（道路与铁道工程专业论文）半柔性复合路面结构设计理论与方法研究.pdf

摘要 半柔性复合路面是在开级配的大孔隙沥青混合料基体路面中，灌入以水泥为主 要成分的胶浆复合形成的一种路面。半柔性复合路面在国外己进行了大量的研究 并加以应用，但在国内对半柔性复合路面及其材料的研究尚处于起步阶段，未得 到充分的研究和推广应用。半柔性复合路面具有高于水泥混凝土路面的柔性和高 于沥青混凝土路面的刚性，既具备沥青路面和水泥路面的优点又屏蔽了两者的缺 点，因此，对其进行开发和应用研究具有很大的现实意义和广阔的发展前景。 本论文通过室内试验及理论分析表明，半柔性复合路面材料在适宜的配合比、 外加剂掺量、成型工艺、养护方法等条件下，与普通沥青混凝土相比，表现出很 好的路用性能( 如高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性等) ，尤其在高温稳定性 及水稳定性方面得到了很大的改善。另外，还进行了半柔性复合路面材料的线收 缩系数试验研究，测得较小的线收缩系数表明其由于降温引起的收缩比较小，从 而产生较小的温度应力，故产生温度裂缝的可能性不大。 本论文对半柔性复合路面的设计理论及设计方法进行了重点研究。根据半柔 性复合路面材料具有较高的静模量和较大的劈裂强度、半柔性复合路面材料的应 力应变关系及其开裂破坏特征等原因，本论文考虑采用沥青混凝土路面的设计理 论，即弹性层状体系理论作为这种新型路面结构的设计理论。另外，本论文采用 a n s y s 软件分析半柔性复合路面的荷载应力，根据各方向应力的变化规律，得出 这种路面的荷载响应特点及可作为设计时各计算点的位置。 本论文分析了半柔性复合路面的破坏状态，得出裂缝是其最主要的破坏模式， 然后重点探讨了其开裂破坏机理，再结合国内外的常规路面设计方法，提出了这 种新型路面结构的设计方法，即以拉应力作为设计指标，以路基表面的垂直压应 变作为验算指标，仍然采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状理论体系进 行厚度计算，并给出了具体的设计步骤。另外，还探讨了其结构组合设计。为今 后半柔性复合路面技术的推广应用奠定了基础。 本文得到了重庆市科技攻关项目“刚柔复合路面结构及其应用研究”的资助。 关键词：半柔性复合路面；路用性能；线收缩系数；荷载应力：温度应力；开裂 机理；设计理论；设计方法 a b s t r a c t s 锄i f l e x i b l ec o m p o u n dp a v e m e n ti sg e n e r a l l yd e s c r i b e d a sac o m p o s i t i o n p a v 锄锄t ，w t l i c hi sf i l l e dw i t hp o r t l a n dc e m e n tg r o u ti no p e n 。g r a d e dm a t r i xa s p h a l t m i x t l l r e ag r e a td e a lo fr e s e a r c hh a db e e nd o n ea n dt a k e ni n t ot h ea p p l i c a t i o ni n d o m e s t i ca n do v e r s e a s b u tt h er e s e a r c ha b o u ts e m i f l e x i b l ep a v e m e n ta n d i t sm a t e r i a l i ss t i l li nt h es t a r ts t a g ei no u rc o u n t r y , t h ea p p l i c a t i o no ft h ep a v e m e n ti nr o a dh a s n t g o tw e l lr e s e a r c h e da n dg e n e r a l i z e d s e m i f l e x i b l ec o m p o u n dp a v e m e n tb e h a v e s w i t h m o r er i g i d i t yt h a na s p h a l tp a v e m e n ta n dm o r ef l e x i b i l i t yt h a nc e m e n tp a v e m e n t i th a s b o mv m e so fn o r m a la s p h a l ta n dc e m e n tp a v e m e n tb u ta v o i d st h ed e f e c t so f t h e m s o ， i th a sg r e a tp r a c t i c a lm e a n i n ga n db r o a dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t st os t u d y i t sa p p l i c a t i o n t e c h n o l o g y t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dl a b o r a t o r yt e s t ，t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t s e m i f l e x i b l ec o m p o u n dm a t e r i a l si nt h ea p p r o p r i a t em i x t u r eg r a d ea n d r a t i oo fa d d i t i v e ， p r o c e s s c o n s e r v a t i o nm e t h o d sa n do t h e rc o n d i t i o n s ，a sc o m p a r e d w i t ho r d i n a r ya s p h a l t c o n c r e t e ，s h o w i n gg o o dr o a dp e r f o r m a n c e ( s u c h a s r u t t i n g r e s i s t a n c ea th i g h t e m p e r a t u r e ，w a t e rs t a b i l i t y ，c r a c kr e s i s t a n c ea tl o wt e m p e r a t u r e ，a n ds oo n ) ，p a r t i c u l a r l y m er 印r e s e n t a t i o no fr u t t i n gr e s i s t a n c ea th i g ht e m p e r a t u r ea n d w a t e rs t a b i l i t yh a v eb e e n i m p r o v e dg r e a t l y i na d d i t i o n ，t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h o nt h el i n e a rc o n t r a c t i v e c o e 伍c i e i l to fs e m i 。f l e x i b l ec o m p o u n dm a t e r i a l ss h o w e dt h a tc o o l i n gb r o u g h ts m a l l e r c o n 缸a c t i o n a n dt h e nr e s u l ti n as m a l l e rt e m p e r a t u r es t r e s s ，t h e r e f o r e , t e m p e r a t u r e c r a c k sp r o d u c e du n l i k e l y i nt h ep a p e r ，t h ed e s i g nt h e o r ya n dd e s i g nm e t h o d so fs e m i _ f l e x i b l ec o m p o u n d p a v e l ：n e l l th a v eb e e i ls t u d i e dm a i n l y a c c o r d i n gt ot h em a t e r i a l sw h i c h h a dh i g h e rs t a t i c m o d u i u sa n dl a r g e rs p l i t t i n gs t r e n g t h ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e s sa n ds t r a i na n d i t s c r ac _ k i n gd 1 羽a c t 萌s t i c sa n ds oo n ，t h ee l a s t i cl a y e r e ds y s t e mt h e o r yw h i c hi st h ed e s i g n t h e o r yo fa s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n tw o u l db es e l e c t e da st h en e wp a v e m e n t s t r u c t u r e s d e s i 星皿t h e o r y i na d d i t i o n ，t h ep a p e ra n a l y z e dl o a ds t r e s so fs e m i - f l e x i b l ec o m p o u n d p a v e m e n tu s i n ga n s y ss o f t w a r e ，a c c o r d i n gt ov a r i a t i o no fe a c h d i r e c t i o no ft h es t r e s s ， a n dg a v et h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fl o a da n dt h el o c a t i o n so ft h ep o i n t sw h i c h w e r e u s e di np a v e m e n td e s i g n t h ep a p e ra n a l y z e dt h ed a m a g es t a t eo fs e m i f l e x i b l ec o m p o u n dp a v e m e n ta n d i n d i c a t e dm a tc r a c kw a si t sm a i nf a i l u r em o d e ，a n dt h e nf o c u s o nd i s c u s s i n gi t sc r a c k i n g m e 6 h a n i 献n ，i nc o m b i n a t i o nw i t hc o n v e n t i o n a lp a v e m e n td e s i g nm e t h o d i nd o m e s t i ca n d o v e r s e a s ，a n dt h e np u tf o r w a r dd e s i g nm e t h o do ft h en e wt y p eo fp a v e m e n ts t r u c t u r e ， w h i c hi st h a tt e n s i l es t r e s sa sd e s i g ni n d i c a t o r , t h ev e r t i c a lc o m p r e s s i v es t r a i no f s u b g r a d ea sc h e c k i n gi n d i c a t o r , a n ds t i l lu s i n gd o u b l ec i r c u l a rv e r t i c a lu n i f o r ml o a d u n d e rt h et h e o r yo f m u l t i p l el a y e r e dd a s t i cs y s t e mt oc a l c u l a t et h i c k n e s s ，a n dt h e ng i v e n s p e c i f i cd e s i g ns t e p s i na d d i t i o n ，t h ep a p e rd i s c u s s e di t ss t r u c t u r ec o m b i n a t i o n l a yt h e f o u n d a t i o no fa p p l i c a t i o no ft e c h n o l o g yo fs e m i - f l e x i b l ec o m p o u n dp a v e m e n ti nf u t u r e t h ep a p e rg o ts u p p o r t e db yt h ek e yp r o j e c t ”r i g i d f l e x i b l ec o m p o s i t ep a v e m e n t s 饥l c t u r ea n di t sa p p l i c a t i o n ”i nc h o n g q i n g m u n i c i p a l i t y k e yw o r d s ：s e m i - f l e x i b l ec o m p o u n dp a v e m e n t ；p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ；l i n e a r c o n t r a c t i v ec o e f f i c i e n t ；r o a ds t r e s s ；t e m p e r a t u r es t r e s s ；c r a c km e c h a n i s m ；d e s i g nt h e o r y ； d e s i g nm e t h o d s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 袁前 日期：珈8 年弓月j7 日 重庆交通大学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。本人授权重 庆交通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 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 壤糟 日期：劫略年弓月1 7 e l指导教师签名：一 日期：谚年多月夕日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 目的和意义 我国自8 0 年代改革开放以来，各行业均得到长足的发展，作为基础产业的公 路交通事业更是发展迅猛。国民经济高速发展的同时，交通流量的增大，轴载的 加重以及渠化交通等既是现代交通的显著特点，也以成为公路发展的必然趋势。 这种必然趋势不仅对公路路面结构的强度和稳定性提出了更高的要求，使用者对 行车速度和舒适性的要求也在不断提高，因此，改善路面使用性能和延长路面使 用寿命的任务重大。 我国现有的公路和城市道路路面基本分为两大类，即沥青混凝土路面和水泥 混凝土路面。其中很大部分的路面是沥青混凝土路面。但是由于沥青材料具有粘 弹塑性等特殊性能，受温度的影响很大。在冬季低温下，沥青混合料抵抗变形能 力大大降低，表现出脆性，在荷载作用下，出现低温开裂的现象。而在夏季高温 情况下，由于车辆荷载的反复作用，导致沥青路面出现波浪、拥包等剪切变形， 更严重者，会产生永久变形而出现车辙，尤其是在公路收费口、码头、货运站等重 交通车辆缓慢行驶或停驻的路段以及有超重车辆、货物静止停放的场所更为突出。 尽管水泥混凝土路面具有强度高、稳定性好以及明色性等优点，但其施工费用高， 由于接缝的存在，行驶舒适性差，易产生开裂，唧泥，错台等破坏，并且修复工 艺困难，维修时间长从而影响交通。传统的两种路面已难负重任。因此，为适应 道路建设的发展要求，克服沥青和水泥路面结构的不足，半柔性复合路面这一新 型路面结构形式应运而生。 1 2 半柔性复合路面的特点 半柔性复合路面是指在开级配的大孔隙( 空隙率高达2 0 以上) 基体沥青混 合料中，灌入以水泥为主要成分的特殊浆体而复合而成的一种路面，具有高于水 泥混凝土路面的柔性和高于沥青混凝土路面的刚性，故将其称为半柔性复合路面。 半柔性复合路面在材料强度机理方面具有其特有的优点。与普通沥青混凝土 路面不同，半柔性复合路面属于密实一骨架嵌挤型结构。填充其空隙的水泥混合 胶浆胶结后形成的强度和密实性与沥青混合料骨架结构共同抵抗汽车荷载的作用 和防水。由于水泥混合胶浆凝结硬化后具有水泥混凝土路面的特性，表面色泽接 近于白色，不易吸热。因此，高温稳定性能大大优于普通沥青混凝土路面，又由 于其以具有一定柔性的沥青混合料作为骨架结构，其低温抗裂性能优于普通水泥 混凝土路面，而且可以不设或少设温缩缝，行车平稳舒适。因此，半柔性路面既 具备沥青路面和水泥路面的优点又屏蔽了两者的缺点，其路用性能优良，可适用 第一章绪论 2 于高等级公路和城市道路。尤其是高速公路的爬坡段，以及城市的货运站、港口、 码头、加油站等。半柔性复合路面不但适用于普通高级路面结构，还适用于隧道 内铺装提高表面亮度，或小半径弯道、公共汽车停靠站场、收费道口等处来提高 识别性川。 图1 1 半柔性复合路面结构表面层 f i 9 1 1t h e s u r f a c el a y e ro fs e m i - f l e x i b l ec o m p o u n dp a v e m e n t 1 3 半柔性复合路面的研究现状 1 3 1 国外研究进展 半柔性复合路面最早为法国专利，称为“s a l v i a c i m 施工法，即“灌水泥浆开级 配沥青混凝土路面施工法”。1 9 5 4 年应用于法国的科涅雅克航空港的飞机跑道上， 作为耐热用的面层。1 9 6 1 年在日本以“半柔性复合路面和半柔性复合路面施工法” 为名申请了专利。日本大林道路株式会社、鹿岛道路株式会社以及日本铺道株式 会社等多家施工企业在获得此项施工方法的专利权后，各自独立地继续对半柔性 复合路面进行了多项研究【2 】，特别是在8 0 年代和9 0 年代初，对其进行了多项深入 的研究。现阶段在日本许多高速公路的收费站、停车场、加油站、爬坡路段以及 集装箱码头和公共汽车专用线等场所，都进行了相当规模的半柔性铺装。同时， 日本充分利用了半柔性混合料易着色的特点，建成多条使用彩色半柔性复合路面 的道路。仅在东京市区就有数条专供公共汽车行驶的彩色道路，同时还有相当数 量的停车场、公园及游乐场等场所使用了半柔性复合路面【3 l 【4 】。现在日本每年都有 二十多万平方米的施工面积。另外，英国、德国、法国、俄罗斯等欧洲国家也开 展了这方面的研究并加以应用，已经发表了有关半柔性复合路面材料的力学性能 和路面结构设计计算方法的论文与报告，证实半柔性复合路面可以提高路面的高 温稳定性，延长路面使用寿命，而费用增加不大f 5 】。 1 3 2 国内研究现状 第一章绪论 3 半柔性复合路面的研究在国内尚处于起步阶段。1 9 8 6 年，同济大学道路与交 通工程研究所林绣贤教授等主持了国家自然科学基金课题新型路面的复合材料 一特种沥青混合料的研究。针对国产普通沥青混合料使用拌合法和灌浆法掺加 水泥砂浆，制成特种沥青混合料，进行了各种物理力学试验，比较了高低温条件 下的力学性质，并于1 9 8 6 年底，在广东省惠深线上修建了试验路，经过近两年的 行车作用，使用效果良好。1 9 9 0 年湖北宜昌地区公路总段在总结国内外经验的基 础上，铺筑了试验路，介绍了水泥沥青混凝土路面的技术性能和施工方法。吉林 省公路勘察设计院1 9 9 8 年，在营抚公老岭至靖宇段k 1 4 + 1 0 0 一k 1 4 + 2 0 0 处铺筑了半 柔性复合路面试验路，研究了其施工工艺并检测了其使用效果1 6 l 。上海市政工程研 究院也就水泥灌浆半柔性复合路面混合料的性能进行了试验研究。另外，黑龙江 省交通科学研究所及长安大学也对半柔性复合路面结构做过相关的研究。2 0 0 5 年， 重庆交通大学和武孝高速公路建设指挥部共同在武汉至孝感高速公路上铺筑了长 达3 3 k m 的半柔性复合路面，研究了大空隙沥青混合料配合比和水泥胶浆的配合 比，对半柔性混合料路用性能及其强度形成机理的研究也取得了一定的成果，并 提供了较合理的施工方法和工序，并初步探讨了其设计理论与方法f 7 】。总体上，我 国目前对于半柔性复合路面的研究尚属于起步阶段。并且大多进行的只是半柔性 路面混合料的研究以及该结构的施工工艺研究，而对其设计理论与方法的研究很 少。针对上述状况，本论文将着重研究半柔性复合路面的设计理论与方法。 1 4 本论文的主要研究内容 随着高等级公路建设事业的不断发展，重交通车辆的不断增加，开展半柔性 复合路面及其混合料的应用技术研究具有现实意义，尤其是通过研究，提出合理 可行的设计理论与方法，将有利于这种新型路面的推广应用。 本论文采用室内试验和理论研究相结合的方式进行，具体内容包括： ( 1 ) 半柔性复合路面结构的路用性能试验研究； ( 2 ) 半柔性复合路面结构的开裂破坏机理研究； ( 3 ) 半柔性复合路面的破坏状态与设计标准研究； ( 4 ) 半柔性复合路面结构有限元分析：主要是荷载应力分析 ( 5 ) 半柔性复合路面结构设计研究：包括设计理论，设计方法及组合设计的研 究。 1 5 本研究的技术路线及实施方案 半柔性复合路面是一种新型路面结构形式，其没有现行的设计方法和规范可 供参考。参考国内外的有关资料和经验，选定最优的基体沥青混合料及水泥胶浆 的配合比，成型半柔性复合路面材料试件，并在标准条件下养护，然后进行马歇 第一章绪论 4 尔试验、浸水马歇尔试验、车辙试验、冻融劈裂试验、低温劈裂试验、劈裂强度 试验、线收缩系数等试验，以评价该复合路面结构的综合性能，并提供试验数据， 为后续研究奠定良好的基础。 通过对半柔性复合路面结构进行有限元分析，主要是应用a n s y s 软件分析其荷 载应力，即分析行车荷载作用对这种路面结构产生的影响，总结出规律，结合常 规路面的设计理论与方法，初步选定可参照的设计理论与方法。另外，还初步探 讨了温度应力的影响及其计算方法。 根据初步选定的可参照的设计理论与方法，做进一步深入的研究，即根据半 柔性复合路面结构的破坏模式，分析其开裂机理，提出适合的设计标准，结合设 计参数的研究，给出有效可行的设计指标，并最终提出合理的半柔性复合路面结 构的设计理论和设计方法，最后，还探讨了其结构组合设计。 第二章半柔性复合路面材料的试验研究 第二章半柔性复合路面材料的试验研究 2 1 试件成型及灌浆方法 半柔性复合路面混合料是一种新型的路面材料，其试件的成型至今没有现成 的设备和方法，由于其偏于“柔性”的特性，本文采用常规的沥青混合料试验设备， 在制作方法上加以改进或附加工序，制备试验中需要的各种试件。 2 1 1 马歇尔试件成型及灌浆 半柔性复合路面混合料的马歇尔试件成型分三个步骤：( 1 ) 成型母体沥青混 合料马歇尔试件；( 2 ) 灌浆水泥胶浆；( 3 ) 在标准养生室中养生。 图2 1 灌浆前后的马歇尔试件 f i 9 2 1t h em a r s h a l ls p e c i m e nb e f o r ea n da f t e rf i l l i n g 图2 2 在振动台上马歇尔试件灌浆 f i 9 2 2g r o u t i n gi nt h em a r s h a l l s p e c i m e no nv i b r a t i o nt a b l e 图2 3 拆模后刮去试件上多余水泥浆 f i 9 2 3s c r a p eo f f t h ee x c e s sc e m e n t g r o u to fm a r s h a l ls p e c i m e n 2 1 2 车辙试件成型及灌浆 半柔性复合路面混合料的车辙试件的成型分三个步骤： 第二章半柔性复合路面材料的试验研究 6 1 ) 在车辙试件成型机上成型母体沥青混合料车辙试件； 在成型过程中达到马歇尔试件的压实度即可，避免出现过压以引起试件空隙 率的偏差；同时尽量提高试件成型后的表面平整度，便于后续试验的进行。见图 2 6 和图2 7 。 2 ) 灌注水泥胶浆； 为保证胶浆的填充率，在试验室灌浆时在振动台上进行，见图2 7 ；为模拟现 场施工状况，灌浆过程从一边向前推进，见图2 8 ；完毕后，用橡胶刮板刮去多余 的水泥胶浆，露出母体沥青混合料的骨料，见图2 9 。 3 ) 在标准养生室中养生。 图2 4 刮浆后的马歇尔试件 f i 9 2 4t h em a r s h a l ls p e c i m e na f t e r s c r a p i n go f ft h ee x c e s sg r o u t 图2 6 碾压成型过程 f i g z 。6c o m p a c t i o na n dm o l d i n gp r o c e s s 2 2 间接拉伸动态劲度模量试验 图2 5 试件在标准养护室中养生 f i 9 2 5t h es p e c i m e nc o n s e r v e d i ns t a n d a r dr o o m 图2 7 在振动台上灌浆 f i 9 2 7g r o u t i n go nv i b r a t i o nt a b l e 路面材料的劲度模量是体现路面材料力学性质的重要指标，反映了材料的应 力应变特性，是路面结构设计中进行力学验算或厚度计算的一个重要参数。因此， 合理确定路面材料劲度模量对路面结构设计具有非常重要的意义。 第二章半柔性复合路面材料的试验研究 7 间接拉伸试验试件可采用实验室制作的圆柱形试件或者路面取芯试件，它们具 有不同直径和厚度。圆柱形试件高度要求在3 0 m m - - - 7 5 m m 之间，直径可取8 0 m m ， 1 0 0 m m ，1 2 0 m m ，2 0 0 m m 。两个尺寸依据混合料的名义最大粒径选择。 图2 8 胶浆灌注过程图2 9 刮去表面多余的胶浆 f i 9 2 8g r o u ti n f u s i o np r o c e s sf i 9 2 9a f t e rs c r a p i n go f ft h ee x c e s s g r o u to ns u r f a c eo ft h es p e c i m e n 本文采用间接拉伸动态加载试验测定半柔性路面混合料( 基体沥青混合料设 计空隙率为2 5 ) 的动态劲度模量( 简称动模量) 。试件采用从轮碾机上成型的板 状试件上用钻机钻取的试件，试件尺寸为直径1 0 0 m m ，高度4 5 m m ，采用气动伺 服沥青混合料材料机( 即m t s 8 1 0 材料试验系统) ，见图2 1 0 ，试验温度分别为1 5 c 和2 0 ，加载速率为2 m m m i n ，试件加载见图2 1 1 。 图2 1 0m t s 8 1 0 材料试验系统 f i 9 2 10m a t e r i a lt e s ts y s t e mo fm t s 8 10 试验结果 “”“”“p “缓 ；i v o i r 缫 ：掰赣麟：鬻 ；獭蹶镞黼i 誊赫 m ” ：瓣 ；溯鞘黝黼巍 麓麟黢黼；熬 瓣 l _ _ 一“ 簇菇 翅幽豳黼：戮 ：鞭嬲嬲缎磁翳 。翳 + t - _ t _ ；i 嚣 ! 嬲鞘糕溯鬻 ：鞠糊鞠隧黼i 霉 ：蠢嚣主添鬈鬣嚣嚣鍪餮蠢器豢甏荔甏鬣l 蕞鬻i j 荔囊黎i i 黧弱。三_ l ：! 竺l | i ! ! 竺竺兰 图2 1 1 间接拉伸加载 f i 9 2 11i n d i r e c tt e n s i l el o a d 第二章半柔性复合路面材料的试验研究8 半柔性复合路面材料间接拉伸动态加载试验结果见表2 1 和表2 2 。我国公 路沥青路面设计规范( j t gd 5 0 - - 2 0 0 6 ) 推荐的沥青混合料设计参数参考值见表 2 3 。沥青混合料的动态劲度模量与静态抗压回弹模量( 简称静模量) 存在一定的 数值关系，即动模量大约是静模量的2 5 倍【9 i 。由于时间有限，本论文的静模量值 即是通过动模量的o 4 倍换算而得出的。 试验结果分析 1 ) 半柔性复合路面材料具有较高的模量，1 5 的静模量为2 2 9 0 7 v i p a ，2 0 的为2 1 3 6 8m p a 都大于沥青混合料的静模量，体现出了其柔中掺刚的特性。 2 ) 在试验温度为1 5 和2 0 时，测得的半柔性复合路面材料动模量分别为 5 7 2 6 6m p a 和5 3 4 2 0m - p a ，换算得到的静模量分别为2 2 9 0 7m p a 和2 1 3 6 8m p a ， 在数值上仅差不足2 0 0 m p a ，远小于沥青混合料的4 0 0m p a 6 0 0 m p a ，故知温度对 半柔性复合路面材料的模量影响不大，进一步表明其温度敏感性较小。 3 ) 试验数据表明半柔性复合路面材料的动模量为5 3 0 0m p a - 5 8 0 0 m p a ，对应 的静模量为2 0 0 0m p a 2 3 0 0 m p a ，可作为后续的路面结构厚度计算参数。 表2 1 半柔性复合路面材料动态劲度模量试验结果( 1 5 0 ) t a b l e 2 1t h et e s tr e s u l t so fd y n a m i cs t i f f n e s sm o d u l u so f s e m i f l e x i b l ec o m p o u n dm a t e r i a l sa t15 c 试x 方向y 方向 两方向均值动模量静模量 件( m p a )( m p a )均值( m p a )( m p a )( m 【p a )( m p a ) 6 9 4 66 6 4 96 7 9 7 5 6 7 0 66 4 3 66 5 7 1 o 5 7 4 95 6 4 05 6 9 4 5 6 2 1 6 15 7 2 6 6 2 2 9 0 7 5 5 4 05 7 9 85 6 6 9 0 6 4 7 56 2 2 2 6 3 4 8 5 表2 2 半柔性复合路面材料动态劲度模量试验结果( 2 0 c ) t a b l e 2 2t h et e s tr e s u l t so f d y n a m i cs t i f f n e s sm o d u l u so f s e m i - f l e x i b l ec o m p o u n dm a t e r i a l sa t2 0 c 试 x 方向y 方向两方向均值动模量静模量 件( m p a )( m p a ) 均值( m p a ) ( 田a )( n 口a )( m p a ) 6 1 8 86 3 0 16 2 4 4 5 5 4 3 25 5 8 95 5 l o 5 6 0 8 46 0 7 46 0 7 95 7 3 0 55 3 4 2 02 1 3 6 8 5 6 2 l5 4 1 2 5 5 1 6 5 5 2 6 6 5 3 3 85 3 0 2 第二章半柔性复合路面材料的试验研究9 表2 3 沥青混合料设计参数参考值 t a b l e 2 3t h ed e s i g np a r a m e t e r sr e f e r e n c ev a l u e so fa s p h a l tm i x t u r e 抗压回弹模量e l ( m p a )劈裂强度盯( a ) 材料名称 2 0 1 5 1 5 细粒式沥青混凝土 1 2 0 0 16 0 0l8 0 0 2 2 0 01 2 1 6 中粒式密级配沥青混凝土1 0 0 0 - 1 4 0 0 16 0 0 2 0 0 0 0 8 1 2 中粒式开级配沥青混凝土 8 0 0 1 2 0 01 2 0 0 1 6 0 00 6 1 o 粗粒式沥青混凝士 8 0 0 1 2 0 01 2 0 0 1 6 0 00 6 1 0 2 3 劈裂强度试验 按车辙试件成型方法成型试件，然后用钻心机取出芯样试件，再用切割机切 至规定高度。制备好的试件尺寸为：直径1 0 0 m m ，高度为4 0 m m 的圆柱体试件。 本试验采用d l 多功能路面路基材料强度测试仪对三个试件进行劈裂强度试 验，试验条件和方法参照沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 中条文进 行，试验结果如表2 4 所示。 表2 4 劈裂强度试验结果 t a b l e 2 4s p l i ts t r e n g t ht e s tr e s u l t s 劈裂抗拉强度平均劈裂抗拉强度 试验条件试件编号 r r ( m p a )r 丁( m p a ) 温度1 5 1 7 4 9 1 5 1 0 1 7 2 4 加载速率5 0 m m m i n 1 9 1 3 数据表明，半柔性复合路面材料的劈裂强度( 1 7 2 4 m p a ) 大于细粒式沥青混 凝土的值( 1 2m p a - - 1 6m p a ) ，这也就表明了其较好的抗裂性能。 2 4 高温稳定性试验 车辙试验是评价沥青混合料高温抗车辙较直观、有效的方法。本试验通过肯 塔堡分散试验和谢伦堡沥青析漏试验综合确定母体沥青混合料最佳沥青用量，然 后以最佳沥青用量下混合料密度作为控制标准，用轮碾仪制成3 0 c m x 3 0 c m x 5 c m 试 板，再灌入水泥胶浆并养护至规定时间，在6 0 条件下进行车辙试验。车辙试验 评价半柔性路面混合料对塑性流动变形的抵抗力，是模拟行驶的汽车荷载进行的。 行驶轮胎为空心橡胶轮，硬度为j i s 7 8 ，直径2 0 c m ，宽5 c m ，厚1 5 c m 。模拟轮胎 行驶速度为通过试件中心每分钟4 2 - - t ：1 次，垂直变形一般定义为4 5 到6 0 分钟之间。 定义变形率： 第二章半柔性复合路面材料的试验研究 l o 肋( m m m i n ) = ( d z d 。) ( f ：- t 。) ( 2 1 ) 定义动稳定度： d s ( ? 次, m m ) = 4 2 x ( t 2 - t 。) ( d 2 一d 1 ) ( 2 2 ) 式中：d s l 动稳定度； r d 变形率； t l 一时间( 一般为4 5 m i n ) ； 勿一时间( 一般为6 0 m i n ) 西f ，时间对应的垂直变形； 椭时间对应的垂直变形。 车辙试验另一个评价高温稳定性的指标是相对变形。它是在规定作用次数和 时间下所产生变形与总厚度的比值，计算公式为： 万：一a i 1 0 0 ( 2 - 3 ) z 。 本次试验研究为方便对比，在车辙试验时间6 0 m i n 时，测定车辙试验总变形， 据此来计算车辙试验的相对变形。 试验参照沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 - - 2 0 0 0 ) 中相关条文进行。 试验结果见表2 5 。 表2 5 车辙试验结果( 2 8 d ) t a b l e 2 5r u t t i n gt e s tr e s u l t sa t2 8 d 测定时间( m i n ) 135 1 02 03 04 56 0 车辙深度( m m ) 0 0 6 40 0 8 80 1 2 10 1 6 70 2 3 90 2 9 20 3 3 90 3 6 8 动稳定度d s ( 次m m ) 2 1 7 2 7 变形速率7 ( r a m r a i n ) 0 0 0 1 9 3 相对变形指标万0 0 0 7 3 6 我国“八五”攻关课题提出了用车辙试验动稳定度作为沥青混合料的高温性能 技术指标，认为动稳定度越大，其高温稳定性越好。我国新实施的公路沥青路 面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 对沥青混合料车辙变形作了相关规定，如表2 6 。 标准规定对于年最高平均气温在3 0 以上的地区，上面层动稳定度不得低于8 0 0 次m m ，从图2 1 2 可看出，车辙试验后半柔性复合路面材料的变形非常小，而沥 青混凝土具有明显的变形，如图2 1 3 所示。从试验结果看，半柔性复合路面材料 的动稳定度在2 0 0 0 0 次以上，远远超过了规定值。同期s u p l 3 ( s b s 改性沥青+ 聚酯纤维) 测得动稳定度为4 9 2 2 ，s u p l 9 ( 重交沥青+ 聚酯纤维) 测得动稳定度 第二章半柔性复合路面材料的试验研究 为12 5 7 ，可见半柔性复合路面材料具有绝对的优势。相对变形比较小，从而证明 了半柔性混合料可以提高和改善路面抵抗高温变形能力，具有优良的高温稳定性 i o l 。 图2 1 2 车辙试验后的半柔性路面材料试件 f i 9 2 12t h e s e m i f l e x i b l ep a v e m e n t m a t e r i a ls p e c i m e na f t e rr u t t i n gt e s t 图2 1 3 车辙试验后的沥青混凝土试件 f i 9 2 13t h ea s p h a l tc o n c r e t es p e c i m e n a f t e rr u t t i n gt e s t 图2 1 4 半柔性复合路面材料位移一时间变形曲线 f i 9 2 1 4t h ed e f o r m a t i o nc u r v eb e t w e e nd i s p l a c e m e n ta n dt i m eo fs e m i f l e x i b l ec o m p o u n dm a t e r i a l s 表2 6 沥青混合料车辙试验动稳定度技术要求 t a b l e 2 6t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so f a s p h a l tm i x t u r ed y n a m i cs t a b i l i t yb yr u t t i n gt e s t 气候条件与技术要求相应于下列气候分区所要求的动稳定度( 次r a m ) 七月最高气温( ) 及气 3 0 2 0 3 0 1 0 0 0 7 5 无此区 i i 5 0 0 1 0 0 0 7 0 7 0 i i i 2 5 0 5 0 0 6 56 5 2 5 0 6 06 0 第二章半柔性复合路面材料的试验研究 1 4 试验结果分析 1 ) 参照美国s h r p 对各种标准方法的研究成果，根据我国的气候特征和国产 沥青与集料的实际性能，并参照沥青与矿料粘附性的要求，“八五”国家科技攻关专 题提出的沥青混合料水稳定性标准如表2 8 。参考表中标准，可知半柔性复合路面 材料的浸水马歇尔残留稳定度值符合i 级雨量气候区的残留稳定度标准。 2 ) 从表2 7 中可以看出，半柔性复合路面材料的稳定度大于2 0 k n ，明显优于 s u p l 3 ( s b s 改性沥青+ 聚酯纤维) 和s u p l 9 ( 重交沥青+ 聚酯纤维) 。其浸水残 留稳定度在9 0 以上，稍低于s u p l 3 ，但完全符合i 级雨量气候区的残留稳定度 标准( 7 5 ) 7 1 。说明半柔性复合路面材料具有优良的水稳定性能。 3 ) 分析表2 7 可知，半柔性复合路面材料2 8 d 的浸水马歇尔残留稳定度( 9 2 1 1 ) 大于3 d 的浸水残留稳定度( 9 0 9 6 ) 。分析其原因可能是因为水泥胶浆强度 增长的缘故。因此，随着时间的增长，半柔性复合路面材料强度呈现上升的趋势。 2 5 2 冻融劈裂试验 半柔性复合路面材料冻融劈裂试验结果如表2 9 所示。 表2 9 冻融劈裂试验结果 t a b l e 2 9r e s u l t so ff r e e z i n ga n dt h a w i n gs p l i t t i n gt e s t 半柔性路面混合料 未冻前劈裂抗拉冻融后劈裂抗拉强冻融劈裂抗拉强度 强度r r l ( m p a )度r7 2 ( m p a ) 比t s r ( ) 试件编号 3 d2 8 d3 d2 8 d3 d2 8 d 1 0 5 91 1 6 70 9 7 61 0 7 3 1 0 3 91 1 5 30 9 9 51 0 0 99 0 6 99 2 4 3 1 0 9 7 1 1 8 80 9 8 2 1 0 2 0 s u p l 3( s b s 改性 1 3 0 01 0 5