（岩土工程专业论文）沥青混合料高温抗车辙性能的试验研究.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 随着公路交通量的增加，重载车辆的增多及渠化交通的形成，我国公路沥青路面的 车辙问题已经成为引人注目的普遍性问题。近年来，许多沥青路面都不同程度产生了车 辙。可以说车辙是道路破坏的主要形式之一。它除了影响行车舒适性外，还对交通安全 有直接影响。由于沥青混合料所固有的粘弹特性、沥青路面高温稳定性、水稳定性因素 的多样性、车辙形成的复杂性等，使得永久变形成为一个世界性的难题，防治沥青路面 的车辙也成为世界各国公路技术人员的重要研究课题。 首先，沥青混合料在不同的成型工艺的影响下，其体积参数是不同的。本文分别采 用马歇尔击实法和轮碾法成型沥青混合料试件，通过对空隙率、矿料间隙率、沥青饱和 度等体积参数的对比分析，结果表明：沥青混合料轮碾法碾压1 2 个往返试件的空隙率大 于马歇尔击实试件的空隙率。轮碾法达不到马歇尔击实法要求的压实度。建议在做马歇 尔实验进行路用性能检测时，要适当增加试件的碾压次数，才能保证沥青混合料所要求 的压实度。 其次，本文选用沥青混合料a c 1 3 和a c 一1 6 ，采用6 种级配不同级配类型、 不 同沥青用量所组成的沥青混合料进行的车辙试验，分析了不同级配类型沥青混合料的车 辙发展规律，以及沥青混合料动稳定度同沥青用量和空隙率之间的关系。不同级配类型 不同沥青用量组成的沥青混合料，其抗车辙性能不相同。在同一最大公称粒径下，沥青 混合料中粗颗粒骨料所占比例越高，同沥青用量较小一样可以提高沥青混合料的抗车辙 能力；反之，沥青混合料中细料增加或沥青用量增加均会降低沥青混合料的抗车辙能力。 空隙率也是影响车辙的重要因素，空隙率小的沥青混合料有利于提高路面的强度和耐久 性，但不能太低，若低于3 ，在夏季，沥青混合料内部没有足够的空隙，就容易膨胀， 必然引起泛油和流动，造成变形而形成车辙。空隙率也是沥青混合料设计的重要指标。 关键词：车辙试验；沥青混合料高温稳定性；马歇尔击实法；轮碾法 i i 兰州理工大学硕士譬位论文 a b s t r a c t 、m mt l l ei n 蝴i n go f 仃a 衔c 觚dh e a v yv e _ i l i c l e ，b l e e d i n ga 1 1 dm t t i n ga r et l l e m o s t c o l i l 】m o i d yo b s e r v e dp a v e m e n td i s 仃镪s e si i lh i g h w a y s r e c e n ty e a r s ，m a n ya s p h a l ts u r t a c e s a r e 棚i c t e db ym 傲n gd 锄a g e s nw i l la 虢c tn o to 山耐v i n gc o m f o nb u ta l s om c “讪g s e c u r i t 矿 s i l l c ca s p h a l t1 1 1 i x t i 】r ei i l 胁e n ti nn l e 啊s c o e l a s t i cp r o p e r t i e s ，m ei r r l p a c t o f l l i 西t e i i l p e r a t i 】r ea s p h a l tp a v 锄e n ts t a b i l 慨w a t e rs t a b i l 时o f 恤d i v e r s i 够o ff 融0 r s ，t l l e c 0 m p l e x i t yo f 廿l ef o m a t i o no f1 1 l t t i l 坞m a k e sp e n n a l l e r l td e f o n n a t i o nb e c 仰洫ga w l d w i d e p r o b l e i i l ，m ep r e v 训o n 姐d 讹舳饥to f 唧h a l tp a v 锄e n t 础i n g h 嬲b e c o m e c d a i li 1 i l p o r t a n t r e s e 蹦mt o p i co nm g l l w a yt e c h i l i c a lp e r s o i l i l e la r o u n d l ew o r l d f i r s t l y ；吼d e rt h ei n f l u e n c eo f l ed i 脓e n tm o l d i n gm e l o d s ，m ev o l u m ep 觚i l l l 酏e r so f a l s p h a l tm i x t u r ea r ed i 鼢e n t b yu s i n gr e s p e “v e l y t l l em a r s h a l lm o l d 地m e m o d 肌dr o l l i n g m o l d i n gm e m o d t om o l da s p h a l tm i x t u r e ，t l l ee s s a y 觚a l y s e st l l ev o l 啪ep a r 锄e t e r so fa s p h a l t i n i x t u r eo nv o l u m eo fa i rv o i d s ，v o i d si i lm i n e r a la g 伊e g a t e 锄dv o i d sf i l l e dw i t ha s p h a l t t h e r e s u l t si n d i c a t em a tm a r s h a l lm o l d i n gm e t h o do fa s p k l l tm i x t u r eo nt h ev o l u m eo f a i r 、厂o i d si s 1 0 w e rt h 锄r o l l i n gm o l d i i l gm e m o do fa s p h a l tm i x t u r e ，r 0 1 1 i n gm o l d i n gm e t h o do nd e g r e eo f c 0 m p a c t i o nw o u l dn o tf u l f i l lm er e q u i r 锄e n t w h e na s p h a l tm i x t u r ei sc a m e d o u tm a r s h a l l t e s t ，w es h o u l da d dm l l i n gt i m e st oc o n 仃0 1m eq u a l i t yo ft h ep e r f o 肌a n c em i x t u r e ，s ot 1 1 a t 嬲p h a l t 血x t u r ew o u l dm l f i l lt h er e q u i 崩n e n t - s e c o n d l y ；t h i sp 印e r 锄a l y z c dm el l i g ht 锄p 蹦l t i 鹏p e r f o 彻a n c eo fl a i l l i 觚a h 一9 0b y e x p e r i m e n t s t h e ( 讯狙ea c 一1 3a n d a c l6w a ss e l e c t e d m r o u 曲1 1 l t t i n gt e s tf o ra s p h a l t m i x e sw i ms 仅帅e so f 鲫a t i o n 锄d 唧h a l tc 锄咖，m e 岬o s eo fs t u d m gw 嬲t oa s s e s s m er e l a t i o ns h j pb 咖e e l la s p h a l tr n 故e sd y n a i i l i cs t a b i l i 够a n d 韶p h a l tc e m e n t 雒da l rv 0 1 d ， 也e nt 0a i l a l y s em em l eo f 唧t l a l tm i 舭础i n g w i t hd i 脑僦鲥a t i o nt ) ，p e s 1 1 1 el 鹕e s ti i l 也es 锄en o m 恤a 1 出e 恤g r 嘣lm i x t u r ec o a r s ea g 孕e g a t ep r o p o m o no f m eh i g h 谢t 1 1a s 1 i l a l l e r 锄。姐to f 鹪p h 出c mi r n p r o v et 1 1 ea s p h a l tm i x t u r eo f 锄t i 椭a b i l i t yt 0m e c o n 仃a 张m e 嬲p h a l tm i x h 鹏s i l l a l l 锄。血o fm a t 耐a lm c r c 勰eo ra s p h a l ti l l c r e 弱ew i l lr e d u c e l ea s p h a l tm i x t i 】r co f 枷m t 血ga b i l i 够p o r o s i t yi sa l s oa i li n 】岬r t 锄tf a c t o ra 船c t i n gm t t i n 舀 t 1 1 ep o r o s 时o f n l es m a l l 唧l l a l t 姗谢l lh e l po ni m p r 0 v 咖gm es 慨g n l 锄d 如a b i l i t yo f m er o a d ，b u tn o tt o ol o w b e l o w3p e r c e n t ，i i lt h es u i n m e r ，廿l ea s p h a l tm i x t u r ed o e sn o th a v e s u 伍c i e mi l l t e n l a lg 印e 嬲ye x p a 璐i o nw i l li 1 1 e v i t a b l yc a _ u s eo u to fo i l 孤dn o w i n & a d e f o 彻a 廿o n 锄dn l t t i n g v 0 i d a g e 部p h a l ti i l i x t l 盯ed e s i g l l i n gi sa l s oa l li m p o n a n tm d i c a t o r k e y w o r d s ：w h e e l仃a c k i n gt e s t ， m el l i 曲t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo fa u s p h a l tm i x ， m a r s h a l lm 0 1 d i n gm e t h o d ， r o l l i n gm o l d i n gm e t l l o d i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承 担。 作者签名：安吣两日期：础年月了日 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，即：学校 有权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。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 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学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：骖吣商 刷程辄耋) 耄 日期：加3 年6 月歹日 日期：扣8 年石月歹日 兰州理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 第1 章绪论 沥青路面的高温流动变形问题是世界各国普遍关注的路面损坏形式之一。在我国大部 分地区，夏季最高气温能达到3 5 4 0 以上，沥青路面的最高温度要比最高气温高2 5 ， 可能达到6 0 6 5 以上，同时夏季一般降雨较多，高温与水的藕合作用不容忽视，考虑 到高温与水的作用以及交通量的不断增大和渠化交通，将可能使沥青路面在恶劣的交通和 气候环境作用下迅速变形破坏。沥青作为粘弹性材料，在如此持续高温的情况下，沥青性 能由弹性体向塑性体转化，劲度模量大幅度降低，抗变形性能急剧下降，此时再加之水对 沥青混合料的剥离作用，沥青路面将产生严重的永久变形问题，这是目前沥青路面最主要 的损坏形式，不仅影响行车舒适性，而且对交通安全造成威胁。据发达国家的资料，在高 速公路及城市干线道路上，永久变形是路面使用性能降低，导致损坏的最主要原因。在许 多国家，高速公路路面维修、罩面的原因中，车辙的比率高达8 0 以上，可见问题之严重。 我国高速公路上交通量并不大，除少数高速公路的交通量较大外，多数高速公路的实 际交通量( 混合车辆) 仅1 0 0 0 0 量天左右。但通车3 年左右的部分高速公路往往随机地在 其局部路段产生较显著的辙槽。山区高速公路在纵坡较大( 3 ) 的超重载车辆上坡路段， 常容易产生很严重的辙槽，r d 深达1 0 0 m m 。在纵坡小的平原高速公路上，i 达2 嘶m 4 0 i 砌并不罕见【1 1 。 由于沥青混合料所固有的粘弹特性、影响沥青路面高温稳定性、水稳定性因素的多样 性、车辙形成的复杂性等，使得永久变形成为一个世界性的难题，防治沥青路面的车辙也 成为世界各国公路技术人员的重要研究课题。 l 。1 2 课题意义 车辙是沥青路面特有的主要破坏现象之一。据统计，高速公路的沥青路面由于车辙而 进行维修、加铺或翻修面层工程的比例占整个维修工程的一半以上。 沥青路面高温抗车辙性能的试验研究 二十世纪七十年代美国的调查表明，在州际和主要公路上车辙所致路面损害的4 0 ； 二十世纪八十年代日本的调查表明由于车辙引起的路面损害高达8 0 。在我国，近几年来 高速公路的迅猛发展，在许多省区沥青路面均不同程度出现了大面积的早期车辙破坏【2 _ 】。 长期以来，已经发展了各种方法来评价沥青混合料的高温性能，主要是以经验性或模拟性 的试验为主，其试验结果与实际路面的永久变形相关性不好，不能完全反映沥青混合料高 温永久变形过程，因为沥青混合料是一种粘弹性材料，沥青路面第二阶段永久变形主要是 由于沥青混合料塑性剪切流动引起的。因此，对沥青混合料高温稳定性的试验评价方法、 评价指标还有待进一步研究。研究沥青混合料的高温稳定性能主要是针对沥青路面的车辙 而言的。为了防止出现车辙，提高混合料的高温抗车辙能力具有重要的意义。 随着高等级公路的迅速发展，研究沥青混凝土路面的车辙问题就显得尤为重要。针对 上述情况，本文通过对沥青混合料车辙的试验分析来研究沥青路面的高温稳定性。 1 2 车辙问题的分类和产生机理 1 2 1 车辙的分类 国际上将沥青路面的车辙分为三种类型【4 1 ： ( 1 ) 结构性车辙：由于荷载作用超过路面各层的强度，车辙主要发生在沥青面层以下 包括路基在内的各结构层的永久变形，叫做结构性车辙。这种车辙的宽度较大，两侧没有 隆起现象，横断面成浅盆状的u 字形。 ( 2 ) 失稳性车辙：在高温条件下，车轮碾压的反复作用，荷载产生的剪应力超过沥青 混合料的抗剪强度，使流动变形不断累积形成车辙，叫做沥青的流动性车辙。高温下处于 以粘性为主的半固体，在轮胎荷载作用下，沥青及沥青胶浆便产生流动，从而使混合料的 网络骨架结构失稳。这部分半固体物质除部分填充混合料空隙外，还将随沥青混合料自由 流动，从而使路面受载处被压缩而产生塑性变形。同时，由于沥青及沥青胶浆在荷载作用 下首先产生流动，混合料中粗、细集料组成的骨架结构逐步成为荷载主要的承担者，再加 上沥青润滑作用，硬度较大的矿料颗粒在荷载直接作用下会沿矿料间接触面滑动，促使沥 青及胶浆向其富集区流动，以致流向混合料自由面，特别是当集料间沥青集胶浆过多时， 这一过程会更加明显。 ( 3 ) 磨损性车辙：冬季埋钉轮胎形成的，在我国，由于基层基本上是半刚性基层，强 2 兰州理工大学硕士学位论文 度及板体性良好，基层及其以下的变形极小，除了某些基层施工不良路段外，第一类结构 性车辙很少，而磨损性车辙几乎没有。所以目前所见到的车辙基本上属于第二种类型。对 于这种车辙，可以说没有有效的维修方法，唯一的办法就是把车辙部位铣刨掉用新的混合 料修补，或将原有材料再生改造以更换产生车辙的层次。但另外还有一种在国外较少发生 而在我国却经常发生的车辙，它是沥青面层压密不足造成的，这是非正常的车辙，尤其是 有些高速公路施工时没有很充分的压实，也有的工程片面追求平整度，在降低温度后碾压， 造成压实不足，致使通车后第一个高温季节混合料继续压密( 比正常情况严重) 形成车辙。 1 2 2 车辙形成机理 沥青混凝土路面在重复交通荷载作用下，会由于永久变形的累积导致路面出现车辙。 1 9 6 0 年a a s h t o 试验路研究发现：永久变形主要是由于各结构层厚度的减少，多发生在路 面结构层( 面层3 2 、基层1 4 、底基层4 5 ) ，土基仅占9 【5 1 。然而，目前高等级公路 广泛采用半刚性基层，使得路基、基层产生的永久变形量占车辙总量的比例越来越少。大 量的观测调查及理论计算表明，半刚性基层地基高等级沥青路面面层产生的永久变形量占 车辙总量的9 0 以上，因此沥青面层的永久变形已成为车辙研究的重点。 p a t t e r s o n 的研究表明，在建立沥青路面车辙预估模型时同时考虑压密和塑性流动变形 是重要的。压密包括材料的体积变化，由于压密，引起了材料颗粒之间更紧的排列。由于 压密而产生的永久变形可以通过在道路建设期间严格的压实规范来控制。塑性流动是另一 机理，塑性流动不包括体积变化，由剪位移组成。当材料移动到加载区域边缘时，剪位移 既可能引起凹陷也可能引起隆起，一旦剪应力超过材料的剪切强度或承受了足够的蠕变， 车辙就会发生。所以，为了延缓沥青路面车辙的产生，在现代化的路面设计中，路面的上 层需要选择更高强度的材料。a a s h o 的实验路面开挖研究以及后来壳牌公司环道实验研 究，所得结论都认为，在沥青路面建成后初期所形成的车辙，行车碾压使路面进一步压实 是主要原因，以后轮迹下路面层体积的减少几乎等于邻近区域体积的增加，这时路面的压 密已经完成，车辙的进一步加深，则主要是沥青层内产生了剪切变形。e i s 翎m 猢和h i l m e r 的研究也得出结论，认为车辙主要是由变形流动所引起的。可见压密和剪切变形是形成车 辙的两个机理。第二个机理代表了绝大多数路面寿命的变形行为，此阶段轮胎下体积的减 少和毗邻隆起区体积增加基本相等，主要是由于沥青混合料上层过大的应力而产生塑性流 动引起。引起沥青混凝土永久变形的主要原因是剪切变形己被广泛地接受。在荷载作用下， 沥青混合料会产生压密，但对一个压实很好的混合料，这种压密和剪切变形相比是非常小 沥青路面高温抗车辙性能的试验研究 的。s h l 冲一a 3 1 8 的研究显示车辙产生的主要机理是剪切变形，主要由沥青混凝土上层所 产生的大的应力而引起。剪切应变主要受温度的影响。h a r v e y 对沥青路面施加加速荷载后， 重型车辆模拟设备( h v s ) 车辙的实验显示，在轮迹边缘处的剪切变形( 隆起) 清晰可见。 如果如果车辙仅由于压密引起，将不会显示隆起。 纵观车辙的形成过程可简单地分为三个阶段【6 】： 越 赚 揍 * 荷载作用次数 图1 1 沥青混凝土路面在行车反复作用下的车辙发展 1 开始阶段的压密过程 沥青混合料在被碾压成型前是由骨料、沥青及空气组成的松散混合物，经碾压后高温 下处于半流态的沥青及由沥青与矿粉组成的胶浆被挤进矿料间隙中，同时骨料被强力排列 成具有一定骨架的结构。碾压完毕交付使用后，当汽车荷载作用时，此密实过程还会有进 一步发展。 2 沥青混合料的流动 高温下的沥青混合料处于以粘性为主的半固体，在轮胎荷载作用下，沥青及沥青胶浆 便产生流动，从而使混合料的网络骨架结构失稳。这部分半固态物质除部分填充混合料空 隙外，还将随沥青混合料自由流动，从而使路面受载处被压缩而变形。 3 矿质骨料的重新排列及矿质骨料的破坏 高温下处于半固态的沥青混合料，由于沥青及胶浆在荷载作用下首先流动，混合料中 粗、细骨料组成的骨架逐渐成为荷载主要承担者，再加上沥青润滑作用，硬度较大的矿料 颗粒在荷载直接作用下会沿矿料间接触面滑动，促使沥青及胶浆向其富集区流动，以致流 向混合料自由面，特别当骨料间沥青及胶浆过多时，这一过程会更加明显。 由上分析可知，引起沥青混凝土永久变形的主要原因是剪切变形。所以研究沥青混合 4 兰州理t 大学硕十学位论文 料的稳定性则主要是研究沥青混合料在高温下抗流动变形的能力。沥青混凝土路面出现车 辙和变形的原因很多，因为沥青混合料不稳定，行车对基层压实成型后的沥青混合料进一 步压实，轮迹对路面的过分磨耗，以及在载重车车道、公共汽车站和交叉口的超载作用， 高温作用等，沥青混凝土路面均会出现车辙和变形。 1 3 车辙问题研究的国内外研究现状 1 3 1 国外车辙问题的研究 1 9 6 0 年以前，对车辙问题少有正式研究，美国当时采用的路面设计方法都使用经验方 法来估量路面的抗剪切性能，通过在特定c b r 值的材料上加铺足够厚的沥青层保证设计年 限内路面的车辙量大概在一个可以容忍的范围内。 1 9 6 2 年的首届国际沥青路面结构设计会议上，s h e l l 公司提出第一套明确考虑疲劳和 车辙的路面设计方法，该法通过限制土基项面的竖向位移来控制车辙。 1 9 7 2 年的第三届国际沥青路面结构设计会议上，b 破s d a l e 和r 0 m 血提出了一种用于 预估柔性路面车辙的方法一层应变法。 1 9 7 7 年的第四届国际沥青路面结构设计会议上提出了新的考虑车辙的设计方法，该程 序包括限制表面车辙在指定的水平内和预估沥青粘结层或整个路面结构的车辙量。具体有 下面几点：基于车辙性能观测数据的统计方法；限制基层应变程序；结合蠕变试验数据 的弹性分析：线性粘弹性分析。 1 9 8 2 年的第五届国际沥青路面结构设计会议基木上未对车辙预估提出新的成果，1 9 8 2 年之后，人们对车辙问题的兴趣又高涨起来，连续发表了一系列关于柔性路面中车辙的预 估以及轮载和胎压对路面层内应力、应变的影响的论文，研究主要是关于材料性能的描述 和沥青路面车辙预估模型的建立，所报道的方法限于粘弹塑性考虑和经验的结合。 1 9 8 7 年的第六届国际沥青路面结构设计会议上，e c k m 猢以及e i s e l l m a l l l l 和h i l m e r 的 论文特别的引人注目。e c h 锄的研究结合了动态蠕变试验和层应变法对足尺试验路的车 辙进行了预估，预估模型和现场测定结果表现出良好的吻合性。e i s e n m 锄和h i l i i l e r 研究 了轮载和胎压对沥青路面中车辙量的影响，他们使用不同的轮载、胎压和轮组进行了足尺 试验，直接测定车辙量，并用衰退分析法分析了不同试验条件的影响。 1 9 9 3 年，美国战略公路研究计划s h i 冲) 的沥青研究项目在执行期间，总经费5 0 0 0 万美 沥青路面高温抗车辙性能的试验研究 元中，有9 4 9 万美元用于水久变形的研究上，该研究最终提出了a 一3 1 8 和a 一4 1 5 两篇研 究报告，成为s u p e 印a v e 的主要组成部分。研究成果对现有沥青混合料高温特性试验方法进 行评价的基础上提出了新的试验、评价方法，并试图根据新的破坏模型和车辙预估模型编 制计算机软件进行车辙深度预估【7 】【8 】【9 】【1 0 】【1 1 1 【1 2 】。 1 3 2 国内车辙问题的研究 在国内，交通部公路研究所、同济大学、东南大学、长安大学等单位先后进行了大量 的研究。 朱永灵、林绣贤应用线性粘弹性理论研究沥青路面的永久变形【1 3 】。林绣贤对沥青面层 永久变形计算中有关参数的确定方法进行了研究。许志鸿等以粘弹性层状体系理论为基础， 结合蠕变实验和现场测量结果，提出了一种简化的高等级公路沥青路面车辙的预估方法， 比较符合我国的实际情况【14 1 。“七五 国家重点科技项目对石家庄、西安、上海和惠州等地 实体工程沥青面层材料做了单轴压缩蠕变实验，测量了材料在不同时间和温度下的应变， 并分析了不同类型混合料的应变累计规律及其抗高温变形性能，结果认为以单轴压缩蠕变 曲线评价沥青混合料抗高温变形能力的优点是直观、方便，但静载压缩蠕变实验的加载方 式与实际行车荷载存在静、动作用的差异，应使用动态影响系数加以修正。徐世法、朱照 宏在分析沥青路面永久变形时，应用了粘弹性理论，采用了“四单元五参数”的模型，提 出了一个较为合理的车辙预估方法，采用单轴蠕变实验确定参数，并在车辙预估模型中考 虑了侧向隆起，提出了以粘性劲度模量作为评价沥青路面车辙的标准【l5 1 。徐世法、朱照宏 根据测定沥青混合料高温性能的蠕变实验、轮辙实验和环道实验的结果，从材料组成、性 能和路面组成三方面分析了影响沥青路面抗车辙能力的关键因素，并对控制沥青路面车辙 的有效途径进行了讨论和建议m 值。徐世法、朱照宏针对我国高等级沥青路面结构的具体 特点提出以容许车辙深度作为车辙的控制指标，并给出了沥青路面容许车辙深度范围，指 出了有效的车辙防治措施【l6 1 。徐世法、朱照宏利用蠕变实验对沥青混合料的高温变形特性 进行了分析，提出了一种有效地表征沥青混合料变形特性的流变学模型，建立了一种高等 级道路沥青路面车辙的预估方法【l7 1 。杨众等对现有的车辙预估方法进行了综述，提出了一 种使用车辙实验确定永久变形的车辙预估方法一改进的层应变法【1 8 】。曹林涛通过实验讨 论了空隙率、级配、荷载和沥青用量对沥青混合料高温抗变形能力的影响【l9 1 。 李一鸣、俞建荣研究了单家寺稠油沥青混合料抗车辙能力及其变形规律。李一呜利用 6 兰州理t 大学硕j ：学位论文 国产车辙实验机对沥青混合料进行了车辙实验，结果认为严格控制温度是实验成败的关键， 控制荷重比控制单位轮压更合理可靠【2 0 】。俞建荣、李一鸣利用沥青混合料横向流动动力参 数k 积分和累积荷载时间概念，通过车辙实验建立了车辙预估模型，使用动稳定度作为评 价抗车辙能力的标准。李一鸣、俞建荣从力学的观点分析了沥青路面车辙的形成机理【2 l 】。 黄晓明、张晓冰和邓学钧对沥青路面车辙进行了环道实验研究，提出了不同保证率下的车 辙预估模型2 2 1 。 张登良等通过实验对高等级道路沥青路面车辙进行了研究，以粘弹性层状体系理论和 流变学模型分析为基础，结合沥青混合料的变形特性，提出了包括层减薄量和侧向隆起高 度的车辙深度预估方程【2 3 1 。茅梅芬使用室内环道实验建立了在重复荷载作用下车辙和荷载 作用次数之间的数学关系式，并分析了沥青性质、沥青混凝土级配、实验温度、沥青面层 厚度对车辙深度的影响【2 4 1 。郝培文等研究了不同沥青用量与级配组成对沥青混合料抗车辙 性能的影响【2 5 1 。李闯民等分析了重复荷载作用下的沥青路面车辙因素【2 6 1 。张志祥等利用高 温单轴静态蠕变实验比较了s m a l 6 、a 6 c 、a c 2 5 i 三种沥青混合料的高温抗车辙性斛2 7 1 。 翟东梅等对几种不同级配的沥青混合料做了浸水车辙实验，以条件试件和标准试件的辙槽 发展速度比作为评价指标来评价混合料水稳性【2 8 1 。 可以看出，沥青路面车辙分析是目前路面工程研究的热点。 1 4 本文主要研究内容 1 试验采用沥青混合料a c 一1 3 和a c 一1 6 两种混合料类型。级配选用沥青混合料a c 1 3 、a c 一1 6 的规范级配范围内上限、中值和下限。 2 沥青混合料分别采用油石比4 o 、4 5 、5 o 、5 5 进行马歇尔试验，测出沥青混 合料的空隙率、毛体积相对密度、稳定度、流值、矿料间隙率、沥青饱和度等指标， 然后确定出每种级配的最佳沥青含量。 3 通过采用马歇尔击实法确定后的密度来控制轮碾法碾压试件的质量，试件的油石比为 4 0 、4 5 、5 o 、5 5 ，分别碾压1 2 个、1 8 个、2 4 个往返后，进行车辙试验。 4 沥青混合料a c 1 3 采用马歇尔击实和碾压两种不同成型工艺下的试件的体积指标分 析对比。 5 通过车辙试验结果来分析级配、油石比、碾压次数、空隙率对抗车辙性能的影响。 7 沥青路面高温抗车辙性能的试验研究 2 1 试验思路 第2 章试验方案和试件制备 本课题主要是对沥青路面抗车辙性能试验研究。 首先选用两种沥青混合料类型a c 1 3 和a c 一1 6 ，沥青混合料a c 一1 3 根据规范的级 配范围选定三种级配，分别为上限、中值和调整后的下限；沥青混合料a c 一1 6 选定上限、 中值和下限。 其次对沥青混合料采用不同的油石比分别制作马歇尔试件和车辙试件。对车辙试件碾 压不同的次数进行车辙试验。 最后对马歇尔击实法和轮碾法制作的试件的体积指标进行对比分析，另外对车辙试验 的结果进行比较，分析不同条件对沥青混合料抗车辙性能的影响。 2 2 试验方案 1 制作马歇尔试件：试件采用油石比为4 o 、4 5 、5 0 、5 5 ，每种油石比制作6 个试件。 2 通过网篮法测定出沥青混合料的毛体积密度、w 、v m a 、v f a 等物理体积指标、然 后将试件在6 0 水浴中浸泡半个小时、通过马歇尔稳定度仪测定出稳定度和流值两个力 学指标。 3 采用马歇尔击实法确定后的密度来控制轮碾法碾压试件的质量，试件的油石比为4 0 、4 5 、5 o 、5 5 ，分别碾压1 2 个、1 8 个、2 4 个往返，制作车辙试件。 4 钻芯取样测定轮碾法制作试件的物理体积指标，然后和马歇尔击实法的体积指标进行 对比分析 5 车辙试件在控制了温度、油石比、碾压次数后，分析对沥青混合料抗车辙性能的影响。 2 3 原材料试验 2 3 1 基质沥青试验 本课题采用兰炼a h 一9 0 沥青，参照重交通道路石油沥青的技术指标，按照公路工 兰州理工大学硕上学位论文 程沥青及沥青混合料试验规程( j t j0 5 2 2 0 0 0 ) 相关试验的要求进行，试验结果见表2 1 兰炼a h 一9 0 沥青的主要技术性质表2 1 表2 1 中的试验结果表明，该沥青满足重交通沥青a h 一9 0 的技术要求。 2 3 2集料试验 本课题的集料全部采用兰州的石灰岩，经筛分后逐级称量回配。矿粉为石灰石磨制而 成，集料各项指标均符合规范要求。集料密度按照公路工程集料试验规程( j t j0 5 8 2 0 0 0 ) 的要求进行，其中粗集料的密度采用网篮法测定；细集料采用李氏比重瓶法测定。其各级 粒径集料的密度测量结果见表2 2 和表2 3 粗集料视密度( 网篮法)表2 2 粒径( 衄) 1 61 3 29 5 4 7 5 表观相对密度( 锄3 ) 2 6 5 82 6 5 22 6 712 6 5 4 毛体积相对密度( g 锄3 ) 2 6 4 22 6 3 62 6 5 82 6 4 5 细集料视密度( 李氏比重瓶法)表2 3 粒径( 咖) 2 3 61 1 8o 60 3o 1 5 0 0 7 5 视密度( 咖m 3 ) 2 6 5 02 6 6 02 6 7 02 6 7 02 6 8 02 6 8 7 矿粉的视密度采用李氏比重瓶法测定，介质为水，其值为2 6 9 0 c m 3 2 3 3 混合料级配组成 试验采用沥青混合料a c 一1 3 和a c 一1 6 两种混合料类型。级配选用沥青混合料a c 1 3 的规范级配范围内上限、中值和调整后的下限，还有沥青混合料a c 1 6 规范级配范围 内上限、中值和下限。 9 沥青路面高温抗车辙性能的试验研究 2 4 马歇尔试验 现在我国公路沥青路面施工规范规定的现行配合比设计方法，马歇尔方法是影响最为 深远，也是应用最为广泛的沥青混合料设计方法，几乎己经成为了世界各国的通用设计方 法。它的最初发明是借用土工试验中通过击实方法寻找最大密度、确定最佳含水量的思想 来确定沥青混合料的合理沥青用量，基本上属于一种体积设计方法。该方法对混合料的密 度、空隙率、矿料间隙率等指标有明确的要求。 马歇尔试验己经在实践中应用了多年，并积累了丰富的经验，如今多用来确定最佳沥 青用量，因此本课题采用马歇尔试验来确定最佳油石比。 研究表明沥青混合料是由沥青和矿质混合料组成的复合材料，其体积特征参数由空隙 率、矿料间隙率和饱和度等指标来表征，它们反映了压实后沥青混合料各组成材料之间的 质量和体积关系这些参数取决于沥青和集料性质、组成材料用量比例、混合料成型条件等 因素、并对沥青混合料的路用性能有着显著的影响，也是沥青混合料配合比设计的重要参 数而体积参数发生变化时，可以引起路面性能的变化空隙率是沥青混合料最重要的体积参 数，它的大小影响着沥青混合料的稳定性，当路面空隙率过低时，容易发生剪切变形引发 路面车辙，空隙率过大，可能增加沥青氧化速率和老化程度，可以引发水损害等早期破坏【2 】； 矿料间隙率也对沥青混合料的强度和稳定性有很高的敏感性，矿料间隙率过小，沥青混合 料的耐久性较差，抗疲劳能力弱，使用寿命短，矿料间隙率过大，有利的方面是抗疲劳性 能较好，不利的方面是沥青混合料的高温稳定性较差，容易出现车辙，拥包，堆挤等形式 的病害【3 1 ；沥青饱和度也是同样的道理，沥青饱和度过大其高温稳定性不好，过小其耐久性 和抗疲劳差，在施工中，部分矿料未被沥青包裹，矿料过于干涩，施工和易性差为研究不 同成型对路用性能的影响，采用马歇尔击实法和轮碾法成型试件并进行各项体积参数的对 比分析。 1 0 兰州理工大学硕上学位论文 本课题采用l m s 一2 型电脑马歇尔稳定度试验系统： 主要技术指标 l 、声降速率：5 0 5 m m m i n 2 、电机功率：3 7 0 w ；电源：3 8 0 w 5 0 h z 额定转速：1 4 0 0 刚m i n 3 、试件压头：用于夹持沥青混合料试样，其内径为1 0 1 6 皿 4 、容栅式数字位移传感器量程：0 n l m 2 5 删 i l ；精度：0 0 4 m m 压力传感器量程：0 1 1 吼 5 0 k n ： 5 、仪器总长( a b h ) ：5 3 0 m m 7 0 0 n u n 3 5 0 n u n 2 5 车辙试验 为了模拟沥青路面在车轮的反复作用下产生车辙的情况，在试验室采用一个小型车轮 在沥青混合料板块状试件上进行往复行走试验，从而使板块试件形成像实际沥青路面那样 的辙槽，这种试验方法称为车辙试验。这是一种工程试验方法，最初是由英国运输与道路 研究试验所( t r r l ) 开发的，通过测定车轮荷载作用次数与板块试件变形的关系，得出变形 速率r d 或动稳定度d s ，可用作沥青混合料的抗永久变形性能指标。这种试验方法比较直观， 可以对沥青路面车辙形成过程进行很好的模拟，试验设备不需太高的精度，操作方法也不 复杂，容易为工程上所接受。我国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 中的车辙试验采用的就是这种方法。 车辙试验最大特点是能充分模拟沥青路面上车轮行驶的实际情况，在用于试验研究时， 还可以改变温度、荷载、试件厚度、尺寸、成型条件等等，以模拟路面的实际情况，了解 各种因素变化对车辙变形的影响。 沥青混合料永久变形评价方法主要有：单轴静态蠕变试验、单轴重复加载试验、单轴 动态加载试验、三轴静态有侧限蠕变试验、三轴重复加载试验、三轴动态加载讨验、轮辙 环道试验、车辙室内实验等。可见实验方法很多，但作为实用、有效的目的，选用的实验 方法应具备以下特性：最能反映沥青混合料的高温性能；试验结果乌实际路面永久变 形有较好的相关性；要求实验方法要尽可能地简单、适用、易于推广，这包括以下方面： 试件制作容易、使用材料少、设备简单、最好能使用现场取料的钻芯试件。应依据这些原 则对上述试验进行综合评价。美国加利福尼亚大学贝克葬分校的j b s o u s a 等对前述试验方 法进行综合评述，给出了排序结梨6 1 ，如表2 5 所示 沥青路面高温抗车辙性能的试验研究 永久变形的各种实验方法比较表2 5 表中未列出室内车辙试验的排序，把车辙试验与表中的实验方法进行比较，得出以下 结论：尽管车辙试验与其他试验相比，它不能获得材料的基本力学参数，不能用来估计车 辙变形发展，但从模拟现场看，车辙试验仅次于环道试验而优于其他所有实验方法；从简 单车辙试验次于单轴试验和径向试验而优于其他试验。综上所述，本课题采用公路工程 沥青及沥青混合料规程( j ”0 5 2 2 0 0 0 ) 中车辙试验方法来研究沥青混合料高温稳定性能。 车辙试验是在规定的温度下通过板状试件与车轮间往复相对运动，使试块在车轮重复作用 下产生压密、剪切、推移和流动，从而产生车辙，用仪器将试块的变形和试验时间进行测 定就可以用来检验沥青混合料高温性能。该方法能够充分模拟沥青路面上车轮行驶的实际 情况，而且试验方法思路清晰、简单，因此本课题采用车辙试验检验混合料高温稳定性。 其评价指标为动稳定度d s 。 本课题所用车辙试验仪为长沙亚星数控技术有限公司生产的l l r 一1 型车辙仪。 1 试验条件 试件尺寸：3 0 0 i l m 3 0 0 n u n x 5 0 m r i l ； 试验荷重：7 8 0 n ； 轮压：0 7 士o 0 5 m p a ； 试验温度： 6 0 1 。c 。 2 试验指标 动稳定度( d s ) 计算 琊= 竺塑；塑 ( 2 1 ) d 6 0 d 4 5 式中：d s 动稳定度，次i n i n ； d 6 0 - 6 0 m i n 时的车辙深度，m m ； d 4 5 4 5 m i n 时的车辙深度，m m 兰州理- t 大学硕上学位论文 车辙深度i m ( 姗) ：荷载作用6 0 m i i l 时的永久形变量。 2 6 试件制备与要求 1 在实验室配制沥青混合料时，材料的准备如下： 将各种规格的矿料置于1 0 5 的烘箱中烘干5 h ，至到恒重。粗集料要水洗后再烘干备用。 按照规定的试验方法测定各种矿料的密度和沥青的密度。 将烘干分级的组细集料，按照设计级配要求称重，在盘中混合均匀，矿粉单独加热，置 烘箱中预热至沥青拌和温度以上1 5 ，即1 5 5 备用。 沥青试样在恒温烘箱中加热至拌和温度备用。但不得超过17 5 。 2 沥青混合料的拌制过程： 将沥青混合料拌和机预热至拌和温度以上l o ，即1 5 0 。 将称重后的粗细集料置于拌和机中，用小铲适当混合，然后再加入需要数量已加热至拌 和温度的沥青，开始搅拌，然后暂停搅拌，加入单独加热的矿粉，继续拌和至均匀。 3 拌和温度和压实温度的确定 本试验采用标准击实法制备沥青棍合料试件，来供试验室进行沥青混合料物理力学性 质的试验使用。试件的拌和温度和压实温度按表3 5 选用，并要根据沥青的品种和标号作 适当调整。针入度小、稠度大的沥青取高限，针入度大、稠度小的沥青取低限，一般取中 值。对改性沥青，应根据改性剂的品种和用量，适当提高混合料的拌和温度和压实温度。 沥青拌和温度和压实温度参考表表2 6 根据表2 6 的要求，及本实验所用的沥青为道路沥青，并且其针入度偏大、稠度偏小等 特点，最终确定本实验的拌和温度为1 4 0 ，压实温度为1 3 0 。 4 击实法成型试件过程： 将拌制好的沥青混合料，均匀称取所需用量待用。 取出预热试模、套筒和底座用黄油擦拭。然后将混合料倒入其中。 插入温度计检查混合料温度。 满足压实温度后，将其放置到击实台上双面各击实7 5 次成型。 成型后试件室温下至少1 2 h 后方可供试验使用。 5 轮碾成型过程 沥青路面高温抗车辙性能的试验研究 将拌制好的沥青混合料，先根据马歇尔击实法确定好的毛体积相对密度来控制碾压试 件的质量。 取出预热试模，将拌和好的沥青混合料，用小铲稍加拌和均匀沿试模由边至中转圈装 入试模，中部略高与四周。然后用预热的小锤由边至中转圈夯实一遍，整平成突圆弧 型。 待沥青混合料冷却至压实温度，在表面铺上一层纸， 当用轮碾机碾压时，宜将碾压轮预热至1 0 0 左右( 如不加热，应铺牛皮纸) 。然后， 将盛有沥青混合料的试模置于轮碾机的平台上，轻轻放下碾压轮，调整荷载为9 l 沥青路面高温抗车辙性能的试验研究 比比较低的情况下，沥青混合料的沥青饱和度在碾压法成型的试件比马歇尔击实法成 型的试件要低，说明在碾压成型工艺下，试件由于表面积比较大，能更好地吸收沥青， a c 1 3 下限由于粗集料的增加，减弱了这种情况，因而轮碾法成型的试件沥青饱和度 比击实法成型的试件要低，在达到一定的油石比的情况下，两者才趋与一致，所以在 施工条件下，要防止沥青路面泛油、拥抱等现象，一定要确定最佳的沥青含量。 3 3 车辙动稳定度与碾压次数、油石比的关系 图3 1 9a c 一1 3 上限的动稳定度和车辙深度与碾压次数和油石比的关系图 图3 2 0 a c 1 3 中值的动稳定度和车辙深度与碾压次数和油石比的关系图 兰州理工大学硕1 二学位论文 度和车辙深度与碾压次数和油石比的关系图 懿 昌 昌 蜊 侧 嚣 幅 + 1 2 个往返 04 55 o5 5 油石比 度和车辙深度与碾压次数和油石比的关系图 图3 2 3a c 1 6 中值的动稳定度和车辙深度与碾压次数和油石比的关系图 2 9 0 o 0 0 0 o 0 0 0 0