（道路与铁道工程专业论文）开级配大粒径沥青碎石组成设计及路用性能研究.pdf

摘要 沥青路面的反射裂缝和耐久性问题，是目前道路界亟待解决的问题之一。开级配大 粒径沥青碎石( o l s m ) 具有较强的柔性和较大的变形，可显著延缓沥青路面的反射裂 缝；另一方面，其空隙率较大，可以排出路面内的积滞水，减少了沥青路面的早期水破 坏，提高了路面的耐久性。在借鉴在国内外研究的基础上，本文研究了o l s m 的组成设 计和路用性能。 论文采用变i 法设计集料级配，并通试验研究，最终确定出o l s m 2 5 的集料级配 范围。根据o l s m 自身的特性，采用飞散和析漏试验确定沥青用量范围，在范围内采用 大马歇尔试验确定混合料的最佳沥青用量。通过试验研究，推荐出o l s m 的稳定度、流 值、空隙率等技术指标。 研究了o l s m 的高温稳定性、水稳定性、抗裂性以及强度和回弹模量。车辙试验结 果表明o l s m 高温稳定性良好，动稳定度随着粗集料增加、空隙率增大呈逐渐降低趋势。 浸水马歇尔试验结果表明o l s m 水稳定性良好。抗裂性试验表明，o l s m 与其他混合 料相比，其抗裂性能较好。最后，根据室内试验，结合试验路实体工程，研究o l s m 的 施工工艺。 关键词：开级配大粒径沥青碎石( o l s m ) 、集料级配、组成设计、路用性能、反射裂缝 a bs t r a c t t h er e f l e c t i o no fa s p h a l tp a v e m e n tc r a c k sa n dd u r a b i l i t yi so n eo ft h ei s s u e st ob e r e s o l v e d o p e n - g r a d e dl a r g es t o n ea s p h a l tm i x e s ( o l s m ) w i t hg r e a t e rf l e x i b i l i t ya n d g r e a t e rd e f o r m a t i o n ，c a ns i g n i f i c a n t l yd e l a yt h er e f l e c t i o nc r a c ko fa s p h a l tp a v e m e n t ；o nt h e o t h e rh a n d ，f r o mg r e a t e rp o r o s i t yt h ew a t e rc a nf l o wo u ta s p h a l tp a v e m e n t ，w h i c hc a ns o l v e p r e m a t u r ew a t e rd a m a g e ，t h u sp r o m o t i n gt h ed u r a b i l i t yo ft h ep a v e m e n t o nt h eb a s i so f d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lr e s e a r c h ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ec o m p o s i t i o nd e s i g na n dp a v e m e n t p e r f o r m a n c eo f o l s m b ym e a n so fu s i n gt h ev a r y i n gim e t h o dt od e s i g na g g r e g a t eg r a d a t i o na n de x p e r i m e n t a l s t u d y , t h ep a p e re t e r m i n e sg r a d a t i o nr a n g eo fo l s m - 2 5 a c c o r d i n gt oi t sc h a r a c t e r i s t i c ， s c a t t e r i n gl o s st e s ta n dd r a i n d o w nt e s ta l eu s e dt od e t e r m i n ea s p h a l tc o n t e n tr a n g e ， i nw h i c h t h em a r s h a l lt e s ti sa d o p t e dt od e t e r m i n eo p t i m u ma s p h a l tc o n t e n t d u r i n gt h et e s t ，s t a b i l i t y , f l o wv a l u e ，p o r o s i t ya n do t h e rc o n t r o li n d i c a t o r so fo l s ma r er e c o m m e n d e d t h eh i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t y , w a t e rs t a b i l i t y ，c r a c kr e s i s t a n c ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fo l s ma r es t u d i e d t h er e s u l t so fr u t t i n gt e s ts h o wt h a to l s m h a sg o o dh i 曲 t e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，a n dd y n a m i cs t a b i l i t yd e c r e a s e sg r a d u a l l y ，a st h ec o a r s ea g g r e g a t ei s e n h a n c e d i m m e r s i o nm a r s h a l lt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ew a t e rs t a b i l i t yo fo l s mi sa v o r a b l e c o m p a r e d 谢t ho t h e ra s p h a l tm i x t u r e s ，c r a c k i n gt e s tr e s u l t ss h o wt h a tc r a c kr e s i s t a n c eo f o l s mi sb e t t e r f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ol a b o r a t o r yt e s t s ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dq u a l i t y c o n t r o lo fo l s m p a v e m e n ta r es u m m a r i z e db yp a v i n gt h et e s t i n gp a v e m e n t k e yw o r d s ：o p e n - g r a d e dl a r g es t o n ea s p h a l tm i x e s ( o l s m ) ，a g g r e g a t eg r a d a t i o n ， c o m p o s i t i o nd e s i g n ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，r e f l e c t i v ec r a c k 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，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，均已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：研羹林。孑年s 月夕日 论文知识产权权属声明 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：垅安弛 别帷钰产m 扩 豸年s 日| 孕日 d 乒年 月。日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论弟一早珀1 ：匕 改革开放以来，我国交通运输的快速发展，重车和轮压的增大使得沥青路面使用性 能衰减加快，使用寿命大大缩短【l 】。由于半刚性基层整体强度高、板体性好、承载力强 且便于取材等优点，成为目前已建沥青路面的主要基层类型【2 】。其中，二灰类半刚性基 层抗冲刷能力较弱，雨水的下渗易造成冲刷、唧浆等病害，所以国内道路工作者开始采 用耐冲刷、强度高的混凝土基层、贫混凝土基层、碾压混凝土基层、水泥稳定碎石基层 等。然而这些基层的缺陷是自身刚度较大，具有较强的温缩与干缩特性，受到来自底基 层、自重和相邻板的约束，容易产生开裂。在温度与荷载综合作用下，裂缝逐渐向上延 伸，甚至贯通整个沥青面层，形成反射裂缝【3 。5 1 。此外，旧水泥混凝土路面加铺改造时， 也会出现反射裂缝的问题。 同时，自由水通过路表面渗透到沥青路面结构内，由于上面层的空隙率小，使得自 由水很难蒸发出去，从而长时间积滞在路面结构内。车辆在高速运行时产生的动水压力， 会加速减弱路面的使用性能，使得沥青路面以沥青与集料的剥落、表面泛油、内部松散 及空洞等形式的水损坏【6 】。 沥青路面的反射裂缝和水损坏问题，是目前道路界亟待解决的问题之一【7 - l 们。为了 解决这一难题，我国目前正在进行开级配大粒径沥青碎石( o p e l l g r a d e dl a r g es t o n e a s p h a l tm i x e s ，简称o l s m ) 的研究 1 1 - 1 3 1 。开级配大粒径沥青碎石定义为最大公称粒径尺 寸在2 5 m m - - - 6 3 m m ( 1 一2 5 英寸) 之间的热拌沥青混合料，是适用于下面层或基层的嵌挤 骨架一空隙型结构。o l s m 空隙率较大，模量较小，具有很强的柔性和变形能力，作为 裂缝缓解层，可明显提高路面抗反射裂缝的能力：另一方面o l s m 空隙率较大，可以排 出沥青路面结构内的积滞水，起到排水的作用，减少沥青路面早期水破坏，从而提高路 面的耐久性。 目前，我国对o l s m 的研究相对薄弱，并未对材料特性、级配、设计指标、施工工 艺及质量控制方面进行系统研究。本文在总结国内外大粒径沥青碎石研究的基础上，深 入研究o l s m 的组成设计与路用性能，为贫混凝土基层沥青路面、旧水泥混凝土路面加 铺沥青面层等路面结构的设计和施工提供参考。 第一章绪论 1 2 国内外研究概况 1 2 1大粒径沥青碎石的提出 通常所说的大粒径沥青碎石( l a r g es t o n ea s p h a l tm i x e s ，简称l s m ) 0 4 , 1 5 】，定义为 公称最大粒径在2 5 一6 3 m m 之间的热拌密集配沥青混合料。l s m 的使用起因于重载交 通。早在2 0 世纪初，为了适应较大的接触压强，w a r r e nb r o t h e r s 采用最大粒径超过3 i n ( 7 6 m m ) 的混合料，要求采用的级配使得压实度和稳定度达到最大，并在1 9 0 1 - - - 1 9 0 3 年获得了专利。由于l s m 减少了集料的总面积，因而在保证有较厚沥青膜的前提下减 少了沥青用量和降低工程造价。路面压实后的沥青混合料空隙率可以小于2 ，而不会 影响永久变形。较厚的沥青膜提高了混合料的耐久性和抗水损坏能力，同时l s m 良好 的骨架结构使得其可能采用较软的沥青，有利于提高混合料的抗疲劳性能。 为了避免侵犯w a r r e nb r o t h e r s 的专利，许多部门采用相对较小粒径的混合料。随着 施工越来越机械化，采用集中拌和楼生产混合料，发现采用较小粒径混合料更容易生产 和施工，对机械的磨损小，摊铺后的混合料均匀、平整。由于l s m 对机械的磨损大、 施工困难，施工单位通常拒绝采用。标准的混合料设计方法如m a r s h a l l 、h v e e m ，一般 采用1 0 2 4 m m 的试模，由于边缘效应，限制了2 5 m m 以上粒径沥青混合料的设计。此 外，因重车少，混合交通多，没有必要十分重视沥青路面的抗车辙性能。因此，一些地 方和部门停止了对l s m 的研究和使用。 近年来，针对轴载不断增大、高等级公路渠化交通、沥青路面过早出现越来越严重 的车辙损坏等实际情况，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 m 作了更深一步的研究工作【i 们。实践表明，设计合理的l s 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。 1 2 2l s m 设计方法 最初的l s m 设计采用大型马歇尔设计法，重点强调粒径的形状、体积和沥青膜厚 度的计算。k a n d h a l 认为当击实直径为1 5 0 m m 的马歇尔试件时，试件的正反面各击实 7 5 - - 一1 1 2 次经常会导致大粒径集料的破碎。v o nq u i n t u se ta l 和b u t t o ne ta l 己经证明对于 传统的沥青混合料，旋转压实或旋转基础上马歇尔压实更能模拟现场碾压。 随着人们对沥青混合料认识的深入，美国开始利用s u p e r p a v e 的旋转压实仪成型试 件设计密级配l s m ，一些州也开始以体积特性为设计指导原则，使l s m 设计方法更合 理和完善，并在实践中表现出优秀的路用性能1 7 1 。1 9 9 3 年，美国s h r p 计划完成，研 2 长安大学硕士学位论文 究成果s u p e r p a v e 沥青混合料设计方法为l s m 配合比设计方法的发展提出了新的思路 【1 1 】。德克萨斯州运输学会“l s 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 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 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应用 l s 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 m 足尺加速加载试验。研究报告为 n a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ( n c h r p ) r e p o r t 3 8 6 ：d e s i g na n de v a l u a t i o no fl a r g e - s t o n ea s p h a l tm i x e s ) ) ，该研究成果希 望促进l s m 的广泛应用。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 m ，提供了低渗透性标准的l s m 和 高渗透性的o l s m 两大类混合料设计方法：标准设计方法也提供了l s 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) 。根据方法a 的试验分析编制了s u p e r p a v e 软件。 南非沥青协会( s a b i t a ) 经过几年室内和现场实验，提出的l s m 设计指南指出l s m 的强度和抗永久变形是通过粗集料间的嵌挤获得的，采用大粒径集料可以获得较厚的沥 青膜，提高耐久性。为了减少潮湿情况下的剥落，路面压实后的沥青混凝土无论是连续 级配还是间断级配，都应该具有连通的孔隙以降低行车荷载通过时产生过大的孔隙水压 力。s a b i t a 推荐机械拌和，采用改进马歇尔压实( r o t a t i n g - b a s e m a r s h a l l ) 锤击实成型直 径1 5 2 m m 试件，改进的马歇尔重锤表面带有6 个凹坑来提供一定的搓揉作用。对于沥 青混凝料的设计分析，采用体积参数( 空隙率和v m a ) 、i d t 实验( 如抗拉强度、破坏应 变) 和动态蠕变模量三个标准。 1 2 3l s m 力学特性和路用性能 1 9 8 6 年，在a s t m 研讨会上，b r o w n 、m c r a e 和c r a wl e y 讨论了集料级配对沥青 混合料性能的影响。他们试验表明：最大粒径显著影响混合料的性能，粒径越大稳定性 更好，沥青含量低抗滑能力更好。 南非l s m 野外路用性能重载模拟试验表明：传统沥青混合料的车辙是l s m 的2 2 0 倍。当l s m 的试验段在4 0 c - 5 0 c 的高温时，其性能也比传统的沥青混合料好。表 明设计适当的l s m 具有较好的温度稳定性，并较少依靠沥青的粘滞度来提供抗剪强度。 美国陆军工程师部队的研究表明，使用公称最大粒径为2 5 m m 的沥青混合料比使用 3 第一章绪论 公称最大粒径1 9 r a m 的沥青混合料具有更好的抗车辙能力，同时又能够降低沥青用量。 k a h b o u b 和d a v i da l l e n 深入研究l s m 的车辙性能。通过与肯塔基交通课题组合作研究 了一系列大粒径集料级配，得出了最适宜的混合料设计方法，评价了这些级配的抗车辙 性能。研究表明：l s m 稳定度、抗压强度、回弹模量更高，能提高蠕变性能和抗车辙 性能，且比普通沥青混合料沥青用量低。因此，对于重载交通他们建议使用l s m 。 我国对l s m 的研究起步较晚。2 0 0 0 年，长安大学对密级配l s m 的路用性能进行 了研究【1 5 l ；2 0 0 3 年，中交公路规划设计院、江苏省交通科学研究院和交通部公路科学 研究所联合研究了密级配l s m 的路用性能，并在宁连路南京段改造工程和2 0 4 国道常 熟段中铺筑了试验段；2 0 0 4 年，山东省交通厅公路局、东南大学和山东省交通科学研究 院联合研究了l s m 的路用性能，并在2 0 4 国道烟青一级公路烟台段铺筑了试验段【1 3 】。 研究表吲1 8 】：l s m 能提高稳定性、抗压强度、回弹模量以及抗蠕变能力，从而提高 抗车辙能力。随着最大集料尺寸变小，v m a 通常变大，而随着v m a 的增大，沥青混 合料的稳定性和抗拉强度降低。由于l s m 比普通沥青混合料的比表面积小，在沥青 膜厚度相同的条件下，l s m 的沥青用量较低。 1 2 4 国内外研究结论 通过对国内外l s m 基层的调研和众多试验段研究，可以发现l s m 也是近年来随着 交通运输业的发展提出来的，对国内外l s m 的研究总结如下： ( 1 ) 国外对l s m 的研究起步较早，己有研究成果表明级配良好的l s m 具有良好 的路用性能，同时能减少沥青用量，降低工程造价。 ( 2 ) l s m 是随着交通运输业的不断发展产生的，研究表明级配良好的l s m 具有 良好的高温抗永久变形能力和良好的力学性能。 ( 3 ) l s m 的施工可实施性还有一定的困难，对其施工工艺方面还处于不断的研究 探索中。 ( 4 ) 国外在水泥混凝土路面和旧沥青路面加铺方面设置o l s m 结构层己有研究， 但研究较少，基本是建立在铺筑试验路的观测上，观测结果表明o l s m 具有良好的抗反 射裂缝性能。 ( 5 ) 国内对l s m 做了较多的研究，目前还处在性能试验和试验路的观测阶段，尚 未形成系统的设计方法。对o l s m ，目前研究相对薄弱，并未对材料特性、级配、设计 指标、施工工艺以及质量控制方面进行系统的研究。 4 长安大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容与技术路线 由于国内尚没有o l s m 级配、设计指标、施工工艺以及质量控制方面的规范，本文 在参考国内外研究的基础上，依托实体工程，研究o l s m 的配合比设计方法、路用性能 和施工工艺。主要研究内容如下： 1 o l s m 的配合比设计指标及设计方法研究 参考国内外o l s m 级配范围，通过变i 法设计级配，并通过试验研究，最终确定 o l s m - 2 5 的级配范围。根据o l s m 自身的特性，采用飞散和析漏试验确定沥青用量范 围，在沥青用量范围内采用大马歇尔试验确定混合料的最佳沥青用量。并通过试验研究， 推荐出o l s m 的稳定度、流值、空隙率等技术指标。 2 o l s m 路用性能的研究 研究了o l s m 高温稳定性、水稳定性、抗裂性、抗拉强度、抗压强度和抗压回弹模 量等。通过试验研究与分析，研究o l s m 的路用性能，得出o l s m 的相应技术指标。 3 施工工艺参数的确定 结合室内试验研究，通过实体工程的铺筑，研究o l s m 的施工工艺和施工控制指标。 5 第二章o l s m 集料级配组成设计 第二章o l s m 集料级配组成设计 2 1o l s m 的强度机理 1 沥青混合料组成结构理论 沥青混合料是由沥青、粗集料、细集料和矿粉以及外加剂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，并表现为不同的力学性能。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【1 9 2 们。 表面理论：沥青混合料是由粗集料、细集料和填料经人工组配成密实的级配矿质骨 架，此矿质骨架由稠度较稀的沥青混合料分布其表面，而将它们胶结成为一个具有强度 的整体。这种理论可图解如下： r 粗集料 i r 矿质骨架细集料 li 沥青混合料l 矿粉 i l 结合料一沥青 胶浆理论：沥青混合料是一种多级空间网状胶凝结构的分散系。它是以粗集料为分 散在沥青砂浆分散介质中的一种粗分散系；同样，砂浆是以细集料为分散相而分散在沥 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。这种理论可图解如下： 6 长安大学硕士学位论文 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，沥青混合料的结构通常可分为 下列三类： ( 1 ) 密实一悬浮结构 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，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 较小颗粒之中。连续密级配沥青混合料都属此类型。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 1a ) ，且受沥青材料的性质 和物理状态的影响较大，故温度稳定性较差。 ( 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。o l s m 属此类型。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 1b ) 。其结构强度受沥青材 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 1c ) 。 3 o l s m 的强度特点 英国的布朗教授提出，不同集料的最大公称尺寸会显著影响沥青混合料的性能，使 用较大公称尺寸的集料，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【2 1 】。d a v i s 发现采用较大粒径的混合料，如3 7 5 m m 代替1 9 r a m ，其承载能力明显增 加；a b d u l s h a f i 等人发现较大粒径的混合料与常规的混合料相比，其无侧限抗压强度要 7 绯馥o is m 集料级配成 达2 3 倍并有菪更低的蠕变变形。同时也有研究表驯，o l s m 有着较好的鹿力消敞 作用。 b )c ) a ) 密宴悬浮结构； b ) 骨架空隙结构：c ) 密实一骨架结构 图21 沥青混合料的典型组成结构 ( 1 ) o l s m 具有较大的内摩擦力和嵌挤力 o l s m 的设计，应要求粗集料通过良好的石一石接触形成骨架嵌挤结构以承受荷载 作片j 。o l s m 对相集料的强度要求较高，要求有棱角，接近立方体细 乏扁，卜粒料很少， 必须具有完仝的破碎而，这样才能具有较大的内摩擦力和嵌挤力1 2 2 i 。试验研究表明： o l s m 摩擦角0 比传统沥青混合料大，只有良好的抗剪切能力即摩阻力和嵌挤力人。 ( 2 ) o l s m 具有较好的骨架稳定件 o l s m 的骨架稳定性是其高温稳定性的关键。o l s m 照好的骨架结构使得其具有较 高的承载能力。若o l s m 没有形成骨架结构，在高温、慢速加载、粗集料形成的结构层 太厚或组合排列的稳定t # 较差时，有可能产生失稳破坏。一旦租集料骨架失稳，将大大 削弱骨架的支撑作用，其混合料的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米完成，最容易的破碎面是沿集料删空隙较大的接触面。因此， 保证和提高o l s m 的胃架结构是提高稳定性、避免失稳的前提。 ( 3 ) 强度衰减慢 o l s m 的强度l ：要是山内摩擦力和粘聚力形成，内摩擦力的大小取决干摩擦角0 的 大小。于0 的温度敏感性较小，因而内摩擦力的变化也很小。粘聚力取决r 澌肯的数 量、胶浆的数量和质量，并随时间的延长而褒减。o l s m 总的沥青用量较少，料聚力的 衰减不明显。i i i j 而o l s m 与目前常用的a c 、s m a 相比在自然或恶劣气候条件下混 合料强度衰减很慢，这对延长路面使用寿命是十分有利的。 长安大学硕士学位论文 2 20 l s m 集料级配设计方法 2 2 1 l s m 的级配组成分析 最近十几年以来，美国、英国、日本、澳大利亚、加拿大等对l s m 进行了研究， 并修筑了许多试验路。中国台湾也对l s m 动弹性模量与压实度、温度关系，进行了大 量的试验研究。我国东南大学与山东省公路局合作进行了l s m 柔性基层在老路补强中 的应用研究。l s m 的国内外参考级配见表2 1 。 由国内外参考级配可以看出，只有美国印第安纳州的级配和我国东南大学的推荐级 配是开级配，其他均为密级配。这些密级配是根据最大密度曲线理论算出或根据粒子干 涉理论通过反复试验得出的，设计时并没有考虑s u p e r p a v e 设计体系提出的限制区和控 制点的概念。美国的n c h r pr e p o r t3 8 6 也认为l s m 级配的设计没有控制点，也没有限 制区，只要空隙率和粉胶比适当，就具有良好的路用性能【2 3 】。目前，国内外都着重对骨 架密实结构的l s m 的研究，而对o l s m 的研究较少。 ， 2 2 20 l s m 组成设计方法 o l s m 作为下面层或基层要承受交通荷载，另外还兼有排水功能。基于上述要求， 设计的混合料应形成骨架结构，空隙率在1 5 2 0 。通过对国内外多种级配设计方法 的研究【2 4 2 5 1 ，可知目前开级配混合料级配通常将粗、细集料分开来设计。粗集料的总量 和各级集料的比例对o l s m 形成骨架结构起关键作用；细集料和沥青胶浆对o l s m 的 水稳性，高温稳定性，疲劳性起到十分重要的作用。基于此思想，本文采用将粗、细集 料分开设计的变i 法设计理论，设计o l s m 的集料级配。 1 变i 法的设计原理 同济大学林绣贤教授通过对原苏联k 法和美国n 法的分析，并经过长期研究，以通 过率递减系数为基础，并吸取其分级的原则，建立了适合中国的级配设计方法，即i 法 【2 6 】。i 法的公式如( 2 1 ) ： p x = p o i x ( ) ( 2 1 ) 式中：p x 不同粒径d 时的通过率，； p 卜最大公称粒径d 时的通过率，； x 一级数，x = 3 3 2 1 9 d d ； 卜通过率递减系数； 9 o l n 卜o。nt q t q 3 nno 一 o 寸寸、o 0 0 一 n口寸 o i o o lil i n li 峙 一 n o 口 noo 叶 a o 卜n o卜 n i n i 口 卜 一 nn n 一 一 口岬 寸 中 ” n ii q 一 一 一 o oo a 0 n i n 一 _ nnn n 哗 ilil f 、 i f _ 1 一 v 、一 、 _ i n o 一一 心n 寸 2 ”i n 岬 一 nf q 一 q 一 i m o n寸 nn 一 n nn g n 、寸t、 i n 。 n卜o。n 婶 卜 一 v 、 n n1 一 n 叶 n a 寸 o i n n寸寸”i nnn n 摹 n n 寸 i - n”寸- nn v 槲 i n o 卜noo 寻 n l o 岬 n o 求 i n 一 、”nn 8卜 n ona oo 妞 a n、口卜卜 蚓 峰 gn ” iiilil q 一 n 罱 一 n。n 犊 口寸 捌 赠 o iii iiliiil 口 一 o oo口o nni no i n q v 、卜 咛 i n 岬 ni a o 吉寸寸oi no i n n i naaa o n oo a 0 o o 卜 o 卜n口 婶 岬 a l h 吉 a n 。 小 a _ 一 n o 小a ，、 ii o o 。 a 0 g a o 卜 ll o 一 oh峙 o o f _ 、 a凸 o i o i n i nni ，、o 卜o 寸 a 0西a i o a n n ooo o o 卜 ooo o 一 _ o ooo g o a o o o o noo h - o v 、o n寸 z i n。 系 妻 女 n 寸 貅 暴暴 疆 i n o崮 楚靛 斗 黼 撇 憾 n寸 幡熏 姐4 证 抵驽8 疆 呵匦 皿- k 哑圃 婚 岳岳 匠 日 哥( 鄢 导 圃匦 轴k 哥 珊kj | 酲鬟糖弧窭球蛊hs，i一“僻 拳魁镁囊驻骚窭涨苫一。料抟 长安大学硕士学位论文 i - - 0 7 0 7 即富勒曲线，根据泰波( a n t a l b 0 1 ) 理论分析与实验，认为i = 0 8 1 2 0 7 0 7 时级配具有较好的密实度；日本的经验认为i = 0 7 8 4 0 7 3 2 密实性最好。对i 2 3 6 的筛孔) 时i 取0 6 3 ， 设计细集料( 2 3 6 筛孔的集料) i 取o 6 3 ，设计细集料时( 2 3 6 的筛孔) i 取0 6 6 ；在确定集料级配范 围的下限时，设计粗集料时i 取o 4 3 ，设计细集料时i 取0 4 6 。即设计粗集料时，i 值 的取值范围为0 6 3 - 0 4 3 ；设计细集料时，i 值的取值范围为0 6 9 - - 0 4 6 。因此，先设计 四种级配测定其空隙率，即设计粗集料i 值分别取0 5 9 、o 5 5 、o 5 1 、o 4 7 ，设计细集料 i 值分别取o 6 5 、o 6 1 、o 5 6 、0 5 2 。当混合料的空隙率分别为1 5 与2 0 时，就是期望 1 3 第二章o l s m 集料级配组成设计 的级配范围。这四种级配的计算结果如表2 5 。 表2 5 四种级配的计算结果 级配 通过筛孔的质量百分率( ) 溢 级配1 撑 级配2 撑级配3 撑级配甜 筛孔 ( 舢m ) 0 5 9 0 5 50 5 10 4 7 3 1 51 0 01 0 01 0 01 0 0 2 6 59 5 9 08 07 5 1 97 46 85 85 3 1 6 6 5 5 84 94 3 1 3 25 55 04 13 5 9 5 4 43 73 02 5 4 7 52 62 11 51 2 2 3 6 1 51 186 级配 通过筛孔的质量百分率( ) 添 级配1 撑级配2 撑级配3 撑级配甜 筛孔 、 0 6 30 5 90 5 5 o 5 2 ( r a m ) 1 1 81 285 4 o 6 9522 o - 3631 1 o 1 5 52ll 0 0 7 5 42o0 级配1 、级配2 、级配3 、级配4 j | j 四种级配，通过大马歇尔试验成型试件，使用 克拉玛依9 0 # 沥青，在各自的最佳油石比下，采用体积法测定试件的空隙率，结果见表 2 6 。 表2 6 四种级配的空隙率 级配 级配l 群级配2 群级配3 牟级配甜 空隙率( ) 1 3 31 5 71 8 91 9 9 1 4 长安大学硕士学位论文 峨oono 。 hh t-,-p， h h 卜 hc o oo o nh呻c x lho o 图2 3 计算的四种级配直观图 由表2 6 可知，级配2 的空隙率为1 5 7 ，接近预期的下限值1 5 ；级配甜的空隙 率为1 9 9 ，接近预期的上限值2 0 。为了较为准确的确定级配范围，参考级配1 撑和级 配2 撑，设计级配5 样。设计级配5 拌时，计算粗集料的i 值可采用o 5 5 ，计算细集料时， 采用0 6 2 ，这样计算出来的细集料有所增加，与级配2 相比空隙率变小。级配5 斧计算 结果见表2 7 。 表2 7 级配5 # 计算结果 筛孔( 删n ) 3 1 52 6 51 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 80 60 3o 1 50 0 7 5 通过率( ) 1 0 09 5 7 26 15 33 92 21 21 18654 表2 8 两种级配的空隙率 级配级配5 撑级配钟 空隙率( )1 4 82 0 1 对级配5 样，采用上述方法测定空隙率；为消除误差，再次对级配4 # i 贝i j 定其空隙率， 结果见表2 8 所示。 由表2 8 知，级配5 存的空隙率基本为1 5 ；级配4 的空隙率基本为2 0 。由此确 定出o l s m 2 5 的级配范围，见表2 9 。 表2 90 l s m - 2 5 的级配范围 筛孔( m m ) 3 1 52 6 51 91 61 3 2 9 54 7 5 2 3 6 1 1 8 o 6o 3o 1 5 0 0 7 5 通过率( )l o o9 5 7 57 2 5 36 1 4 35 3 3 53 9 2 52 2 1 21 2 - 6l l - 48 - 26 15 1禾o 1 5 0 0 o 0 o o 0 o 0 o o 孔d姗踯加。)脚加加。觚 第二章o l s m 集料级配组成设计 2 3 2 关键筛孑l 的确定 在已确定级配范围的基础上，应进一步明确哪些筛孔通过率对级配空隙率影响显 著，以便能较好地控制空隙率。 1 正交试验设计 采用正交试验分析确定哪些筛孔通过率对空隙率影响显著。一般认为，公称最大粒 径，以及其依次1 2 处的筛孔通过率可能是关键筛孔。由于筛孔数过多，正交试验分析 工作过量大，0 6 m m 、0 3 r a m 和0 1 5 r a m 筛孔通过率较少，因此省略了对这3 个筛孔的 分析。只对2 6 5 m m 、1 3 2 m m 、9 5 r a m 、4 7 5 r a m 、2 3 6 m m 、1 1 8 r a m 和o 0 7 5 m m 这7 个 筛孔分析。由于只有7 个影响因素，因此可以按l 8 ( 2 7 ) 正交表设计级配，正交设计表 如2 1 0 。表2 1 0 中1 代表级配范围上限值，2 代表级配范围下限值。把表2 1 0 写成级配 形式如表2 1 1 。 表2 1 0l 8 ( 2 7 ) 正交设计表 素 2 6 51 3 29 54 7 42 - 3 61 1 80 0 7 5 试验号 111l1lll 21ll2222 3l221 l22 41222211 52l212l2 6 2l22l21 722l1 2 21 82212l12 表2 1 1 正交设计级配表 筛孔 心衄j 3 1 52 6 51 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 6o 30 1 50 0 7 5 级鲲 级配1 撑 1 0 09 57 26 15 33 92 21 2l l8654 级配2 撑 1 0 09 57 26 15 33 91 264 2 1 l 0 级配3 撑 1 0 09 57 26 13 52 52 21 242ll0 级配钟 1 0 09 57 26 13 52 5 1 2 1 l1 18654 1 6 长安大学硕士学位论文 续表2 1 1 正交设计级配表 筛孔 巡u n ) 3 1 52 6 51 91 61 3 29 54 7 52 3 6 1 1 8o 60 3 0 1 50 0 7 5 级嬲 级配5 撑1 0 07 57 26 15 32 52 2 1 11 1 2l1o 级配钟1 0 0 7 57 26 15 32 51 21 255544 级配硝1 0 07 57 26 13 53 52 26555 4 4 级配8 撑1 0 07 5 7 26 13 53 51 21 21 12110 2 正交试验结果与方差分析 1 | 、2 撑、3 群、4 撑、5 撑、6 弹、7 撑、8 # j k 种级配，通过大马歇尔试验成型试件，采用克 拉玛依9 0 # 沥青，在各自的最佳油石比下，采用体积法测定空隙率，结果见表2 1 2 。 表2 1 2 各级配的空隙率 级配 级配1 撑级配2 舟级配3 群级配甜级配5 撑级配甜级配硝级配8 撑 空隙率 1 4 61 9 21 7 61 8 61 4 71 9 81 9 51 6 9 ( ) 表2 1 3 方差分析结果 来源离差并入后离差自由度均方离差f 值 2 6 5 唧0 1 0 1 3 2m mo 3 2 9 5m m 0 0 3 4 7 5m m7 2 0 7 2 01 7 2 06 2 1 2 3 6l i m a1 2 01 2 0l1 2 01 0 3 1 1 8m i l l1 5 9 41 5 9 411 5 9 4 1 3 7 4 0 0 7 5i t i i t i2 1 02 1 0l2 1 01 8 l 误差 3 0 23 4 73 1 1 6 总合 2 9 9 l7 方差分析结果列于表2 1 3 。在表2 1 3 中，筛孔2 6 5 m m ，1 3 2 m m ，9 5 m m 的离差平 方和相对很小，这三项的作用很不显著。为了提高检验的效果，把筛孔2 6 5 m m ，1 3 2 m m ， 9 5 m m 的离差平方和并入误差离差平方和中，并取误差的自由度为以上三项的自由度之 和。 1 7 第二章o l s m 集料级配组成设计 假定显著水平a = l o ，查表得f o 1 0 ( 1 ，3 ) = 5 5 4 。筛孔4 7 5 m m 和1 1 8 m m 的f 值 都大于5 5 4 ，所以筛孔4 7 5 m m 和1 1 8 m m 的通过率对级配的空隙率影响显著。 2 3 3 关键筛孑l 与空隙率的关系 采用回归分析法进一步确定4 7 5 m m 和1 1 8 m m 筛孔通过率分别对空隙率的影响关 系。 1 4 7 5 m m 筛孔通过率对空隙率影响回归分析