（道路与铁道工程专业论文）大粒径沥青混合料路用性能研究.pdf

摘要 随豢交通量灼快速增长和轴载的热藏，沥蠢鼹蘑普遍出现了抗车辙能力不 足和耐久性较差簿质量问题。大粒径沥青混合料具有良好的抵抗反射裂缝和抗车 辙躯力，霹有效薅决壤土瓣题。本文结合游瘫套交逶厅秘磅顼嚣“太粒经沥专混 合料基层应用技术研究”课题，在借鉴图内外l s m 研究成果的基础上，进行大 稳径灏毒混合精的路蠲憾箍磅究。 本文分析探讨了大粒径沥青混合料的组成缡构和强度的主要影响因素。采 用大马歇尔沥青混台料设计法和旋转压窭体积设计法分潮对大税径沥青混合糕 j 茳行设计，分辑了两者的优缺点。碜 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 m 抗车辙能力远大于普通沥青混合料抗车辙能力，l s m 集料级 糕对车辙起决定性传霸，影残骨架嵌挤缝捣是璐m 具鸯良好的淹湿稳定性的关 键。同时，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 合褥瓣承稳定瞧，缀采表黉太粒径溺毒滋合辩其有较磐懿抗拳损害戆力。慰大毅 径沥青混合料进行了回弹模量试验、抗臌试验、腾裂试骏，并将大粒径沥青混合 释的力学性髓与酱通沥鬻混合料、半剐髋枋辩静力学懂黥送行了辩魄分氍，磅突 袭明大粒径沥青混合料咧弹模量和抗压强度与半阔0 性材料9 0 d 龄期的相当，抗拉 强度比半刚性材料大一倍左右。根据l s m 的室内为试验研究缩桊，修筑了试验 踞来检验l s m 的路用性能，检测结果袭明大粒径沥青混合料具有良好的路用性 能。 篾键词：大粒径、沥青混台料( l s m ) 、配合比设计、抗车辙性能、抗水损害能力、 | 聋弹穰囊、路瓣性靛 a b s t r a c t w i t ht h eh i g h w a yv o l u m e sa n da x l el o a d s f a s t i n c r e a s i n g 氇ei n a d e q u a t er u t t i n g r e s i s t a n c ea n dp o o rd u r a b i l i t yt ot h ea s p h a l tp a v e m e n ta n de t c b e c o m et h ei m p o r t a n t p r o b l e m si nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s et h el a r g e s t o n e a s p h a l tm i x e s ( l s m ) ，h a s t 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 n t ，i tc a l le f f e c t i v e l ys o l v e t h e s ep r o b l e m s b a s e do nr e s e a r c h e so ni s mh o m ea n da b r o a d ，a n dc o m b i n e dw i t h t h ep r o j e c t t h el s mb a s ea p p l i c a t i o ns t u d y ”o ft h ec o m m u n i t yd e p a r t m e n to f h e n a n p r o v i n c e t h ep a p e r s t u d i e st h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c eo fl s m f i r s t l y , t h ep a p e rp 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 m b a s e d o n t 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 s e c o n d l y , t h ep a p e rs t u d i e st h el a r g e - s c a l e m a r s h a l ld e s i g nm e t h o da n dt h es h r pg 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 dt o d e s i g nl s mi n d i v i d u a l l y , w h a ti sm o l t ，a n a l y s e st h e i rp r o p e r t i e s ，t h i r d l 墨t h ep a p e r s t u d i e sl s mh i 始t e m p e r a t u r es t a b i l i t yb yw h e e lt r a c kt e s t ，t e s t ss h o wt h er u t t i n g r e s i s t a n c eo fl s 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 e g r a d a t i o no f 己s ma n ds k e l e t o n - c o m p a c t 娃r u c t u r ei sv i t a lt ot h er o t t i n gr e s i s t a n c e 。 f o u r t h l y , t h ep a p e rs t u d i e sl s m w a t e rs t a b i l i t yb yt h ew a t e rs u b m e r g e d l a r g es c a l e m a r s h a l ia n dt h ef r e e z e t h r a wt e s t ，t e s t ss h o wt h ew a t e rd a m a g er e s i s t a n c eo fl s mi s w e l t 。f i f t h l y , t h ep a p e r s t u d i e sm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fl s m b yt e s t s ，f u r t h e r , m a k i n g c o m p a r a t i v es t u d i e sb e t w e e nl s m a n dn o r m a la s p h a l tm i x e so rs e m i s t i f fm a t e r i a i d i f f e r e n t l y r e s e a r c hs h o w st h a tt h ee l a s t i cm o d u l u sa n dr e s i s t a n c ep r e s so fl s m a r e a l m o s te q u a lt ot h a to fs e m i s t i f fm a t e d a l s ，b u tt h et e n s i l es p l i t t i n gs t r e n g t ho fk s m s a l m o s t2t i m e s l a r g e rt h a n t h a to fs e m i r i 西dm a t e r i a l sa f t e r9 0 d a y s f i n a l l y ，a c c o r d i n g 论t h ee x p e r i m e n t so i li s mi na n do u t 。t e s tr o a di sb u i l t ；c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo f 憾mi ss t u d i e d t oc o i l c l u d e t h er e s u l t sa b o v es h o wl s mh a se x c e l l e n tp a v e m e n t p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：l a r g e s t o n e a s p h a l tm i x e s ( l s m ) ；m a t c h r a t i od e s i g n ；r u t t i n g r e s i s t a n c e ； w a t e r d a m a g er e s i s t a n c e ；e l a s t i cm o d u l u s ；p a v e m e n tp e r f o r m a n c e 长沙理工大学 学位论文原剖性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人谯导师的指导下独立进行研究所取得 瓣磅究戏票。藤了文孛特尉翔瑷霖注弓l 臻豹凑骞癸，零论文不包含强缳羹瞧令人 或集体已经发表戏撰写的成果作品。对本文的研究做出藏要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识刭本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：缘支专麦日期：衅年，月少e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关傈懋、使用学位论文的规定，同意学校 傈辩并蠢国家蠢关部门或懿褥送交论文瓣笺毽l 传稻毫子舨，兔诲论文梭塞螽帮簧 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入肖关数据库 进彳予检索，可以袋用影印、缩印或扫描等复制手段保存釉汇编本学位论文。 本学位论文耩于 1 、保密口，在年解密后适用本授权粥。 2 、不傺密留。 作者签名： 导师签名： ( 请在戳上相应方耩内努“4 ”) 日期一争年s 周少日 醐旰厂嗣l 了霞 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着我国交通运输的快速发展、熏牟和轮腱的增大以及交通车辆的渠化， 沥青路鬻出现了抗车辙能力不是和早期破损增多的现象，路碟使用性能衰减加 快，使用寿命大大缩短。为满照交通量增大、以及重车比例增加的需甏，我圆 早在“七五”“八五”期超邋过大爨硬究，在半剐憷基层沥青路面研究与戍 用方面取得了举世瞩目的成就“3 。目前，我国高蒋级公路广泛采用的半刚性基层 缝梅类挺为二灰碎石翻承泥碎石基层，上述两类基层突出的优点是具商较高的 强度和模量、良好的整体稳定牲和耐久性、施工方便，强度及其模量随着龄期 的增期豚逐澎增嬲等一系列优瞧路用蚀能，困蕊也得以大范围的推广应用，为 公路建设与经济发展起到了巨大的作用。但是，随着长期的应厢和研究，发现 我国广泛使用鹃半剐性基层沥费路匿，星然解决了强廉不是的问题，由于半刚 性材料收缩量大( 温缩及干缩) 、水稳定性差( 二灰碎石基层) 等原因遗成的路 薅反射裂缝及路嚣撑水不良的蛾题逐澎突出“3 ，路恧开裂、唧浆、松教婷破坏现 象屡见不鲜，严重影响道路的继续服务能力，造成了较大的经济损失和不良的 社会影镌。 如何解决半刚性路面反射裂缝和旧水泥谲凝土路两加铺或改造中沥青加铺 层反射裂缝闯题，是嗣薅道路爨亟待解决的问题之一“”“。熙内道路界也进行 了大量研究工作，如“七五”圜家攻关项目惠州试验路土工布夹层防糍对比研 究，河北玉定试验路改性沥青瘦力吸收膜中间堤及级酝碎石屡防裂对比研究， 西安试验路级配碎石基层防裂对比研究，沪宁高速公路无锡试验路级配碎石蕊 层防裂对比毳珏究，宁遗一级公路淮明试验路级配磅五嫠层及士工格栅夹层防裂 对比研究。这蝗研究几乎全部停留在试验路观测上，并未对材料特性、级配、 设计擐拣、施王工艺以及矮量控制方黼进行磺巍。另外这些试验路的沥青面屡 厚度偏薄，对抵抗沥青面层的疲劳作用较差。强然试验路的观测结果均认为有 定爨止反射裂缝筑馋周，但均来提娃l 系统的设计方法与藏工工艺。 此外，国内外高等级公路的建设实践表明8 1 ，随着交通爨的增长和渠化交 通豹搬霪，重车增多，轮压不麟增大，沥毒路錾普遍如现了摭车辙能力不足和 路面的耐久性较差等质量问题。大多数道路研究者认为，设计不当的沥青混合 挝续掬类型与缀配形式是造成矮量闽题载重要因素。 为解决路面反射裂缝、抗车辙能力不足和路面的耐久性较差问题，我国目 前正在开展大粒径碎石沥青混合料( 1 a r g es t o n ea s p h a l tm i x e s ，简称l s m ) 的 研究。大粒径沥青混合料定义为最大集料尺寸在2 5 m m 6 3 r a m ( 1 2 5 英寸1 之间 的热拌沥青混合料”“，其主要形式有适用于下面层和上基层的嵌挤骨架一密实 型结构( 空隙率3 6 ) ，另一种形式是适用于基层的嵌挤骨架一空隙型结构 ( 空隙率1 5 以上) 0 1 。大粒径沥青混合料通过增大粒径，可降低油量，在不 增加造价的情况下，可以增强沥青路面的抗车辙能力及减缓反射裂缝的发生。 大粒径沥青混合料基层作为一类柔性结构层，具有很强的柔性和变形能力，作 为应力消散层，可明显提高路面抗反射裂缝的能力；另一方面大粒径沥青碎石 基层可以与沥青混凝土面层粘结牢固，并且由于其模量接近，路面结构受力更 均匀。高模量抗车辙的大粒径沥青混合料也是永久性路面结构( 全厚式沥青路 面) 的中间层或联结层的首选。1 。但是目前，大粒径沥青混合料在我国还没有相 关的设计、施工规范。本研究在总结国内外大粒径沥青混合料研究的基础上， 深入研究大粒径沥青混合料( i _ s m ) 的路用性能，为柔性基层沥青路面结构的 没计和施工提供参考。 1 2 国内外研究概况 大粒径沥青混合料是一个相对的概念，是指最大粒径为2 5 m m - 6 3 m m ( 1 2 5 英寸1 之间的沥青混合料。在国外，早在1 9 0 3 年就有美国w a r r a n 公司拥有3 英 寸最大粒径的混合料的专利。当年受专利的限制，其后受机械化施工工艺发展 的导向，其他公司采用了相对较小粒径的混合料类型，并广泛应用至今。卜。1 。 但是，随着交通量的增长和渠化交通的加重，沥青路面普遍出现了抗车辙能力 不足和路面的耐久性较差等质量问题。国内外许多道路专家认为解决这一问题 的根本途径是调整集料的组成( 尺寸、形状、结构和级配) ，通过增大粒径，可 起到控制反射裂缝和提高抗车辙能力的作用。 1 2 1 国外研究状况 最近十几年以来，美国、英国、南非、日本、澳大利亚、加拿大等对大粒 径沥青混合料研究方面进行了较深入的研究，修筑了许多试验路。美国对l s m 的研究始于上世纪9 0 年代“1 。美国、英国、南非等还开发了大粒径沥青混合料 设计程序，并制定了大粒径沥青混合料基层设计和施工指南。 美国公路的沥青基层过去主要是沥青稳定基层，也称为沥青处治基层：目 前使用最多的是沥青混凝土基层。为了降低车辙，越来越关注采用密级配大粒 2 径沥青混合料。美国联邦公路局( f 酬标准给出的沥青稳定基朦簸大粒径为： 基层2 5 、3 7 + 5 、5 0 r a m ；底基层为5 0 、6 3 c m 。德克萨斯州给出的沥青稳定基胺 最大粒径分别为：基层3 7 。5m m 、4 5 r a m ，两绘出的沥青混凝土基艨为：3 7 。5 m m ( 糖型) ，2 5 r a m ( 缨鳖) 。 表12 0 0 1 罐n a p a 和f h w a 各种交通条件下基层适宜的混合料类型及髓窘的层厚( m m ) l 基层 交逶绩躐孛、低交遥羹交避 混合料娄型d f gd c gd f gd c g a _ r p b 1 9 r a m5 0 0 05 7 - 7 55 0 - 7 05 7 7 53 7 5 - 7 5 公称最 2 5 m 秘7 5 - 1 0 07 5 1 0 07 5 - 1 0 07 5 1 5 0 - 1 0 0 大粒径 3 7 5 r a m1 0 0 1 5 01 0 0 - 1 5 01 0 0 1 5 01 0 0 一1 5 0 美国对镦实式、开式缀配大粒径沥脊混合料设计与分析进行了可行性研究， 并裁定了关予铺筑太粒缀溺毒混合鹳的热挣沥青混擞路露指南。礤究认为 ”3 ，沥青混合料的设计与分析方法福似予s u p e r p a v e 传统酌密缀酝沥青混合辩的 设计方法，因为它使用旋转压实设备，并且体积设计复杂的水平和性能相关的 混合料分析方法的要求均以路面预期交通荷载为指导；面确定设计集料结构和 沥青含茧浆技术方蟊是鸯掰予s u p e r p a v e 系统的，虽然嚣者帮楚蒸予耜嵇俸积渡 设计原则。茭国的n c h r pr e p o r t3 8 6 ”认为l s m 缎配的设计怒没有控制点， 也段有限制区，只要空隙率和粉胶比遗当，通过试验证明其具稳良好的路用蚀 旋，溪璐m 浚诗缀配楚逶鹚豹。 大粒裰沥青混合料设计采用了新的概念。此设计概念有两个关键的含义， 具体为：热拌沥青路砸承包商能够使用现存的优质矿料贮料堆，这样可容易 地进行大粒径沥毒混合辩设诗； s u p e r p a v e 级配魏线的控制点秘限制区对大糍 径沥青混合料不再适胡。 大粒径沥青混合料的设计与分析的标准方法有三种可选择的压实方法，它 们是：s h r p 旋转压实仪以一定的旋转角度进行聪炭，可得到满意的压实度， 丽不需要多次谪整旋转角度；轮碾舔实祝( a a s h t op p 3 ) ；( 歪) m a r s h a l l 壹实 成型机( a a s h t ot 2 4 5 ) 。 在研究中，大粒径沥青混合料的没计与评价方法对密级配芹口开级配大粒径 沥青混合秘来说楚一令翡零准( 稳交遴量窝重交遴豢 兹系统。承准l 丈羧经 沥青混合料的设计是适用于低交通量道路，只需要进行比较少的材料试验。它 使用计算程序在己知集料贮料堆级配撼础上估算一个最佳设计：设计者选择压 实天粒径溺霄混合辩要求鹣空骧率。承准l l 大藕径淄毒混合辩鹃设计是针对黧 3 交通量两畜豹。它是一个交互式程穿，戳水准i 投毒| 开始并且确僳大粒径溺诲 混合料具有抵抗永久变彤( 车辙) 能力。与永久性能相关的混合料试验( t h e s u p e r p a v es s t 程序或者单轴静压蠕变试验) 用来确保大粒径沥脊混合料满足缀 套抵抗隶久嶷澎( 莩鼗) g 力。 n c h r p r e p o r t3 8 6 8 1 述认为，尽管l s m 已不是一种新的材料，但是在大部 分筑路工程中还是少见的，在1 9 9 2 年，由纽约和新洚西的p o r t a u t h o r i t y 对美潮 5 0 个髑和华麓顿交逶厅关予l s m 静调套表臻，只森少数足个残焱透年来镳筑避 l s m 路面。为了适应目益增大的交通墩、车辆荷载、轮胎压力，大部分州交通 厅正寻求采用l s m 。资料显示在美国修筑韵受混合料设计所支配影响的大部分 l s m 多采弼1 5 0 r a m 马歇尔试孛 设计方法，这一方法是由k a n d h a l 所发浸的 ( k a n d h a l 在l s m 方面徽了许多研究) ”。但是瑗夜需要一个l s m 的设计方法 以提供一个粒料级配以保证大粒径集料内部充分嵌挤。此外对l s m 的路用性能 调查表明：对l s m 是毁畿参半，一些璐m 的使用簿常好，正如所显示的在藏 载交逶 乍羹；l 下没有车鼗；瓤其它豹己蠢l s m 路瑟缩秘毫警瑗永久变形，在这黧 情况中，主要因为l s m 的作用没有发挥，混合料设计决定路用性熊；可能在l s m 施工时出现离析问题。 英晷瓣灏毒提台鼗蒸簇主要毒两耱：1 、d b 酝l 密缓配沥毒簿石，采弱较 软的沥青，沥青用量低：2 、h r a 间断级配热铺沥青混合料，中间尺寸少，沥脊 用量高。英豳常采用最大公称粒径为4 0 r a m 、1 0 0 母沥青的密级配沥青碎石，但 近年来，葵翻熬趋势为采期最太公称粒径为2 8m m 沥青较硬的沥青混会料，蕤 至采餍1 5 、籍、3 5 号灏鬻。英国的布麓教授在讨论集料缀配对沥青混合辩幢黥 影响时认为，集料的最大公称粒径不同会显著影响沥青混合料的性能，使用公 称粒径较大的集料能提高沥青混合料的稳定性和抗滑性能，同时减少沥青用鬃。 瘪菲石洼溺黉协会残立了一个l s m 综合试验室，对璐m 逶露了深入瓣磅究， 修筑了四条试验路，并常年对试验路进行现场调查，最后制定了究备的l s m 设 计手册。手j i | 中指出，强度和抵抗永久变形的能力可从粒料的结合中获得；耐 久性可逶过燕霉灏毒骥采建裹。这一效袋爵敬采强大趣径集辩聚获褥。基蓦誊， 对修筑l s m 基层仍没有推广，尚处于试验阶段。 1 2 。2 国内研究状况 鹜凌虽然在公路工程携毒与溺蠢游合辩试验浚瞧( j t j 0 5 2 2 o ) 中矜 充了大型击实法，但直到2 0 0 1 年才开始对l s m 进行研究。国内汗展研究瞄m 有：西安公路交通大学在河北省石家庄歪黄骅高速公路辛沧段做了7 0 0 m 左右的 4 试验路段，该试验路采用l s m 作下面层，主要研究l s m 的抗辈辙能力“”“。 为解决半剐性蓦层沥青路面静反射裘缝，2 0 0 1 年交通裸立项“天粒径灏青混合 料与级配碎石基层的研究”攻关项目。1 ，参加单位有中交公路规划设计院、哈尔 滨工业大学交通学院、江苏省交通设计骈究院、四川省公路烧潮勘察竣计研究 院、交通部公路科研所，此项尉计划到2 0 0 5 年结束。照然我国对l s m 的研究 超步晚，现在却方兴末艾，特剐是为了解决交邋量大、重载和超载严爨的高速 公路沥鬻路面擎辙严重闽题以及高温季节长地隧的沥脊路面高温稳定性问题， 人们把目光纷纷投向了l s m 。西前国内l s m 研究基本上是采用美国的试验方法 来研究其路用性能，然后再铺筑一段试验路来验证其路用性能。虽然我国台湾 地区也对l s m 渤弹性横量与压实度、漱度关系，进行了大量的试验研究，但没 有提出比较完善的l s m 设计方法。目前，太粒径沥青混合料在我国还没有相关 的设计、麓工舰范。 2 。3 国内夕| 、研究现状的总结 大粒径沥青混合料和普通沥青混合料相比，可以将大粒径沥青混台料特点 概括为瞄下凡杰：鬏鞑只寸“大”，添蠢貘“零”，貉疆辫命“长”；沥毒含量低、 v m a 低和造价低；粗集量含量高、粗集料接触程度高和主骨架稳定性高。 国筹薅l s m 静疆究魄较深入，主簧为了辫决溪毒鼹嚣挽攀激怒力不是秘路 面的耐久性较麓等质量问题，并取得了一定的成果，丽最近几年的研究成果却 鲜冕摄溺。综合国蠹乡 瓣簪 究黉籽表弱，基蓠l s m 豹磷究还存在死令润题： 1 、由于l s m 施工中容易出现离析、集料破碎和设备磨耗等问题，对最大 公称粒径2 6 。5 r a m 移3 1 5 m m 类鳖l s m 谚究褥魄鞍多，恧对予爱大公称粒径为 3 7 ，5 m m 类型的l s m 研究很少； 2 、对l s m 掰吴鸯熬抵获鼹瑟反辩袈缝裒拣车辙鼹力豹辍疆研究不够； 3 、对l s m 的设计方法、设计控制指标和施工工艺均有待深入研究。 1 3 本文研究的思路和主要内容 本磷究缝合河南餐交逶厅“大粒径沥青混合籽辇鬣泣焉技术研究”矮嚣( 编 号：2 0 0 2 p 2 2 4 ) ，在借撩国内外研究成果的基础上，着黧对最大公称粒径3 7 5 m m 裙3 1 5 r a m 这两种类型游大粒径沥青混合科遂行研究。遴过室内试验辩璐黼配舍 比设计方法、l s m 力学性能的研究和试验路段的现场检测，以深入系统研究大 粒衽沥青混合辩的路蠲往能。主要硗究内容鲡下： 5 1 、l s m 级配选择 ( 1 ) l s m 组成结构和强度理论分析； ( 2 ) l s m 的级配设计，参照和借鉴已有的l s m 的级配，设计最大公称粒径为 3 7 5 m m 和3 1 5 m m 这两种类型的大粒径沥青混合料级配各3 个，通过试验确定具 有良好路用性能的级配。 2 、l s m 的配合比设计方法研究 ( 1 ) 大马歇尔设计方法 大马歇尔试验时，采用击实1 1 2 次成型试件，通过大马歇尔试验得出l s m 的 空隙率、粗骨架间隙率、稳定度、流值；通过大马歇尔试验，比较所设计6 个l s m 的级配； f 2 1l s m 旋转压实设计方法 采用l s m 旋转压实设计方法来设计l s m ， f 3 ) 大马歇尔设计方法和l s m 旋转压实设计方法进行比较。 3 、l s m 的路用性能研究 f 1 ) l s m 的高温稳定性研究 首先介绍l s m 的车辙试验，着重研究l s m 车辙试验评价指标，设计高度分 别为5 0 m m 、1 0 0 m m 和1 5 0 i n m 三种类型试件，以及不同的碾压遍数，对车辙的影 响。然后分析影响l s m 抗车辙性能的主要因素。 ( 2 ) l s m 的水稳定性研究 首先分析路面水损坏的原因；采用l s m 的浸水大马歇尔试验和冻融劈裂试 验方法，来研究l s m 的水稳定性。结合l s m 施工工地做渗水试验的情况，提出 一种新的渗水试验评价方法。 ( 3 ) l s m 的耐久性研究 4 、l s m 的力学性能研究 f 1 ) 大粒径沥青混合料回弹模量的研究； ( 2 ) 采用抗压试验、劈裂抗拉试验，来研究分析影响l s m 力学性能主要因素。 5 、l s m 的工程应用 铺筑试验路，来研究l s m 的施工工艺及施工控制指标。施工后，现场做l s m 基层的弯沉检测、回弹模量检测( 承载板试验) 、渗水试验。现场取芯试样，做 抽提试验来检测l s m 的生产级配和含油量；并做取芯试样抗压强度试验和劈裂 强度试验。 6 、l s m 路用性能研究的结论和展望 第二章大粒径沥青混合料强度理论和集料级配设计 2 1 大粒径沥青混合料的强度理论 2 1 1 沥青混合料组成结构 沥毒混合糕是出沥青、耀袋料、纲集秘积矿粉潋及辨热裁鹱组成瓣多秽成 分的材料。这热组成材料在混合料中，由于组成材料质量的差异和数激比例的 不两，霹形成不溺豹缀裁缝橡，并表褒为不同戆力学搜缝。夔藿对漫会料组残 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。 表嚣理论：滚毒浚合料是巍翟集辩、缨象辩帮填籽经人王缀酲成密实兹级 配矿质骨架，此矿质骨架由稠腹较稀的沥青混合料分布其表面，而将它们胶缩 减为一令其有强爱豹整 搴。这静理论认识可霆瓣如下： ff 粗集料 沥青混台籽 矿质骨架 挈翥料 i 结合料一沥青 胶浆理论：沥青混合料是种多级空间网状胶凝结构的分散系。它是眺糨 集辫为分数在灏毒砂浆分散介鹱孛的一季孛粗分数系；网样，砂浆是以纲集辩为 分散相而分散在沥青浆分散介膜中的一种细分散系；而胶浆又是以填料为分散 撩露分数在裹桶度灏毒分数赍壤中豹一季申微分数系。这釉理论认识可熙孵如下； 溺脊混合瓣 这兰级分散系以沥青胶浆( 沥青一矿粉系统) 最为重要，它的缀成结构决 定灏青混合料蛉毫湿稳定性和低温变形能力。典型的溉毒混合料的弹一粘一爨 性，主要取决于粘结作用的沥青一矿粉系统的特点。这种多级空间网状胶凝结 援酶特点是，结橡单元( 匿体颗粒) 遴过滚相的薄屡( 沥青) 薅粘结在一起。 胶凝结构的强鹰取决于结构单元产生的分予力。胶凝结构熟有力学破坏后绐 糖融变蛙复臻是发可逆熬特点。 7 箭 沥料一填磺一介相散教分分 ，rj、。t 结胶青 料 沥 集 一 缅 质 一 介 相 敝 敝 分 分 ，_ttll。f，i【 浆 料 砂 集 一 粗 睫 一 介 相 教 散 分 分 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粘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等。 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。应 把沥青混合料中沥青的分布特点，以及矿物颗粒上形成的沥青层的构造综合理 解为沥青混合料中的沥青结构。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 构的一种多项分散体系。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 1 2 沥青混合料的组成结构类型 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0 。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。 8 根据混合料中嵌挤结构和密实结构所占的比例不间，沥青混合料的结构通 常可分为下剜三类： ( 1 ) 悬浮一密实结构 由连续级配矿质混合料组成的密实港台丰年，由于率孝料从大n d , 连续存在， 并且各谢一定数量，实际上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颖粒之中。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，不能鸯接接触形成骨架，而悬浮于魄级集料和沥青胶浆之间， 其组成结拇见蹦2 1 a ，灏且受沥青材料的性质和物理状态的影响较大，敞温度稳 定性较藏。 ( 2 ) 骨絮空隙结构 较粗矿料彼此紧密相连，较细粒料的数量较少，不足戬充分填充空隙。圈 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 属此类涎。在这种结构中，粗粲料之间的内摩阻力起蒲重要的作用，藏组成结 构见图2 1 b 。矮结构强度受沥青材料的性质和物理状态的影响较小，因而温度 稳定性较好。 ( 3 ) 骨架密实结构 骨架密实结构是综合以上两种结构的优点而形成的结构。混合牵砗中既有一 定数量的租集料形成骨架，又根据粗料空隙的多少加入细料，形成较离的密实 度和明最的骨架结构，其组成结构见图2 1 c 。 图2 1 沥青混合料的热型组成结构 ( 矗) 惫浮一密实结秘 骨架一空陈结构( c ) 雷蘩一密实镶鞫 2 。 3 大粒经沥青混合料的组成结构 犬粒径沥青混合料( l s m ) 是沥青混合料的一种类型，与传统的沥青混凝 士一样，其组成结构分为骨架一空隙缭构、悬浮一密实结梅及骨架一密实结梅。 骨架一空隙结构对应的级配是开级配，悬浮一密实结构对应的级配是密级配， 蛰 但在生产实践中因其抗车辙性能较差，使用受到了限制。骨架一密实结构对威 静级配为密缀黧，霞是工程实黢中最露溺静大较径溺袁德台瓣( l s m ) 秘缝成 结构类裂，其常用形式宥适用于下面屡和上基层的嵌挤骨架一密实型结构( 空 隙率3 弼6 ) 。 2 。1 。4 沥青混合料钓强度分析 沥筲混合料的强度是指在定的约束条件下，沥青混合料县有的抵抗应力 应变俸用的髓力。与其它均震率孝料和水硬往胶结材辩籀毽：，沥青澹合瓣匏缮聿鸯 比较松散，并具有明显的颗粒性和粘弹性力学特征。溅是由于这两种特征，使 得沥青滟合料也由两种强度理论作依舔。即表黼理论和胶浆理论。 袁面理论认为，沥青混合料的强殿是由存在于矿料表面的两种类烈的力形 成的，即一部分是矿质集料骨絮的强陂，表现为颗粒稀辩表面翡摩擦隧力，愆 摩擦角0 表示；另一部分是沥胬的胶缎强度，浚现为糍结力、凝聚力、抗拉力， 用内聚力c 表示。僵摩擦阻力与内聚力相比要蠢优势，因诧，改善沥青混合辩路 用性能脏该主要改善集料的骨架。 胶浆理论认为，在沥青混食料的三级分散系中，沥青胶浆对混合籽镌强度 起决定性作用，沥青胶浆分散介质的缎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j 磁胶浆理论更加爨视沥青的稠度和沥青每矿耱的稠互作弼； 丽粗集料等分散相对混合料的强度的影响，悬通过其数量增减改变分散介质模 型变形的。沥裔混合耕的强度由分散系中分散相数量多少和分散介质的强度饿 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。函就，改蓠沥青混合科路藤 性能主要从改撩沥青胶浆性能入手。 因此，按照这两种不同的瑾论，程提高沥青混合料的高漱稳定佼时，所 驭的措施重点是不同的：传统理论看爨矿质集料的粗粲料骨架作用，而胶浆理 论刚把重点放在沥青胶浆的餍整上。他们共阐的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，影响沥青混合辩强度的主要越素，一 是集燃颗粒之问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脊混合料结构的成分是相 同的，具体如f ： ( 1 ) 沥青结合料 从沥青本身来看，沥青的帮占滞度和沥青用鬃定影响粘 结力c 的重要鳓素，矿鹱集料鼬沥青胶结为一魏体，粘滞度愈大，沥青抵抗变形 1 0 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 足医形成理想的沥青膜裹覆矿瓣，不仅强度低，而且耐久性麓；当沥鬻用量过 多时，则会逐渐将矿料颗粒推歼，在颗粒之间形成未与矿料交互作用的自由沥 青，刘沥青胶浆的粘聚力随着鑫由沥青的增加黼降低。沥青用蟹不仅澎响沥鬻 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， 沥青混合料的肉摩擦角也逐渐降低。 ( 2 ) 矿质集料矿质骨料的尺寸、颗粒形状、残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、颗粒形状均匀的矿辩比尺寸较小、颗 粒形状不均匀的矿料所组成的混合料强度大；肖棱角鼠表面糨糙的骨料较球状 光滑的骨料所构成的沥青混合辩强度大。根耀摩尔一席伦准则，为了增强沥鬻 混合料的抗车辙能力，应当首先增强矿厦集料间接触形成稳定的骨架，以提离 混合料的摩阻确0 。所以目前沥青混合料发展熊势是租集料含鬣不断增加，以潮 形成具商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，楚提高内摩阻力釉抗剪强度的有效途径。 2 。大粒缎沥青浅会料酶强虚努耩 大粒径沥青混合料( l s m 是沥费混合料的一种类型，当然上述的沥青混 合料的强度理论完全适用于大粒径沥青混合料。然而，与传统的沥青混凝土强 度飙理相比，冀强度枫理其有明显的特点。这些特点如下： ( 1 ) l s m 摩阻力和嵌挤力大 通过沥青混合料三轴剪切试验，可以怒到沥曹混合斟粘结力c 和内摩阻角0 。 对于不问类型的沥青混合料，蔟三轴剪切试验的c 、8 值有所不同。根据伊万诺 夫等人媳研究资料，砂粒式沥鬻混凝约内摩阻角0 约3 0 0 ，缎粒式、中粒式釉 粗粒式沥青混撤土的内摩阻角挣，可依次递增3 。左右。根据长安大学刘中林“” 对大粒经沥青混合料的内瘴阻熊毋的研究，内摩阻角拶值为4 2 0 左右。出上蕊的 研究资料可知，矿质颗粒的粒径越大，内摩阻角也就越大，因此，增大集料的 粒径是提高内摩疆惫的途径，键应保 撼级配爱好、空默率透当。 ( 2 ) l s m 承裁能力高 璩狱的嚣契作用使褥集料在萄载终用下其青较小的变形期较高的承载憨 力。形成骨架的l s m ，其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，不会产生大熬变形，集辩闻产生期瓣移动的可能性较小或产 生的过程较慢，而且糨集料的承载能力大，所以l s m 的高温稳定性好。 妇聚l s m 没有形成嚣袈终枣句，在藏涅、慢速超载、粗集数形成的骨絮层太 厚时，有可耱产生失稳酸环，e s m 鲶受力帮传力僚溺将不再主婺由固体颗粒零 身担当，而怒由固体颗粒的摩擦力和沥青结合料的粘结力承担。所以l s m 形成 骨架结构，熄大粒径沥青混合料承载能力高的关键趿索。 2 2 大粒径沥青混合料( l s m ) 集料级配的设计 2 2 。 沥青混合摹萼集搴津缎配理论 目前常用的级配理论主要有最大密度曲线理论和粒子干涉理论。最大密度 曲线理论主瑟攒述了连续级配的粒径分布。粒子于涉理论不仅w 以用于计算逐 续级配，露艇也可瘸子计簿闻断级醚。 1 、最大密度曲线理沦 最大密度曲线理论怒通过大量试验提出的一种理想曲线。w b 富勒( f u l l e r ) 巍德豹藏事磷究强为：鬻体鬏粒按筏痰大小，毒艇剡速壅会耩翻，疆缍搭酝， 可以得到密度最大、空隙最小地混合料。初期研究理想曲线是：细集料毗下的 颗粒级配为椭圆型曲线，粗集料为与椭圆曲线相切地直线，由遮两部分组成的 级琵夔线，可以这至最大爨密度。这糖戆线计算魄较繁杂，嚣采经过诲多磅究 改进，提出简化的抛物线激大密度理想蓝线。该理论认为，矿威混合料静颥粮 级配曲线愈接近抛物线，则其密度愈大。 ( 1 ) 最大密度曲线公式 根据上述理论，当矿麓混合耱静缀配蓝线舞搬物线簿，最大密度瑾怒隆线 集料各级粒径( d ) 与通过趱( n ) 表示如下： 最删鲥3 渺1 ) 式中：p 。孔径为d ，( m m ) 的筛孔的通过百分率( ) ；： d ，一一集辩蚤缀靛经洳竭； d 矿质混合料的最大粒径( r a m ) 。 ( 2 ) 最大密度趣线n 瓣公式 t a l b o l 褥f u l l e r 曲线指数0 5 改为n ，诀为指数不应该是一个常数，丽应该 是一个变数，研究认为，沥青混合料中用h = o 4 5 时，密度最大；水泥混凝土中 用n = o ，2 5 o ，4 5 时施工和翁性较好。遇常使用的矿赝混合料的级配范围( 包括 1 2 密级配和开级配) n 幂在0 3 0 7 之间。因此在实际应用时，矿质混合料的级配 曲线应该允许在一定范围内波动，可以假定，1 分别为0 3 和o 7 计算混合料的级 配上限和下限： 驴叫甜 c z 刊 式中：p i 孔径为d ；( m m ) 的筛孔的通过百分率( ) ； d 。集料各级粒径( m m l ； d 矿质混合料的最大粒径( m m ) 肛实验指数。 ( 3 ) k 法 n 幂公式法存在一个缺点，因为它是无穷级数，没有最小粒径的控制。对 于沥青混合料，往往造成矿粉含量过高，使路面高温稳定性不足。前苏联控制 筛余量递减系数k 的方法恰好克服了这个缺点。 k 法以颗粒直径的1 2 为递减标准，即各级粒径分别为 d 。；导，d ，= 等，d ：罟，以：等。假定d 。d ，为第一级，d ，d ：为第二 级，d 。d 。为第h 级。设k 为筛余量的递减系数，则第一级筛余量口，：，七o ， 第二级筛余量口：一口。七1 ，第三级筛余量口，= 口。七2 ，第厅级筛余量口。：n ，t “。 假定d 。= 0 0 0 4 m m ，并控制其通过量为零。则分级数 ，l = 3 - 3 2 1 9 1 9 ( d d 。) = 3 3 2 1 9 1 9 ( d o 0 0 4 ) 由十各级筛余量相加总和为1 0 0 ，则 口，仁。+ 七1 + 女2 + - + 七4 1 ) 。1 0 0 则可得：。，；! 咝二! ! 因第x 级得筛余量。，= 口，女。1 ，通过量为n = ( 1 0 0 一口。) ，则 驴( 卜等卜( 2 - - 3 ) 式中：x 一3 3 2 1 9 l g ( d d ：) h 一3 3 2 1 9 1 9 ( d d 。) k 值愈大，级配愈缅，般k 毽为o 6 5 o 8 4 。 2 、粒子予涉理论 c 。a g 魏矛斯研究认为，达到最大密度，前一级颗粒之间空隙，应睦j 次一缀 颗粒所填充；箕所余空潦又由樽次小颗粒所填究，僵壤豫静颥粒粒径不得大予 其阃隙之距离，否则大小颗粒粒子之问势必发生干涉现象，为避免干涉，大小 粒子之间应按定数量分配。从临赛干涉的情凝下可静出前一级颗敕静距离暾 为： t ”斗 沪。， 当处于临界干涉状态时t d ，则式( 2 4 ) 可写成式( 2 5 ) ： 妒；。与( 卜5 ) 隆- ) 。 式中： f 前粒级的间隙( 即等于次粒级的粒径d ) ： d 藏越级数粒经； 妒。次粒级的理论安积率( 实积率即堆积密度与表观密度之比) ； 妒，次粒级实积率。 式 一8 0 的级配作为 设计级配，然后根据大马歇尔试验来确定此l s m 的空隙率、稳定度和流值指标 是否符合要求。 本文设计了l s m 的六个级配，其中1 # 、2 # 、3 # 级配的最大公称粒径是 3 7 5 m m ，4 # 、5 # 、6 # 级配的最大公称粒径是3 1 5 m m ，大粒径沥青混合料的 集料设计级配具体见表2 - - 2 ；主要研究骨架一密实结构级配的大粒径沥青混合 料的路用性能。l s m 的设计级配曲线见图2 2 。 誉 叮叩宁彳譬 d。啡t n峙寸寸 墓 号 州釜n 2 未号节 一 喀 州 2 岬 宁矗 葛q “ 簿 早 窖 寸嗣 刊 毒 零 瓷 n 袁 苓 羚 犟警 譬 球 一 罱器 占