（道路与铁道工程专业论文）基于集料组成和几何形态分析的沥青混合料性能试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 沥青混合料由离散刚体和连续粘性胶结介质组成，为典型的多相复合体 材料。从宏观角度看，沥青混合料对外荷载的响应呈非线性，为固体与粘弹 塑性体的联合响应，而且沥青胶结体的粘弹塑性对温度非常敏感，所以该复 合材料的性质十分复杂。从微观角度看，沥青混和料以粗细集料颗粒作为刚 性固体、沥青材料为胶结体，并且集料体积约占沥青混合料总体积的9 0 。 集料颗粒之间的会产生嵌挤、摩擦作用，因此集料各组分的物理力学性质、 几何形态、它们之间的相互作用及混合料各体积组成必然对沥青混合料的力 学性质有很大影响。鉴于此，论文在以下几个方面进行了研究： 1 、沥青混合料集料组成强度分析。采用a c 2 0 i 、s u p 一1 9 、a m 2 0 及 s m a 一2 0 试样，对四种典型结构下沥青混合料的抗剪强度进行了对比试验研 究。试验采用粗骨料大型直剪仪，探讨了球形和椭球形集料对抗剪强度的影 响，并就s m a 骨架结构的抗剪强度的形成机理进行了研究。结果表明：从 集料级配看，s m a - 2 0 的剪切强度最大，a m 2 0 和s u p 1 9 的剪切强度相差 不大，a c 2 0 i 的剪切强度最小；从集料形状看，s m a 2 0 和s u p 1 9 级配的 剪切强度对集料颗粒形状非常敏感。骨架密实结构的抗剪强度全部由粗集料 骨架部分承担，细集料多余的填充会减弱骨架结构的抗剪强度。 2 、集料骨架的几何形态敏感性研究。以棱角状碎石和圆角状卵石( 后者 又分为球体和椭球体) 为粗集料，测试了集料颗粒形状对骨架结构v c a d r c 的影响。结果证实，棱角状碎石的v c a d r c 明显大于圆角状卵石的v c a d r c ， 其中又以椭球体颗粒的v c a d r c 大于球体颗粒的v c a d r c ；由于多组集料之 间的互相填充，级配粗集料骨架间隙率较单一分组粒径的骨架间隙率小；对 v c a d n c 的大小取主要作用的是集料本身的性质，如本文所研究颗粒形状， 级配对v c a d r c 的影响相对要弱一些；就本文的试验条件而言，圆角状卵石 v c a d r c 随着级配的变化比棱角状碎石随级配的变化要显著一些；不同颗粒 形状的组合会导致三种同样级配的v c a 。c 的相对大小关系发生变化。 3 、室内试验方法的参数敏感性分析。论文比较了悬浮结构沥青混合料最 大理论相对密度计算方法和真空法的最大理论相对密度g 。的变化规律；分 析和计算了各种方法和真空法的g 。对沥青混合料的v v 、v m a 、v f a 的影 响规律。同时对包括美国和我国在内的4 种沥青混合料试件体积参数的计算 方法进行了对比研究。 第1 l 页西南交通大学硕士研究生学位论文 4 、集料几何形态对沥青混合料物理性态的影响。对s m a 2 0 三种典型配 比的混合料分别采用马歇尔及s g c 成型，通过混合料体积指标的测定及对比 分析，发现相对于圆角状卵石而言，由棱角状碎石颗粒构成的混合料具有较 大的v v 、v m a 、v c a 疵，而且混合料的抗变形能力及稳定性均较优。在相 同颗粒形状，相同击实功和油石比的情况下，s m a 粗级配的压实试件的毛体 积密度最大，空隙率、矿料间隙率和粗集料间隙率最小；s m a 细级配的压实 试件的毛体积密度最小，空隙率、矿料间隙率和粗集料间隙率最大；s m a 中 级配的各项体积指标居中。 关键词：集料几何形态；骨架结构；抗剪强度；体积指标；s g c 压实特性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t a s p h a l t m i x t u r ei sv i e w e da sa c o m p o s i t e m a t e r i a lo f m u l t i p h a s e s c o n s i s t i n go fr i g i ds o l i d ss e p a r a t e db yc o n t i n u u mo fv i s c o u sc e m e n t d u et o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fv i s c o e l a s t i cp l a s t i c i t yo fa s p h a l tb i n d e r s ，r e s p o n s eo ft h e m i x t u r e st ol o a di sb a s i c a l l yn o n l i n e a ra n dv e r ys e n s i t i v et ot h et e m p e r a t u r e o n t h eo t h e rh a n d ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h ea s p h a l tm i x t u r ed e p e n d sa l s ou p o n t h ei n t e r l o c ko ft h ep a r t i c l e sc h a r a c t e r i z e db yt h es h a p ea n dg r a d a t i o no ft h e a g g r e g a t e su s e di nt h em i x t u r e i m p o r t a n c eo ft h ea g g r e g a t ec o m p o s i t i o n c a nn o t b eo v e r e m p h a s i z e ds i n c et h ev o l u m ef r a c t i o no fa g g r e g a t e si sn o r m a l l ya r o u n d 9 0 o ft h et o t a lv o l u m eo ft h em i x t u r ei n p r a c t i c e i n t h i s t h e s i s ，t h e i n v e s t i g a t i o n si n c l u d et h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： 1 s t r e n g t ha n a l y s i sf o ra g g r e g a t e so fa s p h a l tm i x t u r e s a g g r e g a t es u s p e n s i o n ( a c - 2 0 1 ) ，s u p 1 9 ，s t o n e t o s t o n ec o n t a c ta n di n t e r s t i t i a ls t r u c t u r e ( a m - 2 0 ) a n d s t o n e t o s t o n ec o n t a c ta n dc l o s e g r a i n e ds t r u c t u r e ( s m a 一2 0 ) w e r eu s e df o r s a m p l e s ；c o n t r a s tr e s e a r c ha b o u ts h e a rs t r e n g t ho fa s p h a l tm i x t u r ef o rf o u rt y p i c a l t y p e s w a sd o n et h r o u g l l t e s t l a r g e s i z e d i r e c ts h e a r a p p a r a t u s f o rc o a r s e a g g r e g a t e sw a su s e d ；s h e a rs t r e n g t ha f f e c t e db ya g g r e g a t e so fs p h e r e s h a p e da n d e l l i p s o i d s h a p e dw a sd i s c u s s e d a sar e s u l t ，f o ra g g r e g a t eg r a d a t i o n ，s m a 2 0 y i e l d e ds i g n i f i c a n t l yh i g h e rs h e a rs t r e n g t hw h e nc o m p a r e dw i t ht h eo t h e rt y p e s ； t h e r ew a sn og r e a td i f f e r e n c eo nt h es h e a rs t r e n g t ho fa m - - 2 0a n ds u p 1 9 ；b u t a c 一2 0 iy i e l d e dl o w e s ts h e a rs t r e n g t h f o ra g g r e g a t es h a p e ，a g g r e g a t es h a p ew a s m o s ts e n s i t i v ef o rs m a 一2 0a n ds u p 一1 9 s h e a rs t r e n g t hf o rs t o n e - t o s t o n ec o n t a c t a n dc l o s e g r a i n e ds t r u c t u r ew a su n d e r t a k e nb yc o a r s ea g g r e g a t e m i x t u r e sf i l l e d b yf i n ea g g r e g a t er e d u n d a n t l yc o u l dd e v e l o pl o w e rs h e a rs t r e n g t ht h a nu n f i l l e d 2 s e n s i t i v i t y r e s e a r c hf o r g e o m e t r i cs h a p e o f a g g r e g a t e s s k e l e t o n a n g u l a r i t y s h a p e dc r u s h e ds t o n ea n dw e l l - r o u n d e dc o b b l e a r eu s e df o rc o a r s e a g g r e g a t e ，t h ec o b b l ec a nb ed e s c r i b e db ys p h e r e s h a p e da n de l l i p s o i d - s h a p e d i n f l u e n c eo fp a r t i c l es h a p eo nv c a d r cf o rs k e l e t o ns t r u c t u r ei st e s t e d r e s u l t s c o n f i r mt h a tv c a d r cf o r m e db yc r u s h e ds t o n ei so b v i o u s l yh i g h e rt h a nv c a d r c f o r m e db yc o b b l e a m o n gc o b b l e ，v c a d r cf o r m e db ye l l i p s o i di sh i g h e rt h a n v c a d r cf o r m e db ys p h e r e v c a d r cf o r m e db ys i n g l eg r o u po fa g g r e g a t e sh a v e l i t t l ed i s c r e p a n c y b e c a u s eo ff i l l i n ga m o n gs e v e r a lg r o u p s ，v c a d r cf o r m e db y 第1 v 页西南交通大学硕士研究生学位论文 e a c hg r a d eo fa g g r e g a t e sa r el o w e rt h a nv c a d r cf o r m e db ye a c hs i n g l eg r o u po f a g g r e g a t e s t h em o s ti m p o r t a n te l e m e n t si n f l u e n c i n gt h ev a l u eo fv c a o r c a r e t h ep r o p e r t yo fa g g r e g a t e s ，s u c ha sp a r t i c l es h a p ei n t h i sp a p e r sr e s e a r c h g r a d a t i o nh a dw e a k e re f f e c tt ot h er e s u l t c o n s i d e r i n ge x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n si n t h i s p a p e r ，c h a n g e so ft h e v a l u eo fv c a d r cf o rw e l l - r o u n d e dc o b b l ew i t h g r a d a t i o na r eo b v i o u s t h ec o m b i n a t i o no fd i f f e r e n tp a r t i c l es h a p ew o u l dl e a dt o t h er e l a t i v ev c a d r cv a l u ec h a n g e sf o rt h es a m eg r a d ed i s t r i b u t i o n 3 s e n s i t i v i t ya n a l y s i s f o r p a r a m e t e r o f l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t m e t h o d s c a l c u l a t i o nm e t h o da n da c t u a lm e a s u r e m e n tu s i n gv a c u u mp r o c e s sf o r t m do fs u s p e n s i o ns t r u c t u r e ( a s p h a l tm i x t u r e s ) a r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d v v v m a ，v f ai n f l u e n c e db yt m do b t a i n e db yt h em e t h o dl i s t e da b o v ea r e a n a l y z e da n dc a l c u l a t e d t m dc a l lb ea f f e c t e dr e m a r k a b l yb ya s p h a l tf i l l i n g a g g r e g a t e s m e a n w h i l e ，t h e 4k i n d so fc o m p u t a t i o nm e t h o d so fv o l u m e t r i c p r o p e r t yo fa s p h a l tm i x t u r e sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d 4 r e s e a r c hf o rp h y s i c a lb e h a v i o ro fa s p h a l tm i x t u r ei m p a c t e db yg e o m e t r i c s h a p eo fa g g r e g a t e s t h r e et y p i c a lp r o p o r t i o n i n gm i x t u r eo fs m a 一2 0 i sc h o s ef o r m a r s h a l la n ds g cf o r m i n g b yd e t e r m i n a t i o na n dc o n t r a s t i v ea n a l y s i si nt h e v o l u m ei n d e xo fa s p h a l tm i x t u r e ，w ec a nf i n dt h a tc o m p a r e dt om i x t u r e c o m p o s e db yw e l l r o u n d e dc o b b l e ，v v ，v m aa n dv c a m i x o fm i x t u r ef o r m e db y a n g u l a r i t y - s h a p e d c r u s h e ds t o n ei s g r e a t e r f u r t h e r m o r e ，r e s i s t a n c et o d e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yo fa n g u l a r i t y - s h a p e dc r u s h e ds t o n ea r eh i g h e r w h e nt h es a m ep a r t i c l es h a p e ，t h es a m ec o m p a c t i o nc o n d i t i o n ，t h es a m e b i t u m e nc o n t e n ta n ds m a - 2 0a r ed i s c u s s e d ，b u l kd e n s i t yo ft h ec o m p a c t e d s p e c i m e nf o rc o a r s eg r a d i n gi sm a x i m u m ，v v ，v m aa n dv c a m i xi sm i n i m u m ； b u l kd e n s i t yo ft h ec o m p a c t e ds p e c i m e nf o rf i n eg r a d i n gi sm i n i m u m ，v v ，v m a a n dv c a m i xi sm a x i m u m ；t h ei n d e xf o rm e d i u mg r a d i n gi sm e d i a l k e yw o r d s ：p a r t i c l es h a p eo fa g g r e g a t e ；s k e l e t o ns t r u c t u r e ；s h e a rs t r e n g t h ； v o l u m ei n d e x ；s g cc o m p a c t i n gc h a r a c t e r i s t i c s 西南交通大掌硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 高速公路在中国内她的出现和发展已经走过了1 9 年的历程，在今天，4 万多公里的高速公路正在为中国经济和社会的发展提供着便捷的、高效率的 运输服务。2 0 0 4 年1 2 月1 7 日，国家高速公路网规划已经国务院审议通 过，规划的出台将对中国经济社会的发展以及公众的生活方式和质量产生重 大而深远的影响，必将成为中国高速公路长远发展和交通运输现代化的战略 蓝图，标志着中国高速公路发展进入了新的历史阶段。 规划确定的国家高速公路网采用放射线与纵横网格相结合的布局形态， 构成由中心城市向外放射以及横连东西、纵贯南北的公路交通大通道，包括 7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线，可以简称为“7 9 1 8 嚼”， 总规模大约为8 万5 千公里。 7 条首都放射线是：北京上海、北京一台北、北京一港澳、北京一昆 明、北京一拉萨、北京一乌鲁木齐、北京一哈尔滨。南北纵线包括沈阳一海 口、长春一深圳、重庆一昆明等。东西横线包括青岛银川、连云港一霍尔 果斯、上海一成都、广州一昆明等。 国家高速公路网规划建成后，可以形成“首都连接省会、省会彼此相通、 连接主要地市、覆盖重要县市”的高速公路网络。这个网络能够覆盖i o 多亿 人口，直接服务区域g d p 占全国总量的8 5 以上；实现东部地区平均3 0 分 钟、中部地区平均1 小对、西部地区平均2 小时抵达高速公路，客货运输的 机动性将有显著提升。 国家高速公路网是中国公路网中最高层次的骨干通道，主要连接大中城 市，包括国家和区域性经济中心、交通枢纽、重要对外贸易口岸；主要承担 区域阅、省际间以及大中城市问的快速客货运输，保障提供高效、使捷、安 全、舒适的服务。 规划的主要目标是：连接所有目前城镇人口在2 0 万以上的城市：连接首 都与各省会、自治区首府和直辖市；连接各大经济区和稆邻省会缀城市；完 善省会级城市与地市之间、城市群内部的连接；强化长江三角洲、珠江三角 洲和环渤海三大经济区之河及与其他经济区之间的联系；保踌西部地区、东 第2 页西南交通大学硕士研究生学位论文 北老工业基地内部高速网络的合理布局和对外连接；加强对国家主要港口、 铁路枢纽、公路枢纽、重点机场、著名旅游区和主要公路口岸的连接。 另一方面，公路运输与其它运输方式之间的竞争从未停止过，如铁路的 多次提速，高速铁路的大规模兴建。另外，大雾天气导致各地高速公路封闭 交通的频率大大提高，这些使高速公路遇到了前所未有的挑战。高速公路的 发展问题已不单纯是一个提供汽车行驶的问题，公众对高速公路的要求越来 越高。美国在f s h r p 项目中，提出未来公路交通发展的目标是挽救生命、 缩短堵车时间和提高生活质量【卜引。目前，我国修筑的高速公路纷纷达到设计 使用年限，因此未来的2 0 年内，高速公路将是新建与改建同步发展的黄金时 代。 我国虽然已跻身高速公路大国，但并非高速公路强国，我国高速公路质 量与美国等发达国家相比还有较大距离，相比而言，早期破损问题非常突出， 沥青路面普遍无法达到设计寿命。路面破坏问题的严重性引起了政府、学术 界、工程界、企业界及道路使用者等社会各界的广泛关注【3 】。沥青路面的早 期破坏有三个主要特点：( 1 ) 损坏时间早：有些路面建成后不久甚至在建成当 年就出现严重的损坏现象；( 2 ) 损坏范围宽：全国各地都不同程度地存在早期 损坏现象；( 3 ) 损坏程度重：有些损坏已不限于面层，也涉及到了基层，造成 必须进行路面重建。沥青路面的主要破坏形式包括：车辙变形、路面开裂及 早期水破坏( 松散、坑槽、网裂、唧浆等) 。 路面的早期破坏与我国的国情有关，首先我国沥青路面研究起步较晚 1 4 。5 l 、基础较差，超载现象严重等因素客观存在。另一方面，原材料的性能与 国外存在一定差异，其生产加工水平也相对落后。作为路面的主要类型之一 的沥青路面，无论是新建还是改建，都需要品质优良、数量巨大的沥青材料 和石料。对沥青材料而言，由于我国的原油多为石蜡基，绝大部分国产道路 石油沥青为品质不良的中、轻道路石油沥青，难以用于高级沥青路面。虽然 石化部门已经开发出一些不错的国产道路重交通石油沥青，如克拉玛依、欢 喜岭、辽河等，但是面对高速公路建设和养护的巨大需求，还是难以满足要 求，因此每年都需要相当数量的进口沥青来填补空缺【6 】。对于石料，我国与 发达国家的差距更大，石料的质量、生产的稳定性和规模等问题远非一日可 解决，在相当一段时间内会制约我国的公路发展。 除了沥青和石料的问题外，沥青混合料的设计方法也是影响沥青路面修 筑质量的一个重要环节。目前，我国常用的沥青混合料设计方法主要包括马 歇尔设计法、s u p e r p a v e 设计体系等。马歇尔方法是影响最为深远、应用最 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 为广泛的沥青混合料设计方法，统治了沥青混合料设计几十年，至今仍然占 主导地位。马歇尔设计方法基本上属于一种体积设计方法，它的最初发明是 借用士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，马歇尔设计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。然而，国内外的研究成果均表明，这些指标与 实际路用性能指标有较大差距。首先，在试件成型方面，马歇尔方法锤击次 数与实际路面材料的碾压功能和交通量大小都没有内在联系，马歇尔击锤的 冲击力与车辆车轮接地压强存在巨大差异，马歇尔试模对沥青混合料的约束 条件也与实际路面材料的受力条件不同，马歇尔的冲击压实方法不利于集料 的定向重排，造成混合料的密度较低，用它控制施工常常导致路面结构材料 密度偏小，空隙率过高( 对旧路面上沥青混合料的调查检验表明1 7 j ，大多数 路面使用一段时期后结构材料密度会大于试验室击实的马歇尔标准密度，即 压实度超过1 0 0 ) ，沥青混合料密度低的直接后果是材料强度低、在行车 荷载作用下易产生进一步压实、追密，从而使路面容易产生车辙、剥落。其 次，在进行马歇尔试验时，试件的受力方式、约束条件与路面结构材料实际 受力特点相差较大，所以试验指标( 马歇尔稳定度、流值) 与路用性能指标 之间一般无相关性，结果造成用马歇尔试验进行沥青混合料设计时，相对混 合斟的实际路用性能而言有很大的盲目性。另外，马歇尔设计方法在进行配 合比设计中，没有涉及如何设计最佳的集料级配，基本上按规范的级配中值 进行配制。 诺丁汉大学的学者对各种沥青混合料的力学性质用马歇尔试验与重复荷 载三轴试验、三轴蠕变试验、单轴无侧限蠕变试验进行了对比研究l “，结果 证实，在评估路面抗永久变形能力方面，马歇尔试验并不是个好的测定方法， 它不能分辨出混合料抵抗变形性能的优劣( 重复荷载三轴试验是最符合实际 情况、最有效的方法) 。文献【9 ，1 0 】也认为，马歇尔稳定度指标只能用来确定 沥青混合料的最佳用油量，不能用来评价现场混合料的好坏与表征路面的抗 车辙变形能力。美国密西西比航道试验站w e s ( w a t e r w a y se x p e r i m e n t s t a t i o n ) 于1 9 4 4 年开展的“h u b b a r d f i e l d ”设计法与马歇尔设计法的对比研 究试验成果也证实了这一点。因此，用马歇尔试验方法设计出的沥青混合料 印使满足了所有规定指标，仍不能保证混合料有较好的路用性能。故而，世 界各国都对最初的传统马歇尔设计方法进行了不同程度的改进，增减了试验 度量控制指标，最明显的趋势是增加了混合料的路用性能检验，如高温稳定 度、低温抗裂性、水稳定性等。所以，发展到现在，各国的马歇尔设计方法 第4 页西南交通大学硕士研究生学位论文 均有或多或少的差异。 石油危机、轴载加重和子午线轮胎的使用等都促使美国从1 9 8 7 至1 9 9 3 年投资2 亿美元进行战略公路研究计划( s h r p ) ，其中5 0 0 0 万美元用于沥 青与沥青混合料方面的研究，并于1 9 9 3 年正式推出其最终产品s u p e r p a v e i “】。 s u p e r p a v e 从一个全新的角度推出了道路科研的相关设备和方法，其研究已接 近高分子水平，世界各国反应较大。s u p e r p a v e 是基于体积法的混合料设计方 法，强调沥青混合料组成成分的体积指标，并将其集料空隙( v m a ) 、沥青填 充率( v f a ) 及空隙率( v v ) 等体积指标作为设计沥青混合料的主要控制参数， 其设计方法流程如图1 - 1 所示。s u p e r p a v e 设计体系比传统的m a r s h a l l 设计方 法前进了一大步，近1 0 多年来，该理论得到了不断深入研究和越来越广泛的 推广，然而，在预测路面性能之前仍需有多个工作步骤，进行一系列费用高 昂、操作复杂的试验；另外，现有技术评价和检测手法的不完善制约了 s u p e r p a v e 技术的发展，如在设计初期提出的v m a 、v f a 、w 等体积指标 值，设计过程中不得不通过重量比例关系间接得到，而由于密度的测量方法 众多，且误差较难控制，常常致使设计结果偏差较大，即所谓的按体积设计 按重量检测的矛盾。 虽然目前按照材料的功能要求设计材料在国民经济发展的许多重要领域 得到广泛应用，近十年来世界各国也投入了巨大的研究经费研究沥青混合料 的组成设计理论、方法及应用技术，但到目前为止按s u p e r p a v e 与m a r s h a l l 设计方法设计的沥青路面仍存在较多的工程病害，尤其早期破坏比较严重， 其中一个重要原因是s u p e r p a v e 设计体系与传统的m a r s h a l l 设计方法并未从 本质上对沥青混合料的性能加以研究，工程技术人员仍然需要依据经验来确 定沥青混合料的材料组成，并采用一些缺乏足够力学依据和实际验证的方法 来评价沥青混合料的路用性能f 1 2 d3 1 ，即多限于表象学的经验方法。该方法主 要有两种途径：一是经验关系式；二是室内试验。经验关系式是混合料的各 种包含物( 沥青胶结料、集料和空隙) 与混合料的基本特性( 如动态复合模 量、抗压强度、抗拉强度和劈裂强度) 之间的数理统计关系，而建立这种关 系时，试件的样本容量不可能很大，而且不得不忽略许多重要的影响因素， 因而在实际应用中很少采用经验关系式预测沥青混合料的性能，而不得不借 助大量的室内实验来研究沥青混合料宏观品质( 级配、空隙率、密度、沥青 含量等) 与路用性能( 高温抗车辙、低温抗裂、疲劳等) 问的关系。然而， 沥青混合料的微细观结构( 集料形状、尺寸及集料个体在混合料中的空间分 布状况，沥青薄膜厚度，沥青砂浆的空间分布等) 对混合料的路用性能起到 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 极为重要的影响作用，这在当前的s u p e r p a v e 与m a r s h a l l 设计方法中均未得 到充分考廖。 1 。2 研究的必要性和意义 随着我国对公路、尤其是高等级公路建设投资力度的加大，对沥青路面 提出了更高的、甚至是苛刻的要求。为了保证工程质量，我国高等级公路中 的沥青路面无一例外都要求采用进口沥青、改性沥青甚至是进口改性沥青， 使得路面造价剧增。造成这种现象的原因是人们认为沥青路面的性能主要依 赖于沥青粘结料的性能，依赖于混合料6 左右的沥青的性能。包括现行的 混合料设计方法，更多的是考虑沥青用量、沥青性能的变化【1 4 】。当混合料不 能满足要求时就通过改变沥青的用量或调整沥青品种来实现。为了摆脱路 面性能主要依赖于沥青性能”的困境，有必要对占混合料9 4 一9 5 的矿料进 行系统的分析和研究，分析不同的集料配比所形成的集料骨架结构，以及不 同的骨架结构、分布状况对混合料宏观性能的影响。 本质上，沥青混和料为典型的多相体复合材料，它以粗细集料颗粒作为 刚性固体、沥青材料为胶结体，从体积构成看，沥青混合料中绝大部分为集 料，约占沥青混合料体积的9 0 。沥青混合料中的集料、沥青砂胶与空隙的 体积组成对混合料力学性能及路用性能具有决定作用。合理的体积组成不仅 可以显著提高沥青混合料的力学性能，同时可以平衡对于沥青混合料多元技 术要求的复杂矛盾。另一方面，集料颗粒之阃的会产生嵌挤、摩擦作用。因 此集料各组分的物理力学性质、几何形态、它们之问的相互作用及混合料各 体积组成必然对沥青混合料的力学性质有很大影响。 对于散离体的集料固体，它们在受力状态下主要表现出弹性；而作为胶 结体的沥青材料则具有很强的温度敏感性，它在高温下为流体，在低温下则 为固体，常温下又为粘弹塑性体。与其它均值材料和水硬性胶凝材科相比， 沥青混合料结构比较松散，有较明显的颗粒散体材料力学特征。在实际工程 荷载作用范围内，沥青混合料又具有典型的粘弹塑性材料力学特征。由此可 见，沥青混合料的力学性质除了受外在状态变量，如加载方式，速率，应力 水平等影响外，还受材料的内在变量，如集料的性质、级配，沥青的品质、 用量，混合料的密实度等影响。在不同因素组合影响下，这种多相体复合材 料可以表现为弹性、粘弹性或者粘塑性，但在大多数情况下，它显示为多种 力学特征的共存。 第6 页西南交通大学硕士研究生学位论文 从微观角度看，混合料中的集料颗粒可视为刚性散粒体，它们随机地分 散在粘弹塑性的沥青砂浆介质中，形成具有空间网格的多相分散体系。一定 体积内，分散相的数量越多，分散系的模量越大：同时，由于集料颗粒之间 的嵌挤、摩擦作用，复合材料的抗压、抗剪强度也越高。从这个意义上讲， 固体颗粒级配及几何形态对复合材料的力学性质有着直接影响。文献【1 5 】研 究了集料的尺寸、形状、表面粗糙度对沥青混合料稳定度的影响。应当指出， 级配及几何形态的影响不只是简单地使混合料的某项力学指标增大或减小。 例如，沥青混合料内摩擦角对级配的变化就不太敏感【1 6 】；而矿料的9 5 r a m 筛 通过量对某些混合料的疲劳性能产生着较大影响【l l l 8 j ；文献 1 9 ，2 0 n 进一步 由试验证实，混合料中的细集料存在一个临界上限用量，超过该上限将导致 大小颗粒粒子相互干涉。另一方面，应力水平的高低也影响着混合料的力学 性能。在第一主应力水平较低的前提下，散粒体的回弹模量随密度的增加而 显著提高：然而在高应力水平的情况下，散粒体的回弹模量则几乎不受集料 密度的影响【2 1 1 。文献f 2 2 1 由此推论，集料密度存在一个极值点，超过该点， 回弹模量对密度的敏感程度将大大降低。在沥青混合料中，由于沥青的填充、 胶结作用，可能使混合料力学性能对密度的敏感程度进一步发生改变，但从 理想沥青混合料的试验结果可以看出，空隙率的增加一般来说会导致其流变 性的加大 2 3 , 2 4 l 。沥青胶结材料对复合材料力学性质的影响，更突出地表现在 高温下复合材料流动性的增强，导致内聚力的降低f 2 5 】。文献【2 4 ，2 6 】通过试验 证实，沥青混合料的集料仅起到提高起抗压强度的作用，而就其塑性流动而 言，混合料与纯沥青一样，对温度变化十分敏感。由此可以推论，混合料的 胶结材料含量需加以控制，过多的胶结料将改变复合材料内部的结构，使固 体颗粒互相分离，破坏材料内部原有的传力方式，降低混合料的强度，同时 增加复合材料对温度的敏感性i z 7 j 。 以前的一些研究工作尚未涉及影响复合体力学性能的两个重要因素：刚 性固体的颗粒级配以及几何形态。 目前世界各国无不以高质量的高速公路的建设作为长期性的战略目标。 但由于对沥青混和料的路用性能仍未从本质上加以研究，加之优质沥青资源 的严重不足，造成许多工程造价的偏高，公路质量难以得到保障，甚至引起 路面的早期破坏。为解决这个难题，可以从沥青材料的改性及集料的优选两 个方面加以考虑。而不论采用何种方法，对沥青胶结体与集料散离体相互作 用规律的掌握并应用于实际工程，将产生可观的经济及社会效益。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 国内外研究现状 随着交通量的快速增长和轴载的加重，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。国内外许多道路专家认为解决这些问 题的途径之一是调整集料的组成( 尺寸、形状、结构和级配) 1 2 8 3 1 】。肖源杰 等1 3 2 1 采用编制的图像处理程序，获取了五组颗粒形状特征不同的粗集料其 形状参数，运用单轴贯入试验分析了租集料形状参数对混合料抗剪强度的影 响。结果表明，粗集料各种形状特征参数对混合料抗剪强度都有不同程度的 影响，且扁平系数对抗剪强度的影响最大。文献f 3 3 j 通过三轴试验可以发现， 璐a l 喱的粘聚力与传统沥青混凝土相近，但其内摩阻力要显著高于传统沥青 混凝土，它的强度形成主要取决于骨料之间的内摩阻力和嵌挤力。同时， l s 舢讧的粗集料之间接触程度对其强度形成也有一定影响，骨架接触度增大， 由值增大，c 值减小；相反，骨架接触度减小，由值减小c 值增大。文献【3 4 】 认为骨架密实堑级配中租颗粒集料间彼此紧密相接形成相互嵌挤的骨架，细 集料填充于骨架空隙，而沥青与矿粉组成的胶浆作为结合料将粗、细集料粘 结在一起，形成一个整体。所以骨架密实型沥青混合料( s b l c 锄一d e n s e n e s 舳p h a l tc e m e n t ，简称s d a c l 不仅具有较高的力学结构强度，而且其温度稳定 性和抗水损坏能力良好。因此，骨架密实型沥青混合料的设计思路为：借鉴 s u p e w a v e 的限制区和控制点进行矿料级配设计，然后根据粗、细集料的堆积 特性对其骨架嵌锁特性进行评价、选择。采用马歇尔方法确定最佳油石比。文 献1 3 5 1 莉用图像分析技术和所建立的一系列基于图像的指标对租集科形态进 行了量化，进而分析了其对s a c 1 6 型沥青面层混合料抗剪性能的影响，结 果表明：图像分析技术是直接、客观地测量集料形状特征的强有力工具，粗 集料自身的物理特性如外观几何形状、棱角性、表面粗糙度和纹理性是沥青 混合料抗剪性能的直接影响因素，必须控制粗集料的轮廓形状、棱角性和表 面纹理指标于适当的范围，以控制混合料中扁平、棱角性尖锐和表面租糙颗粒 的含量。 空隙率是沥青路面设计中的一个很重要的指标，其值直接影响到沥青路 面的使用性能。研究表明，空隙率的大小与沥青路面的透水性、车辙深度、 疲劳寿命、弯拉劲度、强度等性能密切相关，因此，在沥青路面的设计中， 将空隙率作为个控制指标 3 6 4 0 1 。s u p e r p a v e 沥青混合料体积设计方法是 根据沥青混合料的空隙率、矿质集料间隙率、沥青填隙率等体积特性进行热 拌沥青混合料设计的【4 l 】。空隙率的确定涉及的因素很多，如矿料级配、沥 第8 页西南交通大学硕士研究生学位论文 青原材料的性质、沥青质量分数、毛体积密度、吸水率等，各种因素的影响 程度如何有待探讨。文献【4 2 】认为沥青混合料的压实空隙率存在一个合理的 范围，空隙率小于某一程度时沥青混合料的车辙变形主要以剪切流动为主， 而当空隙率过大时，除了增加沥青混合料继续压密的可能性，还将显著降低 沥青混合料的强度，增加渗透性。文献【4 3 】基于几种不同沥青材料及级配类 型的沥青混合料马歇尔试验数据，利用灰关联分析法分析了矿料级配、沥青 原材料的性质、沥青质量分数、毛体积密度、吸水率等指标对沥青混合料空 隙率的影响程度，并得出各相关因素对沥青混合料空隙率影响程度的排序结 果。研究结果表明：灰关联分析法用于分析诸因素对空隙率的影响能获得较 好的结果。基于灰关联理论的排序结果表明：沥青质量分数是影响空隙率最 主要的因素，粒径小于0 。0 7 5 m m 细集料颗粒尽管在沥青混合料中所占的分量 很少，但其影响程度却很高，因此，级配中应注意粒径小于0 0 7 5 m m 颗粒质 量分数的重要作用；吸水率值的大小既反映试件的密实程度又反映对有效沥 青含量计算的准确性，也是影响空隙率的重要因素。 文献f 4 4 】针对开级配沥青稳定碎石a t p b 具有矿料级配粗、空隙率高的 特点，其空间骨架结构方式是决定混合料传力方式的主要因素。为探讨其细 观特征，视a t p b 骨架由离散矿料组成，并采用数值模拟方法随机生成。分 析生成的混合料骨架，发现在现行规范推荐范围内，a t p b 2 5 骨架的构成既 与集料最大粒径有关，也受到矿料级配的影响，其中粒径大于6 0 m m 的矿料 主要起骨架作用，而粒径为4 7 5 6 0 m m 的集料在作为骨架组成单元的同时， 也可能处于大一级颗粒形成的空隙中，起着填充作用，显著影响混合料的空 隙率。文献【4 5 1 认为s m a 内部粗集料骨架结构既不是完全的有序也不是完全 的随机排列，所以其生成模拟应包括离散体的随机产生及集料的稳定判别两 个部分。并在v c + + 平台上开发出离散球体的堆积计算程序，将程序用于 s m a - 1 6 骨架结构的模拟，发现描述s m a - 1 6 试件内部结构的粗集料骨架间隙 率、配位数等指标对集料的级配以及结构边界约束条件非常敏感。 文献【4 6 】表明在沥青混合料级配设计理论中，用主骨料间隙率来评价骨 架排列紧密程度。在集料填充过程中，次级集料的填充是填充和干涉并存的， 次级集料逐步填充是偶然干涉和必然干涉交替出现的。文献【4 7 】通过变动粗、 细集料间的比例用量及粗集料间某档料的通过率而获得一系列的矿料级配进 行室内试验，结果显示( 1 1 矿料级配对s m a 混合料的体积参数有重要的影响， 其中对v v 与v c a m i x 的影响非常显著。对高温稳定性要求高的重交通路段 或炎热地区，应选取偏粗的矿料级配；对于多雨地区，应选取4 7 5 m m 通过 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 率稍大些的级配组成，以保证s m a 混合料的空隙率小些且具有良好的构造 深度。( 2 ) 粗集料起骨架、细集料起填充而中集料起双重作用，细集料更能影 响v v 与v c a m i x 的变化。( 3 ) 矿粉对v v 与v c a m i x 的影响明显，它还影响 旋工的和易性。“) 油石比对s m a 的体积参数有影响。文献 4 8 1 认为v c a 可 作为s m a 混合料租集料间嵌挤啮合效果的评价指标，但v c a 值并非越小越 好，对特定集料品种来说应有一范围约束。 文献 4 9 1 表明，沥青混合料压实特性的主要影响因素是细集料级配曲线 范围和沥青用量，当压实应力增加时，间断级配沥