（道路与铁道工程专业论文）大粒径沥青混合料基层路面结构力学性能试验研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 我国的高速公路，绝大多数面临着重载车多，超载严重的实际情况。同时 为了充分利用地材以降低造价原因，基本上都采用半刚性材料为基层沥青路面 结构，所以在通车后不久路面就会出现明显的车辙和大量的反射裂缝。一些研 究资料表明，采用含大粒径沥青混合料基层的沥青路面结构有望很好地解决这 个问题。但这方面的研究还不充分，这种路面结构在实际工程中应用也很少。 因此对其进行广泛深入的研究是非常必要的。 基于上述理由，结合武汉至鄂州高速公路的工程建设，修筑了含大粒径沥 青碎石混合料朋m 3 0 基层的试验路。试验路全长6 0 0m ，分a 、b 、c 三段。a 段路面结构为：4 6c m 水泥碎石+ 1 0c ma t b 3 0 + 8c ma c 2 5 + 6c ma c 2 0 + 4 c ma c 1 3 ；b 段路面结构是在a 段的水泥碎石下基层顶面加铺一层玻纤格栅， 其他与a 段路面结构相同；c 段路面结构为：4 4c l i l 水泥碎石+ 2 0 锄触r b 3 0 + 6 锄a c - 2 0 + 4 锄a c 1 3 。 ， 在各段试验路的土基顶面和水泥碎石下基层顶面埋设了土压力盒，在沥青 碎石基层( a t b 3 0 ) 的底面和顶面埋设了光纤光栅应变传感器。通过承载板进 行了现场静载荷试验，以不同载重的大货车以不同的速度通过试验路段完成了 动载试验。通过埋设的应力和应变测量元件，测量了试验段各路面结构层的应 力和应变响应。在此基础上，建立了上述路面结构的力学计算模型，用a n s y s 软件进行了数值分析，计算结果得到了试验数据的验证。根据该数值计算模型， 对大粒径沥青碎石基层路面力学性能，特别是在重载交通荷载下的应力、应变 分布规律进行了深入分析，证明该路面结构具有良好的抗剪切流变抗压缩变形 能力，因此具有良好的抗车辙性能。 关键词：大粒径沥青混合料，路面，力学响应，现场试验 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t a1 0 to f v e h i c l 鹪n 柚m i n g0 n 娜踟a yi nc ! l l i l 诅a r ch e a v ) r 酝l 争l o a d 觚c i 【s ， m o s to fw l l i c ：ha 聆鸵删y0 1 旧f - l o a d e d n e a d ya l lo ft l l ea 印髓s s w a ) 但a 坞c 0 v e f e d w i t h 嬲p h a l tp a v 锄e n ti l l d l l d i n gas e m i 嗣g i db a f o r 仪删m i cf e 笛。鼠t b t 晌他 d a m a g co fm l c t i i l g 弛dr e j 玉e c 的nc 扭1 幽i su 双l a l l yo b s e f v e di n 也e i re 矾ys e r v i c c p 萌o d nh 够b c 饥p 刚酣b y m c 獭治疵h 伪t h a t 锄a 呐a l t 岬e n ti n c l u d i n g l a 玛伊s t o n ea s p h a l tm i x 岱( l s a m ) b a s c 主s 【p o c 同t 00 、，e 啾t h ep b l 锄b u ti t h 鹤n o tb 嘲觚l 卿t o dw i d e l yi n 掣a c 6 i na l i i 墟b 伐：a u t 量l er 豁翩托hm i t i l n o w a d a y si sn o te 伍c i e n t 吼f 0 fm i s 托a s o n t l l cm 戗i h a n i c a l 托s p o n 踮o f 鹤p l 础 p a v 锄e n ti i l c l u d 胁gl s 触汪b 雠i ss t u d i e db yf i d d 懿呻髓t 1 1 1 ee x l e r 酬l s a mp a v 锄咖删c hi s6 0 0ml o n gw 勰伽1 咖c t e di n w i l l l a n - e 吐o ue x p r 髂s w a y i ti l l d u d 鹤血e c t i o 粥n a m 。d 豫渺e c t i v d y 勰a ，ba n d c 1 1 1 es 咖c t 啪l a y e r so f s 蒯ai s ：4 6c n lc 锄既t 剿e l + l o 锄a t b 一3 0 + 8c i n a c - 2 5 + 6c ma c - 2 0 + 4 锄a c - 1 3 b e s i d eh 衲gt h es 锄el ，e ：心o fs e c t i o na ， s 硎o nbh a sa 酉躐纳e r 鲥da t 龇硫e r f 犯o f c 锄tg r a v d 锄da t b 一3 0 s o c t i cc o n s i s t so f 4 4 锄c 锄僦蓼a v e l + 2 0c i i l a t b - 3 0 + 6 锄a c 一2 0 + 4 锄a c 1 3 p r c s 吼l c d l sw e r ep l a c e db o t ha tt 1 1 et o po f i 1s l l b g 芦a d e 锄da t 圮t o po f 廿l e a 锄饥t 舯v c l a tm eb o t t 锄o f a t b - 3 0 雒dm eb o t t o mo f a c 一2 5 ( f o rs e c t i o na 觚d s e 舐o nb ) o ra c - 2 0 ( 矗 s e 甜o nc ) f i b e r 黟撕n gb 够e d ( f b g ) s 铋s 0 璐w e 他 e n l b e d d e df 0 rs 缸证nm e 翻n 】r e m t s t a 虹cl o a dt 鹤：t sw e r ec a m e d 础b yl o 她p l a 士e as 甜嚣o f 嘣cl o a dt e s t sw e 他 出釉撇砷e db ym 0 、柚g 佃把k s l d 髓d i 日b r e n t 缸r el o a d s d i 】r 证g 也eg 嘶c 缸试诚c l o a dt e s t s ，l l l ei l i t e m mp r e s s u r 豁缸l d 蚰商l 岱o f l ep a v 锄e n t 劬m c t i l r ew e r eb o 吐l m 翩双l r e d b a s e dt l l ea n a l y s i so fn l et e s td a t a m em e c h a l l i c a lp r o p 硎嚣o f 砌a l t p 孙，锄咖i i l c l u 血gl s a mb a s ei sd i s c i l s s 。d af e mm o d e l 喊c h 百v e sar e s u n c 0 砌d i i l g 州n ln l ef i e l de ，( 胁e 咄i s 也饥p m p o s e db ya n s y sp r o 蓼锄t oc o n d u c ta d e t a i l 锄l y s i so nm e 嗽唾舰s eo fl l l i sl d i l do fp a v 锄e n tu n d e r 昀硒cl o a d i n 吕1 1 圮 c ) 【p 池e m a l 锄dn i h n e d c a la n a l y s i sf e s u l t sp f o v e 1 a ta s p h a l tp l v 锄e n ti 1 1 c l u d i n g l s a mb a s eh a sag o o dp e r f o n r i a n c c 耀衄m 钍i n g 锄dr e f l e c t i o nc r a c k i n g k e yw o r d s ：l a 唱e s t o n ea s 】p h a l tt 1 1 i x e s ，p a v 锄e 峨m e c _ h a i l i c a lr e s p o n s e ，f i e l de x p 甜m e n t h 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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 含为获得武汉理工大学或其他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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：耋啦 日期：竺! ! ：! 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位 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 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：麴彩防 导师( 签名) ：日期) f ，7 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第l 章绪论 近年来，随着我国的交通事业的发展，新建公路里程逐年增加，同时交通 量的快速增长和渠化交通的加重，沥青路面普遍出现了抗车辙能力不足和路面 的耐久性较差等质量问题。许多沥青路面在使用若干年后出现了车辙、裂缝等 病害，降低了公路使用性能，对公路交通运输也产生了不小的影响。【l 】 对于已投入使用的沥青路面的后期养护维修是必要的，但是如何让新建成 的沥青路面的车辙和裂缝病害尽可能晚的出现，降低后期的养护维修频率及其 费用，这也是本课题要研究和解决的一个问题。 我国常用的沥青路面混合料类型有细中粗三种，粗集料的含量一般为4 0 7 0 。这些混合料中的集料没有形成骨架密实型结构，整体强度不高，易发生 车辙等破坏。因此，在进行沥青混合料组成设计时，着重考虑提高高温稳定性 显得十分重要。一方面通过增大矿料粒径尺寸来增加承载能力，另一方面，通 过改善矿料组成结构和级配获得的强度更为可靠。 如何能够解决沥青路面出现车辙及反射裂缝的破坏，就是当前道路工作者 需要面对的一个问题。就目前的发展状况来看，l s a m 基层是解决这一问题较 为可行的方法之一。 1 2 课题研究的目的、意义 近年来，随着我国经济的发展，公路交通运输量也在逐年增加，相伴而来 的就是公路交通量的增大，沥青路面出现车辙，裂缝的现象也随之增多，沥青 路面的破损日益严重。如何提高沥青路面抵抗车辙和反射裂缝的能力就成为了 一个重要的课题。 最初的l s a m 设计采用大马歇尔设计法，重点强调粒径的形状、体积和沥 青膜厚度的计算，这种方法比较传统，所需仪器设备简单，易于操作，但在后 来的大粒径沥青混合料试验中也发现了其缺点，人们开始利用s u p e 印a v e 设计方 法里的旋转压实仪成型试件来进行大粒径沥青混合料配合比的研究；并且以体 武汉理工大学硕士学位论文 积特性为指导。 大粒径沥青混合料通常铺筑在表面层的下面，其上面层结构可以尽可能减 薄，从而最大限度地发挥l s a m 抗车辙能力。l s a m 的铺筑厚度一般为最大粒 径的2 5 倍，或者为最大公称粒径的3 倍。当l s a m 集料的最大尺寸为3 8 m m 时，路面厚度通常为9 5 1 0 c m ，l s 蝴集料的最大尺寸为5 3 衄时，路面厚度 通常为1 l 1 3 删n 。 本课题结合和平至左岭高速公路试验段的现场实验及室内实验来研究 l s 剐作为沥青路面( 特别是加筋沥青路面) 基层的路用性能，其目的是提高 路面抵抗车辙及反射裂缝的能力，从而改善路面使用的性能，延长路面的使用 寿命，并降低路面后期的养护维修费用；其意义是研究开发新型沥青混合料结 构类型，提高以抗车辙能力为主的高温稳定性，改善抗疲劳性能、水稳定性和 低温抗裂性等综合路用性能。 1 3 国内外研究历史及现状分析 1 3 1 与本课题相关的研究历史 l s 砧的使用并不是新鲜事物，它起因于重载交通。为适应较大的接触压 力，1 9 0 l 1 9 0 3 年美国沃伦兄弟公司申请了大粒径沥青混合料级配专利，其矿 料的最大尺寸高达7 5 m m ( 3 i n ) ，能提供较大密实度和稳定度。l s 舢v i 良好的骨 架稳定性，沥青可以使用粘度较小的，这可以有效减少寒冷地区的低温裂缝。 此外，较小的空隙率和较厚的沥青膜，为l s a m 提供了良好的耐久性和抗水害 能力。正是由于这些优点，使得l s a m 具有在重交通条件下的竞争能力。 在目前实际的施工过程中，以下两个方面的问题也阻碍着大粒径沥青混合 料的推广：一是集料粒径大，对拌和摊铺设备磨耗大，铺筑的路面粗糙不漂亮， 施工控制难度较高；二是有的地方实际的交通情况中以混合交通居多，重车量 较少，没有必要去强调沥青路面抗车辙的能力。 但随着汽车轴重的不断增大，高等级公路渠化交通越来越明显，很沥青路 面都较早的出现的车辙和抗疲劳破坏能力低的问题。因此，国外许多专家又开 始重新认识和研究l s a m 。美国、英国、加拿大、澳大利亚、日本、南非和中 国台湾地区等都对l s a m 进行更深一步的研究工作，取得了许多有意义的进展。 这些研究也表明：设计合理的l s a m 是解决重载交通下高温车辙问题最经济有 2 武汉理工大学硕士学位论文 效的根本途径之一。 1 3 2 国内外研究现状分析 1 9 6 9 年，美国p 锄d o t 在普通1 2 0 i i l m ( 4 i n ) 马歇尔设计方法基础上补充 了适合于l s a m 的1 5 0 m m ( 6 i 1 1 ) 大型马歇尔配合比设计方法，并通过对1 2 0 l i l m ( 4 i 1 1 ) 和1 5 0 n 1 i n ( 6 i 1 1 ) 击实试件相关物理、力学指标的对比分析，建立了这两 者之间的相互关系。 1 9 9 3 年，美国s h r p 计划的研究成果s u p e 印a v e 沥青混合料设计方法为 l s a m 配合比设计方法找到了新的发展方向。德克萨斯州运输学会“l s a m 课题 组”负责研究l s 剐设计方法和制定施工指南。该课题组根据国内外相关资料以 及l s j 蝴的实际应用情况，进行了现场钻芯取样和室内成型试件的室内性能的 对比试验，并进行了l s 舢足尺加速加载a p t 试验。 通过一系列的试验研究提出了如下的两级水平设计： i 级设计适用于交通量小的情况，通过对集料试验的分析，并在电脑上对 筛分曲线进行调配，最后可根据所需的空隙率设计出大粒径沥青混合料配比。 此方法适用于基层、下面层密级配大粒径沥青混合料的配合比设计。 i i 级设计适用于交通量大的情况，以i 级设计为基础，添加了测试大粒径 沥青混合料抵抗永久变形( 如车辙) 能力的指标，这种设计方法强调沥青混合 料具有石石嵌挤结构，提高混合料的骨架密实度以提高路面层在重交通情况下 的使用性能。按照s u p e 巾a v c 设计方法，沥青混合料要具有良好的粗集料嵌挤骨 架作用，同时根据混合料的间隙率嗄a ，空隙率w 等指标控制细集料对骨架 缝隙的填充，进而确定混合料的最佳油石比；并且在这之后要通过路用性能的 试验来验证设计出的沥青混合料是否满足抵抗车辙的要求。 英国的布朗教授提出：增大沥青混合料所使用的各档集料的最大公称尺寸 在减少沥青用量的同时，能提高沥青混合料的稳定性和抗滑性能。 南非大粒径沥青混合料现场路用性能重载试验表明：大粒径沥青混合料相 比于一般的沥青混合料可以有效的提高沥青路面抗车辙的能力，并且具有良好 的高温稳定性和低温抗裂性。即使有时路面的弯沉达到了1 衄，也没有发现该 混合料出现裂缝，这说明了该混合料具有良好的抗疲劳损坏的能力。 中国台湾地区也对l s a m 动弹性模量与压实度、温度的关系，进行了大量 的试验研究。在我国大陆地区，中南大学在邯长高速一期修筑了试验段进行了 武汉理工大学硕士学位论文 沥青稳定柔性基层抗车辙性能的试验路验证；长安大学结合柞小高速公路路面 结构层，分析了朋门 3 0 沥青混合料路用性能要求，最后根据路用性能和层位功 能要求，得出了a 1 b 3 0 沥青混合料优化后工程级配范围：河北交通科研所结合 邢临高速公路册3 0 沥青稳定碎石柔性基层试验路的配合比设计与施工，积累 了一些数据，为柔性基层在高等级公路的应用提供了参考；辽宁交通科学研究 院在沈阳绕城高速公路沥青路面中修工程中应用了柔性基层与半刚性基层组合 结构；在山东青莱高速公路的建设中使用了大粒径透水性沥青混合料柔性基层， 总结了一种较为合理的方式方案；在湖北某地旧水泥混凝土路面改造工程中铺 筑了5 0 0 l m 长的大粒径沥青混合料( l s m 2 5 ) 缓解层结构的试验路，对大粒径 沥青混合料的施工工艺作了研究，以此推广l s m 在反射裂缝防治中的应用。 可以将l s 蝴特点概括为具有如下特点：颗粒尺寸“大”，沥青膜“厚”，路 面寿命“长”；沥青含量低，、佩俄低和造价低；粗集料含量高，粗集料接触程度 高和主骨架稳定性好。 国外对l s 蝴的设计方法及其应用进行了较为深入的研究，并取得了诸多 成果。我国道路界已经注意到l s 蝴的发展前景，在新修订的公路工程沥青 与沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 中补充了大型马歇尔击实法。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 大粒径沥青混合料的配合比设计： ( 2 ) 现场试验路多种方案的路面结构设计； ( 3 ) 试验路方案的确定。包括各种路面结构的铺设位置，分段长度，观测 方案，观测元件的埋设位置等； ( 4 ) 通过承载板进行现场静载荷试验，以不同载重的大货车以不同的速度 通过试验路段完成动载试验。通过埋设的应力和应变测量元件，测量了试验段 和路面结构层的应力和应变响应： ( 5 ) 提出含大粒径沥青混合料基层的沥青路面结构力学分析模型，用 a n s y s 软件进行数值计算，计算结果与现场试验数据进行对比，对计算模型作 必要修正，使二者具有较好的相符性。在此基础上，全面分析该类路面结构的 力学性能，分析其力学性能的主要影响因素，找出各因素的影响规律，提出该 类路面的结构设计的一种参考方法。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章沥青路面的损坏 1 9 8 8 年1 0 月3 1 日我国大陆第一条高速公路沪嘉高速建成通车以来， 中国的公路事业进入了以建设高速公路、一级公路等高等级公路为主的新时代。 在已建成的高速公路沥青路面中，大部分路面的使用状况是比较好的。不过， 我们也应清楚地认识到，由于我国高速公路的建设起步晚，技术力量的储备较 少等各方面原因，铺筑的高速公路路面结构还存在种种问题，一些路段的建设 水平并不如人意。 2 1 车辙的产生及类型 车辙是一种流动变形，是最常见的沥青路面损坏形式。在沥青路面的维修 养护中，约有8 0 是因为车辙变形引起的。相比起开裂及水损坏，车辙直接威 胁到交通安全。而且车辙损坏的维修也是相当困难的，因为虽然是路面表面出 现了车辙，但是基层也同时发生了破坏同样需要修理。因此，现在对车辙的防 治已经放在了首位。 2 1 1 车辙成因简析 我国早期修建的高速公路车辙并不太严重，而近年来修建的高速公路的车 辙问题则明显要严重得多，从外部原因上来分析其原因有以下几点：f 3 1 ( 1 ) 夏季高温的情况似乎比以前更严重了，且持续时间特别长；温度越 高，沥青混合料的劲度模量越低，抗车辙能力越小。 ( 2 ) 与汽车荷载有关，以前高速公路规模小，交通量也不大，重载车相对 来说是比较少的，那时的车辙并不严重，并没有引起关注，但是现在超限超载 车辆大幅度增加，车辙的问题也越来越凸显。 ( 3 ) 在山区、丘陵区的连续大纵坡上坡路段，重载车行驶缓慢，使荷载作 用时间成倍延长，这也加剧了沥青路面车辙的出现。 ( 4 ) 沥青的粘度低，集料中石屑的质量不高，破碎砾石使用较少。 ( 5 ) 沥青混合料的配合比设计不合理，施工质量控制不是很到位。 ( 6 ) 施工压实不足。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 车辙的类型 ( 1 ) 由于车辆荷载超过路面结构层的所容许的强度，沥青路面各结构层发 生的永久性交形，叫做结构性车辙。这种车辙的宽度较大，两侧没有隆起现象， 横断面呈v 字形( 凹型) 。 ( 2 ) 沥青混凝土的侧向流动变形，在高温条件下，车轮辗压的反复作用引 起的累积流动变形形成的车辙，叫做沥青混合料的流动性车辙，或失稳性车辙。 这种车辙一般都有两侧隆起现象，它尤其容易发生在上坡路段、交叉口附近， 即车速慢、轮胎接地产生的横向应力大的地方。 沥青路面车辙产生机理见图2 1 所示。 辙 图2 1沥青路面车辙产生的机理 2 2 裂缝的产生及类型 沥青路面开裂是一个很普遍的问题，是沥青路面最常见的损坏形式之一。 虽然我国通过多年的研究，对裂缝的成因、机理、试验方法、防治措施进行了 一系列的研究，取得了许多重大的成果。但总的来说，遏制裂缝产生的效果并 不显著。 2 2 1 裂缝的类型 裂缝的成因也是各种损坏形式中最复杂的。随着裂缝的无损探测设备的开 发，一些新的认识不断产生。但就目前的应用情况看，要搞清楚裂缝的具体情 况，只能通过破损性的开挖。 按照国际上的一般认识，沥青路面的裂缝大体上有以下一些类型：【3 】 ( 1 ) 横向裂缝：包括温缩裂缝及半刚性基层沥青路面的反射性裂缝。 ( 2 ) 纵向裂缝及网裂：分为自上而下的表面裂缝和自下而上的疲劳裂缝。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 块状裂缝。 ( 4 ) 边缘裂缝。 ( 5 ) 沉降或沉陷裂缝。 ( 6 ) 构筑物接头裂缝。 施工缝是由于施工造成薄弱环节后由以上原因造成的。 2 2 2 各种裂缝成因简析 ( 1 ) 温缩裂缝 温缩裂缝在许多寒冷国家或地区非常普遍。一般来讲，沥青路面的低温开裂 有两种形式：一种是由于气温降低造成沥青层的收缩，由于沥青层周围存在约 束从而引起了收缩的应力，当其超过沥青层的受力极限时便出现了裂缝；此类 裂缝多从路面产生并由上向下漫延。另一种是温度的变化也会引起路面发生疲 劳裂缝，这是因为气温的升降，沥青混合料的疲劳应力反复出现，再加上沥青 混合料的弹性降低而导致开裂。 ( 2 ) 半刚性基层沥青路面的反射性裂缝 由于较高强度的半刚性基层容易出现开裂的现象，沥青层的反射裂缝不可避 免；面层渗入的水不容易排出，破坏了基层与面层间的连接，并出现唧泥。 ( 3 ) 综合原因形成的横向裂缝 大部分横向裂缝的产生还是因为半刚性基层的收缩引起。同时沥青面层也 会出现温度裂缝，这样就导致分析其成因的复杂性。 ( 4 ) 自上而下的表面裂缝 在轮胎边缘沥青层受到很大的拉应力，路面出现了裂缝。同时也要注意到 在施工中由于混合料的离析或摊铺的交界处也容易出现裂缝。 ( 5 ) 自下而上的疲劳裂缝( 网裂、龟裂) 自下而上的疲劳裂缝是当沥青层层底出现拉应力引起超过容许的应变时路 面出现的破坏现象。经典的柔性路面力学设计模式见图2 - 2 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 沥青层 沥青层 沥青层 图2 2 经典的柔性路面力学设计模式 ( 6 ) 车辙裂缝 在2 0 世纪9 0 初，日本的松野三朗教授提出了在轮迹带的边缘存在着与车 辙同时发生的纵向裂缝。这种裂缝也是一种表面裂缝。在我国，城市道路的公 共汽车站旁边最容易发现这种车辙推挤裂缝。 ( 7 ) 沉降裂缝 由路基不均匀沉降在路面上引起的开裂，主要是在填方路段，特别是地基 条件不好的地方，由于沉降引起的开裂是比较常见的。要实际的解决这个问题 也是在旄工中需要特别的注意的。 ( 8 ) 构造物接头裂缝 桥涵构造物端部开裂也是高速公路沥青路面的一种常见病害，几乎所有的 高速公路都能见到。这个病因也是比较简单的，许多专家学者都提出了不少理 论并相应的做了大量的试验研究来解决这个问题。 ( 9 ) 冻涨( 缩) 裂缝 在比较寒冷的地区，这种情况出现得较多，有研究表明使用排水式的大粒 径沥青混合料基层可以改善这一状况。 2 3 水损坏的特点及原因分析 随着高速公路沥青路面的建设和发展，沥青路面的水损害问题已越来越引 8 武汉理工大学硕士学位论文 起道路工作者的重视。我国许多高速公路，尤其是多雨潮湿地区的高速公路在 春融季节、梅雨季节及雨季，路面会出现麻面、松散及至坑槽。各种不同的路 面结构的水损坏有明显的差别。 2 3 1 水损坏的特点 2 3 1 1 自上而下的表面层水损坏 一般来说水损坏是从上往下发生的，但如果及时的修补，路面的使用是不 受影响的。由于水的存在，同时在外荷载的反复作用下，集料表面的沥青膜脱 落，沥青混合料就出现了松散，坑槽的病害。 一条公路一旦有充足的水大量地从裂缝和大的孔隙中迅速渗入达到饱和， 经行车反复泵吸就很快造成沥青膜剥离的环境，成为水损坏的典型模式。这个 疲劳破坏有根本的不同。 据国内外的研究认定，沥青路面的空隙率小于8 时，沥青层中的水在混合 料内部以毛细水的形式存在，在荷载作用下一般不会产生大的动水压力，不容 易造成水损坏的破坏。而排水性混合路面空隙率大于1 5 时，水可以自由流动 也较容易的排走，这样不容易造成水损坏。所以要尽量控制沥青混合料的空隙 率不要介于8 1 5 的范围内。并且需要注意的是只有开孔隙会引起渗水，闭孔 隙是不会的。 2 3 1 2 自下而上的水损坏 半刚性基层强度高，密度大，但这也引起了进入路面层中的水排不掉的问 题。水通过各种途径进入路面并到达基层后，如果不能及时的排走，那么就只 能存在于面层与基层之间，通常水通过以下基本途径进入结构层： ( 1 ) 降雨。降雨持续的时问越长，进入路面的水就越多，但是短时间的暴 雨却能很快从表面排走。 ( 2 ) 雪水。雪开始融化到完的这个过程中，路面一直被雪水浸泡着，容易 造成路面的损坏。 ( 3 ) 夏季为使路面降温也经常洒水。 ( 4 ) 跑长途的大货车为了让轮胎降温防止爆胎，不停的向轮胎淋水，留下 的水使路面经常是潮湿的。 ( 5 ) 中央分隔带的绿化浇水，以及从中央分隔带渗入路面的水( 尽管大部 分都是渗入路基) 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 挖方路段的裂隙水挖方破坏了山体的水力平衡，使路基下方出现水 压力，而向上涌水如果山区挖方路段没有排水沟，涌水无处可走，损坏将不 可避免。 ( 7 ) 冬季由于冰冻引起的水分积聚。我国北方地区是典型的季节性冰冻地 区，入冬以后，温度降低，地层由上而下封冻，并开始结冰，下方的水分逐渐 向上积聚，甚至超过饱和含水量。 ( 8 ) 有些公路在沥青层铺筑过程中采用水冲洗方法处理层间污染，污水大 量储存在下卧层的缝隙中( 同时进入的泥土危害更大) 因此，在沥青路面内部，或多或少都有水的存在，这是难以避免的。更糟 糕的是进入沥青层的水如果不能及时的排走危害性就更大。 这种类型的水损坏基本过程是： ( 1 ) 路面表面的水通过裂缝等进入路面结构中； ( 2 ) 半刚性基层密度过大，在其表面的水不容易排出，水积留在面层与基 层之间； ( 3 ) 半刚性基层材料中的水泥砂等成分融入水中形成灰浆； ( 4 ) 由于荷载的挤压作用，基层中的灰浆从裂缝中流出成为唧浆。 ( 5 ) 沥青层与基层间的连接受到破坏，形成了滑动界面，沥青层底受到的 拉压力变大，最终超过极限开裂。 ( 6 ) 下面层集料的粒径较大在铺筑的过程中容易出现离析，产生一些较大 的孔隙，水很容易进入从而导致集料表面的沥青层剥落，使混合料松散出现破 坏，并由下往上最终导致路面表面出现坑槽等破坏。 总结以上的各种情况，第二类水损坏有以下特点： ( 1 ) 常发生在多雨的时节，春季化冻的时候。 ( 2 ) 多与重载交通有关。 ( 3 ) 路面层首先会出现裂缝并进一步的发生松散现象。 ( 4 ) 特别是路面防水不好，基层排水不畅的地方更加剧了水损坏的严重性。 2 3 2 水损坏的原因分析 沥青层内部有空隙，沥青路面雨水必然会渗进去。根据渗入水的形态和去 处，如图2 3 所示，目前国际上定义有以下三种路面： ( 1 ) 排水式路面。雨水直接通过路面的表面层排了出去，这就要求沥青混 i o 武汉理工大学硕士学位论文 合料要有较大的空隙率，通常设计在2 0 。但是这就要求沥青与集料的粘边性 好不易老化，其下各层的密封性要好不易渗水，不至于影响到基层等。 表面层 中下层 基层、 底基层 路基 a ) 排水式路面b ) 透水性路面 c ) 密水性路面 图2 3 三种不同类型的沥青路面 ( 2 ) 透水性路面。雨水进入路面后，不断下渗，直至基层、路基中。这种 路面多使用于城市道路的行人道及旅游道路等不承受大的汽车荷载的道路。 ( 3 ) 密水性路面或者叫持水性路面。这种路面要求沥青混合料的空隙率要 控制在8 以下，即使水不能完全从面层中排走也不能影响到基层。由于孔隙小 残留在其中的水并不会对沥青层造成水损坏。 沥青路面水损害破坏的影响因素大致可总结为如下几点： ( 1 ) 从材料上讲，由于选用了与沥青粘附性较差的集料而使沥青混合料本 身水稳定性不足，采用抗剥落剂并没有达到目的。 ( 2 ) 配合比设计方面，由于采用的设计方法不当而使沥青混合料矿料级配 不合理、空隙率过大；路面密水性差；混合料稳定性不足。 ( 3 ) 施工方面，在沥青路面的铺筑过程中，沥青路面的离析严重；路面施 工压实不足，碾压方式不合理导致路面密水性差。 ( 4 ) 防排水设计，应该要做好这方面的设计工作，使路面结构层及边沟排 水通畅，减少路面积水；做好中央分隔带封水，避免向路面体渗水。 ( 5 ) 结构设计，应尊重各地方的不同条件设计，充分引进国际先进的路面 结构，采用柔性基层或复合式基层沥青路面结构；要考虑到沥青路面自身的排 水状况，半刚性基层自身过于致密，排水性能差：路面薄，受离析影响大；路 面过早开裂，有半刚性基层开裂的反射裂缝和温缩裂缝；各层结构组合不当， 沥青层渗水。 一一一一l 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章大粒径沥青混合料的特点及应用 3 1 沥青及沥青混合料发展史 人类远在公元前3 8 0 0 年公元前2 5 0 0 年就开始使用沥青，但是一直到1 9 世纪人类才真正开始利用沥青筑路。1 8 3 3 年在英国开始采用煤沥青碎石路面铺 装；1 8 5 4 年在巴黎首次用碾压法进行沥青路面铺装；1 8 7 0 年前后在伦敦、华盛 顿、纽约等地采用沥青做路面铺装。【| l 大约在1 8 6 6 年，曾有人采用硫化法，即用硫磺与沥青共热的方法，使所得 产品软化点升高，针入度降低，其商品被命名为匹兹堡沥青( p i t t s 嘶n u x ) 。 1 8 8 1 年e j d es m 础使用化学氧化剂制取氧化沥青，成功地改善了沥青的性质。 1 8 9 4 年美国的f xb y e d e g 在沥青温度为3 1 6 时吹入空气，成功地制取了氧化 沥青。 2 0 世纪的2 0 年代到5 0 年代，在这个时期中，沥青路面技术在欧美等许多 国家得到迅速发展。1 9 1 1 年美国首先提出按针入度作为沥青的分级指标。1 9 1 6 年德国马尔库逊( m a l c u s o n ) 提出了沥青组分分析方法，研究了沥青组分含量和 路用性能的关系。其后，经过雷西希娜( j l u ux eh a ) 、哈巴尔特( h a b a l t ) 、科 贝特( 捌t ) 、饭岛博等人的补充和修正，形成了目前的组分分析法。 随着社会的发展，交通运输对沥青路面的使用性能提出了更高的要求，促 使研究工作进一步深入开展。除针入度、延度、软化点等目前常用的三大指标 外，后来又增加了脆点、含腊量、族组分分析等一系列更为复杂的指标。 以下三个阶段在沥青混合料的发展史上是比较重要的，它们有力的推动了 沥青材料的发展。 ( 1 ) 用沥青混合料摊铺的沥青路面的出现，及其与之相适应的各种沥青混 合料的技术要求和质量评定方法。 ( 2 ) 2 0 世纪6 0 年代初，美国a a s h t o 试验路的铺筑和大量的试验研究成 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。a a s h t o 试验中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制定的依据。 ( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代初，美国战略公路研究计划( s h r p ) 、s u p e r p a v e 等一 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 大批研究成果的发表，使沥青及沥青混合料的研究开创了一个新的纪元。 3 2 大粒径沥青混合料的强度机理及特点 3 2 1 沥青混合料的组成及其强度理论 沥青混合料是由具有一定粘度和适当用量的沥青结合料与一定级配的矿质 混合料，经充分拌和而形成的混合料的总称。沥青混合料的强度是指在一定的 约束条件下，沥青混合料具有的抵抗应力应变作用的能力。沥青混合料具有明显 的颗粒性和粘弹性力学特征。因此沥青混合料的强度理论有如下两种。f 1 】 ( 1 ) 表面理论 表面理论认为，沥青混合料的强度一部分是集料骨架的强度，也就是集料 表面的摩阻力，用摩擦角。表示；另一部分是沥青的胶结强度，也就是沥青混 合料中胶结材料的粘结力，用粘聚力c 表示。但摩阻力更起主要作用，由此理论 得出提高沥青混合料的强度主要需增强集料的骨架嵌挤力。 lf 粗集料 ll i 矿质骨架 细集料 沥青混合料i li 填料 f l l 结合料一沥青 ( 2 ) 胶浆理论 胶浆理论认为，在沥青混合料中，沥青胶结材料对混合料的强度起决定性 作用，其决定了混合料的高温稳定性和低温抗裂性能。因此这种理论更加的强 调沥青的稠密度以及沥青与矿粉的胶结作用，只认为集料对提高沥青混合料的 强度起一定的辅助作用。沥青混合料中集料越多其模量越大，抗压强度也就越 大；而沥青胶浆的浓度越大，混合料的抗拉强度也就越大。由此应该从改变沥 青混合料的胶浆配料来提高其强度。 武汉理工大学硕士学位论文 沥青混合 阻分敢系) 分散相一粗集料 分散介质一砂浆 分散相一细集料 瓮馨鑫乒一沥青胶结料 分散介厦- 沥青 f 分散相一填料 i ( 徽分敢系) 目前，这一理论比较侧重于研究细集料对提高沥青混合料性能的影响。同 时该理论也强调混合料要采用大量的高稠度的沥青，并且集料采用间断级配配 合比设计。【4 】 上述沥青混合料的强度理论同样也适用于大粒径沥青混合料。但是大粒径 沥青混合料强度的形成主要依靠粗集料的嵌挤作用，所以表面理论更适合用于 大粒径沥青混合料的强度理论；因此，与一般的沥青混合料强度机理相比，大 粒径沥青混合料的强度机理具有以下的特点： ( 1 ) 较大的摩阻力和嵌挤力。通过国内外有关专家的研究发现，集料的粒 径越大，内摩阻角也越大，内摩阻角的增大也就提高了摩阻力与集料的嵌挤力， 为此就要保证集料要有良好的级配与空隙率。 ( 2 ) 较高的承载能力。由于大粒径沥青混合料的集料粒径大增强了混合料 内部的摩阻力，使得该混合料具有很强的骨架作用可以减小变形提高混合料的 承载能力，具有很好的抗车辙能力；同时大粒径沥青混合料中的沥青含量较小， 其高温中稳定性也好。所以大粒径沥青混合料更强调的是集料的骨架嵌挤作用。 3 2 2 大粒径沥青混合料的特点 通过对沥青混合料强度理论和大粒径沥青混合料强度机理的认识，我们可 以了解到大粒径沥青混合料的特点主要有以下几个方面： ( 1 ) 级配良好的大粒径沥青混合料不容易出现大的塑性变形和剪切破坏， 能够承受较重交通荷载作用，特别是在有较多低速重车行驶的路段更能明显的 表现出大粒径沥青混合料抗永久变形的能力。 ( 2 ) 大粒径沥青混合料粗集料增多，矿粉和沥青用量减少，虽然减小了粒 料的比表面积，但粒料外包裹的沥青膜厚度并不会改变多少，从而降低了工程 造价。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 可一次性摊铺较大的厚度，利于缩短工期、降低施工费用。 ( 4 ) 沥青层内部储温能力高、热量不易散失，利于寒冷季节施工，延长施 工期。 ( 5 ) 粗集料含量多，最大公称粒径大，集料比表面积小，沥青膜相对较厚， 耐老化性能好。 从大粒径沥青混合料以上的几个特点我们可以看出其在实际工程使用中， 在性能与工程造价上的优点，这些都是有利于大粒径沥青混合料的推广应用的。 3 3 大粒径沥青混合料的应用 通过以上对大粒径沥青混合料强度机理和特点的认识，可以了解到大粒径 沥青混合料具有良好的力学性能以及路用特性。对于大粒径沥青混合料这样一 种筑路材料，在研究过它的特点之后，接下来就了解其实际的应用情况。 大粒径沥青混合料定义为最大集料尺寸在2 5 m m “3 删咀( 1 2 5 英寸) 之间 的热拌沥青混合料，其大致分为用于下面层和上基层的嵌挤骨架一密实型结构 ( 空隙率3 石) 以及用于基层的嵌挤骨架一空隙型结构( 空隙率1 5 以上) ， 采用大空隙率的沥青基层还起到排水的作用。 大粒径沥青混合料基层作为一种柔性结构层，具有很强的柔性变形能力， 作为应力消散层，可明显提高路面抗反射裂缝的能力；同时，可以提高沥青路 面的整体受力特性，具有较高模量的大粒径沥青混合料也是永久性路面结构( 全 厚式沥青路面) 的中间层或联结层的首选。 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章结合实际工程的现场试验 4 1 试验段施工配合比设计 武汉市和平至左岭高速公路是武汉市规划的七条快速出口通道中的一条东 部高速公路，起于武汉市和平乡白马洲村( 中环线白马互通) ，与武汉市规划建 设的中北路延长线和中环线相接，沿途经过和平乡桂庄湾、花山镇邹黄村等地， 止于左岭镇新桥村，路线全长约1 9 9 0 5 公里，全线设计行车速度1 0 0 h 。项 目区属中副压热带过渡的湿热带季风型气候，雨量充沛，光照时间长，四季分 明，热量丰富，水源充足，温和同季，雨热同季的气候特征。原路面结构采用 我国传统的半刚性基层沥青混凝土路面，根据湖北地区的气候特征和交通组成 特征，为了预防和减轻半刚性基层沥青路面病害，进行了沥青碎石柔性基层沥 青路面设计和施工关键技术研究，以期提高路面的使用性能，延长使用寿命， 降低运营和维修养护成本。根据本课题研究大纲要求，为了顺利完成课题研究 内容，课题组拟结合武汉和左高速公路路面工程项目在现场设置沥青稳定碎石 柔性基层试验段。对沥青稳定碎石所用材料进行科学的试验、分析，对沥青混 合料进行合理的配合比设计是保证课题试验段能否成功实施的关键所在。课题 组的第一阶段工作主要是对三种试验路路面结构的沥青稳定碎石基层a t b 一3 0 沥 青混合料进行配合比设计，最终为和左高速公路柔性路面试验段的成功实施创 造良好的前提条件。 4 1 1 目标配合比设计 通过室内试验，按照公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 、公 路工程集料试验规程( j t ge 4 2 2 0 0 5 ) 、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 ) 的要求，确定了目标配合比各档集料的组成比例分别为3 1 5 3 7 5 ：8 ，2 6 5 3 1 5 ：2 8 ，1 6 2 6 5 ：2 6 ，4 7 5 1 6 ：1 2 ，2 3 6 4 7 5 ：l o ，0 2 3 6 ：1 2 ，矿粉：4 ，最佳油石比为3 4 。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 2 生产配合比设计 沥青混合料配合比设计分三阶段，即目标配合比的设计阶段、生产配合比的 设计阶段、生产配合比的验证阶段。三阶段设计合格后即可开展大规模施工，一 个好的目标配合比只是生产高质量沥青混合料的前提，好的设计能否在生产中 落实还取决于生产配合比设计及验证。本次a t b 一3 0 沥青混合料生产配合比设计 首先对各冷料仓的转速和流量间的关系加以标定，按目标配合比各档料的比例 初步确定冷料进料速度，然后从二次筛分后进入各热料仓的材料取样进行筛分， 以确定各热料仓的材料比例，供拌和机控制室使用。通过反复微调冷料仓进料 比例以达到供料均衡，并取目标配合比设计的最佳油石比、最佳油石比0 3 三种不同油石比进行马歇尔试验，以确定生产配合比的最佳油石比。 本次生产配合比设计热料仓选择4 、7 、1 5 、2 7 四个筛孔，从二次筛分进入 各热料仓的材料取样进行筛分试验，筛分结果如表4 一l 所示： 表4 _ la 1 1 3 3 0 沥青混合料热料仓筛分结果 在下列筛孔尺寸( m m ) 上的通过率) 材料名称用量 3 7 53 1 52 6 5 1 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 3也6o 3o 1 50 0 7 5 12 7 3 7 栅i o o3 9 4 2 1 1o 1o io 1o 1o 1o 1o 1o 1o 1o 1o 1 各 21 5 2 7 嘲l l 09 6 44 3 91 7 5l 石 o 5 o 1o 1o 1乱lo 1o 1o 1 种 矿 37 1 5 _ _l o o1 0 0 al l 9 03 5 44 0 7o 4o 1o 1o 1o 1o 1o 1 科 筛4i 一7 嘛l 1 0 0 0l l l l l 7 3 474 jo 2o 2o 2o 2 分 5d - 钿l 1 0 0 0l o ol l l l l 6 9 74 3 92 8 42 0 11 6 81 2 6矿粉l l o o 0l o ol 1 0 0l 1 0 0l 帅l o ol 帅1 0 09 7 89 3 13 4 1 根据热料仓筛分结果，组配生产配比矿料级配，取与目标