（道路与铁道工程专业论文）老挝沥青路面早期水损坏防治措施研究.pdf

摘要 沥青混合料的水损坏现象是沥青路面早期破坏的主要形式之一，也是许多国 家沥青路面研究的热点。本研究针对老挝沥青路面水损坏问题，分析了国内外研 9 究现状，详细地分析了沥青路面水损坏产生的原因及特点，并通过室内试验，研 究了外掺剂对混合料水稳定性的影响，试验结果表明消石灰在改善混合料水稳定 性方面效果最好。最后，本研究提出了沥青路面的水损坏防治措施。 关键词：老挝；沥青混合料：水损坏；外掺剂；防治措施 a b s t r a c t w a t e rd 锄a g eo f a s p h a j tm i x t u r ei so n eo fl e a d i n gm o d e so fp r e m a t u r e 行a c t l d 锄a g eo fa s p h a l tp a v e m e n t a i m i n g a tw a t e r d 锄a g ep r o b l e mo fa s p h a l t p a v e m e n t ，t 1 1 l sp a p e rs y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e st 1 1 ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lr e s e a r c h w o r k si nt h i sa s p e c ta n dd e t a i l e d l ya 1 1 a l y z e st l e r e a s o n sa j l dc h a r a c t e r i s t i co fw a t e r d 锄a g e ，觚da i l a l y z e st l l ee f f e c to ft l l ea d m i 购玳o nw a t e rs t a b i l 时o fm i x t u l ea s p h a j t b yl a bt e s t s ，m et e s tr e s u l ts h o w st l l a tl i m ei sv e 巧e f f e c t i v et oi m p r o v ew a t e rs t a b i l i t y o fm i x t u r ea s p h a l t f i n a l l yt h ep a p e r p u tf o n m das e r i e so fm e a s u r e st h a tp r e v e n tt h e w a t e rd 锄a g eo fa s p h a l tp a v e m e n t k e yw o r d s ：l a o s ：m i x t u r ea l s p h a l t ；w a t e rd 锄a g e ；a d m i ) 【t u r e ；p r e v e n t i o nm e a s u r e s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明弓 用的内容外，对论文的 酉丹究做出重要员献的个人和集体，均已l 在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 巢。 本声明蛇法律责任由本人承担。 论文作者签名： 弃可钮钽2 圆台年。6 月o 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 瘸学校。学校享有以经傣方式发表、复毒4 、公开阕览、借阅以及审请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密螽应遵守诧规定) 论文作者签名：柯挺魍2 。6 年。6 月。c | 日 导师签名： ，-， 一 1 形年6 月f 明 第一章绪论 1 1问题的提出及研究意义 沥青路面作为一种高级路面，以其优越的行车性能、方便的施工作业和经 济的造价，深受广大道路工作者青睐，因此在国内外公路建设中都广为采用。 在自然环境和交通荷载盼重复作用下，沥青路面可能出现各种各样的破坏现 象，如车辙、裂缝、坑槽、拥包等，而沥青路面的水损坏是其中一种严重的早 期破坏形式，它不仅破坏了路面的完整性，还直接影响到路面的使用性能，降 低路面的使用寿命。 水损坏是沥青路面的主要病害之一，所谓水损害是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，进入路面空隙中的水不断产生动 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( 剥落) ，沥青 混合料掉粒、松散，继而形成沥青路面的坑槽、推挤变形等损坏现象。在老挝 国内，由于雨季时间长且雨量大、沥青路面厚度较薄，沥青路面水损坏严重。 一般在沥青路面发生水损坏时，路面的寿命还远远没有达到设计使用寿 命，因此说它是一种路面的早期破坏。这种早期破坏具有严重的危害性，会直 接导致裂缝、拥包、泛油、车辙等破坏的发生，从而使路面的使用性能下降， 使用寿命降低，这不仅造成了巨大的经济浪费，还严重影响了行车的安全性， 甚至威胁到驾乘人员的生命安全。由于沥青路面的水损坏不但普遍存在而且具 有很大的危害性，因此对沥青路面水损害问题进行研究具有非常重要的意义。 1 2 水损坏研究现状 沥青路面水损坏是一个世界性的问题。早在上世纪六十年代开始，一些国 家就非常重视沥青路面水损坏研究，他们从水损窖的形成机理、影响因素，评 价水损害的试验方法、指标到水损害的防止等各个方面都进行过系统研究，并 发表了许多文献及报告。 美国从二十世纪三十年代就开始重视沥青路面水损坏的研究并取得了一系 列成果，尤其是在评价沥青混合料水损害的试验方法上。早在1 9 4 9 年就颁布了 水对沥青粘结性影响的试验方法( a s t md 1 0 7 5 ) ，该方法于1 9 8 8 年进行了修订。 新的试验方法是采用残留强度比来评价水对压实沥青粘结性的影响。 美国在1 9 5 9 年颁布了沥青一集料裹覆和剥落试验方法( a s t m d1 6 6 4 ) ，1 9 8 5 年进行了修订。该方法用来评价有水存在的条件下，沥青膜保留在集料表面的 能力。由于该试验方法精度较差，一般只用于评判沥青一集料粘附性是否合 格。 在二十世纪七十至八十年代期间，美国对水损坏问题进行了深入广泛的研 究，这些研究主要包括美国公路合作研究计划( n c h r p ) 、美国公路规划和研究计 划( h p r ) 、美国公路战略研究计划( s h r p ) 和联邦公路局的研究合同。对水损坏 形成的机理、影响因素，评价水损害的试验方法及水损害的防止等各方面进行 了系统的研究，提出了许多研究报告。如1 9 7 1 年美国衣阿华大学l o t t m a n 教授承 担了美国公路合作研究计划( n c h r p ) 的研究课题“预测沥青混凝土水损害”，该 课题历时3 年的试验室研究和7 年的试验路验证，提出了一个在世界范围内非常 有影响的试验方法一l o t t m a n 法。该方法采用试验前后的劈裂强度比和回弹模量 比作为水损害的评价指标。评价标准则有两个，一个是短期标准，相当于4 年路 龄：另一个是长期标准，反映4 1 2 年的情况。该方法与试验室混合料、现场混 合料或路面钻芯间相关性较好，为许多国家所采用或改进采用。 美国在1 9 8 5 年又制订了压实沥青混合料抵抗水损坏的试验方法，亦称改进 的l o t t m a n 法( 从s h t 0t 2 8 3 ) 。该方法综合了l o t t m a n 法和t u n n i c l i f f r o o t 法两 种试验方法的优点，试验条件更为严酷，试验的结果既可用来预测沥青混合料 长期剥落敏感性，也可用来评价液体抗剥落剂的抗剥落效果，是目前世界各国 广泛使用或借鉴的水损坏试验方法。 在s h r p 计划中也有好几个研究和改进水损坏的试验方法。其中非常重要的 一个是新的环境条件系统( e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n a ls y s t e m ，简称e c s ) ， 2 e c s 是一个改进的三轴试验，当水分进入试件后，进行圆柱试件的动力回弹模量 试验。试件在环境箱中经受冷、热、千、湿循环，并受到一个模拟交通荷载的 流体侧压力的作用。e c s 能精确预测大多数沥青混合料的剥落可能性。试验结果 可使公路工程师们消除有潜在剥落可能性的混合料，也可用来评价使用抗剥落 剂的效果。 中国在二十世纪九十年代以前，由于高速公路处在起步阶段，沥青路面的 早期水损坏问题不是很突出，因此中国对早期水损害问题不是很重视，研究的 比较少。随着中国高速公路的飞速发展，对沥青路面的早期水损坏问题越来越 重视。 在“八五”期间中国对沥青混合料水稳定性指标进行了比较系统的研究。 目的是针对中国沥青路面的实际情况，通过大量试验并借鉴国外比较成熟的试 验方法及试验指标，提出适合中国国情的实验方法和指标，最后推荐用冻融劈 裂强度比和残留马歇尔稳定度来评价沥青混合料的抗水损害能力。 综上所述，在评价沥青混合料水稳定性的指标上各国都进行了较为深入的 研究，建立了比较合理的评价体系和评价标准。在预防措施上从水损坏产生的 机理出发提出了不少有效的防治方法，但近几年来对于沥青混合料常采用掺加 液体抗剥落剂的措施来改善沥青路面的水稳定性，这种方法也产生了不少的问 题。些国家则较多采用掺加石灰的方法，并取得了一定的实绩。但是对于掺 加液体抗剥离剂以及石灰，研究者有不同的看法，需要进一步的研究。 因此本课题针对老挝的实际情况，基于水损坏研究现状，深入分析了沥青 路面水损坏产生的原因，研究了消石灰和液体抗剥落剂对混合料水稳定性的改 善效果。 1 3老挝自然条件及交通情况 1 3 1 老挝自然条件 老挝地处中南半岛北部，总面积2 3 6 8 0 0 平方公里，南北长1 7 0 0 多公里，东 西宽1 0 0 4 0 0 公里，北宽南窄，东部与越南接壤边界线长1 9 5 7 公里，西部与泰 气 国接壤边界线长1 7 3 0 公里，南面与柬埔寨边界线长4 9 2 公里，北面与中国边界线 长7 1 0 公里，同缅甸边界线长2 3 0 公里，人们通常把北部称为上寮，中部称为中 寮，南部称为下寮，老挝地图如图1 3 1 。老挝有许多民族，通常把他们分为三 大支，即老龙人( 老挝族) ，他们居住在低地平原，占总人口的5 5 ：老听人 ( 佧族) ，他们居住在山坡上，占总人口的2 7 ；老松人( 苗族) ，他们居住 在高山上，占总人口的1 8 。全国总人口约6 0 0 万人( 2 0 0 4 ) 。 圈1 3 1 老挝地图 老挝境内多山，山地面积约占总面积的8 0 ，东部长山山脉绵亘千里，有 “印度支那屋脊”之称。比亚山、宋山、来山和鞘山是老挝的四大山脉，构成 四个高原，川圹省的镇宁高原海拔2 0 0 0 2 8 0 0 米，号称老挝“屋顶”：桑怒省 4 的会芬高原海拔2 0 0 0 米以上；甘蒙省的甘蒙高原海拔1 0 0 0 米左右；巴塞省和阿 速坡省的小波罗芬高原海拔5 0 0 1 0 0 0 米。 老挝河流很多，湄公河全长1 8 6 5 公里，自北至南贯穿老挝全境。北部的南 乌江长4 4 8 公里；中部的南俄河，长3 5 4 公里；南部的南色宾汉河和南色贡河， 长度均为3 0 0 多公里。 老挝属热带和亚热带气候，全年分雨季和旱季，每年的5 1 0 月为雨季，1 1 月到次年4 月为旱季。老挝年均气温约2 6 ( 北部略低) ，最低气温约2 0 ，最 高约3 1 。大部分地区年光照量约2 4 0 0 小时，南部占巴赛约1 8 6 0 小时。 1 3 2 老挝交通情况 由于老挝国地形狭小、境内山多、人口少且交通量小，所以公路的建设缓 慢，至今为止没有高速公路。老挝国内公路总里程为1 3 9 7 l 公里，其中柏油路 3 3 4 6 公里，砾石路4 7 7 5 公里，土路5 8 5 0 公里。 老挝的公路运输约占全国运输总量的6 0 ，在老挝经济中起着重要作用。 1 9 7 5 年老挝人民民主共和国建立以来，共兴建了公路5 7 0 0 余公里，整修和扩建 了原公路1 1 2 0 0 余公里，兴建了公路桥4 0 0 余座，桥面总长1 6 公里。老挝用于公 路建设的投资达3 0 0 0 余亿基普，外国援助、贷款和合建的公路建设资金总额累 计近3 亿美元。 老挝的公路建设在其经济建设中占有很大比重，也是外国援助、贷款和合 作的最大项目。近年来，老挝公路建设具体情况见表1 3 1 和图1 3 2 。 里程( k m ) 年份 公路总长沥青路碎石路泥土路 1 9 8 01 2 2 2 31 9 3 5 4 1 7 4 6 1 1 4 1 9 9 01 3 9 7 13 3 4 64 7 7 55 8 5 0 1 9 9 51 8 3 4 42 4 4 65 1 3 81 0 7 6 0 2 0 0 01 9 5 4 44 7 9 15 4 0 59 3 4 8 2 0 0 52 0 7 1 55 0 0 75 9 0 19 8 0 7 图1 3 2 老挝公路建设状况 从表1 3 1 和图1 3 2 数据中可以看出，老挝的公路发展主要是泥土路发 展较快，沥青路发展缓慢，上世纪九十年度中期甚至还有倒退。 最近几年来。老挝政府将公路建设列为国家重点建设项目，采取了广泛求 援、多方贷款和集资的方针，加快公路建设的进程。在公路建设中1 号和1 3 号公路的整修和扩建被列为重点中的重点。其中，1 号公路是2 0 世纪6 0 7 0 年代中国援建的，为全天候的沥青路面公路，2 0 多年来，一直未进行过养护和 维修，现路基塌方和路面损坏十分严重，车辆通行十分困难。现老挝政府正从 世界银行、亚洲开发银行和瑞典等国寻求援助和贷款，准备进行整修。1 3 号公 路始建于2 0 世纪2 0 年代，由法国等援建，为单车道碎石路面，半个多世纪以 来直未能全线畅通，一部分路段已经被毁。 在老挝的公路中，有路面铺装的相当于中国大陆的二级及其以下等级的公 路，路面铺装层大部分为沥青碎石或沥青表面处治，由于选用的路面结构和路 面材料不当，再加上日益繁忙的交通以及多年战乱而年久失修，这些公路都急 需改建或者扩建。没有路面铺装的道路大部分相当于中国的四级公路或其等外 公路。随着老挝经济的发展，这些路面需要进行加铺面层。另外，根据老挝人 民民主共和国的国土面积，人口数量和目前的汽车保量来看，现有的公路里程 远远不能满足使用的要求，还需要大量的新建一些等级公路。 6 i 4研究内容 根据我们老挝公路所处气候特点，交通特征，本课题深入分析了沥青路面 水损坏的现状、特点和原因，通过试验，研究了液体抗剥落剂和消石灰对沥青 混合料水稳定性的改善效果，最后提出了防止沥青路面水损害的措施。主要研 究内容如下： 1 沥青路面水损坏现状及原因分析； 2 消石灰最佳掺量确定： 3 消石灰和液体抗剥落剂对沥青混合料水稳定性的改善效果比较： 4 消石灰掺加工艺分析； 5 沥青路面水损坏防止措施。 7 第二章研究思路、试验方案及方法 2 1技术路线 首先，深入分析沥青路面水损坏的现状、特点和原因；其次，通过试验， 研究消石灰的最佳掺量、对比液体抗剥落剂和消石灰对沥青混合料水稳定性的 改善效果；最后，分析消石灰掺加工艺并提出了防止沥青路面水损坏的措旖。 在确定消石灰的最佳掺量试验过程中，采用悬浮密实结构a c 一1 6 沥青混合 料，消石灰掺量采用1 、2 、3 和4 ( 消石灰质量与矿质集料总质量之比) ； 在对比液体抗剥落剂和消石灰对沥青混合料水稳定性的改善效果试验过程中， 分析a c 一1 6 混合料经短期和长期老化后水稳定性变化，进而比较两种抗剥落剂 对水稳定性的改善效果。 2 2 试验方案设计 本课题试验方案主要分为以下几部分： 2 2 1 沥青试验 本课题采用s b s 改性沥青，沥青试验按照公路工程沥青及沥青混合料试 验规程( j t j0 5 2 2 0 0 0 ) 相关要求进行。 2 2 2 集料试验 本课题的集料全部采用的砂岩，经筛分后逐级称量回配。矿粉为石灰石磨 制而成，集料各项指标均符合规范要求。集料密度试验按照公路工程集料试 验规程( j t j0 5 8 2 0 0 0 ) 的要求进行。 2 2 3 混合料配合比设计 根据公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 附录b 对a c 一1 6 混合 料进行配合比设计，并对配合比进行检验。 2 2 4 消石灰的最佳掺量确定 8 采用a c 一1 6 沥青混合料，分别以1 、2 、3 和4 的消石灰替代矿粉进行体 积指标测定、马歇尔残留稳定度试验及劈裂冻融强度比试验，根据试验结果确 定消石灰最佳掺量。 2 2 5 胺类抗剥落剂和消石灰对沥青混合料水稳定性的改善效果比较 采用山东生产的胺类抗剥落剂和消石灰( 胺类抗剥落剂掺量选用0 3 ，消 石灰掺量选用最佳值) ，混合料经短期和长期老化后进行马歇尔残留稳定度试 验及劈裂冻融强度比试验，根据试验结果比较两者的改善效果。 2 3 试件制备与试验方法 2 3 1 试件制备 马歇尔试件按公路工程沥青及沥青混合料规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 要求制 备，试件直径为1 0 1 6 m ，高度为6 3 5 1 3 咖，采用重型击实和轻型击实，即 两面击实各7 5 次和5 0 次。其中对马歇尔试验和残留稳定度试验采用两面击实 7 5 次，对冻融劈裂试验采用两面各击实5 0 次。 根据已确定的矿料级配和沥青用量，采用标准马歇尔试件的实测毛体积密 度作为控制标准，用轮碾仪制成3 0 0 3 0 0 5 0 衄板，碾压次数均控制到混合料 与试模齐平。 2 3 2 试验方法 l 、马歇尔试验 马歇尔试件按公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 要 求制备。试件直径中= 1 0 1 6 咖，高度h = 6 3 5 1 3 唧，采用马歇尔击实仪双 面各击实7 5 次( 5 0 次) ，平行试件不少于3 个。参照各级配的物理指标及马 歇尔试验结果确定最佳油石比。 2 、水稳定性试验 评价沥青混合料水稳性的方法很多，其中常用的静荷载试验有浸水马歇尔 试验、浸水抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验和从s h t ot 2 8 3 ( 改进的l o t t m a n 法) 试验方法，即冻融劈裂试验；动荷载试验方法中最典型的是浸水车辙和浸 水环道试验，它们是力求模拟现场实际条件的工程性试验方法。在这些方法 中，冻融劈裂试验与现场相关性良好，且不需要特殊设备，因此为很多国家接 受。本课题采用公路工程沥青及沥青混合料规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 中浸水 马歇尔试验及冻融劈裂试验两种试验方法来研究沥青混合料的水稳定性。 ( 1 ) 浸水马歇尔试验 该试验用残留稳定度来评价沥青混合料的水稳定性，残留稳定度越大水稳 定性越好。试验时，每种级配成型8 个试件，分成两组，一组马歇尔试件在6 0 水浴中恒温3 0 m i n 4 0 m i n 后测定其稳定度m s ，另一组在6 0 水浴中恒温 4 8 h 后测定稳定度 l s ，最后按式2 3 1 计算得到浸水残留稳定度m s 。 城= 等川。 汜。， 式中：m s 。试件的残留稳定度( ) ； m s 。试件浸水4 8 h 后的稳定度( k n ) ： m s 试件浸水3 0 m i n 后的稳定度( 1 ( n ) 。 ( 2 ) 冻融劈裂试验 冻融劈裂试验用劈裂强度比t s r 来评价混合料的水稳定性，t s r 越大水稳 定性越好。试验时每种级配成型8 个试件，分成两组。具体的试验步骤如下： 试件按选用的级配成型，采用双面击实各5 0 次，冷却至室温后脱模； 将试件随机分为两组，每组不少于4 个，第一组置于室温下备用； 将第二组试件在7 3 0 h g 真空条件下保持1 5 m i n ，然后打开阀门，恢复常 压，在水中静置o 5 h ； 取出第二组试件放入塑料袋中，加入约1 0 m l 水，扎紧袋口将试件放入冰 箱，冷冻温度为一1 8 2 ，保持1 6 h ； 将放入冰箱中的试件取出后，撤去塑料袋立即放入已保温为6 0 的恒温 水槽中保温2 4 h ； 1 0 将第一组与第二组试件全部浸入2 5 水中至少保温2 h ，保温时保持试件 之间的距离不小于1 0 姗，然后取出试件以5 0 咖m i n 的加载速率进行劈裂试 验： 计算劈裂强度比t s r 。 t s r ：( 拿) 1 0 0 ( 2 3 2 ) r r ：竺：塑堡! ! 墨 1 ( 2 3 3 ) 足：业! 粤堡 ( 2 3 4 ) ，k 式中：t s r 冻融劈裂试验强度比( ) ； r 。未经冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度( m p a ) ： r 厂一冻融循环后第二组试件的劈裂抗拉强度( 婶a ) ； p 。第一组试件的试验荷载的最大值( n ) ； p 2 - 一第二组试件的试验荷载的最大值( n ) ； h ，第一组试件的高度( 啪) ； h 2 - 一第二组试件的高度( 啪) ； 3 、高温稳定性试验 沥青混合料的高温稳定性，即沥青路面抵抗车辆反复压缩及侧向流动作用 的能力。用于评价沥青混合料高温稳定性的试验方法很多，如单轴加载试验、 三轴压缩试验、弯曲蠕变试验、简单剪切试验、车辙试验和大型环道试验等。 在诸多的试验中，车辙试验是较为直观的一种试验方法，也是一种使用较为普 遍、与实际受力状况相关性好、试验方法和操作均简单的评价方法。车辙试验 是在规定的温度下通过板状试件与车轮间的往复相对运动，使试件在车轮的重 复作用下产生压密、剪切、推移和流动，从而产生车辙，用仪器将试件的变形 和试验时间进行测定就可以用来检验沥青混合料的高温性能。因此本课题采用 车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性。其评价指标为动稳定度d s 和相对变 形。 图2 3 1 自动车辙试验仪 本研究采用的车辙试验仪如图2 3 1 所示。试验荷重为7 0 0 n ，轮压为 o 7 m p a ，试验温度为6 0 。试验的整个过程由计算机控制，同时自动采集数据 进行动稳定度计算。试验完毕后可直接得到时间和车辙深度关系曲线，由此计 算发生单位变形的轮载作用次数，即动稳定度。试验方法见公路工程沥青及 沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 。动稳定度d s 计算公式见式2 3 4 ： d s ：等皇掣q 氇 ( 2 3 5 ) 出一正 1 式中：d s 动稳定度( 次胁) ； n 一试验轮往返碾压速度( 通常为4 2 次m i n ) ： c 。试验机类型修正系数： c 广试件系数： d 厂一试验时间t ：( 一般为6 0 i i i i n ) 时的车辙深度( 哪) ； d 。试验时间t 。( 一般为4 5 m i n ) 时的车辙深度( i 【1 1 ) 。 1 2 第三章原材料技术性质测试分析 3 1矿料技术性能指标 本课题使用的砂岩来自陕北( 靖安路) 宁夏太阳山，矿料规格为大于 1 6 o 砌、4 7 5 姗1 6 0 m 、小于4 7 5 唧和矿粉等四种，其中矿粉是石灰岩磨制 而成。矿料技术性能指标和筛分结果如表3 1 1 和表3 3 2 所示，各项指标均满 足公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 一2 0 0 4 ) 的技术要求。 表3 1 1 集料物理力学指标 试验结果 指标 砂岩规范要求试验方法 压碎值( ) 1 5 92 8t 0 3 1 6 2 0 0 0 磨耗值( )1 8 33 0t 0 3 1 7 2 0 0 0 对沥青粘附性3 级小于4 级 t 0 6 1 6 1 9 9 3 加抗剥落剂的粘附性5 级 大于4 级 t 0 6 1 6 1 9 9 3 大于1 3 2 2 7 3 5t 0 3 0 4 2 0 0 0 表观密度 9 5 1 3 2 m2 7 4 0t 0 3 0 4 2 0 0 0 2 5 0 ( g c m 3 ) 4 7 5 9 5 m 2 7 3 9t 0 3 0 4 2 0 0 0 2 3 6 4 7 5 咖2 7 3 5t 0 3 0 4 2 0 0 0 大于1 3 2 m 2 7 1 4t 0 3 0 4 2 0 0 0 毛体积密度 9 5 一1 3 2 m2 7 0 6t 0 3 0 4 2 0 0 0 ( g c m 3 ) 4 7 5 9 5 口2 6 9 7t 0 3 0 4 2 0 0 0 2 3 6 4 7 5 t 0 3 0 4 2 0 0 0 针片状含量( ) 1 3 31 5 ot 0 3 1 2 2 0 0 0 吸水率( ) 0 6 9 2 ot 0 3 0 7 2 0 0 0 表3 1 2 矿粉技术性能试验结果 项目矿粉技术要求试验方法 表观密度( g c 3 ) 2 7 2 62 5 0t 0 3 5 2 2 0 0 0 含水量( ) 0 51 t 0 3 3 2 1 9 9 4 外观符合要求 无团粒结块目测 3 2沥青结合料技术性能指标 本课题采用采用s b s 改性沥青，分别按照常规试验方法对沥青进行评价。沥 青主要技术指标见表3 2 1 。 1 3 表3 2 t 沥青结合料常规试验结果 试验结果 技术指标试验方法 s b s 改性沥青 针入度( 2 5 ，1 0 0 9 ，5 s ) 7 7 3t 0 6 0 4 延度( 5 c m m i n ，1 5 )( c m ) 1 5 0t 0 6 0 5 软化点( 环球法)( )6 2 ot 0 6 0 6 密度( 1 5 )( g c m 3 ) 0 9 9 1 t 0 6 0 3 质量损失( ) 0 0 0t 0 6 0 9 薄膜加热试验针入度比( )7 8 7t 0 6 0 9 、0 6 0 4 ( 1 6 3 。5 h ) 延度( 2 5 ) ( c m )t 0 6 0 9 、0 6 0 5 延度( 1 5 ) ( c m ) t 0 6 0 9 、0 6 0 5 由表3 2 1 可知，本课题选用s b s 改性沥青满足公路沥青路面施工技术规 范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 道路石油沥青技术要求。 3 3其他材料技术性能指标 3 3 1 消石灰技术性能指标 消石灰采用西安本地产的消石灰，其有效c a o 和m 9 0 含量为6 8 1 2 ，满足技 术标准( g b1 5 9 4 7 9 ) 中对i 级消石灰有效c a o 和m g o 含量大于6 5 的要求。 3 3 2 抗剥落剂技术性能指标 本课题选择用山东生产的胺类抗剥落剂，其主要技术指标见表3 3 1 。 表3 3 1 胺类抗剥落剂技术指标 项目指标 外观略带黄色透明液体 活化物含量，( ) 2 0 密度( 2 0 ) ，( g c m 3 ) 1 0 2 p h 8 o 1 4 3 4 沥青混合料配合比设计 3 4 1 材料选择 集料采用陕西省靖安路砂岩，技术性质见表3 1 1 ；矿粉由石灰岩磨制而 成，其技术性质见表3 1 2 ；沥青采用s b s 改性沥青，其技术指标见表3 2 1 。 3 4 2 矿料级配确定 采用级配为a c 一1 6 ，通过率见下表3 4 1 和图3 4 1 表3 4 1a c 一1 6 沥青混合料级配 筛孔尺寸( m m ) 混合料 1 9 o1 6 01 3 29 54 7 52 3 61 1 80 60 3o 1 50 0 7 5 通过率( ) c 一1 6 级配1 0 0 9 68 57 04 73 22 1 51 4 51 0 88 56 惦一1 6 上限 1 0 01 0 08 28 06 24 83 62 61 81 48 a c 一1 6 下限1 0 09 5 8 47 0 4 8 3 4 2 4 51 7 51 2 59 5 6 图3 4 1 c - 16 沥青混合料级配 3 4 3 马歇尔试验 马歇尔试件按公路工程沥青及沥青混合料规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 要求制 备，试件直径为1 0 1 6 唧，高度为6 3 5 1 3 m m ，击实次数为7 5 ，击实温度为 15 1 5 5 。当混合料击实成型后，测定混合料的体积指标( v v 、v m a 和v f a ) 。混 合料马歇尔试验结果如表3 4 2 。 表3 4 2 砂岩沥青混合料马歇尔试验结果 油石比 试件理论密 毛体积密度 空隙率 沥青体积 度 ( v v ) 百分率 矿料间隙率沥青饱和 稳定度流值 ( ) ( g c m 3 ) ( v a ) ( 、珊a ) 度( v f a ) ( k n ) ( m ) ( g c m 3 ) ( )( ) ( ) ( ) 4 o2 4 5 52 2 7 87 28 81 6 15 5 17 0 32 6 6 4 52 4 3 92 3 0 95 31 0 11 5 56 5 68 7 22 7 9 5 o2 4 0 82 3 3 23 21 l - 41 4 6 7 8 4 9 2 03 2 9 5 5 2 3 9 02 3 3 12 51 2 61 5 18 3 78 6 63 5 6 6 o2 3 7 52 3 3 21 81 3 81 5 6 8 8 4 8 3 5 3 9 9 3 4 4 最佳油石比确定 根据公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) ，以油石比为横坐 标，以马歇尔试验的各项指标为纵坐标，将试验结果点入图中，连成圆滑曲 线，如图3 4 2 图3 4 7 。 图3 4 2 油石比与毛体积密度关系 1 6 图3 4 3 油石比与空隙率关系 图3 4 4 油石比与v 帆关系 图3 4 6 油石比与稳定度关系 图3 4 7 油石比与流值关系 由图3 4 2 图3 4 7 可知，各项技术指标均符合公路沥青路面施工技 术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 的沥青混合料技术标准的油石比范围p b 。p b = 4 5 5 1 ，由此可得p b ：= 4 蹁。另外，相应于密度最大值、稳定度最大值、 空隙率范围中值、沥青饱和度范围中值的油石比为：a 。= 5 5 、a ，= 5 1 、a 。= 4 8 9 6 、幽= 4 6 ，由此可知p b 。= ( a 。+ a 2 + a 3 + 籼) = 5 o 。所以，沥青混合料 最佳油石比p b = ( p b 。+ p b ：) = 4 9 。 3 4 5 配合比设计检验 1 8 采用油石比为4 9 ，以标准马歇尔试件的实测毛体积密度作为控制标准， 用轮碾仪制成3 0 0 3 0 0 5 0 m 板，进行抗车辙试验和渗水系数检测，车辙试验 结果见表3 4 3 ，渗水试验见图3 4 8 。 表3 4 3 混合料抗车辙试验结果 车辙深度( m m ) 油石比试验温度试验轮压 试验条件 动稳定度 ( )( )( m p a )( 次m m ) 4 5 m i n6 0 m i n 4 96 00 7 不浸水 1 7 2 61 8 4 8 5 1 7 0 图3 4 8 渗水试验 由表3 4 3 车辙试验结果可知，混合料的高温稳定性满足公路沥青路面 施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 要求。在渗水试验过程中，发现水面降至 1 0 0 m l 时水面基本上保持不动，所以混合料试样基本上不透水。 按最佳油石比p b 制作马歇尔试件进行浸水马歇尔试验，试验结果见表 3 4 4 。 表3 4 4 混合料水稳定性试验结果 马歇尔稳定度浸水马歇尔稳定度浸水残留稳定度 油石比( ) ( k n )( k n )( ) 4 99 9 68 1 78 2 0 3 由表3 4 4 试验结果可知，混合料的水稳定性满足公路沥青路面施工技 术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 要求。 综上所述，油石比为4 9 时混合料的高温稳定性、渗水系数和水稳定性均 满足公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 要求，所以沥青混合料 最佳油石比为4 9 。后续的沥青混合料试验分析采用本设计配合比。 2 0 第四章沥青路面水损坏现状及原因分析 4 1 沥青路面水损坏类型 水损坏发展之初一般是先有小范围的网裂、冒浆( 唧浆) ，然后松散成坑 洞：水损害的位置是局部的，多发生在透水较严重且排水又不畅的部位，这与 沥青混合料的不均匀性有关；一些路段的泛油与水损害现象同时发生。大气降 水浸入沥青路面并滞留于路面结构层中( 主要是面层与基层) ，在大量高速行驶 车辆作用下，可能产生以下几种不同的水损害现象。 ( 1 ) 路面产生坑洞 大气降水或其他自由水进入并滞留在表面层沥青混凝土的孔隙中，在重载 高速行车的不断作用下，反复产生的动水压力( 孔隙水压力) 使沥青从碎石表面 剥落下来，局部沥青混凝土变成松散状态，碎石被车轮甩出，路面产生坑洞( 见 图4 1 1 ) 。路况调查结果说明无论表面层沥青混凝土是密实式的还是半开式 的，都曾产生过这类面层水破坏所形成坑洞。 图4 t 1 沥青混凝土面层的坑洞 ( 2 ) 局部表面产生网裂和形变 降水过程中，如自由水渗入并滞留在沥青混合料层内，行车作用使层内沥 青混合料中部分碎石的沥青剥落，导致路面表面产生网裂、形变( 下陷) 和向轮 迹外侧推挤，这种破坏现象相当普遍( 见图4 1 2 ) 。在多条高速公路上对网裂形 变处进行挖补的过程中，常发现从沥青层间有水缓慢渗出，这是降水过程中水 分渗透并滞留在沥青混凝土中的表现。特别在冰冻地区，冬季的雪水逐渐渗入 并滞留在沥青表面层内，经多次反复冻融，加剧了坑洞和网裂形变。 图4 1 2 路面网裂 ( 3 ) 唧浆 如水透过沥青面层( 两层式或三层式) 滞留在半刚性基层顶面，在行车挤压 作用下，自由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表层的细料，形成灰白色泥 灰浆。灰浆被行车压挤到路表面。在灰浆数量大的情况下，可能立即产生坑 洞；在数量小的情况下，可使路面网裂或变形，之后降水则更容易透入，并产 生恶性循环，最终导致路面破坏( 图4 1 3 ) 。这种破坏现象几乎在每条高速公路 上都有发生，只是数量上有所差别。 ( 4 ) 水损坏导致松散剥落 图4 1 3 路面唧浆 沥青路面产生松散剥落的前提是：集料颗粒被足够厚的粉尘包覆；表 面材料有离析，离析处缺少细集料：沥青混凝土面层不均匀，局部密实度不 足。 在行车作用下，特别在降雨过程中和雨后行车道上的局部网裂，会逐渐松 散，松散的石料被车轮甩出而形成剥落坑洞，松散严重的路面，如材料散失后 的路面表面留下一个洼坑，并有足够深度的存水，就可能引起水漂现象而产生 安全问题。表面的松散集料会降低抗滑能力，并被行车轮胎带起甩在行车道 上，引起其它问题。图4 1 4 为某高速公路面层局部网裂形变并逐渐松散。 尽管表面层混合料中加入抗剥落剂，只要雨水能透入混合料内部，在大量 高速行驶车辆作用下，沥青都会被水剥落下来并导致路面破坏。由于水透入表 面层后往往滞留在表面层的下部和与下层的交界面上，因此沥青剥落总是从面层 的底面开始并逐渐向上扩展。一旦层下部较大碎石上的沥青被剥落下来，下部沥 青混凝土就失去强度，在行车荷载作用下，面层产生网裂和形变。 图4 1 4 路面的松散剁落 4 一 沥青路面水损坏特点 为了了解沥青路面水损坏特点，笔者进行了大量的调查研究，同时对国际 上有关水损坏的文献论述进行了调查研究。通过这两方面的调查，可以发现， 水损坏具有以下特点。 4 2 1 自上而下的表面层水损坏 许多初期的路面水损坏是从上往下发生的，它往往局限于表面层发生松散 和坑槽，如果及时修补，路面性能可以很快恢复。在降雨过程中，雨水首先渗 入滞留在表面层沥青混凝土的空隙中。当下层的沥青混合料密水性好，且沥青 层层厚较大，向下渗透相对比较困难，在大量高速行车的作用下，反复产生的 动水压力逐渐使沥青从集料表面剥离，局部沥青混凝土变成松散，碎石被车轮 甩出，路面产生坑槽。实际上，无论表面层沥青混凝土是密实式的还是半开式 的甚至是采用了改性沥青或抗剥落剂的s l j a 结构，许多工程都有类似的表面层坑 洞，只是坑洞的个数和面积的比例有显著差别。 这种水损坏是国际上通称的经典水损坏。它是一个水使沥青膜从集料表面 脱落失去附着力的过程。水损坏的先决条件是水的存在，同时存在外力作用的 环境。汽车荷载的压应力和高速行驶产生的真空吸力形成剪应力的反复泵吸作 用，使沥青膜从剥离发展到松散、掉粒、坑槽。损坏的进程与荷载的大小、频 度有关。在初始阶段，集料与集料之间发生剪切滑移，伴有沥青膜移动和脱 离，剪切应力超过沥青与集料的粘附力导致附着力丧失，这个过程很短暂，一 条公路长时间干燥少水的情况下可以稳定地使用。一旦有充足的水，大量的裂 缝和大空隙中迅速渗入达到饱和，经行车反复泵吸就很快造成沥青膜剥离的环 境，成为水损坏的典型模式。这和疲劳破坏有根本不同之处。另外还有一种理 论认为，沥青混合料中涂敷沥青的集料颗粒遭遇水的浸泡后，由于水具有很强 的表面张力和浸润性可以通过沥青自发的乳化作用进入并穿透沥青膜侵入沥青 一集料界面上并最终将沥青膜取代。如果界面上包含有乳化剂时，集料表面的 沥青膜有可能比一般情况更容易乳化，所以抗剥落剂一方面增强了沥青与酸性 石料的粘附性，同时也使它增强了沥青被乳化流失的可能性。 由此可见，白上而下的沥青路面水损坏主要是表面型坑槽，它的形成条件 是水能够渗入表面层，但继续往下渗比较困难，同时表面有大的空隙。从上而 下的水损坏即使出现表面型坑槽，也容易修补。但是如果不及时维修，损坏面 积的扩散也很快。所以要尽快维修，以尽量减少对路面的损坏。 2 4 4 2 2 自下而上的水损坏 当半刚性基层沥青路面的沥青层较薄时，沥青路面的水损坏经常是自下而 上发展的。水是水损坏的主要原因，水进入沥青路面几乎是不可避免的。如果 基层不能排水，水将滞留在沥青面层中。形成蓄水层。在各种因素的综合作用 下，损害往往首先从这些蓄水层开始发生、扩展，最终导致路面破坏。 这种类型的水损坏基本过程是： ( 1 ) 表面的水从裂缝和空隙较大的裂隙中进入路面。当沥青路面存在薄弱 环节，例如由于离析造成上下有连通的空隙，水在这些地方比其他地方更容易 进入路面内部，并很快进入到基层表面； ( 2 ) 由于半刚性基层过分致密，不能迅速将水排除时水滞留在沥青层和基 层的界面上； ( 3 ) 在汽车荷载的作用下，下面层沥青混合料的粗集料对基层造成损伤， 并形成灰浆。如果基层表面存在薄弱环节，如铺筑沥青层前就有浮灰、修补的 薄层等，遇水很快就成为灰浆； ( 4 ) 灰浆从上下连通的孔隙中被荷载挤出，成为唧浆。观察唧浆部位可 见，开始发生唧浆的孔一般都很小，肉眼看只有l 2 c m ，被挤出的灰浆可能喷 射到数米以外，尤其是有重载车高速通过时，这种集中的冲击力很大。在发生 唧浆的路段，两侧的护栏几乎都被泥浆所污染，这就是最好的证明； ( 5 ) 与此同时，沥青层和基层的界面条件恶化，可能很快转变为滑动的界 面条件，沥青层底部承受很大的拉应力，反复荷载的疲劳作用同时发生，并发 生拉应力超过极限而开裂； ( 6 ) 下面层的公称最大粒径较大，离析也比较严重，并存在些孔隙较大 的部位。水在孔隙中承受很大的高速汽车荷载的抽吸作用，空隙率较大的下面 层将很快出现沥青从集料表面剥离，沥青膜逐渐被水乳化而丧失，集料松散。 这种情况逐渐向上发展，最后顶破表面，成为坑槽。 总结以上的各种情况，第二类水损坏有以下的特点： ( 1 ) 水损坏在雨季或梅雨季节、季节性冰冻地区的春融季节，有时一场几 天的大雨就导致严重破坏。 ( 2 ) 行车道破坏严重，超车道一般没有破坏，显然与重车、超载有关。 ( 3 ) 水损坏之初一般都先有小块的网裂、冒白浆( 唧浆) ，然后松散成坑 槽。 ( 4 ) 发生水损坏的地方一般是透水严重且排水又不畅的部位。如挖开可见 下面有积水或浮浆。一般不会全路同时破坏，显然与沥青混合料不均匀有关。 有些不均匀严重的路段可能是泛油与水损坏同时发生。 4 3 沥青路面水损坏原因分析 造成沥青路面水损坏的原因是多方面的，既有内部因素也有外部因素，内 因包括：路面材料与路面结构设计等；外因包括：水温状况、交通荷载和施工 等。 4 3 1 路面材料 ( 1 ) 集料化学性质 按工程地质的规定，岩浆岩( 即火成岩) 可依化学成分分为以硅、铝为主 的酸性和中性石料，以钙镁为主要成分的基性和超性石料，俗称碱性石料。一 般认为，二氧化硅含量6 6 以上的属于酸性石料，如花岗岩、花岗斑岩、流纹岩 等；二氧化硅含量5 2 6 6 的属于中性岩石，如正长岩、闪长岩、安山岩、粗 面岩；二氧化硅含量5 2 以下属于碱性岩石，如辉长岩、玄武岩、辉绿岩；以及 超基性岩石，如辉岩、橄榄岩等。在沥青路面应的用上，通常以集料与沥青的 粘附性作为分类的基准，分为以硅铝为主要成分的亲水、憎油、与沥青粘附结 性不好的“酸性石料”，以钙、镁为主要成分、与沥青粘附结性较好的“碱性 石料”。从水稳定性的角度出发，选择s i0 2 含量低、碱值高的集料是很重要 的。 ( 2 ) 集料洁净程度 沥青质量已引起大家充分重视，改性沥青在高速公路上已得到广泛应用， 但对集料质量仍重视不够。路用碎石多由小规模的私营企业加工，一个施工标 段往往由数家石料厂供料，造成石料级配和质量不均匀性较大。由于小碎石加 工企业设备陈旧、管理混乱，导致碎石无论在扁平状颗粒含量方面还是