（道路与铁道工程专业论文）适合也门地区的高性能沥青混合料性能研究.pdf

摘要 沥青混合料配比设计是保证沥青路面使用质量的一个重要部分。本文通过对三种级 配类型所组成的沥青混合料进行试验研究，初步确定，按照密实原则设计的a c 1 6i 型 沥青混合料具有良好的抗水损害性能和耐久性能，并且在掺加木质素和纤维后高温稳定 性得到显著提高，满足也门的气候条件要求。基于也门的自然及社会条件，分析了不同 级配沥青混合料的优越性，并以此为依据给出了适合也门的沥青混合料类型，通过在中 国的试验检测，路用性能良好，可以在也门地区推广。 关键词：也门、沥青混合料、高温稳定性、评价指标、级配设计方法、路用性能 a b s t r a c t r e s e a r c ho na s p h a l tm i x t u r e sd e s i g nh a sg r e a ti m p o r t a n c ei ns o l o i n gp a v e m e n td i s t r e s s p r o b l e m s t h i sp a p e rr e p o r t st h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tt y p e so fa s p h a l tm i x t u r e sa n dt h e i m p r o v e m e n tm a d eb ya s p h a l tm o d i f i c a t i o n ，b a s e do nl a b o r a t o r ys t u d y r u t t i n g ，t h e r m a l c r a c k i n ga n dm o i s t u r ee f f e c t sa r et h r e em a j o rp r o b l e m sd i s c u s s e d i nt h i sp a p e r , a t t e m p t sh a v e b e e nm a d et oi n t r o d u c et h ec l i m a t i cc o n f l i c t i o no fy e m e na n do nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，t o r e c o m m e n dt h es u i t a b l ea s p h a l tm i x t u r e sf o rd i f f e r e n tr e g i o n s a c c o r d i n gt oi n d o o re x p e r i m e n t s ，t h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tt y p eo fa s p h a l tm i x t u r e s a r es t u d i e di nt h i sp a p e r t e m p e r a t u r es t a b i l i t ym o i s t u r ee f f e c ta n df a t i g u er e s i s t a n c ea r e c o m p u t e d b a s e do nt h ec l i m a t eo fy e m e n ，t h ea d v a n t a g eo fd i f f e r e n tt y p eo fa s p h a l tm i x t u r e s a r ea n a l y z e da n dt h es u i t a b l ea s p h a l tm i x t u r ei sf o u n d a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fm u l t i l e v e lf i l l i n g ，p u tf o r w a r dt h em u l t i l e v e lg r a d i n g d e s i g nm e t h o d ，an e wg r a d i n gd e s i g nm e t h o d ，t oi m p r o v et h ea n t i s h e a r i n ga b i l i t yo fa s p h a l t m i x t u r e ae x a m p l eo fd e s i g nisg i v e na n de x p e r i m e n ti sd o n et o t e s tt h ep a v e m e n t p e r f o r m a n c e ，a n dt h r o u g hc o m p a r i n gt h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c eo fg r a d et oo t h e rg r a d i n g a s p h a l tm i x t u r e ，t h et e s tr e s u l ts h o w e dt h a tt h eg r a d eh a v eg o o dh i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n d w a t e rs t a b i l i t y ，w h i c hi ss u i t a b l ef o ry e m e n k e yw o r d s ：y e m e n ，a s p h a l tm i x t u r e ，h i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t y , e v a l u a t i o ni n d e x ，g r a d i n gd e s i g nm e t h o d ， p a v e m e n tp e r f o r m a n c e i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 年月 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签名： 导师签名： 年月日 年月日 长安大学博士学位论文 1 1 也门概况 1 1 1也门的自然条件 第一章绪论 也门有3 0 0 0 多年文字记载的历史，是阿拉伯世界古代文明的发源地之 一。公元前1 4 世纪建立麦因王朝，1 6 世纪后先后遭葡萄牙、奥斯曼帝国和 英国入侵或占领。1 9 1 8 年建立独立王国，1 9 3 4 年英国迫使王国承认其对也 门南部的占领，也门被正式分割为南北两方。1 9 6 2 年北部的巴德尔王朝被 推翻，成立了也f - i n 拉伯共和国。1 9 6 7 年南部也门摆脱英国的殖民统治， 获得独立并成立了也门民主人民共和国。1 9 9 0 年5 月2 2 日北南也门领导人 以和平方式结束了长期分裂的局面，宣布统一成立也门共和国。 也门位于阿拉伯半岛的南部，在北纬1 2 2 0 度，东经4 1 5 4 度之间，北 邻沙特阿拉伯，东临阿曼，西隔曼德海峡与非洲大陆的埃塞俄比亚、索马 里、吉布提等遥遥相望。也门有约2 0 0 0 公里的海岸线，海上交通十分便利。 位于西南的曼德海峡是国际重要通航海峡之一，沟通印度洋和地中海，是 欧亚非三大洲的海上交通要道，战略位置极为重要。位于阿拉伯海亚丁湾 的亚丁是历史上有名的港口之一。也门的西南部为巴布曼得海峡。巴布曼 得峡中部有一个名叫美蒙的岛，把海峡分为两部分，它也是亚非两大洲的 分界线。同时，阿拉伯海上的素科特拉岛面积为3 6 5 0 平方公里，其上有一 个城市克兰西来，离穆卡拉约51 0 公里。 也门的位置见图1 1 所示。 也门面积有5 5 5 0 0 0 平方公里，总人口已达1 8 2 6 万( 据2 0 0 0 年统计) ， 人口密度为2 8 人每平方公里。按自然状态，也门可分为5 个区域一山区、 高原、沿海地区、鲁卜哈利地区和群岛。 第一章绪论 图1 1 也门的位置 也门的山是非洲大陆板块撞击上升的结果，下降的沟地则形成了红海和 亚丁湾。其构成是火山岩，高度从海拔1 0 0 0 米至3 6 0 0 米不等。纳毕、沙 阿布山的主峰达到了海拔3 6 6 6 米，这也是阿拉伯岛和夏姆地区的最高峰。 在这些山中，有东向、南向、西向和北向的山谷，最主要的是以下山谷： 1 往东延伸的山谷( 哈b 、赛戴、深那哈、周夫) 连接沙漠； 2 往西延伸的山谷( 穆勒、扎毕德、赛哈穆、里迈阿) 连接红海； 3 往北延伸的山谷( 哈里布、沙阿思连接沙漠) ； 4 往南延伸的山谷( 图百那、百拿、哈得拉毛) 。 山脉穿过盆地和平原，最主要的是萨阿戴盆地、布纳盆地、阿尤哈盆地、 沙阿思盆地和毕哈尼谷地。 高原地区位于山地的东部和北部，海拔1 0 0 0 米，包括萨阿戴、周夫、 沙布哈、哈德拉毛和麦哈拉。 沿海地区包括沿红海和亚丁湾和阿拉伯海的海岸。它们互相连接起来， 形成了海岸线，东边从与阿曼接壤处开始，一直到西边的巴布曼得海峡， 在海峡处往北延伸一直到沙特的边境，长2 0 0 0 公里，宽为3 0 至6 0 公里。 在沙漠地区散布着一些地段( 如哈里德地段和马阿帝夫段) 。它们形成 了被称为绿洲的辽阔的谷地群，它们适于灌溉，居住欠杜因人和骆驼群， 生长着一些野生植物，如沙漠上的绿叶植物。 长安大学博士学位论文 也门的岛屿群大多集中在红海，与也门的海岸线平行，总共有1 1 2 个岛 屿，其中最大的和最重要的是卡姆拉尼岛，还包括大兹尼施岛、小兹尼施 岛、泽易拉岛、泽毕拉岛和泰拉岛。另一个重要的岛屿名为穆优尼岛，则 因其扼巴布曼德峡的咽喉要道而具有重要的战略地位。至于阿拉伯海里的 岛屿，它们相互比较靠近，最大的岛屿是赛哥达利岛，它的特产是一些珍 贵的植物，如苏木以及有医用价值的龙血( 棕色的树脂) ，第二大岛屿是阿 b 杜岛、库里岛和兄弟岛，它们也是适于人类居住的岛屿。 也门南部属热带干旱气候，一年分凉热两季，4 1 0 月为热季，平均气 温3 7 度，1 1 - - 3 月为凉季，平均气温为2 7 度，年降雨量为5 0 毫米。亚丁 气温较高，热季气温高达4 1 8 度，凉季气温最低1 7 5 度，年均降雨量9 4 7 毫米。北部气候种类较多，东面缓坡伸向鲁b 哈利沙漠，是沙漠和半沙漠 地区，气候干燥，炎热少雨：中央高原，海拔1 5 0 0 - - 4 0 0 0 米高，气候凉爽； 丘陵地区，气候温和，雨量充沛，年降水量在1 0 0 0 毫米以上，其雨季为3 5 月和7 9 月；西部红海沿岸是帖哈麦地区，气候炎热而潮湿，夏季气温 一般在3 5 - - - 4 0 度，湿度一般为8 0 - - 9 0 ，年降水量在4 0 0 毫米以下。 1 1 2 也门的交通情况 因为也门国土狭小，不适合发展铁路运输，所以至今为止没有铁路运输。 现在，也门存在的运输方式有以下几种： 1 公路运输 也门的公路通车总里程为6 7 0 0 0 公里，其中有路面铺装的为7 7 0 0 公里， 没有路面铺装的为5 9 3 0 0 公里。在也门公路中，有路面铺装的大部分相当 于中国大陆的二级及其以下等级的公路，路面铺装层大部分为沥青碎石或 者沥青表面处治，由于选用的路面结构和路面材料不当，再加上日益繁忙 的交通以及因为多年战乱而年久失修，这些公路都急需改建或者扩建。没 有路面铺装的道路大部分相当于中国的四级公路及其等外公路，随着也门 第一章绪论 共和国的成立以及近年来的经济发展，这些路面都需要进行加铺面层。另 外，根据也门共和国的国土面积、人口数量和目前的汽车保有量来看，现 有的公路里程远远不能满足使用的要求，还需要大量的新建一些等级公路。 2 管道运输 在联合国的援助以及世界银行贷款的支持下，也门铺设的输油管道共 6 4 4 公里，天然气管道共3 2 公里。相信随着也门石油、天然气的开发，管 道运输在也门还有一定的发展空间。 3 海洋运输 也门有约2 0 0 0 公里的海岸线，海上交通十分便利。位于西南的曼德海 峡是国际重要通航海峡之一，沟通印度洋和地中海，是欧亚非三大洲的海 上交通要道，战略位置极为重要，a d e n ，a 1h u d a y d a h ，a lm u k a l l a ，a ss a l i f ， m o c h a ，n i s h t u n 是有名的港口。 4 航空运输 也门是一个落后的农业国，目前出口的大多数是石油、天然气、各种金 属矿石等原材料以及初级农产品，目前大力发展航空运输不太符合也门的 国情，现有的机场道到共5 0 条，其中有铺装的跑道1 7 条，没有铺装的跑 道3 3 条，这些大都是殖民地时代的产物。相信随着也门国民经济的增长以 及也门旅游资源的开发，航空运输在不远的将来会有所发展。 就也门目前的经济条件和运输状况来看，公路是也门交通运输发展的最 佳选择，为了迅速提高国家经济和人民生活水平，须把土路、碎石路面改 造成为沥青路面，目前有的沥青路面根据气候条件和交通发展需要改建。 1 2 课题的提出及意义 在公路建设中，沥青路面作为一种无接缝连续式路面，由于其自身的诸 多特点，如力学强度高、稳定性好、行车平稳舒适、振动小、噪音低、适 应面广以及便于维修养护等，一直受到世界各国的重视，并被广泛采用。 4 长安大学博士学位论文 中国应用沥青路面也相当广泛，据不完全统计，高级、次高级路面所占的 比例达到9 5 以上。沥青也是修补处治水泥砼路面常用的方法和措施。 交通流量的增大，轴载的加重以及渠化交通等已成为现代交通的显著特 点，已是公路发展的必然趋势。鉴于这种形式，对路面提出了更高的要求， 如高速、安全、舒适、耐久。如果路面( 包括沥青面层和半刚性基层) 材 料和混合料选用不当，路面结构不合理，势必会影响道路的正常使用，甚 至会产生较严重的早期破坏，如沥青面层开裂( 包括面层本身形成的直接 裂缝荷载疲劳裂缝和材料收缩裂缝；基层裂缝反射的间接裂缝反 射裂缝) ，变形( 包括车辙、波浪或搓板、沉陷等) ，松散( 包括剥落、坑 槽等) 。传统的沥青路面已难负重任。 因此通过一定的技术措施，如沥青混凝土面层通过调整配合比、采用改 性沥青和掺加纤维等方法和措施，提高或改善沥青路面的使用性能，减少 和减轻路面病害是道路工作者所期盼的，也是目前公路建设发展、交通状 况所要求的。 综上所述，针对目前干线公路的特点、交通状况、自然条件和筑路材料 情况等，从路面材料与组成着手，开展高性能沥青混合料的系统研究是十 分必要的，具有重要的现实意义，对公路事业的发展也有积极的作用。 1 3 沥青路面的发展概况和现状 沥青是人类应用最早而至今仍大量使用的工程材料之一。自从1 8 世纪 中期沥青先后在瑞士、德国、法国被发现，1 8 3 5 年将沥青加热铺人行道、 后又用于马车道、直到汽车的出现。1 9 0 0 年美国将砂、石粉、湖沥青混合 材料中加入粗碎石，发明了w a r r e n i t e b i t u l i t h i c 路面结构；1 9 0 5 年又发 明了t o p e k a 路面( 属细粒式沥青混凝土) ；沥青玛蹄脂m a s t i ca s p h a l t 路 面用作人行道是优良的，但作为车行道、细集料比例大，极易形成光滑表 面。在英国人们将预拌沥青碎石嵌入沥青玛蹄脂表面，从而形成热压式沥 第一章绪论 青砼；h o tr o l l e da s p h a l t ( h r a ) 构成了第一代英国沥青混凝土标准的基 础。在德国，经过工程技术人员的长期使用实践形成浇注式沥青混凝土 g u a s s a s p h a l t 。在2 0 世纪6 0 年代，发展形成现在的沥青玛蹄脂碎石s m a ( s t o n em a s t i ca s p h a l t ) 路面。 在沥青混合材料组成方面，经过长期的实践总结，提出了矿质集料组 成的基本理论级配理论( 包括最大密度线理论、粒子干涉理论和填充 理论) ，并在这些理论的指导下，经过试验研究，得到了各种级配曲线。 富勒级配曲线成为了后来各种级配曲线( 连续级配、间断级配、密级 配、开级配等) 组成形式的理论基础，而魏矛斯( c a g w e y m o u t h ) 提出了粒 子干涉理论，则为最佳级配( 要求混合料不仅摩阻角大而且应具有一定粘 结力，不仅抗压强度大而且具有相当的抗拉强度) 曲线的成型提供了理论 基础。 沥青混合料的试验方法以及关于矿质集料的组成理论为寻求最佳沥青 混合料配合比提供了手段，为沥青混合料推广应用创造了条件。也为开发 新型沥青路面材料奠定了坚实的基础。 “八五”期间，借助美国“战略公路研究计划( s h r p ) ，在中国针对 当前中国产的七种沥青及其沥青混合料进行了全面系统的研究，提出符合 中国不同自然区域道路实际使用状况与路用性能的沥青及沥青混合料的技 术指标，及相应的试验方法。主要包括高温、低温、水损害、老化等几个 方面，并提出初步技术标准建议值。 中国沥青混凝土路面历史很短，仅十几年的时间。初期仅表面处治、 贯入式为主要形式。随着高等级公路建设，沥青混凝土路面一跃成为沥青 路面的主要形式。但是随着国民经济高速发展，使沥青路面面临严峻的考 验。许多高速公路沥青路面建成不久就不能适应交通的需要，形成早期破 坏。主要表现为： ( 1 ) 高温车辙及变形问题； 长安大学博士学位论文 ( 2 ) 沥青路面水损害破坏； ( 3 ) 寒冷地区沥青路面温缩裂缝； ( 4 ) 沥青路面表面功能，尤其是抗滑性能不足。 对高性能沥青混合料的研究刚刚开始，研究尚不系统，仍处于室内研 究阶段，远远没有达到实用程度。国外已经开始使用加纤维提高沥青砼的 路用性能，由于材料结构形式，当前状况及自然条件限制不能直接采用。 因此，通过本课题的研究为高性能沥青混合料在干线公路应用奠定一些理 论基础。 1 4 本课题主要研究内容及技术路线 1 4 1主要研究内容 根据交通状况，自然条件和筑路材料情况，以及对路面使用性能要求 高的特点，拟开发高性能沥青混凝土混合料。其主要研究内容为：高性能 沥青混凝土混合料研究。 针对公路等级高，交通流量大，重型车辆多的特点，要求沥青面层应 具有较高的力学强度和良好的路用性能，基本的途径为调整配合比，采用 改性沥青和掺加纤维等。包括： ( 1 ) 路用性能配合比设计方法研究； ( 2 ) 影响因素分析，包括级配类型、沥青种类、纤维品种和数量； ( 3 ) 路用性能的研究，包括高温稳定性、低温抗裂性、收缩性能、疲 劳特性和渗透性、抗滑性等； ( 4 ) 强度形成机理的探讨。 1 4 2 研究技术路线 根据交通状况( 大流量、重型轴载) 自然条件和筑路材料情况，并考虑 公路等级高、交通流量大、重型车辆多对路面使用性能要求高的特点，通 过对现有沥青路面、典型路段广泛系统的调查，初步确定纤维沥青混凝土 基本目标，然后通过室内试验和理论分析，系统开展材料组成设计和路用 7 第一章绪论 性能研究，最后通过实验路给予验证，并进行施工工艺的研究，整个研究 过程可用图1 2 表示。 图1 2 研究过程示意图 长安大学博士学位论文 2 1 沥青 第二章沥青及沥青混合料的基本特征 沥青是沥青混合料的重要成分，它是由多种复杂的碳氢化合物及其氧、 硫和氮的衍生物所组成的混合物。大部分路用粘稠沥青的平均分子量大于 1 0 0 0 。其分子结构是由很多结构单元或链节联接在一起而构成的长链结构。 沥青作为高分子材料最显著的特点表现在沥青分子运动的时间和温度 依赖性两方面。沥青材料在温度很低时表现为脆性固体，随着温度升高表 现为粘弹性质，当温度继续升高时就表现出粘性流动，所以说它具有弹粘 塑性特性，故称为粘弹性材料。 ( 1 ) 沥青的粘结性 作为路面结合料的沥青材料，首要的技术性质是粘结性。粘结性是指 沥青材料在外力作用下，沥青粒子产生相互位移时抵抗变形的性能，通常 用粘度( 7 7 ) 表示。即 z 7 7 = 一 ， 式中：f 为剪应力； ，为剪变率。 测定沥青粘度的多种方法中针入度是一个常用的方法。一般在2 5 温度 条件下，1 0 0 克荷重下的标准针在5 s 内贯入沥青材料的深度( 1 l o m m ) 来 表示其针入度。 ( 2 ) 沥青的感温性 感温性( t e m p e r a t u r es u s c e p t i b i l i t y ) 是决定沥青使用时的工作性及 应用于路面的服务性的重要指标。评价沥青感温性的方法通常是采用粘度 一温度关系来表达。大量研究发现，沥青的粘度与温度在双对数坐标上呈 9 第二章沥青及沥青混合料的基本特征 近似直线关系，并有溶胶型沥青、凝胶型沥青和含蜡沥青三种特征类型。 沥青的感温性对沥青路面病害的产生有很大的影响，感温性大的沥青在 低温下表现为柔性差，脆性大，易出现低温开裂病害；在高温下，粘度小， 易出现车辙、拥包、波浪等病害。 针入度指数法是表达粘一温关系的最常用方法之一。 针入度指数：p i = 再夏3 0 函一1 0 此外评价低温指标的还有： 互2 ：0 0 7 9 - 2 - b 评价高温指标的还有： 瓦o o = 2 9 0 3 - 1 - b 式中：a ，卜针入度一温度曲线i o g p = a p + b 的回归参数 t 。当量软化点( 针入度为8 0 0 时沥青的温度) t 。当量脆点( 针入度为1 2 时沥青的温度) ( 3 ) 沥青的流变性 沥青的流变性表现为沥青的力学性能随温度和荷载时间的变化，通常用 劲度来表示沥青的流变性。如图2 1 所示，随着时间( t ) 和温度( t ) 的 变化，沥青分别工作在弹性区、粘性区及介于两者之间的粘弹区。在低温 或高速荷载下，劲度模量( s ) 接近弹性模量，沥青工作在弹性区，易出现 开裂，脆化等损坏，呈现应力松弛的力学行为，在高温或长时间荷载作用 下，劲度取决于粘度，沥青工作在粘性区，路面出现车辙等破坏，呈现蠕 变的力学行为；在常温下，沥青工作在粘弹区。 长安大学博士学位论文 2 2 矿料 s 图2 1 劲度概念图 矿料在沥青混合料中的比例相当大，受环境因素的影响不大，但其粒 径、形状、表面特征及与沥青的粘附程度和级配类型决定着沥青混合料的 特性。矿料按其母岩的成分性质分为碱性、酸性和中性。 碱性矿料由于其表面的阳离子与沥青分子中的环烷酸和沥青酸进行化 学吸附而形成以化学键的形式使沥青分子固定在碱性矿料表面，而酸性矿 料与沥青分子仅以软弱的范德华力来联接，故碱性矿料与沥青的粘附好。 但是由于碱性矿料( 如石灰岩) 一般强度低，耐磨性差故在高等级公路上 仅用于中下面层。 2 3 矿料级配 沥青混合料中矿料的级配组成是一个重要的内容。矿料级配是指不同 粒径的粒料相互之间的比例关系。矿料级配可分成连续级配和间断级配 ( g a pg r a d e d ) 。所谓连续级配就是矿料中各级粒径的粒料，由大n 4 , 逐级 按一定的重量比例予以组成的混合料。这种混合料级配曲线平顺圆滑。连 续级配可以分为密级配( d e n s eg r a d e d ) 和开级配( o p e ng r a d e d ) 。 连续密级配( i 型级配) 混合料具有较大的密度，强度高，但由于粗集 料较少，且各级大的粒料都被较小的粒料挤开，因而矿料不能形成骨架。 第二章沥青及沥青混合料的基本特征 路面可能在重交通作用下，因热稳性不足而产生车辙、波浪、推移等变形。 连续开级配( i i 型级配) 混合料，粗粒料含量相对地有所增加，细集 料含量少，所以粗料形成骨架。这种混合料强度主要取决于内摩阻力，粘 结力是次要的。因而热稳性好，但空隙率大而使路面耐久性受到影响。 间断级配是在矿料组成中，某一个或某几个粒径范围内没有或有很少 矿料颗粒所组成的混合料。其级配曲线由于矿料组成中既有足够数量的粗 料可以形成空间骨架，同时又根据粗料的空隙的多少加入一定数量的细料 而使其具有较高的密度，从而使沥青混合料组成为一种骨架密实型结构。 这种类型的混合料因集料相互嵌锁在一起而具有良好的高温稳定性，矿料 颗粒间的空隙被沥青充分填充而具有良好的抗水损害及耐久性能。 2 4 沥青混合料 2 4 1 沥青混合料组成结构 沥青混合料是由沥青和不同粒径的矿料组成的；粗骨料的空隙由细料、 矿粉和沥青来填充。拌合好的沥青混合料碾压后粗骨料颗粒之间直接接触 形成了矿质骨架，骨架在沥青混合料受力作用时起重要作用，未形成骨架 的细集料与沥青结合料一起形成沥青胶浆，填于矿质骨架中的空隙，把骨 架结构粘结在一起，参与抵抗外力作用。沥青混合料中存在的部分空气不 具备力学强度，但混合料在受力和变形过程中起着重要作用。由此看出沥 青混合料是三相体系。评价沥青混合料的物理指标有：密度( p s ) ，理论最 大密度( p ，) ，空隙率( v ) ，沥青体积( ) ，饱和度( v f a ) ，骨料间隙率 ( v m a ) 等，其表示法如图2 2 。 长安大学博士学位论文 重量体积 空隙v ， w b沥青v b w w 站g骨架 v 嘲 形 成= 矿 圪：业 y 6 y w v f a ：堡1 0 0 k 图2 2 沥青混合料结构参数图 w 岛。百瓦 圪：( 1 - p s ) x1 0 0 p 7 v m a = v f a + 圪 式中：乞沥青用量( ) ； p ，试件实密度； y 广沥青相对密度； p ，试件理论密度； y w 水密度。 沥青混合料中矿料的配比，沥青用量和空隙率的确定叫做沥青混合料 配合比设计。沥青混合料配合比设计的主要因素与其对混合料性质的影响 如表2 1 所示。 第二章沥青及沥青混合料的基本特征 表2 1沥青混合料配合比设计的主要因素与混合料性质的关系 沥青混合料沥青用量沥青硬度 骨料大 性质 性质说明 小细一其他因素 小一大软一硬 粗 高温稳定性抗高温时塑性变 大一小小一大小一大 粒径大高稳 ( s t a b ili t y )形，车辙变形性好 沥青性质及 抗裂性抗低温或疲劳引起 小一大大一小大一小集料形状也 ( f l e x i b ili t y )的裂缝发生 有影响 矿料表面光抗滑动性 路面浸润时 大一小 小一大泽有一定的( s k i d 的抗滑性能 r e s i s t a n t )作用 耐磨耗性 轮胎的长期反复作 小一大 ( w e a r i n g 用下路面抗磨耗性 r e s i s t a n t ) 施工性混合料容易拌和、 小一大大一小大一小 沥青和集料 ( w o r k a b i l i t y )铺设和碾压性 性质有影响 按级配原则，沥青混合料结构可以分为下列三种形式来解释。 ( 1 ) 悬浮密实结构：由连续级配矿质混合料组成的密实混合料由于矿 料从大到小连续存在，并且各有一定数量，实际上同一档较大颗粒被较小 一档颗粒挤开，大颗粒犹如以悬浮状态处于较小颗粒之中。这种结构通常 按最佳级配原理进行的。混合料强度以沥青与矿料之间的粘结力为主，矿 料颗粒之间的嵌锁力和内摩阻力为铺。虽然密度高，耐久性及防渗性好， 但是温度敏感性大，高温稳定性差。 ( 2 ) 骨架空隙结构：粗粒料能够充分形成骨架，细粒料数量少，不足 以充分填充空隙，因此混合料空隙较大。这种混合料中，粗粒料之间的嵌 挤力和内摩阻力起着重要作用，其结构强度受沥青的性质和物理状态的影 响小，因此高温稳定性好，但水稳性及耐久性差。 长安大学博士学位论文 ( 3 ) 骨架密实结构：是综合以上两种方式组成的结构。混合料中既有 一定数量的粗骨料形成骨架，又根据粗料空隙的多少加入细料，形成较高 的密度，较小的空隙率，从而既具有较好的高温稳定性，又具有良好的水 稳定性及耐久性能。 三种典型结构的沥青混合料结构组成如图2 3 所示。 a ) 悬浮密实结构b ) 骨架空隙结构 c ) 骨架密实结构 图2 3 三种典型结构的沥青混合料结构组成示意图 2 4 2 沥青混合料强度构成原理 沥青混合料是由矿质骨架和沥青胶结物所构成的、具有空间网络结构 的一种多相分散体系。从力学角度来看，它是粘弹性材料。根据库伦摩尔 ( m o h a r c o l o m b ) 理论分析，沥青混合料强度是由沥青的粘结力和骨料间 的嵌挤作用和摩擦产生的内摩阻力构成。在外力作用下材料不发生剪切滑 动时，如图2 4 所示： z c + 嗽驴 式中，f 剪切力 c 粘结力 仃正应力 妒内摩阻角 l s 第二章沥青及沥青混合料的基本特征 沥青混合料的强度影响因素： ( 1 ) 矿料： 矿料尺寸越大，混合料的驴越大 矿料尺寸越均匀，混合料的妒越大 矿料越接近立方体和越有棱角，混合料的驴越大 矿料表面越粗糙，混合料的妒越大 矿料比表面积越大，沥青混合料的c 越大 c 注：图中q 为沥青用量 图2 4 沥青用量与c 、妒关系 ( 2 ) 沥青： 沥青粘度越大，混合料粘结力c 越大 沥青表面活性物质越多，c 越大 沥青用量与混合料西成反比关系，如图2 4 3 沥青的粘度、温度以及荷载速度对咖影响不大 沥青混合料粘结力c 随温度升高而降低 2 5 沥青混合料的路用性能 沥青混合料作为路面面层材料，直接受车辆作用和大气因素的影响， 同时沥青材料的物理、力学性质受气候因素与时间因素影响较大。因此为 长安大学博士学位论文 了能使路面给车辆提供安全、高速、舒适等服务功能，组成沥青路面的沥 青混合料必须具备高温稳定性、低温抗裂性、耐久性、抗滑性能和防渗能 力等路用性能。 2 5 1 沥青混合料的高温稳定性 高温时沥青混合料中的沥青变软，稠度变小，体积增大，从而减小混 合料粘结力c ，使沥青混合料抗剪强度减小。 在高温和低加荷速率情况下，出现高温稳定性问题。沥青混合料高温 稳定性习惯上指混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力。在高温季节由 于水平荷载作用下剪切强度不足而引起推移、拥包等损坏。在行车荷载的 重复作用下，会由于永久变形的累积导致路面出现车辙。 所谓沥青路面车辙，就是路面在车辆行驶方向上车轮集中通过位置上 所产生的带状凹槽，在高温季节车辆反复作用引起沥青混合料的粘滞流动， 土基与基层的变形，并包括一定程度的压实作用和材料磨耗。忽略基层下 沉时( 如刚性或半刚性基层情况) ，沥青路面的车辙主要是沥青混合料的粘 滞流动和一定程度的压实造成的。在外荷作用下，微结构应力克服了某些 粘结较弱的团粒间沥青膜粘滞力作用而促使某些团粒发生相互错动，荷载 不断重复作用，这种相互错动将在更深入更广泛的范围内不断重复，逐步 累积，形成宏观的车辙变形。 造成车辙的主要原因有： ( 1 ) 交通条件：交通量大，轮荷重，轮胎气压高，行车速度慢，轮迹集 中，装埋钉轮胎或滑链的汽车通过。 ( 2 ) 气候条件：路面温度高。 ( 3 ) 结构条件：路基下沉量大，路面结构强度低。 ( 4 ) 材料与配合比：使用的材料质量差，沥青用量过多。 ( 5 ) 施工条件：碾压不足。 第二章沥青及沥青混合料的基本特征 虽然采取各种养护技术措施可以减小甚至消除车辙，但解决车辙问题 的最经济方法是防止其出现或减少车辙量；就是说路面结构设计和材料设 计时才是防治车辙问题的关键时刻。目前为了防止车辙，同时又使得沥青 混合料有一定的抗水损害能力，一般采用骨架密实结构的沥青混合料，当 然，随着沥青路面使用要求的不断提高，出现了一些新形式的沥青混合料， 如s m a 、s a c 等。 2 5 2 沥青混合料低温抗裂性 随着温度的下降沥青混合料的强度增大，但变形能力降低，因此出现 脆性破坏。在一般温度条件下，沥青混合料由于具有良好的应力松弛性能， 温度升降产生的变形不至产生过高的温度应力，但在冬季温度骤降时，沥 青混合料的应力松弛不能适应温度应力的增长。或者说，在一般温度条件 下，沥青混合料的劲度较低，在气温降低后劲度急剧增大，超过了产生开 裂的极限劲度，便产生开裂。另一种情况是疲劳性缩裂。温度升降反复作 用的温度应力使沥青混合料的极限拉伸应变变小，又加上沥青老化使沥青 劲度增高。因此当温度应力或温度和荷载应力的共同作用下产生的应变超 过沥青混合料的极限拉伸应变时，便产生开裂。 影响沥青路面低温性能的主要因素( 材料因素、环境因素、路面结构 几何尺寸等) 中材料因素是重要的因素，也是本课题的研究对象。沥青的 温度一劲度关系是混合料低温开裂程度的决定性因素。低温下的劲度或稠 度( 如粘度或针入度) 和温度敏感性( 某温度范围的稠度变化) 是重要的 因素。低粘度( 或高针入度) 的沥青粘结料会随温度降低而产生劲度的缓 慢增加，从而减少低温开裂的可能性。沥青用量在最佳范围内变化不会对 低温开裂性能有大的影响。空隙率小会增大混合料中的抗拉强度，但对沥 青混合料低温性能的作用不大。 综合上述，沥青混合料的低温抗裂性能是决定沥青混合料品质好坏的 长安大学博士学位论文 关键性因素之一。如何解决在低温情况下特别是气温骤降的情况下沥青路 面开裂的问题是许多混合料设计的关键因素。 2 5 3 水稳性 在重交通路面上，水的影响较大，特别是高温、暴雨情况下更明显。 水对沥青的破坏可从两方面来分析：( i ) 剥落：水侵入矿料与沥青间的薄 膜内，从而破坏矿料与沥青间的粘附作用导致沥青剥落。( i i ) 软化：水在 沥青中的作用引起沥青的粘性减小，从而引起沥青混合料强度减小。因此 了解沥青和矿料在水的影响下的作用机理是必不可少的。 1 粘附理论 沥青在混合料中的作用是把矿料粘结在一起，沥青混合料的水稳定性 及耐久性与集料的表面粗糙度有关。集料表面粗糙，沥青与集料间粘附性 就大。当沥青进入空隙或不规则集料表面时，会产生强烈的力学嵌锁，残 留的沥青对于粗糙不规则集料比光滑集料的粘附性更好。空隙率与吸水率 对剥落度有较大影响。当水分、灰尘覆盖集料表面时，它阻止沥青与集料 的紧密接触，这将导致剥落度增加。 一般认为酸性岩石混合料比碱性岩石混合料的剥落严重；这时由于集 料被沥青润湿时吸附作用发生在沥青与集料表面，接着在其之间发生化学 反应。在多数沥青与酸性集料之间发生的化学反应，比沥青与碱性集料之 间的化学反应要弱得多，从而减少酸性集料可增加沥青集料的化学反应能 力。过去的一些研究表明石灰岩( l s ) 、片麻岩( s s ) 、花岗岩( g s ) 的水 稳性实验中，按抗水损害性能从优到劣排列为l s s s g s 。这说明碱性集料 比酸性集料构成的混合料水稳定性好。 2 表面能理论( s u r f a c et e n si o nt h e o r y ) 几种理论中表面能理论充分地解释水的影响下沥青的剥落现象。在空 气中沥青与石料的润湿作用如图2 5 ，设石料一空气，石料一沥青和沥青一 第二章沥青及沥青混合料的基本特征 空气的界面张力分别为x ( s 一口) ，z ( s 一6 ) ，z ( b 一口) 时，固一液一气三相系的 近似平衡方程为： e ( s 一口) 一e ( s - b ) + x ( b 一口) c o s p = 0 x ( s 一口) 一x ( s - b ) + x ( b 一口) c o $ ( x = 0 沥青对石料的润湿可以用接触角( a ) 表示 一ix ( s 一口) 一x ( s 一6 ) z ( b 一口) 通常情况下o 一口) x ( s 一6 ) ，口 0 ，则沥青薄膜可以在干燥 石料表面铺展为薄层。 图2 5 在空气中沥青与石料的润湿作用 图2 6 在水中沥青对石料的润湿作用 2 0 ( 刚 ( b - a ) ( s - a ) 长安大学博士学位论文 但在水中，沥青对石料的润湿作用如图2 6 ，设石料一沥青，石料一水 和水一沥青表面张力分别为z ( s 一6 ) ，z ( s 一曲，z ( w 一6 ) 时的润湿角 o s - 1 芈掣 通常n ：况t x c s 一计 9 i o m p a 织物数g 8 7 0 0 0 0 最大拉伸率 8 1 2 截面形状花生果状初始模量 1 7 i o o m p a 德兰尼特a s 采用干法生产，每1 克中含有8 7 万根长纤维，因而可以 均匀地分散在沥青混合料中。又因其能够承受2 0 0o c 的高温而不改变并保 持一定的弯曲弹性，所以不用担心它与矿物质混合时会折断。 相比于木质素纤维，德兰尼特a s 具有较优的均匀分散性及高取向性， 使其表面与沥青的亲和性能更优异。( 见表3 8 、3 9 、3 1 0 ) 表3 8 纤维耐热性试验 纤维性状 纤维品种试验条件 颜色形态 木质素纤维由浅灰转成浅黄色松体积变小 德兰腈纶纤维 1 6 3o c 、5 h 由淡黄色转黄色无变化 玻璃纤维 薄膜烘箱 无变化无变化 矿渣纤维无变化无变化 第三章室内试验方案、研究方法及原材料技术性能 表3 9 腈纶纤维与木质素纤维特性的比较 性质木质素纤维腈纶纤维在沥青混合料中的效果 截面形状锯齿形花生果形或圆形 纵向结构圆柱形平行圆柱形 木质素纤维易缠结，而腈 纶纤维很容易均匀混入沥 聚合度 5 5 0 6 0 05 0 0 0 0 8 0 0 0 0 青混合料中 大分子取向度较低 高 强度 干 1 5 2 82 0 3 6 腈纶纤维比木质纤维更能 ( 克旦) 1 6 3 0 提高沥青路面强度和使用 湿o 7 1 6 寿命，腈纶纤维比木质素 断裂延伸度 干 1 5 3 02 0 5 0 纤维更能防止路面变形开 ( ) 裂 湿 2 0 3 52 5 6 0 回潮率( )1 2 1 5 s u p 一1 6 s a c 1 6 。 。 2 改性沥青混凝土 试验结果如表4 2 6 ，图4 3 0 。 表4 2 6 改性沥青切口小梁试验 类型破坏应变( 1 0 6u ) a c 1 60 0 3 7 s u p 。1 6 0 0 3 l s a c 一1 60 0 2 2 s a c 一1 6 + 木质素 0 0 2 7 长安大学博士学位论文 图4 3 0 改性沥青切口小梁试验 木质素纤维可能改善沥青混合料的低温抗裂性，a c 一1 6 型沥青混合料 的低温抗裂性能最好，其次为s u p - 1 6 型沥青混合料，多碎石沥青混合料s a c 一1 6 则相对较低。 从以上三种试验测试方法来看，采用能量法评价的切口小梁试验能够 较好的反映不同类型沥青混合料的低温抗裂性，是一种值得推广的方法。 4 5 5 沥青路面低温开裂影响因素 针对沥青面层低温收缩开裂问题，国内外进行了众多的调查与研究。 结果表明： 1 沥青结合料的低温劲度是决定开裂与否的最根本因素，沥青劲度又是决 定沥青混合料劲度的关键。因此国外已经提出了一些沥青及沥青混合料劲 度的极值，同时沥青的质量在很大程度上取决于原油的油源( 品种) 。 在沥青性质指标中，影响更大的是温度敏感性，感温性大的沥青容易 开裂。通过中国多年来的研究，采用不同温度针入度决定的p i 是评价沥青 结合料感温性的有效指标。沥青针入度、低温延度是影响开裂的很重要指 标。由于沥青在老化过程中轻质油挥发、沥青氧化、位阻硬化等，老化越 第四章高性能沥青混合料路用性能分析 严重，劲度越大，裂缝出现越早。沥青中的蜡使拉伸应变减小，脆性增加， 温度敏感性变大，横向裂缝容易发生。 2 沥青混合料的组成对沥青路面的开裂影响也很重要。 首先，沥青用量虽然重要，但一般认为在最佳沥青用量o a c 的0 5 范围内波动对开裂率无明显影响。而且，沥青用量增加使混合料应力松弛 性能提高的同时，也使收缩性能变大，二者互有抵消。 第二，矿料组成级配有一定关系。级配组成的变化在一定程度上对混 合料开裂有延缓或促进作用。 第三，沥青面层的厚度能使横向裂缝减少，这是指使用同一质量的沥 青时，厚度大的比薄的裂缝率要小。但沥青层厚度不如沥青结合料性能重 要，采用质量好的沥青即使铺筑较薄的面层，其横向裂缝也可能少于厚度 较厚但沥青质量差的路段。 3 基层的影响 半刚性基层较之级配碎石、沥青稳定碎石等柔性基层热容量小，与沥 青表面层的附着粘结性能差，尤其是本身收缩的附加影响，故横向裂缝要 多些。基层与面层的附着性能差，将使面层有一定自由收缩变形的可能性， 混合料的应力松弛得不到充分发挥，温度应力无法传递到基层中去，在面 层内部积聚，容易产生开裂。基层上有透层油加强粘结对抗裂有好处的。 在气候因素方面，极端最低温度、降温速率、低温持续时间、升温降 温循环次数是影响沥青路面温缩裂缝的四大要素。 4 6 沥青混合料抗滑性能研究 4 6 1概述 国内外对路面抗滑阻力的形成机理以及如何提高路面的抗滑能力作了 大量的研究。 长安大学博士学位论文 英国t r r l 是世界上最早进行路面抗滑阻力研究的部门。他们的研究成 果不仅证实了潮湿状态下发生事故的危险与路面滑溜之间的关系，发展了 抗滑理论，也推动了路面抗滑阻力测试设备的研制。 1 9 4 9 年，国际道路会议成立了路面滑溜及平整度技术委员会，研究领 域从单纯的路面结构理论扩展到薄层摩擦学、固体表面化学、空气动力学、 环境检测与控制、人造集料等等。1 9 7 6 年，英国运输部出版的技术备忘录 h 1 6 7 6 新建沥青路面骨料特性和构造深度技术要求根据不同的公路线 型和交通量，提出了对新建沥青路面骨料特性构造浓度的技术要求，并考 虑采用一项使干线公路湿抗滑阻力保持在适当水平的技术标准的可能性。 1 9 7 7 年，在俄亥俄州哥伦布市举行的第二届防滑会议中，路面特性小组委 员会在报告中指出：路面的防滑问题，不应仅考虑摩擦系数一项指标，还 应考虑其它因素，如表面构造、几何形状、交通性质、车速、事故记录及 成本一受益分析等因素。第十八届道路会议柔性路面技术委员会总报告中 指出：在优化沥青面层的抗滑能力时，道路应考虑材料性能( 即微观构造 一耐磨光性能，耐磨耗能等) ；其次是考虑路面构造( 也即从构造上满足宏 观构造的要求) ；第三