（交通运输工程专业论文）徐海公路沥青路面实施技术研究.pdf

摘要 在已建成的高速公路中，沥青路面发生早期损坏的现象屡见不鲜，这对沥青路面的抗 水损坏性能、抗高温车辙性能、抗超载重载性能提出了较高的要求。而现行规范和传统的 m a r s h a l l 方法对此存在着明显的不足，这就需要一种基于理想道路使用性能的沥青混合料 配合比设计方法一一s u p e r p a v e 就是这样一种方法。 但目前我国规范仍然采用m a r s h a l l 方法进行施工质量控制和验收，且s u p e r p a v e 试验 设备昂贵。因此，s u p e r p a v e 不宜直接在施工现场使用。摸索一套s u p e r p a v e 设计、m a r s h a l l 控制的实施技术，具有十分重要的现实意义。 本文试图在配合比设计阶段，研究s u p e r p a v e 和m a r s h a l l 之间技术指标的关系与转化。 同时在施工阶段摸索一套既适合s u p e r p a v e 沥青混合料的施工工艺，又能采用m a r s h a l l 控制和验收的方法。以利施工现场的质量控制和验收。 本文通过对徐海公路下面层a c 一2 0 1 范围内四种级配、表面层a k - 1 6 和s u p - 1 2 。5 级配 进行s u p e r p a v e 设计、m a r s h a l l 检验和路用性能检测，确立了该路路面结构层中下面层和 表面层的级配选择及最佳油石比，应用于实际施工后，取得了较好的使用效果。 同时，本文提出了s u p e r p a v e 设计、m a r s h a l l 控制模式中的体积指标之间的关系，并 对两种设计方法的体积指标进行了修正。 在施工工艺及质量控制方面，着重研究了碾压工艺，明确了高温、紧跟、高频、低幅 碾压的重要性，同时提出了压实度和现场空隙率双重控制的要求。另外，也对集料和按 p g 分类选用沥青进行了论述。 关键诃 ：沥青混凝土路面级配最佳油石比s u p e r p a v e 施工工艺质量控制 a b s t r a c t a s p r e m a t u r ed a m a g e so c c u r r e di na s p h a l tp a v e m e n t a r ec o m m o nt om a n y e x p r e s s w a y s a t t h e i re a n y o p e r a t i o ns t a g e h i g hq u a l i t ya s p h a l t c o n c r e t ei si nu r g e n tn e e d sw i t hg o o d p r o p e r t i e so f r e s i s t i n gw a t e rd a m a g e 。r u t a th i g ht e m p e r a t u r e ，h e a v yd u t ya n de v e no v e r l o a d e dt r a f f i c h o w e v e r t h em a r s h a l lm i x t u r ed e s i g nm e t h o d so fc u r r e n ts p e c i f i c a t i o nc a n n o tm e e tt h e s en e e d s an e w d e s i g nm e t h o d sb a s e do np r o p e r t i e ss h o u i db eu s e dt of l a t t h e s er e q u i r e m e n t s f o r t u n a t e l y s p e r p a v ei sj u s tt h er i g h to n e p r o b l e mt h e nc o m e si nr e a l i t y f i r s t l y ，m a r s h a l lt e s ti ss t i l lu s e df o rq u a l i t yc o n t r o la n d a c c e p t a n c ec d t e h o ni nc u r r e n ts p e c i f i c a t i o n s e c o n d l y t h et e s te q u i p m e n t s o fs u p e r p a v ea r e t o oe x p e n s i v ea n dc o m p l e xf o rc o n t r a c t o rt oa p p l i e di n - s i t u t h u s ，t om e r g ed e s i g n i n gb y s u p e r p a v ew h i l ec o n t r o l l i n gm a r s h a l lt e s th a sa ni m p o r t a n ts e n s e f o rp r a c t i c e t h et h e s i si n v e s t i g a t e dt h er e l a t i o n s h i po ft h e i ri n d i c e sb e t w e e ns u p e r p a v e a n dm a r s h a l l f o rm i x t u r ed e s i g n i n g am e t h o dw h i c hi ss u i tf o rs u p e r p a v ec o n s t r u c l i n gt e c h n i q u ew h i l e c o n t r o l l e da n da c c e p t e db ym a r s h a l li sd e v e l o p e df o r f i e l dc o n s t r u c t i o no fa s p h a l tc o n c r e t e p a v e m e n t t h r e et y p e so fa s p h a rm i x t u r ew i t hs i xm i x t u r e sw h i c hw e r eu s e da tx u 。h a ih i g h w a yh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d f o u rm i x t u r e sa r ed e s i g n e db yt h eg r a d a t i o no fa c 2 0 1f o rt h eb o n d i n gl a y e r ， o n eb ya k - 1 6f o rw e a d n gc o u r s ea n do r eb ys u p l 2 5f o rw e a d n gc o u r s e - a l l o ft h e nw e r e d e s i g n e db y s u p e r p a v em i x t u r ed e s i g nm e t h o d sa n dc h e c k e db y m a r s h a l lt e s t t h e i r g r a d a t i o no fm i n e r a la g g r e g a t e sa n do p t i m u m a s p h a l tc o n t e n tw e r ed e t e r m i n e d t h e i ro p e r a t i o n c o n d i t i o n sa r ew e l l v o l u m e t r i cf a c t o r s r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s et w om e t h o d sa n dt h e i rc o r r e c t i o n sh a sa l s o b e e np r o p o s e di nt h et h e s i s a tt h ea s p e c to fc o n s t r u c t i n gt e c h n i q u ea n dq u a l i t yc o n t r o l ，t h et h e s i sf o c u s e do nr o l l i n g t e c h n i q u e t h ei m p o r t a n c eo f “h i g h - t e m p e r a t u r e ，f o l l o wc l o s e l y ，h i g h f r e q u e n c y a n dl o wr a n g e li s h i g h l i g h t e d r e q u i r e m e n t o nr o l lr a t i oa n da i rv o i da r eb o t hi m p o r t a n t f o r q u a l i t y c o n t r o l r a d d i t i o n a l l y r e q u i r e m e n t sf o ra g g r e g a t e a n d p g a s p h a l tc h o o s i n g a r ea l s op r o p o s e d k e yw o r d ：s p h a l t c o n c r e t ep a v e m e n t g r a d a t i o n o p t i m u ma s p h a l t c o n t e n t a s u p e r p a v ec o n s t r u c t i n gt e c h n i q u eq u a l i t yc o n t r o l i i 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。 研究生签名： 础逮脬 关于学位论文使用授权的说明 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。 躲棒名：努 东南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 徐海公路是贯穿于徐州至连云港中部地带东西向的干线公路，连接着连云港、东海、 额沂、邳州、铜山、徐州等众多县市。2 0 0 1 年省交通厅将其列入改造计划，主要对路面 结构层进行改造。 该路线穿越中纬度地区，徐州市位于北纬3 4 。属暖温带季风性湿润气候，既受东 南季风影响，又受西北季风控制。调查沿线近3 0 年的降雨资料表明：雨量充沛，年降雨 量为1 0 8 8 8 5 5 7 7 m m ，年平均降雨量9 0 0 m m 左右，雨量集中在5 1 0 月份，约占全年雨 量的8 4 8 8 。季节降水分配不均匀，夏季雨量最多，达4 3 0 5 3 0 m m ，占全年雨量的3 6 4 5 ，尤以7 月份最多，雨量集中：其次春季低温阴雨，春雨绵绵，降雨量为3 3 0 - - 4 9 0 m m ， 占全年雨量的2 9 3 6 ：秋季较少，为1 8 0 - - 2 4 0 m ，占1 7 1 9 ：冬季最少，为9 0 1 6 0 m ， 占8 1 1 。最大2 4 小时降雨量为3 7 3 4 r a m ( 发生在1 9 5 9 年7 月1 3 日) 。 通过调查近3 0 年的气温发现：历史极限最高气温为4 1 3 ( 2 0 0 2 年7 月5 日) ，最低 气温为- 1 8 1 ( 1 9 7 7 年7 月9 日) ，连续7 天平均最高气温为3 5 9 y ：，连续7 天平均最 低气温为- 6 9 c 。借鉴s u p e r p a v e 公式计算在9 8 保证率时，路表下2 c m 处的路面最高 设计温度为5 9 3 ，最低设计温度为一1 0 2 。 通过对3 1 0 国道交通状况采用动态称重设备( w i m ) 现场调查与资料研究发现：交通 量增长很快，超载重载( 轴重大于1 3 吨) 所占比例为1 4 3 ，设计年限末累计标准轴载 作用次数为2 8 x1 0 7 次。 面对如此严酷的自然环境和繁重的交通状况，徐海公路沥青路面结构的组合与设计考 虑的关键是必须同时满足：抗水损坏性能、抗高温车辙性能、抗超载重载性能。而且这三 点也正是高等级公路沥青路面设计与施工的关键。 沥青路面的水损坏，是指沥青路面在春融季节及雨季，雨水渗入沥青路面的条件下， 雨水逐步浸入沥青与集料界面，以水膜或大气的形式存在，降低沥青与集料的粘附性；同 时在交通荷载和温度胀缩的反复高温动水力作用下，沥青膜逐渐从集料表面剥离，降低了 沥青与集料的粘结力，渐地沥青路面出现麻面、松散、掉粒乃至坑槽，严重危害道路的使 东南大学工程硕士学位论文 用性能。而且这些现象往往在沥青路面通车后的早期产生，称为早期水损坏。 高温变形主要是指沥青路面在行车荷载( 特别是超载重载) 和高温季节的反复作用 下产生的车辙、泛油、波浪、推移、粘轮等病害。其中车辙问题尤为突出，其包括由于荷 载作用超过路面各层强度产生的结构性车辙；由于荷载应力超过沥青混合料的稳定度极限 产生的失稳性车辙；由于沥青面层碾压追密造成的压密性车辙；由于冬季镀钉轮胎形成的 磨损性车辙。我国的高温车辙变形主要表现为失稳性车辙和压密性车辙。 目前世界上绝大多数国家使用的沥青混合料的配合比设计方法是m a r s h a l l 设计方 法。半个世纪以来，m a x s h a l l 设计方法对于我国的沥青混合料配合比设计发挥了重要的 作用。但是随着交通量的剧增、轮胎气压和轴载的提高，许多完全满足现行规范要求的沥 青路面却发生了严重的早期破坏现象。传统的m a r s h a l l 设计方法已经逐步暴露出了问题， 有必要对其某些不妥之处进行及时的修改，完善。中交规划设计院和交通部公路科学研究 所先后下文征求对现行沥青路面设计与施工规范进行修订的意见，其中相当多的意见是如 何从设计与施工角度提高沥青路面的抗水损坏、抗高温车辙和抗超载重载等性能。 在预防水损坏方面，一方面是封水，另一方面是提高沥青混合料的物理力学性能， 特另i j 是沥青与集料的粘附性和粘结力。国内外大量的文献和资料表明，空隙率对这两方面 都有重要影响：一方面，空隙率最直接决定能否封水，空隙率小于3 ，易泛油和产生车 辙，完全封水；空隙率为3 7 ，基本封水：空隙率为7 8 ，沥青路面渗水性急剧增 大，容易导致路面早期水损坏；空隙率为8 1 3 时。由于混合料中空隙率虽然增多，但尚 未连通，渗进的水分停留于路面的空隙中难以排出，沥青路面处于水饱和状态，车轮荷载将 在路面中产生很大的动水压力，容易导致路面发生水损坏。因此，空隙率为8 - 1 3 被称为 不利空隙率，是应当避免的；空隙率大于1 5 时，由于混合料中的空隙已经连通，降水 深入路面后。能迅速从横向排出，完全透水。故国外流行的开级配抗滑表层( 0 g f c ) 与开级 配多空陈沥青层( o p a ) ，设计空隙率都在1 5 2 4 。另一方面，空隙率从4 变化到1 2 ， 其物理力学性能( 劈裂强度、劲度模量、疲劳寿命、抗永久变形能力等) 严重衰减，冻融 浸水条件下的强度衰减同样严重。分析如下： ( 1 ) 抗滑表层：为保证抗滑性能，需要一定的构造深度，规范规定抗滑表层的设计 空隙率为4 8 ，再加上压实度只要求9 5 ，现场空隙率正好在8 1 3 这一最易发生 水损坏的范围，这正是抗滑表层设计的致命缺点。 一。一 东南大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 下面层：基于我国国情和沥青材料的限制，9 0 年代普遍将下面层设计为空隙率 较大的i i 型沥青混合料，甚至沥青碎石。同样道理，i i 型混合料的现场空隙率也正好在 8 1 3 这一最易发生水损坏的范围。因此，下面层的孔隙水在长期的交通荷载作用下产 生的动水压力将导致水损坏往往从下面层开始。 ( 3 ) 压实度：规范规定的9 5 的压实度偏低，导致现场空隙率偏大，混合料性能低 劣。随着重型碾压机械的使用及其组合，压实度很易达到9 7 。另一方面，由于压实度 不能准确表征混合料的绝对密度，应以最终的现场空隙率和压实度作为质量双控的标准。 在抗高温车辙性能方面，原设计和施工规范都存在误区，主要表现为规范规定的i 型级配往往是悬浮密实结构，虽有较高的粘聚力，但内摩阻力小，因此，高温稳定性差； 推荐的i i 型级配往往是骨架空隙结构，虽有较高的内摩阻力，但粘结力小，抗水损坏和 抗高温车辙性能都差。而真正抗高温车辙性能和抗水损坏性能好的密实骨架结构却没有被 推荐。另外一方面，存在最大公称粒径与层厚关系认识的误区，往往认为粗粒径混合料比 细粒径混合料的抗高温性能强，按规范层厚大于最大公称粒径2 倍，往往下面层设计为粗 粒式( a c - 3 0 或a c 一2 5 ) ，中面层设计为粗粒式( a c 一2 5 ) ，上面层设计为中粒式( a k 一1 6 ) 。 但在路面施工过程中，粗粒径混合料的离析严重和碾压难以密实早己将其优点抵消殆尽。 在抗超载重载性能方面，原设计和施工规范的误区，主要表现为不论交通量多大， m a r s h a l l 成型锤击次数都是采用双面7 5 次，体积指标要求也不随之改变。 另外，m a r s h a l l 试验的稳定度与漉值指标与实际路面使用性能相关性不强。沥青混 合料由于其具有粘弹塑性，其应力分布应呈摩尔圆，而m a r s h a l l 试验加载装置的钳口虽 夹住了试件的大部分，但其周围并没有全部受约束，圆柱体的上部和底部也不受力，故试 验过程中试件内部的应力分布状态变得极其复杂，不符合摩尔一库仑理论。同时，m a r s h a l l 的击实成型也没能模拟实际施工时的搓揉成型原理和过程，m a r s h a l l 试模直径较小( d ： 1 0 1 6 咖) 等很多不足都显现出来。 随着沥青路面设计和研究的发展，我国沥青路面结构组合与设计经历了三个阶段： 第一阶段是从沥青碎石向沥青混凝土的演变、开级配向密级配的演变。典型表现为下 面层从k m - 3 0 向a c 一3 0 i i 再向a c - 3 0 i ，从a c 一2 5 i i 向a c 一2 5 i 演变。这一方面是因为早 期认为沥青碎石相当于应力吸收层的作用，能减少半刚性基层反射裂缝，但在采用了沥青 碎石的实体工程中，两年后产生的疲劳裂缝比反射裂缝还要多，此后，工程界接受了沥青 一3 一 东南大学工程硕士学位论文 混凝土。另一方面i i 型级配的现场空隙率往往在8 1 3 这一最易发生水损坏的范围内， 因此设计向密级配演变。 第二阶段是借鉴层厚应大于最大公称粒径3 倍的几何关系，从大粒径向小粒径演变。 我国公路沥青路面施工技术( j t j 0 3 2 - 9 4 ) 规定：集料最大粒径不宜超过层厚的2 3 ，中 下亟层推荐结构为a c - 2 5 型，厚度为5 6 c m ，上面层推荐结构为a k - 1 6 或a k 1 3 ，厚度 为3 4 c m 。但在实际工程施工中存在容易离析，级配很难控制在范围之内；存在难以碾 压密实，空隙率偏大，难以防水封水；出现早期水损坏等问题。考虑结构骨架分布和实际 压实效果，1 9 9 8 年出版的s u p e r p a v e 施工指南建议；沥青路面结构层厚度至少应为集料 最大公称尺寸的3 倍。通过国内外工程实践，这一指标对解决上述问题具有较好的针对性。 第三阶段是借鉴s u p e r p a v e 和s l o k 技术思想改善传统的m a r s h a l l 设计方法，由悬浮 密级配向嵌锁密级配演变。 经过多年的实践，人们越来越清醒地认识到采用m a r s h a l l 方法设计的沥青混合料自 身的组成结构和路用性能仍表现出较大的不足和缺陷，特别是随着交通量的增长和车轮荷 载的超载，这些现象越来越明显。人们越来越感觉到不只是要提高材料的品质，甚至其设 计方法也需要进行一定程度的修订，更确切地说是革新。尽管m a r s h a l l 方法本身也在不 断发展和修订，但无法解决自身根本性的缺陷。 s u p e r p a v e 混合料配合比设计方法就是从传统的经验设计方法向基于理想道路使用 性能状况下多层次，多方面的沥青混合料配合比新设计方法。 1 2 s u p e r p a v e 研究的国内外现状 美国公路战略研究计划( s h r p ) 的最终研究成果称为s u p e r p a v e( s u p e r i o r p e r f o r m i n ga s p h a l tp a v e m e n t s ) ，中文意思就是高性能沥青路面。它包括了胶结料规范、 混合料设计体系和分析方法。在美国，新的胶结料性能规范已取代针入度和粘度规范， s u p e r p a v e 混合料设计方法已取代马歇尔混合料设计方法。s h r p 混合料设计与分析体系包 括三种竖向组合的混合料设计等级。i 级设计称为混合料体积设计，集料特性和混合料体 积性质，如空隙率、矿质集料骨架孔隙率( v m a ) 是选择沥青等级和用量的基础。i i 级设 计是中等路面性能水平的设计。包括体积设计和主要路面性能试验，能预测路面性能。i i i 级设计是最高路面水平的混合料设计，包括体积设计和更广泛的路面性能试验，从而能更 好地预测路面性能。目前，美国大多数州采纳s u p e r p a v e 的i 级设计水准体积设计法。 一4 一 东南大学工程硕士学位论文 目前我国对s u p e r p a v e 技术的引进和应用可以说是方兴未艾。自重庆公路科学研究所 于1 9 9 5 年6 月编译出版s h r p 沥青研究项目的专题情报资科以来，以江苏省交通科研院为 代表的各地研究和施工单位，也纷纷购买了s u p e r p a v e 体系的设备仪器。在淮江高速公路 淮阴连接线上，沥青路面上下层全部采用s u p e r p a v e 型混合料铺筑了试验路，取得了很好 的效果。在上海，同济大学的研究人员也在浦东铺筑了s u p e r p a v e 试验路，对s u p e r p a v e 结合料规范、空隙率和沥青用量等一系列问题提出了自己的看法。另外，在山东的京福高 速的一些路段，诸如济南西外环，也采用或部分采用s u p e r p a v e 技术，对原材料的选择、 混合料级配的选择、混合料的配合比设计和施工质量控制体系等诸多方面进行了研究。 国内外的研究与实践普遍认为，s u p e r p a v e 设计的沥青混凝土具有以下特点： ( 1 ) 良好的内摩阻力和稳定性，抵抗车辙的能力得到显著改善： ( 2 ) 良好的密实性，在充分压实时能达到较好的空隙率要求，抗水损坏能力较强： ( 3 ) 混合料在施工方面有一定的特殊性，高温压实时混合料稳定，不会出现推挤和 波浪现象，但压实较为困难。 这三个特点正好符合本路段沥青路面的三个目的：抗水损坏、抗高温车辙、抗超载重 载。因此，本路段决定借鉴s u p e r p a v e 技术设计面层沥青混合料的配合比。 1 3 研究的目的及主要内容 本研究的目的及主要内容及其意义如下： ( 1 ) 结合我国国情，充分吸纳s u p e r p a v e 设计水准i - - - 体积设计法的精华，寻求 新的沥青混合料设计方法，这无疑有着十分重要的理论意义。 本研究针对项目沿线的水文气候条件和交通状况，借鉴s u p e r p a v e 技术。设计抗水损 坏性能、抗高温车辙性能、抗超载重载性能优异的沥青面层。其中重点是每层沥青混合料 的配合比设计，包括级配与油石比的优化设计。 ( 2 ) 我国规范仍然采用m a r s h a l l 方法进行旆工质量控制和验收，且用m a r s h a l l 方 法设计的沥青路面早期破坏比较严重；另一方面，s u p e r p a v e 需要昂贵的试验设备，绝大 多数施工和监理单位都没有购买s u p e r p a v e 试验设备，故s u p e r p a v e 技术不宣直接在施工 现场应用。因此摸索一套s u p e r p a v e 设计，m a r s h a l l 控制的模式，有利于其大规模推广， 具有十分重要的现实意义。 s u p e r p a v e 设计、m a r s h a l l 控制模式包括两方面的研究内容：一方面是在配合比设 一5 一 奎堕查兰三堡堡圭兰篁笙塞 计阶段，研究s u p e r p a v e 和m a r s h a l l 之间的技术指标的关系与转化，有助于进一步了解 s u p e r p a v e 与m a r s h a l l 设计方法的差别，以利于改进s u p e r p a v e 和m a r s h a l l 设计方法： 另一方面在施工控制阶段，摸索一套既适合s u p e r p a v e 沥青混合料的施工工艺，同时又能 采用m a r s h a l l 控制和验收的方法，以便施工。 1 4 s u p e r p a v e 配合比设计简介 s u p e r p a v e 配合比设计过程较为繁琐，除严格要求集料针片状，限定集料的级配区 域，依照气候条件选择沥青p g 分类外，还要用同一沥青含量与三种不同级配以旋转揉搓 夯实仪器( s u p e r p a v eg y r a t i o nc o m p a c t o rs g c ) 制作试件，经过单位重和体积分析后决 定出采用的集料级配，再选择四种沥青含量与最佳集料级配混合以s g c 制作试件，采用与 m a r s h a l l 设计类似的方法。经单位重、体积分析和浸水后一些强度试验等确定最佳沥 青用量，使得最终设计的沥青混合料满足标准。s u p e r p a v e 配合比设计主要流程如下图： 一6 一 东南大学工程硕士学位论文 第二章集料级配的组成设计 压实成型的沥青混合料是由矿质集料、沥青结合料和残余空隙所组成的一种具有空间 网络结构的多相分散系，其材料属性为颗粒性材料。颗粒性材料的强度构成起源于内摩阻 力和粘结力。对于沥青混合料，它的力学强度主要取决于骨料颗粒间的摩擦力和嵌挤力、 沥青胶结料的粘结性以及沥青与骨料之间的粘附性等方面。不同级配组成的沥青混合料具 有不回的空厨结构类型，也就具有不同的内摩阻力和粘结力。因而，沥青混合料的结构组 成对其强度构成起着举足轻重的作用。根据这种混合料网络结构中“嵌挤成分”和“密实 成分”所占的不同比例，一般认为沥青混合料的组成结构形态有三种典型类型： 密实悬浮结构：这种结构形态的沥青混合料，通常采用连续型密级配。这种材料中含 有大量细料，而粗料数量较少，且相互之间没有接触，不能形成骨架，粗颗粒犹如“悬浮 在细颗粒之中。这种沥青混合料表现为粘结力较高，而内摩阻力较小，抗车辙能力差。用 这种沥青混合料修筑的沥青路面，由于受沥青材料性质的影响较大，它的稳定性较差。常 用的a c 型沥青混合料就是这种结构。 骨架空隙结构：采用开级配的沥青混合料属于这一结构类型。在这种沥青混合料中， 粗骨料较多，而细料较少，因此，虽然能形成骨架，但其残余空隙较大。这种材料的内摩 阻力较大，而粘结力较小。因此用这种沥青混合料修筑的路面，受沥青性质的影响较小， 因而其稳定性较好。 密实骨架结构：是综合两种类型组成的结构。混合料既有一定数量的粗骨料形成骨架， 又根据残余空隙的多少加入细料，从而形成较高的密实度。这种沥青混合料同时具有较高 的粘结力和内摩阻力。 一个良好的矿质级配组成，应该是在热稳定性允许的条件下矿料空隙率为最小，以及 为保证有足够的裹覆沥青所需的结构表面积，以保证矿料之间处于最紧密的状态，并为矿 料与沥青之间互相作用创造良好条件，使沥青混合料最大限度地发挥其结构强度的效应， 从而获得最好的使用品质。通常，密实的沥青混合料可具有较高的强度、较好的耐磨耗和 抗疲劳性能，且不透水、耐老化，路面的使用寿命也长。因此，对于用作面层的沥青混合 料，近年来国内外大都趋向于采用密实型级配。 由于本课题研究路段的特点是超载重载多、夏季气温高、年降雨量大，因此选择一 一7 一 查壹查茎三矍堡圭兰垡笙壅 个性能良好的级配结构对于整个路面性能起着关键作用。室内的试验结果和实践经验都表 明，在夏季高温季节，沥青混合料的抗车辙能力7 0 以上来自于集料的骨架结构。因此 从级配设计角度，就必须首先保证集料能形成嵌挤型的骨架结构，在此基础上进一步完善 空隙结构，才能保证沥青路面能够承受夏季大量超载重载的长期作用，同时又能保证有足 够的抗水损坏能力。 2 1 s u p e r p a v e 级配选择简介 从严格意义上讲，m a r s h a l l 方法只是一种确定沥青用量的方法，而并不是一个完整 的沥青混合料设计方法，因为在其中并不包含级配设计部分。其级配选择主要是根据经验 确定级配类型( 主要是公称最大粒径) ，不论是在南方还是北方( 气候条件不同) 、不论是 玄武岩还是石灰岩( 相对密度不同) 、不论交通量大小、也不论是表面层还是底面层，一 旦混合料类型确定，当进行配合比设计时，就必须使合成级配尽可能地符合规范规定的中 值，规范还特别规定“应使包括0 0 7 5 a r a 、2 3 6 m m 、4 7 5 m m 筛孔在内的较多筛孔的通过量 接近设计级配范围的中值”。随着工程经验的增加，对t a r s h a l l 方法也在不断的改进，例 如增加了体积参数、动稳定度等的测定，这些都在一定程度上起到了控制级配的作用。 s u p e r p a v e 设计体系提出了级配选择的方法。s u p e r p a v e 体系要求级配首先要满足 s u p e r p a v e 集料级配范围标准，然后初选三种级配结构，进行压实特性和体积特性的评价， 最后确定设计级配。 s u p e r p a v e 的级配图的基准为0 4 5 次方直方图。该图的最大特点是最大密实度级配， 该级配为从最大集料尺寸至原点的一条直线：最大密实度级配代表集料颗粒互相配合进入 可能最紧密箨列的级配。 s u p e r p a v e 混合料体积设计的级配选择是通过控制点和限制区进行的。要求级配须 通过各筛号控制点范围且不得经过限制区，级配的控制点及限制区依公称最大尺寸而有不 同的规定。公称最大尺寸是指筛余大于l o 的筛子尺寸的上一级筛子尺寸。 控制点分剔设于公称最大尺寸筛，中等筛( 2 3 6 眦) 和最小筛0 0 7 5 舳) 处。 限制区处于沿最大密度级配线中等筛和0 3 m m 筛之间，限制区形成一个级配不能通 过的带。限制区的目的有两个，一是为了限制砂的用量，减少永久变形；二是为了提供足 够的v m a 。因为在此区域县有驼峰形特征，因此通过限制区的级配被称为“驼峰级配”。 在多数情况下，驼峰级配表示为一种多砂混合料，或相对于总砂量来说细砂太多的混合料。 一8 一 东南大学工程硕士学位论文 这种级配的混合料在施工期间常会出现压实问题，并表现为在使用期间抗永久变形的能力 不足。同样，限制区防止级配跟随最大密度线进入细集料尺寸。遵从这种最大密实度的级 配常具有不适宜的v 姒，容易造成v m a 过小，这样的级配对沥青含量极为敏感，即使沥青 含量少许变化都容易形成塑性。 居于控制点之间且避开限制区，同时满足s u p e r p a v e 级配要求的设计集料结构，称 为s u p e r p a v e 级配。s u p e r p a v e 用集料公称最大尺寸来界定混合料级配名称，s u p e r p a v e 集料级配的控制点和限制区界限见表1 和表2 表1s u p e r p a v e 集料级配在各种最大公称粒径下的控制点 最大公称尺寸一控制点( 通过百分率) 筛孔尺寸 3 7 5 m2 5 o m m1 9 0 1 2 5 口9 5 m 最小最大最小晟大最小最大最小 最大最小最大 5 0 o m1 0 0 3 7 5 m9 01 0 01 0 0 2 5 嘶9 01 0 01 0 0 1 9 嘶9 01 0 01 0 0 1 2 5 _9 0 j 0 0 1 0 0 9 5 m9 01 0 0 4 7 5 _ 2 3 6 m1 54 l1 94 52 34 92 85 83 26 7 0 0 7 6 06l7282 l o2l o 表2s u p e r p a v e 集料级配在各种最大公称粒径下的限制区 最大公称尺寸时筛孔尺寸最小和最大界限 限制区内筛( 最小和最大通过百分事) 孔尺寸 3 7 5 2 5 0 曲1 9 o u1 2 5 m9 5 m n 最小最大最小最大最小最大最小 最大最小最大 o3 0 0 皿1 0 ol o o1 1 41 1 41 3 7 1 3 71 5 51 5 51 8 71 8 7 n6 0 ( m1 1 71 5 71 3 61 7 61 6 72 0 71 9 1 2 5 12 3 s2 7 5 1 1 8 m1 5 ，52 1 51 8 12 4 12 2 32 8 3 2 5 63 1 63 1 ，63 7 6 2 3 6 m2 3 3 2 7 32 6 83 0 83 4 63 4 63 9 13 9 14 7 24 7 2 4 7 5 m3 4 73 4 73 9 53 9 5 9 一 查堕查兰王堡堡圭兰堡堡壅 如果将我国各种混合料的级配中值画在0 4 5 次方级配图上，发现大多数接近最大理 论密度线，共通过限制区，这种混合料结构密实，但骨架结构不稳定。 因此本课题首要内容就是以形成嵌挤型骨架结构为目标对级配曲线进行优化。 2 2 下面层级配设计 借鉴以前对a c - - 2 5 i 、a c - - 2 0 i 、s u p - 2 5 、s u p - 1 9 、a c - - 2 5 i i 、a c - - 2 0 i i 等中下面层 级配的对比研究，通过室内研究和试验路的实际观测，认为i 型密实结构的沥青混合料能 较好地适应当地多雨的气候特点，但现场旖工中发现：a c 一2 6 i 和s u p - 2 5 型沥青混合料 离析严重、难以压实且透水较严重，为了减少离析并减少备料的难度，经讨论决定中下面 层都采用公称最大粒径为2 0 m m 的沥青混合料。但a c - - 2 0 i 型沥青混合料是按照悬浮密实 结构形成的级配，易出现高温稳定性不足。 因此，本课题拟借鉴s u p e r p a v e 在级配选择中的思想，首先根据限制区与控制点选择 4 种级配：其次根据集料的性质( 密度) 来计算出初选的四个级配的初始用油量；然后用 初始用油量成型s g c 试件进行试验；再根据试验结果，计算出这4 种级配的沥青混合料在 空隙率为4 时所需的沥青用量及相应的沥青混合料性质，将所得的对沥青混合料的压实 特性和体积特性的评价与s u p e r p a v e 规范要求进行比较；最后结合m a r s h a l l 试验结果和 路用性能试验检测结果，优化设计集料级配。 2 2 1 选择四种级配 在a c - - 2 0 i 级配范围内选择符合s u p e r p a v e 要求的粗、中、细三种级配，以及a c - - 2 0 i 的中值共4 种级配( 见表3 ) 。其中级配1 是现行a c 一2 0 i 的中值级配；级配2 是在 a c - - 2 0 i 范围内符合s u p 一1 9 要求的中间级配；级配3 是在a c - - 2 0 i 范围内符合s u p 一1 9 要 求的偏细级配，同时也是避开限制区的a c - - 2 0 i 的中值级配的变形形式；级配4 是在a c - - 2 0 i 范围内符合s u p - 1 9 要求的偏粗级配。集料采用石灰岩，沥青为a h 一7 0 沥青。 表3 c 一2 0 i 范围内4 种级配组成 o ，0 7 5o 1 5o f3o 61 1 82 3 64 7 59 51 3 21 61 92 6 5 5 级配1 6l l1 52 l2 73 74 86 27 18 2 59 7 51 0 0 级配2 591 31 6 52 23 34 55 66 78 09 61 0 0 级配3 6】l5 52 22 93 74 88 27 l8 2 59 t5 】o o 级配4461 01 5 2 02 94 2 5 55 26 27 59 51 0 0 1 0 一 东南大学工程硕士学位论文 图1 试验级配曲线 2 。2 。2 按照s u p e r p a v e 经验公式估算沥青用量 由于矿质集料是一种多孔性材料，在与沥青胶结料混合时，这些空隙将吸收一定量的 沥青。可见，沥青混合料中沥青胶结料的用量是与集料的空隙性密切相关的。为此，首先 需要利用集料试验的毛体积密度和表观密度计算集料的有效密度： g 。= g + o 8 ( g 。一瓯) 式中：g 0 一集料混合物的有效密度； g 0 一集料混合物的毛体积密度： g 0 一集料混合物的表观密度。 其次计算集料吸收沥青胶结料的体积： 2 习p * 忑( i - vo ) ( 古一古) 、g g 。 式中：v 。一集料吸收的沥青胶结料体积： p 广沥青胶结料的重量百分比( 假定0 0 4 5 ) ： p 广集料混合物的重量百分比( 假定0 9 5 5 ) ； g r 一沥青胶结料的密度( 假定1 0 3 5 ) ： v 。一压实混合料的空隙体积( s u p e r p a v e 规定为4 0 ，即0 0 4 ) 。 然后根据混合料的公称最大尺寸计算有效沥青胶结料的体积： = o t l 8 1 0 0 6 7 5 。l o g ( s 。) ( 林绣贤老师推荐的参数) 式中：s ，广集料混合料的公称最大尺寸( m m ) ； 鼢蚰缈抛。 至里查兰三堡堡圭兰堡堡苎 再计算每一一立方厘米混合料中的集料质量： 卟虿p , 。( i 百- v o ) 、g 5g 。7 晟后用下式计算初始试验沥青胶结料用量( p h i ) ： 吒= 若器o o 试验混合料的的密度见表4 ，经过s u p e r p a v e 软件估算的沥青用量汇总见表5 。 表4各种集料的密度( g c 口，) 试验结果汇总表 o 0 7 50 1 5o - 30 61 】82 3 64 7 59 51 3 21 61 92 6 5 5 毛体积密度2 6 7 02 6 2 02 6 0 32 5 8 62 6 2 52 6 8 2 2 6 0 12 6 3 82 6 4 62 6 4 52 ，6 5 62 6 5 3 视密度2 6 7 02 6 2 02 6 0 32 5 8 6 2 6 2 52 6 8 22 6 9 52 6 9 32 6 9 22 6 9 72 6 9 82 6 9 1 表5估计试验沥青胶结料用量结果汇总表 p b6 p |v 。v hv k 胃p 级配 * g c * g * 14 5 1 0 3 59 5 54 00 99 52 2 8 34 4 9 6 24 51 ，0 3 59 5 54 01 09 52 2 8 64 5 1 2 34 51 0 3 59 5 54 0 0 99 52 2 8 24 4 9 8 44 51 0 3 s9 5 54 01 o9 52 2 8 64 5 3 5 2 2 3 旋转成型试验 各级配按估算沥青用量采用旋转压实仪成型试件进行试验( 结果见表6 ) ，依据预测 交通量，设计压实次数。= 1 2 5 次、初始压实次数n 。- - - - 9 次、最大压实次数n 。= 2 0 5 次。 依据沥青试验中的粘温髓线，沥青混合料的压实温度为1 3 5 c 。 表6试验级配沥青混合料压实特性汇总表 级配g 粥鲥h g - 研q mg 12 4 8 99 6 4 8 8 69 7 7 22 4 9 39 5 8 8 6 79 6 7 32 4 9 0 9 6 08 7 9 9 7 5 42 4 9 3 9 4 18 5 9 9 4 2 1 2 东南大学工程硕士学位论文 2 2 4 估算空隙率为4 时的沥青用量及相应性质 ( 1 ) 估算在n 。，空隙率等于4 时的沥青含量： 咒估算= 一【o 4 ( 4 - k ) 】 式中：巴估算一估算的沥青含量； ( 2 ) 估算在n 。时的v m a ： v m a c a 算= v m a 韧始+ c ( 4 - k ) 式中：c 一常数，如果v 。小于4 ，则c = o 1 ； 如果v a 大于4 ，则c = o 2 。 ( 3 ) 估算在n 。时的v f a 。在空隙率为4 时，可接受的设计v f a 的范围是交通量的 函数，一般公路的