（道路与铁道工程专业论文）高粘改性沥青OGFC的性能及应用研究.pdf

摘要 摘要 开级配沥青磨耗层( o g f c ) 是一种采用开级配矿料设计思想，具有大空隙 率特点的新型沥青混凝土路面，拥有排水好、防滑、降噪等优点。推广o g f c 路 面对路陡雨多的我国西部道路有重要意义。 本文依托重庆市嘉华大桥桥面铺装工程，通过高粘改性沥青o g f c 空隙率的 选择与影响因素、混合料级配设计、混合料性能评价以及实体工程现场检测等 方面对o g f c 进行了较为详细的研究。 根据路面构造性能和路用性能的需要，通过试验得出o g f c 空隙率与排水、 降噪音、抗滑功能、强度、耐久性的关系，并分析了级配设计和施工中对空隙 率的影响因素，遵循这些需要来选择空隙率，使o g f c 路面的空隙率达到相关要 求，取得良好效果。 采用均匀设计法进行混合料组成设计，分析了关键筛孔通过率与空隙率的 相关关系，通过试验验证此相关性，得到不同因素的影响显著性，并根据显著 性分析结果确定混合料的最佳配合比，对最佳配合比进行性能测试，结果表明， 混合料具有较好的路用性能。 通过车辙试验、飞散试验、低温弯曲试验等试验方法，研究了o g f c 混合料 在不同沥青胶结料条件下的性能对比，分析优劣，给出有效建议，并研究在混 合料掺加不同纤维、抗剥落剂对混合料性能的优化改善，结果显示优化后的混 合料具有较好的耐久性。 通过实体工程重庆嘉华大桥的检测验证高粘改性沥青o g f c 的性能，准确反 映o g f c 混合料在实际路面情况的表现，在坚实数据的基础上，指出研究不足之 处，以方便o g f c 路面在西南地区推广的参考使用。 关键词：高粘改性沥青o g f c ；空隙率；混合料组成设计；路用性能；耐久性； 现场检测 a b s t r a c t l o p e n - g r a d e df r i c t i o nc o u r s e s ( o g f c ) i s an e w t y p eo fa s p h a l tp a v e m e n tt h a tu s i n g o p e n g r a d e da g g r e g a t et od e s i g n 、析n ll a r g ev o i d sv o l u m e h i sf e a t u r ei n c l u d eg o o d f u n c t i o no fd r a i n i n g ，d e s l i c k , d e n o i s ea n ds oo n i ti ss i g n i f i c a t i v et oc h i n aw e s tt h a t p o p u l a r i z i n go g f c b a s e do nd e c kp a v i n ge n g i n e e r i n go fc h o n g q i n gj i ah u ab r i d g e ，am o r ed e t a i l e d r e s e a r c hi sm a d ef r o mt h es e l e c t i o no fv o i d sv o l u m e ，t h ef a c t o ro fv o i d sv o l u m e ， m i x t u r ed e s i g n ，m i x t u r ep e r f o r m a n c e s e v a l u a t i o n ，d e t e c t i o ni nf i e l de n g i n e e r i n g ，e t c 一 t h ev o i d sv o l u m ei sc h o s e na c c o r d i n gt on e c e s s i t yo fs t r u c t u r ef u n c t i o na n d s e r v i c ep e r f o r m a n c ei np a v e m e n t r e s e a r c ht h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ev o i d sv o l u m e 、) r i t i lf u n c t i o no fd r a i n i n g ，n o i s e - r e d u c t i o nc o e f f i c i e n t ，a n t i s k i d ，s t r e n g t h ，d u r a b i l i t y t h e n ，m a k ea na s s a yo ft h ei n f l u e n c ef a c t o rt ov o i d sv o l u m ei nm i x t u r ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o n d e r i v e df r o mt h i sa n a l y s i sr e s u l t ，v o i d sv o l u m ei so fo g f cp a v e m e n ti s s t a n d a r d i z e d a l s o ，t h er e s u l ts h o w sm i x t u r e sh a v eag o o de f f e c t s f o rt h ec o m p o s i t i o nd e s i g no fo g f cm i x t u r e ，h o m o g e n e o u sd e s i g ni sm a d et o a n a l y z et h ec o r r e l a t i v i t yb e t w e e np e r c e n t a g eo fp i v o t a ls i e v ep o r e 丽t i lv o i d sv o l u m e ， a n dt h ei n f l u e n c es i g n i f i c a n c eo fd i f f e r e n tf a c t o r si so b t a i n e db ye x p e r i m e n tv e r i f y a c c o r d i n gt ot h es i g n i f i c a n c ea n a l y s i sr e s u l t , o p t i m u mm i xi sd e t e r m i n e d f u r t h e rt e s ti s c a r r i e do no p t i m u mm i x ，t h er e s u l ti n d i c a t eo g f cm i x t u r eh a v eag o o ds e r v i c e p e r f o r m a n c e t h r o u g hw h e e lt r a c kt e s t ，f r a g m e n t a t i o nt e s t , b e n dt e s ta n ds oo n ，o g f cm i x t u r e p e r f o r m a n c eh a v eb e e ns t u d i e du n d e rs p e c i f i cc o n d i t i o no fu s i n gd i f f e r e n tb i t u m i n o u s c e m e n t c o n t r a s tt h ed a t aa n dj u d g et h e m ，s o m ev a l u a b l es u g g e s t i o ni sg a i n e d i no r d e r t oo p t i m i z eo g f cm i x t u r e ，a d d i n gd i f f e r e n tf i b e ro rl i m eh y d r a t et om i x t u r ei sg o o da t i n c r e a s et h ed u r a b i l i t y d e t e c tt h es e r v i c ep e r f o r m a n c eo fo g f ci nc h o n g q i n gj i ah u ab r i d g ef i e l d e n g i n e e r i n g t h ed a t ab a s e do np r a c t i c ei sm o r ef a c t u a l l yr e f l e c tt h ep a v e m e n tc o n d i t i o n t h a ni n d o o r a c c o r d i n gt ot h ed a t a , i n d i c a t et h el a c ko fs t u d y , s ot h a ti tc a nf a c i l i t a t e r e f e r e n c eo fp o p u l a r i z i n go g f cp a v e m e n ti nt h es o u t h w e s to fc h i n a k e yw o r d s ：h i g hv i s c o s i t ym o d i f i e da s p h a l to g f c ；v o i d sv o l u m e ；m i x t u r e d e s i g n ；s e r v i c ep e r f o r m a n c e ；d u r a b i l i t y ；d e t e c t i o ni nf i e l de n g i n e e r i n g 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：1 肇奄 日期：弦魄年中月夕日 重庆交通大学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保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 学位论文作者签名：储 指导教师签名： 日期：妒曙年 妒月7 日 日期：纠年哆r 口 | t 一太 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 随着我国经济的迅速发展，公路建设也进入了高潮期，公路里程逐年以大 比例在增加。近二十年来是我国公路史上交通发展速度最快、规模最大以及最 具活力的时期，我国高速公路建设事业也迎来了历史上最好的发展机遇。根据 交通部统计，截止2 0 0 4 年底，中国公路通车总里程达到1 8 5 万多公里，高速公 路以3 4 万多公里位居世界第二。在“十一五”综合交通发展政策中，提出了 提高高等级公路比重的目标和措施。我国已初步形成一个干支衔接、布局合理、 四通八达的全国公路网。目前，我国高等级公路路面中约9 0 是沥青混凝土路 面，可见沥青混凝土路面所占比重之大。 沥青混凝土路面也有各种各样的问题在困扰着高等级公路管理者。由于沥 青混合料本身的强度和稳定性上的不足，在使用过程中常常出现车辙、挤拥、 泛油等现象，而路面结构的设计、集料的性质、配合比的设计、混合料生产控 制、施工控制与管理等诸多工序，都会不同程度地产生影响，造成高速公路过 早地出现各种路面破坏。我国高速公路的质量管理逐步规范化、制度化，交通 基础设施建设质量有了大幅度的提高，其中部分公路的建设质量已达到或接近 国际先进水平。 与此同时，随着我国公路建设的发展，对路面特别是高速公路和城市主干 道的要求越来越高，主要体现在行车舒适性、安全及与周边环境协调相容性上 ( 环保) 。首先，路面特别是高速路面要为车辆提供较高的行车安全性，路面结 构应具有优异的防滑性能，特别是雨天路面容易出现溅水和喷雾现象，给车辆 带来很大的安全隐患，据统计我国每年因雨雪天路滑而发生的交通事故率占汽 车交通总事故率的比例在逐年上升。而日本在全面推行应用o g f c 后7 年，其交 通事故率下降了4 0 ；另一方面，随着车辆增多，道路交通噪音污染日趋严重， 这与人们对生活环境质量要求的提高是相背离的，政府交通部门及道路相关科 研工作者对于开发出能够显著降低城市道路交通噪音的路面材料与结构也越来 越重视。为此，国外特别是欧洲和美国等国家从上世纪6 0 年代就开始着力于具 有防滑降噪路面的材料与结构的研究，o g f c 就是在这种背景下应运而生的。 国外现行排水降噪防滑沥青混合料设计方法无法满足我国高气候、交通条 件等对高等级公路车辙、水损等耐久性的要求。近些年来，我国虽然在o g f c 材 料与结构开发方面做了很多工作，并进行一些试验段工程的应用，但总体效果 不太理想。究其原因，在于我国与国外在气候、交通、材料、施工机具及水平 第一章绪论 等方面都有着较大的差异和差距。为此，研究开发出适合我国国情的排水性路 面o g f c 的材料与结构设计方法，制备出具有良好行车性能耐久性能的安全环保 排水降噪路面是摆在广大材料与道路科研工作者面前一道迫在眉睫的任务，具 有广泛而深远的社会意义。 开级配磨耗层( o g f c ) 是一种具有相互连通空隙的开级配沥青混合料，其 空隙率高达1 8 2 5 。由于其相比普通密级配沥青混合料具有较高的空隙率，其 在路面行驶安全、环保等方面都具有其他混合料无法比拟的特点和优点： ( 1 ) 减少水雾和眩光。因为在排水降噪防滑沥青混合料路面几乎没有残留 水，它可以消除水雾。雨天在排水降噪防滑沥青混合料路面上开车，司机感到 安全。排水降噪防滑沥青混合料的另一个好处是减少在潮湿状态下车前灯的眩 光，特别是夜间行驶时，效果更明显。很显然，这有利于改善能见度，缓解驾 驶疲劳。 ( 2 ) 提高潮湿路面的防滑性。美国、加拿大和欧洲的研究表明，与密级配 ( h m a ) 和( p c c ) 路面相比，排水降噪防滑沥青混合料具有优良的潮湿防滑性， 雨天交通事故大大减少。宾夕法尼亚洲运输部在4 条排水降噪防滑沥青混合料 和密级配h m a 试验路上获得了防滑性和速度梯度的数据，速度梯度定义为速度 改变值与相应防滑性降低值的比。速度梯度低是理想的，因为它能够保证在高 速如9 0 1l o k m h 时有较高的防滑能力。路易斯安娜州运输部也比较了h m a 和 排水降噪防滑沥青混合料的防滑系数和速度梯度，发现：排水降噪防滑沥青混 合料的速度梯度比h m a 的要低，从而具有较高的防滑系数。 ( 3 ) 防水漂。由于雨水透过排水降噪防滑沥青混合料层，在路表无连续的 水膜，故排水降噪防滑沥青混合料可防水漂。即使长时间下雨，可能使排水降 噪防滑沥青混合料饱和，但由于车辆与轮胎间水压通过排水降噪防滑沥青混合 料的多孔结构消失了，仍然不会发生水漂。 ( 4 ) 改善路面标志的可见度。排水降噪防滑沥青混合料面层的标志线，可 见度高，尤其是潮湿天气，这有利于车辆的安全行驶。 ( 5 ) 降低噪音。为评价排水降噪防滑沥青混合料降低噪音的能力，在美国 和欧洲进行了许多研究。据欧洲报道：与密级配热拌沥青混合( h m a ) 路面相比， 噪声降低3 d b ( a ) ；与水泥混凝土( p c c ) 路面相比，降低7 d b ( a ) 。用于城郊 公路附近的隔音墙通常能降低3 d b ( a ) 左右的噪音。当噪音改变3 d b ( a ) 时， 大多数人都能注意到显著的差异。铺筑排水降噪防滑沥青混合料也许是一种代 替防音墙，减缓交通噪声的合理方案。防音墙每0 3 0 5 m 2 造价1 5 - - - 2 0 美金，能 减少噪音3 - - 5 d b 。为降低3 d b 噪音，需减少一半交通量或者将防音墙到公路的 距离加大一倍。防音墙或土护坡可用来减少噪音，但它们四周防噪的效果并不 2 一 第一章绪论 相同。 o g f c 因其具有优异的防滑、降噪等安全环保功能而在欧洲及日本等国得到 广泛应用。我国近些年在不断总结国外o g f c 先进铺筑技术基础上，努力开发出 适合我国国情的o g f c 路面材料与结构。随着我国对0 g f c 研究和应用的不断深 入和完善，在对安全、环保、和舒适要求日益提高的现代社会，排水降噪防滑 沥青混合料具有广阔的应用前景。 本课题依托工程重庆嘉华嘉陵江大桥及其引桥和引线工程( 面层均采用 o g f c l 3 ) 属于重庆市政重点工程。工程地处我国西部，道路崎岖、陡峭，雨天 车辆行驶容易打滑，安全隐患大，0 g f c 在这些地区有着广泛的应用前景。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究 欧洲国家从2 0 世纪7 0 年代以来，研究应用了空隙率达2 0 0 5 2 5 的磨耗层。 由于空隙率大，雨水可渗入路面中，由路面中的流通空隙向路面边缘排走。因 为能很快排水，所以这种路面称之为排水性沥青路面；也因为空隙率大，又称 为多孔性磨耗层或多孔性防滑层。由于多孔性路面具有降低噪音的功能，又称 为低噪音沥青路面。开级配多孔性沥青路面在欧美国家己得到广泛应用。 早在1 9 7 3 年，美国联邦公里管理局就通知全国建议使用o g f c ，并采取提 供补贴的方式积极推广使用。据1 9 8 2 年调查，美国累计铺筑里程己达1 5 0 0 0 k m ， 且大多铺筑在交通量很大的州际公里上，大多数州对它的使用性能感到满意。 由于路面抗滑性能的提高，许多州的交通事故大大降低。根据各州的气候和交 通状况，结合料通常采用4 0 6 0 或8 0 1 0 0 号沥青，路面铺筑厚度多为1 9 m m 。美 国使用的经验认为，0 g f c 路面的使用寿命与交通量和下承层的强度有关，一 般可按7 至1 2 年考虑。o g f c 在民用和军用机场也得到广泛使用，以避免水漂 的发生，铺筑厚度一般为1 9 、2 5 m m 。联邦航空局认为，沥青中渗入磨细轮胎粉 是有好处；同时还认为，如果水泥道面质量很好，在上面加铺一层o g f c 面层也 是很好的措施。 比利时应用多孔性沥青材料铺筑路面已经有十多年的历史，其混合料的组 成大体为：碎石8 3 ，石屑1 2 ，矿粉5 ，沥青采用针入度级8 0 1 0 0 或橡胶沥 青，结合料用量分别为4 5 和5 5 6 5 。为提高多孔性沥青磨耗层的耐久性和 稳定性，在混合料中还添加木质纤维。 1 9 8 4 年以来，英国铺筑了各种试验路，目的是为了论证这种路面的降噪效 3 一 第一章绪论 果和耐久性。试验路所用的沥青结合料有1 0 0 号沥青、e v a 改性沥青、橡胶改 性沥青；有加纤维和不加纤维的；混合料中均掺加2 的消石灰。磨耗层厚度为 4 5 c m ，下层为3 5 c m 厚的沥青混凝土，磨耗层的空隙率达到了2 0 左右。 奥地利处于环境保护的要求，爱许多经过城镇的道路上都铺筑了多孔性路 面，1 0 年前己累计有6 5 0 万平方米，并且计划将透水路面用于城市道路。奥地 利已经就多孔排水式沥青路面制定了设计规范。荷兰每年铺筑透水性路面2 5 0 万平方米，这意味和荷兰已经有1 5 4 的汽车专用道铺筑了这种路面，并且计 划的2 0 1 0 年，所有的主要道路都将铺筑透水性路面，期望这种路面进一步提高 道路的通行能力和交通的安全性。法国采用透水性路面速度非常之快，目前已 总计铺筑了2 0 0 0 万平方米，而且还以每年4 0 0 万平方米的速度增长。 德国、西班牙、瑞典、新加坡、马来西亚等国家，对排水性路面都进行了 研究和应用。可以说世界范围内有许多国家致力于这种路面的开发和研究。为 词目的，曾经多次召开过国际会议，讨论交流各国的研究成果和经验。1 9 7 9 年， 在维也纳召开的第1 6 届世界道路会议上，路面表面特性委员会专门讨论了这种 路面的抗滑和降噪特性。 1 9 8 1 年，在荷兰召开了多孔性沥青路面专题讨论会，会议对多孔性路面降 低轮胎路面噪音的作用得到了进一步证实， 1 9 8 3 年，在悉尼召开的第1 7 届世界道路会议上，不仅对排水性路面的抗 道路抗滑、减少溅水和喷雾的功能加以了肯定，而且对轮胎路面噪音在交通噪 音所占的比重予以了关注，对其原因作出了分析。 在以后的每四年召开一次的第1 8 届、第1 9 届以及第2 0 届世界道路会议上， 许多国家交流了在排水性沥青路面方面的研究成果和应用情况。此外，有些国 家还召开了专题讨论会，如在1 9 9 0 年在美国华盛顿召开的t r b 年会，其主要议 题就是排水性材料在道路上的应用问题。 国外的实践经验表明，多孔性沥青路面一般适合铺筑在车流畅通、车速较 高的道路上。如高速公路、城市的高架道路或快速汽车专用道等都是非常适合 的。对于低交通量或慢行交通道路，以及容易污染的道路，这种路面则是不适 合的。 由于排水性路面的高空隙，结构强度相对较低，在经常刹车、停车的路段 上容易出现剥落，故不适宜铺筑在干线道路的交叉口、停车场。另外，在重交 通道路的小半径弯道部位也不适宜铺筑这种路面。 所使用的材料、结构和工艺也有所不同。 ( 1 ) 粗集料 粗集料最大粒径与排水路面层厚度有关。在美国，排水降噪防滑沥青混合 4 一 第一章绪论 料路面面层厚度一般为2 0 2 5 r a m ，因而粗集料最大粒径都在l o m m 左右。欧洲的 排水性路面面层厚度一般为2 5 5 0 r a m ，粗集料最大粒径为1 0 2 0 r a m 其中1 4 m m 者最多。日本的排水性路面面层厚度为4 0 、5 0 r a m ，最大粒径为1 3 m m 或2 0 r a m 。 对于粗集料的质量标准，由于考虑到路面的防滑性能和良好的抗车辙能力，美 国和欧洲要求粗集料不能使用较纯石灰岩和易磨光的集料。 ( 2 ) 细集料、填料 排水性路面的细集料一般是指0 0 7 5 2 3 6 m m 部分集料。对于2 3 6 m m 通过 率，欧洲规定的最大范围为3 0 ，实际上推荐1 5 0 5 左右。美国规定的范围较窄， 为5 1 5 。日本的沥青路面纲要最初规定为8 2 5 ，但为了获得足够的空隙 率，一般也取1 5 左右。细集料由于用量较少，对其性能没有特殊的规定，而 对于排水性混合料的填料在欧美一般规定使用消石灰或水泥。加入消石灰可以 防止沥青从集料上剥落( 特别是多雨地区) ，而且可以延缓沥青老化。日本则要 求使用的填料必须是石灰岩矿粉，必要时也可用消石灰或水泥替代。 ( 3 ) 沥青胶结料 欧洲在8 0 年代试用了直馏沥青，但其耐久性较差。为了增加沥青对集料的 握裹力和防止沥青流淌，全部使用p e 、s b s 、e v a 等改性沥青，同时还使用诸如 纤维等稳定剂。美国在较长时问内直使用直馏沥青，受欧洲路面研究的启发， 特别是在美国使用废弃轮胎后，近年使用改性沥青逐渐增多。日本从一开始就 使用改性沥青，如：改性沥青i i 型、高粘度改性沥青、环氧沥青等，也使用纤 维等稳定剂。 ( 4 ) 空隙率 在欧洲排水性路面的空隙率起初为1 5 ，为防止孔隙堵塞以维持排水功能， 设计施工时往往将空隙率取为2 0 。美国因排水性路面粒径较小，以防滑性能 为主，孔隙堵塞对防滑性能不会有太大影响，因而空隙率定为1 5 以上。日本 和欧洲一样为使路面排水功能和降低噪音效果持久，也将空隙率由原来的1 5 提高到了2 0 甚至更大。 ( 5 ) 配合比设计 在欧洲，对于多孔沥青混合料的特殊粒状结构，不能采用已有的配合比设 计方法特别是马歇尔法与开裂试验，同时对车辙试验的适用性也有疑问。 美国在排水降噪防滑沥青混合料的配合比设计中没有采用力学试验，这是因为 己有了一定的经验积累，沥青用量根据粗集料的沥青当量，用经验公式算出沥 青用量在6 以上。此外，还进行了混合料中沥青的析漏试验。总之都没有进行 马歇尔试验和车辙试验。 求空隙率的马歇尔压实度、求集料抗剥落性的肯塔堡飞散损失试验以及浸 5 第一章绪论 水肯塔堡飞散损失试验等，也可能适用于欧洲的情况。因此作为配合比设计方 法，目前可供参考的最佳方法可考虑从压实试件的空隙率和肯塔堡飞散损失试 验求出集料级配和沥青用量。日本在借鉴欧洲经验的基础上，仍然采用马歇尔 试验方法，以求得适宜的空隙率，马歇尔击实次数为两面各5 0 次；沥青用量以 析漏试验和肯塔堡飞散损失试验控制，仍以车辙试验评价排水性混合料的高温 稳定性。 日本是排水降噪防滑沥青混合料研究和应用都比较先进的国家之一，下面 以日本的排水降噪防滑沥青混合料设计方法为例： 日本透水性混合料配合比设计步骤为：确定目标空隙率；材料选择与 初试级配的确定：初试沥青用量计算；满足目标空隙率级配的确定；确 认混合料空隙率，确定最佳沥青用量；混合料检验。 ( 1 ) 目标空隙率的确定 研究表明空隙率在1 0 以下时，路面排水性能等同于密级配沥青混合料， 因此初始使用阶段孔隙率设定为1 5 以上。实践证明使用过程中，行车荷载的 再压密，以及灰尘堵塞等，使得路面逐渐丧失了排水性能和降低噪音性能。因 此，为保证路面的排水性能和降低噪音效果，现今排水路面的目标空隙率普遍 设定为2 0 2 5 。 ( 2 ) 材料的选择与初试级配的确定 材料选择的关键是粗集料和填充料。粗集料最大粒径为1 3 r a m 或2 0 r a m 排水 性混合料矿料级配如表卜l 所示。由于粗集料含量较高，排水性混合料的宅隙 率、抗车辙能力在很大程度上取决于粗集料的性质。例如：集料种类、颗粒形 状、防滑性、抗磨耗性以及抗压碎性等。排水性混合料空隙率较大，因此填充 料的性质对混合料的耐久性至关重要。规定填充料必须是石灰岩矿粉，必要时 可用消石灰或水泥代替。 选择的初试级配必须符合表卜l 的要求。以2 3 6 m e 通过率为特征变化点， 选择三种通过率：1 2 、1 5 、1 8 ，三种级配的矿粉用量即0 0 7 5 r a m 通过率一般 固定在中值不变，计算相应的材料配比，所配制的三种初试级配的合成级配必 须在要求的级配范围内。选择初试级配的目的是在初试沥青用量下，确定满足 目标空隙率的合理级配。 6 一 第一章绪论 表1 1 日本0 g f g 沥青混合料级配范围 t a b l e2 1t h ee x t e n to fo g f cm i x t u r ed e s i g ni nj a p a n 通过率 筛孔尺寸m m 最大粒径1 3 m m最大粒径2 0 r a m 2 6 5|1 0 0 1 9 01 0 09 5 - 1 0 0 1 3 2 9 2 l ( ) ( )5 3 7 8 9 56 2 8 l3 5 6 2 4 7 5 。 l o 3 ll 口一3 l 2 3 6l i 卜2 ll o 2 1 0 64 1 74 1 7 0 33 1 23 1 2 0 1 5 3 83 8 0 0 7 52 72 7 沥青用量4 5 以上 ( 3 ) 初试沥青用量的计算 初试沥青用量是根据矿料表面吸附沥青膜厚度确定的。影响级配矿料表面 积的首要因素是级配中通过0 0 7 5 r a m 筛的矿粉含量，其次是通过0 1 5 、0 3 、 0 6 、1 1 8 、2 3 6 和4 7 5 r a m 筛孔集料含量；所有粒径大于4 7 5 r a m 筛孔的各种 级配集料的表面积没有大的影响。因此，初试沥青用量( 对集料而言) 的计算 如下： 初试沥青用量= 假定膜厚( 一般为1 0 1 4um ) 集料表面积 集料表面积= ( 2 + 0 0 2 a + 0 0 4 b + 0 0 8 c + 0 1 4 d + 0 3 e + o 6 f + 1 6 9 ) 4 8 7 4 式中：a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 分别为4 7 5 、2 3 6 、1 1 8 、0 6 、0 3 、 o 1 5 和0 0 7 5 m m 筛孔通过百分率。 ( 4 ) 确定满足目标空隙率的矿料级配 2 3 6 m m 通过百分率是控制排水性混合料空隙率的重要因素。在确定矿料级 配时，绘出图1 1 所示的关系曲线调整级配到目标空隙率对应的2 3 6 m m 通过 7 一 百分率，从而确定最终设计级配。 2 4 2 3 ：2 2 麓2 l 翎 1 9 1 8 ； ! ； j ； ；! ji 二； 上曩黛鼍 卜 ， ； 埔i l1 2 1 31 41 51 61 7 埔1 9 2 弱撕曩过百分搴 图1 1 日本o g f c 沥青混合料，2 3 6 r a m 通过百分率一空隙率曲线 f i g1 1t h er e l a t i o nb e t w e e nv o i d sv o l u m ew i t hp e r c e n t a g eo f 2 3 6 r a ms i e v ep o r ei nj a p a n ( 5 ) 最佳沥青用量的确定 在确定矿料级配后，进行最佳沥青用量的设定。首先以马歇尔试验方法， 按0 5 间隔变化沥青用量5 7 个点分别成型6 个试件；三个试件进行肯塔堡飞 散损失试验，另外三个试件进行空隙率测定。由沥青用量与肯塔堡飞散损失量 绘成曲线图如图1 2 所示，以曲线突变点( 或标淮要求值) 对应的沥青用量为 最小沥青用量。然后，按0 5 间隔变化沥青用量5 7 个点，分别拌和沥青混合 料，并均匀分成三份( 每份约l k g ) 进行析漏试验。由沥青用量与析漏量绘成 曲线图如图1 3 所示以曲线变突变点对应的沥青用量为最大沥青用量a 在最小 沥青用量与最大沥青用量之间选择符合目标空隙率要求的沥青用量为最佳沥青 用量。 豁 簟奎 图1 2 最小沥青用量确定图 f i g1 2t h em i n i m u ma s p h a l t 啦i a g pa m o u n t 图1 3 最大沥青用量确定图 f i g1 3t h em a x i m u ma s p h a l tu s a g ea m o u n t 啊n 一 第一章绪论 ( 6 ) 混合料检验 最佳沥青用量确定以后，再进行密度试验、马歇尔稳定度试验、透水性试 验以及车辙试验。各试验的目标值如下：空隙率为目标空隙率1 以内；马歇 尔稳定度3 5 k n 以上；渗水系数1 0 2 0 m s ；动稳定度1 5 0 0 次m m 以上( 大型车 很多的道路) 或3 0 0 0 次m m 以上( 大型车特别多的道路) 。满足以上目标值要 求的排水性混合料最佳沥青用量为设计沥青用量。 1 2 2 国内研究 国内近些年对多孔性沥青路面进行了一些研究，也铺筑了试验路段，但基 本上商处于初始阶段，对于这种路面的设计方法和特性人们尚不甚了解，而且 由于人们对这种路面的耐久性持怀疑态度，一至今未能在高等级道路中实际应 用，与世界许多发达国家相比有明显的差距。 但由于我国高速公路的交通量大，重载、超载车辆多，再加上幅员辽阔，气候 复杂，国外的设计方法和规范对孔隙率、胶结材料等方面的设计要求和规定不 能适应我国实际情况，设计出的混合料难以满足我国高等级公路的要求，特别 是抗车辙性能要求。 排水降噪防滑沥青混合料路面结构在我国首先是在城市道路上应用，北京、广 州等大城市在2 0 世纪9 0 年代都先后铺设了试验路和实体工程。公路行业在2 0 世纪9 0 年代后期开始研究使用排水降噪防滑沥青混合料，交通部公路研究所先 后在济青高速公路，京沪高速公路( 河北段) 铺设了试验路。但路用性能都难以 满足我国高速公路对面层混合料的路用性能要求，特别是车辙性能均在2 0 0 0 次 以下。表卜2 为京沪高速公路( 河北段) 0 g f c 试验路性能指标，从表中看出， 混合料的动稳定度仅为1 8 0 0 次m m ，不能达到3 0 0 0 次m m 的高等级公路路面规 范要求，更无适应我国高速公路交通辆大，超载现象严重的情况，其主要原因 是采用改性沥青粘度较低。 表1 2 京沪高速公路( 河北段) 0 6 f g 试验路性能指标 t a b l e1 2t e c h n o l o g ys t a n d a r do fo g f cp a v e m e n ti nj i n g - h ue x p r e s s w a y 沥青用量密度孔隙率矿料间隙率沥青饱和度动稳定度残留稳定 ( ) ( g m 3 ) ( )( )( ) ( 次m m )度( ) 4 12 0 8 31 9 22 7 73 3 31 8 3 28 9 4 西安公路研究所采用日本t p s 沥青改性剂配制的o g f c 沥青混合料，在陕西 咸阳机场高速公路成功摊铺了试验路，检测指标表明其性能优异，但由于采用 9 第一章绪论 日本进口的t p s 沥青改性剂导致材料的成本较高，难以大面积推广应用。 表1 3 陕西咸阳机场高速公路0 g f o 试验路性能指标 t a b l e1 3t e c h n o l o g ys t a n d a r do fo g f cp a v e m e n ti ns h a n x ix i a n y a n ga i r p o r te x p r e s s w a y 沥青用量密度孔隙率矿料间隙率沥青饱和度动稳定度残留稳定度 ( ) ( g m 3 ) ( )( )( ) ( 次m m ) ( ) 4 82 0 5 8 2 0 42 9 7 3 1 5 6 3 1 0 9 2 3 目前，我国对排水降噪防滑沥青混合料的设计、施工的研究较少，公路部 门仍没有制订详细的排水降噪防滑沥青混合料的相关设计和施工规范，少数高 等级公路的试验路均采用国外设计和施工方法，部分工程甚至采用国外进口材 斟进行施工，但效果均差强人意。 1 3 本文研究内容 本文主要研究内容： 1 如何确定满足地域状况的o g f c 目标空隙率 a 确定目标空隙率的因素； b 影响空隙率的因素。 2 o g f c 级配设计 a 研究关键筛孔通过率与空隙率的关系，并使用均匀设计法和回归方 程分析； b 使用粒子干涉理论进行混合料级配设计。 3 相同空隙率下，o g f c 混合料性能研究 a 不同沥青胶结料的o g f c 混合料性能比较； b 掺加纤维种类对o g f c 混合料性能的影响； c 掺加抗剥落剂对o g f c 混合料性能的影响。 1 0 第二章o g f c 混合料的级配设计 第二章o g f c 混合料的组成设计 沥青混合料的组成设计包括空隙率的选择、矿料级配的选择和最佳油石比的确 定。混合料的设计关系到混合料性能的优劣，一个级配良好的混合料易于形成好 的骨架结构，有助于提高沥青混合料的高温、低温、水稳定性等。因此，混合料 的组成设计在整个研究中占据重要的位置。 2 1 空隙率的选定与影响因素 空隙率是指压实沥青混合料试件内除矿料毛体积和有效沥青体积之外的间隙 体积占试件毛体积的百分比，是沥青混合料各项体积指标中的核心。许多高速公 路通车1 2 a 以后，甚至不到l a ，就开始大面积破坏，有的使用2 3 a 就开始明 显破坏。路面的早期破坏，既影响公路的交通运输，又造成巨大的经济损失，己 引起人们的高度重视。实际上，我国高速公路的早期破坏与路面的空隙率有极为 密切关系。由于排水性沥青混合料空隙率较大，吸收较多的水，无法采用常规方 法测定其毛体积密度。对于吸水率大于2 的沥青混合料，一般采用蜡封法或体积 法进行测量，国外也有采用琐孔法进行测定，下面简单介绍体积法和琐孔法的试 验和计算方法。 ( 1 ) 体积法( j t j0 5 2 2 0 0 0t 0 7 0 8 ) 体积法即采用试件的空中重弧与试件的体积v 的比值来表示，其中试件的体 积测量对结果影响较大，主要体现在测量试件的高度上。一般采用“+ ”字法，测 量四个高度值，然后取其平均值。 成= m v o = 而m o 1 ，万，2 ( 公式2 1 ) 式中： 试件的空中重量，单位g ； ，表示试件的体积，c m a ； ，表示试件的半径，c i n ； h 表示件的高度； ( 2 ) 琐孔法 琐孑l 法原理类似于蜡封法，比蜡封测量结果精确，且操作简单，误差小。其 操作步骤是：首先将试件用专用的塑料带包裹，进行抽真空密封处理，以达到隔 水目的；然后测量其水中重( 试件+ 塑料袋) ，计算其毛体积密度： 第二章o g f c 混合料的级配设计 成= 瓦而j m a 而风 成2 了i i 风 + 豫一，行。一z j ， ( 公式2 2 ) 1 2 式中， 试件的空中重量，单位g ； 朋。塑料袋的空中重，单位g ： 试件和袋子在水中的重量，单位g ； 成常温下水的密度； 2 1 1 目标空隙率选取 如何选择空隙率? 这是做o g f c 路面首先要考虑的问题。选择空隙率是根据 路面性能的需要。o g f c 路面性能一般包括两种：结构性能与使用性能。结构性能 盼要求主要体现在超大空隙率的排水功能上。o g f c 的最主要优点是排水，其他的 几大优点比如抗滑、防水雾等等都与排水功能有密切关系。使用性能的要求主要 体现在高温稳定性、强度、耐久性等性能上。 l 、结构性能 结构性能与空隙率的关系包括：排水性能与空隙率的关系；降噪音性能与空 隙率的关系；抗滑安全性能与空隙率的关系 ( 1 ) 排水性能与空隙率的关系 大空隙率路面的出发点，就是对准了排水着个功能。密实型路面都是从路面 排水，雨水稍大，对行车的舒适和安全造成极大的阻碍。排水性路面可以让雨水 从混合料内部排出。b r o w n ( 布朗) 、c 0 1 1 i n s ( 柯林斯) 等专家在美国乔治亚州对离 析混合料的研究表明，热拌沥青混凝土的空隙率小于8 时，混合料的透水性很小， 空隙率大于约8 时，混合料的透水性增加很快。混合料空隙率越大，透水性也越 大。而根据昆西定律，水力坡降与流速成正比，透水系数为一参数，但对o g f c 内 部的水流来说水力坡降有变化，透水系数也是变化的。对某种不同粒径的混合料， 透水系数随水力坡降而变小，水在空隙中是混乱。对】2 2 m m 以下的小空隙材料， 透水系数不变。对最大集料粒径1 3 m m 的混合料，水力坡降相当于路面横坡 ( 1 5 - - 2 0 9 6 ) ，空隙率越大，透水系数越大。水平方向的透水系数是垂直方向的 2 3 倍，这就使路面内的水可沿水平方向迅速排出，当遇到连续降雨时，单位时 间内可能排出的最大雨量r 可有下式求出： r = d 七f 3 6 0 0 l o l ( 公式2 3 ) 式中：七透水系数； 、f 路面横坡； d _ o g f c 厚度； i 排水距离即路面宽度。 第二章o g f c 混合料的级配设计 1 3 连通空隙率与空隙率的关系： 不同的筑路材料具有不同的空隙率和孔径尺寸，水在其内部的流动形式也不 一样。对于空隙细小，流速较小的土壤或材料来说，水流流线互相平行，可以认 为是层流，水的渗流规律可以用达西定律来表示。而o g f c 混合料空隙较大，流速 较快，而且空隙连通情况没有规律，水流为紊流，不适用达西定律来表征。由于 连通孔隙不规则，水流在o g f c 路面结构内部孔隙的流动非常复杂。o g f c 路面能透 水的孔隙是连通孔隙，而非全部孔隙，因此与透水能力直接相关的是混合料的连 通空隙率。 连通空隙率测定方法： 1 ) 测量试件的空中重， 2 ) 利用体积法或琐孔法测量试件的干毛体积密度，也即以 3 ) 利用水中重测得试验的毛体积密度： ：土成肛w2 上成 m a 。m w 式中，试件的空中重量，单位g ； 帆表示试验件的水中重量，单位g ； 成表示常温下水的密度； 4 ) ( 全) 空隙率v v 的计算公式如下： ：( 1 一p - ) 1 0 0 p t 式中：n 试件的最大理论密度； 5 ) 连通空隙率w 的计算公式： v e , ：纽二 p l 表2 1 空隙率与连通空隙率的关系 t a b l e2 1t h er e l a t i o nb e t w e e nv o i d sv o l u m ew i t he f f e c t i v ep o r o s i t y 空隙率 1 51 61 82 02 22 5 连通空隙率6 6 2l o 11 1 81 3 31 6 5 空隙率与透水系数的关系： 室内测定渗透系数的仪器按照水头的控制方法可以分为常水头渗透仪( 适用 于渗透系数较大的材料) 和变水头渗透仪( 适用于渗透系数较小的材料) 。对于 o g f c 路面而言，其透水系数一般较大，各试件按常水头渗透仪操作规程进行试验。 第二章o g f c 混合料的级配设计 计算公式：g 2 等棚 ( 公式2 3 ) 式中：g 沥青混合料的渗水系数，l n l m i n ： k 第一次读数时的水量，n l l ； k 第二次读数时的水量，i n l ； 第一次读数时的时间，s ； f 第二次读数时的时间，s 。 可得如下试验结果如表2 2 所示。很明显，空隙率越大，透水性越好。 表2 2 透水系数与空隙率的关系 t a b l e2 2t h er e l a t i o nb e t w e e nv o i d sv o l u m ew i t hp e r m e a t i o nc o e f f i c i e n t 1 4 i 空隙率 1 5 1 7