（道路与铁道工程专业论文）密级配沥青稳定碎石基层材料与性能研究.pdf

摘要 密级配沥青稳定碎石基层属柔性结构层，与半刚性基层相比，不易产生温缩 和干缩开裂，可以有效抑制和减少沥青路面反射裂缝的产生。沥青稳定碎石基层 在我国的研究和应用还处于起步阶段，但是有广阔的应用前景。 级配设计和最佳沥青用量确定是沥青稳定碎石混合料组成设计中两项最主 要内容。本文采用n 法、i 法、贝雷法和s u p e r p a v e 方法设计了密级配沥青稳定 碎石( a t b 一2 5 ) 的级配，然后分别用马歇尔方法、力学指标法和sl l p e r p a v e 方法对 所设计的级配进行最佳沥青用量确定，并列这几种方法进行了比较评价。通过室 内试验，对所设计的沥青稳定碎石基层混合荆的力学性能、高温稳定性、低温抗 裂性和疲劳性能等路用性能进行了对比研究。采用所研究的成果铺筑试验路，对 沥青稳定碎石基层的施工工艺进行了研究。 关键词： 沥青稳定碎石基层级配设计最佳沥青用量 路用性能施工工艺 a b s t r a c t d e n s e g i a d e da s p l l a l ct r e a t e db a s e ( a t b ) b e l o n g st ot h ec a t e g o r yo ff l e x i b l eb a s e i tc a l lc o n t r o la n dr e d u c er e f l e c t i n gc r a c ke 打b c t i v e l yo fs u r f a c ep a v ec o m p a r ew “h s e m i - r i g i db a s e t h es t u d ya n du s eo na t b h a sj u s ts t a r t e di no u rc o u n t r y ，b u ti tw j l j b ew i d e l yl l s ei n1 1 l ef l l i u r e g r a d a l i o nd e s j g na n dd c t e m 】i i l a t i 0 1 1o fo p t i m a la s p h a l tc o l l t e n ta r e 山em o s t i 1 1 1 p o r t a n tt a s k sj na s p h a i tt r e a t e db a s ec o n l p o n e n id e s j g n t 1 1 ep a p e ru s e dt h e n - m e i h o d ，t h ei m e t l l o d ，t h eb a i l e y - m e t l l o da n dt h es u p e r p a v es y s t e n ld e s 培n e d a s p h a l tt r e a t e db a s em i x t u r es e p a r a t e l ) r ，d e t e n n i l l et h eo p t i m a la s p l l a l tc o n t e n tw “ht h e m a r s l l a l it e s t1 1 1 c t l l o d ，m e c h a n i c si 1 1 d e xm e t h o da n ds u p e r p a v es y s t e ms e p a r a t e l y ， c o n l p a r ea n da p p r a i s et h e s el n e t h o d t h r o u g hp a r a l j e lt e s t s ，t h ep a p e rs t u d ya n d c o m p a r e dt h ep e r f - o m l a n c e so f a i bm i x t u r e ，w h i c hi n c l u d em e c h a n i c a lp r o p e n i e s ， h i 曲- t e m p c r a t u r es t a b i l i t y ，i o w t e m p e m t u r ea n “一c r a c k i n gp e r f o n n a n c ea n df a t i g u e r e s i s t a n c e at e s im a dh a su s e dt h em e t h o dw h i c ht h ep a p e rd e s i g n e d t h ep a p e rs t u d y t h ec o n s t r u c t i o nc h a r a c t e r s ，r e c o m m e n d e dt h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d s6 tf o ra s p h a l t t r e a l c db a s e k e yw o r d ：a s p h a nt r e a t e db a s c g r a d a t i o nd e s i g n o p l i m a la s p h a l tc o n t e n t p a v e m e n tp e r f o m a n c ec o n s t r u c t i o nt e c h n 0 1 0 9 y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文足在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己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 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 枷年6 窍6 日 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 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 趣彳纹 裁孕争簪 口辞6 黾6b 以年二月占日 第一章绪论 1 1问题的提出 自1 9 8 8 年中国第一条高速公路沪嘉高速公路建成通车以来，高速公路在中 国已经走过了1 8 年的历程，在今天，4 万多公里的高速公路正在为中国经济和 社会的发展提供着便捷的、高效率的运输服务。最近由国务院审议通过的国家 高速公路网规划确定国家高速公路网采用放射线与纵横网格相结合的布局形 态，构成由中，山城市向外放射以及横连东西、纵贯南北的公路交通大通道，包括 7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线，简称为“7 9 1 8 网”，总规 模大约为8 万5 千公里。规划的出台将对中国经济社会的发展以及公众的生活方 式和质量产生重大而深远的影响，必将成为中国高速公路长远发展和交通运输现 代化的战略蓝图，标志着中国高速公路发展进入了新的历史阶段。 我国已建成的高速公路中，约9 0 以上采用半刚性基层、沥青混凝土为面层 的结构形式。半刚性基层具有较高的强度与承载力、良好的整体稳定性和耐久性， 为实现“强基薄面”的结构提供了可靠保证。但是在这种路面的使用过程当中， 出现了很多路面破坏现象：冲刷、唧浆、局部网裂和坑洞，路面裂缝，辙槽、推 挤和拥包等。在半刚性路面所产生的破坏中，尤为严重的是由半刚性材料本身的 于缩和温缩等特性导致沥青路面出现的反射裂缝。另外，半刚性材料水稳定性差、 结构排水性能差，遇水后易产生浮浆，使基层结构产生水损性破坏，导致承载能 力下降。 我国幅员辽阔，全国各地气候条件和地质情况差异很大，但是高速公路路面 结构形式长期以来却很单一，几乎所有的路面基层均采用半刚性材料。造成这种 状况的原因有以下几个方面： ( 1 ) 半刚性材料料源广泛，容易做到就地取材； ( 2 ) 半刚性基层造价较低，相对而言，以沥青稳定碎石为主要形式的柔性基 层的造价要高很多： ( 3 ) 各地公路建设部门修筑半刚性基层的技术已日臻成熟，而柔性基层在我 国还处于研究、探索阶段。 而欧美国家路面结构中则很少采用半刚性基层，沥青稳定碎石基层已经是 技术上非常成熟且被广泛应用的基层结构形式。这种结构形式是在国外级配碎石 沥青路面的基础上发展起来的。由于沥青稳定材料具有良好的强度、稳定性、抗 永久变形和抗疲劳性能，在欧美国家应用广泛，也是我国今后应大力发展的基层 结构形式。 沥青稳定碎石基层属柔性结构层，它具有较高的抗剪强度、抗弯拉强度和耐 疲劳特性；与传统的用于面层的沥青混凝土相比，它应用于基层，粒径较大，级 配较粗，沥青用量较少，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；与半刚性基层相比，则不易 产生收缩开裂，同沥青面层一起构成全厚式沥青路面( 厚度在2 0 c m 以上) ，从而 使得整个沥青面层具有修筑时间短、路面结构均匀、受水与冰冻影响较小、维修 费用低、路面材料能够全部被重复利用和使用寿命被延长等优点。 采用沥青稳定碎石基层的沥青路面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损害： ( 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，不存在因 为干缩裂缝而导致面层出现反射裂缝； ( 4 ) 沥青稳定碎石基层可以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。 虽然沥青稳定碎石基层在国外已经得到广泛应用，但在我国的研究和使用 还处于初始阶段，各地已经展开了对沥青稳定碎石基层的研究和应用尝试，这种 基层结构形式在我国有着良好的发展和应用前景，因此，对沥青稳定碎石基层混 合料的强度形成机理、混合料的设计方法、路用性能、施工技术进行深入系统的 研究，具有重要的现实和经济意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 沥青稳定碎石在国外的研究发展概况 沥青稳定碎石基层在国外的应用可以追溯到上个世纪5 0 年代。美国各州公 路工作者协会( a a s h 0 ) 在二十世纪5 0 年代进行了著名的a a s h o 试验路研究，分别 比较了级配碎石基层、级配砾石基层、水泥处治基层和沥青稳定基层。研究结果 显示，虽然沥青稳定基层路面与半刚性基层路面相比车辙变形比较大，但其路面 的使用品质高于水泥稳定基层。以现时服务指数( i ) s i ) 来衡量，可以得出相同单 位的沥青稳定基层的服务质量是水泥处治挂层的1 3 倍，由此可以得出，采用沥 青稳定碎石基层的路面结构可以降低路面的总厚度。 7 0 年代中期，在俄亥俄州进行了三种全厚式沥青路面结构的室内和室外研 究。通过现场的非破损动态弯沉测试来计算结构层模量。数据表明现场模量和弯 沉参数可以准确反映路面的使用状况，并从现场取样，在室内进行了疲劳试验、 劈裂强度和动态模量试验。根据这些数据，得到了沥青混凝土面层材料和沥青稳 定基层材料的结构系数：面层沥青混凝土为o 4 5 、沥青稳定基层为o 4 0 。同时 得到如下几点结论： ( 1 ) 野外的动态弯沉测试得到的模量与室内的模量测试结果一致。 ( 2 ) 室内数据表明，动态模量、劈裂强度、疲劳寿命与材料类型、测试地点 和环境因素相关。 ( 3 ) 通过疲劳分析得到的结构系数，2 5 c m 的面层沥青混凝土相当于2 8 c m 的沥青稳定基层。 8 0 年代初美国在科罗拉多州进行了足尺路面研究，研究了四种路面结构： 两种全厚式热沥青砂混凝土基层、一种全厚式沥青混凝土基层以及美国的标准路 面结构即带有非处治的基层和底基层结构。该项目是验证a s h o 道路试验结果在 科罗拉多环境下的应用效果。研究目的在于确定四种类型的基层在相同的路面使 用性能下的相对厚度；并将观测到的路面性能数据与一定的路面性能预测的经验 或理论模型建立联系。 通过性能检测发现，不同的基层类型具有不同的抵抗路面各种破坏的能力： 沥青混凝土基层提供了最好的抵抗车辙和各种开裂的能力；两种沥青稳定砂基层 具有较好的抗网裂能力，但低稳定度的沥青砂抗车辙能力差；未处治的标准结构 基层抗车辙能力好，但抗疲劳开裂的能力差。 1 9 7 3 年，加拿大亚伯达省交通部修建了两段全厚式沥青路面结构，并装有 能记录在静、动交通荷载下的应力、应变、弯沉的大量试验设备。分析了路面由 于交通作用、环境和结构的不同所引起的应力、应变或弯沉，可为制定合理的路 面设计和评定方法提供依据。研究得出如下几个结论： ( 1 ) 由8 0 k n 标准轴载引起的层问应变和表面穹沉随着使用年数、沥青混凝土 温度的增加和车速的降低而增加，从而交通荷载的可能破坏作用在很大程度上取 决于使用年限、路面温度和车辆速度。 ( 2 ) 根据双轮单轴的应变和弯沉计算得到的荷载当量系数与a s h o 试验路根 据耐用性能推导出的等效系数是吻合的，为推导其它交通荷载条件的当量系数时 所采用的概念和方法提供了依据。 ( 3 ) 在荷载大小相同的情况下，单轮荷载作用一次所造成的可能破坏效应约 相当于双轮荷载作用7 1 0 次。 ( 4 ) 重型荷载的潜在破坏作用能够借助于采用多轴和多轮车型进行运输予以 确认。 沥青稳定碎石基层在欧洲的出现大约也在上个世纪5 0 年代。1 9 4 9 年，在英 国北约克郡a 1 高速公路】6 k m 处修建了每段长度约为6 0 8 0 m 的试验段，目的在 于比较压实沥青混凝土磨耗层与沥青矿渣磨耗层的性能差异以及沥青碎石基层 和级配碎石基层的性能差异，开始了对柔性基层的探索和研究。1 9 5 7 年英国在 剑桥郡修筑a l c o n b u r yi i 1 1 试验路，比较了级配碎石、开级配沥青碎石、贫混 凝土、碾压沥青混凝土和水泥胶结砂基层在不同厚度的使用性能。在通车1 0 年 后，大约是1 0 0 k n 标准轴载作用6 0 0 万次，根据路面变形和裂缝来判断路面使用 性能。 通过对约克郡高速公路的长期弯沉观测，收集到在使用2 4 1 2 天以后面层和 基层组合类型的路面弯沉情况可以看出，采用沥青混凝土面层和沥青碎石基层的 路面结构组合具有最好的路面使用性能。研究结论认为：碾压沥青混凝土基层有 最好的路用性能，开级配沥青碎石要差一些，且基层和面层的总厚度小于3 3 c m 时，路面性能降低较快；对于贫混凝土基层，当基层与面层的总厚度小于3 5 c m 时，路面性能降低较快：级配碎石和胶结砂的路用性能很差。因此，沥青稳定碎 石基层随后成为英国使用最广泛的基层类型。 德国在二战期间修建了大量的高速公路，6 0 年代迎来了第二个道路建设高 峰，其典型结构是采用沥青混凝土与级配碎石的组合。由于要满足抗冻厚度，需 要大量优质的级配碎石，提高了路面造价，并且材料的运输也为道路交通带来了 较大负担。因此，德国公路部门开始考虑采用较薄的结构层来取代厚级配碎石层。 1 9 6 9 年，研究人员将美国全厚式沥青路面结构引入德国的道路建设，进行了大 量的比较研究，用1 4 c m 的沥青基层代替了6 0 c m 厚的粒料基层，从而节省了石料 的用量，从总的经济效益上看采用全厚式结构是更有利的。 在欧美各国以及日本等多数发达国家的高速公路沥青路面结构中绝大部分 采用了沥青稳定基层，沥青稳定碎石基层是最为常用的结构类型，表卜1 l 中列出 部分国家所采用的路而结构形式。 部分国家路面结构形式 表卜1 o g f c ( 25 ) + 肌a ( 7 5 ) + m l a ( 1 5 ) + 叫a ( 75 ) s u p e r p a v e ( 5 ) + 删a ( 1 1 5 或9 ) + i m ( 1 2 5 或1 5 ) + 级配碎石3 8 s u p e r p a v e ( 5 ) + l 埘a ( 1 4 或1 1 ) + i 珈a ( 1 5 5 或1 8 ) + 级配碎石2 5 美国s ( 6 5 ) + 眦( 1 4 或1 25 ) + l 州 ( 1 6 5 或1 8 ) + 级配碎石3 3 s m a ( 65 ) + 眦a ( 1 5 ) + a ( 1 9 ) + 级配碎石4 3 沥青混凝土( 4 + 9 ) + 沥青贯入式( 175 ) + 水结碎石( 1 6 ) + 砂砾( 2 5 ) 沥青混凝土( 5 ) + 沥青稳定碎石( 1 9 ) + 砂砾( 15 ) + 加固底基层( 1 5 ) 沥青混合料+ 沥青稳定基层( 1 5 。由于所研究的沥青 稳定碎石将用于江西的高速公路中，当地雨量比较充足，因此本文研究的是密级 配沥青稳定碎石混合料a t b 一2 5 ，采用了空隙率3 6 的要求。 3 2 基于n 法及i 法级配设计 3 2 1n 法设计级配 本文设计的沥青稳定碎石规格为a t b 一2 5 ，因此选用不同的n 值计算对应的 最大密实曲线级配，如表3 一l 所示。 不同n 值对应的级配表3 1 3 1 52 6 51 91 61 3 29 54 7 523 6 l _ 1 80 6o 30 1 5o 0 7 5 o 4 5 1 0 09 257 9 77 376 7 6 5 8 34 273 1 22 2 81 681 2 39 06 6 o51 0