（岩土工程专业论文）沥青混合料高温抗车辙性能影响因素的试验研究.pdf

硕十学位论文 摘要 沥青路面具有良好的路用性能，在国内外的道路建设中得到广泛的 应用，据统计在我国已建成的高速公路中，9 5 以上均采用沥青路面。在 夏季持续高温季节，普通沥青路面在行车荷载作用下很容易产生车辙。 车辙不仅缩短了沥青路面的使用寿命而且降低了沥青路面的服务质量， 给国民经济带来较大损失。 首先，本文基于马歇尔标准击实试验，确定出了间断密级配沥青混 合料和添加抗车辙剂的a c 一13 沥青混合料( 以下简称a c 13 抗车辙剂沥 青混合料) 的最佳沥青用量，并分析了抗车辙剂对马歇尔试验结果的影 响。 其次，通过室内车辙试验分析了矿料级配组成、沥青用量、碾压次 数、试验温度及抗车辙剂用量对间断密级配沥青混合料高温抗车辙性能 的影响。试验结果表明：适当增大集料中粗骨料( 粒径妻4 7 5 m m ) 及矿 粉用量，可以充分发挥间断密级配中集料的嵌挤作用；马歇尔试验的最 佳沥青用量比车辙试验的最佳沥青用量高0 1 0 3 ；在沥青用量不增 加的条件下，间断密级配沥青混合料抗车辙剂的最佳用量为0 3 ；本文 也分析了矿料级配组成、碾压次数及抗车辙剂用量对a c 13 沥青混合料 高温抗车辙性能的影响，并将其与a c 13 抗车辙剂沥青混合料进行了对 比。试验结果表明：在试验条件下相同的前提下， a c 13 抗车辙剂沥青 混合料较a c 13 沥青混合料的动稳定度( d s ) 值有明显的提高，最小提 高幅度为135 ；a c 13 抗车辙剂沥青混合料只有形成骨架密实型结构， 其高温抗车辙性能才能得到改善；在最佳沥青用量条件下，a c 13 抗车 辙剂沥青混合料的最佳抗车辙剂用量为0 4 。 关键词：车辙试验；马歇尔试验；动稳定度；高温稳定性：抗车辙剂 沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究 ! = 自! 目| e = 目自= = ! = = 穹= = = = = = 自= = = 0 自= = ! ! = = 毫= ! = = ! ! ! ! ! e = = 2 目e = = ii i i = 自= g = 自l a b s t r a c t a s p h a l tp a v e m e n th a sb e e nw i d e l yu s e di nr o a dc o n s t r u c t i o n ，d u et o g o o dp a v e m e n tp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt os t a t i s t i c ，i nc h i n a ，h i g h w a y si n m o r et h a n9 5 h a v eb e e nb u i l t e db ya s p h a l tp a v e m e n t i ns u m m e rs e a s o n ， o r d i n a r ya s p h a l tp a v e m e n ti se a s i l yp r o d u c er u t t i n g ，o nt h et r a f f i cl o a d s n o to n l yc a nr u t t i n gc u td o w nt h el i f eo fa s p h a l tp a v e m e n t ，b u ta l s or e d u c e t h es e r v i c eq u a l i t yo fa s p h a l tp a v e m e n t ，w h i c hb r i n g s g r e a t l yl o s s e st ot h e n a t io n a le c o n o m y i nt h ef i r s t ，o p t i m u ma s p h a l tc o n t e n to fg a p g r a d e da s p h a l tm i x t u r ea n d a c - 13 g r a d a t i o nw i t ha n t i - r u t t i n ga g e n tw a sg i v e na n dr u t t i n gr e s i s t a n c e a f f a c t i n go nm a r s h a l lt e s tr e s u l t sw a sa n a l y z e d ，i nt h ep a p e r ，b yt h em e t h e d o fm a r s h a l lc o m p a c t i o nt e s t n e x t ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fa n t i r u t t i n gp e r f o r m a n c eo fg a p 。g r a d e d a s p h a l tm i x t u r ew a sa n a l y z e di nc a s e so fd i f f e r e n tg r a d a t i o nc o m p o s i t i o n ， r o l l i n gt i m e s ，t e m p e r a t u r e sa n dc o n t e n t so fa n t i r u t t i n ga g e n ta tt h et e r mo f h i g h t e m p e r a t u r e ，i nt h el a b o r a t o r y t e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a t a d d i n g p r o p e rc o a r s ea g g r e g a t e ( 耋4 7 5 m m ) a n dp o w d e rc o n t e n t sw o u l dp l a y o c c l u d i n ga n dw e d g i n gr o l ei na g g r e g a t em i x t u r e t h eo p t i m a l a s p h a l t c o n t e n t si nm a r s h a l lt e s tw e r eh i g h e r0 1 - 0 3 t h a nt h o s ei nt h ew h e e l t r a c k i n gt e s t o p t i m a lc o n t e n t so fa n t i - r u t t i n ga g e n tw e r ee q u a lt oo 3 i n c a s eo fn oa d d i n ga s p h a l tc o n t e n t s i nt h ep a p e r ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r so f a c - 13 g r a d a t i o nw i t ha n t i r u t t i n ga g e n tw e r ea l s oa n a l y z e di nc a s e so f d i f f e r e n tg r a d a t i o nc o m p o s i t i o n s ，r o l l i n gt i m e sa n dc o n t e n t so fa n t i r u t t i n g a g e n ta tt h et e r mo fh i g h t e m p e r a t u r e ，w h i c hw a sc o m p a r e dw i t ha c 13 a s p h a l tm i x t u r e t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed y n a m i cs t a b i l i t y ( d s ) v a l u e o fa c - 13g r a d a t i o nw i t ha n t i r u t t i n ga g e n tw a sh i g h e rt h a na c 1 3a s p h a l t m i x t u r e ，r a i s i n gt h em i n i m u mr a n g eo f135 t h eh i g ht e m p e r a t u r er u t t i n g r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fa c 一13g r a d a t i o nw i t ha n t i r u t t i n ga g e n tc a nb e i m p r o v e d ，w h e ni td o s ef o r md e n s es k e l e t o ns t r u c t u r e i nt h eb e s tc o n d i t i o n s o fa s p h a l tc o n t e n t ，t h eb e s t d o s a g eo fa c 一13g r a d a t i o nw i t ha n t i r u t t i n g a g e n ti s0 4 k e yw o r d s ：r u t t i n gt e s t ，m a r s h a l lt e s t ，d y n a m i cs t a b i l i t y ， h 硕十学位论文 h i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，a n t i - r u t t i n ga g e n t i i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 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：新婶 日期：知向年月，o 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，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。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密卤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：叫。年6 月，口日 日期： 詹卅年月尸日 柳可 番李 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 改革开放的三十年，是我国历史上公路发展速度最快、规模最大、 最具活力的时期。据有关部门统计，在这短短的3o 年当中我国公路里程 增加了38 5 万公里，高速公路从无到有，公路通达深度和覆盖面有了很 大提高。19 9 8 年全国公路通车总里程已达到12 6 万公里，高速公路总里 程已达6 2 58 公里。路面是高等级公路的重要组成部分，公路路面相对于 路基而言虽然只是薄薄的一层，但其工程造价却占到了公路工程总造价 的15 25 。路面作为道路直接与行车发生关系的“界面”，其工程质量 具有特殊而重要的意义。目前全国已建成的高级、次高级沥青路面公路 里程约占总道路总罩程的4 0 ，其中高级沥青路面突破了l0 万公里。在 已建成的高速公路中，约7 5 采用了沥青混凝土路面。通过近三十年 的不断努力，我国在公路沥青路面修筑，特别是高速公路的沥青路面修 筑方面已形成了以路面结构、材料、设计、施工和检测为核心的成套技 术，路面的基层和面层均有了明显的改善。京津塘高速公路、首都机场 高速公路及八达岭高速公路等项目建成通车，对我国高速公路沥青路面 建设有很大的促进作用。虽然我国沥青混凝土路面的建设在短短的三十 年中取得了很大的发展，但是沥青混凝土路面普遍存在的技术和质量问 题的两个主要方面，即耐久性和路面的早期损坏却仍未从根本上的得到 解决，并且国民经济高速发展而带来的公路交通量大幅度地增加，高速 公路、一级公路的交通渠道化，超载重载的情况愈演愈烈，加之夏季罕 见持续的高温，导致公路沥青路面出现的新问题又接踵而来。这些己成 为影响我国公路健康发展的突出问题。而沥青路面的早期破坏中尤其以 高温车辙破坏最为突出。 沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，其物理力学性能与温度和荷 载作用时间密切相关，特别是它的强度和劲度模量随着温度的升高而显 著降低。普通沥青混合料路面( 不添加抗车辙剂) 在夏季温度达到30 4 0 ( 沥青混合料路面温度为6 5 7 0 ) 时，在重交通荷载的重复作 用下，且由于交通的渠道化，逐渐形成下凹，两侧鼓起的永久性变形即 所谓的“车辙”。这种永久性变形是现代高等级沥青混合料路面最常见的 高温病害。我国大部分地区夏季日平均气温高达3 0 3 4 ，在这样高 沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究 的温度条件下，一方面由于黑褐色沥青自身具有较强的吸热性能，使整 个路面形成一个巨大的温度场加速其变形，同时又由于普通沥青混合料 路面自身的抗变形能力相对较差，以致在夏季高温条件下，随着温度的 升高，沥青混合料路面逐渐产生车辙变形。车辙不仅影响行车的舒适性， 而且对交通安全造成威胁。正是由于沥青混合料自身所固有的粘弹特性、 影响沥青路面高温性能因素的多样以及车辙形成机理的复杂性等因素的 综合作用，使得解决沥青混合料路面的高温稳定性问题已成为一个世界 性的难题。正是在这样的情况下，通过在沥青混合料中添加一定量的外 加剂以形成一种新型的沥青混合料或者通过改变沥青混合料的矿料级配 组成等措施，以改善沥青路面的高温抗车辙性能，已成为当前从事公路 与城市道路研究人员解决沥青路面高温车辙问题的一种解决途径。 1 2 沥青混合料的发展概况及其高温稳定性能概述 1 2 1 沥青混合料的发展概况 约在公元前的6 0 0 年，在巴比伦铺筑了第一条沥青路面，但这种技 艺不久便失传了。一直到19 世纪，人们才有用沥青混凝土来筑路。据记 载，l8 8 3 年在英国开始进行煤沥青碎石路面铺筑；185 4 年在巴黎首次用 碾压法进行沥青路面铺筑；18 7 0 年前后在伦敦、华盛顿、纽约等地采用 沥青做路面铺筑。 人们在筑路作业时，感到沥青需要加热，致使其使用上很方便，1910 年在科诺大学广场上开始第一次使用稀释沥青。当时，沥青路面还只限 于在道路表面涂刷一层沥青，即现在的单层沥青表面处治。在此以前， 均可以称为是沥青材料在道路工程中使用的启蒙时期。 第二个时期大约在2 0 世纪的2 0 年代到5 0 年代。l91 1 年美国首先提 出针入度作为沥青的分级指标。1 9l6 年德国马尔库逊( m a | c u s o n ) 提出 了最初的沥青组分分析方法，研究了沥青的组分含量同路用性能的关系 f 2 】 口 近几年来，随着公路等级的不断提高，对沥青材料提出了更高的要 求，促使研究工作进一步深入开展。在沥青指标方面，除了针入度、延 度、软化点等目前常用的三大指标外，先后提出了脆点、含蜡量、组分 分析、粘附性以及旋转薄膜烘箱老化等一系列非常规指标。还应用流变 学理论和方法研究了沥青的粘弹性力学、蠕变、应力松弛、沥青性能对 温度和时间的依赖关系，以及劲度和针入度指数等流变学有关的指标。 与此同时，出现了各种改性沥青。 2 硕士学位论文 纵观国际沥青混合料的发展史上，大体上经历了三个具有里程碑的 阶段【2 1 。 1 在路面结构类型方面，简单的沥青表面防治已不能满足交通要求， 出现了用拌制的沥青混合料铺筑路面。4 0 年代，在美国的工程兵团供职 的马歇尔工程师提出了著名的马歇尔试验方法，并提出了初期的马歇尔 稳定度等技术标准和评定方法。 2 6 0 年代初，美国a a s h o 试验路的铺筑和大量的试验研究结果的 发表，使沥青路面的设计、施工、结构、材料发生了根本的变化。这个 工作是从5 0 年代开始的，a a s h o 试验路的成果是集当时研究成果之大 成，许多成果成为美国a a s h t o 路面设计指南及一系列施工规范的依据。 3 9 0 年代初，美国战略公路研究计划及研究项目的进行，使沥青及 沥青混合料的研究开创了一个新的纪元。国际上对沥青混合料的研究得 到了前所未有的重视。延续了半个世纪的沥青标准、沥青混合料的体积 设计方法，受到了沥青结合料路用性能规范及沥青混合料性能设计的挑 战和冲击，就世界范围而言，这方面的工作目前正在紧张的进行之中， 尚未最终完成。 这个时期，我国在沥青路面方面通过了三个五年计划的科技攻关， 也取得了很大的进展。 “六五”国家科技攻关期间，依托天津疏港公路沥青路面研究了一系 列沥青路面的修筑技术，包括抗滑性能研究。针对我国生产的普通石油 沥青进行了沥青混合料的性能及改性沥青研究。 “七五”国家科技攻关，由交通部和石油部合作，研制开发了国产重 交通道路石油沥青，并对其性能进行了较为的试验研究。这期间，修订 了公路沥青路面施工技术规范和沥青路面施工及验收规范，一系 列科技成果纳入了规范。 “八五”国家科技攻关期间，主要借助美国的“战略公路研究计划”，针 对当前国产的七种代表性沥青及沥青混合料进行了较为全面系统的研 究，且提出了符合我国不同自然区域道路实际情况于路用性能的气候分 区，提出了沥青及沥青混合料的技术指标及相应的试验方法，包括高温、 低温、水稳定性等各个方面，并提出了初步的技术标准建议值。 尽管自从6 0 年代以来国内外许多从事沥青混合料研究的人员在沥 青和沥青混合料方面作了大量的研究，但是由于沥青是一种成分比较复 杂的的无定型高分子化合物，同时沥青路面又是在复杂多变的气候与交 通荷载的条件下工作，如何将各种情况下沥青路面的使用品质同沥青及 沥青混合料的性能指标联系起来，尚需有待进一步研究。 沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究 1 2 2 沥青混合料高温稳定性能 沥青路面高温稳定性能，是指沥青路面在夏季高温( 通常为路表温 度6 0 ) 条件下，经车辆荷载长期反复作用后，不产生车辙、推移拥包 等病害的性能。 沥青混合料是一种粘弹性材料，其物理力学性能与外界环境温度和 荷载大小及其作用时间密切相关。沥青路面在使用期间，经历了从低温 到高温不同环境条件的考验。通常所说的沥青路面“高温稳定性能”中的 “高温”条件是指沥青路面在使用过程中受交通荷载的反复作用，容易产 生车辙、推移、拥抱、泛油等永久变形的温度范围。道路使用的实践表 明，在通常的汽车荷载条件下，永久变形主要是在夏季气温高于2 5 30 左右，已经达到或超过了道路沥青的软化点温度情况下容易产生， 且随着外界环境温度的升高和荷载的加重，变形愈大。相反，低于这个 温度，就不会产生严重的变形。也就是说，所谓的“高温”条件通常是指 外界环境温度高于2 5 30 的气温条件。 根据沥青材料的温度时间换算法则，长时间承受荷载与温度条件是 等效的，而且时间是累积的。车辆在高速公路上以l0 0 k m h 的速度行驶， 对路面沥青层的作用时间不超过0 0 2s ，而在城市道路的交叉口、停车站， 车辆停车时间lm i n ，相当于正常行车30 0 0 辆的情况。因此，通常所说的 高温稳定性也应包括长时间荷载作用情况。 沥青路面在高温条件下或长时间承受荷载作用，沥青混合料会产生 显著的变形，其中不能恢复的部分即通常所说的永久变形。永久变形降 低了沥青路面的使用性能，危及行车安全，从而缩短了路面的使用寿命。 由于沥青混合料所固有的粘弹性、影响沥青路面高温贴特性的因素 的多样性、车辙形成的复杂性，使得永久变形成了一个世界性的难题， 防治沥青路面的永久性变形即车辙也就成了世界各国公路技术人员的重 要研究课题。 美国战略公路研究计划的沥青研究项目在执行期间，总经费5 0 0 0 万 美元中有9 4 9 万美元用于永久变形的研究上。该研究的研究人员在对现 有的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。 我国公路研究人员对沥青混合料的高温特性进行过大量的试验研 究，并且取得了许多有价值的研究成果，提出了适合我国国情的沥青混 合料高温稳定性能指标与标准，使我国沥青路面的高温稳定性问题的到 了有效的控制。其中主要成果有：“六五”国家科技攻关期间，依托对天 津疏港公路沥青路面的研究，用粘弹性理论计算车辙深度，用单轴蠕变 4 硕十学位论文 试验确定有关参数，提出了我国各个地区的有效温度；“七五”国家科技 攻关期间，在沥青混合料的高温稳定性方面，进行了车辙试验、蠕变试 验、环道试验及加速加载试验；“八五”国家科技攻关期间，在沥青混合 料的高温稳定性方面，提出了沥青及沥青混合料的技术指标和相应的试 验方法【2 1 。 沥青混合料高温稳定性常见的病害有以下几种f 3 】： 1 推移、波浪、拥包 推移、波浪、拥包等损坏主要是由于沥青混合料路面在水平荷载作 用下抗剪强度不足所引起的。导致此类沥青混合料抗剪强度不足的主要 原因有：混合料用油过大，细集料或填料过多，沥青标号选择不合适， 在沥青混合料铺筑之前表面平整度差，上下层间光滑接触，无层间黏结 力等。其外界原因则可能是夏季高温时间长、交通量大、车速慢，特别 是刹车较多的路段，如道路弯道、陡坡路段、城市公共汽车站附近等处， 易产生推移、波浪、拥包等损坏。 2 泛油 泛油是指沥青混合料内部多余的沥青在车辆荷载作用下向沥青路 面表面迁移的结果。沥青移向表面，使路表面光滑、抗滑性下降，在潮 湿情况下严重影响车辆的行车安全。泛油的主要原因是沥青用量过大或 压实沥青混合料的残留空隙率太小。 3 车辙 车辙是路面行车道轮迹带在车辆荷载反复作用下形成的永久下陷变 形的累积结果。车辙的产生会严重影响沥青混合料路面的服务质量和使 用寿命。车辙出现后路面的平整度下降，雨天路表面排水不畅，降低了 路面的抗滑能力，甚至会由于车辙内积水而导致车辆飘滑，影响高速行 车的安全。当然，车辙槽内是否会积水，与车辙深度和路面横断面的坡 度有关。由于车辙使得路面横断面方向高度起伏变化大，车辆在超载或 更换车道时方向失控，从而影响车辆操作的稳定性。车辙是高速公路沥 青路面最有危害的破坏形式之一。由于沥青混合料所固有的粘弹特性、 影响沥青路面高温特性的因素的多样性、车辙形成的复杂性，使永久变 形成了一个世界性难题，防治沥青路面的车辙也成了世界各国公路技术 人员的重要研究课题。 通常研究沥青混合料的高温稳定性，主要是针对沥青路面的车辙而 言的。为了防止沥青混合料路面出现车辙，提高其高温抗车辙能力有重 要的意义。 沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究 1 3 沥青路面车辙问题的国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 早在19 6 2 年美国a a s h o 试验路研究期间，对车辙路段进行了开 挖，h o f s t r a 提出的报告认为产生车辙的主要原因是剪切应力，由此结果 推荐使用高强度的路面材料【4 】。 19 6 5 年d o r m a n 发展了限制路基应变的标准，使用了弹性或粘弹性 的层状体系来预测路面结构的永久变形i s 】。 l9 71 年m o n i s m i t h 对这种方法进行了进一步研究【6 】。 19 7 2 年，在第三届沥青路面结构设计国际会议上，b a r k d a l e 和 r o m a i n 提出了层应变法( l a y e rs t r a i nm e t h o d o l o g y ) 7 1 。 l9 8 2 年第五届沥青路面结构设计国际会议以后，车辙问题的研究热 点开始转移到面层上来。 19 9 9 年，s h i e l d s 建立了沥青路面的非线性粘弹性低温应力松弛模型 【6 】。b e n 对澳大利亚一条几百公里的道路进行了实测，并用统计学的方法 对路面外形的资料进行了分析i s 。w e i s s m a n 使用了一个小变形的模型来 预测渠化和漫游交通车辙的不同【9 】。这个模型包含了温度和荷载速率依 赖，以及塑性组件，成功地预测了大多数路面的永久变形行为。但对一 些路面结构，预测结果和实际路面不相符合。w e i s s m a n 对简单剪切实验 等进行了大量研究，认为试件的长高比对实验结果有较大影响，建议使 用长方体试件【i0 1 。c h e n 对沥青材料的疲劳和车辙的线性粘弹性特性进行 了评述，将s h r p 评价疲劳和抗车辙能力的标准和实际路面进行了对比， 认为s h r p 标准对沥青路面车辙的评价和实际情况有差异，提出了以损 失能( d i s s i p a t e de n e r g y ) 作为评价沥青路面的抗车辙能力和疲劳裂缝的标 准【1 1 l 。w e i s s m a n 对简单剪切实验等进行了大量研究，认为试件的长高比 对实验结果有较大影响，建议使用长方体试件【i 引。 2 0 0 0 年，t a r v e y 通过对沥青路面的频率扫描实验和恒定高度的重复 简单剪切实验得出，剪切特性具有非线性；适当的试件形状和尺寸是非 常重要的。m o n i s m i t h 等做了简单剪切实验，得到结论：如果使用较小的 长高比，则会低估剪切模量。w i t c z a k 做了单轴压缩实验和恒定高度剪切 实验，对单轴压缩实验来说，圆柱体直径lo o m m 、高度5 0 m m 就能精确 表征动态模量和永久变形，恒定高度剪切实验则不依赖试件的尺寸。 2 0 0 3 年，美国a a s h t o 和t r b 提出了几种新建和改建沥青路面 的车辙预估模型，在路面设计中考虑了车辙的因素，以车辙深度作为控 制车辙的指标。 6 硕十学位论文 1 3 2 国内研究现状 在国内，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【l3 1 。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【l4 1 。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 【1 5 】。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6 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 】。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f i 引。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【i 引。 李一鸣利用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【20 1 。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【21 1 。 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 引。 综观国内外有关沥青路面车辙的研究可以看出，尽管有关沥青路面 车辙形成的研究方法已较为全面，有纯经验的回归公式法和理论统计法， 但由于其没有考虑路面的整体效应和自身的局限性或由有些模型的参数 确定较困难，以至于这些方法很难在实际工程中推广，从而致使沥青路 面的车辙问题长期以来未得到解决，因此通过研究车辙本身的形成机理 和过程及施工现场的实际情况，在沥青混合料中添加一定剂量的抗车辙 剂或改善沥青混合料自身矿料级配组成，以提高沥青路面的高温抗车辙 性能，已成为工程中切实可行的途径。 1 4 抗车辙剂及其沥青混合料的国内外研究现状 抗车辙剂作为一种新型的沥青混合料外掺剂，其对提高沥青混合料 7 沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究 的路用性能有很大的帮助，尤其是对改善沥青混合料路面的高温稳定性、 低温抗裂性及水稳定性尤为突出。目前国内外市场上常见的抗车辙剂主 要有：p rp l a s t s 、d u r o f l e x 、t p s 、p e 抗车辙剂及抗辙王抗车辙剂 其中：p rp l a s t s 抗车辙剂是法国的p r i 公司生产的提高沥青混合料 抗车辙能力的一种外掺剂，其主要成分是塑料，外观为深蓝色颗粒，粒 径4 m m ，可在常温下保存，熔点为14 0 - - l5 0 。其用量一般取矿料用量 的0 4 - - - 0 6 ；d u r o f l e x 抗车辙剂由德国柏林卢博道路与环境公司生 产，专门用于道路石油沥青混合料的改性，其主要为提高沥青混合料的 高温稳定性，增强与矿料的粘结性而专门研制的，其外观为黑色固体， 呈颗粒状，粒径在4 7 5 m m - 0 7 5 m m 之间。其中4 7 5 m m 的粒径占13 左右，2 36m m 的粒径占6 3 左右，1 18 m m 的占19 左右，0 6m m 和 0 0 7 5m m 的粒径各占1 2 左右，其形状不规则；t p s 是一种新型的 沥青混合料外加剂，可以显著提高沥青的粘度，从而改善沥青混合料的 路用性能，国外主要用于排水性路面；p e 抗车辙剂由由我国深圳海川工 程科技有限公司与欧洲大型筑路公司共同研发，并得到国内多家路面新 材料科研机构及化工科研部门支持的一种新型沥青混合料外掺剂，为黑 色颗粒状，其密度为0 9 2g e m 3 o 9 6g c m 。粒径不大于6 m m ，熔点为 15 0 左右。本文中所采用的抗车辙剂为西安天虹交通科技有限公司生产 的抗辙王抗车辙剂。其外观为纯黑色固体颗粒，主要优点是可明显提高 沥青混合料的高温稳定性和低温弹性，同时可明显改善沥青混合料的抗 疲劳性，最显著的特点是其卓越的抗车辙能力。其另一特点是使用方便， 在添加沥青之前，直接将抗车辙剂颗粒定量投入到热集料中而不必预先 进行沥青一聚合物混合，干拌一定时间后即可加入沥青，简单易行。抗 辙王不但可以提高沥青混合料的力学性能指标和改善沥青抗老化性能， 还可以减轻因交通荷载造成的路面疲劳破坏和增强沥青与集料的粘结 力。除此抗辙王还具有可以与其它材料同时使用等优点。添加抗辙王抗 车辙剂不需改变沥青混合料的矿料集配仅需对其油石比进行微调【2 3 】【2 4 】。 自从进入国内市场，抗辙王已在不少高速公路中得到使用例如：银川柳 忠高速公路段、邵怀高速公路段以及被厦门的b r t 工程采用等，其主要 性能指标见第3 章表3 5 所示。 掺加有抗辙王的沥青混合料，其高温稳定性、低温抗裂性及水稳定 性均得到了明显的改善，且具有改性沥青混合料的部分优点。特别在沥 青混合料的高温稳定性方面，改善尤为突出。抗辙王沥青混合料添加剂 在与矿料的拌和过程中，部分溶解或膨胀于沥青中，形成胶结作用，从 而达到提高沥青混合料的软化点温度、增强其粘结度和降低混合料的热 硕十学位论文 敏性等，以达到改善沥青混合料的高温抗车辙性能，同时抗辙王在与矿 料的拌和过程中部分拉丝成塑料纤维，在矿料骨架内搭桥交联而形成纤 维加筋作用，增强了沥青混合料的整体性。除此之外，抗辙王沥青混合 料外掺剂的弹性成分在较高温度时具有使沥青路面的变形部分弹性恢复 的功能，从而降低了成型沥青混合料路面的永久变形。添加有抗辙王的 沥青混合料适合于交通量大、重载较多的路段以及夏季气温较高地区的 公路的铺筑【25 1 。研究表明掺有抗辙王抗车辙剂的沥青混合料路面，其中 面层的高温稳定性得到显著改善的同时，绝对车辙深度也有了明显地降 低【26 1 。 综观上述有关抗辙王及其沥青混合料的国内外研究现状可以看出， 抗辙王作为一种新型的沥青混合料外掺剂虽已在沥青混合料路面的施工 过程中得到应用，但有关其沥青混合料高温抗车辙性能的研究并不多， 因此本文就此问题进行了进一步的分析与探讨。 1 5 本文的主要研究内容 目前国内外有关车辙问题的研究内容已较多，本文的主要研究内容 包括以下几个方面： 1 通过室内马歇尔击实试验确定出了间断密级配沥青混合料和 a c 13 抗车辙剂沥青混合料的设计级配、马歇尔试验的最佳沥青用量。 2 分析矿料级配组成、沥青用量、碾压次数、试验温度及抗车辙剂 用量对间断密级配混合料高温抗车辙性能的影响。 3 变化间断密级配沥青混合料中的沥青用量，进行车辙试验，分析 间断密级配沥青混合料的车辙试验结果，并确定出其车辙试验的最佳沥 青用量。 4 分析矿料级配组成、碾压次数及抗车辙剂用量对a c 13 抗车辙剂 沥青混合料高温抗车辙性能的影响。 5 变化a c 13 沥青混合料中抗车辙剂的掺量，进行车辙试验，分析 a c 13 抗车辙剂沥青混合料的车辙试验结果，并确定出其车辙试验的最 佳抗车辙剂掺量。 6 分别将通过马歇尔试验和车辙试验确定出的间断密级配沥青混合 料沥青混合料的最佳沥青用量进行对比分析，并建立二者之间的关系。 7 将a c 13 抗车辙剂沥青混合料和a c 13 沥青混合料的车辙试验 结果进行对比分析，评价抗辙王在改善沥青混合料高温抗车辙性能中所 起的作用。 9 沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究 第2 章沥青路面车辙概述 车辙是沥青路面行车道轮迹带在车辆荷载反复作用下形成的永久下 陷变形的积累结果。车辙的产生会严重影响沥青混合料路面的服务质量 和使用寿命。车辙出现后路面平整度下降，雨天路表面排水不畅，降低 了路面的抗滑能力，甚至会由于车辙内积水而导致车辆飘滑，影响高速 行车的安全。由于车辙使得路面横断面方向高度起伏变化大，车辆在超 车或更换车道时方向容易失控，从而影响车辆操作的稳定性。轮迹处沥 青混合料厚度减薄，削弱了面层及路面整体结构的强度，从而容易诱发 路面的其他病害，缩短路面的使用寿命。车辙是高速公路沥青路面最有 危害的破坏形式之一。但是由于沥青混合料自身所固有的粘弹特性、影 响沥青路面高温抗车辙性能因素的多样性及车辙成因的复杂性，使的车 辙成为一个世界性难题，防治沥青路面出现车辙也成了世界各国公路技 术人员的重要研究课题。 2 1 车辙的分类及产生机理 2 1 1 车辙的分类 沥青路面在缓慢移动或重交通车辆荷载作用下会产生变形并留下永 久的微变形。随着时间的推移，这些微变形会慢慢累积产生车辙现象。 车辙不但随着路面交通荷载的增大而增加且也随着外界环境温度的升高 而增加。例如有关研究表明：外界环境温度5 0 时，车辙的增加速度比 30 时快10 0 倍。车辙是沥青路面沿轮迹纵方向的凹陷，其主要来源于 路面各层的永久变形，是沥青路面特有的一种损坏现象。根据其成因不 同，车辙可分为以下几种类型【2 7 】： 1 结构型车辙 由路面基层及路基变形引起的。由于荷载作用传播扩散后超过路面 各层的强度，发生在沥青面层以下包括路基在内的结构层的永久性变形， 叫做结构车辙。这种车辙的宽度较大，两侧没有隆起现象，其断面呈u 字形，如下图2 1 所示。 2 失稳型车辙 在高温条件下，由于行车荷载的反复作用，荷载应力超过沥青混合 料所能承受的稳定性应力极限，发生流动变形不断累积形成的车辙，叫 做沥青路面的流动性或失稳型车辙。其特点是两侧伴有隆起现象，内侧 1 0 硕士学位论文 呈非对称形状，其最容易发生在上坡路段、交叉口附近，即车速慢、车 胎接地产生的横向应力大的地方，横断面呈w 型，如下图2 2 所示。 图2 1 沥青路面u 形车辙 路基变形 原地面 ? 缝 曩矜 黧 ， r 。? ：7 j - 剪切变形 图2 - 2 沥青路面w 形车辙 3 磨耗型车辙 由于沥青路面顶层的材料在车轮磨耗和自然环境因素下持续不断地 损失形成，尤其是冬季埋钉轮胎形成的磨损性车辙。 4 压密型车辙 由于沥青混合料进一步被压密引起的，这种车辙的特点是只在轮迹 下，呈v 字或w 型，但两侧没有隆起，车辙的形成在初期阶段发展很快。 5 水损害型车辙 由于沥青混合料的中下层产生明显的水损害而失去了沥青膜的粘结 作用，从而在荷载作用下出现了因变形累积而形成的车辙。 2 1 2 车辙的产生机理 沥青混合料路面在重复交通荷载及其它因素共同作用下，会由于永 久变形的累积导致路面出现车辙。19 6 0 年a a s h t o 试验发现：永久变形 主要是由于各结构层厚度的减少，车辙深度的9l 发生在路面本身，其 中3 发生在面层、l4 发生在基层、4 5 发生在底基层；9 由于路基的 沥青混合料高温抗车辙性能影响冈素的试验研究 沉陷引起【28 1 。纵观车辙的形成过程可简单地划分为三个阶段1 2 9 ，如图2 3 所示： 车 辙 深 度 荷载作用次数 图2 - 3 沥青混凝土路面在行车荷载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，经碾压后在高温下处于半流态的沥青及由沥青与矿粉组成的胶体被 挤进矿料间隙中，同时骨料被强力推挤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结体，在轮胎荷载作用 下，沥青及沥青胶浆便产生流动，从而致使沥青混合料网状骨架结构产 生失稳。这部分半固态物质除部分填充于混合料空隙外，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 矿料骨架的重排列及破坏 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，混合料中粗细颗粒组成的骨架成为荷载的主要承担者，再加上 沥青的润滑作用，强度较大的颗粒在荷载直接作用下会沿着矿料问的接 触面滑动，促使沥青及其胶浆向富集区流动，以致流向混合料自由面， 特别是当骨料间沥青及胶浆过多时，这一过程会更加明显。 由上述分析可知，引起沥青路面永久变形的主要原因是剪切变形。 因此研究沥青混合料高温条件下的抗流动变形能力极为必要。造成沥青 混合料路面出现车辙变形的原因很多，但总体上可分为沥青混合料自身 组成和外部环境两种原因。 1 2 硕十学位论文 2 2 沥青混合料高温抗车辙性能的常用试验方法 可用于沥青混合料高温性能试验的方法很多，包括试验室圆柱试件 的单轴静载、动载、重复试验，三轴静载、动载、重复试验，径向静载、 动载、重复试验，简单剪切的静载、重复加载和动力试验，此外还有中 空圆柱试件的动力、剪切试验，棱柱形梁试件的弯曲蠕变试验，小型模 拟试验设备的车辙试验，大型环道、直道试验设备的足尺路面高温性能 试验和现场试验路面的加速车辙试验及马歇尔试验等。由上述可知，评 价沥青混合料高温抗车辙性能的方法很多。我国目前采用的方法主要为 车辙试验法 3 0 】。 车辙试验方法最初是由英国t r r l 开发的，由于试验方法本身比较 简单、试验结果直观，而且与实际沥青路面的车辙相关性好，因此得到 广泛应用。 车辙试验是一种模拟实际车轮荷载在路面上行走而形成车辙的工程 试验方法。该试验方法的原理是通过采用车轮在板块试件或路面结构上 反复行走，观察和检测试块或路面结构的响应，通过动稳定度值( d s ) 和试件经碾压后的车辙深度来表征试验结果。 车辙试验的最大特点是能够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，搞清楚各种因素变化对车辙变形 的影响。 目前世界上广泛采用的是室内小型往复式车辙试验机进行沥青混合 料抗车辙性能试验。在进行车辙试验时，可以观察到轮辙形成的全过程。 试块在车轮荷载的反复作用下，首先是轮迹下的沥青混合料开始下陷， 形成初始车辙，然后是轮迹两侧的沥青混合料慢慢的隆起，且隆起的高 度、形状均差不多，至试验结束之前，其隆起速度加快。 车辙试验的目的是测定沥青混合料的高温稳定性，即抗车辙能力， 可供沥青混合料配合比设计的高温稳定性检验。沥青混合料的高温稳定 性是其路面使用性能的重要指标之一，目前国内外大多数采用室内车辙 试验来评价沥青混合料的高温稳定性能。车辙试验被认为是沥青混合料 性能检验中最重要的指标，它是评价沥青混合料在规定温度条件下抵抗 塑性流动变形能力的方法。根据车辙试验结果，各国提出了两种不同的 评价指标：动稳定度和相对变形指标，这两种指标均反映了沥青混合料 在高温条件下的抗变形能力。 我国目前采用的方法是参考日本道路协会方法而提出的，试验温度 沥青混合料高温抗乍辙性能影响因素的试验研究 考虑我国绝大多数地区的温度条件，采用6 0 ，根据我国路面设计的标 准车轮荷载，试验轮对试验板的压强为o 7 m p a 士0 0 5m p a 试验轮总荷载 重为7 8 k g ，试验过程记录绘制时间一变形曲线。从车辙试验得到的时间 一变形曲线一般有如图2 4 所示三种形式，在试验变形曲线的直线段上， 求取4 5 m i n ( t 1 ) 、6 0r a i n ( t 2 ) 对应的车辙变形d l 和d 2 。其计算公式如 下式( 2 1 ) 所示： 变 形 量d d 4 56 0 时间r a i n d s ：必c n( 2 1 ) 【d 2 一d 1 ) 式中：d s 一一动稳定度，次m m ； d ，一一荷载轮作用时间t i ( 一般为4 5 m i n ) 时的永久形变，m m ： d 2 一一荷载轮作用时间t 2 ( 一般为6 0 m i n ) 时的永久形变，m m ； c 一一试件尺寸系数。室内制的3 0 0 m m x 3 0 0 m m x5 0 m m 的试件为 1 0 ，路面切割的宽15 0 m m 的试件为0 8 ； 一一试验轮往返碾压速速，通常为4 2 次m i n 。