（交通运输工程专业论文）沥青稳定碎石高温变形试验研究.pdf

摘要 摘要 沥青稳定碎石基层不同于我国的半刚性基层，它具有较高的抗剪强度、抗弯 拉强度和耐疲劳性能，同时还不易产生收缩开裂和水损害，而且沥青稳定碎石基 层与面层材料结构相似，模量相近，可与沥青混凝土面层粘结牢固，使整个路面 结构的受力、变形更为协调。在国外，沥青稳定碎石基层已得到广泛应用，而我 国对于沥青稳定碎石基层的研究应用还刚刚起步。造成这种局面的原因之一就是 我国公路工作者对沥青稳定碎石基层路面结构的抗车辙性能产生怀疑，普遍认为 沥青层越厚，路面的抗车辙性能越弱，因此，对沥青稳定碎石基层路面结构形式 的使用非常谨慎。鉴于这种状况，本文对沥青稳定碎石基层进行研究。 本文在借鉴国内外研究成果的基础上，先采用马歇尔试验方法确定了六种级 配沥青稳定碎石的最佳油石比，再通过车辙和蠕变试验，研究了沥青稳定碎石的 抗车辙性能，研究了沥青稳定碎石的单轴动静态蠕变性能，高温变形试验表明接 近级配中值的沥青稳定碎石的抗高温流动变形能力要强；分析计算了半刚性材料、 沥青稳定碎石作为基层的两种沥青混凝土路面结构的应力和承载能力；稳定碎石 基层的施工工艺进行研究。 关键词：沥青稳定碎石，大型马歇尔试验，车辙试验，单轴蠕变试验，蠕变模量， 施工工艺； a b s t r a c t a s p h a l ts t a b i l i z e ds t o n eb a s ec o u r s ei sd i f f e r e n tf r o ms e m i r i g i db a s ec o u r s ef o ri t s h i g h e l s h e a r i n gs t r e n g t h ，a n t i - d r a u g h ti n t e n s i t ya n dw e a r y - r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e ： m e a n w h i l e ，s h r i n k a g ea n dm o i s t u r ed a m a g ei sn o te a s yt oh a p p e ni na s p h a l ts t a b i l i z e d s t o n eb a s ec o u r s e ，m o r e o v e rb o t hi t ss t r u c t u r ea n dm o d u l u sa r es i m i l a rt o 瓯埘a c ec o u r s e t h u si tc a nb i n dt i g h t l ya s p h a l tc o n e r e t es u r f a c ec o u r s ea n d c | u 峪es t r e s sa n dd e 最) 肋a t i o n i nt h ep a v e m e n ts n i l c t l l r et ob em o r ec o o r d i n a t e d d e s p i t e w i d e l yu s e da b r o a d r e s e a r c h o na s p h a l ts t a b i l i z e ds t o n eb a s ec o u r s ei s s t i l la tt h ev e r yb e g i n n i n gi nc h i n af o r w o r r y i n gt h a tt h et h i c k e ra s p h a l tp a v e m e n ti s ，t h ew o r s ei t s a n t i w h e e ln l 仕i i l g p e r f o r m a n c ei s t h u s ，a s p h a l tp a v e m e n tw i t ha s p h a l ts t a b i l i z e ds t o n eb a s ec o u r s ei s c a u t i o u s l ya p p l i e dmo u rc o u n t r y a c c o r d i n g l y , r e s e a r c ho nt h ea s p h a l ts t a b i l i z a t i o n s t o n eb a s ec o u r s ea n di t sp a v e m e n ts 仃u d 慨p e r f o r m a n c e i sc a r d e do ni nt h ep a p e r a tf i r s t ，l a r g es c a l em a r s h a l lt e s tf i n dt h eb e s to i l s t o n er a t i oo ft h ea s p h a 】t - t r e a t e d m a c a d a n l 。 t h e s e c o n d ，r u t t i n ge x p e r i m e n ti n d i c a t e st h el e a s td e f o r m a t i o nn e a rt h em i d d l e 删e 枷o v e rt h ea s # a l t - t r e a t e dm a c a d a m t h ef i r s t , t h ec y l i n d e rf o r ms a m p l ei m p a c t e d w i t ht h eb e s to i l s t o n er a t i o 觚dt 量l e b u l kd e n s i t y , i no r d e rt ob ed o n e b yt h es i n g l e a x l ed y n a m i ca n ds t a t i cc r e 印t e s t ； 1 1 1 e c r e 印m o d u l u st o k e n st h e a b i l i t yo ft h ef l o w i n gd e f o r m a t i o nd u r i n gt h eh i g h t e i i l p 钺l t u 】他c o n d i t i o n , w h i c hi n d i c a t e st h el e a s td e f o r m a t i o nn e a rt h em i d d l eg r a d ea l l o v e rt h ea s p h a l t t r e a t e dm a c a d a m f i n a l l y , s t r e s sa r ec o m p u t e dt ot w op a v e m e n ts t r u c t u r em o d e l s ，a n db e a r i n gc a p a c i t ) ， i s e s t i m a t e d ，a tt h es a m et i m eb e a t i n gc a p a c i t yd i s t r i b u t i o ni s a n a l y s e db ys a m d m s o f t w a r e a tt h es a m et i m e ，t h er e s e a r c hi sc a r r i e da b o u tt h ec o n s t r u c t i o nc r a ro f t h es t a b l e c r u s h e ds t o n e sb a s e k e yw o r d s ：a s p h a l ts t a b i l i z a t i o na g g r e g a t ep a v i n gm i x t u r e s ， l a r g es c a l em a r s h a l l t e s t ，s m g l e - a x l ed y n a m i cc r e e pt e s t ，c r e e pm o d u l u s ，r u t t i n gt e s t ， c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y 。 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做储躲起青新 吼川年多胁日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 指导教师签名： 日期：伊年月1 7e l 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 靴敝储魏确新 日期：a _ 啤舌月届日 指导教师签名： 日期：z 解 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 进入2 0 世纪8 0 年代以来，随着我国经济的迅速发展，高等级公路的里程不断 增加。截至2 0 0 4 年底，我国的公路总里程达1 8 5 6 万公里，稳居世界第三位，其 中高速公路通车总里程突破3 。4 万公里，仅次于美国，位居第二。据统计，我国 9 0 以上的高等级公路沥青路面的基层和底基层均采用无机结合料( 水泥、石灰+ 粉煤灰、石灰+ 矿渣等) 稳定集料或土的半刚性材料。 半刚性材料具有强度高、刚度大和变形小的特点。然而，随着半刚性沥青路 面的大量使用，逐步发现半刚性基层沥青路面存在着大量的问题。其主要表现在： 半刚性材料具有干缩和温缩特性，基层早期极易出现微型干缩裂缝，在温度循环 变化下逐渐出现一定间距的温缩裂缝，致使沥青面层不可避免要产生反射裂缝， 导致沥青面层的破坏。另外，半刚性基层的抗冲刷性能也较弱，易引起水损害等 不利影响。 此外，我国幅员辽阔，气候条件千差万别，但高速公路的路面结构形式过于 单一：基层材料大部分采用无机结合料( 水泥、石灰+ 粉煤灰、石灰+ 矿渣等) 稳定集 料或土的半刚性材料。这种单一的路面结构形式很难满足不同气候环境下的使用 要求。 国外沥青路面的沥青层较厚，与我国半刚性基层沥青路面相比，其下层的沥 青层部分取代了我国的半刚性基层，可以称之为沥青稳定碎石基层沥青路面或者 是全厚式沥青混凝土路面。它是在国外级配碎石沥青路面基础上发展起来的。由 于沥青稳定性材料良好的强度和抗疲劳性能，使得这种结构在国外得到长期而有 效的应用。 沥青稳定碎石基层是不同于半刚性基层的柔性基层，是用适量的沥青对级配 集料进行稳定后用作沥青路面的基层。与半刚性基层相比，沥青稳定碎石基层刚 度相对较小，在一定程度上高温变形较大，具有较高的抗弯拉强度和耐疲劳性， 柔性大，不易产生收缩和疲劳开裂。 沥青稳定碎石基层的沥青路面的主要优点： 沥青稳定碎石基层与沥青路面层的材料性质相似，路面结构受力、变形更 为协调；沥青稳定碎石基层刚度相对较小，其较好的板体性和柔韧性，使路面结 构的受力更加均匀。 、 设计优良的沥青稳定基层混合料能保证一定的空隙率，使水分顺畅地通过 第一章绪论 2 一 基层排出，不会滞留在路面结构中造成路面的水稳性破。 沥青混合料对于水分的变化不敏感，受水和冰冻影响较小，不会因为干缩 裂缝而导致面层出现反射裂缝。 沥青稳定碎石基层同沥青面层一起构成全厚式沥青面层，强度形成快，一 般在6 - 2 4 h 内就已经能够通车运行，可以大大缩短施工工期。 半刚性基层的破坏属于结构性破坏，不易修复：而柔性基层的破坏属于功 能性破坏，便于修复。 沥青稳定碎石基层的沥青路面的主要缺点：沥青稳定碎石基层是由一定量的 沥青和碎石在一定温度条件下拌和、摊铺和碾压成型的，受高温变形比较明显， 在高温和汽车荷载作用下易产生车辙、波浪、推移和拥挤等变形破坏。 综上所述，沥青稳定碎石基层有着良好的发展和应用前景。这类基层在国外 沥青混凝土路面结构己得到广泛的应用，而国内在这方面的研究才一刚刚起步。 特别是对沥青稳定碎石混合料的高温变形和强度形成原理缺乏系统研究，鉴于此， 在前人的基础上系统地研究沥青稳定碎石混合料高温变形特性的研究，对于避免 沥青路面过早高温变形，减少路面车辙等变形破坏，延长沥青路面的使用寿命， 延长维护周期，减少沥青混凝土路面面层路用性能的恢复费用，具有极为重要的 意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 在2 0 世纪6 0 年代以前，美国和英国等进行了沥青混凝土路面的足尺试验研 究，比较了不同类型基层对路面结构性能的影响，研究的基层类型包括沥青混凝 土基层、开级配沥青混凝土基层、贫混凝土基层、级配碎石基层和泥结砂基层， 试验表明沥青混凝土基层的路用性能最好，开级配沥青碎石其次。 英国早在4 0 , - - , 6 0 年代就铺筑了几条试验路【6 】，以检验不同类型与厚度的基层 的使用性能。基层分别采用贫混凝土基层、水泥稳定土基层、水泥稳定基层、级 配碎石、湿拌碎石基层、渣油碎石基层和沥青稳定碎石基层，通过对试验路几十 年的变形和开裂观测以及各项试验研究表明：沥青稳定碎石基层表现出较其他类型 基层更好的使用性能和经济效益。因此，沥青稳定碎石基层随后成为英国使用最 广泛的基层类型。 英国常用的沥青稳定基层混合料有：d b m ( 密级配沥青碎石混合料) 、h r a ( 热 拌热铺沥青混凝土) 、d t m ( 密级配煤沥青碎石混合料) 、d b m 5 0 ( 使用针入度为5 0 的沥青) 、h d m ( 多碎石沥青混合料) 。 第一章绪论 3 一 近年来美国致力于永久沥青路面【1 8 1 9 ，2 0 1 ( p e r p e t u a lp a v e m e n t ) 或者长寿命沥青 路面( l o n g 1 a s t i n ga s p h a l tp a v e m e n t ) 的研究。长寿命沥青路面并不是什么新思想， 早在6 0 年代，美国就铺筑了全厚式沥青路面( f u l l d e p t hp a v e m e n t ) 和高强度沥青路 面( d e e p s t r e n g t hp a v e m e n t ) ，全厚式沥青路面，是直接在土基上或改良后的土基上 铺设单层或多层沥青混凝土；而高强度沥青路面是在粒料基层上铺设沥青混凝土 层引。 长寿命沥青路面在美国得到迅速的认可。在2 0 0 1 年的交通运输研究委员会年 会( t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hb o a r d a n n u a lm e e t i n g ) 上，探讨了它的设计思想。长寿命 沥青路面的定义是：设计和建造寿命达5 0 年甚至更长时间的沥青路面，路面的破 坏只出现在表面层，因此在寿命周期内，不需要对主要结构层进行修复和重建， 只需定期更换表面层。表面层采用高质量的热拌沥青混合料( h o tm i xa s p h a l t ，简 称h m a ) 或开级配磨耗层( o g f c ) ，厚度为4 0 - - 一7 5 m m ；中间层( 或者称粘结层) 采 用高模量、抗车辙混合料，厚度为1 0 0 - 1 7 5 m m ；基层采用柔性抗疲劳h m a 混合 料，厚度为7 5 1 0 0 m m 。 美国的规范【2 2 3 1 , 3 刁对沥青稳定碎石基层的设计方法和施工技术有详细的阐 述。 除美、英之外，德国、日本、法国等也都广泛采用沥青稳定基层，其规范中 都有关于沥青稳定基层的阐述。 但由于交通量和地域差异比较大，各国的路面结构差别也很显著，但总体来说， 沥青层总厚都比较大，一般都超过2 0 c m ，而我国的高速公路的沥青层总厚通常都 在2 0 c m 以下。 各国在大量实践的基础上，提出了有关沥青稳定基层的施工设计规范，总的 看来，对沥青稳定基层的材料组成设计要求都不如面层的沥青混凝土严格，颗粒 也大于面层所用的粒料颗粒，相应的混合料的空隙率也较面层混合料大，而沥青 用量相对较少。 下面列出各国关于沥青稳定碎石基层混合料的级配情况，见表1 1 、1 2 和1 3 和所示。 美国f i m a 沥青稳定基层级配 表1 1 公称最大粒 通过下列筛孔的百分率( ) 径( m m ) 5 03 7 52 51 99 54 7 5o 4 2 50 0 7 5 1 0 09 7 1 0 06 7 8 l3 3 - 4 7 1 0 ，- - 1 9 4 8 范围1 0 09 7 - 1 0 05 6 7 03 9 5 3 1 2 2 l 4 - - 一8 1 0 0 9 7 1 0 06 7 7 94 7 5 1 2 2 l 4 8 第一章绪论 英国髓i 沥青碎石基层级配表1 2 4 一 公称最大粒 通过下列筛孔的百分率( ) 径( 删呦 5 03 7 52 81 46 33 3 5o - 30 0 7 5 范围1 0 09 5 1 0 07 0 - - - - 9 45 6 7 64 4 6 03 2 4 67 2 l2 8 日本沥青碎石基层级配表1 3 公称最大粒 通过下列筛孔的百分率( ) 径( m m ) 5 33 7 51 92 3 60 0 7 5 设计空隙( ) 范围1 0 09 0 1 0 04 5 - 7 03 0 5 53 1 2 从表表1 2 1 、1 2 3 和1 2 3 各国对沥青稳定碎石级配要求很大不同。 1 2 2 国内研究概况 国内对沥青稳定基层混合料的研究才刚刚兴起，研究成果相对较少，仅仅有 个别单位进行过室内试验研究和铺筑过试验段。 2 0 0 3 年江苏省宁连宁通公路管理处和省交通科学研究院共同完成的“沥青碎 石基层在老路改造中的应用研究课题。 2 0 0 4 年完成的交通部公路科研所【1 3 1 毛1 5 ，1 6 1 承担的“高速公路早期病害预防措 施的研究 项目，针对沥青稳定碎石混合料和级配碎石的矿料级配、性能指标、 成型方法和施工质量检验指标等进行了大量试验研究。 东南大学的杨群【3 】进行了高速公路沥青稳定基层结构与设计方法研究，提出了 沥青稳定基层沥青路面的设计指标和标准，进行了设计指标影响因素分析，提出 了沥青稳定基层混合料的组成设计方法，并铺筑了试验路。葛折圣【l o 链出两种 沥青稳定碎石级配，进行了应力控制的疲劳试验，研究其抗疲劳性能，并进行疲 劳寿命预估。 哈尔滨工业大学【l2 】采用体积法分别设计了公称最大粒径为2 6 5 m m , 3 1 5 m m 和3 7 5 m m 的沥青稳定碎石混合料的级配，并进行了各级配混合料的强度性能试 验、水稳定性试验、低温抗裂性试验以及贯入式重复加载试验。 长安大学袁宏俐4 】进行了沥青稳定碎石基层材料的研究，提出了混合料的设计 方法和施工技术，并铺筑了试验路，证明了沥青稳定碎石基层沥青路面的低温抗 裂性要优于半刚性基层沥青路面。易湘舒【l o 】进行了多年冻土地区沥青稳定碎石基 层混合料路用性能研究，提出了适用于冻土地区的沥青稳定碎石级配和混合料设 第一章绪论 5 一 计方法，进行了强度性能、抗冻性能、低温抗裂性和低温疲劳性能研究。 通过上面的叙述可知，国外对沥青稳定碎石基层的研究可谓方兴未艾，而国内 对于沥青稳定碎石基层的研究刚刚起步。因此，深入系统地进行沥青稳定碎石基 层相关内容的研究具有十分重要的意义。 1 3 研究内容和技术路线 本文在借鉴国内外现有研究成果的基础上，通过大型马歇尔试验确定沥青稳定 碎石的最佳油石比，在此基础上系统地研究沥青稳定碎石混合料的高温变形能力， 并进行了沥青稳定碎石混合料强度形成原理的探索。 本课题采用理论和试验相结合的方法，进行以下几个方面的研究： 沥青稳定碎石基层材料技术性能试验： 结合我国现行设计规范，通过大型马歇尔试验确定几种沥青稳定碎石的最佳 油石比； 沥青稳定碎石的动稳定度试验，并分析在最佳油石比情况下级配的优劣； 沥青稳定碎石的单轴静态和动态蠕变试验，分析在无侧限条件下混合料的变 形特性； 在车辙和单轴蠕变试验的基础上，探索沥青稳定碎石的强度形成原理压 杆原理。 第二章沥青稳定碎石大型马歇尔试验 第二章沥青稳定碎石大型马歇尔试验 6 一 沥青混合料组成设计的内容就是在综合考虑气候、行车荷载和原材料性能等 因素的情况下确定粗集料、细集料、矿粉和沥青等材料相互配合的最佳组成比例， 使之既能满足沥青混合料的技术要求又符合经济的原则，简单来说，主要包括三 部分：原材料选择、确定混合料集料级配和确定沥青混合料最佳沥青用量( 最佳油 石比) 。下面分别阐述这几方面的内容。 2 1 级配选择和原材料试验 2 1 1 级配选择 集料级配基本上分为连续级配和间断级配两大类。我国的公路沥青路面施 工技术规范( j t gf 4 0 一2 0 0 4 ) 中所列出的沥青稳定碎石混合料类型有密级配、 半开级配和开级配三种。 东南大学的杨群口3 在对比有关国家的沥青稳定基层的级配组成和我国的a c - 2 5 i 和a m - 3 0 两种级配后，得出结论：在沥青稳定基层的材料组成设计中，确定材 料级配时，必须采用连续级配，保证足够的细料数量，并且考虑施工的方便，颗 粒不宜过大。 综上所述，鉴于连续级配的优越性，及我国长期以来使用连续级配的丰富经 验，以及考虑到间断级配在施工时容易出现离析问题，所以，对于沥青稳定碎石 基层这样一个大粒径、大空隙的新的基层类型，本研究优先考虑采用密级配。 根据我国现行设计规范n 1 所推荐的公称最大粒径为3 1 5 m m 和2 6 5 m m 的几种沥青混 合料级配的范围，即的a t b 一3 0 和a t b 一2 5 。本文选用a t b 一3 0 和a t b 一2 5 级配范围的 上、中和下限共六种级配混合料，如表2 1 和图2 1 。 密级配沥青稳定碎石a t b - 2 5 混合料矿料级配取值 表2 1 通过下免筛孔( m m ) 的质量百分率( ) 级配类型 0 0 7 5o 1 50 30 61 1 82 3 64 7 59 51 3 21 6 o1 9 02 6 53 1 5 a t b - 2 5 上 限 61 01 41 82 53 24 05 26 26 88 01 0 01 0 0 a t b 2 5 中 值 46 59 51 31 7 52 3 53 04 l5 25 87 09 51 0 0 a t b - 2 5 下 限 2358 1 0 1 52 03 24 24 86 09 01 0 0 第二章沥青稳定碎石大型马歇尔试验 密级配沥青稳定碎石a t b - 3 0 混合料矿料级配取值表2 2 7 一 级 通过下列筛孔( m m ：的质量百分率( ) 配类型0 0 7 50 1 50 30 6 1 1 8 2 3 64 7 59 51 3 21 6 01 9 02 6 53 1 53 7 5 a t b 3 0 61 01 41 82 5 3 2 4 05 l6 0 6 67 29 01 0 0 1 0 0 上限 a t b 一3 0 46 59 51 31 7 52 3 53 04 14 9 55 56 2 58 09 51 0 0 中值 a t b 3 0 23581 01 52 03 l3 94 45 37 09 01 0 0 下限 2 1 2 原材料试验 2 1 2 1 沥青 本试验研究所用沥青为s b s 改性中海油a l l 一7 0 # 沥青。按公路工程沥青及沥 青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 进行各项常规指标测试，并根据“重交通道路 石油沥青技术指标要求 进行评价，均满足要求。各项指标结果见表2 3 。 沥青性能指标检测结果表2 3 试验项目 技术要求实测结果 ( 2 5 c ，l o o g ，5 s ) 针入度( o 1 m m ) 6 0 8 06 8 ( 5 c ，5 c m m i n ) 延度( c m ) 3 0 1 0 0 ( 环球法) 软化点( )5 56 5 2 1 2 2 集料 本试验粗集料采用石灰岩，细集料为同样岩性的石料，矿粉为石灰岩磨制而 成，集料的各项性能指标均符合规范要求。按公路工程集料试验规程( j t j e 4 2 2 0 0 5 ) 实测，各指标结果见表2 4 、2 5 和2 6 租集料性能指标检测结果表2 4 越经项拿茹m m 针片状颗粒含量( ) 技寒受求实测鲒果 石料压碎值m ) 2 61 7 4 洛杉矶磨耗损失( ) 2 82 2 5 毛体积密度( g c 血3 ) 2 6 02 7 3 l 吸水率( ) 2 0 0 3 4 对沥青的粘附性 4 5 坚同性( ) 1 24 3 针片状颗粒含量( ) 1 59 6 第二章沥青稳定碎石大型马歇尔试验 细集料性能指标检测结果表2 5 试验项目技术要求实测结果 ( g c m 3 ) 2 6 0 2 7 2 3 坚l 司性( 0 3 m m 的部分) ( ) 1 21 2 2 砂当量( ) 6 06 7 3 矿粉性能指标检测结果表2 6 试验项目技术要求实测结果 ( g c r n 3 ) 2 5 02 7 1 6 亲水系数 1 24 4 粒度范围 0 6 m m1 0 09 7 o 1 5 m m9 0 1 0 07 2 ( ) 0 0 7 5 r n m7 0 1 0 0 7 3 1 2 2 大型马歇尔试验 8 一 当沥青和矿料级配选定之后，要进一步确定沥青混合料的最佳沥青用量。目 前应用最广泛的是马歇尔设计方法。 马歇尔试验设计法是基础性的体积设计法。但许多人认为，马歇尔的试件成 型采用落锤冲击的方法没有模拟实际路面的压实，马歇尔稳定度不能恰当地评估 沥青混合料的抗剪强度，虽然6 0 稳定度都满足有关规范的要求，但是路面适用 性能不良，车辙严重。因此许多沥青专家认为马歇尔设计方法己经过时了。然而 由于其设备价格低、操作简单、便于掌握，使其为世界各国广泛应用：同时由于长 期以来，人们已经积累了丰富的实践经验和资料，人们可以凭借这一方法获方法 得到应用。我国沥青混合料的配合比设计即是采用此方法。 综上所述，本试验研究采用马歇尔设计法，具体方法是： ( 1 ) 通过大马歇尔击实法成型试件，每个油石比成型5 个试件，用于马歇尔试 验。需要强调的是，在成型试件时，要仔细观察，一是混合料拌和后的外观，二 是称料、装料时，要注意倒完混合料后，盆底是否会粘一些细集料，或者从混合 料中析出的自由沥青，程度如何。通常情况下，在拌和后，不干燥、不出现“花 料 情况( 大颗粒集料没有完全被沥青胶浆裹覆，露出石料表面的颜色) ，混合料 外观黑色发亮，但又不能不过分油亮，不过分粘盆的混合料，就是最佳油石比状 态下的混合料。 ( 2 ) 用体积法测出试件的密度，从而计算出空隙率。 第二章沥青稳定碎石大型马歇尔试验 9 一 ( 3 ) 进行马歇尔稳定度试验，测出试件的稳定度和流值。 ( 4 ) 绘出各级配油石比与密度、空隙率、稳定度的关系图。 ( 5 ) 在初始最佳油石比的基础上，综合考虑马歇尔试验结果的密度、空隙率和 稳定度与油石比的关系图，确定出最佳油石比。 2 2 i 试验方法简介 由于沥青稳定碎石基层材料自身组成结构的特殊性，无法直接利用传统的马 歇尔设计法。这是因为标准马歇尔试件尺寸为巾1 5 2 4 m i n x 9 5 3 m m ，我国现行的沥 青混合料试验规程中规定，集料公称最大粒径不大于2 5 5 m m 。对粒径大于2 6 5 m m 的粗粒式沥青混合料，其大于2 6 5 m m 的集料应用等量的1 3 2 m m - 2 5 5 m m 集料 代替。这种替代法无疑会改变原有级配的性质，造成试验结果与实际有较大的差 异。故本研究应采用大马歇尔试件，与标准马歇尔试件有相同的径高比，其尺寸 为1 5 2 4 m i n x 9 5 3 m m 。大马歇尔试件的套筒、试模、底座等各部分详细尺寸见图3 - 2 - 1 所示。 为获得相同的击实功，在保证击实锤落距4 5 7 2 m m 不变的情况下，按平圆压 头面积的增加比例，大马歇尔击实仪将锤重由4 5 3 6 9 调整到1 0 2 1 0 9 ，击实次数增 加到标准试件击实次数的1 5 倍。 由于试件尺寸发生改变，大马歇尔试验的一些技术指标势必也要相应改变。 美国的研究资料表明，大马歇尔试件的稳定度和流值分别为标准马歇尔试件的2 2 5 倍和1 5 倍。 2 2 2 技术标准的确定 大型击实法确定沥青混合料最佳沥青用量的方法与标准击实法确定最佳沥青 用量的方法相同，主要依靠三个指标：密度、空隙率、稳定度，大马歇尔试验的 具体技术指标和要求见表2 7 。 大马歇尔试验技术指标与要求表2 7 技术指标技术要求 试件直径( m m ) 1 5 2 4 试件标准高度( m m ) 9 5 3 锤重( g ) 1 0 2 1 0 第二章沥青稳定碎石大型马歇尔试验 1 0 落锤高度( m m ) 4 5 7 2 击实次数( 双面) 1 1 2 稳定度( k n ) 不小于1 5 流值( w a n )实测 空隙率w ( ) 3 6 矿料间隙率( ) 不小于1 1 5 沥青饱和度v f a ( ) 5 5 - - 7 0 2 2 3 大型马歇尔试件成型 按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 大型马歇尔试 件为巾1 5 2 4 m m x 9 5 3 m m ，圆柱体试件，一组试件的数量为5 个，并符合试件规格 要求，两面击实1 1 2 次。 试件成型仪 ( 1 ) 标准击实仪：由击实锤、中9 8 5 m m 平圆形压实头及带手柄的导向棒组成。 用机械将压实锤举起，从4 5 7 2 m m + 1 5 r a m 高度沿导向棒自由落下击实，标准击 实锤质量4 5 3 6 9 9 9 。 、 ( 2 ) 标准击实台：用以固定试模，在2 0 0 m i n x2 0 0 m mx4 5 7 m m 的硬木墩上面有 一块3 0 5 m m x 3 0 5 m m x 2 5 m m 的钢板，木墩用4 根型刚固定在下面的水泥混凝土板 上。木墩采用青冈栎的硬木制成。 自动击实仪是将标准击实锤及标准击实台安装一体并用电力驱动使击实锤连 续击实试件且可自动记录的设备，击实速度为6 0 次m i n + 5 次m i n 。 ( 3 ) 试验室用沥青混合料拌和机：能保证拌和温度并充分拌和均匀，可控制拌 和时间，容量不小于1 0 l 。搅拌叶自转速度7 0 r m i n , - - 一8 0 r m i n ，公转速度4 0 r m i n - - 5 0 r m i n 。 ( 4 ) 试模：由高碳钢制成，每组包括内径9 5 3 m m + 0 2 m m ，高8 7 m m 的圆柱形 金属筒、底座( 直径约1 2 0 6 m m ) 和套筒( 内径1 0 1 6 m m 、高7 0 m m ) 各1 个。 ( 5 ) 电子称：用于称量矿料的，感量不大于0 5 9 ：用于称量沥青的感量不大于 o 1 9 。 ( 6 ) 温度计：分度为1 0 c 。量程0 0 c , - 一3 0 0 0 c 。 准备工作 ( 1 ) 纤维沥青混合料试件的拌和与压实温度 由于用s b s 改性沥青，并掺加纤维，因此纤维沥青混合料的拌和温度1 8 5 0 c 第二章沥青稳定碎石大型马歇尔试验 1 9 5 0 c ，压实温度为1 6 5 0 c 1 7 5 0 c 。 ( 2 ) 将各种规格的矿料置1 0 5 0 ( 2 5 0 c 的烘箱中烘干至恒重( 一般不少于4 h - - 6 h ) 。 ( 3 ) 将烘干分级的粗细集料，按每个试件设计级配要求称其质量，在一金属盘 中混合均匀，矿粉单独加热，置烘箱中预热2 0 0 0 c 备用。 ( 4 ) 将用恒温烘箱熔化加热至规定的纤维沥青混合料拌和温度备用，但不得超 过1 7 5 0 c 。 ( 5 ) 用沾有少许黄油的面纱擦净试模、套筒及击实等置1 0 0 0 c 左右烘箱中加热 1 h 备用。 沥青稳定碎石的拌制 ( 1 ) 将沥青混合料拌和机预热至拌和温度以上l o o c 左右备用。 ( 2 ) 将每个试件预热的粗细集料置于拌和机中，用小铲子适当混合，然后再加 入纤维，开动拌和机一边搅拌一边将拌和叶片插入混合料中拌和l m i n ；然后暂停 拌和，加入需要数量的已加热至拌和温度的沥青，开动拌和机一边搅拌一边将拌 和叶片插入混合料中拌和1 5 m i r a 然后暂停拌和，加入单独加热的矿粉，继续拌 和至均匀为止，并使沥青混合料保持在要求的拌和温度范围内。总拌和时间为 4 m i n 。 试件成型方法、步骤： ( 1 ) 将拌好的沥青混合料，均匀称取一个试件所需的用量。 ( 2 ) 从烘箱中取出预热的试模及套筒，用沾有少许黄油的面纱擦拭套筒、底座 及击实锤底面，将试模装在底座上，垫一张圆形的吸油性小的纸，按四分法从四 个方向用小铲将混合料铲入试模中，用插刀沿周边插捣1 5 次，中间l o 次。插捣 后将沥青混合料表面整平成凸圆弧面。 ( 3 ) 插入温度计，至混合料中心附近，检查混合料温度。 ( 4 ) 待混合料温度符合要求的压实温度后，将试模连同底座一起放在击实台上 固定，在装好的混合料上面垫一张吸油性小的圆纸，再将装有击实锤及导向棒的 压实头插入试模中，然后开启电动机将击实锤从4 5 7 m m 的高度自由落下击实规定 的次数1 1 2 。 ( 5 ) 试件击实一面后，取下套筒，将试模掉头，装上套筒，然后以同样的方法 和次数击实另一面。 ( 6 ) 试件击实结束后，立即用镊子取掉上下面的纸，用卡尺量取试件离试模上 口的高度并由此计算试件高度，如高度不符合要求时，试件应作废，并按下式调 整试件的混合料质量，以保证高度符合9 5 3 m m + 1 3 m m 的要求。 第二章沥青稳定碎石大型马歇尔试验 1 2 调整后混合料质量= 至茎堕笃寡囊磊磊暴笋， 式c 2 m ( 7 ) 卸去套筒和底座，将装有试件的试模横向放置冷却至室温后( 不少于1 2 h ) ， 置脱模机上脱出试件。 2 2 4 大型马歇尔试验 测定纤维沥青混合料试件的密度封蜡法 表干法适用于测定吸水率不大于2 的各种沥青混合料试件。测定的毛体积密 度适用于计算沥青混合料试件的空隙率、矿料间隙率等各项体积指标。 ( 1 ) 仪具与材料 1 ) 电子称：感量为o 1 9 带有测量水中重的挂钩。 2 1 网篮。 3 ) 溢流水箱：适用洁净水，有水位溢流装置，保持试件和网篮浸入水中后的水 位一定。 4 ) 试件悬吊装置：天平下方悬吊网篮及试件的装置，吊线应采用不吸水的细尼 龙线，并有足够的长度。 5 ) 秒表。 6 ) 毛巾 ( 2 ) 方法与步骤 1 ) 电子称，最大称量应不小于试件质量的1 2 5 倍，且不大于试件质量的5 倍。 2 ) 除去试件表面的浮粒，称取干燥试件的空中质量( m a ) ，根据选择的天平的感 量读数，准确至0 1 9 。 3 ) 挂上网篮，浸入溢流水箱中，调节水位，将天平调平、复零，把试件置于网 篮中( 注意不要晃动水) 浸水中约3 m i n - - , 5 m i n ，称取水中质量( m w ) 。 4 ) 从水中取出试件，用洁净柔软的拧干湿毛巾轻轻擦去试件的表面水( 不得吸 走空隙内的水) ，称取试件的表干质量( m f ) 。 ( 3 ) 计算 1 ) 试件的毛体积相对密度和毛体积密度，取3 位小数，式( 2 2 ) 和( 2 3 ) ： 厂，= 堡式( 2 2 ) 办= 土几p r2 上几 。 ，l ，一m i ， ” 式( 2 3 ) 第二章沥青稳定碎石大型马歇尔试验 1 3 式中：乃用表干法测定的试件毛体积相对密度，无量纲； 乃用表干法测定的试件毛体积密度，m ，； p 。常温水的密度，1 m ，。 2 ) 试件的空隙率计算，取i 位小数，式如下： w = ( - 一鲁 x 。 式c 2 4 ， 式中：w 式件的空隙率，； y ，计算试件的理论最大相对密度，取3 位小数； 以用表干法测定的试件毛体积相对密度，取3 位小数。 3 ) 计算试件的理论最大相对密度，取3 位小数。 a 当无钢纤维掺加时，已知试件的油石比，试件的理论最大相对密度按下式 计算。 以：f ? 坠与百 式( 2 5 ) ，= 一 - c i - 7 气l 墨+ 墨+ + 墨+ 墨 一卜一7 7 l厂27 。，。 式中：以一计算理论相对密度，无量纲； p 一油石比，； 儿沥青的相对密度( 2 5 。c 2 5o c ) ； p 1 各种矿料占矿料总质量的百分率，； 以九各种矿料对水的相对密度。对粗集料，宜采用与沥青混合料同一 种相对密度，即混合料采用表干法测定的毛体积相对密度时，粗集料也采用毛体 积相对密度；对细集料( 砂、石屑) 和矿粉均采用表观相对密度。 b 当掺加钢纤维，已知试件的油石比时，试件的理论最大相对密度可按下式 计算。 以= 互互1 0 = 0 + p 百+ ( 砸1 0 0 + 丽p , , ) 匝x q 式( 2 6 ) 墨+ 墨+ + 墨+ g ! 旦墨地+ 墨 一卜7 y ty 2y 。 y g y t 式中：以计算理论相对密度，无量纲； p 广油石比，； 儿沥青的相对密度( 2 5 0 c 2 5o c ) ； p 1 如各种矿料占矿料总质量的百分率，； 第二章沥青稳定碎石大型马歇尔试验 q 铜纤维掺量，； 厂。钢纤维的相对密度； y ，以各种矿料对水的相对密度。对粗集料，宜采用与沥青混合料同一 种相对密度，即混合料采用表干法测定的毛体积相对密度时，粗集料也采用毛体 积相对密度；对细集料( 砂、石屑) 和矿粉均采用表观相对密度。 4 ) 试件中沥青的体积百分率计算，取1 位小数。 a 当已知油石比，掺加柔性纤维和无纤维时，按下式计算； v a ：竺姜娑 式( 2 7 )= 上士 式( 2 7 ) 0 0 0 + 只) 九 、7 式中：v a 沥青混合料试件的沥青体积百分率，。 式中：v a 沥青混合料试件的沥青体积百分率，； q 试件中钢纤维掺量，。 5 ) 试件中的矿料间隙率，按式( 2 9 ) 计算 v m a = v a + w 式( 2 8 ) 式中：v m a 沥青混合料试件的矿料间隙率，。 6 ) 试件的沥青饱和度按式( 2 1 0 ) 计算，取1 位小数。 v f a ：生1 0 0 式( 2 9 ) 测定纤维沥青混合料马歇尔稳定度和流值 混合料的稳定度和流值的测定，用大型马歇尔法。 ( 1 ) 仪器与材料 1 ) 沥青混合料马歇尔仪：符合国家标准沥青混合料马歇尔试验仪( g b r r 1 1 8 2 3 ) 技术要求的产品。采用自动马歇尔试验仪，能自动记录荷载位移曲线，并 有自动测定荷载与试件垂直变形的转感器、位移计，能自动打印试验结果。 2 ) 恒温水箱：控温准确度为1 0 c ，深度不小于1 5 0 m m 。 3 ) 烘箱。 4 ) 温度计：分度为l o c 。 ( 2 ) 试验步骤 1 ) 将试件置于已达到规定温度的恒温水槽中保温，保温时间需3 0 m i n - - - , 4 0 m i n 。 试件之间互相间隔，底下被垫起，离容器底部不小于5 e m 。 2 ) 将马歇尔试验仪的上下压头放入水槽或烘箱中达到同样温度。将上下压头从 水槽或烘箱中取出擦拭干净内面。为了使上下压头滑动自如，在上下压头的导棒 上涂少量黄油。再将试件取出置于下压头上，盖上上压头，然后装在加载设备上。 3 ) 在上压头的球座上放妥钢球，并对准荷载测定装置的压头。 第二章沥青稳定碎石大型马歇尔试验 1 5 4 ) 采用自动马歇尔试验仪，正确连接自动马歇尔试验仪的压力传感器、位移传 感器与x y 记录仪，调整好适宜的放大比例。， 5 ) 启动加载设备，使试件承受荷载，加载速度为5 0 5 m m m m 。x _ y 记录仪 自动记录传感器压力和试件变形曲线并将数据自动存入计算机。 6 ) 从恒温水槽中取出试件至测出最大荷载的时间，不得超过3 0s 。 7 ) 数据处理，由x y 记录仪自动记录的荷载变形曲线，按图所示的方法在 切线方向延长曲线与横坐标相交于o l 将o l 点作为修正原点，从o l 起量取相应 于荷载最大值时的变形作为流值( f l ) ，以n l l i l 计，准确至0 1 m m 。最大荷载即为稳 定度( m s ) ，以k n 计，准确至0