（道路与铁道工程专业论文）沥青混合料剪切性能试验研究.pdf

摘要 目前常见评价沥青混合料的高温性能的试验方法有：三轴压缩试验、单 轴蠕变试验、轮辙试验，这些试验方法在评价沥青混合料高温性能方面有一 定的局限性。论文主要运用美国公路战略研究计划( s h r p ) 开发的剪切试 验仪，从机理上分析沥青混合料发生的永久变形，指出混合料的剪切应变主 要是在交通荷载下粗集料位置的重新调整和剪切流动引起的。 通过对九种沥青混合料进行恒高度重复剪切试验( r s c h ) 的研究，认 为r s c h 能够较好地评价不同级配、沥青、剪切应力、油石比和温度对混合 料抗贾切性能的影响。相关试验指标( k i 、k 2 、n 和y 等) 能反映沥青混合 料重复剪切试验开始、进行、结束时的抗剪切能力，较好地评价了沥青混合 料高温永久剪切变形的全过程。并且指出沥青路面出现高温破坏与剪切应力 的大小有直接的关系。 通过沥青混合料进行恒高度频率扫描试验( f s c h ) 试验发现随着频率 的增加，混合料的复数剪切模量增大。f s c h 试验得到的不同频率下的g + 和g + s i n6 能较好地评价不同的混合料的抗剪切性能，各级配沥青混合料相 位角的试验结果不能反映沥青混合料的抗剪切性能；沥青混合料的抗剪切性 能随着沥青结合料的抗剪切性能的提高而增加的，且结合料与混合料复数模 量成幂函数的关系。 通过正交设计得出了各因素对混合料剪切性能影响程度的大小顺序。在 本试验各因素水平变化条件下，各因素对混合料剪切变形的程度由大到小的 次序为：剪切应力一试验温度一级配类型一间歇时间一沥青品种一沥青用 量。 关键词：沥青混合料；剪切性能；剪切试验仪；正交设计 a b s t r a c t c u r r e n t l y ，t h e r ea r et h r e em a i nt e s tm e t h o d s t oe v a l u a t et h eh ig h t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c eo fb i t u m i n o u sm i x t u r e ：t r i a x i a lc o m p a c t i o nt e s t 、s i n g l e a x i a lc r e e p t e s t 、r u t t i n gt e s tb u tt h e yh a v ec e r t a i nl i m i t a t i o n si ne v a l u a t i n gt h eh i g h _ t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l tm i x t u r e t h i sp a p e ra n a l y z e st h er e a s o n sw h yp e r m a n e n t d i s t o r t i o nf o r m sm a i n l yb yu s i n gt h es h e a rt e s ta p p a r a t u sd e v e l o p e db ys h r p ，a n d p o i n t so u tt h a tt h es h e a rs t r e s so ft h em i x t u r ei sm a i n l yc a u s e db yt h er e a d j u s t i n ga n d s h e a rf l o w i n go ft h ea g g r e g a t ew h e ns u b j e c t e dt ot r a f f i cl o a d a c c o r d i n gt ot h er s c hr e s e a r c h o n9k i n d so fb i t u m i n o u sm i x t u r e s ，i t d e m o n s t r a t e dt h a tt h er s c hc a nc o m p a r a t i v e l y w e l le v a l u a t et h ei n f l u e n c eo f g r a d u a t i o n 、a s p h a l tb i n d e r 、s h e a rs t r e s s ，o i l a g g r e g a t e r a t i oa n dt e m p e r a t u r eo n m i x t u r e ss h e a rp e r f o r m a n c e t h er e l a t e de x p e r i m e n ti n d e x e sc a nb eu s e dt oe v a l u a t e t h es h e a rp e r f o r m a n c e sr e s p e c t i v e l ya tt h eb e g i n n i n g ，d u r i n gt h em i d d l ea n da tt h e e n do f t h er e p e a t e ds h e a rt e s t ，w e l lr e f l e c t i n gt h ew h o l ep e r m a n e n td i s t o r t i n gp r o c e s s o ft h ea s p h a l tm i x t u r ei nh i g ht e m p e r a t u r e a tt h es a m et i m e ，i ti sp o i n t e do u tt h a t t h e r ei sad i r e c tr e l a t i o nb e t w e e nh i g h - t e m p e r a t u r ef a i l u r ea n dm a g n i t u d eo ft h es h e a r s t r e s so ft h ea s p h a l tm i x t u r e t h r o u g ht h ef s c ht e s t ，t h ev a l u e s o fg + a n dg + s i n 口u n d e r d i f f e r e n t f r e q u e n c i e sw e r eo b t a i n e dw h i c hw e r eu s e dt oc o m p a r a t i v e l yw e l le v a l u a t et h es h e a r p e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l tm i x t u r e ，b u tt h es t a g ea n g l eo b t a i n e dc o u l d n tr e f l e c tt h a t t h es h e a rd e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h a to f a s p h a l tb i n d e rw h i c hh a sap o w e r f u n c t i o nr e l a t i o n s h i pw i t ht h ep l u r a lm o d u l u so f t h ea s p h a l tm i x t u r e b yt h eo r t h o g o n a lt e s t s ，t h eo r d e ro ft h ev a r i o u sf a c t o r sw a so b t a i n e da c c o r d i n g t ot h ed e g r e et ow h i c ht h e yc o u l da f f e c tt h es h e a rd i s t o r t i o no ft h ea s p h a l tm i x t u r e t h eo r d e ri sa sf o l l o w s ：s h e a rs t r e s s e x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r e g r a d a t i o nt y p e i n t e r v a l - a s p h a l tt y p e a s p h a l tc o n t e n t k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ；s h e a rp e r f o r m a n c e ；s h e a r i n gt e s t e r ；o r t h o g o n a lt e s t 长沙理工大学 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 他个人或集体己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：渺胡a 九日期：站年上月习。臼 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。本人授权长沙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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：脚矿纨日期：站年j 月玎日 导师签名 日期：年月日 1 1 论文研究的目的、意义 第一章绪论 沥青路面是以沥青材料和矿料而修建的面层与各类基层和垫层所组成的路面 结构，它具有无接缝、平整度好、噪音低、振动小、施工期短、便于养护维修方 面及外形美观等优点，在道路工程中得到了广泛的使用。因此，提高沥青路面 的使用性能、减少沥青路面的破坏，成为道路工作者非常关注的问题。 沥青路面产生破坏的主要原因：一是夏季高温时因抗剪强度不足或塑性变形 过大而引起的高温破坏；二是冬季低温时抗拉强度不足或应力松弛模量降低太慢 而抵抗变形能力较差，引起的温度开裂；三是沥青路面经受车轮荷载的反复作用， 长期处于应力应变交迭变化状态，致使疲劳损伤不断累积，当荷载重复作用超过 一定的次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降的结构抗力， 使路面产生疲劳破坏1 2 l 。 沥青混合料的剪切破坏主要是沥青混合料的高温稳定性不足，在荷载作 用下产生变形和剪切推移，致使路面出现过大的车辙和拥抱等现象”。因 此，多年来，对于沥青混合料的抗剪性能的研究也主要着眼于材料的高温稳 定性。 目前常用的评价沥青混合料抗剪能力的指标有： 1 ) 三轴压缩试验 为了了解沥青混合料在高温时的稳定性，需要验算其抗剪强度。三轴试验是 测定混合料的粘结力c 和内摩擦角由两项指标，以此评价混合料的抗剪强度。该 方法采用闭式三轴试验，其受力模式模拟路面材料在荷载作用下的受力状态。变 化侧向应力03 ，以定速率施加竖向应力，即可得到o3 0l 的关系曲线。由曲 线中的直线段的斜率s 和截距i 即可求出粘结力c 和内摩擦角巾值。该试验方法 操作比较复杂，因此在工程中应用较少。 2 ) 单轴蠕变试验 采用圆柱试件，施加一定的荷载盯，则试件将产生压缩变形，以变形随时间 变化速率来评价沥青混合料抵抗流动变形的能力。 3 ) 轮辙试验 模拟实际路面的受力状态，采用轮碾成型的方形试件，其上施加可以以一定 速率行走的车轮，其接触压力为o 7m p a ，试件变形1 m m 车轮走行的次数即动稳 定度值评价沥青混合料抗永久变形的能力。这种方法虽然是目前沥青混合料高温 稳定性的评价方法和沥青混合料设计过程中的控制指标，但是，这一方法在评价 沥青混合料抗剪强度方面有一定的局限性，并不能反映路面实际的抗剪能力。 1 2 国内外研究现状 沥青混凝土路面抗剪强度，是指其对于外荷载产生剪切的极限抵抗能 力。当沥青混凝土路面中某点由外力产生的剪切力达到其抗剪强度时，就会 出现剪切破坏。目前一般都倾向采用1 8 世纪库仑提出的内摩擦理论来分析 沥青混合科高温抗剪强度和稳定度，其抗剪强度r 通过三轴剪切试验方法和 应用莫尔一库仑理论来计算，即： f 2c + o t g o ( 1 1 ) 式中：f 一一沥青混合料在某一平面上产生的剪切力，m p a ： c 一一沥青混合料的粘结力，m p a ： 6 一一沥青混合料的内摩擦角； 盯一一法向应力。 由式( 1 1 ) 可知，在一般的荷载范围内，沥青混合料的抗剪切强度与外内法 向应力之间呈直线关系，并主要取决于材料粘结力c 和内摩擦力两个参数。法向 应力越大，则内摩擦阻力对抗剪强度贡献越大。 如果已知在某一平面上作用着法向应力口和剪应力7 ，则由f 与抗剪强度f f 的对比，可能有下列三种情况： f 7 f ( 在库仑强度破坏线上方) ，破坏( 或称塑性破坏) 。 由此可见，沥青混合料中某点濒临剪破状态的应力条件必须是法向应力。和 剪应力7 。达到了抗剪强度7 f 的条件，即剪切面并不发生最大剪应力f 。的作用 力( 口= 4 5 。) 上。 莫尔一库仑理论评价抗剪强度存在的局限性： 首先莫尔库仑理论分析问题的前提是把沥青混合料视作剪切破坏前不变形的 刚塑体。事实上，沥青混凝土在高温时呈粘弹塑性状态，只有按照流变力学的观 点研究其应力和应变规律性，才能真实地反映实际情况。由于粘弹塑性体的力学 性质的复杂性，对其高温时的失稳破坏机理的研究是不够的，还没有将强度和变 形有机联系统一考虑的研究成果。有些研究者建议直接采用高温强度模量指标， 用来作为沥青混合料状态下的设计参数和性能评价指标。 2 其次是该理论主要适用于在温度较高时评价沥青混合料的抗剪强度。当温度 较低时，由于受沥青粘滞性影响，粘聚力c 是温度的函数，低温时c 值较大，而 内摩擦角基本不变，仃值是受剪损时法向压应力，也较小，故o - t g 值较小，粘结 力c 起主要作用。此外，无论高温和低温采用三轴试验求取粘聚力c 和内摩擦值 6 ，较为困难。 从2 0 世纪三十年代开始，美国道路研究者对沥青混合料的抗剪强度进行了大 量研究，到五六十年代达到高潮，其中比较有代表性的为n o r m a nw m c l e o d 。 n o r m a nw m e l e o d i i 详细阐述了已有试验方法和设计方法中存在的不足，指出利用 马歇尔方法中的稳定度从严格意义讲只是一种经验的方法，不足以描叙路面的实 际受力状态如剪切强度和其他的基本物理性能，也不能表明道路实际的使用性能。 同时，利用经验的设计方法存在许多不足，那就是在路面设计中难免会出现设计 标准过高和过低的情况，标准过高会造成经济上的浪费，过低则会造成道路的强 度不足，从而出现道路的初期损坏。他发现利用经验的试验方法如马歇尔方法和 其他的类似方法得到的混合料其稳定度值均满足要求，但是道路很快就产生了破 坏。n o r m a nw m c l e o d 还对混合料力学性能从三方面进行了系统的研究： 1 ) 静载作用条件下的路面抗剪强度； 2 ) 考虑轮胎内力分布时路面抗剪强度； 3 ) 考虑刹车以及车辆加速时有水平剪应力条件下的路面抗剪切强度。 在研究中，n o r m a nw m e l e o d 把轮胎的接地分布压力图融入对路面的力学分 析中，根据轮胎的接地分布压力分布不均匀的特性，提出了不同的设计标准，得 到了基于直线包络线下的路面抗剪的设计诺模图。在后来的研究中他还给出了基 于曲线包络线时的路面抗剪的设计方法，使试验数据更加符合道路的实际受力状 态。为了消除重载对道路产生的破坏，尤其是剪切破坏，n o r m a n m c l e o d 提出 了一种新的轮胎样式，改进的轮胎可以随着车辆轴重的增大，其相应的接地面积 也增大，进而使路面产生的剪应力降低到可承受的水平。应该说，n o r m a n w m e l e o d 是第一个系统研究道路抗剪的人，他提出的设计方法在后来的科研工作 中产生了重要的影响。但是该设计涉及的未知参数太多，在设计中很难操作，所 存在的不可知因素很难有一个定量的把握。因此，在后来的道路设计中未能推广 应用。 v a e n d e r s b y 首先提出如何制备在三轴试验条件下的沥青混凝土试件，他并 且提出了具体的试验方法 ”。 l w n i i b o e r 利用由三轴测得的数据进行混合料设计。为了使设计更加完善， 他利用p r a n d t l 公式对塑性条件下的混合料进行了平估l g l 。 1 9 4 9 年，当时的道路界权威人事v r s m i t h 在a s t m ，发表了“利用三轴稳 定度进行柔性路面的设计”o 】。他利用弹性理论的方法系统全面的阐述了道路的 剪切受力状态，并且给出了三轴试验方法所采用的类型，加载速度和温度对试件 的抗剪能力影响，从试件制备到数据的整理都给出了完备的理论分析和详细的步 骤，并把试验结果与其他的方法进行了比较分析，提出了沥青混合料的破坏标准， 最后提出了混合料应该满足的物理性能，并给出了在不同荷载条件下混合料应达 到的抗剪要求，提出诺模图。 g o e t za n dc h e n 考虑到三轴试验时利用液体加侧向力比较复杂，对三轴试验 仪器进行了改进，利用气压进行加压。利用这种试验方法，他对不同的集料类型、 不同的沥青含量、以及不同条件下的加载速率进行了抗剪性能的分析，得到了一 些结论： 1 ) 不管侧压有多大，沥青的最大抗剪强度并不发生在混合料密度最大时，而 是发生在略小于最大密度时混合料中。 2 ) 沥青的最大粘聚力也不是发生在混合料密度最大时，而是发生在略小于最 大密度时混合料中。 3 ) 随着沥青含量的增加，内摩擦角减小。 4 ) 内摩擦角与加载速率无关。 g o e t za n dc h e n 还对开级配沥青混凝土进行了抗剪性能的分析，对马歇尔试 验方法和三轴试验方法从几个方面进行了比较和对比，最后得出了马歇尔试验方 法可以代替三轴试验方法的结论。 w s h o u s e l 利用三轴试验方法对沥青混合料进行了力学方面的解释，指出了 粒料的真实受力特征其实是一种拱联效应，并给出了相应的剪切计算公式d 3 - n 1 。 2 0 世纪七八十年代，为了研究应力在道路中的分布规律，b h s u b b a r a j u 制 作了试件，并在其中埋入了传感器，同时施加荷载进行剪应力的测试和分析，并 给出了具体的力学计算公式1 。w i l l i a ml h e l w i t t 利用理论抗剪公式给出了柔性 路面的设计方法，同时与t e x a s h i g h w a y d e p a r t m e n t 的设计方法进行比较，得出： 利用纯理论的公式计算的路面厚度，只能用于中等交通量道路的设计，如果希望 用于其他道路的设计，必须增加一个交通因子或者安全因子，其值为1 2 ，之后 可以利用抗剪公式进行中交通道路的设计。在文章中，w i l l i a ml h e l w i t t 还与其 他的如利用马歇尔设计方法进行了比较，得出了利用抗剪公式进行设计得出的结 果更为合理一。最后，为了应用上的方便，给出了设计用的诺模图。 e d w a r ds b a r b e r 给出了路面在水平剪应力和垂直力同时作用条件下道路的 受力状态，并且指出，道路设计中必须考虑水平剪应力的作用，在水平力和垂直 力共同作用下，路面结构中产生的剪应力大大增加，反过来说，路面结构的稳定 性下降l 。 d a l l sn l i t t l e 利用八面体剪应力的方法对基于刚性基层上的沥青罩面层进行 了分析。分别分析了罩面厚度、层间连接条件、罩面材料劲度不同时面层内的八 面体剪应力的分布规律：以及有否水平剪应力时八面体剪应力的分布规律。并且 给出了利用八面体剪应力分析混合料力学性能的实现方法，最后与m e l e o d 的设 计方法进行了比较 i l l 。 k i r y u k h i n t ”1 在第八届国际沥青会议上提出了利用抗剪特性和控制裂缝进行 路面设计的方法，但并没有提出具体的试验方法和可操作的控制标准。 19 7 2 年h o f s t r a i ”l 认为翦切变形是永久变形的主要机理。1 9 8 7 年e i s e n m a n n 等证明了剪切变形的等级性。在前人的研究基础上，1 9 9 4 年s o u s a 等提出了永久 变形产生的两种机理：压密( 体积变形) 和剪切变形( 体积不变) 。而且剪切变形 代表了绝大部分路面的变形行为，在这阶段，轮胎作用下区域的体积减少约与毗 邻隆起区体积增加相等，主要是由于沥青混合料塑性流动引起的。 同济大学的毕玉峰分析当前道路出现的许多损坏的原因，得出道路的损害是 与混合料抗勇性能不足引起的。他还利用当前车辆使用最多的两种轮胎进行道路 中的拉剪应力分析，发现当前许多道路中其早期的位于轮迹带上的纵横向裂缝并 非拉应力所致，而是超重轮载产生的较大的剪应力造成的i ：”。 以上所有试验方法在后来的设计和施工控制中并没有被广泛采用，应该说只 是在理论上做了必要的尝试，原因只有两个：1 ) 试验方法复杂，仪器费用昂贵， 操作困难：2 ) 没有形成统一的标准，在设计和施工中难以采用和控制。另外，沥 青混合料抗剪性能的研究大都是在4 0 和5 0 年代进行的，那时的材料、施工以及 设计与现在相比不可同日而语。因此，在当前的交通和材料以及道路结构中，如 何考虑抗剪性能也就变得迫在眉睫了。 可见，目前对于沥青混合料抗剪强度的研究还局限在评价沥青混合料抗永久 变形的能力，没有人对混合料的抗剪特性提出简便有效的试验方法和相应控制标 准，而对于路面在剪应力作用下的抗剪切作用的能力还有待于进一步深入研究。 1 3 论文的研究内容 本论文主要是对沥青混合料的抗剪强度进行试验研究，通过利用美国公路战 略研究计划s h a p 开发的剪切试验仪( s u p e r p a v es h e a rt e s t e r ，简称s s t ) 进行 试验，目的是为了了解沥青混合料抗剪切的规律，为沥青混合料设计提供试验依 据。 1 ) 通过沥青的动态剪切流变仪( d y n a m i cs h e a rr h e o m e t e r ，简称d s r ) 剪 切试验和s s t 的恒高度频率扫描试验( f r e q u e n c ys w e e pt e s ta tc o n s t a n th e i g h t ， 简称f s c h ) 试验得出沥青结合料与混合料在不同情况下的抗剪切能力。通过分 析沥青与沥青混合料复数模量之间的关系，以期定量得到沥青对沥青混合料的抗 剪能力影响。 2 ) 利用s s t 的恒高度重复剪切试验( r e p e a t e ds h e a rt e s ta tc o n s t a n th i g h t ， 简称r s c h ) 试验评价沥青混合料的抗剪切强度能力，分析沥青混合料在高温条 件下剪切压密形过程，以期得到永久变形与剪切压力之间的相关性。 3 ) 分析沥青混合料抗剪强度的影响因素，主要从内部因素出发，通过正交分 析方法研究荷载间歇时间( a ) 、剪切应力( b ) 、试验温度( c ) 、级配类型( d ) 、 沥青品种( e ) 和沥青用量( f ) 等因素，找出对沥青混合料抗剪强度影响较大的 因素，为试验的参数提供依据。 2 1 概述 第二章沥青混合料设计 沥青混合料设计的内容是确定粗集料、细集料、矿粉和沥青材料的相互配合 组成比例，使之即满足沥青混合料的技术要求又符合经济性原则。 一个良好的矿料级配组成应该是在高温稳定性容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相互作用创造良好条件，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 有较高不透水、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，多年来国内外大都趋向于采用密实型级配【圳。 但是，连续密级配混合料虽然可以获得最佳的密实度和较大的粘结力，却不 能构成最大的内摩擦阻力，其强度主要受粘结力所左右，在重型汽车交通荷载作 用下，路面因热稳定不足而产生车辙、波浪、推移等变形，从而影响正常使用。 我国有许多高速公路在通车1 2 年甚至更短的时间内就发生了大面积的破损， 有些高速公路通车仅9 个月就开始破坏迹象，不到一年就由于大面积破坏严重而 不得不将原沥青路面铣刨后重新铺筑【 】。 为了使沥青混合料能满足高温稳定性，世界各国进行了许多研究：如德国使 用的s m a ，法国和西班牙使用的b b m ，英国使用的h r a 和c m h b ，美国德克萨 斯州开发的c m h b ，以及我国首创的s a c 和a k 等，这些新型混合料的出现解决 了沥青路面的许多难题，其中1 9 9 3 年完成的美国战略公路研究计划对沥青材料、 沥青混合料及沥青路面性能等各个领域进行了系统、全面的研究，取得了一系列 成果 2 2 1 。 s h r p 开发的s u p e r p a v e ( s u p e r i o rp e r f o r m a n c ea s p h a l tp a v e m e n t s ) 级配限制区 近年来引起了许多争议，2 0 0 0 年a a s h t o 提供的标准m p 2 。0 0 “s u p e r p a v e 混合 料体积设计标准”建议在选择合成集料级配时不要通过禁区。由n c h r p 9 1 4 的 “s u p e r p a v e 级配限制区的研究”得到“在满足s u p e r p a v e 集料棱角性要求和其 他体积性质情况下，级配限制区是多余的”1 23 , 2 4 1 。 但是由于我国对沥青路面的研究时间还比较短，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，马歇尔和维姆法设计的沥青混合料其路用性 能有较大的不足。因此本文将考虑沥青混合料高温剪切性能的基础上参照 s u p e r p a v e 方法设计沥青混合料。 2 2 原材料试验 2 2 1 沥青的基本性能 本研究针对实际情况选用三种沥青，即泰普克改性沥青、7 0 号和3 0 号。按 照规定的方法测定三种沥青的针入度、软化点、延度、闪点和密度等指标l 。还 利用了s u p e r p a v e 胶结料规范，考虑改性沥青和7 0 号沥青的路用性能特别是高温 剪切性能。表2 ，l 表2 4 分别给出了三种沥青基本性能的试验结果。 表2 1沥青常规试验结果 改性沥青7 0 号沥青3 0 号沥青 试验项目 试验技术试验技术试验技术试验 结果指标结果指标结果指标方法 针入度( 2 5 o i m m )5 9 18 0 l o o6 9 76 0 8 03 32 0 4 0t 0 6 0 4 延度( 5 ，5 c m m i n ) 4 6 5 4 0 1 0 0 1 0 01 5 5 0t 0 6 0 5 软化点( 环与球法) ( ) 6 7 5 04 6 74 3 4 45 6 15 3t 0 6 0 6 蜡含量( )2 33 。d2 63 ot 0 6 5 2 5 弹性恢复( ) 7 5 6 0 t 0 6 6 2 溶解度( )9 9 7 9 9 99 9 89 9 59 9 6t 0 6 0 7 9 9 5 密度2 5 ( g c m 3 ) 1 0 2 11 0 3 11 0 l8t 0 6 0 3 质量变化( ) o 7 8 5 57 0 5 86 86 2t 0 6 0 4 残留物 延度( 5 ， 3 0 2 52 0 15 t 0 6 0 5 5 c m + m i n ) 表2 2 泰普克改性沥青s h r p 试验结果 原样沥青 试验温度( )6 01 3 51 6 5 布氏粘度 13 5 c 粘度( 3 p a s ) 38 6o 4 4 3o 2 0 9 试验温度( )6 47 07 6 8 2 动态剪切 g * s i n 占( 1 0 k p a ) 5 0 83 0 71 8 0o 9 2 旋转薄膜烘箱后残留物 质量变化( ) 0 1 3 9 试验温度( )6 4 7 07 68 2 动态剪切 g + s i n 占( - - 22 k p a ) l o 1 462 130 51 7 4 压力老化后残留物 试验温度( )1 6 】92 2 动态剪切 g + s i n d ( 5 m p a ) 5 9 037 42 6 7 试验温度( ) 6一1 218 低温弯曲试验蠕变劲度s ( 3 0 0 m p a )2 7 58 422 0 4 m r 03 0 0 )0 4 8 30 3 8 302 8 6 表2 3 泰普克7 0 号沥青s h r p 试验结果 原样沥青 布氏试验温度( ) 6 013 51 6 5 粘度135 粘度( 3 p a s )2 6 00 4 5 6o 1 0 3 动态试验温度( ) 6 47 07 6 剪切 g * s i n d ( 1 0 k p a ) 27 11 2 40 6 5 旋转薄膜烘箱后残留物 质量变化( ) - 0 1 0 5 动态试验温度( ) 6 47 07 6 剪切 g * s i n o ( 2 2 k p a ) 6 4 02 8 11 3 7 压力老化后残留物 动态试验温度( ) 1 92 22 5 剪切 g * s i n d ( 5 m p a ) 7 6 95 9 34 3 6 试验温度( ) 6i2 一i8 低温弯 曲试验 蠕变劲度s ( 3 0 0 m p a )3 7 41 0 233 2 1 m ( 03 0 0 ) 05 2o3 1o2 4 9 试验结果表明：三种沥青的软化点、针入度指数、延度等都满足设计及公 路沥青路面施工技术规范( j t g f 4 0 2 0 0 4 ) 的要求。根据s h r p p g 分级规范得 到改性沥青为p g 7 6 2 2 ，7 0 号沥青为7 0 2 2 。 2 2 2 集料的基本性能 2 2 2 1 物理指标 采用广西的石灰岩和英安岩，由粗集料、细集料和矿粉组成。按照规定的方 法测定集料的物理指标1 2 6 i ，具体数据见表2 4 。 表2 4 集料物理指标试验结果 石灰岩 英安岩 编 表观密毛体积毛体积 规格有效密吸水裘观密 有效密吸水 号度密度密度 ( g m )( g m 3 ) 度( g m 3 ) 率( ) 度( g m 3 )度( g m3 ) 率( ) ( g m 3 ) 13 1 5 2 6 52 7 9 62 7 5 32 7 7 50 5 7 2 2 6 5 1 92 7 8 82 7 4 02 7 6 4o 6 3 31 9 1 62 7 9 9 2 7 4 62 7 7 2o 6 9 4 1 6 n 13 22 8 0 22 7 5 22 7 7 70 6 52 6 2 02 5 2 02 5 7 01 5 1 0 51 3 2 - 9 52 8 0 2 2 7 5 i2 7 7 6o 6 62 6 0 62 5 0 32 5 5 4i 5 7 9 69 5 n 4 7 52 7 9 62 7 2 127 5 90 9 82 6 4 l 2 4 6 92 5 5 52 6 3 9 74 7 5 2 3 62 7 6 427 6 42 6 7 224 8 8 2 5 8 0 2 7 7 1 8 2 3 6 1 182 7 4 42 7 4 42 5 4 62 3 7 52 4 6 02 _ 8 2 5 91 18 0 62 7 3 42 7 3 42 5 3 72 3 6 3 2 4 5 02 9 0 2 1 00 6 0 32 6 8 42 6 8 425 2 82 3 5 324 4 1 2 9 4 2 1 1 0 3 0 1 52 6 152 6 152 5 2 62 3 5 02 4 3 82 9 6 2 1 2 o 1 5 n 0 0 7 5 2 7 8 6 2 7 8 62 2 9 72 i5 02 2 2 429 7 2 2 2 2 3 集料力学指标试验结果 表2 5集料力学指标试验结果 集料名称压碎值( ) 磨耗值( )磨光值( b p n ) 石灰岩1 7 62 0 7 英安岩 2 1 41 9 94 3 规范要求2 83 04 2 试验结果表明：集料的物理力学指标均满足设计及要求【2 7 l 。 2 3 沥青混合料设计 2 3 1 沥青混合料级配设计 本论文沥青混合料采用了六种级配结构，其中表面层用a c 一13 、s m a 1 3 及 o g f c 一1 3 三种级配，中面层用a c - 2 0 、s a c 一2 0 和s u p 2 0 三种级配，结构如表2 6 ： 表面层用英安岩，中面层采用石灰岩。 表2 6 沥青混合料级配 通过h - ：f l 筛( m m ) 的质量百分率( ) 混合料类型 2 6 5 1 9 1 6 13 2954 7 523 61 180 6o 30 150 0 7 5 a c l3l o o1 0 0lo o9 306 804 6 02 7 02 3 0l5o13 9 o 8 0 s m a - 13 1 0 0 10 0 1 0 0 9 5 06 2 52 7o2 051 9 016 013 01 2 01 00 o g f c i31 0 0l o o1 0 09 336 782 30l3 81 0 28 1635 14l a c 2 01 0 09 7 58 6 o7 4 5 5 9 04 2 52 9 018 0l3 09 08 o6 0 s a c 一2 0 1 0 0 9 5 08 3 87 3 45 9 13 352 4 418 2l5 11 1 49 18 0 s u p - 2 0 1 0 09 4 68 2 47 l35 683 5 02 2 31 713 69 48 07o 2 3 2s u p e r p a v e 旋转压实 1 9 9 3 年完成的美国公路战略研究计划( s h r p ) 提出了一种采用旋转压实仪 ( s g c ) 搓揉成型试件的方法。这种成型方法将压实条件和交通量条件建立起了更 加密切的关系且压实过程更接近于实际路面的压实效果，减少了集料在压实过程 中的破碎，集料形状排列更接近于实际路面情况。 s g c 的基础是得克萨斯旋转压实仪，后来被改进用于法国旋转压实仪的压实 原理。改型的得克萨斯旋转压实仪满足试件仿真压实的目的，且相当轻便。其试 样直径6 英寸( 在s g c 上最大15 0 m m ) ，可适用最大尺寸达5 0 m m ( 公称最大尺 寸3 75 m m ) 集料的混合料，s h r p 研究者通过降低旋转角度和速度以及增加实时 的试件高度记录能力，对得克萨斯旋转压实仪进行改进，s g c 示意图如图2 1 所 示。 加载机构靠反力架施压，并施加荷载至加载头对试件产生6 0 0 k p a 的压实压 力。在施工过程中压力计量测加载头加载，此时压力保持不变。s g c 试模( 图2 2 ) 内径15 0 m m ，试模底部的底板在压实过程中提供限制。s g c 的底座在压实过程中 以每分钟3 0 转的恒定速度旋转，而试模压实角度设置在1 2 5 。 图2 1 旋转压实仪( s g c ) j m g g 盛力 6 0 0 k l 3 一。垂 l s o n l m 谜 矗 图2 2s g c 试模配置图 试件高度量测是s g c 的重要功能。压实过程中可以通过已知试模中材料的质 量、试模内径和试件高度来估算试件密度，高度是在试验中通过记录加载头的位 置来量测，用这些量测结果可得到试件的压实特性。 在s u p e r p a v e 中压实水平是设计旋转压实次数nn # 的函数，用n * 来区别 设计混合料压实功能的不同，它是交通水平的函数，交通水平由设计累计标准轴 次e s a l 表示 2 2 l 。 本论文设计取累计标准轴次为1 0 3 0 1 0 6 次，n = 1 0 9 来研究沥青混合料现 场压实特性。 试件成型时将改性沥青混合料在拌和温度1 6 8 1 7 5 下进行拌和，然后在压 实温度l5 5 1 6 l 下老化2 小时5 分钟；7 0 号及3 0 号沥青的混合料在拌和温 度15 6 1 6 2 下进行拌和，然后在压实温度1 4 5 l5 0 下老化2 小时5 分钟。 采用旋转压实机( s g c ) 旋转1 0 9 次成型试件。 采用体积法的方法确定各沥青混合料的最佳油石比，首先初始试用一个沥青 用量，采用表干法测定试件的毛体积密度，采用公式2 1 得到试件的空隙率： v v = ( 1 一上) 1 0 0 ( 2 1 ) y 式中：v v 一一空隙率，； “ y 一一毛体积密度，g c m 3 。 其中试件的理论密度采用计算法计算，见公式( 2 2 ) ，集料密度取集料毛体积 密度与视密度的平均值。 r l = 五百1 0 0 面+ p o ( 2 2 ) p l ，p 2p i p 。 、 y l，2，。y 。 式中：一一理论最大密度，g c m 3 ； p 。一一油石比，； 儿一沥青密度，g c m 3 ； p 。p 。一一各种矿料占矿料总质量的百分比，； 厂，一一一各种矿料的密度，g c m 3 。 如在试用的沥青用量时沥青混合料空隙率为4 ，则计算各体积指标与标准 比较，并完成此混合料分析。如在n 一的空隙率不为4 ，则用公式( 2 3 ) 计算空 隙率为4 时，在n 设计的估算沥青用量。 p # = p - ( 0 4 ( 4 一v v 。) ) ( 2 3 ) 式中：p * n 一一估算的沥青用量，； p ”镕一一初始试用的沥青用量，； v v 。一一初始试用的在在n * ”的空隙率，。 然后在试验混合料在估算的沥青用量、估算的沥青用量o 3 和+ o 6 各压实 两个试件，并计算沥青混合料各体积指标，其验证其满足体积标准。最后，在设 计沥青胶结料含量时，压实两个s g c 试件以保证n 。t 的密度不超过9 8 的理论 最大密度。 沥青混合料各体积指标如表2 7 ： 表2 7沥青混合料体积指标测定结果 沥青混合料最佳油毛体积密度穿隙率矿料1 1 i f 隙率沥青饱和度 粉胶比 类型石比( ) ( g c m 3 ) v v ( )v m a ( )v f a ( ) a c 135 42 2 9 33 9l5 31 27 5 0 s m a 一13602 2 l53 81 6 1l57 7 8 o g f c - 133 02 4 9 01 4 1 a c 2 0 ( 7 0 )4 32 4 8 24 01 4 715 37 3 6 s a c 2 0 ( 7 0 )5l2 4 7 8381 4 21 8 57 3 8 s u p 2 0 ( 7 0 )4 82 4 5 64 【i 49i 5 67 25 技术标准实测实测4 0 1 408 1 66 5 7 5 同时六种级配保证最佳油石比时，在s g c 旋转压实1 6 0 次测得的剩余空隙 率分别为2 4 、2 6 、3 0 、2 4 、2 _ 3 和2 4 都满足要求。 2 4 本章小结 i ) 除采用传统的沥青三大指标选择沥青外，还利用了s h r p p g 分级的方法 选用沥青，s u p e r p a v e 沥青规范特别强调了沥青的路用性能，p g 分级是事先考虑 了该沥青是否适用于该地区，是否能抵抗车辙、是否能经受长期老化疲劳而防止 开裂，是否会引起低温缩裂等各方面的要求。 2 ) 采用s u p e r p a v e 旋转压实机成型试件，研究沥青混合料现场压实特性，保 证了沥青混合料各旋转次数下空隙率的要求。 3 ) 完全按照s u p e r p a v e 规定的方法设计沥青混合料，各级配沥青混合料体积 指标基本上满足s u p e r p a v e 规范要求。 3 1 概论 第三章沥青混合料s s t 剪切试验 沥青混合料的车辙主要是在交通荷载条件下由混合料的压实和剪切变形引起 的。在初始阶段，沥青混合料变形主要由压密变形引起，在第二阶段，变形则主 要由等体积的剪切变形引起。h o f s t r aa n dl l o m p l3 ，】指出引起车辙的主要原因是剪 切变形而不是压密变形，e i s e n m a n n na n dh i l m e w ：l 也得出沥青混合料的高温车辙 主要是由等体积的剪切变形引起的。i9 9 4 年，s o u s a 0 3 1 等提出了确定沥青混凝土 路面潜在永久变形的简捷方法。此方法假定：1 ) 永久变形主要是等积的塑性剪切 流动现象：2 ) 多出现在面层附近：3 ) 由轮胎边缘的剪应力引起：4 ) 大多数车辙 是由于重车