（交通运输工程专业论文）50号硬质沥青在广东高速公路中的应用研究.pdf

摘要 国外应用研究情况表明，5 0 号硬质沥青混合料具有明显好于7 0 号道路石油沥青混 合料的高温稳定性，并具有相对较为低廉的价格，是一种性价比较高的提高沥青路面抗 车辙能力的材料。 论文通过国内外调研了解了5 0 号硬质沥青的性能特点及应用情况，并结合广东省 实际情况确定本项目研究重点和方向；通过对广东省气候交通条件进行分析后确定了广 东省高速公路沥青路面沥青胶结料p g 等级要求；通过对不同沥青材料、不同沥青混合 料进行室内试验研究后制定了5 0 号沥青材料的技术指标、验证了5 0 号沥青及其混合料 的性能特点，确定了5 0 号沥青在广东高速公路中应用的合适层位；采用壳牌b i s a r 路 面结构分析软件对试验路进行了力学分析；最后通过试验路铺筑对5 0 号沥青混合料的 施工工艺进行系统研究，验证了室内研究结论。 关键词：沥青路面硬质沥青p g 等级路用性能力学分析试验研究 a b s t r a c t a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hi na b r o a ds h o wt h a t5 0 开h a r da s p h a l tm i x e sh a sa d v a n t a g e so f b e t t e rh i g h - t e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n dl o w e rc o s tt h a n7 0 h i g h w a ya s p h a l tm i x t u r e s i tc a n i m p r o v ea n t i r u t t i n go fa s p h a l tp a v e m e n tw i t hh i g hp e r f o r m a n c e p r i c er a t i o i nt h i sp a p e r , p e r f o r m a n c ec h a r a c t e ra n da p p l i c a t i o no f5 0 # h a r db i t u m e na r ei n v e s t i g a t e d d o m e s t i ca n da b r o a d r e s e a r c hd i r e c t i o n sa n de m p h a s i si sd e f i n e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a l c o n d i t i o ni ng u a n g d o n gp r o v i n c e p e r f o r m a n c eg r a d eo fa s p h a l ti ne x p r e s s w a yo fg u a n g d o n g p r o v i n c ei sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no fc l i m a t ea n dt r a f f i c t e c h n i c a li n d e x e sf o r5 0 h a r db i t u m e na r ea l s ol i s t e db a s eo nr e s e a r c ho fl a b o r a t o r yt e s t p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r sa r e v a l i d a t e df o r5 0 # h a r db i t u m e na n dm i x t u r e s a p p r o p r i a t el a y e rw h i c hc a nu s e5 0 # h a r db i t u m e n i so f f e r e d m e c h a n i c sa n a l y s i so ft e s tr o a di sm a d eb yb i s a r ( p a v e m e n tm e c h a n i c a la n a l y s i s s o f t w a r e ) d e v e l o p e db ys h e l lc o m p a n y c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e db yt e s tr o a da t l a s t a tt h es a m et i m e ，t h er e s u l t sg o tb yl a b o r a t o r ya r ev a l i d a t e db yt e s tr o a d k e y w o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；h a r db i t u m e n ；p e r f o r m a n c eg r a d e ；r o a dp e r f o r m a n c e ； m e c h a n i c sa n a l y s i s ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 本文研究的背景 第一章绪论 广东省位于祖崮最南方，是我国最早实行对外开放的省份之一。该地i = ；( 已成为全国经济最为 活跃的地k 之一，随着经济的发展k 域经济交流的增太广东省汽车保有量越来越大。另外， 广东省还是我国对外交往的重要港口，华南地区、部分华东、华中、西南地区的货物均从该省境 内山口。目前广东基于与珠江流域相连、与粤港澳大珠三角相临、经贸关系密切等三方面因素 提出了泛珠三角区域的概念，范围包括：福建，江西、湖南、广东、广西、海南、四川、贵州、 云南九个省( 区) 以及香港、澳门两个特别行政区，简称“9 - - 2 ”，加上香港和澳门两个特别行政 区，泛珠三角区域在全国的重要地位十分突出。广东省作为泛珠三角区域台作战略的倡导者其 将承担最重大的历史责任，而形成泛珠三角“数小时经济生活圈”是实现其战略地位的第一步。 为顺应广东经济发展以及交通量迅猛增长的需要，广东省加大了对交通基本设施( 尤其是高 速公路) 的投资，高速公路通车里程飞速发展至2 0 0 4 午年底，广东省高速公路通车里程已达 2 5 0 0 公里，居全国第二位。根据最新制定的广东省高速公路网规划显示广东省将通过未来 2 5 年时间的建设，全省将建成规模适当、布局合理、且有较高通达性和较高服务水平的高速公路 阿络，达到( 部分指标超过) 发达国家目前水平，真正实现全省“日交通圄”。 规划描示未来2 5 年时间，高速公路建设分。三步走”目标：到2 0 i o 年全省高速公路通 车里程达到5 0 0 0 公里左右；到2 0 2 0 年，高速公路通车里程达到7 3 0 0 公里左右：到2 0 3 0 年，高 速公路通车里程达到0 8 0 0 公里左右，如图1 1 所示。也就是说在不到5 年的时间里，还有1 5 0 0 多公里的高速公路有待建成通车，在近2 5 年的时间里还有0 0 0 0 公里的高速公路有待于开t 建设。 可见今后一段时间仍将保持高建增长态势，与此同时迅猛增长的交通量，使已建高速公路面临 着扩建改造的需要，来来一段时间内，广东省高速公路建设的进度、质量均将面l 临严禁的考验。 图ll 广东省高速公路路网规划图 广东省近年来修建的高速公路，从路面服务质量、行车舒适性、维修养护等方面考虑主要 采用的是沥青路面结构形式，且这种路面结构形式在短期内还不舍改变。我国自1 9 8 8 修筑第一 东南大学碗学位论文 条高速公路开始算起，到2 0 0 4 年高速公路通车里程已达到了3 4 万公里，至2 0 0 5 年底，高速公 路通车里程已超到了4 万公里，据不完全统计，这些高速公路中约有7 5 的路面为沥青棍凝土路 面，可以说我国用了短短十多年的时间走完了发达国家半个多世纪的发展历程。然而在高速 公路快速发展的背后，我们不得不清醒地认识到由于我国高速公路建设起步晚，技术力量的储 备较少经济基础差以及中国的气候和交通条件恶劣车辆超载现象严重，优质的原材料缺乏 等原因，我国的高速公路早期损害现象在一定范围内还存在。部分高速公路在通车2 3 年就发 生了不同程度的早期损害严重影响路面的服务功能。 广东省全境位于北纬2 0 0 1 3 , - 2 5 3 1 和东经1 0 9 0 3 9 一1 1 7 。1 9 2 间，北同归线横过广州和清远之 间，大部分地区在北回归线以南，属低纬度地区，特定的地理值置条件决定了该地吒气候炎热、 高温持续时间长、冬季昼夜温差大、年降水量丰沛在这种复杂的气候条件下修筑沥青路面对沥 青混合料的高温、及抗水搅害性能耍球均较高。l 刊时，由于广东省高速公路上重载货午较高的运 行比例以及暂时难以获得抑制的超载，更是加剧了沥青路面高温车辙现象的发生。 广东省已有工程实践表明，高温稳定性的不足是沥青路面面临的最主要问题。部分高速公路 沥青路面在通车不到一l ：的时间，便发生了明显的车辙现象，最严重的车辙深度达1 l c m ，见图 1 2 。调壹表明，囡车辙造成的路面铣刨重铺的养护维修费用正以高的增长率逐年增加。采取经 济上台理、技术上可行的方案，提高沥青路面的抗车辙能力，己成为广东省高速公始沥青路面 二 程技术人员关注的焦点问题之一。 j1 图l2 广东省某高述公路路面午辙现象 1 1 2 车辙问题浅析及解决措施 ( 1 ) 车辙的类型及产生原因 车辙是渠化交通的高等级公路沥青路面的主要损坏形式之一，它起崮于沥青混合料的粘滞流 动、土基与基层的变形。井包括一定程度的压实作用和材料磨耗，根据车辙产生的原因以及所处 的位置可以将沥青路面的车辙大致分为四种类型：结构性车辙、流动性车辙、磨损性车辙、压实 性车辙。 我国的沥青道路大都采用刚性基层或半刚性基层材料，这些材料具有较高的强度和刚度t 行 车荷载通过厚的牛刚性材料层作用在土基顶面的应力相当小；】司时半刚性材料本身具有较高的 高温稳定性和抗剪切变形能力。因此结构性车辙不是我国车辙的主要表现型式。同时，着高耐磨 材料的应用磨损性车辙也很少存在。 对于压密性车辙，通过严格的施工质量管理，提高压实度，可以将压密性车辙控制在合理范 同内。我国公路沥青路面施工技术规范( j t g f 4 0 - 2 0 0 4 ) 要求z 对于高速公路，路面马歇尔密 度压实度不小于9 7 ，部分省市还要求路面马歇尔密度压实度不小于9 跏同时采用理论密度压 实度对路面压实度进行职控，这种情况下即使发生压密性车辙。其程度也是较小的； 第一章绪论 流动性车辙是目前高速公路沥青路面车辙的主要原因，主要还是由于沥青混合料的高温抗剪 切强度不足而产生的侧向流动变形。这种变形的轻重程度即车辙深度主要取决于沥青面层混合料 的性质和面层的厚度，与沥青混合料本身的高温稳定性直接相关，如果归纳成公式，即为 一 一仃 a h = k ：。，z ，其中。是应力，e 是混合料的劲度模量，h 是结构层厚度，k 为常数。也就是说， 厶 采用劲度模量较高的面层材料可以有效地减少车辙深度。 ( 2 ) 解决车辙的措施 沥青混合料是一种粘弹性材料，其强度和模量都随温度升高而急剧下降，正是这种强度和模 量的下降导致了沥青面层在高温下形成了车辙变形。研究表明，沥青混合料的强度取决于沥青混 合料的粘结力和内摩擦角，沥青混合料的粘结力主要取决于沥青的性质、稠度、粉胶比和沥青与 矿料相互作用的性质，沥青稠度越大，粘结力越大，沥青混合料强度也越高。矿料级配组成、矿 料颗粒的形状和表面性则影响沥青混合料的内摩擦角，内摩擦角大，其强度也高。基于以上理论， 目前解决车辙的措施主要是通过增加沥青混合料的粘结力和内摩擦角入手，采用得比较多的方法 有：采用改性沥青或在沥青中添加纤维；采用骨架嵌挤的混合料级配类型；采用高强度、 棱角性好的集料；采用较硬的沥青材料等。我国目前采用较为普遍的是、中的一种或 几种的综合，如上面层普遍采用改性沥青，而大部分省份中面层也开始大规模地采用改性沥青， 所用的改性剂包括p e 、s b s ；s m a 、s u p e r p a v e 、a c 改进型等骨架嵌挤结构得到了全国大部分省份 的认可和应用；在集料质量方面，各省份均对集料加 二厂提出更高的要求，集料加工工艺得到了 改进，集料质量也有了显著的提高。应用情况表明，这些措施在提高沥青混合料的高温稳定性方 面的贡献是明显的。而对于措施一一采用较硬的沥青材料却研究得很不够，对其性能特性还不 了解，硬质沥青在我国的实际应用可以说还处于尝试阶段。 也有人提出，较最佳油石比适当降低沥青用量以增加矿料的内摩擦角的手段来提高沥青混合 料的高温抗变形能力。沥青混合料的高温、低温、疲劳、抗水损害性能是相互制约而又相互影响 的，通过少量地降低沥青用量可在一定范围内提高混合料高温稳定性，但其对混合料的疲劳性能、 抗水损害性、低温性能方面的负面影响也是不可小视的，路面早期裂缝增加、松散程度较大、耐 久性差等隐患很难避免，因此，通过降低沥青用量以达到减少车辙的出现并不是较妥善的方法。 本文开展5 0 号硬质沥青混合料在广东省高速公路上的应用研究的目的就是为了探寻一种新 的提高沥青混合料高温性能的方法，而与此同时，对混合料的其他性能的影响最小，造价适中， 为广东省解决路面车辙问题提供一种新的思路和方法。 沥青作为粘弹性材料，在夏季持续高温的条件下，沥青性能由弹性体向塑性体转化，混合料 劲度模量大幅度降低，抗变形性能急剧下降。研究表明，造成这种情况的主要原因是因为沥青本 身高温粘度低、高温稳定性不足，反映在夏季高温季节出现车辙、推移、拥包等永久性变形。 从车辙产生的机理来看，通过采用高温粘度大的沥青材料可以提高混合料在高温下的劲度模 量，减少高温下的剪切变形，从而提高其整体抗高温变形能力。当前，较通用的方法是通过添加 合适的改性剂来提高沥青的高温粘度，如掺加p e 、s b s 改性剂，掺加纤维素等，但是改性沥青一 般都有价格昂贵、技术水平要求高等特点，在使用时要受到资金和技术水平的限制。 广东省高速公路沥青路面沥青层通常包括三个层次，上面层厚度较薄，主要起到磨耗层的作 用，中、下面层是则是承受车辆荷载作用的主要结构层。以往的观点是车辙现象主要发生在上面 层，所以要努力提高对上面层材料和结构的要求，包括采用改性沥青、玄武岩、s m a 结构等。但 从目前应用情况来看，现有情况下中面层发生车辙的机率要远远大于上面层，也就是说，仅对上 面层采用高粘度的改性沥青并不能有效地阻j 卜路面车辙的产生。而如果我们能同时提高中、下面 层沥青混合料的劲度模量，其对减少车辙的贡献更为明显。 从沥青胶结料角度来看，如果能有某种沥青胶结料既能有效的提高中、下面层沥青混合料的 劲度模量，i 一时还有相对较为低廉的价格，这无疑将会是道路建设者在选择中、下面层材料时的 最佳选择，5 0 号硬质沥青正是在这样的情况下逐渐受到了广大研究者的重视。 硬质沥青是一个广义的名词，低标号沥青( 3 0 号沥青、5 0 号沥青等) 、部分改性沥青( 湖 沥青改性沥青) 均可称为硬质沥青，其特点是针入度值较低，而软化点、6 0 粘度值较高，但其 延展性也差，从而使得其混合料高温抗变性能力优越、低温抗裂性能相对较差。广东省夏季气温 较高、冬季平均气温相对北方地区不是很低，这些地区对沥青路面的高温抗变性能力要求较高， 3 东南大学硕士学位论文 而对低温抗裂性能要求相对较低。针对这种情况，正好可以发挥硬质沥青高温性能好而低温性能 较差的特点，鉴于目前我国3 0 号沥青、湖沥青的采购还有一定困难，且其单价也不低，而p e 改 性沥青在广东也有大量的应用经验，因此，本文主要结合茂湛高速公路的实际情况开展5 0 号硬 质沥青应用研究。 本文通过对5 0 硬质沥青胶结料及其混合料的综合对比试验研究，以期更好地把握5 0 号硬质 沥青及其混合料的性能特点，解决5 0 号硬质沥青在应用过程中的关键技术，寻求一种新的提高 沥青路面的高温稳定性能的有效方法，以更好地解决广东省沥青路面车辙病害的产生，本文的研 究成果将为广东省沥青材料的选择提供新的空问，并可获得良好的社会经济效益。 1 2 国内外研究现状分析与评价 1 2 1 国外研究现状分析与评价 硬质沥青在国外道路中的应用已有很多先例，其中欧洲在这方面完成了大量的研究工作。英 国改建一些重交通道路时，由于受到桥梁净空和排水标高的限制，要求既要改进路面性能还不能 增加结构层厚度，这使得材料的性能必须有所提高。1 9 4 9 1 9 6 5 年，英国主要进行了6 次大规模 的路面结构性能与设计方法的试验验证工作，其试验表明，采用沥青混合料基层与其他类型基层 沥青路面结构具有更好的使用性能，2 0 世纪6 0 年代未，沥青混合料基层成为英国高等级道路上 最主要的路面结构形式，最初基层混合料为h r a ( h o t - r o l l e da s p h a l t ，热压沥青混凝土) 和d b m l 0 0 ( d e n s eb i t u m e nm a c a d a m ，密级配沥青碎石，1 0 0 号沥青) 。9 0 年代未，h r a 用作基层的比例降 低，d b m 也进行了调整，开始采用5 0 号沥青的d b m 5 0 。同时也研究了法国沥青砂砾g b 和高模量 的沥青混凝土e m e ，开发了h d m s o ( 重型沥青碎石，采用5 0 号沥青) 和h m b ( 高模量沥青碎石基 层，可采用1 5 、2 5 、3 5 号沥青) 。t r l 庆用h d m 5 0 做过试验路，与d b m l 0 0 相比，采用d b m 5 0 其 基层和联结层厚度可以减少1 6 ，而h d m 5 0 可以减少2 2 ，而采用h m b ，沥青层厚度可进一步降低。 法国于1 9 8 0 第一次开展了硬质沥青的应用，主要是用于城市改建项目中，由于受到路面标 高、地下水管、通讯管线的限制，在不能增加路面结构层厚度的情况下，为提高路面的结构强度， 他们的采用了硬质沥青制成高模量的沥青混合料。8 0 年代未期，法国将硬质沥青应用于新建高速 公路中，一般是在基层上做高模量面层以减少路面结构层厚度，面层材料为超薄的硬质沥青混凝 土层( b b t m ) 。随着硬质沥青应用的成功，法国在新建和一些老路改造工程中，这种超薄的硬质沥 青层( b b t m ) 也得到了越来越广泛的的应用。目前，法国沥青路面中，中、下面层和基层中硬质沥 青得到了广泛的应用，法国南部通常采用的就是4 0 5 0 号沥青，法国有两种基层，g b 采用的是沥 青等级为3 5 5 0 或5 0 7 0 号，h m a c ( e m e ) 采用的沥青结合料是硬质沥青1 0 2 0 或1 5 2 5 ，2 0 3 0 或3 5 5 0 + 改性剂( 天然沥青、聚乙烯) 。法国应用情况表明，硬质沥青混合料是一种高模量的混 合料，该种混合料在抵抗路面车辙、提高路面的抗疲劳性能、减少路面结构层厚度方面是积极有 效的。 芬兰在硬质沥青应用方面作了不少工作，公路部门通常将硬质沥青应用于次等级道路作为基 层采用，主要利用硬质沥青胶结料较高的强度、劲度，以削弱次等级道路路基施工过程中，存在 的不均匀现象对路面结构的影响。芬兰在采用硬质沥青用于上面层，提高沥青路面抵抗永久变形 的能力( 车辙) ，也进行了不少研究，h e l s i n k i 技术大学将硬质沥青或硬沥青、改性沥青分别用 于同一道路相邻的交叉处，进行了对比应用研究，试验结果表明硬质沥青相对于其他两种沥青， 具有良好的路用性能。鉴于硬质沥青良好的抗变形性能，在芬兰高等级公路建设中，得到越来越 广泛的应用。 在荷兰d e l f t 大学进行的l i n t r a c k 加速加载试验，对几种基层和面层形式的抗车辙性能作 出评价，其中包括普通沥青密级配混凝土( d a c8 0 1 0 0 ) 、硬质沥青密级配混凝土( d a c4 5 6 0 ) 、 s m a 和改性沥青密级配沥青混凝士( m d a c ) 等。在特定的温度和模拟交通量条件下，通过l i n t r a c k 设备对环道加载，并实时记录车辙的发展情况，加载完毕后钻取芯样，在室内完成三轴试验。车 辙试验的结果显示，硬质沥青混凝土的车辙深度与s m a 的基本相当，并明显优于普通沥青混凝土； 而三轴试验的结果显示硬质沥青混凝土具备良好的抵抗变形的能力。两项试验都证实了硬质沥青 混凝土在道路使用方面的优越性能。图1 3 为加速加载过程中各种路面结构车辙的发展趋势图， 4 第一章绪论 表1 ；! 霉i 誊鎏蓁：裂酱蜚鬈北部靠近。本海一侧采釉。号，靠酞平 洋一侧重点考虑夏季流动变形，中轻交通量路段采用6 0 8 0 号重交通路段( 大型车方向3 0 0 0 幸两，日以上) 采用4 0 6 0 号沥青。 。 5 _ 5 言 蓄- z o 廷 鼋 5 寸 。3 0 荷载循环作用】 图l3加速加载过程中各种路面结构车辙的发展趋势图 表l _ l 加速加载试验和三轴试验的结粜 三轴试验结果( o v c y c l = 0 4 5 m p a o c = a l t 试验中的车辙( m m ) 面层类型 06 m p a n = 7 2 0 0 1 d a c8 吖1 0 0大变形破坏 0 2 6 1 20 6 p c 1 02 5 1 l0 9 n a c4 5 ，6 0 48 4 硬质沥青直接用丁公路建设和研究的同时，沥青t 作者利用硬质沥青良好的工程性能，进行 利用研究。一些田家将硬质沥青掺配聚烯烃类，将硬质沥青改性成高劲度胶结料，用于基层或低 基层，近年来，已越来越多的应用于磨耗层，应用结果表明，路面不仅具有高劲度抗车辙的性能， 路面微观构造的衰减也较其他沥青胶结料蔓慢，性能显著。另外，硬质沥青还被用于制造泡沫沥 青，降低沥青的牯度，提高沥青胶结料对集料包裹和粘附性，应用于常温沥青混合料，在路面施 _ 经济、环保的条件下选到提高路面抗变形能力。 由国外硬质沥青的研究与应用现状分析可知，硬质沥青在国外得到了较为广泛的应用，其在 提高混合料的劲度模量提高路面抗车辙能力的优点正被广大道路工作者所认可和接受。 1 2 2 国内应用研究现状分析与评价 择时驾銎雾；盏冀要嚣嚣? 茹蒜罢哿集蒜5 根0 豁豁黔件确定沥青标号的选择时，规定对于处于热区沥青碎石、沥青混凝士，可采用号石油沥青。 东南大学硕士学位论文 公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 - - 2 0 0 4 ) 中规定，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、路面类型及其在结构中的层位和受力特点、施工方法等， 结合当地的使用经验，经技术论证后确定。同时还规定，对于高速公路、一级公路，夏季温度高、 高温持续时间长、重载交通、山区及丘陵区上坡路段、服务区、停车场等行车速度慢的路段，尤 其是汽车荷载剪应力大的层位，宜采用稠度大、6 0 粘度大的沥青，也可提高高温气候分区的温 度水平选用沥青等级；当高温要求与低温要求发生矛盾时应优先考虑满足高温性能要求。 应该说我国规范并没有排除5 0 号硬质沥青的应用，相反，从选择沥青标号的条件来看，与 7 0 号沥青相比，5 0 号硬质沥青在广东的应用前景更好。 广东省对5 0 号硬质沥青的应用较早，广深高速公路抗滑磨耗层沥青混合料采用日本进口5 0 号沥青，石料采用玄武岩。当时使用的5 0 号沥青基本技术指标：针入度为5 8 ( 0 i m m ) 、延度 l o o c m ，软化点为5 0 ，相对密度为1 0 3 6 。抗滑磨耗层沥青混合料采用l b - 2 0i i 型中粒式沥青混 凝土，设计油石比为5 0 ，密度为2 3 4 8 9 c m 3 ，设计空隙率为6 1 6 ，施工完成后检测结果表明， 磨耗层构造深度、摩擦系数均满足要求，施工质量较好。根据“广东省高等级公路半刚性基层路 面标准结构的研究”中9 7 年3 月的调查结果来看，广深高速抗滑磨耗层出现了较大面积的沥青 剥落现象，路面破损率很高，麻面、松散较严重，这是否与应用5 0 号沥青有关还有待于进一步 研究。 “广东省高等级公路半刚性基层路面标准结构的研究”研究报告中指出，根据湿热系数可 将广东省公路沥路面湿度、温度影响分为两大区i 区、i i 区，并根据是否考虑低温条件进一步将 两大区各自分为两个小区i1 、i2 、i ii 、i i2 ，对于不考虑低温的两个区i1 和i i1 区的抗滑表 层优先选用改性沥青，宜选用5 0 号沥青，根据其提供的温湿度分布图来看，粤北等地区属于i2 和1 1 2 ，主要包括韶关、连州、梅州、河源等地，按照研究结论，这些地区上面层不能采用5 0 号 沥青。 应该说，广东省对5 0 号沥青高温性能较好而低温性能稍差的认识较早，在应用过程中也是 力求充分利用5 0 号沥青的性能特点，但资料显示，广东省并没有对5 0 号沥青进行过系统研究， 本文的研究非常必要及时。 在我国台湾省，按照台湾t a i p a v e ( 台湾的s u p e r p a v e + m a r s 姒l l ) 的要求，沥青一般采用 a c 一3 0 ，相当于p g 7 6 1 0 ，基本上是5 0 号沥青，尽管台湾的超载情况也十分严重，车辙情况比隔 海相望的福建省要轻得多。 在中国大陆，此前对于5 0 号硬质沥青，从有关资料来看，除少量单位( 如东南大学、广东 科研所) 采用5 0 号硬质沥青进行过室内高温性能对比试验外，没有对5 0 号硬质沥青开展过深入 的性能研究，研究人员对它的力学性能和耐久性能还存在一定的怀疑，尤其是其低温抗裂性及抗 疲劳性能。另外，这种沥青胶结料制成的混合料是否能长时间保持良好的性能，而不受气候、车 辆等长期作用的影响，也是5 0 号硬质沥青得以推广的重要保证。由于对5 0 号硬质沥青混合料的 拌和、施工工艺中可能会出现的问题还不了解，这种特殊的沥青混合料是否能与我国目前的道路 施工技术和设备相结合，还需要通过实际工程的应用来验证。 本文将结合广东茂湛二期高速公路实际情况，开展5 0 号硬质沥青在广东省的应用研究，以 期更好地把握5 0 号硬质沥青及其混合料的性能特点，解决5 0 号硬质沥青在应用过程中的关键技 术问题。 1 3 本文主要研究内容 为更好的保证今后广东省高速公路沥青路面的建设质量、延长其使用寿命，尤其是在技术可 行、经济适用的前提下，怎样提高沥青路面的高温稳定性，本文结合茂湛二期高速公路建设实际 情况，开展了5 0 号硬质沥青的研究工作。研究过程中选用了不i 司的沥青材料、不同的级配类型 进行相关室内试验研究分析。 主要的研究内容如下： ( 1 ) 广东省气候条件下沥青的选择 研究过程中，作者负责收集了广东省大部分地区近4 0 年的气象资料，借鉴美国s h r pp g 分 级的研究成果对广东省大部分地区的p g 等级进行了计算，提出了广东省大部分地区沥青的p g 等 级要求。 6 第一章绪论 ( 2 ) 5 0 号硬质沥青胶结料室内试验研究 通过对5 种5 0 号硬质沥青材料的性能试验研究，结合对广东省气候条件的分析结论，初步 提出了广东省5 0 号硬质沥青的技术指标及要求；同时对用于茂湛二期的5 0 号硬质沥青、7 0 号沥 青、s b s 改性沥青进行了相关性能试验比较，综合评价了5 0 号5 0 号硬质沥青胶结料的高温、低 温、疲劳等性能。 ( 3 ) 沥青混合料路用性能试验研究 采用不| 一沥青材料、不同级配类型混合料进行了混合料室内性能试验研究，对5 0 号硬质沥 青混合料的高温、低温、疲劳、抗水损害等路用性能进行了综合评价，提出了相应的研究成果。 ( 4 ) 沥青混合料力学性能试验研究 在室内对不同沥青材料、不i 司级配类型的硬质沥青混合料进行了不同温度下的抗压回弹模量 试验和动态劈裂强度试验，初步撑握了5 0 号硬质沥青混合料的力学性能，并采用b i s a r 路面结 构分析软件进行5 0 号硬质沥青路面结构分析和验算。 ( 5 ) 沥青混合料施工工艺研究 根据国内外文献资料调研结果，结合广东省气候及交通特点，分析比较了5 0 号沥青、7 0 号 沥青、s b s 改性沥青混合料施_ t 技术要求的差异，提出了5 0 号硬质沥青混合料配合比设计等技术 要求和控制指标，确定了5 0 号硬质沥青混合料相应的施工工艺。 ( 6 ) 试验路铺筑与观测 依托广东茂湛二期高速公路项目，在沥青路面中、下面选择合适的路段，采用5 0 号沥青、 7 0 号沥青和s b s 改性沥青三种不同的沥青材料铺筑试验段，总结了5 0 号硬质沥青混合料施工技 术难点，进一步完善了5 0 号硬质沥青路面的施工指导意见，编制了“广东5 0 号硬质沥青施工技 术指南”，为5 0 号硬质沥青混合料的推广积累经验。 对试验路进行跟踪检测，收集现场检测数据，实测路面车辙的发展情况，验证室内试验和分 析的结论。 7 术南大学十学位论文 第二章广东省气候条件下沥青的选择 2 1 广东省气候条件分析 广东省东邻福建，北接江西和湖南，西连广两，南l 临南海并在珠江三角洲东西两侧分别与香 港和澳门特别行政区接壤，西南部雷州半岛隔琼州海峡与海南省相望。全境位于北纬2 0 。1 3 2 5 。3 l ，和东经1 0 9 。3 9 1 1 7 。1 9 之间，按公路沥青路面施工技术规范( j t g - f 4 0 - 2 0 0 4 ) 枥青路用性能气候分区划分广东省届l _ 4 区， 广东省年平均气温在1 87 2 34 之问，自北向南递增，如图2 - 1 所示。1 月份为全年最冷 月，南北温差最大，北部月平均气温可降至9 以下，i 呵雷州半岛在1 6 以上。7 月是全年最热 的月份，月平均气温大多数地k2 8 2 9 c 。年极端最高气温在3 6 4 0 c 之间韶关市区可达到 4 2 c ：年极端最低气温南部沿海不低于o ，北部梅县则可低至一73 。 按平均气温低于1 0 为冬季、高于2 2 为夏季的标准来划分季节，则异地都是夏季很长， 秋季很短，四季分i 1 己很不均匀。夏季的起始日期由南向北分别出现在4 月上旬至5 月初，终止日 期自北向南分别出现在1 0 月中旬至1 1 月中旬。北部山区白1 2 月下旬进入冬季，至次年2 月中 自j 冬季结束，其余地吒均无气候意义上的冬季。 图21 广东省年平均气温分布 广东省年平均雨日为1 1 4 1 8 7 天，自西北向东南递减，年平均降水量1 3 4 0 2 3 1 0 毫米，其 中大多数地区年平均降水量在1 5 0 0 2 0 0 0 毫米之间。境内有三个多雨区，分别在云雾山东南麓 的阳江阳春恩平一带，莲花山东南侧的海丰普中一带及北扛谷地的清远佛网龙门一 带，这些地区的年平均降水氘均在2 0 0 0 毫米咀上。此外，还有三个相对少雨旺，分别咀南j 奥、 罗定、徐闻为中心，其年平均降水量均在1 4 0 0 毫米以下广东省年降水量分布见图2 - 2 。 全年雨季分为两段：4 6 月为前汛期，主要是锋面低槽带来的降水；7 9 月为后讯期主 要受热带气旋、热带辐合带等引起的降水。4 9 月降水量占全年许水量的8 0 以上。 墨三芏 至塑玉堡堑盐工塑重盟垫量 图22 广东省雨区分布 由此可见，广东省大部分地医年平均气温较高、高温持续时间长、年降雨量大，高速公路沥 青路面面临的首要问题是怎样提高沥青混合料的高温稳定性和抗水损害能力。 2 2 现行广东省沥青胶结料技术标准 我国根据针入度进行沥肯分级，分别称为针八度分级体系，是在标准试验温度时通过测定沥 青针入度确定其等级，只说明中等温度( 2 5 ) 时的情况。近几年来，尽管我国对现在针入度分 级做了一些改进，如在针入度分级中增加针入度温度关系，但所得到的仍是根据经验确定，与 路面性能没有直接的联系。 对广东省的调查表明该地区属典型的南弧热带湿润季风气候区。年平均气温较高，部分地 区达2 3 4 ，降雨量较大年的平均降水量达1 3 4 0 2 3 1 0 m m ，岗此，广东省高速公路沥青路面建 设过程中应重点考虑沥青路面的高温稳定性及水稳定性。箍于此广东省有关部门在国家拽范 的基础上通过相关研究攻关，井借鉴兄弟省份高速公路建设经验根据地域气候特点，部分高 公路建设过程中采用了不同于规范的沥技术要求，如表2i 、表22 。 表2i 广东省部分高速公路普通沥青的技术婪求 指标要求 原规范要求 新规范要求( j t g 序号项目名称 ( j t j 0 3 2 - 9 4 ) 旷东省1 f 4 0 - 2 0 0 4 ) ( 7 0 号1 ( 7 0 号1 针入度( 2 5 - l o o g ，5 s ) 0l m m 4 06 0 - 8 06 0 8 0 2 针入度指数p 1 延度( 5c m m i n ，1 5 c ) e m 1 0 0 到0 0 _ 1 0 0 3 延度( 5c m m i n 1 0 ( 2 )c m! 1 5 软化点( 环球法)蛩7 4 4 5 4 4 6 闪点( c o c ) 丑3 0丑j o 含蜡量( 蒸馏法) 盟2璺。盈2 东南大学硕士学位论文 7 密度( 1 5 。c ) g jc m 3 实测记录实测记录实测记录 8 溶解度( 三氯乙烯) 2 9 9 0芝9 9 0之9 9 5 9动力粘度( 6 0 ) p a s1 8 0 2 4 0| 2 1 8 0 质量损失 5 0 1 6 3 ，5h 延度( 1 0 ) c m 1 0 延度( 1 5 ) c m实测实测1 5 表2 2 广东省部分高速公路s b s 改性沥青技术要求 原规范要求新规范要求 检验项目技术要求 ( j t j 0 3 2 ( j t g f 4 0 9 4 )2 0 0 4 ) 针入度( 2 5 。c ，1 0 0g , 5s )f o 1m m ) 4 0 4 0 3 0 6 0 针入度指数( p d 实测却2却 延度( 5c m m i n ，5 c )( c m ) 2 5 2 0之2 0 软化点( 环球法) ( ) 之7 0之6 02 6 0 溶解度( 三氯乙烯) ( ) 芝9 9之9 92 9 9 闪点( c o c )( )_ 2 3 0_ 2 3 0 2 3 0 弹性恢复( 2 5 ) ( ) 8 5 之7 0之7 5 动力粘度( 6 0 ) ( v a s ) _ 8 0 0 运动粘度( 1 3 5 ) ( p a s )5 3s 3 0 s 3 0 离析，软化点差 ( ) 5 1 0盟5 1 5之1 5 s h r p 性能等级p g 7 6 2 2 表2 1 、表2 2 表明，根据其所处的地理位置情况，广东省在当时国家规范的基础上对用于 部分高速公路的沥青胶结料的部分指标进行了适当调整，主要表现在：对表征沥青胶结料高温 性能指标的要求高于国家规范，如软化点、6 0 c 动力粘度；降低了针入度指标，5 0 号沥青在应 用范围之内；对含蜡量、老化前后延度指标也进行了适当调整。 2 3 广东省沥青胶结料p g 等级选择 2 3 1s u p e r p a v e 沥青胶结料体系 s u p e r p a v e 沥青选择体系试图将沥青技术指标与沥青路面路用性能联系起来，根据工程所在 地的气候和交通条件来选择胶结料，称为p g ( p e r f o r m a n c eg r a d e ) 分级体系。 胶结料p g 分级是由诸如“p g 6 4 - 2 2 ”的术语来定义的，前面的数字“6 4 ”为“高温等级”， 意思是胶结料在高达6 4 。c 温度时仍具有足够的物理特性，相应于胶结料所期望的服务气候的路面 1 0 第二章广东省气候条件下沥青的选择 高温。同样，后面的数字“- 2 2 ”为“低温等级”，意指胶结料在路面温度降至至少一2 2 时仍具 有足够的物理特性。 在所有的p g 分级中规范要求的物理性能指标是一样的，不同级别胶结料的区别在于满足要 求的温度是不同的。例如，一种标识为“p g 6 4 - 2 2 ”的胶结料表示其要符合的高温物理性质指标 要求的最低试验温度不小于6 4 ，低温物理性质指标要求的试验温度要低于一2 2 。这些物理性 质直接与实际的路用性能相关，因此第一个指标( 温度) 越高，沥青胶结料抵抗高温车辙及推移 变形的能力越强，同样第二个指标( p g 温度) 越低，其抵抗低温开裂的性能愈好，高温、低温的 标识在各自的方向( 高、低) 以6 c 递增，这样使其可能的分级几乎是无限的，在美国最常用的 铺路沥青等级是p g 6 4 2 2 、p g 7 0 - 2 2 、p g 7 6 - 2 2 、p g 5 8 - 2 2 、p g 6 4 - 2 8 、p g 5 8 2 8 、p g 5 2 3 4 。 胶结料设计温度选择： 选择沥青胶结料的设计温度是路面温度，而非空气温度。对于表面层，s u p e r p a v e 定义路面 高温设计温度是路表面下2 0 m m 处的路面温度，路面低温设计温度是在路表面的最低温度，其他 各层的路面高温设计温度根据路表面下的深度确定。 s u p e r p a v e 体系允许设计者规定路面高温、路面低温设计温度的可靠度来选择胶结料等级， 最高路面温度( h t ) 由过去3 0 年中连续7 天的最高平均气温来推算，而最低路面温度( l t ) 是由过 去3 0 年中最低的气温来推算。可靠度是一年中实际温度不超过设计温度的百分率，高可靠度意 味着低风险。路面高温、路面低温设计温度由气候影响模型计算，气候影响模型很多，有代表性 的高温模型主要包括s h r p 高温模型、l t p p 带有概率的高温模型，低温模犁包括s h r p 低温模型、 加拿大修正公式和l t p p b i n d 公式，我国有关学者研究表明，l t p p 带有概率的高、低温计算公式 更合理，其计算公式如下： 1 ) 最高设计温度公式( l t p p 带有概率的高温模型，公式2 - 1 ) t 2 0 。= 5 4 3 2 + 0 7 8 t ( a i r ) 一0 0 0 2 5 l a t 。一1 5 1 4 l o g l o ( h + 2 5 ) + z ( 9 + 0 6 1o 。i r z ) “。 ( 2 1 ) 式中：t z 一路表面下2 0 m m 处路面高温设计温度， t a i r 一七天最高的平均温度， l a t 一地理纬度，度 h 一路表面下的深度，衄 0 。t 。一温度最高的7 d 平均温度的标准差， z 一根据标准正态分布表，z = 2 0 5 5 ，9 8 可靠度 2 ) 路表面低温公式( l t p p b i n d 公式，公式2 - 2 ) t ( 。，) = 一1 5 6 + 0 7 2 t ( a i r ) 一0 0 0 4 l a t 2 + 6 2 6 l o g l o ( h + 2 5 ) 一z ( 4 4 + 0 5 20 。i r z ) “2 ( 2 2 ) 式中：t ( 刚一路面低温设计温度， t a i r 一l 天最低气温， 跳级( g r a d e - b u m p i n g ) ： 对于低速、停滞荷载情况，s u p e r p a v e 需要另外的办法来选取胶结料的高温等级。对于设计 荷载下低速度的道路，高温等级需要高一级，例如计算后为p g 5 8 时，就应调整为p g 6 4 而非p g 5 8 ， 对于停滞的交通荷载、高温等级应提高两级，为p g 7 0 ，而非p g 5 8 。这种按交通荷载和速度来调 整高温等级有时叫作“g r a d e b u m p i n g ”( 跳级) 。 ( 2 ) p g 分级的优缺点 s u p e r p a v e 沥青性能规范最突出的优点是所有指标概念清晰，对路用性能进行了较为全面的 考虑，便于用户选择与温度及荷载条件相适应的沥青路用性能等级p g 。 同传统的针入度、粘度为指标的经验性规范相比，s u p e r p a v e 沥青规范特别强调了沥青的路 用性能，即在规范中全面考虑了高温、低温、疲劳和老化。此外，在选择沥青等级时还将交通量 及行驶速度等交通因素进行了综合考虑。因此，对于一特定工程项目中沥青的选用要根据温度及 交通条件“量体裁衣”。 沥青胶结料p g 性能分级试验根本目的是要把沥青性质与路面破坏模式，如疲劳开裂、低温 开裂、老化、高温车辙等取得联系。s h r p 沥青胶结料规范标准具体如下： 1 ) 安全性 原样沥青胶结料的闪点最小2 3 0 。 2 ) 泵送和操作 原样沥青胶结料1 3 5 的粘度最大为3 p a * s ( p v ) 。 3 ) 永久变形 东南大学硕士学位论文