（道路与铁道工程专业论文）大空隙排水性沥青路面耐久性研究.pdf

摘要 大空隙排水性沥青路面( d r a i n a g ea s p h a l tp a v e m e n t ) 是指，将空隙率大的多孔沥 青混合料用于路面结构的上面层( 或上面层与中面层同用) ，将其作为排水层，并且在 排水层下铺设密级配不透水层。降落到排水性沥青路面上的雨水进入排水功能层，并且 通过排水设施迅速排出。这种类型的路面能够及时将路面表面的雨水排出，从而提高了 雨天车辆行驶的安全性能。同时，由于混合料内的大空隙结构，有效地降低了道路交通 噪声。排水性沥青路面以其优良的排水、防滑、降噪等功能受到了广泛关注和应用【l 】， 并且取得了良好的使用效果。 排水性沥青路面虽具有优良的排水、防滑、降噪等优点，但较大的空隙结构使排水 性沥青路面结构本身的强度较低【2 】，并且容易受到环境因素的作用使路面耐久性和功能 持续性受到影响。本文探讨了影响排水性沥青路面耐久性的主要因素，并且对大空隙排 水性沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害、疲劳以及老化性能进行了室内试 验研究，提出了改善大空隙排水性沥青路面耐久性的措施。 本文以西安咸阳国际机场专用高速公路为实体工程，通过该实体工程验证了大空隙 排水性沥青路面的性能，结合室内试验以及实际路面状况提出了大空隙排水性沥青路面 耐久性改善措施以及施工技术关键，可供实体工程参考借鉴。 关键词：排水性沥青路面，大空隙，功能持续性，耐久性 a b s t r a c t d r a i n a g ea s p h a l tp a v e m e n ti sa n e wp a v e m e n to fl a r g ev o i ds t r u c t u r e i nt h e p a v e m e n t , d r a i n a g ea s p h a l t p a v e m e n tm i x t u r ei sl a i do nt h e t o p s i d e o ft h e p a v e m e n t , a n dd e n s eg r a d e dc o n c r e t ei s l a i dd o w ni tt o p r o t e c t w a t e rf r o m i n f i l t r a t i n g t h ew a t e re n t e r si nt h ed r a i n a g el a y e r , t h e nd i s c h a r g e st h ep a v e m e n t s t r u c t u r e t h i sk i n do fp a v e m e n ts t r u c t u r ec a np r o m p t l yd i s c h a r g et h ew a t e r ，t h u s e n h a n c et h ev e h i c l e st r a v e ls a f e t yp e r f o r m a n c ei nt h er a i n yd a y a tt h es a m et i m e ， b e c a u s eo fl a r g ev o i ds t r u c t u r ei nt h em i x e s ，i tr e d u c e st h et r a f f i cn o i s ee f f e c t i v e l y b e c a u s eo ff i n ef u n c t i o n so fd r a i m n gw a t e r , s k i dp r e v e n t i o n , n o i s er e d u c t i o n ， d r a i n a g ea s p h a l tp a v e m e n to b t a i n sw i d e s p r e a da t t e n t i o na n da p p l i c a t i o n , a n dh a s m a d et h eg o o du s ep r o g r e s s a l t h o u g hd r a i n a g ea s p h a l tp a v e m e n th a sf i n ep e r f o r m a n c eo fd r a i n i n gw a t e r , s k i dp r e v e n t i o n ，n o i s er e d u c t i o n ，t h es t r u c t u r ei n t e n s i t yi sl o w e rf o rl a r g ev o i d s t r u c t u r e ，a n dt h ed r a i n a g ea s p h a l tp a v e m e n tm i x t u r ei se a s yt ob ea f f e c t e db y e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，t h eh i g h w a ys u r f a c esd u r a b i l i t ya n df u n c t i o ne n d u r a n c e c o m e su n d e rt h ei n f l u e n c e t h ea r t i c l ed i s c u s s e dt h ep r i m a r yf a c t o r st h a ti n f l u e n c e d r a i n a g ea s p h a l tp a v e m e n td u r a b i l i t y , a n dd os o m el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t so nh i 【g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t y , l o wt e m p e r a t u r ec r a c kr e s i s t a n c e ，a n t i w a t e rh a r m ，w e a r ya s w e l la sa g e dp e r f o r m a n c eo fd r a i n a g ea s p h a l tp a v e m e n tm i x t u r e a tl a s t ，t h e m e a s u r eo fi m p r o v i n gd r a i n a g ea s p h a l t p a v e m e n td u r a b i l i t ya l ep r o p o s e d t h ea r t i c l et a k e sx ia nx i a n y a n g i n t e r n a t i o n a l a i r p o r ts p e c i a l - p u r p o s e e x p r e s s w a ya st h ee n t i t yp r o j e c t ，a n dt h r o u g ht h i se n t i t yp r o j e c t , t h ep e r f o r m a n c eo f d r a i n a g ea s p h a l tp a v e m e n th a sb e e nc o n f i r m e d t h ep a v e m e n td e s i g nm e t h o da n d t h ec o n s t r u c t i o nc r a f ta r ep r o p o s e db yd o i n gl a b o r a t o r yt e s ta sw e l la st h ea c t u a l p a v e m e n t b e h a v i o r i tm a ys u p p l yt or e f e rt ot h eu s ef r o mn o wo n k e yw o r d s ：d r a i n a g ea s p h a l tp a v e m e n t , l a r g ev o i ds t r u c t u r e ，f u n c t i o n e n d u r a n c e ，d u r a b i l i t y 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论 1 1 1 路面现状及存在问题 随着社会经济的迅速发展，我国公路建设也取得了丰硕的成果。1 9 8 8 年建成的沈 大高速公路、沪嘉高速公路，使我国大陆高速公路的建设实现了“零的突破，随后我 国加大高速公路建设力度，短短十年我国高速公路总里程已经达到了6 5 万公里，位居 世界第二。图1 1 为我国从1 9 9 9 年到2 0 0 9 年的高速公路总发展情况。目前，我国高速 公路总里程仅次于美国，位居世界第二，并且在全国范围内已经形成了布局合理、快速 便捷的高速公路网。我国高速公路的迅猛发展，将促进社会经济等方面的全面进步。 图1 1 我国不同年份高速公路总里程 道路交通设施的发展促进了社会经济的全面发展，也给人们的出行带来了方便。但 是，道路交通建设的发展也引发了一系列负面效应，主要表现在以下两个方面：一方面， 由于道路路面问题引起的交通事故发生率在持续增加，这给国家和个人造成了巨大的经 济损失。另一方面，交通噪声成为主要的噪声污染源，尤其在城市其影响更为严重。相 关调查表明，目前城市噪声污染中交通噪声的比例高达8 5 ，交通噪声影响了人们的正 常工作和生活，严重时会引起各种病症的出现。 其中，引起交通事故的一个主要原因是路面抗滑性能不足，尤其是雨天普通沥青路 第一章绪论 面抗滑性能急速下降，这对雨天行车安全是不利的。美国曾对其1 0 年间的交通事故进 行了调查分析，发现其中有2 8 的交通事故是由于雨天路面排水不畅、路面抗滑性不足 而引起的。雨天普通密级配沥青混凝土路面上的雨水不能及时排出，停留在路面上的雨 水便形成了一层水膜，水膜的存在使车辆行驶时车轮与路面没有足够的接触面积1 3 j ，因 此就容易因抗滑性不足而出现车辆漂移现象，这样就增加了车辆行驶时的危险系数。尤 其是随着我国对高速公路网的完善，山区高速公路成为路网中的一部分。受到地势条件 的影响，山区道路存在弯多、坡陡的现象【3 】，这极大的影响了雨天山区高速公路的行车 安全性。增大山区公路雨天排水、抗滑性是公路设计时需要重点考虑的问题之一。 车流量不断增多，交通噪声也成为了严重的污染源，极大地影响了人们的生活。道 路降噪通常采取绿化带降噪、声屏障降噪和大空隙沥青路面降噪等措施【4 】( 各种降噪措 施见图1 2 ) ，采用绿化带降噪的方法需要占用的土地较多，这对于土地资源紧缺的地方 来说使用这种降噪方法是不现实的；声屏障降噪法的降噪效果显著，然而声屏障影响了 驾驶员的视线，对交通安全是不利的；排水性沥青路面具有良好的降噪效果，并且使用 排水性沥青路面降噪也不会产生上述两种方法的问题，因此，排水性沥青混合料是道路 交通降噪措施的发展趋势。 图1 2 道路交通不同降噪措施 2 长安大学硕士学位论文 如何提高路面的排水性能、抗滑性能，减少交通事故的发生率；如何降低交通噪声， 改善道路周边的环境等一些问题成为道路建设中的主要问题。排水性沥青混合料中大空 隙的存在可以提供优良的排水、降噪、抗滑性能，满足了人们对道路的使用要求，是一 种性能优良的路面结构类型。 1 1 2 排水性沥青路面特点 排水性沥青混合料是开级配沥青混合料，路面结构内部具有相互连通的空隙结构， 这种空隙结构的存在能够及时排走路面表面的雨水。在排水性沥青面层下要设置密级配 沥青混合料作为不透水层，在排水层和不透水层之间还要设置防水粘结层起到封水、粘 结的作用【5 1 。排水层、防水粘结层、密级配不透水层，这样的路面结构组合才能确保有 雨水产生时，路面具有良好的排水功能，而路面基层以下部分不会受到雨水的影响，确 保整个路面结构使用品质不会迅速劣化。 排水性沥青路面结构见图1 3 。 | 蔓薹基熏三薹：至基童l 煮堡堡至苎查墨j r i | 基层 图1 3 排水性沥青路面结构图 l 排水性沥青路面排水过程 由图1 3 排水性沥青路面结构可以看出： 当雨水降落到排水性沥青路面表层后，先是在排水性沥青混合料渗透【6 】，在这个过 程中排水性沥青混合料中的空隙由于雨水的储存达到了饱水状态。排水层中丰富的空隙 结构使雨水不会停留在路面表面，而是向排水层中空隙结构中迅速渗透，直至空隙结构 达到饱水状态。 随着降雨过程的持续，排水性沥青混合料空隙中的水会发生竖向的渗透，直到到达 上面层底部的防水粘结层之上【6 1 。防水粘结层具有封水的作用，能够防止雨水继续下渗， 防止排水层之下的结构发生破坏。因此，在排水性沥青路面中，必须做好防水粘结层， 第一章绪论 它是排水性沥青路面耐久性的重要保证。 当雨水到达防水粘结层上时，由于防水粘结层的封水作用，雨水将不再发生竖向渗 透，而是通过排水性沥青混合料中相互连通的空隙结构沿着道路合成坡度排出路面【6 】， 然后通过道路综合排水系统排出。 排水性沥青路面的排水功能正是基于上述“空隙饱水、雨水竖向渗透、雨水横向排 出 三个过程实现的。从这三个排水过程可以看出，排水性沥青路面的排水方式和普通 沥青路面排水方式是有明显差别的。在上述排水过程中，当降雨强度较大时，排水层中 的空隙结构在瞬间即达到饱水状态，雨水竖向渗透以及横向渗透过程往往也是同时发生 的，对于这些步骤的区分并不是很严格。因此，当有强降雨发生时上述三个排水过程是 同时发生的。 2 排水性沥青路面优点 不同国家对排水性沥青路面的使用目的不尽相同，例如，法国注重的是这种路面的 排水效果，因此称之为排水性沥青路面( d r a i n a g e a s p h a l tp a v e m e n t ) ；美国注重的是路 面的抗滑功能，称其为开级配磨耗层( o p e ng r a d e df r i c t i o nc o u r s e ，o g f c ) ；而英国注 重这种路面的降噪性能，因此将其称之为低噪声路面( w h i s p e r i n g a s p h a l tp a v e m e n t ) 。 不同国家对于排水性沥青路面的应用目的以及技术标准有些差异，但对这种路面结构的 应用均体现在排水、降噪、提高雨天路面抗滑性以及可视性等方面。排水性沥青路面具 有以下优点： ( 1 ) 提高了雨天路面抗滑性。排水性沥青路面能及时将路面表面的雨水排出，降 雨时路面不会形成水膜【7 1 。因此，与普通沥青路面相比排水性沥青路面具有良好的抗滑 性能。 ( 2 ) 降低了交通噪声，改善了道路周边环境。排水性沥青路面所具有的相互连通 的大空隙结构，能够吸收车辆行驶时产生的机械噪声以及车轮与路面之间产生的空气泵 吸噪声【引，使用排水性沥青路面可以缓解和改善交通噪声污染。相关研究指出，与密级 配沥青路面相比，使用排水性沥青路面后噪声可降低3 d b ( a ) ；与水泥混凝与相比噪声 可降低7 d b ( a ) 。 ( 3 ) 减小了溅水、喷雾等现象，提高了车辆行驶时的可视性。雨天路面水膜的存 在容易引起溅水、喷雾现象的发生，水雾的产生会影响其后车辆驾驶员的视线，带来极 大的交通安全隐患，对于安全行车是极为不利的。排水性沥青路面良好的排水功能恰好 消除了普通路面的这一缺陷。 4 长安大学硕士学位论文 ( 4 ) 提高路面标线在降雨时的可视性。 ( 5 ) 减弱夜间行车时车辆前灯引起的路面反射现象。 与普通密级配的沥青混合料路面相比，排水性沥青路面具有的优良的排水、降噪、 抗滑等功能，这些使用功能恰好弥补了普通路面存在的缺陷。因此，这种路面结构形式 值得推广应用。 排水性沥青路面所具有的上述优良性能，使其在许多国家广泛应用。然而，混合料 中大空隙结构会影响到路面使用期间的耐久性。由于混合料具有较大的空隙率，路面在 使用过程中更容易受到环境因素( 氧气、紫外红外光、温度以及水分) 的影响，混合 料易于老化而破坏1 9 ；同时，在排水性沥青混合料中，粗集料用量较多，细集料用量很 少，从而导致混合料中沥青用量相对较少，加之粗集料之间没有足够的约束力，若沥青 品质不佳，则会影响混合料的力学性能，导致路面过早损坏；路面使用期间空隙破坏、 空隙堵塞等问题也会影响排水性沥青路面的使用功能。以上这些问题都会影响到排水性 沥青路面的耐久性和功能持续性，因此，有必要对大空隙排水性沥青路面的耐久性进行 研究，使其功能不断完善。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究状况 各国对于排水性沥青路面的研究使用状况不尽相同，例如，美国对排水性沥青路面 的使用主要是从提高路面抗滑性能方面考虑，而日本则更注重路面的排水效果。基于上 述使用目的不同，因此在研究过程中的方法也各有差异。 ( 1 ) 欧洲 欧洲作为排水性沥青路面的发源地，对于排水性混合料的研究应用比较多，最初是 将这种混合料当作磨耗材料，采用这种类型的路面主要是为了提高行车安全性以及舒适 性。由于这种路面具有排水性能优良、空隙率大、降噪效果明显等优点，因此在欧洲这 种路面得到了广泛的推广应用。之后，为了使排水性沥青路面的功能充分发挥，采取双 层排水层的组合( 见图1 4 ) ，即层采用3 c m 左右的细粒式排水层和5 c m 左右的中、粗 粒式排水层的组合。实践表明，这种双层排水路面具有更好的功能性，其降噪幅度比单 层排水性沥青路面大4 d b ( a ) 。 5 第一章绪论 图1 4 双层排水性沥青路面 排水性沥青路面在欧洲各国如英国、法国、荷兰等国的应用最为广泛，现有排水性 沥青路面证明了这种路面在提高行车安全、降低交通噪声方面有良好的效果。其中，法 国对排水性沥青路面降噪机理和噪声吸收机理进行了试验研究，通过试验路测试结果， 得出了以下重要的结论：加厚式的多孔隙路面具有卓越的降噪效果，与普通排水性沥青 路面( 4 c m ) 相比可降低噪声约4 d b ( a ) ；与混凝土路面相比则可降低7 d b ( a ) ，与具 有表面涂层的路面相比可降低8 d b ( a ) 。 ( 2 ) 美国 排水性沥青路面在美国得到了广泛应用，美国的许多州如：福罗里达州、德克萨斯 州、马兰里州、乔治亚州等都在其州际公路上使用排水性沥青混合料作为抗滑罩面层。 美国国家沥青路面技术中心曾对各州的排水性沥青路面使用状况做过调查，调查结果表 明，排水性沥青混合料在各州的应用都取得了良好的效果。 美国应用排水性沥青路面主要是为了增强路面表面的抗滑性，并将这种路面称为开 级配磨耗层( o p e n g r a d e df r i c t i o nc o u r s e ，o g f c ) 。对美国各州排水性沥青路面的调查 发现，路面的使用性能仍然比较好。通过多年的研究，2 0 0 0 年美国国家沥青路面技术 中心( n c a t ) 提出了新的排水性沥青路面( o g f c ) 配合比设计方法，其流程图见下 图1 5 。 翟 长安大学硕士学位论文 ( 3 ) 日本 图1 5n c a t 推荐排水性沥青混合料配合比设计流程加1 日本对于排水性沥青路面的研究比较深入，随着工程实例的增加积累了一些经验。 为了适应对排水性沥青路面的需求并推动该技术的进一步发展，1 9 9 3 年日本设立了排 水性沥青路面研究会，并且编写了排水路面技术指南( 草案) 一书。该指南针对排 水性沥青路面从设计、生产、施工等方面进行了详细说明，并且归纳总结了实体工程中 的技术状况，提出了排水路面设计方法和标准，以使排水路面技术得到普及和提高。 日本在进行排水性沥青混合料配合比设计时，选用高粘度改性沥青以提高沥青与集 料间的粘附性。高粘度改性沥青是指6 0 c 的粘度在2 0 0 0 0 p a s 以上的沥青【u 】。日本使用 的高粘度改性沥青技术特性见表1 4 、1 5 。 7 第一章绪论 表1 4 高粘度改性沥青技术标准1 1 1 i 试验项目 标准 针入度( 2 5 c ) 0 1 m m 4 0 软化点 8 0 0 延度( 1 5 c ) e m 5 0 闪点 2 6 0 薄膜加热质量变化率觞 1 5 6 0 粘度p a s 2 0 0 0 0 表1 5 排水性沥青混合料所用沥青特性【1 1 i 要求混合料沥青 为确保混合料稳定性，要求集料间 抗集料飞散性使用粘附性大的沥青 有高强的裹附力、粘聚力 为防止气候因素对混合料性能的劣 耐候性化，裹附集料的沥青膜应具有足够 使用耐久性强，能形成厚膜的高 粘度改性沥青 厚度 为确保混合料的抗剥落能力，要求 耐水性使用与集料有强粘结能力的沥青 沥青与集料间具有良好的粘附性 在重交通道路上，混合料应具有较 耐流动性使用软化点及粘度指标高的沥青 好的抗塑性变形能力 排水性沥青混合料在日本的发展经历了表1 6 所列举的过程。 8 长安大学硕士学位论文 表1 6日本排水性沥青路面发展过程 时间( 年) 主要应用情况 在日本东京七环线上铺筑了排水性沥青路面试验段，空隙率为1 0 ，使用的是橡胶 1 9 8 7 沥青 1 9 8 9 为提高路面排水性能，铺筑了空隙率为1 5 的排水性沥青路面试验段 派专门的考察团对欧洲排水性沥青路面的使用情况进行考察，之后开始研究高粘度 1 9 9 1 改性沥青，并将其应用与道路上 1 9 9 3对排水性沥青路面应用制定了“五年计划” 通过大量应用排水性沥青路面后，对这种路面的设计、施工以及养护管理方面都积 1 9 9 6 累了实践经验，并编制了排水性路面铺装技术指南一书，使排水性沥青路面规 范化 1 9 9 8 对大空隙沥青路面的降噪功能进行研究 1 9 9 9在全国高速公路上推广排水性沥青路面铺装 2 0 0 0 开始透水性人行道铺装试验研究 1 2 2 国内研究状况 我国2 0 世纪9 0 年代开始尝试使用排水性沥青路面结构，先是在北京、广州等大城 市的市政道路上铺设过一些排水性沥青路面试验路，随后在京沪高速公路、济青高速公 路上也铺上了试验段。由于当时采用的改性沥青粘度较低，加之技术水平有限，试验段 上的一些路用性能指标未能达到规范要求。随着我国公路建设事业的发展，对新材料、 新结构的路面也有专业系统的研究，尤其是高粘度改性沥青在排水性沥青混合料中的应 用，这些因素都改善了排水性沥青路面的使用品质，促进了排水性沥青路面在我国的推 广和应用。 我国对于排水性沥青路面大规模应用是在西安咸阳国际机场专用高速公路上。由于 9 第一章绪论 采用了高性能的t p s 沥青改性剂以及优良的材料，这条路上的各项检测指标均符合要 求。车辆增加，原有的机场高速不能满足车辆通行的要求，2 0 0 7 年，陕西省又重新规 划了咸阳机场专用高速公路，主线全线采用排水性沥青混合料。这次对于排水性沥青混 合料的成功应用，积累了大量的经验，对于今后排水性沥青路面的研究和应用有重要的 意义。 目前，我国对于排水性沥青路面主要应用的是日本技术和材料，这样就无形增加了 成本。并且国外的设计方法和材料等方面也不一定适应我国的情况，因此，我们有必要 对于排水性沥青路面进行深入全面的研究。 1 3 本课题主要研究内容 近年来，排水性沥青路面在我国有了一些应用，在建设过程中主要借鉴的是国外一 些成熟的技术。本论文结合我国实际的道路交通状况以及气候状况，对我国排水性沥青 路面的设计、施工提出建设性的建议，使其适合我国对路面结构的需求。本论文主要研 究内容有： ( 1 ) 排水性沥青混合料原材料 通过进行原材料技术指标试验，对排水性沥青混合料所用原材料进行检验，使其满 足使用要求。 ( 2 ) 改性剂与基质沥青配伍性试验 高粘度改性沥青对于提高排水性沥青路面耐久性起着极为重要的作用，改性剂与基 质沥青配伍性是影响高粘度改性沥青品质的关键点。 ( 3 ) 排水性沥青混合料组成设计 在排水性沥青混合料组成设计过程中，充分结合路面使用的功能性以及耐久性要 求，提出路面设计时的关键控制性指标，以使排水性沥青路面能够更好的发挥其使用性 能。 ( 4 ) 排水性沥青混合料耐久性研究 排水性沥青路面耐久性是各国应用研究中考虑的首要问题之一，本文对排水性沥青 混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、老化性以及疲劳性能进行相应的试验分析 研究。通过试验中参数的变化，研究各使用功能的变化规律，以便设计时考虑不同使用 状况下参数相应的调整，使其具有较长的使用寿命。 ( 5 ) 施工技术指标 1 0 长安大学硕士学位论文 通过实体工程试验路的铺筑，总结实际生产施工时对各工序的要求，提出排水性沥 青路面施工关键技术指标。 第二章排水性沥青混合料原材料组成 第二章排水性沥青混合料原材料组成 排水性沥青混合料中原材料性质对混合料使用性能有重要影响，选取性能优良的原 材料至关重要。本章主要对排水性沥青混合料中使用的粗集料、细集料、填料、纤维、 沥青等原材料进行说明。 与普通沥青混合料相比，排水性沥青混合料中粗集料占有的比例较多，一般占混合 料的8 0 【1 2 1 ，同时细集料的比例相对较少。粗细集料的组成比例决定了排水性沥青混 合料具有较大的空隙率，大空隙的存在一方面可以使其功能性得到充分发挥，另一方面 大空隙结构却容易受到环境因素，如：水、温度、阳光等的影响。为了保证排水性沥青 路面的耐久性，必须选择优质材料，使集料与沥青胶结料之间有良好的粘附性，保证排 水性沥青混合料具有良好的路用性能。 2 1 粗集料 2 1 1 普通粗集科 在排水性沥青混合料中粗集料占主体，约占集料总量的8 0 ，大量的粗集料形成了 骨架结构。图2 1 为排水性沥青混合料与普通沥青混合料中材料组成对比。 排水性沥青混合料材料组成： 普通沥青混合料材料组成： 侧嬲嬲嘲馐器鬣，粥一嬲百纛露嬲絮需嬲影孺窬 磁蔷蔷| i i i 蟊湓盆泼溢纽镒越瀚邈蕊谧滋溢澎盗溢谧滋瀚滋溢湓妇磁溢汹溢溢滋滋滋溢湓燃鬻镒溢蔷蔷鋈蔷麟国远渤溢幽函幽 图2 1 排水性沥青混合料与普通沥青混合料材料组成对比 从图2 1 中可以看出，两种沥青混合料中粗集料、细集料的比例有很大差异，排水 性沥青混合料中粗集料所占比例比普通沥青混合料中粗集料所占比例增加了4 6 ，而细 集料所占比例却比普通沥青混合料细集料减少了7 1 ，这种粗、细集料比例的巨大变化 引起了混合料中沥青用量的变化，排水性沥青混合料中沥青用量相对减少。同时，粗、 细集料比例的变化使集料之间的接触面积减少，当路面承受相同的车辆荷载时，排水性 沥青混合料集料接触点处所承受的应力会明显大于普通沥青混合料集料接触点所承受 1 2 长安大学硕士学位论文 的应力【1 2 1 。因此，排水性沥青混合料中的粗集料应具有良好的抗压性，才能够承受较大 的接触应力。 在排水性沥青混合料中粗集料的性质以及形状对混合料的性能有重要的影响，因此 对于粗集料的选择尤为重要。要求使用坚硬、干净以及质量均匀的粗集料。同时，对于 细长或扁平状以及杂质等的含量不应超过规定值。并且要求集料与沥青要有优良的粘附 性、高耐磨性、抗冻性以及耐久性。应尽量选取吸水率低、磨耗值小的集料。一些国家 ( 或地区) 对粗集料品质提出了要求，具体要求见表2 1 。 表2 1 一些国家( 或地区) 粗集料技术指标0 1 3 i 美国美国 项目日本西班牙瑞典台湾 ( f h w a ) ( n c h r p ) 洛杉矶磨耗率， 受59 09 05 2 09 09 5 扁平、细3 ：1s 1 5丑0q 5夕 长颗粒含 量 5 ：1 5 1 0 一个以上 之9 0芝1 0 0 破裂面 两个以上 芝7 5 _ 2 9 07 0 1 0 0 9 0 表干密度| 卧m 3 之2 4 5 吸水率望9 除了对集料的品质有一定的要求，集料的类型也是有一定限制的。含有花岗岩、页 岩成分较多的集料，在进行拌和时容易磨耗，因此不宜使用。应选择玄武岩、安山岩等 硬质集料。同时集料中的有害物质会影响耐久性，因此对于有害物质的含量也应进行控 制，其具体要求见表2 2 。 表2 2 粗集料中有害物质含量要求o ”l 所含有害物质含量( ) 粘土、粘土块 0 2 5 软石颗粒 - 5 0 t 0 3 3 4 亚甲蓝值 g k g 叟5t 0 3 4 9 棱角性( 流动时间) s - 3 0 t 0 3 4 5 排水性沥青混合料中的细集料是0 7 5 2 3 6 m m 范围内的集料，对于这部分集料的粒 径范围也有一定要求，具体规定见表2 4 。 表2 4 排水性沥青混合料所用细集料粒径范围 筛孔 4 7 52 3 61 1 80 60 30 1 50 0 7 5 ( m m ) 通过率 ( ) 1 0 08 5 l o o5 0 8 52 5 石01 0 4 55 2 0o 5 2 3 填料 胶浆理论认为粗集料、细集料、沥青胶浆是组成沥青混合料的三部分，在这三部分 中沥青胶浆在沥青混合料中起着粘结作用，其性能的优劣影响这沥青混合料性能的优 劣。沥青胶浆是由沥青、矿粉等填料组成的，对于填料而言，性能优良的填料可以改善 沥青混合料的性能，相反对沥青混合料性能的改善起不到相应的作用。 在排水性沥青混合料中，填料与沥青结合在一起，增加了沥青油膜厚度【1 4 】，有助于 提高混合料的耐久性和稳定性。排水性沥青路面空隙率较大，因此填料的用量较少，但 品质必须好。排水性沥青混合料所用填料一般为石灰岩经粉碎加工成的矿粉，其所含水 分在1 0 以下。有时为了提高沥青与集料间的粘附性，增强混合料的水稳定性，用水 泥或消石灰代替部分矿粉。 日本排水路面技术指南一书中对石灰岩矿粉填料的粒径有一定的要求，其规定 见表2 5 。 第二章排水性沥青混合料原材料组成 表2 5 矿粉填料粒径要求 筛孔尺寸( m m ) 通过率( ) 0 61 0 0 0 1 5 9 0 - 1 0 0 0 0 7 57 0 1 0 0 2 4 纤维 排水沥青混合料中细集料用量少，空隙率大，为了防止生产、运输以及施工期间沥 青发生流淌，一般常采用纤维作为补强材料。大量试验研究表明，纤维在沥青混合料中 具有降低混合料的感温性、增加粘度、提高车辆高速行驶时的摩阻力的作用。实际工程 中纤维掺量通常为沥青混合料的o 3 0 5 。 2 5 沥青 在排水性沥青混合料中，粗集料所占比例多，能吸收的沥青很少，为了确保混合料 的稳定性，增加沥青与集料间的粘聚力【1 5 】，应使用性能优良的沥青材料。同时，混合料 的空隙率大，易于受到阳光、空气以及水分的作用而使其性能劣化。所以，排水性沥青 混合料中的沥青性能尤为重要。 通常要求排水性沥青混合料中的沥青应具有高的粘附性、抗剥落性、抗飞散性以及 良好的裹附能力。目前，使用较多的高粘度改性沥青，可提高沥青的粘性以及抗剥落性。 其中，日本生产的改性材料t p s ( t a f p a c k - s u p e r ) 是专门应用于排水性沥青混合料的 沥青改性剂。其主要成份为热塑橡胶类，在生产中通常有干法、湿法两种添加方法，使 用普通拌和楼即可完成干法拌和工作【1 6 1 。t p s 高粘度改性沥青对集料有很好的粘结力， 并且混合料高温时有良好的施工性能。 ( 1 ) 改性剂与基质沥青相容性及配伍性研究 改性剂与基质沥青的相容性是指改性沥青中改性剂应有良好的稳定性，而配伍性是 指改性剂的改性效果。基质沥青进行改性时，若改性剂在外力的作用下与沥青相容，一 旦外力撤掉，放置后改性沥青中出现离析现象，表面出现改性剂凝聚状态，这说明改性 剂与基质沥青的相容性不好，改性沥青中没有形成均匀的结构。 不同的改性剂类型对同种基质沥青的改性效果不同，而同一种改性剂对不同基质沥 1 6 长安大学硕士学位论文 青的改性效果也不同。同时改性剂的改性效果还与改性剂的剂量有关。 2 2 。 ( 2 ) t p s 改性及与基质沥青配伍性试验研究 试验中使用的是热塑橡胶类的t p s 高粘度改性剂，其技术指标及外观见表2 5 及图 表2 5t p s 高粘度改性剂技术指标 形状 2 - 3 m m 颗粒状 比重 0 9 8 颜色淡黄色 图2 2 高粘度改性剂t p s 试验中选取了两种类型的基质沥青：壳牌9 0 号、s k 9 0 号。改性剂t p s 的掺量分 别为o 、1 0 、1 2 、1 4 。 高粘度改性沥青制备方法： ( 1 ) 确定试验所需的改性沥青的总质量，然后根据t p s 掺加比例分别计算基质沥 青以及改性剂t p s 的质量； ( 2 ) 将基质沥青倒入容器中，在1 7 0 一1 8 0 的恒温电炉上加热沥青，然后逐渐 加入t p s 改性剂，之后使用高速剪切机进行剪切。 如放置冷却后还能看到离析现象，可继续加热搅拌，直至改性沥青均匀。 配制好改性沥青之后进行沥青常规指标检验，通过检验结果说明改性效果。检验结 果见表2 6 、图2 3 。 1 7 第二章排水性沥青混合料原材料组成 表2 6 改性沥青指标检验结果 针入度 ( 2 5 ， 软化点粘韧性弹性恢复6 0 。c 动力 t p s 掺量 1 0 0 9 ，5 s ) ( 2 5 c ) n m 觞 粘度p a s o 1 m m o8 84 5 56 13 21 8 0 1 07 28 3 11 3 65 86 9 1 2 0 壳牌+ t p s 1 25 69 0 12 0 09 61 6 2 7 0 5 1 44 99 5 63 2 19 92 0 1 6 2 4 o9 54 6 04 93 01 9 0 1 08 2 7 6 9 1 1 45 21 0 6 5 7 s k + t p s 1 24 68 8 61 4 09 06 2 1 0 9 1 43 19 0 52 6 79 91 0 6 7 1 3 - 壳牌+ t p s - s k + t p s 心 心 、 0l o1 2 t p s 掺量( ) 1 4 曩) 不同t p s 掺量的改性沥青针入度 , - - , , l i e , - - 壳牌+ t p s 一s k + t p s 一 p 乞；一 一 纩 o 1 01 2 1 4 t p s 掺量( ) b ) 不同t p s 掺量的改性沥青软化点 1 8 鲫 加 o 基一ov魁苯 们 约 o gv誓 长安大学硕士学位论文 一壳牌+ t p s + s k + t p s 厂 - c ) 不同t p s 掺量的改性沥青6 0 1 2 动力粘度 图2 3 高粘度改性沥青试验结果 从表2 6 以及图2 3 中可以看出，添加t p s 改性剂后，两种沥青的性能均得到了大 幅提高： ( 1 ) 随着t p s 掺量的增加，壳牌9 0 号以及s k 9 0 号两种沥青的针入度都在减小， 说明经t p s 改性后两种沥青的稠度增加，有助于提高排水性沥青混合料的高温稳定性。 ( 2 ) 两种基质沥青的软化点都较低，添加t p s 之后软化点均明显升高。说明在高 温条件下，改性沥青的流动性降低，可以抵抗高温下沥青的流动，减少车辙的产生。 ( 3 ) 加入t p s 改性剂之后，两种沥青的粘韧性以及弹性恢复性能有了显著提高。 ( 4 ) 加入t p s 改性剂后，沥青的6 0 。c 动力粘度明显提高。从试验数据可以看出： 壳牌9 0 号以及s k - 9 0 号基质沥青的6 0 * ( 3 动力粘度相当，而加入t p s 之后差异变大， 随着t p s 掺量的增加，差异也在增大。说明同样的改性剂对不同的基质沥青的改性效 果不同。 ( 5 ) 在排水性沥青混合料中，要求使用的是高粘度改性沥青，即6 0 c 动力粘度大 于2 0 0 0 0 p a s 的沥青。6 0 * ( 3 动力粘度是排水性沥青混合料中沥青性能的重要评价指标。 因此，以6 0 * ( 3 动力粘度为评价标准，并且参考其它指标，可以得出，壳牌9 0 号基质沥 青与t p s 改性剂的配伍性优于s k - 9 0 号基质沥青与t p s 改性剂的配伍性。 2 6 本章小结 1 9 o 0 o o o o o o o o o o l i l l l l o o o o o 5 o 5 o 5 2 2 l l t目e毯舞r蠡毯o 第二章排水性沥青混合料原材料组成 本章主要对排水性沥青混合料中粗集料、细集料、填料、纤维、沥青等原材料进行 了说明，重点对基质沥青与改性剂的配伍性进行了试验研究。壳牌9 0 号基质沥青、s k - 9 0 号基质沥青与改性剂t p s 的配伍性试验结果表明壳牌9 0 号基质沥青与t p s 改性剂有良 好的配伍性。 2 0 长安大学硕士学位论文 第三章排水性沥青混合料配合b 匕设计 排水性沥青混合料由于自身结构组成的特殊性，其设计方法也不同于普通沥青混合 料。主要差别在于目标空隙率的选取以及最佳沥青用量的确定。本章从原材料选取、目 标空隙率确定、级配选取、沥青用量确定以及混合料使用性能检验等方面对排水性沥青 混合料的组成设计进行说明。 3 1 排水性沥青混合料配合比设计方法 排水性沥青混合料配合比设计包括原材料的选择、目标空隙率确定、矿料级配的确 定以及沥青用量的确定。下面分别对一些国家的配合比设计方法进行说明。 3 1 1比利时混合料组成设计方法 比利时的排水性沥青混合料采用规范的方法进行设计，b r r c ( b e l g i a ni b a d r e s e a r c hc e n t r e ) 提出的排水性沥青混合料设计内容主要包括：混合料中要有一定数量 的骨料，采用的是间断级配，混合料中沥青胶结料应在不填充空隙结构的前提下保证足 够的粘结力1 刀。其配合比组成设计内容包括集料、沥青结合两部分。其中，规范中要求 使用橡胶沥青作为沥青胶结料： ( 1 ) 橡胶沥青中含有最新生产弹性体时，要求的沥青含量为4 0 5 0 ( 2 ) 橡胶沥青中掺加粉状类的再生利用的弹性体时，要求沥青含量为5 5 6 5 b r r c 建议的混合料组成要求见表3 1 。 表3 1 排水性沥青混合料组成指标要求1 1 - q 项目指标要求 级配0 1 4 r a m ，间断级配 大于2 m m 的集料比例肠 8 3 级配中各比分组成碎石、砂( 0 0 8 2 r a m ) 比例腻 1 2 填料( 小于0 0 8 m m ) 比例m 5 8 0 1 0 0 沥青 4 5 沥青结合料改性沥青 4 5 橡胶沥青 5 5 - 6 5 空隙率 平均值觞 1 9 2 5 3 1 2 美国混合料组成设计方法 2 1 第三章排水性沥青混合料配合比设计 1 9 7 4 年，美国联邦公路总署提出了o g f c 配合比设计方法，但是由于没有限定空 隙率以及最大沥青流淌量，各州的使用效果并不理想。鉴于上述的设计方法存在缺陷， 1 9 9 0 年联邦公路总署提出了建议空隙率，建议值为1 5 。之后，经过不断的完善，k a n d h a l 等人提出了新的设计方法，其设计步骤如下： ( 1 ) 材料选择：集料、沥青以及添加剂等； ( 2 ) 选择级配：在规范给定的级配范围内选择三个级配，其中一个为接近上限， 一个为接近下限，另一个为接近中值。测定各级配的粗集料干捣状态下的空隙v c a d r c ， 然后用s u p e r p a v e 的旋转压实仪成型试件。其中，试件成型时双面压实5 0 次，测定击 实混合料的粗集料空隙率v c a ，若v c a _ v c a d r c 【1 8 】，则说明混合料中形成了石石接 触的骨架结构，满足该条件的级配则为设计级配。 ( 3 ) 确定最佳沥青用量：关于最佳沥青用量给出了建议设计值，见表3 2 。 ( 4 ) 排水性沥青混合料水稳定性评价：对l o t t m a n 法进行稍微改变，进行5 次冻 融循环后，测定其残余抗拉强度，要求t s r e 7 5 。 表3 2 最佳沥青用量要求 项目建议值项目建议值 老化试件的c a n t a b r o 沥青含量觞 6 0 石5 3 0 磨耗损失 空隙率肱 1 8 2 0流淌损失觞 0 3 未老化试件c a n t a b r o 1 0 0 磨耗损失 通过对排水性沥青混合料的多年使用，美国很多州已经形成了适应当地气候等因素 的级配范围，见表3 3 。 表3 3 美国各州排水性沥青混合料级配范围1 1 8 1 筛孔各筛孔通过率( ) ( m m )2 5 01 9 01 2 59 56 34 7 52 3 62 01 1 80 0 7 5 9 0 2 9 7 1 0 01 0 01 0 00 - 3 加利福 1 0 03 61 8 尼亚州 9 5 7 8 2 8 7 一 1 0 01 0 0o 3 1 0 08 93 71 8 新墨西 1 0 01 0 01 0 09 0 -2 0 o m 4 长安大学硕士学位论文 哥州 1 0 05 51 2 亚利桑3 5 9 1 0 0 1 0 0 1 0 01 0 0 0 2 5 那州5 5 1 4 亚利桑 3 0 那州( 橡 1 0 01 0 01 0 01 0 0和80 - 2 5 4 5 胶沥青) 佛罗里 8 5 1 0 1 0 01 0 01 0 04 1 20 2 5 达州 1 0 04 0 怀俄明 9 7 2 5 1 0 1 0 01 0 01 0 02 7 州 1 0 04 52 5 9 9 9 0 3 1 0