（道路与铁道工程专业论文）沥青稳定碎石混合料设计方法和技术性能研究.pdf

摘要 随着我国交通基础设施建设的迅猛发展以及研究的深入，单一的半刚性基层 沥青路面已不能满足形势的需要，特别是半刚性材料的收缩开裂不能得到有效的 防治，而与半刚性基层相比，沥青稳定碎石基层具有水稳定性好、施工速度快、 维护养护费用低、使用寿命长等优点。本文在分析沥青稳定碎石( a t b 3 0 ) 基层 混合料的结构和性能要求的基础上，对其级配设计方法和技术性能进行了深入研 究。 采用贝雷法对粗细集料的分界点进行研究，最终确定4 7 5 r a m 做为a t b 3 0 混合料粗细集料的分界点。采用均匀设计法制定试验计划测定空隙率来研究各档 粗集料对集料体积指标的影响。采用骨架接触度s s c ( s t o n e - o n - s t o n ec o n t a c t ) 来 评价沥青稳定碎石混合料粗集料之间相互接触的密实程度，并分析s s c 与动稳 定度之间的具体关系。最后根据粗细集料不同的作用，提出了基于粗集料干捣试 验的沥青稳定碎石级配设计方法。 主要采用大型马歇尔试件，研究试件成型方法，并与标准马歇尔试件制作方 法进行对比。此外还采用旋转压实成型法和振动成型压实成型法与大型马歇尔击 实成型法进行各项指标的对比分析，研究了不同成型方法对混合料性能的影响。 根据沥青稳定碎石基层混合料的路用性能要求，对所设计的混合料的抗永久 变形性能、低温抗裂性和水稳定性等路用性能进行了评价。采用综合稳定指数c 来评价沥青稳定碎石混合料的抗永久变形性能；采用低温弯曲时沥青混合料试件 破坏时消耗的能量，来评价沥青路面的抗裂性能；通过残留稳定度和劈裂抗拉强 度比对沥青稳定碎石混合料的水稳定性及影响因素进行评价。 从所选不同级配沥青混合料的旋转压实曲线出发，根据压实特性参数探讨了 不同组成级配沥青混合料的压实特性。通过室内模拟试验在不同压实功、不同沥 青层厚度、不同压实温度、不同油石比的条件下成型试件，对比试件的毛体积密 度和空隙率，分析这几个方面对沥青稳定碎石基层压实的影响，以便施工时能对 这些方面进行控制。 关键词：沥青稳定碎石混合料；均匀设计法；大型马歇尔试验：高温稳定性；低 温抗裂性；压实特性；压实能量指数；密实能量指数 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h et h o r o u g ho fr e s e a r c ha sw e l la st h es w i r ld e v e l o p m e n to ft h e t r a f f i ci n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o no fo u rc o u n t r y ，s e m i r i g i da s p h a l tp a v e m e n tc a l ln o t a l r e a d ys a t i s f yt h es i t u a t i o n ，e s p e c i a l l ys e m i - r i g i dm a t e r i a ls t r a i nc r a c k i n gc a l ln o tg e t e f f e c t i v et r e a t m e n t 。c o m p a r e 丽t l ls e m i - r i g i da s p h a l tb a s e ，a s p h a l tt r e a t e db a s e m a t e r i a ls h o w ss u p e r i o r p e r f o r m a n c ei n m o i s t u r e s u s c e p t i b i l i t yr a p i d n e s s i n c o n s t r u c t i o n , l o wr e p a i rc o s ta n dl o n gl i f e ，t o o t h ep a p e ri n t e n s i v e l ys t u d i e dm i x t u r e d e s i g nm e t h o da n dp a v e m e mp e r f o r m a n c eo fa s p h a l tt r e a t e db a s eo na n a l y s i so f p e r f o r m a n c er e q u i r e m e ma n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em i x t u r e t h e p a p e rs t u d i e dt h ed i v i d i n gp o i n t so fc o a r s e - f r e ea g g r e g a t eb yb a i l e ym e t h o d ， a n df i n a l l yd e t e r m i n e d4 7 5 r a ma st h ed i v i d i n gp o i n t so fc o a r s e - f i n ea g g r e g a t eo f a t b 3 0m i x t u r e u s e st h eu n i f o r md e s i g nm e t h o dt od e c i d et h ee x p e r i m e n t a lp l a n , a n ds t u d yv a r i o u sg r a d eo fc o a r s ea g g r e g a t e st ot h ea g g r e g a t ev o l u m et a r g e ti n f l u e n c e b yd e t e r m i n a t i o nt h ev o i d s t h es s c ( s t o n e - o n - s t o n ec o n t a c t ) i su e d et oa p p r a i s e c o m p a c t i o nw h i c hc o a r s em i n e r a la c to ne a c ho t h e ri nt h ea t b 3 0 ，a n da n a l y s i st h e c o r r e l a t i o nb e t w e e ns s ca n dd y n a m i cs t a b i l i t y a tl a s t ，e x p e c tt h a tt h ed i f f e r e n te f f e c t o fc o a r s e f i n ea g g r e g a t e ，t h ep a p e rs u g g e s tt h ed e s i g no fg r a d a t i o na b o u tt h ea s p h a l t t r e a t e do w i n gt ot h ed r y - r o d d e dt e s t so ft h ef i n ea g g r e g a t e t h ep a p e rs t u d i e ds h a p i n gm e t h o d so fs p e c i m e nm a i n l yb yu s i n gt h el a r g e m a r s h a l ls a m p l e ，a n dm a d eac o m p a r i s o nw i t ht h es t a n d a r dm a r s h a l ls p e c i m e n m a k i n gm e t h o d i na d d i t i o na l s oa d o p t ss g ca n dv i b r a t o r yc o m p a c t i o n ，w h i c ha r e c o m p a r e d 、i t l ll a r g es c a l em a r s h a l lt e s tb yv a r i o u si n d e x i na d d i t i o na l s oa d o p t ss g c a n dv i b r a t o r yc o m p a c t i o n , w h i c ha r ec o m p a r e dw i t l ll a r g es c a l em a r s h a l lt e s tb y v a r i o u si n d e x a n ds t u d yt h es h a p i n gm e t h o d st ot h em i x t u r ep e r f o r m a n c ei n f l u e n c e t h ep a p e rs t u d i e da n dc o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tt r e a t e db a s em i x t u r e ， w h i c hi n c l u d er e s i s t a n c et ov e r t i c a ld e f o r m a t i o n ，l o w - t e m p e r a t u r ea n t i c r a c k i n g p e r f o r m a n c e ，w a t e rs t a b i l i t y , e t c a l s ou s e dt h ec o m p l e xs t a b i l i t yi n d e xt oa p p r a i s e t h er e s i s t a n c et ov e r t i c a ld e f o r m a t i o no fa s p h a l tt r e a t e db a s em i x t u r e ；a n du s e dt h e e n e r g yc o n s u m e dw h e na s p h a l tm i x t u r es a m p l ed e s t r u c t i o no fl o wt e m p e r a t u r e b e n d i n gt oa p p r a i s et h el o w - t e m p e r a t u r ea n t i - c r a c k i n g ；a n du s e dr e s i d u a ls t a b i l i t ya n d t e n s i l e s p l i t t i n gs t r e n g t ht oa p p r a i s et h ei m m e r s i o ns t a b i l i t ya n do t h e ri n f l u e n c e f a c t o r so fa t b 3 0 t r o mm eg y r a t o 巧c o m p a c t i o n c u r v e ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ec o m p a c t i o n p r o p e m e so ft h ea s p h a l tm i x t u r ew i t hd i f f e r e n ta g g r e g a t e 鲫蜥a c c o r d 迦t 0m e c o m p a c t l o np r o p e r t i e sp a r a m e t e r s t h ep a p e rh a sm o l d e ds p e c i m e nm l d e rd i f f e r e n t c o m p a c t i o ne 靠b n ，d i f f e r e n tt h i c k n e s so fb i t u m i n o u sl a y e r , d i f f e r e n t c o m p a c t i o n t e m p i ：随t u r e s ，a i l dd i f f e r e n tb i t u m e n - a g g r e g a t er a t i ot h r o u g hi n d o o rs i l n l m a t i n gt e 瓯 c o n t l 粥t i e dt h eb u l kd e n s i t ya n da i rv o i do f m o l d i n gs p e c i m e n , 觚a l y z e dt h ei n n u e n c e 2 0a 5 p h a l ts t a b i l i z e db a s e c o u r s e ( a t b 一3 0 ) c o m p a c t i o nf r o mt h e s ea s p e c t sf o r c o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o nc o n t r o l l i n g k e yw o r d s ：嬲p h a i tt r e a t e dm i x t u r e ；蛐i f o r m d e s i g nm e t h 。d ；l a r g es c a i e m a 聃h a l l t e s t ；h i g h - t e m p e r a t u r e s t a b i l i t y ；l o w - t e m p e h t l l n a n 觚n c l i n gp e r f o r m a n c e ； c o m p a c t i o np r o p e r t i e s ； m p a c 哟n e n e r g yi n d e x ；c o n s t r u c t i o ne n e r g yi n d e x 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：绮 辩 徽日期：刃钐年歹月日 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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：傅j - 薇日期：埘年岁月1 日 导师签名：泖年r 月1 日 lj 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究目的和意义 改革开放以来的二十多年，是我国历史上公路建设发展速度最快、规模最大、 最具有活力的时期。根据国家发展改革委组织编制的“十一五”综合交通体系发 展规划，到2 0 1 0 年末，我国公路网总里程将达到2 3 0 万公里，其中高速公路的 总里程将达到6 5 万公里、二级以上公路的总里程为4 5 万公里、县乡公路为1 8 0 万公里i l 】。公路建设耗资巨大，目前高速公路每公里造价全国平均水平在3 5 0 0 万 元左右、二级公路每公里造价全国平均水平在8 0 0 万元左右，国家每年为发展公 路建设投入了大量的资金【2 】。 但是由于气候严酷、荷载恶劣、原材料性质欠佳、机械设备落后、理论机理 分析不成熟、技术力量不足等原因，已经建成并投入使用的公路有一部分存在严 重的病害，尤其是一些高速公路也在建成通车后不久，就出现了严重的早期损坏【3 】。 高速公路的早期损坏原因固然与超载、管理、设计、施工、养护等方面的问 题有关，也与我国9 0 以上的高等级公路沥青路面采用无机结合料稳定材料( 即半 刚性材料) 作为基层和底基层修筑沥青路面结构相关联，这也是导致沥青路面病害 的一个重要原因i 引。 经过多年对半刚性基层的实践和探索，半刚性基层的优缺点己被充分认识， 国内外各科研机构也对半刚性基层沥青路面进行过多次系统的、较长时间的研究， 普遍认为：半刚性基层沥青路面更适宜在干旱、半干旱地区使用，当在其它地区使 用时，宜在累积当量轴次不太大的中轻交通路段使用，半刚性基层不可避免的存 在以裂缝和水损坏为代表的病害【5 】1 6 】1 7 】【8 1 。 此外，我国幅员辽阔，气候条件千差万别，但高速公路的路面结构形式却过 于单一：所采用的基层材料几乎全部采用半刚性材料。这种单一的路面结构形式 很难满足不同气候环境下的使用要求。因此，不论是考虑到半刚性基层沥青路面 的反射裂缝问题，还是考虑到我国地形地质条件和气候条件的多变性，都需要发 展和研究更多样化的基层材料，丰富高速公路的路面结构形式，供设计选择。这 将有利于公路工作者根据实际情况选择合适的路面结构形式，推动我国的公路建 设技术取得新的进步。 国外沥青路面的沥青层较厚，与我国半刚性基层沥青路面相比，其下层的沥 青层部分取代了我国的半刚性基层，可以称之为沥青稳定碎石基层沥青路面。它 是在国外级配碎石沥青路面基础上发展起来的。由于沥青稳定性材料良好的强度 和抗疲劳性能，使得这种结构在国外得到长期而有效的应用。 沥青稳定碎石基层是不同于半刚性基层的柔性基层，是用适量的沥青对级配 集料进行稳定后用作沥青路面的基层。与半刚性基层相比，沥青稳定碎石基层刚 度相对较小，具有较高的抗剪强度、抗弯拉强度和耐疲劳性，不易产生收缩开裂 和水损害；与传统的用于面层的沥青混凝土相比，它是针对于基层用的，粒径偏 大，级配偏粗，沥青用量偏少，对原材料的要求相对于面层要低；与沥青碎石相 比，有较多的细集料和填料，级配和原材料要求相对较高。 采用沥青稳定碎石基层的沥青路面将具有半刚性基层沥青路面所不具备的许 多优越性，主要有： ( 1 ) 沥青稳定碎石基层沥青路面，由于面层和基层材料结构的相似性， 路面结构受力、变形更为协调； ( 2 ) 设计优良的沥青稳定基层混合料能保证一定的空隙率，使水分顺畅 地通过基层排出，不会滞留在路面结构中造成路面的水稳性破坏： ( 3 ) 沥青混合料对于水分的变化不敏感，受水和冰冻影响较小，不会因 为干缩裂缝而导致面层出现反射裂缝； ( 4 ) 沥青稳定碎石基层同沥青面层一起构成全厚式沥青面层，从而使得 整个沥青面层的修筑时间减少； ( 5 ) 维修养护费用低，使用寿命长。 综上所述，沥青稳定碎石基层有着良好的发展和应用前景。目前，在国内尽 管已经有机构和人员对沥青稳定碎石基层进行了研究，但研究还不够系统、理论 还不够完善。而随着我国交通基础设施建设的迅猛发展以及研究的深入，单一的 半刚性基层沥青路面已不能适应形势的需要，特别是半刚性材料的收缩开裂不能 得到有效的防治，急需要研究和发展柔性基层沥青路面。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 沥青稳定碎石基层是在上世纪五十年代开始发展起来的。1 9 4 9 年1 9 6 5 年英国 铺筑了几条试验路，将沥青稳定碎石基层、贫混凝土基层、水泥稳定土基层等沥 青路面的使用性能进行比较，于六十年代末在高速公路上推广使用，通过十几年 的变形、开裂观测和试验分析研究表明：沥青稳定碎石基层表现出较其他类型基 层更好的使用性能和经济效益。之后的七十年代，德国、加拿大、美国也开始了 沥青稳定碎石基层的大量试验和应用，研究表明：沥青稳定碎石基层的结构系数 大大高于无机结合料基层、级配碎石基层的结构系数，最接近沥青混凝土面层的 结构系数，可以获得更加耐久的路面使用性能路面【9 j 【o j 【l 。八十年代，法国开始 研究应用高模量沥青混凝土e m e 做基层的全厚式沥青。目前欧美各国以及日本等 多数国家的高速公路沥青路面结构绝大部分均采用了沥青稳定基层，而沥青稳定 2 碎石基层的路面结构是最为常用的结构类型。 美国从六十年代开始研究沥青稳定碎石，七十年代后新建道路中沥青稳定碎 石基层的沥青路面结构形式成为沥青路面的主要结构形式。沥青协会( a i ) 最早提出 铺筑沥青稳定碎石作基层的全厚式沥青路面，如华盛顿州的州际道路。七十年代 至九十年代，d a t a p a v e 中l t t p 统计数据显示，7 6 9 条实体道路工程中沥青稳定 碎石基层的路面结构占4 5 8 ，粒料基层占3 8 0 ，在交通量大的中、重交通道路 上8 0 以上采用沥青稳定碎石基层沥青路面结构形式。目前，美国使用最多的是 沥青混凝土基层，沥青混凝土基层粒径较小一些，集料相对较细一些，为了适应 大交通量的增长，倾向于使用较大粒径的沥青混合料基层，例如大部分州采用 a a s h t o 设计沥青稳定碎石基层的沥青路面结构，粒径一般为1 9 3 7 5 m m ，最常 用的为2 5 m m ，3 7 5 m m ，厚度一般为2 9 4 3 e m 。美国的沥青稳定碎石基层仅仅采 用较低的沥青用量，主要为克服粒料基层的松散和离析问题，防治半刚性基层发 射裂缝的发生，集料粒径大，对级配控制不严，混合料设计方法简单【1 2 l 1 3 1 1 4 】。 加拿大气温低，在其南方的高速公路较多的采用沥青稳定碎石基层，混合料 粒径较小，厚度一般为15 - 3 5 c m ，沥青稳定碎石基层较接近沥青混凝土，混合料 设计方法与沥青面层相似，差别在于较低的填料用量和较小的沥青用量。例如在 艾伯塔省主要道路采用1 5 - 5 0 c m 沥青混合料结构层的沥青稳定碎石基层全厚式沥 青路面，记录分析混合料结构层内应力应变变化规律。由于采用沥青稳定碎石基 层道路建设费用的增加，在加拿大沥青稳定碎石基层发展缓慢。 日木从东名高速公路开始采用沥青稳定碎石基层，目前多采用1 0 c m 沥青混凝 土层和8 2 5 c m 的沥青稳定碎石基层，下设1 0 3 0 c m 粒料底基层，一般要求沥青 层最小厚度一般不小于1 8 c m ，寒冷积雪地区不小于2 0 c m ，传统的沥青稳定碎石 基层粒径为3 7 5 m m ，目前也使用3 1 5 m m 混合料。日本高速公路绝大部分都采用 厚度很大的沥青稳定碎石作为基层，级配碎石和水泥稳定材料作为底基层，采用 沥青稳定碎石基层的沥青路面在车辆荷载作用下耐疲劳性能好，但车辙问题较为 严重。对比研究不同基层的沥青路面发现，较厚的半刚性基层反射裂缝严重，级 配碎石基层模量太低，较薄的沥青面层在重交通条件下会迅速产生破坏。采用沥 青稳定碎石基层的沥青路面的使用年限都远远大于设计使用年限，基本都没有发 生结构性破坏，仅进行表面维修就能恢复良好的路面性能，即使是车辙现象严重 的路段进行表面处治后使用性能被全面恢复，路面面层以下的结构层次状态良好 【1 7 1 o 欧洲除了法国之外，一般采用粒径较粗的沥青稳定碎石做基层，最常用的有 2 5 m m 、2 8 m m 、3 2 m m 、4 0 m m ，欧洲目前正在逐渐统一规范，建议沥青稳定基层 混合料统一采用3 2 m m 混合料。欧洲北部等国如挪威、瑞典、丹麦、芬兰、冰岛， 属于潮湿、冰冻气候区，半刚性基层的使用效果很差，基本不用，高速公路绝大 多数采用沥青稳定碎石基层，较为典型的路面结构是较厚的沥青层和特厚的粒料 底基层。德国沥青路面结构以柔性为主，高速公路一般采用一定厚度的沥青稳定 碎石做基层，沥青层厚度较大，一般采用2 2 2 6 c m 沥青层，半刚性材料统一采用 1 5 c m 厚做底基层。从七十年代以来，德国从经济的角度考虑，修建了多条不同路 面结构和不同沥青层厚度的试验路，分析不同厚度沥青稳定碎石基层的性能差异， 从几十年的使用效果来看，采用较厚的沥青路面有着较满意的结构性能，开裂和 局部维修较少。西班牙、意大利、比利时同德国一样，在高速公路上以柔性基层 为主，大交通量情况下多选用沥青稳定碎石基层，也常选用半刚性材料作为沥青 稳定碎石基层的底基层使用。西班牙的路面典型结构是2 0 c m 半刚性底基层上铺筑 2 2 4 0 c m 沥青层；意大利路面典型结构是2 0 c m 半刚性底基层上铺筑2 0 3 5 e m 沥 青层；比利时路面典型结构是1 5 - 4 5 c m 粒料底基层上铺筑2 0 3 5 c m 沥青层；较厚 的沥青层为沥青稳定碎石基层和沥青混凝土面层组合。 法国采用两种类型沥青混合料类基层，高模量沥青混凝土( e m e ) 和沥青砂砾 ( g b ) ，高模量沥青混凝土( e m e ) 和沥青砂砾( g b ) 与沥青稳定碎石不同，沥青硬度 大、混合料粒径小，沥青基层厚的沥青路面较薄，e m e 低温抗裂性能差不适用于 低温或是温差较大地区【1 0 】【1 5 【16 1 。 从各国沥青稳定碎石基层的使用来看，国外沥青稳定碎石基层一般粒径在 1 9 4 0 m m ，沥青用量在3 5 范围，一般添加少量矿粉，依据材料情况确定是否 添加消石灰等外加剂，空隙率一般在3 6 ，也有在3 - 8 ，基本在3 1 2 。 1 2 2 国内研究概况 国内高等级公路9 0 以上采用半刚性基层沥青路面，沥青稳定碎石基层除京津 塘高速公路和少数试验段外，工程经验较少。由于半刚性基层沥青路面存在不可 避免的反射裂缝及水损害等问题，越来越多的研究开始致力于寻求新的路面结构 形式，国外广泛使用的沥青稳定碎石基层逐渐得到我国研究人员和技术人员重视。 交通部公路科学研究所沈金安等对沥青稳定碎石基层的组成设计方法进行了 研究，在分析国外沥青稳定碎石基层的级配范围的基础上，提出沥青稳定碎石的 级配范围及性能要求；对国内粗粒径沥青碎石混合料应用情况进行调查，做出沥 青稳定碎石基层性能评价；参考国外沥青用量确定方法提出采用大马歇尔试验方 法确定沥青稳定碎石最佳沥青用量；铺筑试验路对沥青稳定碎石施工工艺做出研 究；对沥青稳定碎石基层的经济性进行评价。 东南大学严二虎对柔性基层的路面结构设计进行研究，提出了沥青稳定碎石 的级混合料设计指标及性能评价方法，对合理的沥青稳定碎石基层混合料类型及 级配范围提出了建议，对比研究了大小马歇尔试验方法对沥青稳定碎石组成设计 一的影响，推荐使用大马歇尔试验进行最佳沥青用量的确定【l9 1 。杨群进行了高速 公路沥青稳定基层结构与设计方法研究，提出了沥青稳定基层沥青路面的设计指 4 标和标准，进行了设计指标影响因素分析，提出了沥青稳定基层混合料的组成设 计方法，并铺筑了试验路【1 8 】。 长安大学袁宏伟分析了沥青稳定碎石混合料强度形成原理，提出混合料性能评 价指标和试验方法，研究适合沥青稳定碎石的旋转压实成型、马歇尔成型、轮碾 成型、静压成型参数，探讨了施工技术封闭f 2 0 1 。王玲娟提出了几种沥青稳定碎石 基层混合料的级配；并采用以力学指标法为主、大马歇尔试验方法为辅的混合料 配合比设计方法综合确定混合料最佳油石比：研究了沥青稳定碎石基层混合料的 力学性能、高温稳定性、低温抗裂性和疲劳性能等路用性能；对沥青稳定碎石混 合料的振动成型方法进行研究，找出最佳的振动参数组合，并对振动成型和击实 成型条件下试件的力学性能进行了对比研究【2 1 1 。江慧娟分别采用现行规范推荐的 沥青稳定碎石基层设计办法、s u p e r p a v e 设计方法、贝雷设计方法、力学设计方 法设计沥青稳定碎石混合料，通过对比分析其物理、力学指标，提出了适合沥青 稳定碎石基层混合料组成设计方法，并对其路用性能进行了研究【2 2 1 。 哈尔滨工业大学采用体积法分别设计了公称最大粒径为2 6 5 m m , 3 1 5 m m 和 3 7 5 m m 的沥青稳定碎石混合料的级配，并进行了各级配混合料的强度性能试验、 水稳定性试验、低温抗裂性试验以及贯入式重复加载试验【2 3 1 。 综上所述，国内对沥青稳定碎石基层的研究和应用还处于起步阶段，开展研 究时间还不长，还没有大规模的应用，沥青稳定碎石a t b 与沥青混凝土a c 以及 旧规范中沥青碎石a m 的级配范围、配合比设计方法、路用性能都存在较大差异， 虽然新规范针对密级配沥青稳定碎石基层a t b 提出了大马歇尔试验配合比设计方 法，但是其合理性和设计的沥青混合料的路用性能以及工程应用效果有待进一步 研究。因此，对沥青稳定碎石a t b 基层混合料配合比设计和路用性能研究具有重 要的意义。 1 3 本文的主要研究内容 本文在总结国内外现有的沥青稳定碎石基层研究成果的基础上，分析了沥青 稳定碎石( a t b 3 0 ) 基层混合料的结构和性能要求，对其配合比设计方法和路用 性能进行了深入研究，具体研究内容包括： 1 沥青稳定碎石混合料级配设计研究 根据密级配沥青稳定碎石基层所处的层位及功能研究，分析沥青稳定碎石混 合料的路用性能要求和结构特点，并在较大的试验范围内深入研究各级集料配比 对其体积特性、骨架结构的影响规律。根据不同集料的作用，提出基于粗集料干 捣试验的沥青稳定碎石级配设计方法。 2 沥青稳定碎石混合料成型方式研究 为系统分析常用混合料成型方式对于沥青稳定碎石的适用性，对马歇尔、旋 5 转压实及振动压实等成型方式对沥青稳定碎石的成型效果进行研究。 3 沥青稳定碎石混合料路用性能研究 对所选取的三种不同级配的沥青稳定碎石混合料进行高温抗永久变形性能、 低温抗裂性能、水稳定性等路用性能研究。 4 沥青稳定碎石混合料压实特性研究 首先从所选不同级配沥青混合料的旋转压实曲线出发，根据压实特性参数探 讨了不同组成级配沥青混合料的压实特性；其次研究不同的压实功、沥青层厚度、 压实温度、油石比和级配对沥青稳定碎石混合料( a t b 3 0 ) 压实性的影响。 6 第二章沥青稳定碎石混合料的层位功能与结构特点 沥青稳定碎石基层混合料作为沥青混合料的一种，是由矿质骨料、沥青胶结料 和剩余空隙所组成的一种具有空间网络结构的多相分散体系，其材料属性为颗粒 性材料和粘结性材料。材料的强度构成起源于内摩阻力和粘结力。对于沥青混合 料，它的力学强度主要取决于矿料颗粒间摩擦力和嵌挤力、沥青胶结料的粘结性 以及沥青与矿料之间的粘附性等方面。不同级配组成的沥青混合料，具有不同的 空间结构类型，也就具有不同的内摩阻力和粘结力。沥青混合料的结构组成，也 就是沥青混合料的级配，对其强度构成起着非常重要的作用。 2 1 沥青稳定碎石混合料的层位功能 沥青稳定碎石基层一般用于高速公路路面中，高速公路路面较厚，沥青稳定 碎石基层一般处于面层以下i o c m 甚至更深，这种情况下沥青稳定碎石基层所面临 的应力水平和温度状况没有面层严峻，因而在沥青混合料的设计上有不同的力学 性能要求和路用性能要求。 在车辆荷载的作用下，路面内部的应力状态非常复杂，根据理论分析【1 4 】，在 路面中有三个不同的应力区：在路面的上层为三向受压区，既有压应力又有剪应力： 路面中层为受压区，该区内由于荷载产生的剪应力己经很小，处于一种竖向受压 的状态；路面下层为受拉区，在荷载的作用下会出现弯拉应力。沥青稳定碎石基层 位于面层以下，处于受压区和受拉区。即沥青稳定碎石基层需要承受荷载的压力 作用以及底面的弯拉作用。根据弹性层状体系对沥青稳定碎石基层进行力学分析 表明：在车辆荷载的作用下，沥青稳定碎石基层内部的压应力和基层的弯拉应力 作用显著，应力水平大致在0 3 m p a 左右【l 引。一般情况下，沥青稳定碎石混合料的 抗拉强度和抗压强度都能满足这个应力水平，所以在普通气候环境中可以不考虑 沥青碎石混合料的抗压强度和抗拉强度要求。 但是，沥青混合料的强度、稳定性、破坏模式与其所处的温度环境有很大的 关系【2 4 1 。在低温条件下，沥青路面的破坏主要是由于温度降低过快，沥青混合料 收缩产生的应力来不及松弛而产生积聚，当收缩应力超过破坏强度或破坏应变、 破坏劲度模量时而产生开裂。温缩裂缝也可以是温度反复降温的温度疲劳所致。 在常温条件下，沥青混合料的模量既不太高，又不太低，荷载反复作用造成的疲 劳破坏成为沥青路面的主要破坏模式。在高温条件下，沥青混合料的劲度模量很 低，混合料的破坏模式主要是失去稳定性，产生车辙等流动变形。混合料发生流 动的原因可能是车辆荷载的水平剪应力超过其抗剪强度所致，也可能是蠕变变形 的累积形成的结果。 针对于沥青稳定碎石基层混合料所面临的应力水平和温度状况，以及结构功 能的要求，结合我国工程实际情况，沥青稳定碎石基层的路用性能包括以下几个 方面： ( 1 ) 高温抗永久变形性能 永久变形是沥青路面在汽车荷载反复作用下产生竖直方向永久变形的积累， 特别是在高温季节，这种变形更容易发生。对于半刚性基层沥青路面，永久变形 可以近似认为仅发生在沥青面层，而对于沥青稳定碎石基层，其永久变形不可忽 略。作为基层的沥青稳定碎石混合料，虽然所处环境的高温远低于沥青路面表面 的高温，但是在夏季高温时，它层内的平均气温却仍能达到大致与气温相当的温 度，也就是说，沥青稳定碎石基层内的最高温度仍有将近4 0 。沥青稳定碎石基 层发生的永久变形会引起沥青路面的车辙破坏，不仅影响行车舒适性，还直接影 响交通安全。因此，沥青稳定碎石基层混合料应具有优良的抗永久变形性能。 ( 2 ) 低温抗裂性 沥青是一种温度敏感性材料，温度的变化会使其力学性能发生很大的变化。 随着温度的降低，沥青混合料的强度和劲度都会明显增大，同时，其变形能力也 会显著下降，并会出现脆性破坏。 虽然作为基层，在一般气候条件下，沥青稳定碎石混合料所面临的低温状态 不会很严重，但在冬季气温急剧降低时，也可能会因收缩而产生横向裂缝。基层 的开裂不但会造成基层本身强度的降低，而且裂缝会反射到面层，造成面层的开 裂，破坏路面结构完整性，进而在水分和行车荷载的综合作用下产生破坏。其结 果是路面强度明显降低，在大量行车荷载的反复作用下，产生冲刷和开裂现象， 从而使裂缝发展成为网裂、龟裂而使路面很快产生结构破坏。因此必须要保证沥 青稳定碎石基层混合料有良好的低温抗裂性能。 ( 3 ) 水稳定性 沥青路面在水或冻融循环的作用下，由于汽车车轮动态荷载的作用，进入路 面空隙的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用，水分逐渐渗入到 沥青与集料的界面上，使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结力，沥青膜从石料表面 脱落，沥青混合料掉粒、松散，破坏了沥青混合料的整体性，降低了混合料的强 度和延展变形能力，从而导致路面发生破坏。 虽然作为基层，沥青稳定碎石混合料所面临的水损害不如面层严重，因为大 部分的地面水经面层混合料的阻挡下渗水分已有所减少；同时，经面层应力分散 后的汽车动荷载作用的动水压力和抽吸力有所下降；此外，没有了地表辐射、吸 热作用和面层温度传递随深度的递减规律使得基层混合料面临的冻融循环破坏大 为缓解。但是，在路面长期使用过程中或在夏季暴雨期间，仍会有较多的水分通 过沥青面层的裂缝或空隙进入沥青稳定碎石基层使其发生水损害。由于基层混合 料主要承受面层传来的压应力和层底传来的弯拉应力，所以水的介入主要是降低 了混合料内部的粘结力从而降低了混合料抵抗永久变形的能力；造成集料颗粒的 分离、滑移从而加速了层底的疲劳开裂。因此必须要保证沥青稳定碎石基层混合 料具有良好的水稳定性。 ( 4 ) 耐疲劳性能 路面使用期间，在气温环境影响下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，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数 以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面 出现裂纹，产生疲劳破坏。 对于沥青稳定碎石基层，由于其层位的关系，它处于高温温度域或低温温度 域的机会应该不会很多，主要是处于常温温度域。此时，沥青混合料的模量既不 太高，又不太低，重复荷载反复所造成的疲劳破坏成为混合料的主要破坏模式。 在现代交通中，交通量越来越大，轴载越来越重，为了保证路面在设计使用 年限内满足使用性能要求，对基层材料的抗疲劳性能提出了更高的要求。 ( 5 ) 施工和易性 优良的施工质量是实现沥青混合料路用性能的前提和保证，要实现优良的施 工质量，就需要保证混合料有良好的施工性能，即施工和易性。 影响沥青混合料施工和易性的因素很多，诸如当地气温、施工条件及混合料 性质等。单纯从混合料材料性质而言，影响沥青混合料施工和易性的首先是混合 料的级配情况，如粗细集料的颗粒大小相距过大，缺乏中间尺寸，混合料容易离 析分层( 粗集料集中表面，细集料集中底部) ；如细集料太少，沥青层就不容易均匀 地分布在粗颗粒表面；细集料过多，则使拌和困难。此外，当沥青用量过少，或 矿粉用量过多时，混合料容易产生疏松不易压实；反之如沥青用量过多，或矿粉 质量不好，则容易使混合料粘结成团块，不易摊铺。 2 2 沥青稳定碎石混合料的结构特点和强度原理 2 2 1 沥青混合料的组成结构类型 沥青混合料，按其强度构成原则的不同可分为嵌挤原则构成的结构和按密实 级配原则构成的结构两大类。按嵌挤原则构成的沥青混合料，要求采用较粗的、 颗粒尺寸较均匀的骨料，沥青在混合料中起填隙作用，并把骨料粘结成为一个整 体，其强度主要依赖于骨料颗粒之间相互嵌挤所产生的内摩阻力，而对沥青的粘 结作用依赖性不大。按密实级配原则构成的沥青混合料，是以沥青和骨料之间的 粘结力为主、以骨料颗粒间的嵌挤力和内摩阻力为辅而构成的。 按级配原则构成的沥青混合料，其组成结构形态有三种典型类型： 悬浮一密实结构，该结构通常按最佳级配原则进行设计，材料由小到大连 9 续存在，属连续型级配，但各集料均被次级集料隔开，无法形成骨架结构，粗集 料以悬浮状态存在于沥青胶砂之中。这种结构虽有较高的粘聚力：但受沥青材料的 性质和物理状态的影响较大，混合料对沥青胶结料含量也十分敏感，一旦沥青用 量超过可以利用的空隙时，稳定度则迅速降低，因而高温稳定性较差，稳定度降 低的程度和水平依赖于集料的级配、形状和纹理。 骨架一空隙结构。它属于连续开级配的沥青混合料。该结构粗集料彼此紧 密相连，细集料较少、甚至没有，不足以填充粗骨料间隙。在这种结构中，集料 之间能够充分形成骨架，使之具有较高的内摩阻力，又由于沥青胶浆少，其高温 稳定性可以得到显著的提高。但同时由于空隙较大，将使路面的耐久性受到影响。 骨架一密实结构。主要综合以上两种典型组成的结构。混合料中既有一定 数量的骨料形成骨架，又根据残余空隙的多少加入细料，从而形成较高的密实， 这种沥青混合料同时具有较高的粘结力和内摩阻力，间断级配是按此原理构成的。 理论上讲，属于这种结构类型的沥青混合料既有优良的抵抗永久变形性能，也具 有良好的抗疲劳性能和低温抗裂性。 根据前文分析沥青稳定碎石基层混合料的路用性能要求，结合沥青混合料的 各组成的结构特点，沥青稳定碎石基层混合料最适合采用骨架一密实结构，其次 可以考虑骨架一空隙结构。 2 2 2 沥青混合料的强度形成原理 目前对沥青混合料强度特性的研究，都普遍采用摩尔一库仑理论予以表征。 沥青稳定碎石基层混合料本质上也是沥青混合料的一种，因此也可以用摩尔一库 仑理论来分析其强度。 根据摩尔一库仑理论，在外力的作用下材料不发生剪切滑移时应满足下列条 件： f c + o t a n q ，( 2 1 ) 式中：f 剪切应力 c 材料粘结力 盯正应力( 正压力) 矽内摩阻角 根据平衡关系，主应力q 和叽与破裂面上之正应力仃和剪应力f 之间的关系 为下式： 仃：圭( q + c r 3 ) 一三( q 一吒) s i n 缈 ( 2 2 ) f = 吉( q 一吒) c 。s 缈 ( 2 3 ) 沥青混合料的c 、矽值可通过三轴剪切试验求得，但三轴试验设备复杂，操作 比较麻烦，更主要的是三轴试验的结果对不同的混合料不甚敏感，故实际应用并 1 0 不多。需要测定沥青混合料的c 、矿值时，也可通过测定无侧限抗压强度r 和抗拉 强度r 予以换算。 当沥青混合料圆柱体试件单轴受压时，即相当= o ，q = r ，则抗压强度r 如 咖：鬻砌伽( 列 亿4 ， 为： 当沥青混合料圆柱体试件单轴受拉时，即相当一吒- - - r ，q = 0 ，则抗拉强度r 2 c c o s 缈 2 c 弘一2 一l + s i n ( p2 巧习 将上面两式联立解得： 0r r c = 。一 2 r 一， 足一， 讹缈2 丽萌1 n 缈2 雨 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 沥青混合料的单轴抗拉强度难于测定，为方便起见，可用间接抗拉强度 劈裂强度来代替，其值仍用r 表示。 值得指出的是，用库伦理论分析沥青混合料强度也有局限性。库伦理论分析 问题的前提，是将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 凝土几乎不可能发生一次性大变形破坏，而是在车辆荷载大量的重复作用之后， 产生了较大的积累变形而破坏，即高温蠕变破坏。因此，应该用流变力学的观点 研究其应力应变规律，才能真实的反应实际情况。由于粘弹塑性体的力学性质的 复杂性，对其高温时的失温破坏机理的研究是不够的，目前还没有将强度和变形 有机联系统一考虑的研究成果。 第三章沥青稳定碎石混合料级配设计研究 沥青混合料的级配组成对其力学性能及使用功能具有十分重要的影响。 一个良好的矿料级配组成，应该是在热稳定性容许的条件下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。 沥青稳定碎石混合料的级配设计还没有大范围的系统的优选组合，更多的是 根据普通沥青混凝土a c 矿料级配的计算公式如i 法、n 法或k 法，计算沥青稳定 碎石的级配，或根据实践经验和习惯用法进行级配设计。为了系统研究沥青稳定 碎石混合料级配组成中存在的组成原则、普遍规律，需要在较大的试验范围内深 入研究各级集料配比对其体积特性、骨架结构的影响规律。采用规范中沥青稳定 碎石混合料的级配范围中值来分别