（道路与铁道工程专业论文）沥青混合料高温稳定性评价指标和级配设计方法研究.pdf

摘要 本文通过对陕西省高速公路车辙病害的调查分析，对较好路段及车辙严重段的级配 曲线和混合料组成的分析，得出车辙病害的主要原因在于级配不合理，车辙的类型主要 是失稳性车辙，剪切流动变形是永久变形问题的主要发生机理，所以提高混合料的抗剪 切流动变形能力是解决车辙问题的关键。 通过比较分析沥青混合料高温性的各种试验方法和相应的评价指标，结合车辙病害 机理分析，指出动稳定度指标的存在的不足。基于压实理论分析，本文首次提出了“综 合稳定系数c s i 的概念，作为沥青混合料永久变形评价指标，基于现有车辙试验设备， 给出了综合稳定系数的计算公式。该指标综合考虑了压实过渡期和压实稳定期的变形， 能更好的评价沥青混合料的高温稳定性，并通过分析综合稳定系数与力学指标劲度模量 之间的相关性，建立两者之间的关系模型，验证了综合稳定系数的合理性。 通过建立散体细观力学模型，推导出散体剪切模量的理论计算公式，通过球体在空 间不同排列方式的统计分析，得出了散体相对密度d 与单位体积接触面数目n1 。呈线 性关系，根据建立的回归模型确定散体颗粒接触面数目，为建立测试粗集料剪切模量的 基本方法提供更深层次的力学参考依据。 结合逐级填充理论，首次提出了以集料散体的剪切模量为主要控制指标的“多级抗 剪密级配m a s 设计方法。保证了设计的级配有最大的抗剪切能力，以提高混合料的高 温稳定性。对设计出的多级抗剪密实级配m a s 一2 0 进行路用性能检验，选取了的五条很 有代表性的级配曲线进行比较分析，试验结果证明了多级抗剪密级配m a s 一2 0 的高温稳 定性和水稳定性都很好，说明多级抗剪密级配适合于高温多雨地区高速公路中面层的设 计要求，印证了m a s 级配设计方法的合理性。 关键词：沥青混合料； 高温稳定性； 评价指标；综合稳定系数； 散体细观力学； 剪切模量； 级配设计方法；路用性能； a b s t r a c t t h r o u g ht h ef i e l di n v e s t i g a t i o no fr u t t i n go fa s p h a l tp a v e m e n t si ns h a a n x ip r o v i n c e e x p r e s s w a ya n da n a l y s i so fg r a d i n gc u r v ea n dt h ec o m p o s i t i o no fa s p h a l tm i x t u r ei nd i f f e r e n t r o a ds e s s i o n ，w eh a v eg o o dr e a s o nt ob e l i e v et h a tt h ee x i s t i n ga s p h a l tm i x t u r ed e s i g nm e t h o d i sn o ta b l et om e e tt h er e q u i r e m e n to fh e a v yl o a dt r a f f i ca n dt h es h e a rf l o wd e f o r m a t i o ni st h e m a i nr e a s o no fr u t t i n gi np a v e m e n t ，s oi m p r o v i n gt h ea n t i s h e a ra b i l i t yo fa s p h a l tm i x t u r ei s t h ek e yo fs o l v et h ep r o b l e mo fr u ti np a v e m e n t t h r o u g ha n a l y z i n gm e r i ta n ds h o r t c o m i n go fd i f f e r e n tp e r m a n e n td e f o r m a t i o nt e s t m e t h o d sa n de v a l u a t i o ni n d e xo fa s p h a l tm i x t u r e ，i tw a sf o u n dt h a td y n a m i cs t a b i l i t yi n d i c t o r i ns t a n d a r dw a sn o tf i tt oe v a l u a t ep e r m a n e n td e f o r m a t i o no fa s p h a l tm i x t u r e b a s e do nt h e c o m p a c t i o nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dan e we v a l u a t i o ni n d e x - - c o m p l e x s t a b i l i t yi n d e xt oe v a l u a t et h eh i g h - t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo fa s p h a l tm i x t u r ec o m p r e h e n s i v e l y c o n s i d e r i n gc o m p a c t i o np e r i o do ft r a n s i t i o na n dc o m p a c t i o ns t a b i l i t yp e r i o da n dg i v et h e c a l c u l a t i o nf o r m u l a so fc o m p l e xs t a b i l i t yi n d e xu s i n gp r e s e n tr u t t i n gt e s te q u i p m e n t t h o u g h b u i l d i n gt h ec o r r e l a t i o nm o d e lb e t w e e nc o m p l e xs t a b i l i t yi n d e xa n ds t i f f n e s sm o d u l u s ，a u t h o r p r o v e dt h er a t i o n a l i t yo fc o m p l e xs t a b i l i t yi n d e x t h r o u g hb u i l d i n gt h em o d e lo fg r a n u l a rm a t e r i a lm e c h a n i c s ，a u t h o ra c q u i r e dt h ef o r m u l a o fs h e a rm o d u l u s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fd i f f e r e n ts p h e r e sa r r a n g e m e n tm o d e l ，a u t h o r a c q u i r e dt h el i n e a rr e l a t i o nb e t w e e nr e l a t i v ed e n s i t ya n dt h en u m b e r so fc o n t a c ta r e a si nu n i t v o l u m e ，w h i c ha f f o r dt h em e c h a n i c sb a s i st ot e s tt h es h e a rm o d u l u so fc o a r s ea g g r e g a t e a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fm u l t i l e v e lf i l l i n g ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r da n e wg r a d i n gd e s i g n m e t h o d ( t h em u l t i l e v e la n t i - - s h e a rg r a d i n gd e s i g nm e t h o d ) t oi m p r o v et h ea n t i - s h e a f i n g a b i l i t yo fa s p h a l tm i x t u r e ae x a m p l eo fd e s i g ni sg i v e na n de x p e r i m e n ti sd o n et o t e s tt h e p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，a n dt h r o u g hc o m p a r i n gt h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c eo fm a s 一2 0t o o t h e r g r a d i n ga s p h a l tm i x t u r e ，t h e t e s tr e s u l ts h o w e dt h a tt h em a s - 2 0h a v eg o o d h j g h - t e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n dw a t e rs t a b i l i t y , w h i c hp r o v e dt h er a t i o n a l i t yo f m u l t i l e v e la n t i s h e a rg r a d i n gd e s i g nm e t h o d k e y w 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 es t a b i l i t y , e v a l u a t i o ni n d e x ， c o m p l e xs t a b i l i t yi n d e x ， g r a n u l a rm a t e r i a lm e c h a n i c s ， s t i f f n e s sm o d u l u s ， g r a d i n gd e s i g nm e t h o d ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c e 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： 红羟磷 7 年12 月衫日 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：矗击、诅成叫u 1 年1 1 月码日 导师签名：截砀簪7 年，专月j 3 日 长安大学博士学位论文 第一章绪论 1 1问题的提出及研究意义 近几年来，随着我国高速公路建设事业的迅猛发展，交通及气候条件对高速公路路 面使用性能的要求也越来越高。一方面高速公路行驶车辆的重载，超载现象严重，并且 渠化交通加重了车辆轴载对路面的破坏；另一方面，我国多数地区四季温差变化很大， 沥青路面经受着气候条件变化的考验0 为提高沥青路面的路用性能，满足车辆快速、舒适、安全通行的要求，必须使其具 有较好的力学特性、稳定性和耐久性。具体表现为： ( 1 ) 强度高，不会在行车荷载的重复作用下产生早期疲劳破坏，影响沥青路面的 使用品质； ( 2 ) 高温稳定性好，即在高温季节具有良好的抗车辙能力和抗行车水平荷载推挤 的能力，不至于产生车辙、波浪、推移、拥包等病害； ( 3 ) 低温抗裂性能好，即使沥青路面在低温时具有较低劲度和较大的抗变形能力， 从而能抵抗大的温度应力或收缩应变而不开裂或少开裂； ( 4 ) 水稳定性好，即抵抗因受水的侵蚀而逐渐产生沥青膜剥离、掉粒、松散、坑 槽破坏的能力，避免造成道路的水损害； ( 5 ) 耐疲劳性能好，即在反复荷载作用下有较高抗破坏的能力，防止长期处于应 力应变交迭变化状态的路面结构强度迅速下降，出现裂纹，产生疲劳断裂破坏； ( 6 ) 抗滑性能好，即应具有良好的微观粗糙度和宏观粗糙度，以保证在路面潮湿 时，车辆能高速安全行驶，并且在外界因素的作用下其抗滑能力不致很快降低； ( 7 ) 抗老化性好，即对各种自然因素的影响具有良好的抵抗能力，使面层混合料 中的沥青性质不易发生变化，避免因沥青老化而导致沥青路面性能衰减： 对沥青路面而言，影响上述路用性能的因素主要包括原材料性质、集料级配、路面 结构、交通环境、气候条件、施工技术水平等。然而上述因素的影响并不是孤立的，而 是相互制约甚至相互对立的，提高了某一方面性能就有可能削弱另一方面性能，因此沥 青混合料的设计就是寻找各种路用性能之间的平衡点或进行优化组合的过程。 我国已经进入到高速公路的快速发展期，很多高速公路相继通车，为交通运输事业 的发展起到了极大的推动作用，但是应该看到的是，一些路段的路面在使用过程中出现 第一章绪论 了程度不同的破坏现象，尤其在交通量较大、重载、超载车辆较多的路段上，路面的破 坏现象体现的更为明显，这其中比较显著而且危害较大的是沥青路面的车辙现象。 根据研究表明，由于车辙引起的路面损坏所占的比例有愈来愈大的趋势。7 0 年代由 美国a a s h t o 发起，在美国各州进行的路面损坏调查表明，在州际公路和主要公路上， 由于车辙所导致的路面损坏约占3 0 ，8 0 年代日本由于车辙所引起的路面损坏比例高 达8 0 k 4 9 1 , 在我国随着交通量的不断增大以及车辆行驶的渠化，高等级道路沥青路面 产生的车辙日趋严重，在城市的主要干道的交叉口路段和行车渠化严重的非交叉口路 段，甚至高速公路上的某些路段，在交通开放后不久便出现过量的车辙，因此对于车辙 问题的研究是极为迫切且具现实意义的工作。 所谓车辙是指沥青路面在行车荷载反复作用下竖直方向产生永久变形的积累，这种 变形主要发生在高温季节。车辙已经成为当前沥青路面三大破损形式( 车辙、疲劳、低 温开裂) 中最为突出的问题。路面中车辙的产生了影响了路面的平整度，而轮迹处沥青 层厚度减薄，削减了面层以及路面结构的整体强度，从而易于诱发其他病害，雨天路表 排水不畅，降低了路面的抗滑能力，甚至会由于车辙内积水而影响高速行车时的安全性， 车辙还可能影响车辆在超车或变更车道时的操作稳定性。由此可见，车辙的产生，严重 影响了路面的使用寿命和服务质量。 进入九十年代以后，我国新建的高等级公路9 0 以上采用半刚性基层沥青混凝土面 层的结构型式。面层厚度通常采用三层式结构，总厚度在1 2 2 0 c m 之间；基层选用无 机结合料稳定粒料，厚度在1 5 2 5 c m 之间；底基层一般采用无机结合料稳定土，厚度 在1 5 4 0 c m 之间。沥青路面在使用期间，要经受从低温到高温不同环境条件的考验。 所谓的沥青路面高温稳定性习惯上是指沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力， 对于半刚性基层沥青路面的车辙主要源于沥青混合料层的永久变形，因此正确评价沥 青混合料的抗永久变形能力对于有效防治车辙病害具有重要意义。本文通过理论分析及 试验研究，从半刚性基层沥青路面的结构功能上分析，优化中面层的级配设计方法，提 出满足重载交通沥青路面要求的级配设计方法，以期能较好的提高沥青混合料的高温稳 定性，减少目前高速公路普遍存在的车辙病害。 2 长安大学博士学位论文 1 2 目前研究现状 1 2 1研究历史 国内外的研究者对沥青路面车辙问题的研究已经有相当长的历史： 在1 9 6 2 年的第一届c s d a p ( 国际沥青路面结构设计会议) 上，壳牌石油公司提出 了第一个同时考虑疲劳和车辙的沥青路面结构设计方法，这个方法是通过限制路基顶面 的垂直压应变来控制车辙的。 在1 9 7 2 年的第三届c s d a p 上，各国的研究人员提出了一些预测柔性路面车辙的方 法，这些方法利用路面材料的基本性能，以不同的方式计算荷载和环境条件对车辙量的 影响。 在1 9 7 6 年由t r b 发起的关于沥青路面车辙的讨论会上，特别强调车辙深度预测和 用于定义沥青混合料特性试验方法。 在1 9 7 7 年的第四届c s d a p 上，许多研究人员发表了相当数量与限制车辙深度和车 辙预测方法有关的报告，主要包括： ( 1 ) 根据观察的车辙性能的统计方法： ( 2 ) 限制路基应变的方法； ( 3 ) 蠕变试验数据结合弹性理论分析的方法； ( 4 ) 线粘弹性理论分析的方法。 此后，沥青路面的车辙问题得到相当程度的控制，近年来，随着柔性基层以及我国 偏向使用的厚沥青面层半刚性基层沥青路面结构，路面车辙问题又重新为人们所认识。 特别是近年来，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，超载超 限车问题越来越突出，我国公路沥青路面的永久变形问题已经成为一个引人注目的普遍 性问题。 1 2 2 关于车辙分类的研究 国际上常将沥青路面的车辙分为三种类型： ( 1 ) 结构性车辙由于荷载作用超过路面各层的强度，车辙主要发生在沥青面层 以下，包括路基在内的各结构层中。 ( 2 ) 流动性车辙或失稳性车辙高温条件下，车轮碾压的反复作用，荷载产生的 剪应力超过沥青混合料的抗剪强度，即稳定度极限，使流动变形不断累积形成车辙。 方面是车轮作用部位下凹，另一方面车轮作用甚少的车道两侧反而向上隆起。 3 第一章绪论 ( 3 ) 磨损性车辙由于沥青路面结构顶层的材料在车轮磨耗和自然环境因素作用 下持续不断地损失形成，尤其是汽车使用了防滑链和凸钉轮胎后，这种车辙更容易发生。 磨耗型车辙多发生于冬季冰冻期较长的地区，在该地区，为了使车辆在结冰的路面上能 够安全行驶，往往在轮胎上嵌入防滑钉，这样的轮胎在与路表接触后会生产一定的物理 磨耗，使得路表行车部位结构层减薄。磨耗型车辙不属于沥青路面高温稳定性的研究范 畴，而且这种车辙类型在我国绝少发生，不被列为永久变形问题的主要研究对象。 在较早的车辙问题研究中，结构型车辙曾被作为最主要的永久变形类型。基于这种 认知水平，沥青路面永久变形的研究被限定在路基和基层结构内，而对沥青层涉及的变 形内容则予以忽略。例如，美国地沥青协会研究的舢模型即认为沥青路面的车辙主要 来自于路基内的永久变形，而混凝土层、基层( b a s e ) 、底基层( s u b b a s e ) l 约永久变形可通 过改进这些结构层的材料设计和施工规范来控制，所以这些结构层不是产生永久变形的 主要原因。该模型最终采用路基顶面的竖向永久变形和达到永久变形失效时荷载的作用 次数描述，并将永久变形失效定义为路面产生1 3 m m 到1 9 m m 车辙深度时对应的路面状 态。然而正是由于该模型所基于的假设从一开始就排除了上部沥青结构层所产生的永久 变形，所以最终的实际观察结果与模型的计算结果有较大出入，特别是当一些因素显著 影响沥青混合料的永久变形行为时，更有可能使模型预测结果产生较大的离散性。1 9 8 5 年修正的s h e l l 车辙预估模型也具有类似特点，由于s h e l l 模型也没有考虑路基之外 其他结构层次对路面永久变形的影响，所以采用该模型预测的车辙结果仍然不能与路面 的实际情况建立起良好的相关性1 5 7 j 。 目前我国所见的车辙基本上都属于失稳性车辙。我国目前施行的。公路沥青路面设 计规范中的设计方法是以容许弯沉和容许应力为设计指标，对车辙对道路使用性能的 考虑不足。而目前我国修建的高等级道路沥青路面多采用采用半刚性基层沥青路面，路 面结构组合为：上部为沥青混合料层，中部为半刚性材料层，下部为经过严格处理与压 实的路基。由于这类路面结构的沥青层越来越厚；半刚性基层刚度与厚度较大且路基稳 定而密实，根据路面结构中的应力分布规律可知，路基的受力及变形必然很小，路基的 永久变形则更小，而半刚性材料层由于其刚度特性，所产生的永久变形也可以忽略不计。 因此，路面结构的永久变形主要集中在沥青混凝土面层。大量的试验路观测和计算结果 表明，路基和基层的永久变形占了路面总永久变形的1 0 以下，因此，这类路面的车辙 9 0 以上产生于沥青层的永久变形，在国外所进行的调查中，也得到了同样的结论【6 1 】。 这种路面结构使得路基和基层产生的永久变形占路面总永久变形的比例较低，而主要的 4 长安大学博士学位论文 永久变形则发生在沥青混合料层。因此，沥青层的永久变形对半刚性基层沥青路面的永 久变形计算结果起决定性作用。 由上述永久变形的实际发生状况和研究结论可知：由面层沥青性质变化引起的失稳 型车辙是沥青路面永久变形的主要研究对象，而且跟据相关研究，中面层的沥青混合料 的稳定性对抵抗车辙贡献最大，本文将以中面层的级配设计为主。 1 2 3 车辙预估模型评述 对于路基、基层永久变形的预估方法，通常是利用三轴试验或承载板试验，建立永 久变形同荷载及材料特性之间的统计关系。随着施工技术的提高、施工质量控制以及半 刚性材料基层的广泛应用，路基和基层产生的永久变形占路面中永久变形的比例越来越 低，而沥青层永久变形所占的比例则相对增加。 早期研究中，用于设计沥青路面结构和判断路面使用性能的主要指标是加州承载比 ( c a l i f o r n i ab e a r i n gr a t i o n ，缩写为c b r ) 和其他反映路面材料抗荷能力的经验性指标， 沥青路面研究中很少涉及到永久变形及其预估方法的研究。直到1 9 6 2 年的第一次国际 沥青路面结构设计会议上，壳牌石油公司正式提出了第一个兼顾疲劳和永久变形病害机 理的沥青路面结构设计方法，永久变形预估才受到道路工作者的重视。 在以路基形变为基础的永久变形预估模型被广泛应用的同时，一些研究者以沥青层 永久变形为基础建立的永久变形模型在实际应用中取得了良好的结果，特别是到1 9 8 7 年第六次国际沥青路面结构设计会议时，将沥青路面的永久变形机理明确为沥青混合料 的剪切流动变形机理，并将动态力学试验和层应变分析结合起来预测足尺试验路的永久 变形取得了显著成效后，沥青材料层永久变形预估模型的优越性引起了研究者的兴趣 【3 9 1 。此后，以失稳型永久变形作为研究对象，以沥青材料层的永久变形作为基本变形内 容来建立沥青路面的永久变形预估模型成为主流的研究方向。 多年研究成果的积累，使得以沥青层永久变形为基础建立的永久变形预估模型具有 丰富多样的形式。沥青混合料层永久变形的预估方法分为三类，分别为：统计法、理论 统计法、理论法。其中统计法是通过对沥青混合料进行三轴试验，建立沥青层的永 久变形同荷载及材料特性之间的统计关系式，在此基础上，结合路面结构应力分析及有 关的材料性能实验，确定沥青层在荷载作用下产生的车辙。在徐的研究中，统计法实为 经验方法，该方法的主要特征是采用统计方法建立沥青层永久变形与沥青材料参数、荷 载作用次数的经验关系。由统计法建立的经验模型没有考虑路面结构的整体效应，模型 5 第一章绪论 结构中也很少、甚至没有涉及到沥青材料的力学参数，不能对混合料的力学性能有较深 入的概括，所以统计模型只能应用于非常具体的环境，应用局限性较大，难以推广。理 论一统计法是采用弹性或粘弹性层状体系理论求解路面的应力、应变，再结合沥青材料 试验，统计出沥青层的永久变形同路表形变、材料性质参数和荷载作用次数之间的经验 关系，路面的总永久变形为各层变形的累加。理论法是利用弹性或粘弹性层状体系理论 计算路面内应力分布，然后根据路面材料的永久变形同应力之间的关系，求得沥青层的 永久变形。 一 我国对永久变形预估模型的研究开展得较晚，但目前也已取得了系统的研究成果。 代表性的预估方法包括，同济大学徐世法等采用线粘弹性层状体系理论结合沥青材料的 粘弹特性建立的预估模型；东南大学李一鸣等根据理论分析和轮辙试验建立的指数型车 辙预估模型；西安公路学院张登良等采用弹性层状体系理论结合沥青材料的流变学模型 建立的预估模型。同济大学提出的永久变形预估模型更倾向于理论法；东南大学提出的 模型为半理论半统计方法；西安公路学院提出的模型为理论法。 层应变法和粘弹性法都是目前国外永久变形预估采用的主要方法，其中，层应变法 因采用线性或非线性弹性理论而使得模型的建立更为简易，但由于弹性理论不能反映在 较高路面温度下沥青材料的实际粘弹特性而使得模型具有较大的理论局限性；粘弹性方 法在理论上更接近沥青材料的实际粘弹特性，但由于材料的粘弹性行为无论在数学计算 上，还是在当前常用的材料测试方法上均较难准确把握，所以目前以粘弹性方法建立的 预估模型，模型精度还有待于进一步提高。一种理想的研究方法是：如果能在测试过程 中使沥青材料的受力状态更接近于路面材料在轮载作用处的实际受力状况，则材料的粘 弹特性就能被更准确地把握，以此为基础建立的预估模型也就会具有更高的精度。 如前所述，早期的永久变形( 车辙) 预估模型多采用结构型车辙作为主要研究类型， 并以路基顶面的竖向永久变形作为最主要的变形内容，在多年研究中，这种“控制路基 顶面永久变形”的预估方法一直是建立永久变形预估模型的主流方法，但实际应用发现， 这种模型的预测结果不能与路面实际的永久变形状况建立起良好的相关性l 本文也不把 车辙预估模型作为研究重点。 1 2 4 沥青混合料永久变形评价方法及指标 通过多年实践探索，研究者发展了形式多样的永久变形测试和评价方法，根据这些 试验方法的测试特征，可将其划分为两种类型：其一为经验测试方法；其二为力学测试 6 欧安大学博士学位论文 方法。 常用经验性方法的基本特征是使试验设备尽量模拟轮载对路面的作用形式，在相近 的路用条件下测试混合料的变形特征，预测混合料抗永久变形的能力。国内外最常用的 经验方法是小型往复式轮辙试验法，代表性的试验仪器包括英国的w h e e lt r a c k e r 单轮 试验仪、法国l c p c 轮辙试验仪( t h ef r e n c hl c p ct e s t e r ) 、佐治亚州沥青路面分析仪( t h e a s p h a l tp a v e m e n ta n a l y z e r ，简称a p a ) 、汉堡轮辙试验仪( t h eh a m b u r gw h e e l t r a c k i n g d e v i c e ，简称r i w r d ) 等咖1 。除了小型往复式轮辙试验仪外，目前的经验测试方法还包括 大型环道试验、大型加速加载试验等。所有经验方法的基本测试特点是根据轮载的作用 次数记录被测试件的变形量，并以轮辙深度的绝对值或相对值作为评价混合料永久变形 特性的指标。我国在“七五”期间研制的轮辙试验仪与英国的w h e e lt r a c k e r 试验仪具 有相似的特点，并且采用轮辙深度的相对值( 动稳定度) 评价混合料的永久变形特性。 经验测试方法的最大优点是能够充分模拟路面的实际环境条件和轮载对路面的实际作 用情况，从而较直观地了解混合料的永久变形特性；经验测试方法的最大缺点是不能在 测试过程中获取混合料变形行为的力学信息，因此不能采用力学方法深入探讨混合料永 久变形特性的内在规律。 混合料永久变形特性力学评价方法的基本特征是通过试验测取混合料在特定条件 下的应力变形规律，根据该规律获取用于表征混合料抗永久变形能力的力学指标。 简单地讲，凡是能够在测试过程中获取荷载与材料变形响应关系的试验方法均可作为混 合料永久变形的力学评价方法。目前被用来测试混合料永久变形响应的主要试验方法可 列举为： 1 ) 轴向应力试验：包括无约束圆柱型试件的静态蠕变、动态重复及动态力学试验， 其中静态蠕变试验是最简单、也是最常用的应力一变形测试方法；动态重复和动态力学 试验被认为是能够有效模拟路面车辆荷载作用的变形测试形式，也是目前研究混合料抗 永久变形能力动态力学参数的重要试验方法。 2 ) 三轴应力试验：三轴试验属于有约束试验，包括三轴静态蠕变、三轴动态重复 和三轴动态力学试验。三轴试验被认为可以模拟混合料在路面中实际受到的剪切作用， 测试过程中能够对试件施加较大范围的正应力和侧向约束应力。然而有文献表明：三轴 试验不能模拟路面上方结构层次中材料的实际受力状态，并且在较高路面温度下，由于 混合料具有复杂的粘弹特性，材料在路用状态下实际受到的侧向约束效应( 自然约束效 应1 难以通过三轴试验来模拟。 7 第一章绪论 3 ) 径向和弯曲蠕变试验：径向蠕变和弯曲蠕变试验在材料的受力状态和变形响应 两方面都不能充分模拟路面材料的实际受力和变形特征，因此这两种试验方法都不是理 想的永久变形应力学测试方法。 4 ) 简单剪切试验：该方法源自土力学直剪试验并被认为最能充分模拟路用状态下 沥青混合料的实际受力状态，然而目前该方法用于测试混合料永久变形特性的能力还没 有经过充分的实践检验，并且已有的研究结果表明：该试验获取的永久变形评价结果与 实际路面破坏状态间不能形成良好的相关性，所以到目前为止，该方法还处于进一步完 善中，远未达到广泛应用的程度。 同济大学的最新研究，通过三维有限元分析提出采用单轴贯入试验作为评价沥青混 合料抗剪能力的试验方法，并研究了各项试验参数。单轴贯入试验的应力分布与路面实 际情况比较接近，其最大剪应力发生的位置与路面在荷载作用下的最大剪应力位置一 致，采用单轴贯入试验作为评价沥青混合料抗剪能力的试验方法。6 总之，以沥青材料的路用性能为基础，全面把握永久变形问题的研究范畴，探讨重 要因素对混合料永久变形特性的影响，是有效防治沥青路面永久变形病害的重要前提； 此外，只有深刻理解沥青路面永久变形的发生机理，掌握路用状态下沥青混合料的受力 变形实质，才能开发出更有效的测试混合料永久变形响应的力学试验方法。 不管是经验测试方法还是力学测试方法，有效、实用的永久变形试验方法应该能使 材料测试在应力状态、温度状态等方面尽量接近路面的实际情况，使混合料的永久变形 测试具有良好的现场模拟性；此外，为了使所研究的试验方法能够被多数道路技术部门 接受，方法本身应在测试程序方面、仪器设备方面具备易于操作的特点。本文在沥青混 合料高温稳定性评价指标的研究中将重点研究既能模拟路面实际情况又简单易于推广 的试验方法和评价指标。 1 2 5 半刚性基层沥青路面车辙病害研究 半刚性基层沥青路面在我国有着广泛的应用，如何解决半刚性基层沥青路面的车辙 病害成为道路工作者的重点研究的问题。沥青路面混合料的性能非常复杂，其中有大量 相互影响的因素，影响沥青路面车辙产生的原因很多，内因主要反映在材料本身的质量 上，而外因则主要包括气候条件和交通条件，及施工质量对路面车辙的影响。一个因素 的变化将会影响其他因素，当内因、外因及其他因素结合在一起时就会对沥青路面车辙 的形成产生综合影响。 8 长安大学博士学位论文 影响沥青混合料永久变形特性的主要因素是复杂多样的，根据各因素对永久变形特 性的作用性质，本文将其归结为环境因素和材料因素两类，具体内容简述如下： 1 ) 环境因素：环境因素包括交通环境和自然环境，其中交通环境对混合料永久变 形的影响主要包括交通量、轴载、荷载作用速率等因素对永久变形特性影响。自然环境 对混合料永久变形的影响主要包括温度、水分对沥青混合料永久变形特性的影响。由于 沥青路面的永久变形主要发生于高温季节，所以温度对混合料永久变形特性的影响不言 而喻。众多观察结果表明：当水侵入沥青混凝土内部时，水稳定性和高温稳定性不良的 混合料会在轮载作用下造成沥青剥落，面层失去应有的抗压强度和抗剪切强度，致使整 体的结构强度降低，特别是在较高的路面温度和荷载条件时，这种情况更为明显，并会 因此导致严重的永久变形l 矧。 2 ) 材料因素：影响沥青混合料永久变形特性的重要材料因素包括集科、结合料、 集料级配、混合料体积性质等，各因素对混合料永久变形特性的影响具有如下特点： a ) 集料对永久变形的影响主要由集料自身的物理性质和表面性状决定，表面纹理 粗糙的集料较光滑的集料抗永久变形能力更好：采用质地坚实、棱角性大的粗集料，对 减小永久变形有积极作用；增大集料的最大粒径，沥青路面的抗永久变形能力增强。 b ) 结合料对混合料永久变形特性影响的研究多集中在两方面，其一为探讨结合料 品种、含量、改性技术等与混合料永久变形的关系：其二为探讨结合料流变性、粘弹性 等力学性质对混合料永久变形特性的影响。在以“剪切流动变形机理分析沥青路面的 永久变形问题时，结合料品种对混合料抗永久变形能力伪影响主要具有如下特点；劲度 高的结合料，其稠度也高，故在较高温度下，沥青结合料仍具有较大的粘滞性，使得混 合料在高温下抗流动变形的能力较强，混合料结构易于维持稳定：劲度低的结合料，其 稠度亦低，在较高温度下，结合料的粘滞度会迅速下降，使得混合料的抗荷载能力明显 下降，混合料易于产生永久变形。混合料中结合料含量对混合料永久变形特性的影响是 通过结合料与集料的相互作用来实现的：沥青包裹在集料表面，形成具有一定厚度的沥 青膜，这种沥青膜通常由自由沥青与结构沥青构成，结构沥青作用于集料表面，是沥青 中提供粘结强度的主要部分：自沥青是使集料间产生相对滑移的润滑成分，它本身不与 集料直接作用，并且其自身的抗剪切能力也较低，适量的自由沥青有利于增加沥青混合 料的旄工和易性，但较高的自由沥青含量因使集料间易于产生剪切滑移而加剧混合料的 永久变形。 c ) 集料级配一直被认为是决定混合料永久变形特性的重要材料因素，_ 些研究者 9 第一章绪论 甚至认为设计合理的级配是改善混合料抗永久变形能力最有效的手段。较早的级配研究 成果表明：密级配混合料因具有较高的强度而可以减轻路面的永久变形，经过适当压实， 密级配混合料有比开级配混合料更小的空隙率和更多的颗粒接触点，因此前者更有机会 形成稳定的混合料结构和更强的抗永久变形能力。随着研究的不断深入，关于级配对混 合料永久变形的影响已有不同的认识，特别是对间断级配和开级配混合料，如沥青玛蹄 脂碎石混合料( s m a ) 等，研究者认为由于这些混合料的粗集料间相互接触并形成骨架， 所以对改进，混合料的抗永久变形能力也具有良好的效果。用于提高混合料抗永久变形 能力的级配可有多种选择，其中，使混合料具有相互嵌挤的集料结构是形成稳定混合料 结构的前提条件，但针对特定的应用环境，混合料级配的选择应综合考虑更具体的性能 要求。 d ) 体积性质对混合料永久变形特性的影响主要表现为材料的密实度对混合料的结 构强度和热稳定性的影响。对于以马歇尔方法设计的混合料，建议将混合料的空隙率维 持在4 的水平，以使混合料具有较高的结构强度，同时混合料的空隙率应不低于3 ， 以使混合料维持良好的热稳定性，避免形成泛油。c o o p e r 等也建议在满足混合料热稳定 性的前提下将混合料的矿料间隙率( v m a ) 维持在一个较小的数值范围内1 7 1 1 。体积性 质对永久变形的作用可大致分为直接方式和间接方式：直接作用方式可归结为混合料密 实度对结构强度的影响，通常来讲，较密实的混合料可提供较高的力学强度，对于抵抗 车辆荷载有积极作用：间接作用方式主要反映为较小的密实度会加剧诸如沥青老化、水 渗入等一些不利因素对沥青混合料稳定性的影响，造成沥青混合料耐久性变差，材料的 整体结构强度降低，抗永久变形能力下降。 从以上分析可知，由面层沥青性质变化引起的失稳型车辙是沥青路面永久变形的主 要研究对象，抗剪不足是半刚性基层沥青路面破坏的根本原因，其中集料级配一直被认 为是决定混合料永久变形特性的重要因素，本文主要以级配设计方法为研究对象，同时 提出混合料高温稳定性的评价指标。 1 3 待解决的问题 由于沥青材料在较高路用温度时具有粘弹特性，同时影响沥青材料永久变形特性的 环境因素和材料因素具有多样性、复杂性等特点，所以沥青材料永久变形问题至今仍是 一个世界性的难题，防治沥青路面的车辙成了世界各国公路技术人员的重要研究课题。 在重载交通非均布荷载作用下，沥青路面的表层内将产生较大的剪应力，路面结构 1 0 长安大学博士学位论文 在重载交通非均布荷载作用下，沥青路面的表层内将产生较大的剪应力，路面结构 的晟大剪应力会随着基层模量的增加而增大，说明半刚性基层刚度的增加对路面结构， 特别是面层的抗剪特性是不利的，同时现在沥青混合料设计和评价过程中对抗剪能力研 究的不足，基于经验的马歇尔设计方法与路用性能相关性较差，并且没有考虑沥青混合 料的抗剪能力，根据实测沥青混合料的抗剪强度值比较发现，材料的抗剪强度接近有的 甚至于小于材料所承受的剪应力，说明当沥青混合料未按着抗剪强度设计时，很可能在 一次或几次荷载作用下就产生了剪切疲劳破坏，这是目前半刚性基层沥青路面在通车初 期发生大面积损坏的根本原因。 通过对目前研究现状的分析，有一些问题目前急需解决： 1 ) 沥青混合料高温稳定性试验方法目前还没有找出一个简单易操作，又能很好的 模拟路面实际情况的方法。 2 ) 沥青混合料高温稳定性评价指标有很多，都存在一些缺点，还没有一种指标能 集其他各项指标的优势，综合评价沥青混合料的高温稳定性。 3 ) 没有建立集料散体剪切模量的理论基础和测试方法，在集料级配设计中考虑没 有考虑抗剪切能力。 4 ) 没有找出一种很好的级配设计方法，增强沥青混合料的抗剪能力，提高沥青混 合料的高温稳定性，减少路面车辙病害的产生。 如果能在这些问题上提出具体而有针对性的解决方案，对于有效防治沥青路面车辙 病害具有积极的现实意义。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 本文的研究内容 本文在目前国内外对沥青混合料高温稳定性研究的基础上，针对现行规范配合比设 计中存在的问题及不合理性，对高温稳定性评价指标及集料级配的组成设计进行深入研 究，从而在提高沥青路面抗车辙能力的同时，探索更加有效的级配设计方法和更合理的 高温稳定性评价指标及其计算方法。研究内容如下： 1 沥青混合料高温稳定性评价指标研究 ( 1 ) 分析车辙形成机理； ( 2 ) 比较分析目前常用的几种评价沥青混合料高温稳定性试验的优缺点； ( 3 ) 根据压实理论，提出沥青混合料高温稳定性新的评价指标和计算公式： 第一章绪论 ( 4 ) 分析新指标的合理性，给出新指标与沥青混合料劲度模量的回归模型。 2 抗车辙级配设计方法研究 ( 1 ) 建立散体细观力学模型，分析集料散体的剪切模量计算公式。 ( 2 ) 按照球体在空间的不同排列模式的统计分析，得出散体材料剪切模量基于试验 可测值的估计方法。 ( 3 ) 依据逐级填充理论，以集料的剪切模量控制逐级填充，确定粗集料的级配，逐 级填充细集料，并根据体积法确定粗、细集料的合理比例，提出“多级抗剪密级配设计 方法 的步骤。 3 设计实例及路用性能研究 ( 1 ) 根据半刚性基层沥青路面典型结构形式，分析路面结构中的主抗车辙区，按照 结构和材料设计一体化，确定材料的最大公称粒径。 ( 2 ) 按照“多级抗剪密级配设计方法 设计出m a s 一2 0 级配，并进行路用性能试验， 对比分析设计级配与新规范级配中值和以及上、下限级配的路用性能，提出“多级抗剪 密级配设计方法 的适用范围。 1 4 2 技术路线 本文在压实理论和混合料剪切流动变形机理分析的基础上，提出评价沥青混合料高 温稳定性的新指标，并分析此项指标与其他评价指标的相关性，验证车辙新指标的合理 性，同时按照逐级填充理论，以各级集料抗剪切能力最大为控制指标，研究多级抗剪骨 架密实级配设计方法，最后通过试验检验多级抗剪密级配沥青混合料的路用性能。整个 研究过程如图1 - 1 所示。 车皲机理分析 j 辜轱新评价指标 jj l 各种指标的对比 斯指标合理性分柝新指标的计苴公式 i i i 新指标与酋切力掌 旨标的相关性分析 j 多级抗剪骨桀密实_ 级配设计方法 j 路用性i 断究 ill l 高温稳定性li 低温抗裂性ii 水稳定性l 图1 - 1 技术流程图 1 2 长安大学博士学位论文 第二章高速公路路面车辙调查与分析 2 1高速公路路面车辙现状 近年来，陕西省修筑的几条高速公路均不同程度出现了较严重的车辙，有些路段通 车1 个月或半年后的第1 个夏季的高温期就产生深度1 0 - 5 0 m m 的车辙，有的甚至达 1 0 0 m m 以上，使路面平整度变差，并很快出现网裂、坑洞、坑槽等病害。车辙深度较 小时，对行车的舒适性没有明显的影响。但当车辙达到一定的深度时，车辙内就会积存 水，使水有较长时间透入面层。透入面层的水会使沥青混凝土的强度降低，也导致沥青 剥落和沥青混凝土层下部强度大量损失，甚至松散。其结果是表面车辙加快发展，车辙 产生裂缝，槽内沥青混凝土产生剪切形变并向槽两侧鼓起，车辙内沥青面层发生破坏。 当车辙深度达到积水的程度，不仅影响行车舒适，还影响行车安全。 特别是2 0 0 3 年夏季，由于连续高温天气，陕西省的铜黄高速公路、西安北绕城高 速公路通车才2 年就出现了大面积车辙，最严重的车辙深度达1 4 c m ，就连公认质量最 好的西三公路局部路段也出现了较严重车辙。 据有关资料介绍，其他省份的高速公路也出现了不同程度的车辙现象h 引。例如，在 辽宁，1 9 9 8 年通车的沈阳山海关高速公路2 年后就出现了较严重车辙；在河北，1 9 9 9 年1 0 月通车的北京秦皇岛高速公路，2 0 0 0 年7 月份就出现了断断续续的车辙；在广 东，2 0 0 0 年通车的机荷高速公路，在2 0 0 3 年7 月出现了严重车辙，车辙深度最大达8 c m ， 远超过设计要求的1 5 c r n 。由此可见，从属于热区的南方到属于寒区的北方，早期车辙 在高速公路上均普遍存在。 2 1 1 铜黄高速公路 经调查，铜黄高速公路车辙深度超过1 5 c m 的路段有3 7 处，共计约2 3 公里( 见表 2 - 1 ) ，其中最严重的路段为k