（道路与铁道工程专业论文）碎石封层性能影响因素试验研究.pdf

摘要 碎石封层技术是一种较早使用的路面工程技术，也是一项成功的路面罩面技 术。碎石封层普遍应用于城际道路上，有些国家把这种罩面技术用在重交通道路， 美国将这项技术广泛用于路面的预防性养护和路面功能的恢复。这种技术既适用 于低等级道路的改造，也适用于高等级道路的罩面；既适用于新建道路的罩面， 也适用于旧路的养护。碎石封层的破坏主要有三种形式：碎石的剥落，泛油，推 挤和拥包。 论文通过碎石的脱石率试验发现，两种粒径的碎石在其他条件相同的情况下 脱石率结果相差不大，同种粒径不同沥青，a 7 0 沥青的脱石率最大，s b s 改性沥 青次之，s a s o b i t 改性沥青脱石率最小，但与s b s 改性沥青相差不大；动水压力的 存在对碎石封层脱石率影响明显，当行车速度低于6 0 k m h 的时候，动水压力对 脱石率的影响不是很大，而当行车速度达到9 0 k m h 的时候，脱石率明显增大， 行车速度达到1 2 0 k m h 的时候脱石率进一步增大。 论文用b i s a r 程序计算碎石封层底部剪应力并采用4 5 d 0 5 4 8 便携式剪切仪进 行了室内实验，以最大抗剪切强度t m 。为指标。计算结果显示：完全连续，无水 平力的状态下，原路面与碎石封层之间的最大剪应力要小于原路面与路面基层之 间的最大剪应力；碎石封层在完全滑动状态下层间最大剪应力增大了7 2 8 ，而 且在a = 0 9 9 时结构2 比结构1 的最大剪应力大了4 9 3 ，说明保证层间的完全连 续性对控制层间的最大剪应力非常重要。在各个影响碎石封层抗剪性能的因素中， 温度的变化和下卧层界面构造类型的不同对碎石封层抗剪性能的影响最大，采用 改性沥青，6 3 0 m m 9 5 m m 碎石粒径对应的沥青用量，提高下卧层的构造深度t d ， 都能有效增强碎石封层的抗剪性能。 关键词：碎石封层；影响因素；黏附性能；配合比；b i s a r ：抗剪强度； a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo fc r u s h e ds t o n es e a lc o a ti sa p p l i e dt ot h ep a v e m e n te n g i n e e r i n g f o ral o n gt i m e ，w h i c hi sas u c c e s s f u lo v e r l a yt e c h n i q u e s u c hk i n do ft e c h n i q u ei s g e n e r a l l yu s e di nt h ec i t yr o a d ，a l s oi nt h eh e a v yt r a f f i cr o a di ns o m ec o u n t r i s ，a n di s a p p l i e d t o p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e a n dr e h a b i l i t a t i o no fp a v e m e n tf u c t i o n b y u s a w h i c hi sa p p l i c a b l et ot h er e c o n s t r u c t i o no fl o w - l e v e lr o a da n do v e r l a yt ot h e h i g h l e v e l ，a l s ot ot h eo v e r l a yo ft h en e wp a v e m e n ta n dm a i n t e n a n c eo ft h eo l do n e h o w e v e rt h ef a i l u r ei sn o tr a r e t h et h r e em a i nd a m a g ei s ：s p a l l i n go fc r u s h e d s t o n e ，b l e e d i n ga n db u l l i n g c a r r y i n gt h et e s to fd e s t o n i n gr a t e ，f o u n dt h a t ，d i f f e r e n tm a t e r i a l so fp a r t i c l e s i z e c r u s h e ds t o n ei nt h es a m eo t h e rc o n d i t i o n sh a v es i m i l a rr e s u l t s ，t h em a t e r i a l sw h i c ho f s a m ep a r t i c l e - s i z eb u to fd i f f e r e n ta s p h t ，a - 7 0i sa tt h em a x i m a ld e s t o n i n gr a t e ，s b s m o d i f i e da s p h a l ti n f e r i o r ，s a s o b i tm o d i f i e da s p h a l tl e a s t ，b u tw h i c hi ss i m i l a rt ot h e s b sm o d i f i e da s p h a l t h y d r o d y n a m i cp r e s s u r ei m p a c tt h ed e s t o n i n gr a t eo fc r u s h e d s t o n es e a l s i g n i f i c a n t l y , w h i c hi m p a c tt h ed e s t o n i n gr a t ei nl o w - g r a n dw h e ns p e e d b e l o w s6 0 k m h ，h i g h - g r a n da b o v e9 0 k m h ，m u c hm o r eh i g h - g r a n da b o v e12 0 k m h u s i n gb i s a rp r o g r a mt oc a c u l a t et h es h e a rs t r e s so ft h eb o t t o ma n dt h e4 5 - d 0 5 4 8 s s tt op u tu pi n d o o re x p e r i m e n t s ，t h ep a p e rt a k e st h em a x i m u ms h e a rs t r e n g t ht m a xa s i n d e x ，t h er e s u l t ss h o w ：o nc o n d i t i o no fc o m p l e t e l yc o n t i n u o u sa n dn o n e - h o r i z o n t a l s t r e s s ，t h em a x i m u ms h e a rs t r e s sb e t w e e no r i g i n a lp a v e m e n ta n ds e a li sl e s st h e nt h a t b e t w e e no r i g i n a lp a v e m e n ta n dr o a d b e d ，o ns t a t eo fc o m p l e t e l ys l i d i n g ，t h em a x i m u m s h e a rs t r e s sb e t w e e nl o w e rl a y e ro fs e a lh a si n c r e a s eb y7 2 8 ，a n dt h a tw h e na = o 9 9 c o n s t r u c t i o nn o 1h a sm o r eo f4 9 3 s h e a rs t r e s st h a nc o n s t r u c t i o nn o 2 ，w h i c h i l l u m i n a t et h a ti ti sm u c hm o r ei m p o r t a n tt oe n s u r et h ec o n t i n u i t yb e t w e e nl a y e r st h a n t oc o n t r o lt h em a x i m u ms h e a rs t r e s s i na l li m p a c t i n gf a c t o r s ，t e m p e r a t u r ec h a n g e sa n d d i f f e ro fu n d e r l y i n g l a y e rc o n s t r u c t i o n a r et h em o s t s i g n i f i c a n to n e s ，a d o p t i n g m o d i f i e da s p h a l ta n da s p h a l td o s a g eu n d e ra d o p t i o no f6 3 0 m m 9 5 r a mp a r t i c l e - s i z e c r u s h e ds t o n e ，i n c r e a s i n gt e x t u r e d e p t ho fu n d e r l y i n gl a y e r ( t d ) ，c a ni n c r e a s i n g m a x i m u ms h e a rs t r e n g t hs i g n i f i c a n t l y k e yw o r d s ：r u s h e ds t o n es e a le o a t ，c o n t r i b u t i o nf a c t o r ，a d h e s i v ec a p a c i t y p e r f o r m a n c e , r a t i oo fm i x t u r e , b i s a r ，s h e a r i n gs t r e n g t h i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 谚妒 歹月洲日 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期痧叮年j 、月垢日 嗍岬年厂月么日 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着我国经济的蓬勃发展，公路建设进入又一个新的高潮期，公路总里程在 逐年大比例增加。到2 0 0 8 年底，全国公路总里程达3 6 8 万公里，其中高等级公路 路面约9 0 是沥青砼路面。但在公路建设取得巨大成就的同时，施工工期长，耗 用的能源大以及日益繁重的公路养护工作也摆在我们面前：公路运营过程中由于 温度、行车荷载、材料老化等综合因素作用，其面层在不同时期会产生各种病害， 必须根据病害特点和周期性对公路进行预养护、矫正性养护、中修养护、大修养 护。另外，公路面层结构不尽合理、材料质量不好、施工管理及监理不严格，以 及超载重载严重等多种不利因素造成公路早期破坏严重，维修养护工作更为提前。 可以说，沥青路面的施工和养护进入到了关键性的时期。对于养护设备，由于高 速运输的要求，需要路面养护快速且投入人力少。国外的技术和先进的设备率先 抢占我国公路建设市场，多功能养护车逐渐在沥青路面养护中发挥着巨大的作用。 与此同时，我国的公路养护工作急需采用加快养护速度、提高养护质量、降低养 护成本的新材料和新工艺，如雾封层( f o g s e a l ) ，罩面封层( o v e r l a ys e a l ) ，稀浆封层 ( s l u r r ys e a l ) ，开普封层( c a p es e a l ) ，微表处( m i c r o - s u r f a c i n g ) 和宏表处 ( m a c r o s u r f a c i n g ) 等，其中碎石封层技术作为经济、有效的路面养护新技术已在国 外应用多年i l 】。 碎石封层是一种经济的罩面手段，与其它路面养护手段相比，碎石封层具有 更加耐久、高效、经济的养护特点，其费用仅相当于热拌沥青罩面的1 5 一2 5 。 一般使用寿命为5 一1 0 年，从长远讲是一种更加经济的养护和改造手段。碎石封 层不仅能够有效的保护路面结构，而且还起到了恢复路面功能的作用。 碎石封层不仅用于新建路面，而且也是一项成功的路面罩面技术。碎石封层 普遍应用于城际道路上，有些国家把这种罩面技术用在重交通道路，美国将这项 技术广泛用于路面的预防性养护和路面功能的恢复。这种技术既适用于低等级道 路的改造，也适用于高等级道路的罩面。既适用于新建道路的罩面，也适用于旧 路的养护。 作为养护的手段，碎石封层对原路面有以下作用【2 】： a ) 提高路面的路表纹理特性，增加路面的抗滑性； b ) 提高路表排水能力，增强面层防水、阻水能力，保护基层和路基免受水的 侵蚀； c ) 保护路面结构层，防止沥青层氧化、老化和车轮磨耗，延长路面使用寿命； d ) 对已老化的沥青层能够起到一定的再生作用； e ) 修补原路面表面的小裂缝； f ) 具有较好的经济可比性，从路面的中长期投资来讲，具有更加明显的优势。 但是，碎石封层失败的例子也不鲜见。其破坏主要有三种形式：碎石的剥落， 泛油，推挤和拥包。 ( 1 ) 碎石的剥落 碎石封层当做为路面使用的时候，石料的选择必须满足耐磨的要求，同时也 要满足与胶结料之间的黏附性要求。所以我们在石料的选择上要以耐磨性能满足 要求的石料为主，一般的花岗岩，石英岩等虽然耐磨性能好，但是都是酸性石料， 二氧化硅的含量较高。石灰岩虽然是碱性石料，能与沥青中的地沥青酸和地沥青 酸酐产生比较好的化学黏结，但是其耐磨性能却很难达到做为路面罩面抗磨耗的 要求。如果石料与胶结料不能形成比较好的黏附，在汽车轮胎的水平剪切作用， 雨水冲刷后水分对沥青膜的置换作用以及雨天行车所产生的动水压力作用下，就 会发生剥落，掉粒破坏发展由点到面，导致路面的破坏。 ( 2 ) 泛油 在碎石封层的设计和施工过程中，一个方面，由于设计油石比偏高，或者施 工控制的不严格，导致沥青过量，另一个方面，沥青结合料本身的感温性能差， 抗高温性能不足，在使用过程中，特别是在高温季节，由于车辆荷载的作用，容 易使石料发生发生向下的迁移，导致路表面的沥青富态，泛油，路面构造深度降 低，抗滑性能严重不足。 ( 3 ) 推挤和拥包 碎石封层面层属于薄面层，由于本身厚度薄，特别是使用普通乳化沥青做为 胶结料的封层，在高温地区强度低，更容易导致出现路面变形。碎石封层与下卧 层的粘结能力也是影响路面病害出现的主要因素。层间粘结能力不足，在路面承 受车辆轮胎的水平剪切作用时，会产生层间滑移，接导致路面病害的发生。 论文针对碎石封层由于粘附性能不足、配比设计不合理以及层间界面抗剪性 能不足而导致的病害情况开展了碎石封层性能影响因素的试验研究。 1 2 国内外研究与应用现状 碎石封层在澳大利亚、南非、美国及欧洲等国家和地区被广泛应用于新建道 路的磨耗层，新建轻交通量道路的面层和路面的预防性养护。美国l t p p1 9 9 9 年 对4 0 个州的调查结果显示，碎石封层在3 3 个州的沥青路面预防性养护中得到应 用，普及程度在各养护措施中排第四位【3 】；澳大利亚约有2 5 万公里的公路采用碎 石封层作为磨耗层【4 】；法国每年碎石封层施工面积约3 5 亿平方米【5 1 。碎石封层一 2 殷可以分为单层碎石封层和多层砰壬i 封层两种。此外，根据材料、施 。工艺、应 用场合等的小一】，碎石封层还包括应力吸收膜封层( s a m ) 、应力吸收膜粘结层 ( s a m i ) 、十工布增强碎石封层、同步碎石封层和纤维碎石封层等类型。其中土 工御增强碎石封层是澳大利亚昔遍采用的碎石封层类型吼它首先在原路面上洒 布一层粘层油。铺设上工靠并碾压牢固，然后再在上面铺筑碎石封层( 见下图11 ) 。 图l l 国外的碎石封屡施工 1 2 1 同步碎石封层 提高施工养护质量，降低施工养护成本，加快施工养护速度，是现代化公路 施工养护的新要求。但应用传统的一些公路施工技术进行的公路施工养护，常常 不能全面兼顾这些要求。为此从对这些传统技术的改进和完善上入手，是不能 在短时同内解决所存在问题的。研制和开发新的公路技术和旖工设备己是各国公 路界的重点。其中同步碎石技术在国外的道路建设中取得巨大成功的同时，也开 始被国内同行肯定并开始应用于工程实践。同步碎石封层技术是赛格玛 ( s e c m a i r ) 公司集4 0 多年的公路建设与设备制造经验所研制和开发的一种新 的公路建设和养护技术，现己被世界数十个国家和地区所采用，并于2 0 0 2 年由辽 宁省公路部门率先引入中国后，在短时间内被中国的公路界所认可。现在，已有 多台赛格玛同步碎石封层设备在中国的公路上进行应用同步碎石封层技术的公路 建设和养护施工i ”。 从1 9 8 0 年起，作为节约能源的政策规定的一部分法国已改进了道路养护技 术措施，降低对现存公路的养护能耗。通过对比分析表明，同步碎石封层技术的 成本是各种表面养护技术中最低的( 见下图l2 ) 嗍，所以很多国家采用碎石封层 做为路面养护的主要方式( 见表1 1 ) 。 、，i， ，下 i 哮f 蒋t 。*- t 1 ，xf 。r lj 0 村” 同步碎若封展 枯弗两竹+ q 8 ，i 礴* 日。 髓 薹曩。帮n骶牌 图12 各种路面养护成本比较 表11 各国主要养护技术的采用比例( 国家同步碎石封粘结 冷拌稀浆其它 层技术 罩面 和 封层 英国7 5 1 0 1 5o0 新西兰6 52 501 00 法国6 01 52 032 德国 5 92 01 73 l 西班牙5 61 7l566 澳大利亚 5 51 95 1 0 1 1 荷兰5 13 4393 希腊08 731 00 意大利 58 505 5 士耳其 4 25 2501 墨西哥4 0 4 5 0sl 传统的石屑封层是指为提高各种公路面层的防水性和防滑性而进行的先洒 布沥青结合料、后撒布石屑的技术。它通常是通过使用两种不同的设备一辆 沥青结合料洒布车和一辆石屑撒布车来进行的这样做的成效并不好，会由于骨 料流失而导致低劣的养护性能。同步碎石封层技术是使用同设备同时撒布沥青 结合料和骨料的一种先进技术( 见图13 ) 。 图l3 同步碎石封层施工图 ( 1 ) 同步碎石封层具有良好的肪水性 同步碎石封层是唯一能使摊铺到公路表面的低能量沥青结合料顺利渗入表面 微裂缝的技术。这种特性可| 三l 满足公路表而防水性能的要求，提高公路的持久性。 适当温度沥青结合料的喷洒具有双重防水的功能，顺利渗入表面微裂缝部分弥补 了因裂缝对路面防水性能造成的缺陷。喷洒在路面形成的沥青结合科薄层部分， 肜成一层严密的沥青结合料舫水层。 ( 2 同步碎石封层路面的高度防滑性 被沥青结合料粘结到公路上的骨料直接接触轮胎，这种骨料镶嵌的粗糙度将 提供最好的粘附养护性能，确保它能以最低的能耗，极好地满足路面防滑性的要 求。一种成功的做法是当沥青结合科仍具有很好的流动性且可粘住骨料时，梅骨 科迅速摊铺到粘结层。 ( 3 ) 同步碎石封层的高度耐磨耗及耐久性 这是过去2 0 年来这种公路技术上的最大革新。当沥青结合料处于很好的流动 性时，可以保证沥表结合料和骨料之间最大的表面接触程度，再经过塑化粘结阶 段，可立即进行压实。所以可在最好的条件下，现场拌和沥青结合料和骨料。沥 青结合料的毛吸引力可以产生一个凹面该凹面与骨料自j 好似镶嵌珠宝，因此不 会有骨科流失。 ( 4 】同步碎石封层技术可保证沥青结合料与骨料问最好的结合性 以下试验能很形象地说明同步碎石封层技术与传统石屑封层技术在沥青结合 料与骨料的结合性方面的区别( 见图1 4 ) 。应用传统石屑封层，沥青与骨料结合 时，沥青结合料的温度已经降到很低( 约7 0 ) ，图3 2 第一列图中钢球落入沥 青结合料的接触面角为负角，接触面小，沥青结合料与骨科的结合性差。应用同 步碎石封层，沥青与骨料结合时，沥青结合料的温度下降很小( 约在1 2 0 ) 图 1 4 第二列图中钢球落入沥青结合料的接触面角为正角，接触面大，沥青结合料 与骨料的结合性好。 蹲 一| 泄， 。二。 鬻泌 图1 4 同步碎石石料融合图 1 22 纤维碎石封层 纤维封层技术是采用纤维封层设备同时洒布沥青结合料和玻璃纤维，然后在 上面撒布碎石，经碾压后形成新的磨耗层应力吸收中间层的一种新型道路旆工和 养护技术( 见图15 ) 。该技术在英国、美国、澳大利亚、法国等国家均己得到了 广泛应用。对其性能在4 个不同国家中的跟踪测试一致表明，纤维封层能够明显 改善沥青路面的质量：抗拉强度增大3 0 以上，抗疲劳性能增大3 4 以上，抗车辙 性能增大3 0 0 以上【8 】。目前北京埃盟泰公司将这一创新技术再次引进中国，2 0 0 7 年6 月底该公司相关技术人员携同法国专家于辽宁曹口公路处一一纤维封层技术 中国第一个使用者，完成了法国s e c m a i r 纤维封层设备的调试，并成功进行了 图l5 纤维碎石封层的结构图 实验路及大规模施工。目前我国只是对纤维封层的施工工艺进行了初步的研究与 阐述1 1 ，对纤维封层的层问粘结性能、抗拉性能等影响因素的研究才刚刚起步， 对各影响因素的定性和定量研究还未展开。 1 2 3 碎石封层的材料和配合比设计 1 2 3 1 碎石和沥青 根据碎石封层的类型、使用场合、施工季节、环保要求、施工习惯等，碎石 封层可以选择( 改性) 乳化沥青、稀释沥青、热沥青，改性沥青、再生性乳化沥青 等沥青结合料。其中，乳化沥青和稀释沥青应用最为普遍【6 】。在大量应用碎石封 层的国家和地区，澳大利亚大部分采用稀释沥青作为结合料，欧洲大部分采用乳 化沥青作为结合料，美国既采用稀释沥青也采用乳化沥青。但是考虑到环保要求， 稀释沥青在不断被乳化沥青所取代。 集料的级配是影响碎石封层性能的关键指标之一。碎石封层用的集料，一般 是单一粒径( 集料基本处在两个相邻尺寸的筛上) 的集料。国外文献认为，用于碎 石封层最理想的集料是单一粒径的集料，或者说是“没有级配的集料【6 】。 单一粒径集料的主要优点是： ( 1 ) 矿料间隙率大，有更多的空间供结合料填充，利于集料与沥青的粘结； ( 2 ) “没有级配的碎石封层与车辆轮胎的接触面积比有级配的大，抗滑性能 更好； ( 3 ) 单一粒径碎石封层的表观纹理结构更咖美观； ( 4 ) 单一粒径碎石封层的碎石之间能形成连通的排水渠道，更利于路面排水： ( 5 ) 单一粒径碎石封层的设计和施工控制都比有级配的情况更方便。 1 2 3 2 配合比设计 对于碎石封层的设计，不同的国家和地区有不同的方法，但设计内容都主要 包括沥青洒布率和石料撒布率两项。各种不同的方法归纳起来可以分为经验配比 法、理论计算法两类。 美国的很多州( 如密歇根州、加利福尼亚州等) 认为碎石封层是“不可设计一 的，要求工程师在施工中根据情况在允许的用量范围内确定材料撒布率，这便是 经验配比法。还有一种十分直观、简便的碎石封层设计方法，它是将碎石均匀、 紧密地撤满某平底容器，根据碎石质量和撒布面积计算石料撒布率，然后向该平 底容器内倒人自来水直至刚好完全淹没石料，倒人水量的2 3 与平底容器表面积 的比值即为沥青结合料的撒布率( z a n i e w s k i a n dm a m l o u k ，19 9 6 ) 。比较有代表性的 理论计算法有m c l e o d 方法、l o v e r i n g 方法、美国的沥青协会方法等。本文使用 m c l e o d 计算法，该方法假设集料平均高度的7 0 被沥青结合料填充，且撒布率 7 受交通量大小、集料特性、路面状况等因素的影响【1 2 】。各计算因子如下【1 3 】： ( 1 ) 碎石尺寸中值( m ) 碎石尺寸中值是按照碎石级配计算得出的，为5 0 的碎石能够通过的筛网网 孔尺寸( 理论值) 。用于测量碎石级配的筛网网孔尺寸( m m ) 有：0 0 7 5 、0 3 、1 1 8 、 2 3 6 、4 7 5 、6 3 、9 5 、1 2 5 、1 9 0 、2 5 0 。 ( 2 ) 碎石片状指数( f i ) 碎石片状指数是碎石中针片状成分在全部碎石中所占质量的百分数。采用标 准的测试盘测定，测试盘上的槽有2 5m m 、1 9m m 、1 2 5m m 、9 5m m 和6 3m m 等5 种，因为碎石封层不使用2 5m m 、1 9m m 、1 2 5m m 规格的碎石，一般只使 用测试盘上最小的3 种槽。 ( 3 ) 碎石平均最小尺寸( h ) 碎石平均最小尺寸( a l d ) 代表了轮胎碾压最多地方碎石封层的厚度。 h = m 1 1 3 9 2 8 5 + ( 0 0 1 1 5 0 6 ) ( f i )( 1 1 ) ( 4 ) 松散碎石的单位质量( w ) 。 松散碎石的单位质量是用来计算初压后碎石之间的空隙率的，按a s t m c2 9 规定测定。级配碎石和比较脏的碎石单位质量较大。 ( 5 ) 碎石密度( g ) 碎石不同，密度也不相同，覆盖同样面积，密度大的碎石需要量较多。常见 碎石的密度见下表1 1 ： 表1 1 常见碎石的密度 碎石类型花岗岩石英岩玄武岩石灰石红砂岩卵石 密最小值2 6 02 5 92 9 52 4 0 2 5 0 2 5 5 度 最大值 2 7 52 6 32 9 82 6 72 5 2 2 6 6 t m 3 平均值 2 6 82 6 2 2 9 7 2 6 l2 5 12 6 2 ( 6 ) 松散碎石的空隙率( v ) 松散碎石的空隙率是碎石从撒布车上落到地面后碎石之间的空隙。采用单一 尺寸碎石时，松散碎石的空隙率一般为碎石尺寸的5 0 级配碎石的空隙率稍小。 压路机初压后，松散碎石的空隙率将减小到3 0 ，行车充分压实后，松散碎石的空 隙率可以达到2 0 。车流量较小的道路，松散碎石的空隙率将维持在初压后3 0 左右的状态，需要较多的沥青，方能获得良好的封层性能。 一志 ( 1 2 ) 1 0 0 0 g 、 ( 7 ) 碎石吸收率( a ) 所有的碎石都具有吸收沥青材料的特性。m c l e o d 建议，碎石的吸收率在1 附近时，需要增加o 0 9l m 2 的沥青用量。常见碎石对沥青的吸收率见下表1 2 ： 表1 2 常见碎石对沥青的吸收率 碎石类型 花岗岩石英岩玄武岩石灰石红砂岩卵石 最小值 0 4 00 6 l0 3l1 7 51 1 4 吸收率 最大值 o 9 20 7 2o 5 95 4 42 3 2 平均值 o 5 9o 6 70 4 32 8 0 1 6 9 ( 8 ) 交通量修正因子( t ) 交通量小，碎石将保持最初压实后的形状，要达到7 0 的沥青裹覆量，需要 更多的沥青。交通量足够大时，碎石封层会比初压后的薄，需要的沥青较少。如 果不考虑交通量的影响，碎石封层在轮胎碾压较多的地方会泛油，在没有轮胎碾 压的地方掉粒较为严重。m e l e o d 提出了不同车流量情况下，碎石的沥青裹覆率 修正因子，见下表1 3 ： 表1 3 沥青裹覆率修正因子 日车流量( 辆d ) s l0 01 0 0 5 0 0 5 0 0 - l0 0 0l0 0 0 2 0 0 0 芝20 0 0 沥青裹覆率 o 8 50 7 5o 7 00 6 5 0 6 0 ( 9 ) 碎石损失系数( e ) 封层施工开放交通初期，不可避免会有部分碎石脱落。碎石的脱落量和行车 速度、数量密切相关。一般认为，低速、小流量、城市道路的碎石损失系数为5 ， 高速公路、国道的碎石损失系数为1 0 。 ( 1 0 ) 路面状况修正因子( s ) 道路状况也是影响沥青用量的重要因素。新建平滑、孔隙小的道路，吸收沥 青少，相反，干燥、多孔有麻点的路面会吸收大量沥青。部分道路状况修正因子 见下表1 4 ： 表1 4 路面状况修正因子 道路状况 修正量，s 黑色、泛油( - 0 0 4 ) 一( - 0 2 7 ) 光滑、无孔 o o o 轻微裂缝、氧化 + o 1 4 轻微麻点、裂缝、氧化 + o 2 7 严重麻点、裂缝、氧化 + o 4 0 ( 1 1 ) 碎石用量( c ) 碎石用量( c ) 与松散碎石的空隙率( v ) 、碎石平均最小尺寸( h ) 、碎石密度( g ) 、 碎石损失系数( e ) 密切相关，计算方法见式1 3 ： 9 c = ( 1 0 4 矿) h g e( 1 3 ) ( 1 2 ) 沥青用量( b ) 沥青用量( b ) 与碎石平均最小尺寸( h ) 、交通量修正因子( t ) 、松散碎石的空隙 率( v ) 、路面状况修正因子( s ) 、碎石吸收率( a ) 、乳化沥青或稀释沥青中沥青含量 ( r ，采用热沥青时，该值取1 ) 密切相关，计算方法见式2 4 ： b = 0 4 h t 矿+ i a ( 1 4 ) 1 2 4 碎石封层技术的适用条件 ( 1 ) 低等级、轻交通量道路的建设，可在简单处理过的基层( 如石灰土、天然 砂砾) 上直接铺设双层碎石封层作为路面。这样的路面结构形式，一方面可以大幅 度降低筑路成本，有效缓解公路建设资金紧缺问题；另一方面，可以迅速增加我 国公路网的覆盖范围，有利于“乡乡通油路，村村通公路目标的尽早实现，对 于经济发展相对落后的农村地区和中西部地区有特殊重要的意义。 ( 2 ) 普通公路沥青路面的预防性养护。碎石封层可以修复路面轻度的裂缝和松 散，可以延缓路面老化，缓解路面水损害，增强路面抗滑，是一种经济、有效的 沥青路面预防性养护方法。 ( 3 ) 新建公路沥青路面的表面磨耗层。碎石封层技术的施工设备简单，施工工 艺简便，无需复杂的混合料设计，材料生产方面也没有任何困难【1 4 】。 1 3 本文主要研究内容及研究思路 基于我国碎石封层目前的发展情况，对碎石封层在使用过程中出现的一些典 型病害进行简单的探讨，并从以下三个方面进行研究： ( 1 ) 原材料实验与碎石封层配合比设计 通过常规实验和s h r p 实验对比不同沥青材料技术指标，选择合适的沥青类 型：以抗磨耗性能为主选择适合路面使用条件的石料类型：为了更科学合理的计 算碎石撒布率和沥青撒布率，采用m c l e o d 方法，考虑受养护路面界面状况，交 通量，碎石粒径大小等因素来进行配合比设计。 ( 2 ) 碎石封层粘附能力试验研究 碎石封层路面出现掉粒，主要是由于碎石与沥青胶结料的之间的粘附能力不 足，不能抵抗外力作用而导致的。本文参照公路工程沥青及沥青混合料试验规 程( t 0 6 6 0 2 0 0 0 ) 并做一定的改造，以脱石率为试验指标，分析石料类型，粒径 大小，沥青类型和用量，动水压力等因素对石料粘附能力的影响。 ( 3 ) 层间界面抗剪能力影响因素的试验研究 1 0 推挤和拥包是碎石封层的主要病害。除了采用b i s a r 程序对碎石封层的层底 抗剪性能进行力学分析外，还通过室内剪切试验和拉拔实验，从碎石粒径，下卧 层界面类型，沥青类型和用量，温度变化这几个影响因素进行分析，以得到不同 因素变化对碎石封层抗剪性能产生的影响。 第二章原材料实验与配合比设计 2 1原材料与原材料实验 2 1 1 沥青结合料 2 1 1 1 乳化沥青和稀释沥青 ( 1 ) 乳化沥青。美国a s t md3 6 2 8 规定，用于碎石封层的乳化沥青型号包括 r s 1 ，r s 2 ，h f r s 2 ，c r s 1 ，c r s 2 ，而美国各州的相关技术标准中多规定：c r s 2 和h f r s 2 型乳化沥青用于碎石封层。它们的共同特点是；它们既可以是阴离 子乳化沥青，也可以是阳离子乳化沥青；他们是快裂或中裂型乳化沥青；它 们都有5 0 赛波特粘度指标的要求。碎石封层要求沥青结合料有一定的喷洒厚度 以裹住碎石，这就需要用于碎石封层的乳化沥青有相当的粘度。美国a s t md 2 3 9 7 规定，c r s 2 型乳化沥青5 0 赛波特粘度指标在1 0 0 4 0 0p a s 范围内，这要 比其他用途乳化沥青的粘度高出很多。 ( 2 ) 稀释沥青。国外经常采用掺加煤油或者粗制汽油制作成中凝型、快凝型的 稀释沥青用于碎石封层。制作稀释沥青的基质沥青可选用本地区常用的沥青标号； 稀释剂的类型根据开放交通要求、材料价格等条件确定；稀释剂掺量一般为基质 沥青的1 5 3 5 。国外碎石封层采用稀释沥青而较少使用普通石油沥青，主要 是因为稀释沥青更适合用于碎石封层：通过掺加煤油等稀释剂，可以降低沥青 喷洒温度，使沥青洒布更加均匀，而普通沥青特别是聚合物改性沥青，由于粘度 较大，不容易洒布均匀；稀释剂的加人使稀释沥青非常“软 ，自洒布后有相 当的一段时间可供碎石撒布和碾压，而普通石油沥青在路面上洒成薄层后，其温 度会迅速降低，影响与石料的粘结。 2 1 1 2 改性剂的选取和改性沥青的制备 论文所用沥青为a 7 0 沥青，s b s 改性沥青，s a s o b i t 改性沥青3 种。其中a 7 0 沥青作为后两种改性沥青的基质沥青。s b s 改性剂的型号品种很多，主要分成星 型和线型( 见图2 1 ) 两大类，其性能对沥青的改性效果影响很大，以往的研究认 为，就沥青的改性效果而言，星型s b s 改性效果要好于线型s b s ，但星型s b s 改性 加工困难，且易引起相容性不良等问题。为了解决相容性不良等问题，论文采用 线型s b s ，利用德国进口的胶体磨( 见图2 2 ) 对改性沥青进行研磨加工，为使改 性剂与基质沥青充分混融，拟定转速4 5 0 0 r p m ，研磨时间为4 h ，本次研究所选用 的改性工艺如下： ( 1 ) 将基质沥青加热到1 6 0 后加入备好的改性剂； 1 2 4 h ( 2 ) 将沥青和改性剂混合物在1 6 0 cf 溶胀3 0 r a i n ，并加以不停的人j = 搅拌； ( 3 ) 将i _ 五苛和改性剂的混合物倒入胶体磨中，温度撺制在1 8 0 c ，研席时问为 ( 4 ) 放出沥青，清沈仪器： ( 5 ) 将制备蚶的改性沥青静置1 0 h 以上，以番后续试验 图2l 道路沥青改性剂一s b s ( 线型) 蚓2 2 胶体磨结构示意图 需要注意的是，在研磨过程中将改性剂磨碎的同时，还引入了一定量的空气 气泡到沥占中，所以在试样提供试验前，还必颂驱赶沥青中的气泡。方法是用 根玻璃棒继续缓慢地搅拌一段时间，气泡就会完全消失。否则，将直接影响试验 结果。 s a s o b i t 是一种窄分稚的合成饱和碳氢化台物的混合物，是一种硬蜡，经由煤 炭气化- 用f t 法制成。众所周知，沥青中蜡含量偏高会对沥青的性能产生明显的 负面影响，但是掺入一定量的s a s o b i t 却不会出现这种问题。这是因为它与沥青中 的蜡在分子结构上有很大的不同：沥青中的蜡分子一般只含有2 2 4 0 个碳原子而 s a s o b i t 分子是含有4 0 1 2 0 个碳原子的长链脂肪烃。它的熔点在1 0 0 c 左右，可以 完全融解在温度高于1 1 5 c 的沥青中，降低沥青的粘度，使混合料拌和及压实温度 降低。在温度低十熔点时，则在沥青中形成网状的晶格结构增加沥青的稳定性， 提高路面在使用温度范围内的抗车辙性能。经试验证明，s a s o b i t 在高温沥青中简 单地机械搅拌即可均匀地融解分布于沥青中且不离析，不必要采用胶体磨或者高 速剪切搅拌等复杂的加工丁艺，与一般的p e 或s b s 等改性剂相比具有优良的加工 性能。其物理化学指标如下表21 ： 表2 is a s o b i t 的物理指标 s a s o b i t 在1 2 0 - - 1 3 0 c 的基质沥青中很窖易分敞均匀，搅拌时自j2 m i n ，工艺简 单，不需要特殊设备。s a s o b i t 在基质沥青中的掺入量为35 。改性沥青下见图 ! 【22s b s 改性沥奇 s a s o b i t 改性沥青 2 i 2 集料 碎石封层j ；| j 集料可以是轧制碎石或烧制的人造集料，要求干净、耐磨、形状 好，满足相应的技术要求。 2 12l 级配 有级配的碎石封层，其施工性能、使用效果等都不及采用单一粒径碎石封层。 集料的级配越好就越不适合用于碎石封层，因为集料的级配越好，矿料闯隙率越 小，越没有空间供结合料来填充，允许的沥青用量范围较窄。所以设计和施工中 稍有不慎就会造成泛油( 沥青用量偏大) 或者碎石的脱落( 沥青用量偏小) 。此外，由 于粒径大小不一，车辆轮胎与路面接触时只是与其中突出在表面的太粒径石料 接触，从而影响路面的抗滑性能。论文实验主要针对是路面养护罩面所以碎石 粒径为47 5 r a m 63 m m 和6 3 m m 95 r a m 两种。 此外，为了保证碎石与沥青的牢固粘结，碎石中应尽量不含粉料。碎石封层 集料的o 0 7 5 r a m 通过率一般不超过1 。 2 l22 针片状含量 碎石封层用集料最理想的外形是规则立方体型。如果集料扁平，那么轮迹带 上的碎石在行车作用下“平躺”在路面上，易形成泛油；而在轮迹带以外的地方 碎石“竖立”在路面上，与沥青粘结面积小，容易脱落。因此，集料的针片状含 量必须满足要求。见下图23 ： 藏 图2 3 碎石封层的外观及针片状集料用于碎石封层的示意图 2 l2 3 其他技术指标 碎石封层中的集料“顶天立地”，直接与原路面以及车辆轮胎接触，要求能够 抵抗行车的压碎、磨光，而且还要为行车提供良好的抗滑性能，因此其压碎值、 磨耗碎石、磨光值等指标也必须满足要求。 2l2 4 实验采用石料技术指标 本文所采用的集料为玄武岩，规格为47 5 63 r a m 和6 3 95 两种。集料具体 的物理、力学指标测试结果见下表2 2 ： 表2 2 玄武岩的技术指标 技术指标 单位试验值技术要求 压碎值1 46 s 2 8 洛杉矶法磨耗率 1 45 兰3 0 与沥青粘附性等级 级54 级以上 针片状颗粒含量 52 s 1 5 粉尘含量 09 7 兰1 磨光值 b p n4 5 4 2 吸水率1 1 2曼2 破碎面、几何形状4 个破碎面以上、接近立方体 2 1 3 沥青实验结果 论文对3 种沥青分别进行了常规实验和s h r p 实验。 2 13 1 常规实验结果 实验结果见表23 表25 。 表2 3a 7 0 沥青 试验项目 单位技术要求试验结果试验方法 针入度( 2 5 。c ，1 0 0 9 ，5 s ) o 1 m m6 0 8 06 6 7j t jt 0 6 0 4 延度( 5 c m m i n ，1 5 ) c m l 0 0 1 5 0j t jt 0 6 0 5 软化点( 环球法) 4 4 5 44 9 6j t jt 0 6 0 6 蜡含量 牛2 21 8j t jt 0 6 1 5 密度( 15 )g c m 3 实测 1 0 3 1j t jt 0 6 0 3 溶解度 9 9 0 9 9 4j t jt 0 6 0 7 i 己t f o t 质量损失 5 57 0 0j t jt 0 6 0 9 t 0 6 0 4 膜加热 试验后 延度( 15 c ) c m 实测 1 2 0j 1 】t 0 6 0 9t 0 6 0 5 表2 4s b s 改性沥青主要技术指标试验结果 试验项目单位技术要求实测值试验方法 针入度( 2 5 c ，1 0 0 9 ，5 s ) 0 1 m m 4 06 lt 0 6 0 4 延度( 5 c m m i n ，5 ) c m 2 03 5t 0 6 0 5 软化点( 环球法) 6 06 4t 0 6 0 6 闪点( c o c ) 2 3 0) 2 8 0t 0 6 1 1 针入度指数p i|之+ 0 2 0 3 4t 0 6 0 4 运动粘度1 3 5 p a s s 3 1 8t 0 6 0 3 溶解度 9 9 09 9 6 7t 0 6 0 7 离析、软化点差 s 2 5 1 ot 0 6 0 6 弹性恢复2 5 7 09 3t 0 6 0 5 密度15 g e m 3 实测 1 0 2 9t 0 6 0 3 质量损失 s 1 0 o 0 9t 0 6 1 0 l 盯f o t 针入度比 6 58 2t 0 6 1 0 后残留 延度( 1 5 ) c m |t 0 6