（道路与铁道工程专业论文）上面层沥青混合料抗车辙性能的研究.pdf

摘要 随着公路交通鼙的增加重载车辆的增多及渠化交通的形成，我国公路沥青路面的车辙 问题已经成为引人注目的普遍性问题。近年来，许多沥青路面都不同程度产生了车辙。i _ j 丁以 说车辙是道路破坏i j 勺主要形式之一。它除影响行车舒适往外，还对交通安全有直谈影响。 沥青路面上面层直接与荷载、外部环境相接触，在路面结构体系中处于最不利位置，同 时我国路面设计中一直倡导强基薄面的原则，这对上面层的结构强度提出了更高的要求。随 着新的路丽结构和材料的发展，我国近凡年越来趣多的采瑁了s b l a 、s u p 路面结构和改陆沥 青作为胶结料。但是这些新结构、材料之间缺少横向的比较，为此本次研究系统地比较了我 国常h j 的几种上面层混台料的抗车辙性能并通过环道试验比较研究了高温超载条件f 上面 层悦台料的抗变形能力， 影响车辙的因素很多。本研究结合沥青混台科抗车辙性能试验研究通过午辙试验，浸 水卞辙试验。以及人型环道试验系统地分析了沥青种类、用餐、矿料级配以及温度和交通荷 裁等因素对我国高速公路沥青路面上面层常用混合料s a h l 3 、s u p l 3 、a k 一1 3 a 抗车辙性能的 影响。在抗乖辙和抗水损害综合能力方面，相比普通重交沥青，改性沥青混合料有着明显的 优势。采用略高最佳沥青用量( o 5 ) 并不危及混合料的高温稳定性。大型环道试验结果 表明，高濡、超载条件f s m a l 3 和s u p l a 抵抗永久变形的能力明显优于a k 一1 3 a ：随配随_ l _ j 的高枯度教性沥青混合料的抗车辙能力最优。 关键词；s m a l 3 ，s u p l 3 ，a k 一1 3 a ，改性沥青高粘度改性沥青，车辙试验浸水车辙试验， 环道试验 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft r a f f i ca n dh e a v yv e h i c l e ，b l e e d i n ga n dr u t t i n ga r et h em o s tc o m m o n l y o b s e r v e dp a v e m e n td i s t r e s s e si nh i g h w a y s r e c e n ty e a r s ，m a n ya s p h a l ts u r f a c e sa r ea f f l i c t e db y r u t t i n gd a m a g e s i tw i l la f f e c tn o to n l yd r i v i n gc o m f o r tb u ta l s ot h ed r i v i n gs e c u r i t y t h es u r f a c em i x t u r ei sd i r e c t l yc o n t a c t e dw i t hs u r r o u n d i n g sa n ds t a y si nc r i t i c a ll e v e l i nw h o l e p a v e m e n ts t r u c t u r e i nc h i n a ，p a v e m e n td e s i g np r e f e r se n h a n c i n gt h em o d u l e so fs u b g r a d et o d e c r e a s i n gd e p t ho f s u r f a c e t h i sr a i s e sah i g hr e q u i r e m e n to f s u r f a c ep r o p e r t i e s r e c e n t l ys m a l 3 a n ds u p l3w i t hm o d i f i e db i n d e rb e c o m ep o p u l a rw e a r i n ga s p h a l tm i x t u r e si nc h i n af o r t h e i r p e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n a lp r o p e r t i e s e s p e c i a l l yo nh e a v yt r a f f i cr o a d sb u tt h e r ea r el e s s c o m p a r i n go ft h e s em i x t u r e s i nt h i sr e s e a r c h ，t h er u t t i n gr e s i s t a n c e so ft h et h r e em i x t u r e sa r e g e n e r a l l yt e s t e d r o u n dt r a c kt e s ti su s e da st h ef i n a ls t e pt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c e t h e r ea r em a n yf a c t o r st h a tc a na f f e c tt h er u a i n gb a s e do nt h e r u l i n gr e s e a r c hp r o j e c t c o o p e r a t e dw i t hj i a n g s up r o v i n c ef r e e w a yc o n s t r u c t i o nh e a d q u a r t e r s ，t h ei n f l u e n c e so fb i n d e r t y p e ，b i n d e rc o n t e n t ，a g g r e g a t eg r a d a t i o n ，t e m p e r a t u r ea n dl o a dt os m a1 3 ，a k 一1 3 aa n ds u p l3 a r eg e n e r a l l ya n a l y z e db yr u t t i n gt e s t ，r u t t i n gt e s ti nw a t e ra n dr o u n dt r a c kt e s t o n r u l i n g r e s i s t a n c ea n ds t r i p p i n g ，m o d i f i e db i n d e rh a v eg r e a ta d v a n t a g e s r i c hm o d i f i e db i n d e rc o n t e n t ( 1 0 05 0 ( 1 0 ) ) ( c 日) 软化点( 环球法) 4 9 66 48 98 33 ( ) 密度0 5 1 0 3 51 0 3 010 3 0 ) ( g c m 3 ) 3 3s m a 混合料设计 沥青玛蹄脂碎石混合料，简称s m a ( s t o n em a s t i ca s p h a l t ) ，这种结构6 0 年代起源于 德国，最初仅作为一种强度很高的沥青路面罩面，以防止螺钉轮胎造成的路面破坏。尽管螺 钉轮胎1 9 7 5 年禁止使用，但s m a 仍作为一种具有良好路用性能的混合料被广泛使用。除此以 外，近年来，在改善沥青路面路用性能方面还产生了一些新技术，如美国战略公路计划( s h a p ) 沥青改性技术以及捧水多孔隙路面( o g f c ) 。结合江苏实际情况，对这些新技术、新结构、新 工艺进行全面系统的分析研究，确定适应于江苏省气候条件的高等级公路的路面结构及材料 是一项非常迫切而且有现实意义的任务。 3 。3 1 选择初试缀配 参考公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南和江苏省高速公路建设指挥部沥青路面施 工技术指导意见汇编的相关技术要求，通过调整各种矿料比例设计3 个不同粗细的初试级 配，3 个级配的4 7 5 m 筛孔通过率分别为中值，中值+ 4 ，中值一4 ，其矿粉数量宜相 同，使0 0 7 5 m 的通过率为1 0 左右。初步拟定的三个级配方案，如下表3 4 所示。 表3 _ 4 s m a 初试级配 初试级配通过下列筛孔( 方孔筛。r a m ) 的质量百分率( ) 1 61 3 29 54 7 52 3 61 1 80 60 30 1 50 0 7 5 s m a l 3 级配范围1 0 09 0 5 0 2 0 1 5 1 4 1 2 1 0 9 1 58 1 2 1 0 0 7 53 42 6 2 4 2 01 6 级配l中值1 0 0 9 5 6 2 5 2 7 2 0 1 8 1 6 1 4 1 21 0 级配2 加4 1 0 09 5 6 4 5 3 l2 42 0i 61 41 2 l o 级配3藏4 | 0 0 9 5 6 0 5 2 3 2 0 1 8 1 61 41 2l o 3 3 2 确定相关物理指标 按照所测定的材料密度指标，计算三种拟定级配的平均毛体积相对密度和各个级配的 v c ! a 珊c ，如下表3 - 5 所示。 1 0 第三章原材料选择与配合比设计 表3 5s i i a 物理擅螈计算 级配类型 九 p ；7 “p c 、v c a 。 ( ) l2 8 3 81 7 1 42 8 3 12 8 3 l3 9 4 0 22 8 3 71 7 4 22 8 3 02 8 3 03 8 3 8 32 8 4 l1 。7 0 32 ，8 3 l2 8 3 l3 9 7 8 其中： 7 。：矿料的平均毛体积相对密度； p ，：4 - 7 5 m r n 以上糨集料的松方密度； 7 c ：4 7 5 r m 以上粗集料的毛体积相对密度 p c ：4 7 6 n l 毋以上粗集料的毛体积密度： v c l a m c ：捣实状态粗集料骨架间隙率。 3 。3 。3 确定沥青用量 参照a a s h t o 的s m a 规范建议稿关于沥青用量的规定：当采用聚合物改性沥青时，沥青 用量为5 o 6 5 。同时考虑到我国特殊的气候条件及沥青用量普遍较匿外低的特点， 以及纤维用量和已有的相关工程的经验，s b s 沥青的用量初定在6 o ，油石比为6 4 ， 满足a a s h t o 最小油石比的要求。 3 3 4 纤维稳定剂的掺加比例 纤维稳定荆的掺加比倒，咀沥青混合科总质量的质量百分率计算，用量根据沥青混合料 的种类和试验确定。通常情况下用于s m a 路面的木质索纤维不宜少于0 3 ，矿物纤维不宜 少于0 4 。对于本试验，选用木质素纤维纤维初拟用量在0 3 5 左右。根据试验结果必 要时可以增加，或做出适当调整。 3 3 5s m a 混合料的最大相对密度计算 计算求得油石比6 4 时三个初试级配的最大相对密度，其中纤维稳定荆的密度由厂方 提供，矿料的平均相对密度7 。由前面的测试获得。沥青混合料的最大相对密度7 。计算 如下： k 2 爨 舯： 7 。7 ，7 l 7 。：沥青混合料的最大相对密度： 7 。：矿料的平均毛体积相对密度； p o ：试件的油石比，以矿料质量百分数计； 东南大学硕士学位论文 p 一：纤维用量，以矿料质量百分数计，由占沥青混合料总量的百分数换算得到 z ：沥青结合料的相对密度； 7 。：纤维稳定剂的相对密度，由厂方提供。 3 3 ，6 测定s m a 试件的毛体积相对密度 按已确定的油石比6 4 ，每组级配6 个试件，共制备了1 8 个马歇尔试件，以调整初 试级配。采用表干法确定s m a 试件的毛体积相对密度。 3 3 7 计算各个级配的体积指标 各个级配的体积指标结果如下表3 - 6 所示。 表3 - 6 初试级配的体积分析 级配类油石比理论最大毛体积相空隙率 卵l 列v f a 型 ( )相对密度对密度w ( ) ( )( ) v c 钆。 ( ) k以。 级配i 6 42 5 6 72 4 9 03 o1 7 5 8 2 8 3 9 9 级配2 6 42 5 6 62 5 2 51 6 1 6 49 2 74 2 4 级配3 6 42 5 6 92 4 7 63 6 1 8 18 0 03 7 0 其中： w ：压实s m a 试件的空隙率 v m a ：压实s m a 试件的矿料间隙率； 、7 c 4 。：压实s m a 试件的粗集料间隙率 7 一：混合料理论最大相对密度 ：表干法测定的s i a 试件毛体积相对密度； ，m y f a ：沥青混合料的饱和度。 分析以上三种级配的试验结果，可以确定级配3 满足s m a 体积指标要求，确定为初试级 配，进行相关的车辙和力学试验。 3 3 8 确定最佳油石比 根据选择的实际级配和初试的油石比试验的空隙率结果，以0 ，4 的间隔，按照三个不 同的油石比5 8 ，6 2 ，6 6 制作马歇尔试件。对照s m a 混合料对空隙率的要求确定最 佳沥青用量。在相关物理指标测试的基础上，计算各项体积指标并进行马歇尔试验。 1 2 第三章原材料选择与配合比殴计 表3 7s m a l 3 马歇尔试验结果 油石比空隙率斩l 物倒 稳定度流值 ( ) 7 y纥二彳。j ( )( )( )( k n )( m m ) ( ) 5 8 2 5 9 l 2 4 5 75 21 8 3 3 6 87 1 76 95 2 5 6 22 5 7 6 2 4 7 5 3 91 7 93 6 ，67 8 27 03 1 4 6 42 5 6 22 4 6 53 8l & 63 7 17 9 66 84 1 7 要求 3 41 7 07 5 8 56 0 v c a o 确定最佳油石比的上限和下限。江苏省的气候夏季炎热，冬季较冷，根据工程经验，最 佳油石比取为6 2 。 3 3 9 谢伦堡析漏试验( 烧杯法) 根据s m a 混合料的技术要求，还需进行析漏试验。试验温度为1 8 0 c ，保温1 小时后的 相关试验结果如下表3 - 8 所示。 表3 - 8 谢伦堡析漏试验( 烧杯法) i 级配类型 油石比( )析漏1 ( )析漏2 ( )平均( )要求( ) s m a l 36 20 0 5 7o 0 7 10 0 6 4 o 1 3 3 1 0 肯特堡飞散试验 将s m a 马歇尔试件在2 0 1 2 下浸泡2 0 小时，然后用洛杉矶磨耗试验机旋转3 0 0 次进行飞 散测试。试验结果如下表3 - 9 所示。 表3 _ 9 肯特堡飞散试验 i 级配类型油石比飞散率1 飞散率2 飞散率3飞散率4平均( )要求( ) l ( )( )( )( )( ) s m a l 36 22 12 51 92 22 22 0 由试验结果可知，所确定的油石比6 2 满足技术要求，故最佳油石比为6 2 。 3 4s u p e r p a v e 配合比设计 依据美国s u p e r p a v e 沥青混合料设计标准( a is p 一2 ) 进行混合料配合比设计，并依 据我国公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 的要求进行马歇尔试验。结 合本项目的背景和国内的交通情况，根据设计交通量( 3 0 1 0 0 百万次) ，平均最高气温小 于3 9 c 换算后，确定在旋转压实试验中所用初始压实、设计压实和最大压实的旋转次数分 别为2 9 次、= 1 2 5 次、r 。2 2 0 3 次。 3 4 1 试验级配的初选 依据s u p e r p a v e 设计方法，首先选用满足s u p e r p a v e 级配要求的粗、中、细三个级配， 并估算出三个级配的初始用油量，然后采用初始用油量成型试件，根据旋转压实试验结果及 相应的沥青混合料性质如：矿料间隙率( v m a ) 、饱和度( v f a ) 、粉胶比( d p ) 来评价三种 级配并挑选出符合设计要求的级配，下表为三个试验级配各筛孔尺寸通过百分率。 东南大学硕士学位论文 表3 1 0 试验级配的各筛孔尺寸的质量通过百分率 级配类型 通过f 列筛：f i x 方孔筛r a m ) 的质量百分率( ) 1 61 3 29 54 7 5 2 3 61 1 8o 6o 3o 1 50 0 7 5 级配l 】o o9 88 45 63 72 4 1 7 1 4 96 级配2 1 0 09 58 05 23 3 52 l ，51 4 51 l 7 5 5 级配3 1 0 09 57 24 33 02 21 51 18 6 表3 - 1l 估算沥青用量汇总表 试验级配毛体积相对密度表观相对密度混和物的有效密沥青含量( ) ( e 。) ( go ) 度( 吒) l2 8 8 42 9 4 42 9 3 25 0 8 22 8 8 42 9 4 62 9 3 44 2 1 32 8 9 72 9 4 82 9 3 84 8 0 3 4 2 试验级配的评价 根据初始沥青用量下各个级配旋转压实试验结果来计算经过设计旋转压实次数后混合 料空隙率达到娟所需要的沥青用量，表3 一1 2 是三种级配在初始沥青用量下旋转压实试验结 果。 袭3 一1 2 三种试验级配旋转压实试验结果汇总表 压实次数按配1级配2级配3 试件1 试件2 试件1试件2试件1试件2 1 4 3 61 4 51 4 7 21 4 71 4 2 51 4 3 4 心f ( 9 次) 高度( m m ) 1 3 4 61 3 4 1 6 1 3 61 3 5 ，81 3 2 ，61 3 3 6 ( 1 2 5 次) 高度( ) 毛体积相对密度2 4 6 02 a 5 92 4 5 62 4 5 72 4 9 42 4 8 4 摄初压实度( )8 7 48 6 28 6 18 5 58 6 98 6 6 设计次数压实度( )9 3 29 329 259 2 59 3 49 3 0 最大理论密度 2 6 4 0 2 6 5 62 6 7 0 根据上表三种级配的初始沥青用量下的旋转压实试验结果，计算三种沥青混合料在设计 旋转压实次数后达到4 的空隙率所需的沥青用量，井估算他们在达到4 的空隙率时的v 、 v f a 、d p 以及初始压实度。 表3 - 1 3 三种级配达到4 空骧率时估算的沥青用量及体积特性 级配4 空隙率沥青 v m a ( )懈( ) 粉胶比( d p ) 初始次数压实 用量( )( 设计次数) ( 设计次数)度( ) 16 21 8 4 7 821 0 38 96 25 ，61 7 9 7 7 。60 9 98 9 35 91 8 47 831 1 8 95 s u p e r p a v e 标准 1 4 06 5 7 50 6 1 2 +9 注；表示当级髓过禁区下方时，糟胶比可增加到0 8 。1 6 依据上表的评价指标，三种级配要达到4 的空隙率时沥青用量偏高这表明玄武岩集 料难以压实，因此，从三种级配中挑选出级配3 ，尝试将级配中2 3 6 r m 。0 0 7 5 r a m 的粒料换 成石灰岩再进行旋转压实试验。 4 第三章原材料选择与配合比设计 表3 1 4 调整后级配3 体积特性及初始沥青用量表 试验级配毛体积相对密度表观相对密度混和物的有效密度沥青用量( ) ( g , b )( g , o )( g 。) l调整后级配32 8 1 02 ，8 5 828 4 84 8 表3 - 1 5 调整后级配3 在初始沥青用量下旋转压实试验结果表 压实次数毛体积相最初压实设计次数理论最大 n i 。t9n “。 对密度