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摘要 高温车辙和耐久性不足对沥青路面的破坏己成为当今世界各国公路建 设的一个重要问题。大粒径透水性沥青混合料( l s p m ) 具有良好的抵抗反射 裂缝和抗车辙能力,可有效解决以上问题。参考国外研究成果,本文对大 粒径透水性沥青混合料的配合比设计方法和路用性能进行了研究,主要成 果包括: 分析探讨了大粒径透水性沥青混合料的组成结构和强度的主要影响因 素。由于粗集料形成了完整的骨架嵌挤结构,具有较高的模量和抵抗变形 能力,可以抵抗较大的塑性和剪切变形;集料级配和公称最大集料粒径、沥 青针入度、软化点、粘度、含油量及沥青混合料均匀性均对沥青混合料的强度产 生影响。 通过对n c h r p 3 8 6 法与贝雷法级配设计进行对比,分析两种级配状态 与混合料体积指标,得到了l p s m 的级配设计方法以及能够满足使用要求 的推荐级配范围。 采用大马歇尔沥青混合料设计法和旋转压实体积设计法对大粒径沥青 混合料进行对比设计。采用旋转压实仪法可以得到较高的压实密度,但考 虑目前国内的实际情况仍以大马歇尔法为主,在设计时需要对两种方法进 行对比,以确定最终的设计方法。 研究了大粒径沥青混合料的高温稳定性,车辙试验结果表明l s p m 抗 车辙能力远大于普通沥青混合料抗车辙能力,集料级配对车辙起决定性作 用,形成骨架嵌挤结构是l s p m 具有良好的高温稳定性的关键。 采用浸水大马歇尔试验和冻融劈裂试验方法来评价分析大粒径沥青混 合料的水稳定性,结果表明大粒径沥青混合料具有较好的抗水损害能力。 关键词:大粒径透水性沥青混合料,配合比设计,抗车辙性能,抗水损害 能力 a b s t r a e t t h ed e s t r u c t i o no fh i g ht e m p e r a t u r er u t t i n ga n di n a d e q u a t ed u r a b i l i t yt o t h ea s p h a l tp a v e m e n th a sb e c o m eo fg r e a ti m p o r t a n ti s s u ef o rg l o b a lp a v e m e n t c o n s t r u c t i o na tp r e s e n t l a r g es t o n ep e r v i o u sa s p h a l tm i x e s ( l s p m ) h a st h eg o o d p r o p e r t i e so fe l i m i n a t i n gt h er e f l e c tc r a c ka n dr e s i s t a n c er u t ,i tc a ne f f e c t i v e l ys o l v e t h ep r o b l e m s b a s e do nt h ef o r e i g nr e s e a r c hr e s u l t s ,t h em a t c hr a t i od e s i g nm e t h o d a n dt h ep r o p e r t yi nr o a da p p l i c a t i o na r es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ,t h em a i nr e s u l t s a r e : t h ed i s s e r t a t i o np l a i n l ya n a l y s e sc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo fl s p m ,b a s e d o nt h ea s p h a l tm i x t u r ec o m p o s i t i o nt h e o r y i ti sf o u n dt h a td u et ot h ei n t e g r i t y s k e l e t o nf o r m e db yt h ec o a r s ea g g r e g a t e ,t h ea s p h a l tm i x t u r ec a nr e s i s tp l a s t i c d e f o r ma n ds h e a rd e f o r m t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fm i x e ss t r e n g t hi n c l u d e : a g g r e g a t e m a t c hr a t i o ,a s p h a l t p e n e t r a t i o n ,s o f t e np o i n t ,v i s c o s i t y ,o i l c o n t a i n i n ga n di r r e g u l a r i t i e so fm i x e s ,e t c t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fg r a d a t i o nd e s i g nm e t h o do fn c h r pr e p o r t 3 8 6 m e t h o da n db a i l e ym e t h o d ,a n a l y z e dt h eg r a d a t i o nf o r ma n dv o l u m ei n d e x , t h e ng o tt h ed e s i g nm e t h o do fg r a d a t i o na n dt h ef e a s i b l eg r a d a t i o n t h el a r g e s c a l em a r s h a l ld e s i g nm e t h o da n dt h eg y r a t i o nc o m p a c tv o i d d e s i g nm e t h o da r eu s e di n d i v i d u a l l yt os t u d yl s p mf o ri t sp r o p e r t y u s e st h e g y r a t i o nc o m p a c tv o i dd e s i g nm e t h o d ,t h eh i g hc o m p a c t i o nd e n s i t yc a nb e o b t a i n e d b u tt h el a r g e - s c a l em a r s h a l ld e s i g nm e t h o di ss t i l lu s e dm o r e e x t e n s i v e l yi nd o m e s t i c ,t h ec o n t r o lm e t h o ds h o u l db ed e t e r m i n e db yc o m p a r i n g t h et w om e t h o d s l s p mh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t yi ss t u d i e db yw h e e lt r a c kt e s t ,i ti sf o u n d t h a tt h er u t t i n gr e s i s t a n c eo fl s p mi sf a rg r e a tt h a nt h a to ft h en o r m a lh m a , b e s i d e s ,t h ea g g r e g a t eg r a d a t i o no fl s p ma n ds k e l e t o n - c o m p a c ts t r u c t u r ei s v i t a lt ot h er u t t i n gr e s i s t a n c e l a s t l yl s p mw a t e rs t a b i l i t yi ss t u d i e db yw a t e r s u b m e r g e dl a r g es c a l em a r s h a l la n dt h ef r e e z e t h r a wt e s t ,a n di ti sf o u n dt h a t t h ew a t e rd a m a g er e s i s t a n c ei sw e l l k e yw o r d s :l a r g es t o n ep e r v i o u sa s p h a l tm i x e s ,m a t c hr a t i od e s i g n ,r u l i n gr e s i s t a n c e , w a t e rd a m a g er e s i s t a n c e 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 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 人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个 人和集体,均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名:勺绎切诵, 日期:of p 黧张鬟名勃印彦晰味b 论文作者签名:1 懒刷币签名别徊膨日期:。f b j 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 上世纪九十年代之前,为适应当时低、中交通现状,我国的沥青路面结构型 式主要为泥结碎石、级配砾碎石路面、渣油沥青表处、贯入式路面。随着交通运 输业的不断发展,原先的路面结构型式逐渐不能满足交通增长的需要,由于受沥 青材料、高质量施工机械和经济基础的限制,“强基薄面”成为我国沥青路面建 设的指导思想,半刚性基层沥青路面成为我国沥青路面结构的主要型式。九十年 代以后,我国新建的高等级公路8 5 以上采用半刚性基层沥青混凝土面层的结构 型式。 目前全国公路通车里程已突破2 0 0 万公里,其中沥青路面占了大多数,由于 经济、技术和历史等原因,以石灰稳定类和水泥稳定类为主的半刚性基层沥青路 面是目前己建沥青路面的主要结构形式。半刚性基层沥青路面具有明显优点,它 整体强度高、板体性好,路面承载能力强;它刚度大,提高了沥青面层抵抗行车 荷载疲劳破坏能力,甚至可认为半刚性基层上的沥青面层不会产生疲劳破坏,因 此通常路面结构设计时,不需验算沥青面层层底应力。 1 1 1 半刚性基层的不足 但通过十多年的建设和使用,半刚性基层的弱点已经明显表现出来。许多沥 青混凝土路面建成通车不久,就发生了较为严重的早期破损现象,如:裂缝、翻 浆、卿泥、松散、剥落、龟裂、网裂、坑槽等等,需要定期或不定期地对原路面 进行维修、补强和改建。究其原因,除了面层材料、级配、施工等各方面的原因 外,半刚性基层自身的不足成为重要原因。 1 、半刚性基层对沥青路面的反射裂缝非常普遍,而且很难解决。半刚性基 层材料在外界温度、湿度变化下产生干温缩裂,逐渐形成裂缝,在于、温收缩应 力继续作用下,裂缝顶端产生较大拉应力集中,造成基层裂缝沿面层底部向上反 射直至贯通。反射裂缝已成为半刚性基层沥青路面的主要病害之一。调查表明, 我国不论南方还是北方,通车后一年最迟第二年均出现大量裂缝。大量裂缝的产 生,在一定程度上削弱了路面结构的强度。 2 、半刚性基层排水能力很差,造成沥青路面早期损坏严重。调查发现,我 国已经通车的使用两年以上的高速公路中,不管是北方半干旱地区( 降雨量 l 绪论 4 0 0 6 0 0 m m ) ,还是南方潮湿多雨地区( 降雨量超过1 0 0 0 m m ) ,都不同程度地产 生了水损坏。由于沥青混凝土的不均匀性,即使表面层和中面层都是密实式沥青 混凝土,自由水也能逐渐透入并使路面产生水损坏。如果水透过了整个沥青面层 滞留在半刚性基层顶面,由于半刚性基层压实后非常致密,不能立刻排除,在大 量快速行车作用下,自由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表面的细料,形成 灰色白浆。灰浆通过各种形状的裂缝( 横缝、纵缝、斜缝和网裂) 被行车压到路表 面,形成坑洞、网裂等破坏。在冰冻深度大于路面厚度的北方地区,渗入路面的 水分如果不能及时排除,还会产生不均匀冻胀,并在冻融期间降低承载能力,直 至造成路面破坏。 3 、半刚性基层的加铺改造能力较差。已建半刚性基层沥青路面经过一段时 间的使用后,必须进行加铺改造,以恢复路面的使用功能,尤其当路面出现早期 损害后,加铺改造往往更早。旧沥青路面常用的加铺方案是在其上铺设半刚性基 层,再铺设沥青面层。此种加铺方案具有结构承载力强、结构层材料设计简单等 优点,但同时也存在工程量大、高程增加多,以及未能充分利用旧路面的面层材 料等缺点。特别是不能避免反射裂缝和无法排水的缺陷,使加铺后的路面重新面 临早期损害的可能。有专家认为,在旧路面上加铺半刚性基层,由于旧路面的裂 缝会反射上来,新沥青层可能出现快速损坏。 1 1 2 大粒径沥青混合料的提出 大粒径沥青混合料的使用要追溯到2 0 世纪初,为了运输重载的农业物资、 建筑材料和工业产品,钢性四轮车得以应用。为适应较大的接触强度,w a r r e n b r o t h e r s 公司在1 9 0 3 年提出申请并获得专利在沥青混合料中使用大粒径集料, 其矿料的最大尺寸高达7 5 m m ,能提供较大密实度和稳定度,首次提出了大粒径 沥青混合料的概念。从广义角度定义的大碎石沥青混合料( l a r g es t o n e a s p h a l tm i x e s ) 是指最大集料粒径大于1 英寸的沥青混合料,许多的研究成 果正是基于这一理念。例如美国国家沥青技术中心n a t i o n a lc e n t e rf o ra s p h a l t t e c h n o l o g y ( n c a t ) 在9 0 年代初对大碎石沥青混合料的研究,就是从这种定义 出发进行的,其级配设计理念与普通沥青混合料没有很大的区别,主要解决大粒 径沥青混合料的设计、成型方法等问题。目前我国普遍采用的a c 2 5 、a c 3 0 混 合料也属于这个范畴。 2 1 绪论 美国八十年代以后,由于交通量的急剧增加,许多道路沥青路面发生了破坏, 一方面人们从沥青混合料材料的角度进行了大量的开发与研究,如s u p e r p a v e 设计体系;另一方面,从沥青路面角度考虑引用全新的路面结构设计方法 a a s h t 0 2 0 0 2 设计体系。同时在总结许多新的研究成果和调查路面结构、材料 的基础上提出一些新理念,如目前正在进行研究的长久性路面等。美国中西部的 一些州对应用了三十多年以上而运营状况相对良好的一些典型路面进行了相关 的调查,发现许多成功的路面其基层采用的是较大粒径的单粒径嵌挤型沥青混合 料如灌入式沥青基层。因此提出以单粒径形成嵌挤为条件进行混合料的设计,从 而形成了大碎石沥青混合料级配设计方法。1 9 9 2 年美国沥青材料公司在美国印 第安纳州第6 5 号州际公路的重建工程中,针对当时较弱的路基土,采用大碎石 沥青混合料作为基层和排水层,成功地解决了实际问题,被评为该年度全美最佳 工程奖。该路段是印第安纳州交通量最繁重的路段之一,经过多年的重交通荷载 作用,至今路面使用情况良好。该路段的成功设计就是采用了大碎石沥青混合料 作为基层以及采用了适宜的排水设计。1 9 9 7 年美国的得克萨斯a & m 大学、印 第安那运输部等完成了其全美国家联合攻关n c h r p 项目“大碎石沥青混合料的 设计和应用”的研究。研究表明大碎石沥青混合料路面的整体稳定性好,能够承 受重交通条件下荷载的作用并且高温稳定性等方面表现出良好的特性。在许多州 的州际公路上得到应用,并表现出良好的性能。现在美国的印第安纳等州已将大 碎石混合料纳入其州的公路技术规范,其应用已相当的普遍。近年来,随着交通 荷载和交通流量的不断增加,早期车辙和疲劳破坏已经越来越频繁,国外许多专 家加强了对大粒径沥青混合料的研究,希望通过大粒径沥青混合料中石一石接触 找到抵抗车辙、承受重载的办法。 实践表明大粒径沥青混合料具有以下优点: ( 1 ) 级配良好的大粒径沥青混合料可以抵抗较大的塑性和剪切变形,承受 重载交通的作用,具有较好的抗车辙能力,提高了沥青路面的高温稳定性,特别 是对于低速、重车路段,需要的持荷时间较长时,设计良好的l s p m 与传统的 沥青混凝土相比,显示出十分明显的抗永久变形能力; ( 2 ) 大粒径集料的增多和矿粉用量的减少,减少了矿料的比表面积,使得 在不减少沥青膜厚度的前提下,减少了沥青总用量,从而降低工程造价。 1 绪论 1 2 国内外研究现状 美国、英国、加拿大、澳大利亚、日本、南非和台湾地区等都对l s p m 作 了深入的研究工作,研究表明:设计合理的l s p m 是解决重载交通下高温车辙 问题最经济有效的途径之一。通常情况下,大碎石沥青混合料主要用作全厚式沥 青混凝土路面的基层,现在长久性沥青路面也将大碎石沥青混合料作为重要的结 构组成部分。 美国对大粒径沥青混合料的研究起步较早,由于美国有多达7 6 的州采用 马歇尔混合料设计方法,集料的最大粒径是l i n ,试模直径是4 i n 。为了和人们熟 悉的方法相一致,在1 9 6 9 1 9 7 0 年p e n nd o t 通过不同机构大量的数据比较4 i n 和6 i n 马歇尔击实试件物理、力学指标,建立了二者的相互关系。但由于交通量 小,车辙损坏不是当时路面破坏的主要形式,直到1 9 8 8 年,面对日益严重的早 期车辙破坏,大粒径沥青混合料在路面结构设计中应用逐渐增加,大型马歇尔试 验组成设计方法得以发展。虽然采用此方法能合理确定沥青用量,但是其稳定度 与实际的抗车辙性能没有很好的相关性。 k a n d h a l 在报告中指出,击实次数由7 5 次增加为1 1 5 次,会导致粗集料被击 碎。实验也表明击实成型不能很好模拟现场压实情况。一般认为旋转压实仪能更 好模拟现场压实情况。 1 9 9 3 年,美国s h r p 计划完成,研究成果s u p e r p a v e 沥青混合料设计方法为 l s p m 配合比设计方法的发展提出了新的思路。德克萨思州运输学会“l s p m 课 题组”( 包括b r e n tr a u h u te n g i n e e r i n gi n c 加州大学伯克利分校) 负责研究开发 l s p m 设计方法和制定施工指南。借鉴s h r p 中s u p e r p a v e 沥青混合料试验和设 计两方面的成果,一是采用旋转压实成型试件,二是体积特性的设计思路, “l s p m 课题组在查阅了国内外相关资料的基础上,全面研究了州公路局 ( s h a ) 应用l s p m 的实际情况,进行了野外钻芯取样和室内成型试件的室内 性能试验,并进行了l s p m 足尺加速加载a p t 试验,研究报告为“n a t i o n a l c o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c h p r o g r a m ( n c h r p ) r e p o r t 38 6 :d e s i g na n de v a l u m i o n o fl a r g e - - s t o n ea s p h a l tm i x e s ”,该研究成果主要内容有:按照美国各州公路和 运输工作者协会标准设计方法( a a s h t o ) 的要求,设计和分析l s p m ,提供了 低渗透性标准的l s p m 和高渗透性的开级配两大类混合料设计方法;标准设计 4 1 绪论 方法也提供了l s p m 三类分析法,即方法a ( s u p e r p a v e 性能试验) 、方法b ( 用 于评估车辙的反复抗剪试验) 和方法c ( 单轴试验) 。为了和目前典型的密级配 混合料s u p e r p a v e 设计系统的设计方法相一致,设计方法提供了基于体积特性的 二级水平设计,包括与路用性能相关的混合料分析试验。i 级设计适用于低交通 量,并且需要很少的材料试验。在集料特性试验分析基础上,用户利用以筛分为 基础的计算机程序评价集料堆的筛分报告,设计者可以选择所需的空隙率成型 l s m 试件。此方法适用于路面结构中的联接层、下面层密级配l s m 的配合比设计。 i i 级设计适用于大交通量,以i 级设计为基础,添加了测试l s m 抵抗永久变形能 力的指标,目的在于设计用于表面层能承受较大交通荷载,具有石一石嵌挤结构 的沥青混合料,并用细集料填充其空隙,然后依据矿料间隙率v m a 、空隙率v v 和其它一些因素,确定最佳的沥青用量,最后,通过路用性能试验( s u p e r p a v es s t 方法a a s h t ot p7 或者单轴压缩蠕变试验) 验证l s m 是否满足最小的抗车辙标 准。i i 级设计利用s u p e r p a v e 旋转压实机成型试件,根据l s m 最大集料尺寸、 集料和体积特性,和适合于传统密级配沥青混合料的规范( a a s h t ot p4 ) 的 指定角度相比,l s m 的旋转角度应当大于1 5 0 。 根据n c h r p 4 1 8 的调查报告,美国3 2 个州中有3 0 个州的高速公路机构己 经修筑了l s m 道路。如美国的科罗拉多、肯塔基、明尼苏达、内华达、俄亥俄、 德州、田纳西等州使用的密级配大粒径沥青混合料其主要表现为良好的抗车辙、 抗疲劳和水损害、抗胶结料老化。在澳大利亚、瑞典、南非也修筑了l s m 道路, 南非大粒径沥青混合料野外路用性能重载模拟试验表明:传统的沥青混凝土的车 辙是l s m 的2 - 2 0 倍。当l s m 的试验段在4 0 一5 0 的高温时,其性能也比传 统的沥青混凝土好,甚至在低温时其性能也是如此。表明l s m 具有较好的温度稳 定性,设计适当的l s m 较少依靠沥青的粘滞度来提供其抗剪强度。实测低温时 l s m 路面面层的劲度,明显小于室内试验所测劲度。尽管路面弯沉有时高达l m m , 但没有发现裂缝,这表明实体l s m 工程,和计算模型预测相比,更具有抗疲劳 损伤能力。 英国的布朗教授提出,不同集料的最大公称粒径尺寸会显著影响沥青混合料 的性能,使用较大的公称尺寸的集料,在减少沥青用量的同时,能提高沥青混合 料的稳定性和抗滑性能。 l 绪论 n p a u l k h o s l a 的研究也表明,l s m 的回弹模量比常用的沥青混合料大两倍 左右,其抗车辙和耐久性能也优于常用的沥青混合料。开级配的大粒径沥青混合 料的强度主要来源于粗集料的石一石嵌挤作用。开级配l s m 良好的路用性能在试 验路上没有产生明显的车辙、没有剥落的迹象。限定的开级配l s m 抵抗车辙性能 异常出色,然而a r k a n s a s 铺筑的开级配l s m 是用于减少在波特兰水泥混凝 土路面上的上铺层的反射裂缝。 f e h s e n f e l d 提出,即使l s m 基层具有较大的渗透性,也没有明显的剥落 现象,而且沥青老化在使用8 一1 8 年是最小的。g r o b l e r 和r u s t 把这些效果 归因于相对较厚的沥青胶结料膜,虽然l s m 的沥青含量比普通沥青混合料低。 1 3 研究内容 1 、大粒径透水性沥青混合料强度分析; 2 、大粒径透水性沥青混合料柔性基层组成设计; 3 、大粒径透水性沥青混合料路用性能研究; 4 、铺筑大粒径透水性沥青混合料柔性基层试验路,对其施工质量控制进行 总结。 1 4 技术路线 1 、从理论上研究大粒径透水性沥青混合料柔性基层在高速公路上的适用性; 2 、在青莱高速公路选择一个合同段采用大马歇尔法进行大粒径透水性沥青 混合料柔性基层组成设计,并用旋转压实仪法进行对比; 3 、按照大粒径透水性沥青混合料柔性基层组成设计铺筑试验路段,进行性 能观测; 4 、 大粒径透水性沥青混合料柔性基层施工的质量控制方法; 5 、对大粒径透水性沥青混合料柔性基层在青莱高速公路上的应用做出总结。 6 2 大粒径沥青混合料强度分析 2 大粒径沥青混合料强度分析 2 1 沥青混合料的组成 沥青混合料是由沥青、粗集料、细集料和矿粉以及# i - d i 齐i 所组成的多种成分 的材料。这些组成材料在混合料中,由于组成材料质量的差异和数量比例的不同, 可形成不同的组成结构,并表现出不同的力学性能。随着对混合料组成结构研究 的深入,形成了沥青混合料组成结构的两种相互独立的理论:表面理论和胶浆理 论。 表面理论认为,沥青混合料由粗集料、细集料和填料经人工组配成密实的级 配矿质骨架,沥青结合料分布矿质骨架的表面,将其胶结成为一个具有强度的整 体。这种理论认识可图解如下: 沥青混合料二二三二二f蚕薹三 胶浆理论认为,沥青混合料是一种多级空间网状胶凝结构的分散系。粗集料 是分散在沥青砂浆分散介质中的一种粗分散系;砂浆是分散在沥青浆分散介质中 的一种细分散系;而胶浆又是以填料为分散相而分散在高稠度沥青分散介质中的 一种微分散系。这种理论认识可图解如下: 沥青混合料 二三三二二三二 二三:二:二二胶结 介质一沥青 一填料 这三级分散系以沥青胶浆( 沥青一矿粉系统) 最为重要,它的组成结构决定沥青混 合料的高温稳定性和低温变形能力。沥青混合料的黏弹塑特性,主要取决于起粘 7 2 大粒径沥青混合料强度分析 结作用的沥青一矿粉系统。这种多级空间网状胶凝结构的特点是,结构单元( 固体 颗粒) 通过液相的薄层( 沥青) 而粘结在一起,胶凝结构的强度取决于结构单元产 生的分子力,胶凝结构具有力学破坏后结构触变性复原自发可逆的特点,对于胶 凝结构,固体颗粒之间液相薄层的厚度起着很大的作用,相互作用的分子力随薄 层厚度的减小而增大,因而系统的粘稠度增大,结构就变得更加坚固。此外,分 散介质( 液相) 本身的性质对于胶凝结构的性质亦有很大的影响。可以认为,沥青 混合料的弹性和黏塑性主要取决于沥青的性质、粘结矿物颗粒层的厚度,以及矿 料材料与结合料相互作用的特性。沥青混合料胶凝键合的特点,也取决于这些因 素。目前,这一理论比较集中于研究填料( 矿粉) 的矿物成分以及沥青与填料内表 面的交互作用等因素对于混合料性能的影响。同时这一理论的研究比较强调采用 高稠度的沥青和大的沥青用量,以及采用间断级配的矿质混合料。矿物骨架结构 是沥青混合料成分中矿物颗粒在空间的分布情况,由于矿物骨架本身承受大部分 的内力,因此骨架应由相当坚固的颗粒所组成,并且是密实的。沥青混合料的强 度,在一定程度上也取决于内摩阻力的大小,而内摩阻力又取决于矿物颗粒的形 状、大小及表面特性等。形成矿物骨架的材料结构,也在沥青混合料结构的形成 中起很大作用。沥青应均匀地分布到矿料材料中,并尽可能完全包裹矿物颗粒, 沥青混合料中沥青的性质,取决于原来沥青的性质、沥青与矿料的比值、沥青与 矿料相互作用的特点。 总之,沥青混合料是由矿质骨架和沥青胶结物所构成的、具有空间网络结构 的一种多相分散体系。沥青混合料的力学强度,主要由矿质颗粒之间的内摩阻力 和嵌挤力,以及沥青胶结料及其与矿料之间的粘结力所构成。 2 2 沥青混合料的结构 沥青混合料,按其强度构成原则的不同可分成按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的结构强度,是以矿质颗粒之间的嵌挤力和内 摩阻力为主、沥青结合料的粘结作用为辅而构成的。这类路面是以较粗的、颗粒 尺寸均匀的矿料构成骨架,沥青结合料填充其空隙,并把矿料粘结成一个整体, 这类沥青混合料结构强度受自然因素( 温度) 的影响较小。 按密实级配原则构成的沥青混合料的结构强度,是以沥青与矿料之间的粘结 2 大粒径沥青混合料强度分析 力为主、矿质颗粒之间的嵌挤力和内摩阻力为辅而构成的,这类沥青混合料的结 构强度受温度的影响较大。 根据混合料中嵌挤结构和密实结构所占的比例不同,沥青混合料的结构可分 为下列三类: ( 1 ) 悬浮密实结构 由连续级配矿质混合料组成的密实混合料,由于材料从大到小连续存在,并 且各有一定数量,同一档较大颗粒都被较小一档颗粒挤开,大颗粒犹如以悬浮状 态处于较小颗粒之中,连续密级配沥青混凝土都属此类型。这种结构通常按最佳 级配原理进行设计,虽然密实度与强度较高,但各级集料均被次级集料所隔开, 不能直接接触形成骨架,而悬浮于次级集料和沥青胶浆之间,其组成结构见图 2 1 a ,而且受沥青材料的性质和物理状态的影响较大,故高温稳定性较差。 根据连续级配的原理组成的密级配沥青混合料,矿料级配基本上是按照富勒 曲线( f u l l e re q u a t i o n ) 的指数原理构成的。富勒和汤姆生认为在获得混合料的 最大密实度时,下式中的指数n :o 5 ,而g o o d e 和l u f s e y 经过研究提出指数 n :o 4 5 时能获得最大密实度。 p = 1 0 0 ( d d ) ” 2 1 式中:p 一相当于矿料总量的某一筛孔的通过百分率( ) ; d 该筛孔的尺寸; d 设计级配的最大粒径,通常是最大公称尺寸的上一级粒径( m m ) 。 ( 2 ) 骨架一空隙结构 较粗矿料彼此紧密相连,较细粒料的数量较少,不足以充分填充空隙,因此, 混合料的空隙较大,较粗矿料能够充分形成嵌挤型骨架,沥青碎石混合料就属于 骨架一空隙结构。在这种结构中,粗集料之间的内摩阻力起着重要的作用,其组 成结构见图2 1 b 。结构强度受沥青材料的性质和物理状态的影响较小,因而高 温稳定性较好。 ( 3 ) 骨架一密实结构 骨架密实结构是综合以上两种结构的优点而形成的结构。混合料中既有一定 数量的粗集料形成骨架,又根据粗料空隙的多少加入细料,形成较高的密实度和 明显的骨架结构,其组成结构见图2 1 c 。 9 2 大粒径青月抖度丹析 邕2l 沥青混合料典型组成结构 23 大粒径撕青混合料的组成结构 大柿径沥青混合料足沥肯混合料的一种类型,与传统的沥青混合料一样其 组成结构可分为骨架空隙结构、悬浮一密实结构及骨架u 密实结构。 骨架空隙结构对应的绂配是开级配,悬浮密宴结构对应的级配足密级配, 但在生产实践中囡其抗车辙性能较差,使用受到了限制。骨架密实结构对应的 级配为密级配也是l ,程实践中最常用的大粒径沥青混合料,其常用形式有适用 于下面层和上基层的嵌挤骨架密实型结构( 空隙率3 6 ) , 人粒径透水性沥青混合料的设计采用了新的理念从级配设计角度考虑,大 粒径透水性沥青混合料( l s p m ) 应肖是种新型的沥青混合料,通常由较大聿c ! 径 ( 2 5 m m - 6 2 r a m ) 的单粒径集料形成骨架,由一定量的细集料形成填充而组成的 骨架型沥青混合料。大粒径透水性沥青混合料( i ,s p m ) 设计为半丌级配或者开级 配。由于大粒径透水性沥青混合料( l s p m ) 有着良好的排水效果,通常为半开级 配( 空隙牢为1 3 1 8 ) 。它不同于一般的沥青处治碎石( a t p b ) 基层,也不同 于密级配大粒径沥青混合料( a t b ) 。沥青处治碎石( a t p b ) 粗集料形成了骨架嵌 挤,其基本上没有细集料填充,因此空隙率很大,一般人于1 8 ,具有非常好的 透水效果,但由于没有细集料填充,空隙率过大其模量较低而且耐久性较差。密 级配人粒径沥青混合料( a t b ) 也具有良好的骨架结构,空隙章一般在3 - 6 , 因此其不具响排水性能。大粒径透水性沥青混台料级配经过严格设计,其形成了 单一粒径骨架嵌挤,并且采用少量细集料进行填充,提高混合料模量与耐久性, 在满足排水要求的前提下降低混合料的空隙率,其空隙率一般为131 8 ,因此 其既具有良好的排水性能又具较商模量与耐久性。 24 沥青混台料的强度分析 沥青混合料的强度足指在定的约束条件f ,沥青混合料具有的抵抗应力应 2 大粒径沥青混合料强度分析 变作用的能力。与其它均质材料和水硬性胶结材料相比,沥青混合料的结构比较 松散,并具有明显的颗粒性和黏弹性力学特征。正是由于这两种特征,使得沥青 混合料也由两种强度理论作依据,即表面理论和胶浆理论。 表面理论认为,沥青混合料的强度是由存在于矿料表面的两种类型的力形成 的,一部分是矿质集料骨架的强度,表现为颗粒材料表面的摩擦阻力,用摩擦角 表示;另一部分是沥青的胶结强度,表现为粘结力、凝聚力、抗拉力,用内聚力 表示。但摩擦阻力与内聚力相比要占优势,因此,改善沥青混合料路用性能应该 主要改善集料的骨架。 胶浆理论认为,在沥青混合料的三级分散系中,沥青胶浆对混合料的强度起 决定性作用,沥青胶浆分散介质的组成结构决定了混合料的高温稳定性和低温抗 裂变形能力。因此胶浆理论更加重视沥青的稠度和沥青与矿粉的相互作用,而粗 集料等分散相对混合料的强度的影响,是通过其数量增减改变分散介质变形特征 体现的。沥青混合料的强度由分散系中分散相数量多少和分散介质的强度性质决 定,分散相数量越多,分散系的模量就越大,则混合料的抗压强度越大;分散介 质的稠度越大,混合料的抗拉强度就越大。因此,改善沥青混合料路用性能主要 从改善沥青胶浆性能入手。 按照这两种不同的理论,在提高沥青混合料的高温稳定性时,所采取的措施 重点是不同的:表面理论看重矿质集料的粗集料骨架作用,而胶浆理论则把重点 放在沥青胶浆的质量上,两种理论的共同目的都是为了增强混合料的抗剪切破坏 强度。 由上述的表面理论和胶浆理论可知,影响沥青混合料强度的主要因素,一是 集料颗粒之间的摩擦阻力和嵌挤力;二是沥青结合料的粘结力及其与矿料问的粘 聚力。影响沥青混合料强度的主要因素与构成沥青混合料结构的成分是相同的, 具体如下: ( 1 ) 从沥青本身来看,沥青的粘滞度和沥青用量是影响粘结力的重要因素, 矿质集料由沥青胶结为整体,粘滞度愈大,沥青抵抗变形的能力愈强,可以保持 矿质集料的相对嵌锁作用。当沥青用量很少时,沥青不足以形成理想的沥青膜裹 覆矿料,不仅强度低,而且耐久性差;当沥青用量过多时,则会逐渐将矿料颗粒 推开,在颗粒之间形成未与矿料交互作用的自由沥青,则沥青胶浆的粘聚力随着 2 大粒径沥青混合料强度分析 自由沥青的增加而降低。沥青用量不仅影响沥青混合料的粘聚力,而且也影响沥 青混合料的内摩擦角,随着自由沥青的增加,沥青混合料的内摩擦角也逐渐降低。 ( 2 ) 矿质集料的尺寸、颗粒形状、表面粗糙度及矿料的级配都影响沥青混合 料的强度。用尺寸较大、颗粒形状均匀的矿料比尺寸较小、颗粒形状不均匀的矿 料所组成的混合料强度大;有棱角且表面粗糙的骨料较球状光滑的骨料所构成的 沥青混合料强度大。根据摩尔一库伦准则,为了增强沥青混合料的抗车辙能力, 应当首先增强矿质集料间接触形成稳定的骨架,以提高混合料的摩阻角。所以目 前沥青混合料发展趋势是粗集料含量不断增加,以期形成具有较高抗车辙能力的 粗集料骨架。因此,增大集料的粒径与选择良好的级配,是提高内摩阻力和抗剪 强度的有效途径。 2 5 大粒径沥青混合料的强度分析 大粒径沥青混合料是沥青混合料的一种类型,上述沥青混合料的强度理论完 全适用于大粒径沥青混合料。然而,与传统的沥青混合料强度机理相比,大粒径 沥青混合料的强度机理又具有明显的特点: ( 1 ) 摩阻力和嵌挤力大。通过沥青混合料三轴剪切试验,可以得到沥青混合 料粘结力和内摩阻角,对于不同类型的沥青混合料,其三轴剪切试验的结果不同。 根据伊万诺夫等人的研究资料,砂粒式沥青混凝土的内摩阻角约3 0 0 ,细粒式、 中粒式和粗粒式沥青混凝土的内摩阻角,可依次递增3 0 左右。长安大学刘中林 研究发现,大粒径沥青混合料的内摩阻角为4 2 。左右。矿质颗粒的粒径越大,内 摩阻角也就越大,因此,增大集料的粒径是提高内摩阻角的途径,但应保证级配 良好、空隙率适当。 ( 2 ) 承载能力高。大粒径沥青混合料的骨架作用使得集料在荷载作用下具有 较小的变形和较高的承载能力。大粒径沥青混合料的骨架中,粗集料相互接触点 很多,骨架很密实,在车轮荷载反复碾压或冲击下,不会产生大的变形,集料间 产生相对移动的可能性较小或产生的过程较慢,而且粗集料的承载能力大,所以 其高温稳定性好。如果没有形成骨架结构,受力和传力作用将不再主要由固体颗 粒本身担当,而是由固体颗粒的摩擦力和沥青结合料的粘结力承担,所以,骨架 结构的形成,是大粒径沥青混合料承载能力高的关键。 2 6 沥青混合料抗剪强度影响因素分析 2 大粒径沥青混合料强度分析 沥青路面的车辙是压缩和剪切两种变形共同作用的结果,其中剪切变形尤为 重要,因此,在沥青混合料组成设计时,需要对沥青混合料的抗剪强度特别重视。 2 6 1 沥青混合料抗剪强度的测定方法 普通三轴试验只能求得c 和q 值,而不能直接得到抗剪强度r 。,毕玉峰建议 采用贯入试验,通过三维有限元计算所得的强度参数求得r 。、盯。和0 3 ,再辅以 单轴试验,确定0 2 ,根据三向主应力确定摩尔圆并从摩尔圆求得c 和p 值,以取 代三轴试验,模拟实际路面的应力状态。贯入试验中强度参数见表2 1 ,依据表 2 1 中参数,相应各应力为: 盯= p c2 2 式中,盯为应力;p 为单轴贯入强度;c 为强度参数。 舻:in(7l-0-3-02,:一o21-sinarcsln c2 3驴= = z j q + 吒一吼 2c o s e p 2 6 2 沥青混合料抗剪强度的影响因素 ( 1 ) 集料级配。以a c - 1 3 ,a k - 1 3 和a c 一1 6 为例,集料级配符合公路沥青路 面设计规范( j t j 0 1 4 9 7 ) 推荐的取值范围( 见表2 2 ) 。3 种集料级配混合料的 表2 1 贯入试验中强度参数 第一主应力第三主应力最大剪应力 0 7 6 50 0 8 70 3 3 9 单轴贯入试验结果如表2 2 所示。表2 2 数据表明:集料级配和公称最大集 料粒径对沥青混合料抗剪强度有显著的影响。a c 1 3 与a k 1 3 的空隙率相近, 公称最大集料粒径相同,但级配不同,抗剪强度试验结果中a k 1 3 的抗剪强度 要比a c - 1 3 的抗剪强度大3 0 以上,因为a k 1 3 为骨架密实型结构,内摩擦角 较大,a k - 1 3 的内摩擦角达4 5 2 5 0 ,产生较大摩阻力。同为内摩擦角较大的原因, a c - 1 3 与a c - 1 6 的公称最大集料粒径不同,试验中a c 一1 6 的抗剪强度比a c 1 3 的 抗剪强度大4 0 以上。若考虑到空隙率的影响,将a c 一1 6 的空隙率从目前的4 3 3 9 6 增至4 6 7 ,则a c - 1 6 抗剪强度与a c - 1 3 的抗剪强度相差不会太小。a k - 1 3 与a c 一1 6 之所以在抗剪强度上相差不大,可能是因为级配和公称最大集料粒径对抗剪强度 的影响相当,且相互削弱。 2 大粒径沥青混合料强度分析 表2 2 不同级配沥青混合料抗剪强度 级配类型空隙率c m p a心 【d m p a a c 1 34 6 70 1 4 03 8 2 70 4 9 6 a k 1 34 8 l0 0 9 94 5 2 50 6 5 2 a c 一1 64 3 30 1 4 24 2 5 50 6 9 8 表2 3 集料的级配组成( 质量) 级配类筛孔m m 型3 1 52 6 51 9 o1 6 01 3 29 54 7 52 3 6 1 1 80 60 30 1 50 0 7 5 a c 1 3l o o9 57 04 83 62 4 1 81 2 8 4 a k 1 31 0 09 66 43 32 41 81 2964 a c 1 61 0 09 7 58 2 56 85 2 54 12 9 52 21 61 16 ( 2 ) 集料。研究集料对沥青混合料抗剪强度的影响时,以a c 1 3 为例,其级 配组成见表2 3 ,试验材料中,粗集料为辉绿岩a 和辉绿岩b ,细集料为石灰岩, 沥青为壳牌7 0 # 石油沥青。辉绿岩a 和辉绿岩b 具体技术指标见表2 4 。集料混 合料单轴贯入试验结果见表2 5 。表2 4 和表2 5 数据表明:沥青混合料抗剪强 度受其集料,特别是集料中针片状含量的影响较大。表2 5 中,粗集料为辉绿岩 b 的沥青混合料抗剪强度要比粗集料为辉绿岩a 的沥青混合料抗剪强度大3 0 以 上。因为辉绿岩a 集料的针片状含量( 1 0 9 ) 大于辉绿岩b 集料的针片状含量 ( 7 2 一7 5 ) 。集料的针片状含量大,混合料成型后内摩擦角就小,产生的摩阻 力较小;集料的针片状含量小,混合料成型后内摩擦角就大,产生的摩阻力较大。 粗集料为辉绿岩a 的沥青混合料内摩擦角3 8 2 7 0 ,小于粗集料为辉绿岩b 的沥青 混合料内摩擦角4 5 7 6 0 。 表2 4 不同集料技术指标 试验结果 试验项目技术要求 辉绿岩a辉绿岩b 洛杉矶磨耗损失 1 5 0 1 5 0 1 5 0 延度( 5 c m m i n ,5 1 2 ) c m 7 56 0 软化点 4 7 64 8 54 7 74 7 5 粘度( 6 0 1 2 ) ( p a s ) 1 8 52 2 7 2 5 21 2 4 表2 7 不同结合料的沥青混合料抗剪强度试验结果 结合料 c m p aq | c x d m p a 壳牌7 0 9 o 1 0 84 2 4 90 5 2 8 s k 7 0 #0 1 2 24 2 3 2 0 5 8 5 2 大粒径沥青混合料强度分析 埃索7 0 # 0 1 4 83 9 4 60 5 5 9 中油7 0

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