（道路与铁道工程专业论文）高速公路排水性沥青混合料应用研究.pdf

摘要 摘要 随着我国公路建设事业的迅速发展和人民生活水平的提高，人们对公路建设的要求也 由最初的畅通变为环保、舒适、安全等高品质方砸的追求，在国外得到越来越广泛应用的捧 水性沥青路面因具有捧水、抗滑，降噪等诸多优点，也日益受到了国内道路研究者的重视。 本文以排水性沥青路面试验路为依托，对捧水性沥青混合料在我国高速公路上的应用进 行了研究，以期能为排水性沥青路面在我国的推广应用提供参考。 原材料选择是排水性沥青路面成功的重要前提，使用高粘度沥青添加剂进行现场改性必 须要考虑改性剂与基质沥青的配伍性和相容性问题，本文对所选添加剂与不同基质沥青的相 容性和配伍性问题进行了研究。针对试验路所要考虑的高温、重载的特点，确定了所用的高 粘度改性沥青，进行了排水性沥青混合料的配合比设计与路用性能检验，通过长约1 7 k m 的 排水性沥青路面试验路的修筑，验证了室内试验和理论研究的有关成果，总结了排水性沥青 路面试验路修筑的施工控制工艺与注意要点，并对排水性沥青路面的经济性进行了分析。 其次，研究中还采用了s b s 改性沥青，考虑掺加不同长度的聚酯纤维和消石灰等措施， 通过室内试验推荐了一种路用性能指标满足高粘度沥青摔水性沥青混合料技术指标要求的 混合料，作为高粘度沥青排水性沥青混合料的替代产品。 晟后，采用汉堡车辙试验机对与排水性沥青路面实际结构相符的组合结构进行了抗高温 变形能力的试验研究，评价了排水性沥青路面在不同交通等级下的车辙深度发展规律，并对 双层式排水性沥青路面的应用进行了室内试验研究。 关键词：排水性沥青混合料；配合比设计；高粘度改性沥青；试验路；s b s 改性沥青；组合 结构；双层式拌水性沥青路面 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h er o a dc o n s t r u c t i o na n dt h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i v i n g ss t a n d a r d si nc h i n ai n r e c e n ty e a r s , t h er e q u i r e m e n t so fr o a d s f u n c t i o nb e c o m em o r ea n dm o r es t r i c t a sar e s e t ，p o r o u sa s p h a l tp a v e m e n t ，w i t ht h e g o o ds u r f a c ef u n c t i o no fd r a i n a g e ，s k i dr e s i s t a n c ea n dn o i s er e d u c t i o n ，i sb e i n gp a i d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb yr o a de n g i n e e r b a s e do nt h ep o r o u sa s p h a l tt e s tr o a d ，t h ea p p l i c a t i o no f p o r o u sa s p h a l tm i x t u r et o e x p r e s s w a ya n d o t h e rq u e s t i o n sa r er e s e a r c h e d f i r s t l y , t h ec h o i c eo f r a wm a t e r i a li sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t , a n dt h ec o m p a t i b i l i t y o f t h eh i g hv i s c o s i t ya s p h a l tm o d i f i e rw j t l lt h eb a s ea s p h a l tm u s tb ec o n s i d e r e d t h e n a c c o r d i n gt ot h ef e 姗o f t h et e s tr o a d ，s u c ha sh i g ht e m p e r a u a a n dh e a v yi o a d ，t h e p o r o u sa s p h a l tg r a d a t i o nd e s i g ni sd e t e r m i n e da n dt h er o a dp e r f o r m a n c ei se v a l u a t e d c o n s e q u e n t l y , t h e1 7 k ml o n gt e s tr o a dc o n s t r u c t i o ni ss u c c e s s f u l l yc a r r i e do u t s e c o n d l y , b a s e do nt h ea d d i t i o n o fp o l y e s t e rf i b e ra n dd r o w n e dl i m e ，t h e i m p o s s i b i l i t yo ft h ea p p l i c a t i o no fs b sm o d i f i e da s p h a l tt op o r o u sa s p h a l ti st e s t e d ， a n das u i t a b l es u b s t i t u t ef o rh i g hv i s c o s i t yp o r o u sa s p h a l tm i x t u r ei ss u g g e s t e d f i n a l l y , t h eh i g ht e m p e r a t u r es t a b i i i t yo fc o m p o n e n tc o n s t r u c t i o nj u s ta st h e r e a l i s t i cp o r o u s a s p h a l ti st e s t e db yt h eh a m b u r g w h e e lt r a c kd e v i c e f u r t h e r m o r e ，t h e a p p l i c a t i o no f t w o - l a y e rp o r o u sa s p h a l ti sa l s or e s e a r c h e d k e yw o r d s ：p o r o u sa s p h a l tm i x t u r e ；g r a d a t i o nd e s i g n ；h i 曲v i s c o s i t ym o d i f i e da s p h a l t ； t e s tr o a d ；s b sm o d i f i e da s p h a l t ；c o m p o n e n tc o n s t r u c t i o n ；t w o - l a y e rp o r o u sa s p h a l t 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：壹差 导师签名： 塑垒 日期：趔：幺乡 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 近年来，随着我国国民经济的持续发展，公路建设也迎来了难得的历史机遇，高速公路 建设事业出现了前所未有的发展速度。截至2 0 0 5 年底，全国高速公路通车里程已达4 万公 里，居世界第二位。 沥青路面因具有平稳、舒适、噪音低以及便于维修养护等特点，在公路建设中得到了越 来越广泛的应用，在我国已修建的高等级道路中，9 0 左右的路面结构采用了沥青面层。在 修建大量沥青路面的同时，许多已建成的高速公路沥青路面却出现了不同程度的早期破坏现 象，如松散、剥落、坑槽、网裂和变形等。江苏省交通科学研究院的一项研究表明”：引起 沥青路面早期破坏的原因很多，但水损害是其中一个重要的原因。 由水损害所导致的沥青路面早期破坏现象和我国目前所采用的公路沥青面层结构形式 有着很大的关系。我国高等级公路大多采用半刚性基层，面层多为密实级配沥青混合料。根 据国内外公路建设的经验，高等级公路应该设置完善的捧水设施，以排除路界范围内的地表 水和地下水，从而保证路基的稳定和路面的良好使用性能以及行车的安全性。目前我国的公 路路面排水往往只重视路基范围内的路面表面水的排除，而对路面结构层内部的排水则很不 重视，或者根本没有考虑。沥青面层一旦不能完全封住水时。下渗的水或从面层裂缝进入路 面结构内部的水就会滞留在面层之问或面层与半刚性基层之间，进入路面结构内的水如果不 能迅速排除，将使路面面层结构处于饱水或泡水状态，对路面材料进行侵蚀，导致路面结构 强度和稳定性降低，并在车辆荷载的作用下最终导致路面的破坏。国外研究表明”1 ：设置良 好的排水系统，能提高沥青路面的使用寿命达3 0 以上。 针对高等级公路所出现的水损害现象，有的地方采用了更加密实级配的沥青混合料，这 种措施虽然可以在一定程度上防止水分渗入，但对路面的抗滑性能影响却十分不利，而且有 相当多的路段出现了泛油与车辙问题，尤其是在雨天，车辆在高速公路上行驶时所碰到的溅 水和水雾问题以及由于抗滑能力下降而引发的交通安全问题十分严重。引起交通事故的原因 是多方面的，包括人的因素、车的因素，道路的因素及气候的因素等多方面的客观和主观因 素，路面的抗滑性能不足是影响交通事故发生的重要因素之一。有关调查表明我国道路雨天 事故率是晴天事故率的5 倍左右，高速公路雨天事故死亡率是一般公路的2 倍，多雨地区的 高速公路交通安全问题更为突出。 高速公路建设不仅是交通现代化的重要标志，也是一个国家现代化的重要标志。随着经 济实力的增长和人民生活水平的提高，人们对公路建设的要求也由最初的畅通变为环保、舒 适、安全等高品质方面的追求，如何减少公路交通安全事故，也日益成为全社会共伺关注的 重大问题。 排水性沥青路面由于具有多空隙特点，在雨天，降落在路表面的雨水可以通过混合料内 部的开口空隙快速排除到路面以外，路面不会留有积水，不致产生溅水和水雾；同时路面在 雨天也具有优良的表面特性，给行车安全性带来好处。由于排水上面层与中面层密级配沥青 混合料之间设有防水粘层，能有效地阻止水的下渗，可以很好的解决目前高速公路普遍存在 的在有裂缝发生的情况下，路面水下渗但不能充分排除并滞留在路面结构内所导致的路面结 构强度降低以及水损坏等问题。因此，排水性沥青路面对多雨地区来说不失为一种高性能、 高品质的公路路面结构类型，研究具有优良表面特性的排水性沥青路面符合目前我国公路建 设形势发展的需要。 东南大学硕士学位论文 1 2 排水性沥青路面的特点 排水性沥青路面面层采用大空隙开级配的沥青混合料，中、下沥青面层采用密实级配沥 青混凝土，并在排水性沥青面层与中面层之间设置防水粘层，同时在路肩下设置纵向侧沟和 横向排水管，使渗入到排水功能层的水能横向排除到路面结构以外，捧水性沥青路面结构示 意图见图1 1 。总的来说，排水性沥青路面有以下特点： 1 ) 良好的排水功能排水性沥青路面的排水功能主要有横向排水功能和路面内部的储 水功能。排水性沥青路面具有的连通空隙能使雨水快速下渗并排除到路面边缘以外；同 时，路面结构内部的大空隙也能够储存一部分来不及排走的雨水，因此雨水在路表的停 滞时间很短，路面基本无水膜产生。即使长时间的降雨使空隙接近饱和，路面上的雨水 也能够在汽车经过的瞬间通过空隙排出轮胎与路面的接触区域，使得车辆与轮胎之间的 水压可以通过连通空隙大大消散，仍然能够确保不发生滑水，有效减少了高速行驶车辆 产生“漂滑”的可能性。 2 ) 粗糙的表面特性排水性沥青路面表面粗糙，构造深度大，抗滑性能好，排水能力 强，能够有效减低雨天行车产生的水雾、水溅等，减低雨天行车反光量，改善能见度， 车辆行驶视线好，减少司机的驾驶疲劳，大大提高了车辆的行驶安全性。日本调查发现， 普通路面的高速公路雨天事故率是晴天事故率的9 倍，采用排水性沥青路面后雨天事故 可减少8 0 左右。 3 ) 良好的路面性能排水性沥青路面因其特有的开级配大空隙结构，可以使轮胎一路 面接触噪声有较大的的消散空间，降低空气压缩比，因此排水性沥青路面是一种低噪音 路面。奥地利有关研究表明，排水性沥青路面与水泥混凝土路面相比降低噪音约6 7 分贝；日本研究表明，与普通密级配沥青混凝土路面相比，排水性沥青路面通常可以降 低噪音3 5 分贝，相当于使交通荤减半或将噪音源的相互距离拉大一倍。或与装设1 5 米的隔音墙有同等的效果，这也符合目前提倡的高速公路建设环保化的要求。 图1 1 捧水性沥青路面结构示意圈 1 3 排水性沥青路面技术国内外发展现状 2 第一章绪论 1 3 1 掉水性沥青路面技术国外发展现状 排水性沥青混合料最初起源于“痔耗层”材料，一般认为由德国在上世纪6 0 年代最先 开始研究使用。排水性沥青路面根据其使用目的的不同曾有多种称呼，如德国称之为低噪音 路面( t h i s p e r i n ga s p h a l t ) ，法国称之为排水性沥青路面( d r a i n a g ea s p h a l t ) ，英国称之 为透水性碎石路面( p e r v i o u sm a c a d a m ) ，在美国一般称为0 g f c ( o p e n - g r a d e df r i c t i o n c o u r s e ) 或俗称“爆米花混合物”( p o p c o r nm i x ) 等。自上世纪7 0 年代末以来，排水性沥 青混合料在国外高等级公路上得到了越来越广泛的应用。同时各国铺筑的排水性沥青路面在 厚度、排水、抗滑与降噪性能上也是略有差别，但本质上都是开级配大空隙沥青混合料。目 前，日本、美国与欧洲诸国使用排水性沥青路面较多，且多数国家都颁布了技术规范来指导 此类路面修筑。1 9 9 2 年欧共体国家为统一术语，正式将其称之为排水性沥青路面( p o r o u s a s p h a l t ) 。 美国在上世纪7 0 年代开始使用开级配磨耗层( 简称0 g f c ) ，1 9 8 2 年主干线公路铺筑已 达1 5 万k m 。联邦公路管理局( f h w a ) 在1 9 7 4 年曾颁布了一套o g f c 混合料设计方法，1 9 9 0 年1 2 月颁布了较为完善的设计方法，同时各州也制定了自己的0 g f c 设计方法。1 9 9 8 年国 家沥青路面技术中心( n c t ) 对使用0 g f c 的各州的实际应用情况进行了详细调查，其中约 8 0 的州有自己的0 g f c 混合料设计施工标准规范，2 0 0 0 年n c a t 又推荐了新一代0 g f c 级配 组成与设计方法。 法国约在1 0 以上的收税高速公路的表面层使用了排水性沥青路面，但近年来，因为 存在面层空隙容易堵塞和冬季养护困难等问题，摊水性沥青混合料在法国的应用有减少的趋 势；比利时于1 9 7 9 年即开始了摊水性沥青路面的应用研究，现在使用排水性沥青混合料铺 筑路面已有二十多年的历史；意大利在其国家的高速公路上也大量使用了排水性沥青混合 料，以减少交通噪声，改善雨天抗滑性能和消除溅水的危害；荷兰公共工程部则决定在交通 量大于3 5 0 0 0 辆厌的所有道路上及要求低噪声的道路上，特别在高速公路上尽可能使用排 水性沥青面层；瑞典、西班牙、德国、英国、丹麦等国家也都对捧水性沥青路面的应用进行 了研究和开发，并召开多次国际会议，广泛交流研究成果与经验，但在使用的沥青胶结料与 级配组成上各国均有自己的特点。 日本在上世纪8 0 年代后期开始从欧洲引进排水性沥青路面技术，称之为“超级路面”， 并开始进行适合日本气候条件和交通条件的排水性沥青混合料的研究和开发等工作。日本虽 然起步较晚，但发展较快，可以说是目前应用排水性沥青路面最为成功的国家，目前已形成 较为完善的排水性沥青混合料设计方法。1 9 9 2 年日本道路协会出台了排水性沥青路面的标 准，1 9 9 9 年日本道路公团作出规定，要求今后所有新建或改建的高速公路表面层都要采用 捧水性沥青路面铺装，现在排水性沥青路面已成为日本的标准路面之一。 总之，由于安全、环保等方面的显著优点，捧水性沥青路面在国外的应用已相当广泛。 目前德国等欧洲国家的6 0 高速公路和日本7 0 高速公路都铺装了排水性沥青路面。在城 市道路的交叉口和一般道路及城市道路的人口稠密地区、多雨地区，出于减噪与安全的目的， 排水性沥青路面也被较多使用。 1 3 2 排水性沥青路面技术国内发展现状 排水性沥青路面在国内的研究应用尚处于初步阶段，目前尚无排水性沥青路面设计与施 工技术规范。自上世纪9 0 年代初开始，国内部分高校和研究所开始做了一些尝试性的研究， 3 东南大学硕士学位论文 并在上海、河北、黑龙江、广东等地修建了一些小规模的试验路，但由于未能深入系统的进 行研究与开发，我国在这方面的成熟经验和研究成果也非常少。2 0 0 3 年陕西咸阳与日本大 有公司合作在西安机场高速公路修建了长约1 8 k 哪的排水性沥青路面”1 ，之后比较具有影响 的是交通部公路科学研究所与东南大学等单位合作完成的交通部西部交通建设科技项目“山 区公路沥青面层捧水技术的研究”课题，该课题取得了一系列的研究成果，并在宁杭二期 句容段修建了探索性试验路，在重庆渝林高速公路修筑了长约3 k m 的实体工程，对排水性沥 青路面在我国的发展应用提供了重要的参考指导价值。 1 4 排水性沥青路面研究应用的目的与关键技术问题 我国长江沿线及以南地区由于气候环境因素，降水充沛，南方部分省市年平均降雨量见 图1 2 ，排水性沥青路面在这些地区如果能够成功推广应用，将会带来明显的社会经济效益， 同时也将促使我国在高速公路建设中不断采用新技术，不断提高建设水平。 江苏地处我国东南沿海，夏季气温高、时间长，雨水充沛，大部分地区年降雨量在1 0 0 0 m 以上，气候条件具有一定的代表性。同时，江苏省作为我国的一个经济大省，至2 0 0 5 年底， 高速公路通车里程已突破2 8 0 0 公里，所修建的高等级公路面层也都基本上采用了沥青路面 结构。在已建成的高速公路中，路面水损坏现象时有发生，而且雨天高速公路行车所引发的 交通安全事故也给行车安全带来了诸多隐患。因此，在江苏南方地区修建排水性沥青路面具 有积极的实践示范作用。 就本研究所依托的盐通高速公路排水性沥青路面试验路来说，要解决的关键技术问题 主要是；该地区夏季气温高、降雨多，气候条件对排水沥青路面有一定的不利影响，且该路 为一条重交通道路，重载车辆在交通组成中占有较大的比例，因此要求重视高温和重载问题， 使得设计出的排水性沥青路面具有较强的抗高温变形和抗水损坏韵能力。 ，暮 喀 翟 嫩 安徽江苏上海湖北福建广东海南江西湖南广西云南贵州重庆四j 图1 2 我国南方各省年平均降雨量统计( 1 9 7 1 年2 0 0 0 年) 1 5 本文主要研究内容 目前国内排水性沥青路面研究已经取得了一些成果，而且也修筑了部分试验路 段) ，但 由于这些试验路( 段) 有的并非十分成功，有的由于建成时间较短还未有充分的时间来接受实 践的检验，因此有必要进行进一步的探索研究，以便在推广应用中不断提高我国排水性沥青 4 咖啪啪伽姗咖咖啪枷瑚。 第一章绪论 路面的设计和施工水平。在吸收借鉴已有研究成果的基础上，本论文主要研究内容有： 1 ) 捧水性沥青混合料原材料选择与性能评价 与普通密级配沥青混合料相比，排水性沥青混合料的耐久性及功能的持续性受骨料的性 质及沥青胶结料的影响更大，因此要求选用优质骨料和高粘度改性沥青。通过对骨料进行试 验，并对不同种类的现场改性高粘度沥青和成品高粘度改性沥青进行比选，推荐符合摊水性 沥青路面技术指标要求的骨料和沥青胶结料。 2 ) 捧水性沥青混合料配合比设计与路用性能评价 采用马歇尔试验进行配合比设计的方法，难以确定排水性沥青混合料的设计沥青用量。 捧水性沥青混合料设计以满足空隙率要求为标准，主要考虑路面表面的排水功能及混合料的 耐久性，在此基础上提出捧水性沥青混合料的配合比设计方案，并对确定级配的排水性沥青 混合料进行路用性能试验，检验其是否符合排水性沥青混合料的技术性能标准。 3 ) 排水性沥青路面试验路研究 铺筑试验路是为进一步检验排水性沥青混合料的路用性能，同时检验室内试验和理论研 究的有关成果，探索排水性沥青路面的合理施工工艺。 4 ) 改性沥青在排水性沥青混合料中的应用研究 通过采取添加聚酯纤维和消石灰等措施，研究s b s 改性沥青在捧水性沥青路面中的应用 可行性，并推荐一种满足排水性沥青混合料技术指标要求的排水性沥青混合料实现方式。 5 ) 排水性沥青路面组合结构抗车辙性能分析与双层式排水性沥青路面应用研究 模拟与实际路面结构相符的排水性沥青路面面层结构形式，采用汉堡车辙试验机，评价 其实际的抗高温变形能力和在不同交通等级荷载作用下捧水性沥青路面车辙深度的发展规 律，并对双层式排水性沥青路面应用进行室内研究。 5 东南大学硕士学位论文 第二章排水性沥青混合料原材料选择与性能评价 与密级配沥青混合科相比，排水性沥青混合料的大空隙特征使其更容易受到日光、空气 及水等的侵蚀，导致混合料出现耐久性降低以及捧水功能丧失等问题。为保证排水性沥青路 面的耐久性和功能的持续性，必须选择优质骨料及高粘度的沥青胶结料。 2 1 集料 2 1 1 粗集料 排水性沥青混合料形成的是石一石嵌挤骨架结构，与普通密级配沥青混凝土相比，混合 料集料之间的接触面积减少了约2 5 ，接触点间的应力提高，因此骨料的性质、形状以及 粒度、级配等都会对混合料的性能有很大影响，在进行排水性沥青混合料的设计时对骨科的 选择就显得尤为重要。 国外对排水性沥青混合料所用粗集料的关键性控制指标均有较高的要求。如粗集料的针 片状颗粒含量是重要的控制指标之一，集料的破损情况与粗集料的针片状颗粒含鼋关系密 切，若集料中细长扁平状颗粒过多，就会对混合料的性能产生比较大的影响，针片状颗粒在 施工过程中容易被压路机压碎、折断，从而在沥青混合料内部留下没有被沥青覆盖的断面， 并会导致混合料空隙堵塞变小，影响排水效果，而且还会降低混合料之间的粘结力。这些断裂 面还有可能成为混合料内部的微裂缝，微裂缝将使沥青路面在受力作用时产生应力集中而导 致裂缝扩展开裂。日本通常要求粗集料针片状颗粒含量不大于1 0 ；德国对粗集料针片状 颗粒含量也提出了不大于1 0 的要求，同时为保持排水性沥青路面良好的粗糙表面特性， 对粗集料的磨光值( p s v ) 提出了较高的要求，一般要求在5 5 以上；英国规范对排水性沥青 混合料粗集料的磨光值要求也在5 5 以上，同时为防止混合料在压实过程中破碎较多，导致 空隙变化，对集料的压碎值指标也提出了较高的要求”；美国要求所用粗集料的洛杉矶詹耗 损失值不大于2 0 ，这些指标都高于我国公路沥青路面施工技术规范( j t jf 4 0 - 2 0 0 4 ) 中对高速公路面层用粗集料质量技术指标的要求”1 。 通常情况下，石灰岩等碱性集料虽与沥青的粘附性很好，但耐磨性能较差，采用石灰岩 石料铺筑的沥青抗滑表层路面，由于所期望的石科一石料之间的嵌挤作用不能很好的形成， 因此不能满足沥青路面表面层抗滑及耐磨耗的需要。这也是为什么现在多数国家对排水性沥 青路面面层用粗集料的磨光值及洛杉矶磨耗值、压碎值等提出较高要求的原因。 总的来说，排水性沥青混合料所用粗集料宜选用洁净、均匀、干燥的耐磨耗、抗破碎和 粘附性高的碎石、破碎砾石等骨料。参照国内外已有的研究经验，排水性沥青混合料粗集料 的具体技术指标要求应如表2 1 所示，本研究所用粗集料的性能指标检测结果也一并列在表 2 1 中。 表2 1 捧水性沥青混合料租集科技术指标要求及性能检测结果 试验项目测定结果 技术指标要求 压碎值9 32 0 6 第二章排水性沥青混合料原材料选择与性能评价 洛杉矶磨耗损失值8 62 5 磨光值p s v 5 14 5 9 5 1 6 o m m1 6 软石含量 2 4 7 5 9 5 m m 1 2 9 5 1 6 o m m2 9 8 3 视密度咖n 3 2 6 0 4 7 5 9 5 m m2 9 8 8 9 5 】6 o m mo 9 0 吸水率 2 0 4 7 5 9 5 m mo 9 8 s b s4 s b s + 8 t p s5 沥青粘附性5 7 0 # + 1 2 t p s5 级 s k 5 坚固性试验2 51 2 9 5 1 6 o m m4 1 针片状含量l o 4 7 5 9 5 m m7 9 水洗法 o 0 7 5 m m 颗粒含量 o 31 破碎情 有一个破碎面的含量 l o o1 0 0 有两个破碎面的含量 9 9 9 0 况 2 1 2 细集料 排水性沥青混合料所用细集料一般是指0 0 7 5 哪 2 3 6 r a m 部分的集料。包括机制砂、石 屑、天然砂等，应洁净、干燥、无风化、无杂质，与沥青有良好的粘附性，并有适当的颗粒 级配，宜符合中砂的级配和细度模数，粒径范围要求见表2 2 。细集料最好使用人工破碎的 机制砂，因为机制砂洁净，棱角性好，有相当好的粗糙度，混合料抗车辙能力强。石屑是石 料破碎过程中表面剥落或撞击下的棱角、细粉，棱角性较好，但石屑中粉尘含量很多，强度 很低、扁片含量比例较大，且施工性能较差，不易压实。因此，国外的规范中大都限制石屑 的用量，而推荐采用机制砂。我国新修订的沥青路面施工技术规范也对使用石屑作出了新的 要求，用于热拌沥青混合料的石屑必须严格测定其砂当量，如果砂当量小于。说明石 屑中舍有较多的泥土成分，就不能使用。石屑目前在我国的应用还相当普遍，这也是材料应 用中的一个薄弱环节，在捧水性沥青混合料中若要使用石屑必须做到严格管理才行。天然砂 表面圆滑，与沥青的粘附性较差，使用太多对高温稳定性不利。但使用天然砂在施工时容易 压实，路面好成型是其最大的优点，所以对天然砂也不要一概的盲目排斥。 对捧水性沥青路面来说，与沥青粘结性能较差的砂子及用花岗岩、石英岩等酸性石料破 碎的机制砂或石屑不宜使用，细集料技术指标要求及性能检测结果见表2 3 。 7 东南大学硕士学位论文 表2 2 细集料的粒径范围 筛孔尺寸( 咖) 4 7 52 3 61 1 80 6o 3 o 1 50 0 7 5 l 通过质量百分率 1 0 08 5 1 0 05 0 8 5 2 5 6 01 0 4 55 2 0o 1 5 表2 3 细集料技术指标要求及性能检测结果 试验项目 测定结果技术指标要求 视密度 g c m 3 2 9 2 02 5 0 砂当量 7 3 56 0 含泥量( o 0 7 5 r a m 含量) 2 03 2 1 3 填料 矿粉在排水性沥青混合料中的作用至关重要，由于混合料中粗集料较多，若缺少矿粉， 必然会产生沥青流淌现象。矿粉的作用是吸附沥青，沥青只有吸附在矿粉表面形成薄膜，才 能对其他粗细集料产生粘附作用，所以沥青矿粉胶浆才是真正的沥青结合料。排水性沥青混 合料由于空隙较大，在提高其排水、抗滑性能的同时也降低了混合料的耐久性，要提高其耐 久性，胶结料的作用就非常重要，所以对矿粉的质量应该严格要求。排水性沥青混合料所用 填料要求采用“石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉”，具体技 术指标要求及本研究所用矿粉的性能检测结果见表2 4 。 表2 4 矿粉技术指标要求及性能检测结果 试验项目测定结果 技术指标要求 视密度 g c m 3 2 7 2 32 5 0 含水量 0 4 51 外观无团粒结块无团粒结块 亲水系数 0 4 51 塑性指数3 24 0 6 m m1 0 01 0 0 粒度范围 l 1 0 0 1 软化点( 1 k ) 4 7 58 4 49 0 59 4 8 6 0 动力粘度p a s2 8 27 5 2 2 41 8 0 3 5 03 3 2 6 4 7 表2 8t p s 改性台湾s b s 沥青基本性能指标测试结果 掺配比例( t p s ：基质沥青) 试验项目 基质沥青 6 ：9 48 ：9 21 0 ：9 0 针入度( 2 5 ) 0 1 m m 6 85 85 44 6 ( 5 ) c m3 2 44 8 45 1 25 8 1 延度 ( 1 5 ) 1 0 0 1 0 0 1 0 0 l 软化点( t m ) 7 5 o8 4 59 2 89 5 2 6 0 动力粘度p a s 4 0 2 88 2 8 8 42 柏3 4 34 6 2 3 6 2 表2 9t p s 改性台湾c t ca h - 7 0 # 沥青基本性能指标测试结果 掺配比例( t p s ：基质沥青) 试验项目 基质沥青1 0 ：9 01 2 ：8 81 4 ：8 6 针入度( 2 5 ) 0 1 m m6 85 5 4 24 5 ( 5 ) c l a1 1 21 9 o2 5 23 0 6 延度 ( 1 5 ) c m 1 8 6 27 8 47 6 9 软化点( t w ) 5 0 88 0 99 5 89 1 2 6 0 动力粘度p a s 2 1 47 1 8 21 6 5 5 02 9 2 1 6 贮存稳定性离析，4 8 h 软 2 9 化点差 东南大学硕士学位论文 图2 1t p s 改性基质沥青针入度试验 睡一l 图2 2t p s 改性基质沥青5 e 延度试验 龌 基肺目青二蔓 1 1 - - “# 垂圈圈翮 t p s 锕量 图2 3t p s 改性基质沥青软化点试验 图2 4t p s 改性基质沥青6 0 动力粘度试验 1 2 。，。已一 一钟钟舯帅仲。 一 一 ig* 1 l o o 1 0 0 5 0 软化点( t r ) 9 0 5 9 2 8 9 0 3 8 0 6 0 c 动力粘度p a s1 8 0 3 5 02 4 0 3 4 32 2 7 9 9 82 0 0 0 0 弗拉斯脆点 一9 51 5 31 3 8 闪点 3 2 03 3 03 3 02 6 0 密度( 1 5 c ) g c m 3 1 0 2 81 0 2 01 0 1 0 实测记录 粘韧性( 2 5 c ) n m2 3 92 4 52 8 52 0 韧性( 2 5 ) n m1 8 21 8 42 2 41 5 弹性恢复( 2 5 ) 1 0 01 0 09 8 质量损失 0 0 1一o 0 20 0 2o 6 t f o t 延度5 c c n l 2 8 2 3 0 4 2 9 8 ( 1 6 3 、 5 h ) 针入度比 8 2 38 3 68 2 3 6 5 ( 2 5 ) 1 7 0 c 运动粘度p a s 0 4 2 6o 9 0 10 6 3 5 贮存稳定性离析，4 8 1 1 软化 点差 1 10 90 8 2 5 由上表可知，s k 高粘度沥青的性能指标也均能满足高粘度改性沥青的各项技术指标要 求。同时a b - 7 0 # + 1 2 t p s 、s k s + 8o a t p s 以及s k 高粘度沥青在其他指标方面也均表现出 了良好的路用性能，如弹性恢复能力均接近或达到了1 0 0 0 a ；薄膜加热试验后的各项性能指 标变化小，针入度比大等，这也从另一方面进一步证实了t p s 改性剂与这两种基质沥青良 好的相容性和配伍性，同时也说明这三种高粘度改性沥青在排水性沥青混合料中都具有实际 应用的可能性。 2 3 本章小结 1 ) t p s 是一种理想的高粘度沥青改良添加剂，但与其要改性的基质沥青存在相容性问 题，为了能够充分发挥改性剂的改性效果，选择合适的基质沥青是非常重要的。衡量t p s 与基质沥青相容性好坏的最主要标志是其改性后的沥青的6 0 动力粘度指标。 2 ) 基质沥青中掺加适宜剂量的1 玛后，沥青的各项性能指标均有不周程度的改善，表现 为针入度减小，软化点提高，弹性恢复能力强，粘韧性和韧性好，薄膜烘箱试验后质量损失 小、针入度比值大，特别是高粘度沥青的关键性控制指标6 0 粘度会有明显的增大。 3 ) 本研究采用的两种基质沥青三菱a h - 7 0 # 和s b s 改性沥青，在分别掺加1 2 t p s 和 8 0 a t p s 改性后得到的高粘度沥青，具有良好的性能，能够满足高粘度改性沥青的各项技术 指标要求。 1 4 第三章捧水性沥青混合料配合比设计与路用性能评价 第三章排水性沥青混合料配合比设计与路用性能评价 排水性沥青混合料应用以来，各国研究人员一直在进行着排水性沥青混合料设计方法的 研究。目前，日本、美国及欧洲等国研究人员已相继开发出了各自的排水性沥青混合料设计 方法。 3 1 排水性沥青混合料设计方法简介 排水性沥青混合料配合比设计的特殊之处是油石比主要由析漏试验结果确定。通常以析 漏试验确定的沥青混合料不致产生流淌的沥青用量作为上限，以飞散试验检验沥青混合料不 致松散、脱落、飞散时的沥青用晕作为下限。在目前的排水性沥青混合料设计方法中，比较 有代表性的是美国联邦公路管理局( h “队) 的“开级配抗滑表层( o g f c ) 混合料设计方 法”和日本道路协会的“排水性沥青混合料( e a ) 设计方法”。 3 1 1 美国f h w a 设计方法 美国联邦公路管理局( f h w a ) 在1 9 9 0 年制定了“开级配抗滑表层( o g f c ) 混合料设 计方法”。设计时，初试沥青用量一般通过试算确定，计算时考虑沥青吸入集料内部的情况， 要求测定集料的毛体积密度和表观密度，计算混合料所需的有效沥青用量及总沥青用量。混 合料成型采取便携式电磁振动锤进行振动压实或振动台( 3 6 0 0 r p m ，振幅o 3 3 x 0 0 5 r a m ) 成 型。计算振动后的单位重、粗集料空隙率( v c a ) 和细集料最佳用量。用确定的沥青用量， 在沥青粘度为8 0 0 厘斯时的温度下拌和混合料，把混合料倒在硼硅酸玻璃板( 直径为2 0 0 2 2 5 m m ) 上迅速摊开，放进不低于1 0 7 的烘箱内6 0 r a i n ，观察板底状况。如在集料与玻璃板 接触处有轻微的沥青印痕，表明沥青用量是合适的。否则应在更高或更低的拌和温度下重复 这个实验，以达到要求的接触印痕。如果拌和温度低到集料的干燥温度仍有析漏，那么应选 择较高粘度的沥青。然后对设计混合料进行浸水抗压试验检验，在4 9 浸水4 d 后，测定抗 压强度残留强度指标应不低于5 0 ，否则应采取措施提高粘附力以获得足够的残留强度。 在f h w a 将此设计方法向各州推荐使用的过程中，逐渐发现存在以下一些缺陷： 1 ) f h w a 推荐的混合料最大公称粒径为9 5 m ，混合料的最大粒径较小，集料偏细， 空隙率偏小，导致沥青用量偏大，因而其强度、稳定性不好。 2 ) 确定最佳沥青用量时，没有考虑到不同种类的沥青及添加剂在集料表面所形成的沥 青膜厚度的不同，使用经验公式和图表计算得到的结合料用量不大合适。 3 ) 在沥青混合料性能验证上，仅采用浸水抗压残留强度指标来进行评价是不充分的。 现在这套f h w a 于1 9 9 0 年制定的设计方法已经很少使用，近年来，美国吸取了欧洲， 日本等国的经验，对o g f c 混合料设计的某些方面进行了改进，出现了o g f c 级配变粗， 设计空隙率变大，普遍使用改性沥青、使用纤维添加剂等改善措施的趋势。美国全国沥青技 术中心( n c a t ) 在总结已有经验的基础上于2 0 0 0 年完成了新型o g f c 混合料设计方法的 研究。主要成果如下： 东南大学硕士学位论文 1 ) 为防止混合料在施工过程中发生沥青流淌现象，普遍要求使用橡胶改性沥青，而且 对沥青胶结料要求具有足够的耐老化性。 2 ) 在混合料级配设计上，优先推荐使用最大公称粒径为1 2 5 b 和1 6 0 m 的级配组成， 设计空隙率约在2 0 左右。 3 ) 在设计时引进了s u p e r p a v e 设计中的旋转压实成型方法来模拟混合料现场的压实效 果，认为旋转压实5 0 次与马歇尔试件击实5 0 次的效果相当，可以达到预定的空隙率要求， 而且旋转压实5 0 次不会导致集料被压碎，石料与石料之间能够形成互相嵌挤的骨架结构。 4 ) 借鉴了s m a 配合比设计理论：排水性沥青混合料必须具有相互嵌挤紧密的石一石 骨架结构；填充粗集料骨架间隙的沥青胶浆必须使结构内部空隙率达到要求范围内。 5 ) 开发了新的抽真空装置，利用塑料薄膜密封试件后测量体积，并以此计算空隙。 6 ) 引进了欧洲的磨耗试验并对其作了改进。除常规飞散试验外，为了模拟现场的沥青 老化，将试件放入“的烘箱中保持7 天，然后在2 5 c 温度下保持至少4 小时后进行飞散 试验。其他的试验方法不变，以此评价沥青混合料老化后的抗磨耗性能。 7 ) 对原来析漏试验所采用的网篮法进行改进。为了保证只有沥青可以通过筛孔流淌出 来，将网篮的筛孔尺寸由原来的4 7 5 r r a n 改为2 3 6 n u n 。这样在2 3 6 r a m 至4 7 5 n u n 之间的细 集料不会流出筛孔，避免了其对析漏试验结果的影响。 3 1 2 日本道路协会设计方法 日本在上世纪8 0 年代从国# l - g l 迸排水性沥青路面时，曾原封不动的采用了美国的方法 来进行设计。但发现此种路面早期破坏现象十分严重，而且排水、降噪功能的减退也很快。 因此，为了使路面的排水功能与降低噪音效果更加持久，日本开始进行适合本国气候和交通 条件的排水性沥青路面的研究和开发工作，目前已形成较为完善的排水性沥青混合料设计方 法。1 9 9 2 年日本道路协会出台了排水性沥青路面的标准以及排水性铺装技术指针( 案) ， 1 9 9 9 年日本道路公团作出规定，要求今后所有新建或改建的高速公路面层都要采用排水性 沥青路面铺装。指针指出：排水性沥青混合料因在马歇尔稳定度试验时与普通沥青混合料表 现不同，用马歇尔试验进行混合料的配合比设计并不合适，但仍可作为参考的试验；同时趋 向予尽量多使用沥青，提高沥青油膜厚度，用以确保路面强度，因此，最佳沥青用量一般即 为析漏试验确定的最大沥青用量。指针同时指出，排水功能层的厚度一般宜在4 s e m ，但 也可随要求功能的不同适当增减其厚度，用于排水性沥青路面的混合料要求具有抗磨耗、抗 水损坏、耐久性好及抗车辙变形好等特点，因此多使用高粘度改性沥青。在配合比设计上， 在借鉴欧洲设计方法的基础上，仍然采用马歇尔体积法以求得适宜的空隙率，并以车辙试验 来评价混合料的高温稳定性。 由于美国f l e a 的设计方法过于繁琐，在排水性沥青混合料沥青用量的确定方法中，一 般认为日本现在采用的设计方法已比较完善，且较为简单。因此本研究在设计中主要吸收借 鉴了日本的成功经验，并结合本工程的实际特点，对排水性沥青路面试验路进行了配合比设 计。具体设计流程见图3 1 。 1 6 第三章捧水性沥青混合料配合比设计与路用性能评价 图3 1 捧水性沥青混合料配合比设计流程图 3 2 排水性沥青混合料配合比设计 参照捧水性沥青混合料设计流程，制定了本研究捧水性沥青混合料的设计步骤：确定 目标空隙率；原材料选择与初试级配的确定：根据目标空隙率要求选取三种级配，使 2 3 6 m 筛孔通过率在中值范围3 内；参照日本排水性铺装技术指针( 案) 中有关沥 青用量预估的计算公式( 3 1 ) 和( 3 2 ) ，利用理论计算法，采用预估的沥青膜厚度和集科 表面积初定沥青用量，试拌成型马歇尔试件；满足目标空隙率级配的确定：测定马歇尔试 件的空隙率，如不能达到目标空隙率的要求，应对级配进行调整重新试拌；确认混合料空 隙率，确定最佳沥青用量：对达到目标空隙率要求的级配，分别按o 5 5 ，1 变化沥青用 1 7 东南大学硕上学位论文 量，进行析漏试验和飞散试验，并以沥青析漏试验的拐点作为最大沥青用量，以飞散试验的 拐点作为最少沥青用量，由此得到沥青用量的范围。在此范围内参照马歇尔试验的结果，选 择适宜的沥青用量作为最佳沥青用量。 最后以混合料性能试验进行验证。 排水性沥青混合料的初试沥青用量计算公式如下所示： a = ( 2 + 0 0 2 a + o 0 4 1 9 十o 0 8 c + o 1 4 d + o 3 e + o 6 f + 1 f i g ) 4 8 7 4 ( 3 1 ) p b = h a( 3 2 ) 式中： 代表集料的表面积；p 。表示初试沥青用量；a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 分别代