位引导摊铺机和压路机的运行。三一重工设计生产的摊铺机，可以 有效地减少级配的离析发生，提高路面的施工质量。对于沥青路面的施工质量的 控制，国外形成了一个比较完整的体系，例如美国的质量控制和质量保j 正( q c q a ) 体系【4 2 1 。国内尚未形成完善的标准体系，仅从单个环节或关键参数进行研究，没 有量化，较为分散，因此需要对其进行进一步的研究，为以后的高速公路的施工 建设提供经验。 1 3 研究内容 随着公路交通的不断发展，交通量急速增大，轴载增加，车辆超载现象的普 遍存在，交通渠化等对高速公路沥青混凝土路面提出了更高的要求。目前加强沥 青路面，改善沥青路面的服务性能，延长路面的使用寿命，提高经济效益是当前 公路科技工作者所共同关心的问题，其中沥青路面施工质量控制是重要的研究课 题之一。 本文以道贺高速公路为依托，通过调查、室内试验和理论分析，研究高速公 路路面集料吸水率对沥青混合料设计的影响，集料离析对沥青混合料路用性能的 影响，以及车辙试件厚度与动稳定度关系。为此，主要进行以下几个方面的研究： ( 1 ) 研究集料吸水率对沥青混合料设计的影响，主要包括集料吸水率对混合 料设计最佳油石比的影响、不同吸水率沥青混合料路用性能对比以及保证高吸水 率集料沥青混合料路用性能的技术措施。 ( 2 ) 研究集料离析对沥青混合料路用性能的影响，包括不同程度的矿料离析 混合料设计、集料离析对沥青混合料性能影响和提出控制集料离析的技术措施。 ( 3 ) 研究车辙试件厚度与动稳定度关系( 上面层、中面层和下面层) ，建立 标准试件厚度与实际设计厚度之间的动稳定度值的换算关系。 ( 4 ) 道贺高速公路路面质量在上述三方面的实际评价，包括吸水率玄武岩上 面层质量评价、三层集料级配波动控制和评价和三层动稳定度试验( 包括生产、 目标和实际取块的车辙动稳定度) 分析和评价。 本文以室内试验和理论分析为基础，结合已有的研究成果开展研究工作。 1 4 课题研究依托项目情况 本课题主要依托湖南省高速公路沥青路面工程建设而开展。湖南永州道县至 广西贺州高速公路湖南段是湖南省高速公路网规划的重要组成部分，也是湖南与 6 中国东盟贸易区之间的又一快速便捷通道。起于道县南，与拟建的厦蓉高速公路 相接，途经道县、江华县和江永县，止于省界李家塘，接拟建的道贺高速公路广 西段。主线全长5 0 6 5 2 公里，江永联络线长1 2 3 8 8 公里，项目投资估算约2 6 亿元，计划工期3 6 个月。该项目的建成，对完善湖南省高速公路网骨架，提高南 北综合运输能力，改善湘西南地区交通运输条件，承接产业转移，带动湘西南地 区的经济社会发展，将产生巨大推动作用。 项目区域属亚热带季风润滑气候区，总的特点是：四季分明，无霜期长，热 量丰富，雨水充沛。全年无霜期2 8 6 3 1 1 天，多年平均日照1 3 8 4 1 6 8 8 小时，年 平均降雨量1 2 8 0 1 5 3 0 m m 。道贺高速公路的主要特点是地形地质复杂。受此影响， 路线布设时平纵横三个方面都受到约束，一般就是平曲线多，平面半径小，纵坡 大。由于道贺高速公路山区地形复杂，使得线形设计受限，设计中出现一些技术 指标接近技术要求极限的路段。公路设计等级为双向四车道高速公路，设计车速 1 0 0 公里时，路基宽2 6 米，路面宽2 1 米，全线特大桥1 3 1 7 m 1 座、大中桥 4 8 0 0 3 3 m 1 8 座、分离式立交桥3 0 9 7 7 2 m 4 1 座、通涵2 5 1 座、挖土4 7 9 6 5 万m 3 、 填土4 7 0 1 3 万m 3 、借方1 1 8 1 万m 3 、弃方1 1 7 1 万m 3 。沥青路面结构设计为： 4 c m s b s 改性沥青a c 1 3 + 6 c ms b s 改性沥青a c 2 0 c + 8 c m 5 0 号a 级普通沥青” a c 2 5 c + 6 m m 稀浆封层+ 3 6 c m 水泥稳定碎石基层+ 2 0 c m 水泥稳定碎石底基层。路 面施工时间为2 0 11 年2 月1 0 日至2 0 1 1 年1 2 月1 5 日，于2 0 11 年1 2 月3 0 日竣 工通车。路面分为两个施工段，见表1 1 。 表1 1 施工标段概况表 合同标段起讫桩号标段长度( k m ) 路面a 标kl + 0 7 0 k 2 3 + 6 8 02 2 6 1 0 路面b 标 k 2 3 + 8 6 0 k 5l + 7 7 8 9 0 62 7 9 1 9 7 第二章集料吸水率对沥青混合料设计的影响 2 1 集料吸水率对设计油石比的影响 2 1 1 原材料试验 道贺高速公路上面层采用集料为株洲攸县生产的玄武岩，粒径为： 9 5 1 3 2 r a m 碎石、4 7 5 9 5 r a m 碎石、2 3 6 4 7 5 m m 碎石，以及永州道县上渡碎 石场生产的石灰岩，粒径为o 2 3 6 r a m 石屑，共计四档。株洲攸县玄武岩生产前 期集料的各项性能指标均符合上面层集料的技术要求，开采一段时间后发现集料 的吸水率变异性比较大，而0 2 3 6 r a m 石屑吸水率比较稳定( 吸水率为2 6 ) ， 表2 1 列出了不同阶段玄武岩的吸水率： 表2 1 不同阶段玄武岩吸水率 吸水率( ) 集料类型( m m ) 前期中期后期 9 5 l3 21 9 1 92 1 4 7 5 - 9 51 72 22 6 2 3 6 4 7 51 82 32 3 玄武岩集料其它性能测定结果见表2 2 ，均满足高速公路路面面层集料的技 术要求。 表2 2 玄武岩集料性能测定结果f 1 1 l 单 试验结果 技术 试验项目试验方法 位2 3 6 4 7 5 r a m4 7 5 9 5 r a m9 5 13 2 r a m要求 压碎值 1 3 3 4 2t 0 3 2 1 2 0 0 5 与s b s 改性沥青的 级 5 之4 t 0 6 1 6 1 9 9 3 粘附性 填料采用道贺高速b 标矿粉加工厂的矿粉，试验结果见表2 3 ，所有指标符 合公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 【4 】“沥青混合料用矿粉质量 要求“ 。 8 表2 3 矿粉试验结果及质量技术要求 试验项目 一 单位一试验结果技术要求 试验方法 表观相对密度 2 8 0 5 之2 5 0 t 0 35 2 2 0 0 0 含水量0 2 l s l t 0 1 0 3 2 0 0 0 2 0 0t 0 6 2 0 - 2 0 ll 蜡含量( 蒸馏法) 1 3 3 0t 0 34 5 - 2 0 0 0 填料仍采用道贺高速公路b 标生产的矿粉，试验结果见表2 3 ， 沥青结合料仍采用道路石油a 级7 0 4 s b s 改性沥青，试验结果如表2 4 。 3 2 集料离析混合料设计 3 2 1 试验级配设计 本文按照j t gf 4 0 2 0 0 4 公路沥青路面施工技术规范，采用马歇尔试验方 法确定符合体积参数要求的a c 2 0 c 型混合料级配组成作为本次试验的标准混合 料，见表3 4 中设计级配a 。根据国内外学者的研究成果，本文制定了集料离析 程度的分级标准，见表3 3 【2 6 1 。在施工实践中发现，沥青混合料不仅发生粗集料 的离析，细集料的离析也同样发生。因此，本文设计了7 种试验所用混合料的级 配组成，见表3 4 和图3 1 ，其中a 代表标准级配，b i ，b 2 和b 3 依次代表轻度、 中度和严重的细集料离析混合料；c i ，c 2 和c 3 依次代表轻度、中度和严重的 粗集料离析混合料【3 5 】。 表3 3 集料离析程度分级标准 离析程度定义 粗、细集料含量基本正常，但和周围的表面相比， 轻度离析 局部表面构造明显偏粗或偏细。 中度离析粗、细集料含量明显偏少，“多石”或“少石”现象严重。 严重离析 粗、细集料含量明显缺乏，“多石”或“少石”现象严重。 表3 4 试验混合料的级配组成 筛孔通过质量吧百分率( ) 筛孔尺寸r a m b 3b 2b lac 】c 2c 3 2 6 5 1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 1 91 0 09 9 89 8 89 3 88 8 88 7 88 6 8 1 r 1 69 08 98 8 8 3 7 87 77 6 1 3 27 9 97 8 97 7 97 2 96 7 96 6 96 5 9 9 56 7 86 6 86 5 8 6 0 8 5 5 8 5 4 8 5 3 8 4 7 54 8 14 7 14 6 14 1 13 6 13 5 13 4 1 2 3 63 3 63 2 631 62 7 62 3 62 2 6 2 1 6 1 1 82 6 32 5 32 4 32 0 31 6 31 5 31 4 3 0 62 0 61 9 618 61 4 61 0 69 68 6 0 31 6 31 5 31 4 3l o 36 35 34 3 o 151 4 11 3 11 2 18 14 13 1 3 1 0 0 7 57 。67 16 65 13 63 12 6 图3 1 混合料的级配合成图 3 2 2 沥青用量的确定 将集料逐级筛分用以回配各离析级配混合料，测定各档集料的毛体积相对密 度和表观相对密度列于表3 5 中。 表3 5 各档集料表观相对密度与毛体积相对密度 粒径( m m ) 1 9 2 6 51 6 1 9 1 3 2 1 69 5 1 3 24 7 5 9 5 2 3 6 4 7 5 表观相对 2 8 0 6 2 8 0 82 8 0 62 7 5 l2 7 4 82 7 1 9 密度 毛体积相 2 7 7 62 7 7 92 7 7 8 2 7 1 42 7 1 6 2 6 4 9 对密度 粒径( m m ) 1 1 8 2 3 60 6 1 1 80 3 加60 1 5 0 3o 0 7 5 0 1 50 - 0 0 7 5 表观相对 2 7 2 42 7 2 62 7 2 42 7 2 0 2 7 2 5 2 8 0 5 密度 毛体积相 2 6 5 42 6 5 52 6 5 32 6 5 l2 6 5 42 8 0 5 对密度 在路面施工过程中，沥青混合料主要在装料、卸料和摊铺等运动状态下发生 集料离析，由于沥青膜较薄，当发生粗、细集料离析时，集料颗粒表面所吸附的 沥青变化较小。因此，假设当混合料发生集料离析后，集料颗粒表面的沥青膜有 效厚度基本保持不变，沥青膜有效厚度d a ( p m ) 按式( 3 4 ) 计算【3 6 】。根据这 个假设，计算各个离析混合料中的沥青用量，表3 7 为求得各级配的油石比。 p 。：业，。1 0 0 ( 3 1 ) p 。= 三一苎l l 生， 、j 。1 ， 一 ，。y 曲 气= 只一需只 p 即= 化聪) p d a = 三丝一1 0 0 0 p 6 只x 鲥 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 式中：p 6 口沥青混合料中被集料吸收的沥青结合料比例，； n e 有效沥青含量，； y 。矿料的有效相对密度； y 曲材料的合成毛体积相对密度； y 。沥青的相对密度，无量纲： p b 沥青含量，； p 。各种矿料占沥青混合料总质量的百分率之和，即p 。= 1 0 0 p b ，； 黝集料的比表面积，m 2 l 【g ： 尸，各种粒径的通过百分率，； f a i 相应于各种粒径的集料的表面积系数； d a 沥青膜有效厚度，z m ； p 6 _ 沥青2 5 “ ( 2 时的密度，g c m 3 。 一 表3 6 各级配的油石比 级配 b 3 b 2b lac lc 2c 3 油石比 5 75 14 74 33 93 63 2 ( ) 3 3 集料离析对沥青混合料性能影响 3 3 1 集料离析对沥青混合料试件体积参数的影响 根据表3 4 中确定的沥青混合料合成级配和表3 6 中最佳油石配进行马歇尔 试验，试验结果见表3 7 。 表3 7 混合料的体积参数 试件混合料级配类型 b 3b 2b lac 1c 2c 3 技术要求 毛体积相对密度2 4 8 52 4 7 l2 4 6 72 4 5 82 4 l l2 3 6 92 3 5 7l 空隙率( ) 1 32 73 44 36 98 79 9 3 - 6 矿料间隙率( ) 1 3 21 3 21 2 91 3 11 4 61 5 81 6 0 芝1 3 0 沥青饱和度( ) 9 0 27 9 57 3 66 7 25 2 74 4 93 8 16 5 7 5 从上表的试验结果，可以得出以下结论： ( 1 ) 当集料发生粗集料离析时，混合料试件的密度随着离析程度的增加而降 低，空隙率则随着显著增大，矿料间隙率增大，沥青饱和度随着降低。 ( 2 ) 当集料发生细集料离析时，混合料试件的密度随着离析程度的增加而增 大，空隙率则随着减小，矿料间隙率变化不大，受其影响较小，而沥青饱和度则 随着显著增大。 ( 3 ) 在集料发生粗、细集料严重离析的两个极端情况下，同类型沥青混合料 的空隙率从9 9 降到1 3 ，差值达到8 6 ，沥青饱和度从3 8 1 增大到9 0 2 ， 差值5 2 1 ，因此沥青混合料的使用性能必将受到显著的影响。下面研究集料离 析对沥青混合料路用性能的影响。 3 3 2 集料离析对沥青混合料路用性能的影响 通过试验可知，集料离析对沥青混合料试件的体积参数产生显著地影响。然 而，对混合料的路用性能产生怎样的影响，需要通过试验进一步的验证。因而， 本文主要以车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验验证混合料的高温稳定性、 水稳定性和低温抗裂性等。 ( 1 ) 车辙试验 2 3 按照我国现行规范试验要求，进行车辙试验。试验结果如下： 表3 8 混合料车辙试验结果 级配动稳定度平均值 总变形 平均值相对变形率 类型( 次r a m )( 次r a m ) ( m m )( r n r r l ) ( ) 1 2 5 95 1 b 3 1 4 3 81 4 4 75 1 45 0 3l o 0 6 1 6 4 54 8 5 3 2 9 42 9 6 b 2 2 9 8 03 1 6 23 2 13 0 0 36 o l 3 2 1 32 8 4 4 9 8 3 一 2 4 5 b 1 4 6 3 5 4 9 4 3 2 3 7 2 3 3 74 6 7 5 2 1 22 1 9 6 2 1 92 15 a 5 7 7 4 6 0 1 4 2 4 2 2 2 l4 4 2 6 0 4 82 0 6 6 1 6 4 2 1 7 c l 6 3 4 8 6 1 2 9 2 0 6 2 0 5 34 1l 5 8 7 61 9 3 6 4 2 51 8 5 c 2 6 1 8 3 6 3 3 5 1 6 9 1 8 3 73 6 7 6 3 9 61 9 7 5 3 9 42 0 3 c 3 5 8 4 l 5 6 0 4 1 8 3 1 9 2 73 8 5 5 5 7 61 9 2 ，u u u ；ji j ? 二1 。 一：1 岛 ，j i j 6 0 0 0 ：5 7 ， ； ； ? 7 麓 ；： 5 0 0 0 ：、 ；i 5 ： 暑 ：j l i” ： i i ”l ； i 至； j i j 翟 朝 i 7 ； 。l 瑚 咎 怒4 0 0 0： 4 t g| 撕一0 绷 崩 o 如簖i 女 ： 型 0 7 势j ， ； 馊3 0 0 0j j ；， ： ；+ 7 l 鞭 ； 蹦ei 祷2 0 0 0 k ；i j 弘 弱 ；i 。 1 0 0 0 强 j 冀 l 翁 崩 v b 3b 2b 1ac lc 2c 3 级配类型 图3 2 混合料车辙试验结果分布情况 从表3 9 和图3 2 的车辙试验结果中可以得出以下结论： 1 ) 当沥青混合料发生粗集料离析时，混合料的动稳定度基本一致，相差不大， 高温稳定性没有受到显著的影响。虽然混合料的空隙率较大，但由于含有较多的 粗集料，能够形成骨架，导致沥青混合料的抗车辙能力的增加。因此，粗集料离 析并没有降低混合料的高温性能。 。 2 ) 当沥青混合料发生细集料离析时，混合料的动稳定度随着离析的程度的增 加而降低，同时车辙试件的变形数值也随着增大。这是由于当混合料发生细集料 离析时，混合料中所含的细集料较多，而粗集料较少，没有形成骨架。因此，当 沥青混合料发生集料离析时，路面车辙损坏将较多的发生在细集料离析的区域。 ( 2 ) 浸水马歇尔试验 各种级配在各自油石比条件下，进行浸水马歇尔试验，试验结果如下： 表3 9 混合料马歇尔残留稳定度试验结果 浸水o 5 h 后的稳定浸水4 8 h 后的稳 残留稳定度m s o 级配类型 度m s ( k n )定度m s i ( k n