（道路与铁道工程专业论文）沥青路面抗滑级配类型工程应用研究.pdf

摘要 近年来，我国高速公路事业飞速发展，我国交通呈现出交通量大、行车速度快的特 点，随之带来的行车安全问题逐渐引起人们的关注，而保证车辆快速、安全、舒适行驶 的重要条件是路面具备良好的使用性能，尤其是路面抗滑性，而保证路面抗滑性的关键 是铺筑抗滑表层。 本文以福建同三高速公路改性沥青路面工程项目为依托，通过室内试验，研究了四 种不同类型的沥青路面抗滑级配：a c - 一1 3 k 、a k 1 3 a 、s u p e r p a v f - - 1 3 和无纤维的s m a 1 3 。通过对原材料进行检验，确定室内试验研究阶段与试验路的铺筑均采用壳牌改性 沥青。所进行的室内试验包括马歇尔试验、抗水损害试验、车辙试验及a p a 浸水车辙 试验。通过分析试验数据，可以看出a c - 一1 3 k 在马歇尔力学性能方面相对另外三种沥 青混合料性能最优，同时也提高了沥青路面的抗车辙性能和抗水损害能力。 通过试验路的铺筑与跟踪检测，来评价四种混合料的实际使用情况和路用性能。试 验路共长1 2 0 0 m ( 单幅) ，每种混合料3 0 0 m ，进行了试验路段的铺筑，并进行了现场检 测和跟踪检测，可以看出，在实际使用和路用性能方面，a c - 一1 3 k 、s u p e r p a v e - - 1 3 和 无纤维的s m a l l 3 均满足要求，但后二者要增加相对成本，因此优选a c 一1 3 k ，而 a l 【_ 1 3 a 渗水严重，不建议采用。 以a c 一1 3 k 为例，研究施工级配波动及沥青用量变化对沥青混合料使用性能的影 响，即抗滑级配敏感性分析。配制三种级配方案，分别代表粗、中、细三种状况，根据 室内试验确定最佳级配。对于最佳级配，分别在o 6 衄m _ 9 5 m m 筛孔按中值偏差5 一 7 各取三个级配进行体积参数试验；在最佳级配不变的条件下，各自按0 5 的用油量 变化，测定体积参数；研究级配波动和沥青用量变化对沥青混合料使用性能影响。 关键词：抗滑级配；试验路；路用性能；级配波动 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，e x p r e s sh i g h w a yd e v e l o p sa tf u l ls p e e di n0 1 1 1 c o u n u y , o u rc o u n t r yt r a 伍c a p p e a r so u tt h ec h a r a c t e r i s t i co fb i gu r a _ f h cv o l u m ea n dh i g hr u n n i n gs p e e d ，t h ed r i v i n gs a f e t y p r o b l e mb e c o m i n gac a u s ef o rc o n c e r n , t h ep a v e m e n th a sf i n ef i e l dp e r f o r m a n c e ，t h i si st h e i m p o r t a n tp r e r e q u i s i t e sf o re n s u r i n gf a s t 、s a f e 、c o m f o r t a b l e ，e s p e c i a l l yt h ea n t i - s k i d d i n g p e r f o r m a n c e ，t h ek e yt oa n t i s k i d d i n gp e r f o r m a n c el i e s i n c o n s t r u c t i n gt h ea n t i - - s k i d d i n g s u r f a c e t h i st h e s i si sb a s e do nt h ep r o j e c to ff u j i a n t o n g s a nf r e e w a ym o d i f i e da s p h a l tp a v e m e n t , b y t h el a bt e s tt o i n v e s t i g a t ef o u ra s p h a l tp a v e m e n tw i t h d i f f e r e n ta n t i _ 。s k i d d i n g g r a d a t i o n ：a c 一1 3 k 、a k 一1 3 k 、s u p e r p a v e - 1 3a n dn of i b e rs m a 一1 3 b yi n s p e c t i n gt h er a w m a t e r i a l s ，i nt h ep e r i o do fl a bt e s ta n dc o n s t r u c t i n gt h et e s t i n gr o a da d o p t i n gt h es h e l l m o d i f i e da s p h a l tw e r ed e c i d e d t h el a bt e s ti n c l u d em a r s h a l ls t a b i l i t yt e s t 、a n t i - - w a t e r d a m a g et e s t 、r u t t i n gt e s t 、a p ap o n d i n gt e s t m a r s h a l lm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo f a c 一1 3 k a r eb e t t e rt h a na k 一1 3 a 、s u p e r p a v e - 1 3a n dn of i b e rs m a - - 1 3a n dt h er u tr e s i s t a n c ea n dt h e a n t i - - w a t e rd a m a g e p e r f o r m a n c ea r ei m p r o v e d b yt e s tr o a dc o n s t r u c t i n ga n dt r a c k sd e t e c t i n gt oe s t i m a t ea c t u a lu s i n g c o n d i t i o na n d f i e l dp e r f o r m a n c eo ff o u ra s p h a l tm i x r l r e s t h el e n g t ho ft h et e s tr o a da 他1 2 0 0 r e ( o n e s i d e ) ，e a c ha s p h a l tm i x t u r e se v e r y3 0 0 mt oc o n s t r u c tt h et e s tr o a d , d e t e c to nt h es c e n ea n d t r a c k s m o n i t o r i n g ，i tc a nb es e e n , i nr e s p e c to fa c t u a lu s i n gc o n d i t i o na n df i e l dp e r f o r m a n c e ， a c 一13 k 、s u p e r p a v e - 13a n dn of i b e rs m a 一13m e e tt h er e q u i r e m e n t s ，b u tt h el a s tt w o n e e dt oi n c r e a s er e l a t i v ec o s t ，s oa c 一1 3 ki st h eb e s t ，a k 一1 3 k s e e ps e r i o u s ，s u g g e s tn o t u s e i t t a k ea c 一1 3 kf o ri n s t a n c e , t h ei m p a c to fc o n s t r u c t i o ng r a d a t i o nf l u c t u a t i o na n dt h e c h a n g eo fa s p h a l td o s a g eo nt h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e sa r ei n v e s t i g a t e d , i ta l s o a n a l y s et h es e n s i t i v i t yo fa n t i - - s k i d d i n gg r a d a t i o n t h r e eg r a d a t i o ns c h e m er e p r e s e n tt h e s i t u a t i o no ft 1 1 i c k ，m i d d l e ， s l e n d e r , a s c e r t a i nt h eb e s tg r a d a t i o nb yl a bt e s lw i t ht h eb e s t g r a d a t i o n ，a tt h em e d i a no f0 6 r a m - 9 5 m ms i e v ep o r ed e v i a t e5 - 7 m a k et h r e eg r a d a t i o n , a n dd ov o l u m e t r i e a lp a r a m e t e rt e s t ；u n d e rt h ec o n d i t i o no fb e s tg r a d a t i o ni n v a r i a n t , a s p h a l t d o s a g ec h a n g e0 5 ，d e t e r m i n et h ev o l u m e t r i c a lp a r a m e t e r , i n v e s t i g a t e dt h ei m p a c to f c o n s t r u c t i o ng r a d a t i o nf l u c t u a t i o na n dt h ec h a n g eo fa s p h a l td o s a g eo nt h ep e r f o r m a n c eo f a s p h a l tm i x t u r e s k e yw o r d s ：a n t i - - s k i d d i n gg r a d a t i o n ；t e s tr o a d ；f i e l dp e r f o r m a n c e ；s e n s i t i v i t y 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 集体已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：么彬陟彤 日期：伽缉h 月心日 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：红步融杼 日期：加g 年l 上- h ，厂日 导师签名掰吩 日期咖年，二月么日 第一章绪论 1 1 问题的提出 近年来，随着我国国民经济持续、健康地发展，交通事业特另i j 是高速公路建设得狲 了飞速发展。仅“十五 期间，我国建成高速公路2 4 7 万k m ，是“八五”和“九五一 期间建成高速公路总和的1 5 倍，通车总里程达到4 1 万k m 。然而，高速公路在给人们 出行带来方便的同时，由于其车速快，车流量大的特点，也提高了发生交通事故的可能。 根据公安部交通管理局的统计资料显示，2 0 0 7 年全国共发生道路交通事故3 2 7 2 0 起， 造成8 1 6 4 9 人死亡，3 8 0 4 4 2 人受伤，直接财产损失1 2 亿元。n ， 造成交通事故的原因是多方面的，一般认为主要原因有行驶者安全意识差和路面状 况运行条件不佳两方面。行驶者的安全意识可以通过强化教育加以提高，而改善路面运 行条件最直接最有效的方法之一就是铺筑抗滑表层。据调查显示，高速公路上，构造深 度和摩擦系数大( 即抗滑性能好) 的路段的事故率要低于构造深度和摩擦系数小的路段。 因此，路面的抗滑性能对于改善运行条件和降低事故发生率都有重要影响。脚 我国对于抗滑表层的探索开始于上世纪7 0 年代，目前几种主要的抗滑表层形式有 嵌压式抗滑表层，折断型级配a k ，多碎石沥青混凝土( s a c ) 和s m a 。口，其中a k 是应用 最为广泛的一种形式，a l ( 型是一种介于骨架密实型与骨架半空隙型的沥青混凝土结构， 在a c 型基础上增加了粗集料和矿粉用量，由于以粗集料为主，所以防滑性能好，但是， a k 结构的设计空隙率大( 4 一8 ) ，透水性差，易出现渗水现象，同时耐久性差，抗滑能 力容易随着行车的压实作用而大幅降低。“，同时，由于我国不同地区气候差异较大，a k 型并不能完全适应各地的具体情况。 鉴于实际工程中存在的各种问题，本文从沥青混合料级配入手。结合目前国内外对 于抗滑表层的研究成果和具体的工程项目，对比不同类型的抗滑级配形式，通过大量试 验研究，比较其优劣性，为抗滑表层结构类型的选择提供科学依据，同时保证公路沥青 路面施工质量，提高在重载大交通量下路面长期使用性能，具有一定的指导意义。旧 1 2 国内外研究概况 随着高速公路建设力度不断加大，高速公路对经济的促进作用愈加明显，而路面 的抗滑性能对于整个道路的使用性能有着重要影响。国内外很多研究机构都对如何提高 路面抗滑性能进行了大量研究。 s l 1 2 1 主要研究阶段及成果 英国早在1 9 2 7 年就开始进行抗滑研究。t r r l 是世界上最早从事路面抗滑阻力研 究的机构，已经有5 0 年以上的研究历史，他们的研究成果不仅表明在潮湿状况下发生 交通事故的危险同路面滑溜程度的可靠关系，而且开发了道路面层抗滑性能的测试设 备。【7 1 9 4 9 年国际道路会议成立了滑溜与平整度技术委员会( 后来更名为表面特性技术 委员会) 。在其组织下，于1 9 5 8 年和1 9 7 7 年召开了第一届和第二届国际防滑会议。 第十八届国际道路会议柔性路面委员会在其总结报告中指出：在提高沥青路面的抗滑能 力时，首先应考虑的是材料性能；其次是路面构造；第三是施工技术。 我国一些研究人员于2 0 世纪7 0 年代中期开始探索铺筑抗滑面层。在这以前我国 几乎没有路面摩擦系数的实验和数据，7 0 年代中期才有五轮仪，因此，修筑抗滑表层首 先要解决的是试验手段即试验仪器问题。8 0 年代中，交通部公路科学研究所成立了抗滑 面层研究小组，专门研究如何设计抗滑表层，同时相继研制成功了测量摩擦系数的摆式 仪，测量石料磨光值的加速磨光仪。阳，并用它对全国1 7 个省市的4 0 0 多种石料做了磨 光值普查，与此同时还在7 个省市内对5 0 0 0 余公里干线沥青路面上的1 0 0 0 余个事故 路段进行了调查，建立了路面抗滑力与事故危险程度之间的关系，并通过上述工作建立 了沥青路面的防滑标准及其指标体系。在这之后，“七五”攻关课题“高等级公路半刚 性基层沥青路面结构和抗滑表层 又专门研究了高等级公路沥青路面的抗滑表层。在此 期间研制出了能连续测量路面摩擦系数的滑溜拖车，这使我国的路面摩擦力测试仪器摆 脱了效率低、点测量的缺点。这些研究成果对于我国沥青路面抗滑技术的研究和推广具 有重要意义。n 帕 1 2 2 国内外沥青路面抗滑表层主要形式 1 、国外主要抗滑表层主要形式 ( 1 ) 嵌压式抗滑表层 它是在砂粒式或细粒式沥青混凝土上嵌压经沥青预拌的等粒径、抗磨光的优质石料 后所形成的一种抗滑表层，这种路面的抗滑性能好，但高温稳定性较差，对于材料和施 工工艺要求也较高。根据英国的使用经验，它适用于夏季高温不超过2 5 的情况，如 1 9 9 3 年气温高达2 5 。2 7 ，采用该面层的m 4 号高速公路只得关闭交通。i n ， ( 2 ) 分异磨耗面层 该结构作为抗滑表层在意大利、英国已经使用了2 0 年以上，这种面层混合料采用 不同磨光值的矿料作为集料，在车辆的持续作用下，磨光值低的矿料先被车轮磨损，而 磨光值高的集料仍然裸露出来，形成表面的粗糙构造，从而提供路面较为长久的抗滑能 力。这种路面行车属于一种空隙率较小的密实沥青面层，行车噪音较低，构造深度不大， 抗滑能力中等，常用于主要道路的养护之用。咖 ( 3 ) 沥青玛蹄脂碎石混合料( s m a ) s m a 于6 0 年代初创立于联邦德国，到8 0 年代初正式在德国推广应用，至今特 别是在德国的南部和巴伐利亚州使用得较多。通常，德国的s m a 只使用纯沥青和木质 素纤维。即使在高速公路上，也仅有个别特殊路段使用改性沥青和木质素纤维。近几年 来，德国每年使用s m a 铺筑的面积己占每年沥青混凝土面积的1 0 。国外的研究表明， s m a 与传统连续式密级配沥青混凝土相比具有抗永久变形能力强、表面粗糙度好( 即 2 构造深度t d ) 、以及老化和早期裂缝较少的优点。“耵 ( 4 ) 薄沥青混凝土( b b m ) 薄沥青混凝土于8 0 年代初创立于法国。开始它仅仅用于养护工程，后来就扩大到 应用于新建工程。法国2 0 - - - , 3 0 国道网的养护都采用纯沥青混凝土。法国对b b m 的 定义为：用纯沥青或改性沥青、集料( 包括可能的矿质或有机的添加剂) 制成的混合料， 摊铺厚度为2 5 - - 5 c m 。b b m 的矿料级配在6 3 一- - 2 m m 间是全断的( 即两者的集料通过 量相等) ，大于6 3 m m 的颗粒含量为6 5 。其空隙率在6 1 2 ，为防止该面层透水， 常用改性沥青在其下面做一层粘结层。“钔b b m 的表面构造深度大于0 6 m m ，具有良好 的抗滑特性。 ( 5 ) 多孔隙沥青混凝土( p a w c ) 这种混合料包括大量集料( 8 0 - - 9 0 ) 、少量填料( 4 6 ) 和少量沥青( 4 5 ) 。混合料有用纯沥青，也有用改性沥青，如荷兰的高速公路上规定必须用开级配磨 耗层( o g f c ) ，其中用改性沥青的仅占约4 0 ，其他约6 0 用纯沥青。p a w c 的铺 筑层厚为2 , - - - 4 c m 。o g f c 也是p a w c ，或它是p a w c 的另一种称谓。 p a w c 的主要特点是：高空隙率( 一般具有1 8 - - - , 2 5 ) ，形成多空隙表层，可避免 表面积水；它可防止水漂、射水和溅水，并提高抗滑能力，其他优点：噪声较小，反光 较小、滚动阻力较小和有良好的平整度。其缺点是强度和耐久性差。在美国普遍接受的 p a w c 的优点是改善潮湿气候( 即降雨时) 条件下和高速行驶时的抗滑能力。m ，美国联 邦公路局建议在交通量大的主要公路上使用p a w c ，以提供卓越的潮湿气候特性下的高 速行驶时的抗滑能力。在我国北方地区，空气干燥，空气中粉尘颗粒含量高。如果使用 p a w c ，表面空隙容易被堵塞，造成这种类型混合料使用性能大大降低。 ( 6 ) 粗骨架高结合料混合料( c m h b ) 美国得克萨斯州运输局开发了一种新型的粗骨架高结合料含量( c m 曲) 混合料设 计方法，它不需要添加剂或填料。在c m h b 混合料中，集料级配设计成粗碎石彼此互 相接触，而此时，行车荷载由粗集料承担并传递到下层路面。由于粗碎石是混合料中主 要承担荷载的组成部分，就预防辙槽而言，混合料对细和中等尺寸集料的质量和数量的 依赖性明显减少。n 刚根据野外的反复试验，这种混合料有很好的抗辙槽能力，且不会离 析。但是由于混合料中不含有填料，所以耐久性差。 ( 7 ) 富集料碾压沥青混凝土( v 队c p t o p ) v 队c p l 的p 一5 衄、8 m m ( 标称最大粒径) 用于上覆层( 在原沥青面层上加铺一薄 层) ： v l 忙p t o p - - 1 2 m m 用做磨耗层； v i a c p t o p - - 1 6 r a m 用做重交通道路上的磨耗层。 在瑞典，富集料碾压沥青混凝土也简称a b s 。v i a c p t o p 具有好的抗滑性能和抗 车辙能力。n 订 3 2 、国内抗滑表层主要形式 ( 1 ) 嵌压式抗滑表层在我国的应用 国内曾在砂粒式沥青混凝土上嵌入1 0 m m - - - 1 5 n n n 或3 r n m - g n u n 抗滑性能好的 碎石。n 町这种嵌压式磨耗层的优点是宏观构造度好和耐久性好。因抗滑性能好的石料仅 用于表面。需要的数量少，故在需远运石料的地区，使用嵌压式磨耗层最经济。 ( 2 ) 间断型级配a k “七五 期间，我国的公路部门对抗滑表层展开较深入的研究，根据当时沥青和矿 料的供应情况及施工技术水平，在确定抗滑磨耗层的矿料级配时遵循如下的原则：既有 一定的空隙率，又要控制渗水量不能过高。n 们粗集料以d - d 4 ( d 为晟大粒径) 为主， 约占总量的刀3 ，以提高路面的抗滑能力和抗车辙能力；d 4 以下的细集料部分以理想 级配组成，以提高混合料的稳定性和水稳性。 抗滑表层a k 在我国多条高速公路上得到了应用，也出现了很多问题，特别是水 破坏问题较为严重。因此，a k 类型级配作为抗滑表层有待进一步研究。嘲， ( 3 ) 多碎石沥青混凝土( s a c ) 为了解决高速公路沥青表面层抗滑性能好，特别是构造深度满足要求，又透水性小 这一技术问题，1 9 8 8 年我国研究开发了多碎石沥青混凝土( s a c ) ，它属于一种粗集料断 级配沥青混凝土。乜”后来根据国内外研究结果及工程实践经验对其级配进行了调整，要 求4 7 5 r a m 筛孔以上的碎石含量不少于6 0 ，同时为了保证沥青混合料的空隙率接近 4 ，需要适当增加0 3 n n n 特别是0 0 7 5 r a m 以下颗粒( 矿粉) 的用量不小于6 。使用经验 证明，在矿料颗粒组成变异性较小的情况下，s a c 空隙率小，具有优良的摩擦系数和表 面构造深度及抗辙槽能力。噼， ( 4 ) s m a 在我国的应用 我国于1 9 9 3 年夏季首次在北京机场高速公路( 长约1 8 k m ) 上铺筑了复合改性沥 青s m a 试验路。随后，在一些省的一般公路或高速公路上铺筑了长数公里甚至1 0 多 公里的试验路。这些试验路虽然在竣工后具备较高的构造深度和较大的摩擦系数，但在 通车后多条试验路都产生早期破坏( 主要是泛油，水破坏也较多) 。另外s m a 与普通 级配的沥青混合料相比，沥青用量高，因此增加了高速公路的造价。因此，该路面类型 应当从技术和经济两方面进行认真地调查、分析和总结。汹， 1 2 3 级配设计理论 沥青混合料矿料级配是把各种不同粒径的集料，按照一定的比例搭配起来，以达到 较高的密实度或强度。一个良好的矿质集料级配，应该是在热稳定性容许的条件下矿料 与沥青之间的作用良好，使沥青混合料最大限度地发挥其强度效应，从而获得良好使用 品质。由于矿料级配对于沥青混合料性能有很大的影响，因而对级配类型的研究就十分 必要。 目前，常用的级配理论主要有最大密度曲线理论( t h et h e o r yo fm a x i m u md e n s i t y ) 、 粒子干涉理论( t h et h e o r yo fi n t e rf e r e n c e ) 以及分形理论( f r a c t a l ) ，最大密度曲线 4 理论主要描述了连续级配的粒径分布，用于计算连续级配。嘲粒子干涉理论则可用于计 算连续级配和间断级配。而现有级配算法皆以最大密度曲线理论为基础发展而来，只强 调级配达到最大密实度，没有考虑骨架结构的形成与否，由此设计的级配也就难以形成 骨架密实结构。咖c a g 魏矛斯( w e y m o u t h ) 提出的粒子干涉理论则认为要达到最大密实 度，前一级颗粒之间的空隙应由次一级颗粒填充，剩余空隙再由更次一级颗粒填充，但填 隙的颗粒粒径不得大于其间隙的距离，否则大小颗粒之间势必发生干涉现象。这种填充 与干涉的关系受大小粒子之间一定数量分布状况的影响，为多级嵌挤密实结构级配 ( m i ) b g ) 的计算提供了理论依据。恤，此外，已提出的级配算法中多只适用于各级粒径以1 2 ，递减的情况，而我国目前沥青混合料常用级配统一按方孔筛划分，并不满足这一要求，因 此，依据粒子干涉理论提出一种适合于我国筛孔划分标准的级配算法是非常必要的。嘲 分形理论是近年来随着材料学的发展，将分形几何理论应用于路面材料集料级配研究而 出现的一种新方法。有关前两种理论的介绍很多，而对于分形级配理论目前研究却很少， 主要是分形理论应用于材料学的研究还处于发展阶段，但其从材料学科的角度进行路面 材料的研究，有其独到之处，是路面材料发展的必然趋势。分形理论是基于分形几何学 发展起来的。所谓的分形几何，是指研究无限复杂但具有一定意义下的自相似图形与结 构的几何学，它揭示了世界的本质，是真正描述大自然的几何学，为人们提供了一种描 述这种不规则复杂现象中的秩序和结构的新方法。矧自分形集合的创始人法国数学家曼 德尔布罗特于1 7 7 5 年创建分形几何学以来，分形几何学己得到广泛的应用，在物理学、 材料学、表面科学、计算机科学甚至在经济法、书法艺术等领域中均能看到分形几何学 的研究成果。分形理论的出现把数学研究扩展到了传统几何学无法涉足的那些病态曲线 领域。 1 2 4 级配类型 根据以上三种级配理论，分析不同级配的组成机理，产生了以下几种级配类型。嘲 t 、传统连续式密级配 矿料中各级粒径的粒料，由大到小逐级按一定的质量比例组成。传统连续式密级配 的理论和计算方法是在2 0 世纪初，由美国学者根据最大密度理论提出的。最大密实蛆 线理论是从集料以何种比例组合能达到最大密实度的角度出发来确定级配中各种粒径 的分布。从混合料的密实度出发，早期采用的矿料级配形式多为连续级配。连续级配混 合料的级配曲线平顺光滑，具有连续不间断的性质，它虽然可以获得最佳的密实度和较 大的粘结力，但不能构成最大的内摩阻力。其强度主要受粘结力所影响，在现代重型汽 车交通荷载作用下，这种类型的沥青路面可能因热稳定性不足而产生车辙、波浪、推移 等变形，从而影响其正常使用。 2 、连续开级配沥青混合料 连续开级配是指粗集料含量较多，细集料含量很少。例如：沥青碎石混合料和多孔 隙沥青混凝土0 ( ；f c ，其粗集料可以形成骨架，但由于细集料含量较少甚至没有，所以 不能充分填充骨料之间的空隙而有较大的空隙率，故而形成一种骨架空隙结构。这类材 料的强度主要取决于内摩阻力，粘结力相对是次要的，因而其高温性能可以显著提高。 5 但由于空隙率太大而使路面耐久性受到影响。 3 、间断级配 为解决传统连续密级配存在的问题，使沥青混合料既能满足热稳定性的要求，同时 又具有良好的耐久性，近年来又发展了一种新的矿料级配类型一间断级配。所谓间断级 配就是指在矿料组成中，大小各级粒径的矿料颗粒不是连续存在的，而是在连续级配中 剔除了其中一个粒级或几个粒级形成的一种不连续级配。间断级配在理论上是兼有嵌挤 原则和级配原则的优点。这种混合料不仅有足够数量的粗骨料形成空间骨架结构，而且 又有必要数量的细集料填充于骨架间的空隙中，使混合料有较高的密实度而形成的一种 骨架密实结构，是摩阻力、凝聚力和密实度都最好的混合料。法国1 9 8 2 年研究的b b m ( 薄 沥青混凝土) 、德国1 9 8 4 年制定规范的s m a ，我国沙庆林院士于年提出的s a c 都属于此 种级配类型。这种级配类型一个共同的原则是通过提高某一粒级的含量来加强混合料的 骨架结构。现己有许多国家采用这种级配形式，具有良好的发展前景。但这种级配类型 对材料、设计和施工技术水平较高，如果处理不当，常常会导致离析等，而且有些间断 级配如s m a 造价高，这些都限制了它的大规模推广应用。 4 、折断级配 间断级配虽然有其优点，但由于组成间断以后，拌和不易均匀，给施工造成很大的 困难，为了克服这种问题，同济大学提出了折断型级配，折断型级配实质上也是一种间 断型级配，只不过主骨料即粗集料控制至两级，原则上使其达到靠拢的程度，细集料仍 取连续级配，一般按k = o 7 5 计算，粗细集料之间不问断，因而级配呈折断型，这就减 少了离析现象的产生。由于其级配的确定是通过在粗细集料之间取不同的值计算所得， 故而又称“变k 法 。此种级配类型，折断点位置的选择以及折断点前后k 的取值是关 键，折断点及k 值的改变方式不同，混合料矿料级配结果也不同。在实际中难以操作， 因而限制了它的使用，而且其大多也只用于间断级配如s m a 和s a c 级配计算中。 1 2 5 级配计算方法 传统的理论级配计算方法有三种，即n 法、k 法和i 法。三种级配计算方法级配问 题的出发点各有差异，因此各自参数的取值范围不同，分别介绍如下 1 、n 法 传统连续式密级配的计算方法是在世纪初，由美国学者根据最大密度理论提出的。 ，j 其计算公式相应成为富勒( f u u 哪公式，如下式所示艺= e ) 0 j 。后米泰波认为富勒公式 工， 是一种理想的级配曲线，实际上要获得最大密度会有定的波动范围，于是将富勒公式 j 改成如下表达式只= ( 姜) “，即所谓的n 法。泰波根据理论分析和试验认为，当 工， n = 0 2 5 。0 3 5 ，集料可以获得最大密度。日本的研究认为，当n = 0 3 5 。0 4 5 ，集料级配最 好，故在沥青路面纲要中采用。美国s u p e r p a v e 沥青混合料设计规范规定，集料级配 6 曲线指数应取0 4 5 。口1 ， 2 、k 法 前苏联伊万诺夫提出用颗粒分级重量递减系数k 为参数的连续级配密实理论，他 认为n 法中n 幂公式存在一个缺点，由于它是无穷级数，没有最小粒径的控制。对于 沥青混合料往往造成矿粉含量过高，路面高温稳定性不足的缺点，k 法以颗粒直径的 1 2 为递减标准，设k 为筛余量的递减系数，k 值越大，级配越细，一般k 值为0 6 5 - - - 0 8 4 ，可用下式表示 以吲l 一篇) ( 1 1 ) 式中：几一不同粒径d 处的通过率，； 凡一最大公称粒径处的通过率，一般控制在9 0 - - 1 0 0 ： x - 级数，x = 3 3 2 1 9 d d ，即粒径每递减l 2 为一级； m 一极限级数，m = 3 3 2 1 9 d 0 0 0 4 ： x - 通过率系数，一般认为k = 0 7 5 时为最大密度线 有了最小粒径的控制，就解决了n 法存在的问题，使沥青混合料中矿粉的含量不致 过高，保证了级配在最小粒径时的通过率在可接受范围。这是k 法区别与n 法的实质 所在。嘲 3 、l 法 同济大学道路工程研究所长期从事这方面的研究，在分析原苏联的k 法和美国i t 法 基础上，提出了直接采用质量通过百分率递减系数i 为参数的矿料级配组成计算方法( 简 称i 法) p x = p o f ) 。 ( 1 2 ) 式中几一不同粒径时的通过率， 风一最大公称粒径时的通过率，以l 控制 x 一级数，i ：3 3 2 l g 旱 a 。 卜通过率递减系数。 i = 0 6 4 0 7 0 ，它的确定是同济大学参照国内外规定和经验，借助于s u p e r p a v e 的集料 组成设计法和贝雷法的检验标准，是s u p e r p a v e 法与贝雷法的综合而以i 法的形式表示。 7 1 3 主要研究内容 本文结合福建同三高速公路改性沥青路面工程项目，从沥青混合料的级配组成入 手，选取四种不同类型的抗滑级配形式，通过试验研究和铺筑试验路，对比其使用性能 的优劣，并研究级配误差、沥青用量的变化对于级配使用性能的影响程度。其主要研究 内容如下： ( 1 ) 原材料各项指标的检验。 ( 2 ) 对于选定的四种抗滑级配，进行室内试验，检测其各项试验指标，对其使用 性能进行初步判断。 ( 3 ) 铺筑试验路，进行现场检测，得到各项指标，并由此判断不同级配使用性能 的优缺点。 ( 4 ) 选定其中一种级配，研究级配误差、沥青用量的变化对其使用性能的影响程 度，即敏感性分析。 s 第二章试验研究方案及原材料的检验 2 1 概况 针对福建省同三线罗长、福宁、漳诏三条高速公路3 4 0 多公里的改性沥青工程项目， 开展对不同类型表面层的改性沥青混合料设计方法与性能等的对比研究，并根据试验结 果铺筑试验路，检测不同混合料的路用性能，为同三线抗滑表层结构类型的选择提供科 学依据，指导沥青路面施工，这对于提高高速公路沥青路面的性能与耐久性，防止发生 早期破坏，具有重要意义，同时，对我国高速公路骨架网同三线路面设计与施工也将具 有积极的参考价值。 在对全国气候条件相似的部分已建高速公路路面结构使用性能和相关文献资料调 查研究基础上，选择代表目前抗滑表层先进技术的四种不同的改性沥青混合料进行室内 试验研究和试验路铺筑，即a k 一1 3 a 、a c 一1 3 k 、s u p e r p a v e - - 1 3 与无纤维的s m a 1 3 ，在混合料设计上既要保证路面具有足够的高温抗车辙能力，又要基本不渗水，4 种 混合料全部按体积法设计为密实混合料，即设计空隙率全部为4 。 设计方法的不同也会影响沥青混合料的抗滑性。不同的设计方法采用了不同的成型 方式，而成型方式直接影响着沥青混合料内部集料的排列方式，使集料呈现出不同的受 力状态，从而直接改变着包含抗滑性能在内的沥青混合料各种使用性能。对于同一级配， 所谓合适的沥青混合料设计方法，应当使其室内击实成型得到的沥青混合料体积参数等 结果接近于施工后的实际路面状况，这样才能更真实地反映抗滑表层的实际使用性能， 更能真实地体现抗滑表层各项性能指标。呻1 目前常用的设计方法有三种： 1 、马歇尔方法。该法的优点在于混合料的设计上简洁便利，并且已经应用的比较 广泛，通过沥青混合料密度、空隙率、稳定度、流值以及沥青饱和度随沥青用量的变化 关系来确定沥青混合料的最佳沥青用量。对于不同的矿料级配，本文均采用双面击实各 7 ，次方式进行沥青混合料设计，并用相同条件进行路用性能评价，希望能够提高抗滑 性能的同时，不牺牲沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性以及疲劳特性。 2 、g t n 法。该法采用美国工程兵旋转压实机g t m ( g y r a t o r yt e s t i n g m a c h i n e ) 成 型试件。其优点在于最大限度地模拟汽车在公路上行驶轮胎与路面的相互作用，通过旋 转压实，使试模中沥青混合料的密度达到汽车轮胎实际作用于路面时所产生的密实度。 g t m 法是通过压实稳定值、抗剪强度以及试件压实到平衡状态的密度三个指标来确定 最佳沥青用量】，依据g t m 法的原理，正常设计和施工的沥青路面在预期的荷载作用 下是不会产生车辙的。 3 、s u p e r p a v e 设计法。该法采用s u p e r p a v e 旋转压实仪( s u p e r p a v e g y r a t o r y c o m p a c t o r ) 成型试件及预测路面的长期性能，在考虑交通量的基础上选择压实 次数。s o u s a 等学者经过研究认为，通过揉搓方式成型试件，对于大多数沥青混合料类 9 型来说，能较好地模拟实际路面材料体积和工程属性。s u p e r p a v e 设计法得到的最佳沥 青用量应满足混合料体积性质、粉胶比以及水敏感性三部分的要求。马歇尔击实仪具 有价格便宜、体积小( 搬运便利) 和使用简单的特点，因此容易推广应用，并且能够很 好地应用工程建设中：而g t m 和s g c 旋转击实仪体积大、价格昂贵，目前在国内仅 有少数的高校和科研单位拥有，实际工程应用少。 2 2 试验方案 评价沥青路面抗滑表层使用性能的主要指标有：马歇尔体积参数：评价指标为空隙 率、沥青饱和度、矿料间隙率，稳定度等；高温稳定性能：评价指标为动稳定度：抗水 损害性能：评价指标为残留稳定度、冻融劈裂试验强度比t s r 、渗水系数：抗滑性能： 评价指标为构造深度、摩擦系数。根据所需测定的试验指标，确定具体的试验研究如下。 2 2 1 具体试验研究 1 、原材料性能试验 ( 1 ) 沥青常规指标试验，用于评价所用沥青的各项使用性能。 试验指标包括：i - d 等级：针入度、延度、软化点、闪点、弹性恢复等。p g 等级：闪 点、运动粘度、动态剪切等。 ( 2 ) 集料填料物理力学指标试验，用于评价集料填料的使用性能。 试验指标包括：集料：压碎值、磨耗损失、表观密度、毛体积相对密度、吸水率， 对沥青的粘附性等。填料：表观相对密度，含水量，外观，亲水系数。 2 、沥青混合料试验研究 ( 1 ) 马歇尔试验 通过对四种沥青混合料进行马歇尔试验，测定其主要马歇尔参数，如：空隙率、沥 青饱和度、矿料间隙率，稳定度等，用来评价各种混合料的马歇尔力学性能。 ( 2 ) 高温稳定性试验 对四种混合料进行车辙试验，测定其动稳定度指标，用来评价各种混合料的高温抗 车辙能力。 ( 3 ) 水稳定性试验 对四种混合料进行浸水马歇尔和a p a 浸水车辙试验，测定残留稳定度、t s r 、浸水 最大车辙深度，评价各种混合料的抗水损害性能。 ( 4 ) 抗滑性能试验 在试验路段采用铺砂法测定构造深度，用以评定路面表面的宏观粗糙度、路面表面 的排水性能及抗滑性能。摩擦系数测定仪( 摆式仪) 测定沥青路面的抗滑值，用以评定 路面在潮湿状态下的抗滑能力。 ( 5 ) s c , - c 旋转压实试验 用以进行s u p e r p a v e - - - 1 3 的沥青混合料设计。 1 0 3 、试验路的铺筑 ( 1 ) 试验路现场检验 ( 2 ) 试验路跟踪检验 2 2 2 沥青混合料试验方法 1 、马歇尔试验 传统的马歇尔法在世界各地都有其广泛的使用基础，在我国也不例外。它最初是借 用土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，属于体积设计方法。该方法对混合料的密度、空隙率、矿料间隙率等体 积指标有明确的要求。据调查，一部分人认为马歇尔法进行混合料设计仅仅是决定配合 比和沥青用量；事实上，马歇尔法是一个设计过程，这个设计过程需要考虑密度、空隙 率和沥青饱和度等诸多因素，并促使这些体积性质和技术指标达到一个最佳和最经济的 平衡过程。嘲 2 、沥青混合料高温稳定性试验 ( 1 ) 车辙试验 沥青混合料车辙试验最早是由英国道路研究所( t r r i j ) 确立的试验方法，由于它 能较好地反映沥青混凝土路面在车轮重复荷载作用下发生塑性流动变形( 车辙) 所致永 久变形的累计过程，故多数国家将它作为高等级公路沥青混合料配合比设计的必做试验 之一。啪1 本次车辙试验，试验温度为6 0 i c ，试验轮压力为0 7 m p a ，试验轮行走距离 为2 3 0 r a m 1 0 m m ，往返碾压速度为4 2 次埘岫l 舳。车辙板试件尺寸为3 0 0 r a m x3 0 0 r a m 5 0 m m 。 ( 2 ) 简单剪切试验 通常认为，沥青路面的第二阶段永久变形主要是由于沥青混合料的塑性剪切流动引 起的，美国s h r p 推荐的简单剪切试验就是用于考察沥青混合料的抗剪切流动性能。 这个试验方法由土的直剪试验方法移植过来，并进一步考虑了沥青混合料的特殊性质， 增加了垂直的动力荷载、围压和温度控制，可测试件的回弹剪切模量、动力剪切模量等。 传统上采用三轴压缩试验测定沥青混合料的剪切特性，这是岩土工程常用的方法，几乎 成为人们的思维定式和剪切试验的代名词。哪，简单剪切试验包括单轴贯入试验和无侧限 抗压强度试验。贯入试验和无侧限抗压强度压头直径分别为2 8 5 m m 和1 0 0 r a m ，试验 温度为6 0 1 ，加载速率为l m m m i n ，位移计的最大量程1 5 m m 试件为1 0 0 m i n x ， 1 0 0 r a m 的圆柱体。 3 、沥青混合料低温抗裂性试验 目前常用的研究沥青混合料低温性能的试验主要有：约束试件温度应力试验，又称 冻断试验，是s h r p 计划推荐的评价沥青混合料低温性能的试验方法。它能够模拟实 际温度变化和混合料实际受力状况，能较真实地反映出沥青混合料的低温开裂性能，不 足之处是试验设备昂贵，方法复杂，不易推广应用。m 1 低温弯曲破坏试验也是国内外较 常用的沥青混合料低温抗裂性能评价方法。国外曾用8 2 5 5 m i n x8 2 5 5 m i n x3 8 1 r a m 和 2 5 c r u x2 5 c m x2 5 c m 两种尺寸确定沥青混凝土低温劲度模量和抗弯拉强度。本文低温 l l 弯曲试验采用多功能万能材料试验机，试验温度为一1 0 0 1 ，加载速率为5 0 m m m i n ， 跨径2 0 0 r a m 。试件尺寸为2 5 m m ( 宽) x 3 0 m m ( 高) x 2 5 0 m l n