（道路与铁道工程专业论文）基于SPT的沥青混合料高温性能的试验研究.pdf

摘要 摘要 车辙是目前高等级公路沥青路面的主要病害，严重影响了路面的服务水平和使用寿命，系统地研究 抗车辙沥青混合料及合理的路面结构设计对提高沥青路面服务质量、延长路面使用寿命有着重要意义， 而在试验室如何客观地评价沥青混合料的高温性能是目前的重要课题之一。 本文利用先进的s p t 简单性能试验仪，以试验研究和理论分析相结合的方法，对s p t 的试验原理、 试验方法和试验指标等进行了研究。 首先，本文介绍了s p t 的试验原理和试验方法，分析研究了s p t 及其试验指标( 动态模量ie 。i 、 流变时间f ：和流变次数r ) 的特点，并基于粘弹性理论分析了动态模量le 。l 和动态模量指标i i s i n的力学意义及其反映的沥青混合料特性。 然后，利用s p t 进行了a c 2 0 、s m a - 1 3 等不同类型混合料的动态模量试验，分析了沥青用量，空 隙率、温度、加载频率、围压等不同试验条件下动态模量和相位角的变化规律。试验中特别发现，同一 频率时，不同温度下的lfi 与相应的体积应力之间呈现非常好的线性关系，而且不同围压时的直线斜 率几乎相同。该发现为简化施加围压时所需求的不同温度下的i i 试验量提供了可能。在实测动态模 量值的基础上，利用时温等效原理和非线性最小二乘拟合建立了动态模量的主曲线。 最后，本文比较了我国现行沥青路面设计方法与美国a a s h t o2 0 0 2 设计指南的区别，基于实测的 动态模量值le i 、采用a a s h t o2 0 0 2 设计软件计算出典型路面结构的沥青混凝土面层的车辙深度， 并将之与传统的动稳定度评价指标进行了比较。 关键词：沥青混合料，高温性能，s p t ( 简单性能试验) ，动态模量，a a s h t o2 0 0 2 设计指南 a b s t r a c t a b s t r a c t r u t t i n gi st h em o s t l yd i s e a s eo fc u r r e n ta s p h a l tp a v e m e n to fh i g h w a yw h i c hs e r i o u s l ye f f e c t st h es o r v i c e l e v e la n ds e r v i c el i f eo ft h ep a v e m e n t s oi ti ss i g n i f c a n tt od os o n l ed e e pr e s e a r c ho no v e r a l le v a l u a t i o no f h i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t o r e b a s e do r s 盯( s i m p l ep e r f o r m a n c et e s t s ) ，w i t ht e s t i n g r e s e a r c ha n dt h e o r e t i c a l l ya n a l y s i s ，s t u d i e dt h et e s tm e t h o d 、p r i l l c i p l ca n de v a l u a t i n gi n d i c a t o ro fs p l f w s t l y , t h et e s tp r i c i p l ea n dm e t h o d so fs p ta r ei n t r o d u c e di n t h i sp a p e r , a n da n a l y z e dt h ee v a l u a t i n g i n d i c a t o ro fs it , s u c h 私d y n a m i cm o d u l u sie + i 、f l o wt i m ea n df l o wn u m b e r b a s e do l iv i s c o e l a s t i ct h e o r y ， t h em e a n i n ga n dr a t i o n a l i t yo fd y n a m i cm o d u l u sie + ia n dd y n a l l i cm o d u l u se v a l u a t i n gi n d e x - - le + i s i n oi sa n a l y z e d t h e n ，i nt h er e s e a r c ho nt h eh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tt n i x m r e a c 2 0a n d s m a 一1 3t h e s et w ok i n do fl i l i x m r ea 砧t e s t e da td i f f e r e n tt e s t i n gc o n d i t i o n s a n da n a l y z e dt h ec h a n g i n gt r e n d o ff ia n dmw i t ha s p h a l tc o n t e n t 、a i rv o i d 、t e m p e r a l u r e 、f r e q u e n c ya n dc o n f i n i n gp r e s s u r e f r o mt h e r e s e a r c h 。i tc a nb ef o u n dt h a tt h e r ei sag o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eifia n db u l ks t r e s s ，a n dt h e s l o p eo ft h el i n e sa tv a r y i n gc o n f i n i n gp r e s s u r er e m a i na l m o s tc o n s t a n t a tl a s t , t h es t r u c t u r ed e s i g nm e t h o do f o u rc h i n aa n da a s h t o2 0 0 2d e s i g ng u i d ei sc o m p a r e di nt h ep a p e r a n da l s ot h ed y n a m i cm o d u l u sm a s t e r c u r v e so ft w om i x t u r e sf o rp a v e m e n ts t r u c t u r a ld e s i g ni sd e v e l o p e du s i n gt i m e - t e m p e r a t u r es u p e r p o s i t i o na n d n o n l i n e a rl e a s ts q u a r er e g r e s s i o nt e c h n i q u e s b a s e do nm e a s u r e d e + i 。t h er u t t i n gd e p t ho fa s p h a l tc o u c r e t e i nt y p i c a ls t r u c t u r ei sc a l c u l a t e db ya a s h t o2 0 0 2d e s i g ns o f t w a r e 幻c o m p a r et h ec o n v e n t i o n a ld y n a m i c s t a b i l i t yo ft w om i x t u r e s k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ，h i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，s 盯( s i m p l ep e r f o r m a n c et e s t s ) ，d ”a m i c m o d u l u s ，a a s h t o2 0 0 2d e s i g ng u i d e 目录 图目录 图2 - l 美国试验路分布图5 图2 - 2 动态模量试验加载示意图6 图2 - 3 动态模量试验数据示例。7 图2 4ie i 和irl s i n 中与m n r o a d 试验路的实测车辙深度间的关系。7 图2 - 5ifi 和lfi s i n 中与a l f 试验路的实测车辙深度间的关系7 图2 - 6ie 1 和ie i s i n 中与w e s t r a c k 试验路的实测车辙深度间的关系8 图2 - 7f l o w 面i 琳试验加载示意图8 图2 8f l o w t i m e 试验数据示意图8 图2 - 9f l o w n u m b e r 试验加载及永久轴向应变示意图一9 图2 - 1 0f l o wn u m b e r 试验数据示意图9 图2 1 1f h w a 流动沥青路面混合料实验室。1 0 图2 1 2 流动实验室上的s p t 在进行试验中1 0 图2 1 3s p t 简单性能试验仪1 0 图2 1 4 传感器夹具组件和传感器安装工具。l o 图2 1 5s p t 动态模量试验软件界面。l l 图3 - 1 动态( 综合) 模量试验2 0 图3 - 2 材料应力一应变示意图2 l 图3 - 34 0 时的动态模量试验结果 图3 4ie 章i s i n 巾与试验路段的车辙深度间的关系2 3 图3 - 5 时间一温度等效原理和等效后的动态模量主曲线一2 4 图4 - 1 动态模量试验的正弦荷载形式或应力脉冲2 6 图4 - 2 加围压的三轴动态模量试验加载示意图2 7 图4 3a c 2 0 型设计级配曲线图2 8 图4 4a c 2 0 沥青含量与混合料物理指标的关系图3 0 图4 5s a m 1 3 型设计级配曲线图3 1 图4 - 6s m a 一1 3 油石比与混合料物理一力学指标的关系图3 2 图4 7 旋转压实仪示意图3 2 图4 8 试件钻芯示意图3 3 图4 - 9 切割试件示意图3 3 图4 - 1 0 传感器夹具及金属块安装过程3 4 图4 - 1 1 传感器安装过程3 4 图4 - 1 25 c 的a c 2 0 动态模量试验结果3 4 图4 - 1 32 0 c 的a c 2 0 动态模量试验结果3 4 图4 - 1 44 0 c 的a c 一2 0 动态模量试验结果3 5 v 1 目录 图4 - 1 55 5 的a c 2 0 动态模量试验结果。3 5 图4 - 1 6 沥青用量为3 5 时的动态模量试验结果“一3 5 图4 - 1 7 沥青用量为4 o 时的动态模量试验结果3 5 图4 - 1 8 沥青用量为4 5 时的动态模量试验结果3 5 图4 - 1 9a c 一2 0 动态模量试验结果( 围压分别为0 、1 0 0 k p a 和2 0 0 k p a ) 3 6 图4 2 0s m a ，1 3 动态模量试验结果( 围压分别为0 、1 0 0k p a 和2 0 0 k p a ) 3 7 图4 - 2 1a c - 2 0 相位角试验结果( 围压分别为0 、1 0 0k p a 和2 0 0 k p a ) 3 7 图4 - 2 2s m a 1 3 相位角试验结果( 围压分别为0 、1 0 0k p a 和2 0 0 k p a ) 3 8 图4 - 2 3 不同围压水平的动态模量试验结果( 选择2 5 h z ，a 为a c - 2 0 ，b 为s m a - 1 3 ) 3 9 图4 2 45 c 时动态摸量比值随围压水平的变化趋势( a ：a c 2 0 ，b ：s m a - 1 3 ) 3 9 图4 - 2 52 0 c 时动态模量比值随围压水平的变化趋势( a ：a c - 2 0 ，b ：s m a 1 3 ) 3 9 图4 2 64 0 时动态模量比值随围压水平的变化趋势( a ：a c 2 0 ，b ：s m a - 1 3 ) 4 0 图4 - 2 75 5 时动态模量比值随围压水平的变化趋势( a ：a c 2 0 ，b ：s m a - 1 3 ) 加 图4 - 2 8 测试的动态模量ie i 与施加的体积应力的线性关系( 频率为2 5 h z 和5 h z ) a 1 图4 - 2 9 点一斜率法计算示意图a i 图4 3 0 点一斜率法预估结果：( a ) 不同围压水平下的实测主曲线与预估主曲线 ( 左：1 0 0 k p a ，右：2 0 0 k p a ) ( b ) 实测的动态模量值与预估的动态模量值4 2 图4 - 3 1 斜率一比例法计算示意图( 左：中间点预估边缘点，右：边缘点预估中间点) 4 2 图4 3 2 斜率一比例法中间点预估结果：( a ) 不同围压水平下的实测主曲线与预估主曲线 ( 左：1 0 0 k p a ，右：2 0 0 k p a ) ( b ) 实测的动态模量值与预估的动态模量值4 3 图4 - 3 3 斜率一比例法边缘点预估结果：( a ) 不同围压水平下的实测主曲线与预估主曲线 ( 左：1 0 0 k p a ，右：2 0 0 k p a ) ( b ) 实测的动态模量值与预估的动态模量值4 3 图5 1a c 2 0 动态模量主曲线( 参考温度为：2 f f c 从上到下依次为0 、1 0 0 、2 0 0 k p a 的围压) 。5 0 图5 - 2s m a 1 3 动态模量主曲线( 参考温度为：2 0 。c ，从上到下依次为0 、1 0 0 、2 0 0 k p a 的围压) 5 l 图5 3a c ，2 0 和s m a 1 3 沥青混合料时间一温度平移因子5 2 图5 4 时间一温度等效原理后平移的相位角主曲线( 左：a c 一2 0 ，右：s m a 一1 3 ) 5 3 图5 5 典型路面结构示意图5 3 图5 - 6s p t 动态模量试验结果5 4 图5 7a a s t o2 0 0 2 设计软件计算的预估车辙深度5 4 v 目录 表2 i 表2 2 表2 3 表2 a 表3 1 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 8 表4 9 表4 1 0 表5 1 表5 2 表目录 不同沥青的s m a 混合料试验结果1 2 沥青混合料的蠕变劲度极限值1 3 沥青混合料车辙试验动稳定度技术要求1 3 动稳定度与相对变形率的比较1 4 试验段实测的车辙深度2 2 石灰岩的基本性质2 7 矿粉的基本性质2 7 沥青结合料主要技术指标2 7 a c - - 2 0 设计级配各筛孔通过率( ) 2 8 估算试拌沥青用量的计算结果2 9 a c - 2 0 的压实度数据和相应的体积特性结果2 9 a c - 2 0 沥青混合料在4 的沥青含量时的特性3 0 s m a 1 3 设计级配各筛孔通过率( ) 3 0 s m a - 1 3 马歇尔试验结果3 l s m a 1 3 沥青混合料在最佳油石比时的混合料特性3 2 不同类型沥青混合料的s p t 试验结果5 3 两种沥青混合料的车辙试验结果 目录 d s e k 符号目录 车辙试验的评价指标动稳定度 动态模量试验的复合模量 动态模量试验的动态模量 复合模量的存储或弹性模量部分 复合模量中的损失或粘性模量， 静态模量 动态模量 动态模量指标 静态蠕变试验中的流变时间 重复加载试验中的流变次数 沥青结合料的高温性能指标 回弹模量 混合料的劲度模量 混合料的粘性劲度模量 动态模量的最小值： 动态模量的最大值； s 形函数外形的描述参数，则取决于沥青结合料的特性和j 与口的大小 变量，是等级的函数，艿和口取决于集料级配、沥青含量和空隙率 缩减频率，即参考温度下的频率 应力峰值( 最大值) 应变峰值( 最大值) 相位角 印 矿 三i m o ee易啡c以啪j m肪口哆岛矿 东南大学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。 研究生签名：l 丑盛圭霞日期：迦2 二旦! 二丝 东南大学学位论文使用授权声明 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。 研究生签名：亟垫童 导师签名：物日期：丝z 二型二生 第一章绪论 1 1 研究背景和研究意义 第一章绪论 改革开放以来的2 0 多年，随着国民经济的快速增长，我国的高等级公路建设事业得到了长足发展。 作为一种无接缝的连续式路面，沥青路面已越来越多的被我国公路建设所采用。沥青路面以其平整度高、 行车平稳舒适、抗滑性好、无扬尘、振动小、噪音低、施工期短以及养护维修简便等诸多出色的优点而 倍受世界众多国家的青睐。在英国高速公路中沥青路面高达9 8 1 ，欧洲沥青路面占据公路总量比例的 9 0 ，美国为9 6 ，我国也达到了9 0 以上。 沥青混合料为典型的粘弹性材科，其温度敏感性较大，在高温条件下，沥青混合料性能由弹性体向 塑性体转化，劲度模量大幅度降低，抗变形性能急剧下降，在夏季高温季节极易出现车辙、推拥等病害， 不仅严重影响道路使用寿命、行车舒适性，而且对交通安全造成威胁。随着公路交通量的增加、汽车轴 载的加大以及渠化交通的形成，沥青路面产生的车辙日趋严重，已经成为国内外道路界引入注目的问题。 据工业发达国家的资料显示，在高速公路及干线道路上，车辙是路面使用性能降低、导致损坏的最 主要原因。7 0 年代由美国a a s h t o 发起的、在各州所进行的路面损坏调查表明，在州际公路和主要公 路上，由于车辙所致的路面损坏约占3 0 。8 0 年代日本的调查表明由于车辙所引起的路面损害高达8 0 。 我国公路沥青路面的车辙问题也十分严重，在城市主干道的交叉1 ：3 路段及行车渠化严重的非交叉1 2 1 路 段，甚至高速公路上的某些路段都会出现不同程度的车辙，增加了这些路段交通事故的发生。据不完全 统计，在高等级公路维修原因中，车辙病害发生比率高达8 0 以上，可见车辙是我国现代高等级沥青 路面最常见的病害。 路面破坏形成的车辙产生了诸多问题：车辙内及周围凹陷带会形成积水，从而降低路面的排水能 力，还会导致打滑甚至引发交通事故；会造成“泛油”的现象，即沥青泛出表面导致路面非常光滑， 光滑的表面使得路面与车轮间的摩擦减小，影响了车辆的操纵稳定性，为交通安全埋下了隐患：车辙 的形成减小了路面厚度，从而增加了由于疲劳开裂导致路面损坏的可能性。由此可见，沥青路面的车 辙变形问题严重影响了路面的服务水平和使用寿命。 由于交通量的剧增、轮胎气压和轴载的增加、更严格的环境要求，许多满足现行规范的沥青路面仍 发生了车辙、剥落等早期破坏，也就是说现行规范不能很好地控制沥青路面的某些早期损坏这就要求 我们从传统的经验规范转变成性能规范。对于工程技术人员，则更关心如何在设计中考虑这些因素及通 过何种措施来减少车辙病害，合理进行混合料和路面结构设计来提高路面高温性能、增加使用寿命。因 此，系统地研究抗车辙沥青混合料及合理的路面结构设计对延长沥青路面使用寿命有着重要意义，而在 试验室如何客观地评价沥青混合料的高温性能是目前的重要课题之一。 尽管国内外就沥青混合料高温性能的评价试验方法作了很多研究，但目前各国所采用的评价试验方 法各不相同，而且很多方法为经验方法，只是经验地认为评价指标符合一定标准的沥青混合料就具有较 好的高温性能，实际上这些评价指标与实际沥青混合料高温性能之间的相关性缺乏验证，并不能说明沥 青混合料高温性能的好坏，很多符合标准而设计的混合料在实际路面的性能却很差。因此有必要研究更 为准确的、基于性能的沥青混合料高温性能评价试验方法，来预估沥青混合料的高温性能，并希望将评 价指标引入设计方法，把混合料设计和路面结构设计联系起来，通过在设计中控制指标来改善沥青混合 料的高温性能。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 从1 9 世纪首次使用沥青混合科以来，公路工程师们一直在努力探索既简易精确又成本低廉的性能 1 东南大学硕士学位论文 试验来评价沥青混合料。国际上自1 9 6 8 年第一届沥青材料会议后对混合料性能试验进行了不懈地研究， 力求反映道路使用性能并预测长期性能。最初的试验之一是二十世纪二十年代发展的哈伯德现场方法， 它通过使用冲剪剪切荷载直到破坏来测量沥青的强度。二十世纪三四十年代，道路界出现了新的试验方 法，代表性的方法有两种：马歇尔稳定度试验方法和维姆稳定仪试验方法，前者用来确定最大承载能力， 在6 0 c 对沥青混合料试验样本进行试验，其试件制备和试验设备比较简单；后者对压缩样本应用竖直 荷载来测量产生的侧向压力及混合料的内摩擦，其试验设备较为昂贵。到了二十世纪七八十年代期间， 又提出了一种新的试验方法，使用轮载试验仪对压实的板状混合科试件施加荷载，即车辙试验唧。所有 这些试验方法均存在某些缺点，它们仅提供了混合料的分级标准，但与实际混合料使用性能之间的相关 性并不明确。 从1 9 8 7 年到1 9 9 3 年，美国公路战略研究计划( s h r p ) 在经过多年的努力，推出了其研究成果 - - - - s u p e r p a v e ，为沥青及沥青混合料的研究开创了一个新纪元。s u p e r p a v e 沥青混合科设计法是一种全新 的沥青混合科设计法包含沥青结合料规范、沥青混合料体积设计方法、计算机软件及相关的使用设备、 试验方法和标准。它使延续了半个世纪的传统针入度沥青标准、马歇尔混合料设计方法，受到了沥青结 合料p g 等级规范及沥青混合料性能设计的挑战和冲击，国际上也对沥青混合料设计方法和性能研究给 予了前所未有的重视。 s u p e r p a v e 混合料体积设计法是根据沥青混合料的空隙率、矿料间隙率、沥青填隙率等体积特性进 行沥青混合料设计的，主要步骤包括设计材料选择、沥青混合料拌和、沥青混合料体积分析以及混合料 验证m 。该方法大多采用旋转压实仪压实后分析体积特性，以此作为基准来进行设计，而对于沥青混合 料抵抗各种病害的能力，并没有一套简单的类马歇尔试验方法进行力学性能的评价。此外，许多设计工 程师根据各自项目的研究结果也提出质疑：在多变的交通、气候条件范围内。按照s u p e r p a v e 沥青混合 料设计法所设计的混合料，其抵抗路面病害的性能是否可靠。因此急需建立一种确定和评估沥青混合料 使用性能的简易方法，用以补充和完善现存的以体积为基准的s u p e r p a v e 设计方法9 j 。 为此，美国联邦公路局授权马里兰州大学的s u p e r p a v e 模型研究队伍，来进行确定和验证沥青混合 料在永久变形、疲劳及低温开裂方面的简易性能测试，开展了n c h r p 9 - 1 9 计划。n c h r p 9 - 2 9 计划是 为了开发出能进行n c h r p 9 - 1 9 计划所推荐的三个候选试验相应的设备而启动的。n c h r p 9 - 1 9 项目在 进行了大量的试验对比研究，对现存的试验方法和试验指标进行了评价，并对比m n r o a d 、w e s t r a c k 和 a l f 试验路的实测损坏数据，确定了与永久变形、疲劳及低温开裂相关性较高的三个候选试验与试验 指标组合：动态模量试验( d y n a m i c m o d u l u s ) 、静态蠕变试验( f l o w t i m e ) 和重复荷载试验( f l o wn u m b e r ) ， 开发了s p t ( s i m p l ep e r f o r m a n c et e s t s ) 试验，即沥青混合料简单性能试验。s it 测定的试验参数与混 合料基本性能具有很高相关性，试图准确地评估和预测s u p e r p a v e 体积设计法设计的沥青混合料的路用 性能。此外，动态模量还被引入a a s h t o2 0 0 2 设计指南，作为沥青混凝土层的输入材料参数来进行路 面结构设计和路面性能评估1 1 2 2 国内研究概况 近几十年来，随着公路等级的不断提高，对沥青混合料路面提出了更高的要求，促使沥青混合料路 面的研究工作进一步开展。我国通过三个五年计划的科技攻关取得了可喜的成果，对提高我国高等级公 路路面的建设质量起到了重要的作用。对于沥青混合料高温性能方面的研究成果如下：“六五”国家科 技攻关期间，用粘弹性理论计算( 预估) 车辙深度，用单轴蠕变试验确定有关参数，提出了我国各个地 区的有效温度；。七五”国家科技攻关期间，进行了车辙试验、蠕变试验、环道试验及加速加载试验的 研究：“八五”国家科技攻关期间，主要借助美国公路战略研究计划( s h r p ) ，针对当时国产的七种代 表性沥青及其沥青混合科进行了较为全面系统的研究，提出了符合我国的沥青混合科的技术指标及相应 的试验方法，并提出了初步的技术标准的建议值。 我国自8 0 年代以来随着高等级公路的发展逐渐重视了沥青路面车辙所致损害并已将沥青混合料车 辙试验正式列入了公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j0 5 2 9 3 ) ，沥青混合料车辙试验中的指 标动稳定度( d s 值) 也已正式写入高等级公路路面设计规范中j 。现行的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 ) 进一步规范了沥青混合料车辙试验”w 。 第一章绪论 公路沥青路面施工技术规范( j t j0 3 2 9 4 ) 也规定对高速公路和一级公路沥青路面的上面层和中 面层的沥青混凝土混合料，在用马歇尔方法进行配合比设计时，应通过车辙试验对沥青混合料的抗车辙 能力进行检验，并提出了动稳定度的技术要求，如对高速公路的上，中面层车辙试验动稳定度应不小于 8 0 0 次，m ，对一级公路不小于6 0 0 次, m m ，作为沥青混合料配合比设计的检验性指标“。 目前新发布的公路沥青路面施工技术规范( 丌_ gf 4 0 - 2 0 0 4 ) 规定沥青混合料必须在规定的试验 条件下进行车辙试验，它对动稳定度的技术要求更加具体详细，增加了多种类型的沥青混合料的动稳定 度要求，还考虑了不同的气候分区而规定不同的动稳定度要求【l “。但是做过较多车辙试验的技术人员 都发现：两种沥青混合料的动稳定度相同时，它们的车辙却有很明显的差别，此外实际中还有两种不同 的沥青混合料车辙相同，而动稳定度却有明显差别的情况 1 3 1 。我们引进s p t 试验来探讨研究更为科学 合理的混合料高温性能评价试验方法及评价指标。 此外，随着s u p e q ) a v e 试验方法和规范的标准化，我国越来越多的地区在路面设计中都采用了这种 创新的沥青混合料设计方法和分析系统。但是就设计的混合料性能评价及检测方面，仍采用目前常用的 经验方法，如我国规范规定的马歇尔试验、车辙试验等。研究表明，这些方法的试验指标与实际路面使 用性能间的关系并不明确。对沥青混合料的性能进行较为准确的评价，可以预估病害的发生几率及其破 坏程度，从而采取相应的措施来改善沥青混合料的性能。就目前我国的实际工程情况，很需要在工程中 引进像s l a t 这种简单的、力学性能相关的试验方法来准确地评价沥青混合料的性能，从而指导设计以 改善路用性能，增加路面使用寿命。 1 2 3s p t 试验简介 s it 试验是沥青混合料试验检测领域的一项关键性研究成果，该项研究成果将沥青混合料粘弹性特 性和沥青混凝土路面使用性能紧密联系起来，使得沥青混凝土路用性能能够使用力学方法进行分析和表 述，引用力学指标及路面性能模型来预估路面病害。s p t 试验类似于马歇尔稳定度和流值试验或维姆稳 定仪的方法，是一种简单的、基于性能的试验方法，测定与基本性能具有较高相关性的试验参数，评价 沥青混合料来确定它对于路面车辙变形和疲劳开裂的响应，并可以面向承包商在施工现场使用，用于检 测现场沥青混凝土的性能。这些试验参数本身可以用于评价沥青混合料的性能特性，此外还可以作为路 面结构设计的输入参数来预估路面的使用性能，如s p t 对沥青混合料动态模量的测试与从s h l d2 0 0 2 设计指南兼容，这样沥青混合料的动态模量作为路面结构设计的输入，使得沥青混合料设计与路面结构 设计联系起来。 1 2 4 亟待解决的问题 为了正确进行沥青混合料的设计和性能评价，道路工作者开发出一系列评价试验方法，但仍存在很 多问题，主要包括以下几点：( 1 ) 没有对评价沥青混合料高温性能的各种室内试验的适用性进行系统研 究和分析；( 2 ) 缺乏统一的、较为准确的沥青混合料高温性能的评价试验方法和试验指标：( 3 ) 多数国 家都是根据经验方法来进行沥青混合料的设计，缺乏这些评价试验指标的指导，不能将其与设计方法相 结合，因此不能很好地控制路面病害的产生：( 4 ) 各国对沥青混合料高温性能的评价也没有满意的结果。 s p t 作为一种新型试验方法，不但具有较高的准确性、可靠性，而且更重要的是s p t 的测定参数 与沥青混合科的性能有很好的相关性，因此能很好地预测混合料的基本性能并以此进行路面结构设计。 但s p t 毕竟是根据美国的三条试验路m n r o a d 、w e s t r a c k 和a l f 的实测损坏而研究开发的，具有一定 的条件性。我国情况与国外有很大差异，不能完全照搬国外的经验、标准和规范，应该根据我国各地的 气候状况、交通条件、施工水平和材料特性等各方面作适当的修改。因此引进s p t 试验，必须对其进 行分析研究积累一定的经验，还要通过试验研究来探讨s p t 对沥青混合料性能的评价及其指标的应用。 因为动态模量不仅可用于评价沥青混合料的材料性质，而且还可以作为路面结构设计和评价分析的参 数，所以对动态模量的分析及其应用研究尤为重要。通过比较我国现行沥青路面设计方法和美国 a a s h t o2 0 0 2 设计指南，探讨研究如何在我国设计方法中引入动态参数和基于使用性能的试验方法， 完善我国的沥青路面结构设计和混合料设计。 东南大学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容和技术路线 s u p e r p a v c 混合科体积设计法在我国已经得到较为广泛的应用，因此引进s p t 这种先进的试验方法 是我国进一步研究应用s u p e q ) a v c 沥青混合料设计方法、沥青混合料性能评价试验和路面结构设计的必 由之路。本论文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 ，s p r r 试验方法和试验指标的分析 概述s p t 的试验原理和试验方法，分析研究s p t 的主要特点及其评价指标( 动态模量ie i 、流 变时间f l 和流变次数f n ) 的物理意义、力学意义，并与传统的沥青混合料高温性能的评价试验方法及 评价指标进行比较。 2 、动态模量ie 。i 的力学意义分析 通过对不同类型模量的比较来论述动态模量的概念，基于粘弹性理论来分析动态模量le i 和相位 角中的力学意义，采用实例分析动态模量指标ie 。i s i n 对沥青混合科高温性能的评价意义，并分析 动态模量在性能评估、材料设计和路面结构设计中的应用。 3 、s p t 的试验研究 本文利用s p t 对a c 2 0 、s m a 1 3 等不同类型混合料进行动态模量试验，其中a c - 2 0 变换了三种 沥青用量、三种空隙率，研究分析不同沥青用量，不同空隙率下的动态模量的变化规律。对于a c - 2 0 、 s m a - 1 3 两种沥青混合料选择不同试验条件进行动态模量试验，在实测数据的基础上分析研究温度、加 载频率、围压等不同试验条件对动态模量和相位角的影响。 4 、我国现行沥青路面设计方法与美国a a s h t o2 0 0 2 设计指南的比较 基于试验的实测动态模量值lfi ，采用时温等效原理和最小二乘法优化拟合建立动态模量的主曲 线，全面反映沥青混合料的特性及其随温度和频率而变化的响应。比较我国现行沥青路面设计方法与美 国a a s h t o2 0 0 2 设计指南的区别，并基于实测的动态模量值le i 、采用a a s h t o2 0 0 2 设计软件计 算典型路面结构中沥青混凝土面层的车辙深度，将之与我国的传统动稳定度评价指标进行比较。 4 第二章s p t 试验方法和试验指标的分析 第二章s p t 试验方法和试验指标的分析 基于s p t 简单性能试验仪进行试验研究，首先要对s p t 的试验方法和试验指标进行分析研究，掌 握其试验方法和试验指标的特点。本章论述了s p t 的试验方法、主要特点及其试验指标，并与传统的 沥青混合料高温性能评价试验方法进行对比分析；分析了各种常用高温性能评价指标的优缺点，并论述 了s p t 试验指标的特点及意义。 2 1s p t 试验方法的分析 2 1 1s p t 发展背景 美国公路战略研究计划( s h r p ) 的沥青研究项目发展s u p e r p a v e 混合料体积设计程序十几年来，已得 到世界各国不同程度的采用。它包括性能分类( p g ) 沥青规范和体积法混合科设计方法，但由于使用 性能模型和试验方法本身存在的局限性，美国各州并没有全部采用该方法，而是采用其中较成熟的沥青 p g 等级规范和沥青混合料的体积设计法。目前s u p e r p a v e 混合料设计方法最大的问题是缺乏一个对不 同混合料性能进行评价的某种性能试验。s h r p 项目中原本包括基本材料特性试验，然而这部分研究尚 未达到实用的程度，因此目前设计就只能依靠体积特性，并没有进行力学性能试验来评价混合料抵抗各 种损坏的能力。特别是基于w e s t r a c k 试验的结果、n c h r p 9 - 7 项目及其它研究项目试验路出现的早期 损坏，采用体积法设计沥青混合料的有效性受到广泛质疑。为此，美国联邦公路局开展了基于 s u p e r p a v e 混合料基本性能的试验方法的研究项目n c h r p9 - 1 9 ，旨在选择或设计一种能评价沥青混合 料使用性能的简单试验，用以补充和完善现存的以体积为基准的s u p e r p a v e 设计方法，并研究介于好性 能和差性能混合料之间的更细化的标准。 图2 1 美国试验路分布图 性能评价试验的关键在于测量混合料的基本特性，与性能预估模型相联系。因此s p t 将会是简单 实用、经济有效的性能评价试验，它不仅是混合料设计工具，也是质量控制( q c ) 、质量保证( q a ) 和评价的工具。课题组进行了大量的综合试验项目，统计评估3 3 个可能的试验方法一试验指标组合， 建立测试的性能特性与m n r o a d ，w e s t t r a c k 和f h w a 的a l f 试验( 如图2 - 1 所示) 中的沥青混合料实 测性能之间的关联。选择性能评价试验的评估标准为：( 1 ) 精确性( 如测试的混合料反应特性与实际现 场性能具有良好相关性) ；( 2 ) 可靠性( 如测试数据可靠，变异性小) ；( 3 ) 使用便利( 试验原理简单， 操作方便) ；( 4 ) 合理的设备费用( 能够推广使用，并面向承包商在施工现场使用) 。根据这些评估标准t 对现存的沥青混合料性能评价试验方法进行评估选择s p t 的候选试验。基于这一试验项目结果， n c h r p 9 - 1 9 项目确定了沥青混合料动态模量( ie i ) 试验、重复加载永久变形( 流变次数) 试验、 静态蠕变( 流变时间) 试验作为简单性能试验”j 。 _ 5 垩亘奎兰堡主兰垡笙奎 2 1 2s p t 主要特点 n c h r p 4 6 5 报告将s p t 简单性能试验定义为：对于不同的交通和气候条件，一种可以准确地、可 靠地测定沥青混合料所引起相关路面损坏( 例如开裂或车辙) 的响应特性或参数的试验方法，而这些响 应特性及参数与沥青混合料的损坏有很高的相关性。简单的来说，该试验方法不用预测沥青混合料全部 的损害及性能历程，仅要求确定在一定条件下的抵抗开裂和永久变形的能力，能够评定和预估沥青混合 料的抗病害能力。s p t 的主要特点如下： ( 1 ) s p t 简单性能试验在实验室对试件进行测试，就既能够用于混合料设计，又能较为准确地评 价沥青混合料性能及用于路面结构设计预测将来路面的路用性能，被认为是目前国际上较为先进、有效 的沥青混合料检测试验。 ( 2 ) s p t 简单性能试验实际上是用于准确评估和预测沥青路面性能的一种操作简单、方便实用的 试验方法，是基于现存试验所调整的一体化独立试验系统，试验操作简单快捷，针对一般专业性不强的 技术人员，可以面向于承包商的一种具有领先水平的混凝土检测试验。 ( 3 ) s p t 类似于马歇尔稳定度和流值试验及维姆稳定仪的方法，试验简单并可以测定与现场路用 性能具有很高相关性的试验参数，其中重复加载永久变形试验可能是路面实际荷载作用的最好模拟，可 以较好地模拟车辙。 ( 4 ) s p t 能够用于补充s u p e r p a v e 体积法设计程序，检验沥青混合料的性能，并用于路面质量控 制、质量保证和质量评价。它将沥青混合料设计方法、路面结构设计和性能评估相联系构成一套完整的 设计系统，设计人员就能较为准确地评价和预测混合料性能，承包商也可以灵活地采用最适合当地的材 料以满足这些技术指标，既简化了混合料的设计，降低了成本，又使施工阶段的质量控制可以做得更好。 ( 5 ) s p t 有利于路面结构设计和用于路面的沥青混合料设计，其中动态模量( ie 4i ) 已被列入 美国a a s h t o2 0 0 2 设计指南用于评估路面性能。 2 1 3s p t 试验方法 1 、动态模量( ifi ) 试验 餐 焯 叭八八n 。7 八