（道路与铁道工程专业论文）多年冻土地区沥青路面材料组成与结构设计研究.pdf

摘要 多年冻土地区道路修筑一直被视为世界性难题，公路路面特殊的使用和施工条件 对路面材料与结构提出了特殊要求。本文从路面材料和结构两方面，对多年冻土地区 沥青路面设计技术进行系统深入的研究。 通过模拟试验，研究了低温条件下水泥稳定砂砾的强度、收缩和抗冻等特性，首 次提出了养生温度对强度形成影响的临界温度，推荐了收缩最不利状况和抗冻耐久性 的适宜评价方法，并提出了混合料配合比设计方法。 对级配碎石强度构成和变形过程分析认为，其塑性变形的本质是颗粒之间的剪切 变形。利用自行研发的柔性材料剪切性能测试仪，分析了级配碎石的抗变形能力，综 合c b r 和剪切试验分析结果，提出了基于c b r 和剪切强度双指标控制的关键筛孔及 其通过率合理范围及组成设计方法。 通过沥青稳定碎石低温特性试验分析，提出了以温度应力比和弯曲应变能为主要 指标的混合料低温抗裂性能综合评价方法，以及基于强度和大型马歇尔指标的沥青稳 定碎石配合比设计方法。 通过面层沥青混合料的低温性能试验，分析了不同因素对混合料低温性能的影 响，重点研究了热老化对沥青混合料低温抗裂性能的影响，提出了基于低温性能的面 层沥青混合料配合比设计方法。 在冻土路基融沉变形分析的基础上，定量分析了路基不均匀融沉变形对沥青路面 结构的影响，首次提出了多年冻土地区沥青路面结构融沉附加应力计算方法。根据多 年冻土地区沥青路面的特点，提出了基于荷载与融沉综合作用的多年冻土地区沥青路 面结构设计方法，并以交通量、最大融沉深度和土基模量为控制指标，给出了多年冻 土地区沥青路面推荐结构。 关键词：多年冻土，沥青路面，水泥稳定砂砾，级配碎石，沥青稳定碎石，沥青混合 料，低温特性，配合比设计方法，融沉附加应力，路面结构设计方法 a b s t r a c t r o a db u i l d i n 2i np e n i l a f r o s ta r e ai sr e g a r d e da sad i f f i c u l tp r o b l e mi nt h ew o r l da ta 1 1 t i m e s f o rm a n ys p e c i a le m p l o y i n ga n dc o n s t r u c t i n gc o n d i t i o n so ft h eh i g h w a yp a v e m e n t i np e 珊a 疗o s ta r e a ，p a v e m e mm a t e r i a i sa 1 1 ds t r u c h l r es h o u l dp r o v i d em a n ys p e c i a l p e r f b 珊a 1 1 c e st oa d a p t i nm i sm e s i s ，t h ea u t h o rs y s t e m i c a i l ys t u d yo n 山ea s p h a l tp a v e m e m d e s i p mt e c h n 0 1 0 9 yo f 山ep e n l l a 矗o s ta r e af 而mm em a t e r i a la i l dt l l es t r u c t l l r e b y 也es i m u l a t i n 2t e s to ft l l ec e m e n t s t a b i l i z e dg r a v e lm i x m r e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s u n d e r l el o w t e m p e r a t l l r ec o n d i t i o n ，s u c ha st l l es t r e n g m ，s t l r i n ka n da n t i f r e e z e ，a r e s t u d i e d t h ec r i t i c a ld i v i d i n gt e m p e r a n l r et l l a t 也em a i n t a i n i n gt e m p e r a t u r ei n f l u e n c e st ot h e s t r e n m hf o r m i n gi sf i r s t l yc o n 矗m l e d t h es h r i r l i ( w o r s ts t a t u sa n dt 量l ef e a s i b i ea 1 1 t i f k e z e e v a l u a t em e t h o da r er e c o m m e n d e d s y n t h e s i z i n gm ea n a l y s i sr e s u l t s ，t h em i xd e s i g n m e t l l o di sp u tf b n a r d o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gm es t r e n g t l lf o n t l i n ga n dt 1 1 es e m i n gp r o c e s so ft h eg r a d e d c r u s h e df o c k t h ea u t h o rc o n s i d e r st h ee s s e n c eo ft h e 口l a s t i cs e m e m e n tt ob e 山es h e a r s e n l e m e n tb e e e nt h eg r a i n s t h es e n l e m e m sr e s i s tc a p a b i l i t yi ss y s t e m a t i c a l l ya 1 1 a 1 ) r z e d u s i n gt 1 1 en e x i b i em a t e r i a is h e a rp e r f o m a i l c et e s t i n ga p p a r a t u st h a ti n v e n tb yt h ea u t h o r a c c o r d i n gt o 血ec b ra 1 1 dt h es h e a rt e s t i n gr e s u l t so ft h eg r a d e dc r u s h e dr o c k ，t l l ek e ys i e v e p o r e sa n dt 1 1 e i rr e a s o n a b l ep a s s a g er a i l g ea r er e c o m m e n d e d ，t l l em i xc o m p o s i n gd e s i g n m e 山o db a s e do nt h ec b ra i l dm es h e a rs t r e n g t hi sb r o u g h tf o n v a r d t 1 1 r o u g ht h el o 、v t e m p e r a t u r cc h r e m a t i s t i c st c s t i n ga n da i l a l y z i n go ft i l ea s p h 越tt r 量a t e d m a c a d 锄，t l l ei n t e 譬r a t i v ee v a l u a t i n gm e t h o do ft l l el o w t e m p e m t l l r ea n t i c r a c kp e d b h n a n c e t h a tt a k et h et e m p e r a m r es n 它s sr a t i oa n dt h eb e n d i n gs t r a i ne n e 唱ya st h ep r i m a r yi n d e x t h e m i xd e s i g nm e 血o db a s e do nt 1 1 es 仃e n g 血a i l dt h em a r s h e l li n d e xf o rm ea s p h a l tt r e a t e d m a c a d 锄i sd e v e l o p e d t h ee f i e c t so fv a r i e sf a c t o r so nl o w t e m p e r a t u r ep e 0 r m a n c e so ft 1 1 ea s p h a l tm i x n i r e a r ea n a l y z e db yt l l el o 、v _ t e m p e r a t i l r ep e r f o 珊a n c et e s t i n g t h ei n n u e n c eo ft l l eh o t a g i n gt o m el o 、t e m p e r a t i l r ea n t i c r a c kp e r f b r r n a n c eo ft h es l l i f k ea s p h a l tm i x n l r ei se s p e c i a l l y s t i l d i e d b a s e do nt t l em i x t i l r el o 、v - t e m p e r a 嘛p e r f b 硼a 1 1 c e ，t 1 1 em i xd e s i g nm e 山o di sp u t f 0 州a r d b a s e do nt h ea i l a l v s i so ft l l et 1 1 a ws e 砌e m e n to ft l l e 丘o s tr o a d b e d ，血ei n n u e n c eo ft 1 1 e r o a d b e du n e v e ns e n l e m e n to nt l l ea s p h a l tp a v e m e n ts t m c 眦i sq u a l l t i t a t i v ea n a l y z e d ，a n d m ec a l c u l a t i n 2m e t h o do ft l l ea d d i t i v es 仃e s sa r i s e 疗o mt l l eu n e v e nt 1 1 a ws e m e m e n ti n p a v e m e n ts t n l c t u r ei sf i r s t l yg i v e n a i m i n ga t 也ep e c u l i 撕t yo fm ea s p h a l tp a v e m e n ti n 也e p e n i l a 胁s ta r e a m e 鹤p h a l tp a v e m e n ts 仉i c t u r ed e s i 印m e m o df b i i l l do nt h ei n t e g r a t i v e e 岱：c to ft h el o a d m 2a i l dt l l em a ws e n l e m e n ti sb r o u 曲tf o r w a r d t a 虹n g 山et r a m c ，t 1 1 e m a ) 【i m u mm a w s e n l e m e n td e p t l la 1 1 dt 1 1 ee a n l lm o d u l l l sa s 也ec o n 仃o l l i n gi n d e x ，m e r e c o m m e n d e d 硒p h a l tp a v e m e n ts m l c t u r ei sp r e s e n t e dt om ep e h n a f 而s ta r e a k e y w o r d s ：p e m l a 行o s t ，a s p h a l tp a v e m e m ，c e m e n t s t a b i l i z e dg r a v e l ，( h a d e dc 兀j s h e dr o c l c ， a s p h a l tt r e a t e dm a c a d a m ，a s p h a i tm i x t u r e ，l o 、v - t e m p e r a t u r ep e r f o m a i l c e ， m i xd e s i 印m e t l l o d ，t h a w s e t t l e m e n ta d d i t i v es t r e s s ，p a v e m e n ts t m c 眦 d e s i 印m e t h o d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在等师的描导下，独立进行 研究工作所取得的成果。际论文中已经注明；l 用豹内容外，对论文的 研变做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标鞠。本论 文中不包含任何来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。 论文作卷签苎乡 论文知识产权权属声明 年f 骂l n 覆 本人在搏耀指导下所完成的论文及相关瓣职务作品，翔识产权籍 属学校。学校享存以任何方式发表、复籀、公开溪蹩、借阕以及串请 专利筹权利。本人离校质发表或饿用学健论文或与该论文壹接指关的 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) 弘年，月孑。强 ；年 嗣 ”目 第一章绪论 1 1问题的提出 多年冻土在全球分布较广，约占陆地面积的2 5 ，而在我国的青藏高原、东北 大小兴安岭和西部高山等地分布约2 1 5 万平方公里多年冻土，位居世界第三。多 年冻土地区特殊的气候条件和地质条件，给道路设计、施工及使用带来了巨大困 难，使多年冻土地区道路修筑一直被视为世界性难题，其中道路路面设计与施工 中存在着许多技术难点。 随着公路交通运输要求的不断提高和路面修筑技术的不断发展，多年冻土地 区道路路面从早期以砂砾路面、碎石路面为主的中级路面，逐渐发展为以沥青混 凝土路面为主的高级路面。由于多年冻土地区的特殊性，建设与发展过程中虽对 沥青路面的材料、结构与施工工艺等开展了数十年的探索、研究与实践，但仍有 大量问题需要解决，已建公路广泛存在和不断出现各种病害，严重影响沥青路面 的使用性能和服务寿命，亟待深入研究解决。如地处青藏高原腹地的1 0 9 国道青 藏公路多年冻土段，自1 9 7 2 年1 9 8 4 年由砂石路面改建为沥青路面以来，国家先 后投入数十亿元，进行了多次整治与改建，并开展了相关研究，提高了公路的通 行能力和使用性能，但旧的问题尚未解决，新的问题不断出现，路面实际使用寿 命明显低于设计使用寿命。路面调查表明，水泥稳定基层在低温条件下强度较低， 不易形成板体：路面横向裂缝十分严重，裂缝间距4 8 m ，有些路段间距不足1 m ： 在强烈紫外线照射和长期低温作用下，沥青路面老化严重，龟裂、网裂占路面病 害的1 1 8 ，松散占1 6 8 。而且，这些路面病害在青海2 1 4 国道、内蒙古3 0 1 国 道多年冻土区段均有分布。 沥青路面设计质量的好坏直接决定着其使用性能和使用寿命，为此，国内外 对沥青路面材料组成与结构设计的研究经久不衰。沥青路面的设计与公路所处的 自然条件和使用条件密切相关，多年冻土地区沥青路面调查分析也表明，路面病 害的产生除一般地区相似的原因外，与特殊的使用条件有关。而目前，多年冻土 地区沥青路面的设计国内外尚无设计规范或指南可供参考，仍以借鉴一般地区沥 青路面设计方法或经验为主，对多年冻土地区特殊自然条件的考虑不够全面或较 少，难以满足特殊使用要求。因此，从多年冻土地区沥青路面的特殊使用条件出 发，开展沥青路面材料组成与结构设计研究，对提高沥青路面使用性能延长使 用寿命，具有重要现实意义。 多年冻土地区长期低温，降温速率快，且昼夜温差大。如青藏公路冻土路段 全年基本为负温环境，多年平均最低气温为一1 4 5 一1 7 4 ，最高气温为6 8 8 1 ，5 8 月份有较短的正温环境，但最低温度仍低于0 ；昼夜温差为2 3 2 6 ，地表温差可高达5 0 。这种特殊的温度条件是多年冻土地区沥青路面 病害区别于一般地区的主要原因，也是该地区沥青路面材料设计需要考虑的主要 因素。 与我国一般地区类似，多年冻土地区沥青路面以半刚性基层沥青路面为主， 基层材料主要是水泥稳定砂砾、水泥稳定碎石等水泥稳定粒料类材料。已有研究 表明一”，水泥稳定粒料的强度主要来源于水泥的水化物，由于它们逐渐硬化， 使混合料强度不断提高，水化反应后溶液中存在大量c a ( 0 h ) ：，使离子交换作用、 碳化反应和硬凝反应得以发生，由此产生的各种附加胶结物质，必然会提高混合 料的后期强度；养生温度对混合料的强度形成有明显影响，养生温度越高，混合 料的强度也越高。而在多年冻土地区的最佳施工季节( 5 9 月) ，最高日平均气温 为l o 1 5 ，夜间仍有负温，明显低于一般地区施工温度和现行规范的标准养生 温度( 2 0 ) ，使混合料实际强度形成规律与一般地区不同。同时，混合料的实际 强度是在高低温交替变化甚至正负温交替变化过程中形成，与恒温养生研究得出 的结论明显不同。按现行规范方法设计的水泥稳定砂砾，在多年冻土地区应用中 普遍出现了强度低、难以形成板体等问题。因此，为了保证水泥稳定砂砾的实际 承载能力，有必要开展模拟实际温度变化过程的强度特性试验研究，分析混合料 低温条件下的强度形成规律。 水泥稳定类材料的收缩性较大，容易产生收缩裂缝，引起沥青路面的反射裂 缝，对其收缩特性和基于抗裂性能的材料组成设计研究成为道路界关注的热点。 研究表明【1 7 0 仉2 “，材料组成、温度、湿度、强度等是影响混合料收缩特性的主要因 素。多年冻土地区气候干燥、蒸发率大、温差大，混合料的干燥收缩和温度收缩 会更为严重。加之温度变化过程、混合料的强度形成规律等不同，使混合料的收 缩特性与一般地区也有不同。青藏公路沥青路面调查分析得出【l l ”，沥青路面反射 裂缝严重，与一般地区相比，出现时间早，裂缝间距小，往往使用1 年后会反射 到面层。为了改进混合料设计方法，提高水泥稳定砂砾的抗裂性能，需要模拟实 际温度条件研究其收缩特性。 水泥稳定砂砾在冻融循环作用下，混合料内部会由于液体膨胀压力、渗透压 力等形成损伤，使强度逐渐下降，在行车荷载作用下将产生松散、开裂等破坏， 影响路面整体使用性能。多年冻土地区的负温和冰冻时间长，冻融循环剧烈，几 乎每天会有一个冻融循环，因而对混合料的抗冻性提出了更高要求。对于水泥稳 定类材料的抗冻性的研究与评价基本借鉴水泥混凝土的相应试验评价方法。而水 泥稳定砂砾的空隙结构明显不同于水泥混凝土，且多年冻土地区气候干燥，混合 料实际所处的湿度状况与完全饱水试验条件明显不同。针对多年冻土地区冻融循 环剧烈的特点，急需开展水泥稳定砂砾的抗冻性试验研究。 半刚性基层不可避免地开裂，并由此形成半刚性基层沥青路面的反射裂缝， 这已是人们的共识，进行了大量研究，提出一些减少和延缓反射裂缝的措施。其 中在半刚性基层与沥青面层之间铺筑由粒料、土工织物、橡胶沥青、开级配沥青 混凝土等材料组成的应力消减层，是目前国内外工程实践中应用较多的措施。其 中应用级配碎石层形成上柔下刚的倒装结构，取得了较好的效果【3 0 3 刀。对于多年 冻土地区而畜，沥青路面结构中设置的级配碎石层，除提高路面结构的抗反射裂 缝的能力外，还可以主动改善沥青路面的导热性能，减轻沥青路面吸热对冻土路 基热融沉陷的影响，减小路面结构的附加应力。但由于级配碎石是散体材料，在 行车荷载作用下容易产生塑性变形，导致路面出现车辙、较大不平整、局部开裂 等变形破坏【2 9 ，3 ”。因此，需要研究级配碎石的抗变形能力，防治半刚性基层沥青 路面反射裂缝效能，以及改善多年冻土地区沥青路面导热性能。 沥青稳定基层在国外已经得到了大量应用，认为这种结构层能够有效地减小 水损害，使得路面结构受力协调，并有利于采用统一的沥青材料从而保证路面质 量。英国的高速公路多采用沥青稳定粒料作基层。在地处北半球高纬度地带、低 温寒区地域广的加拿大，公路路面也广泛采用沥青稳定基层。沥青稳定基层的主 要优点在于，作为柔性材料，比半刚性基层的变形协调能力强。但沥青稳定类材 料在多年冻土地区应用时，与一般地区有所不同，常年低温会导致混合料的刚度 增大，应力松弛能力降低，变形协调能力减小：而昼夜温差大、降温速率快，又 会产生较大的温度收缩应力；再加上频繁剧烈的冻融循环作用，混合料的粘结力 将不断降低，结构逐渐松散，强度衰减，容易引起路面裂缝、松散等早期破损的 出现。因此，沥青稳定材料在多年冻土地区特殊温度条件下的低温强度、低温抗 裂、抗冻、低温疲劳等特性，直接影响其优点的发挥，很大程度上决定了基层以 至于整个路面结构使用性能和使用寿命，应予以重视，并开展深入研究。 基于路用性能的沥青混合料设计方法一直是国内外沥青混合料研究的热点问 题。美国s h r p 提出了建立在路面性能基础上的沥青胶结料和混合料规范，在沥 青混合料的设计方法上取得的重要成果s u p e r pa _ v e ”对道路界产生了深远影响。对 于多年冻土地区而言，沥青路面的主要破损形式为低温开裂和松散，沥青混合料 的低温抗裂性能是最为关键的路用性能。虽已开展了一些研究1 6 n ，但仍以现行规 范方法进行混合料设计，对混合料的低温性能，尤其是低温抗裂性能的考虑较少。 同时，沥青混合料在拌和、摊铺、碾压和长期使用过程中，均难以避免要经受热 老化影响，尤其在多年冻土地区强太阳辐射和频繁冻融循环作用下，老化更为严 重，混合料老化将加剧其低温抗裂性能的劣化，混合料低温抗裂性能研究中不得 不考虑老化问题。但一般将老化与低温性能分别单独研究，老化对沥青混合料低 温抗裂性能的影响研究尚未见到。因此，应考虑热老化对沥青混合料低温抗裂性 能的影响，开展多年冻土地区沥青混合料基于低温性能的配合比设计方法研究。 目前多年冻土地区沥青路面结构仍以半刚性基层沥青路面为主，结构型式单 一，结构设计中也主要借鉴一般地区经验，采用现行规范方法。而多年冻土地区 沥青路面结构使用中，除了与一般地区一样要承受行车荷载作用外，冻土路基不 均匀融沉变形的影响不可忽视。前期研究表明，路基不均匀融沉变形使多年冻土 地区路面结构产生附加应力，导致路面产生沉陷、裂缝等病害。因此，多年冻土 地区沥青路面结构设计应综合考虑路基不均匀融沉变形和行车荷载对路面结构的 共同影响，对此有必要开展相关研究。 综上所述，多年冻土地区公路路面特殊的使用条件，对路面材料组成与结构 设计提出了特殊要求，主要表现在以下方面： ( 1 ) 路面材料的低温特性 多年冻土地区长期低温条件下，路面半刚性基层混合料的强度形成缓慢，难 以形成板体，无法充分发挥半刚性材料的优点：沥青变得脆硬，沥青混合料的变 形能力、低温抗裂性能降低，容易产生开裂。因此，多年冻土地区沥青路面材料 设计中，应以低温特性为主，对路面基层与面层混合料的低温强度、低温抗裂等 特性提出更高要求。 ( 2 ) 路面材料的抗变形能力 多年冻土地区公路路面材料的抗变形能力除满足行车荷载要求外，还要考虑 温度作用和路基不均匀融沉变形的影响。多年冻土地区气温降温速率快、昼夜温 差大、蒸发率大，使路面半刚性基层混合料的干燥收缩和温度收缩比一般地区更 为严重，沥青混合料的温度收缩明显。路基不均匀融沉变形在路面结构内产生附 加应力，提高了路面材料的抗变形能力的要求。 ( 3 ) 路面材料的耐久性 多年冻土地区路面使用中经受频繁冻融循环和强辐射作用，影响程度明显高 于一般地区，要求路面材料具有更好的抗冻耐久性和抗老化能力，以延长路面使 用寿命。 ( 4 ) 路面结构的抗不均匀融沉变形能力 多年冻土地区沥青路面结构设计不仅要考虑行车荷载的作用，还应考虑路面 4 结构与路基不均匀融沉变形的关系。 基于以上特殊使用要求，多年冻土地区公路路面设计中仍有许多深层次问题 尚未解决，为此应从路面材料低温特性、混合料组成设计、路面结构设计等方面 开展深入系统地研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水泥稳定粒料研究现状 水泥稳定粒料作为半刚性材料，在国内外得到了广泛应用，对其强度、收缩 抗冻等路用性能开展了大量研究。国外对水泥稳定类材料的研究起步较早。美国 波特兰水泥协会对水泥稳定类材料强度与养生龄期的关系研究后得出：水泥稳定 碎石、砂砾和砂，在半对数坐标上，其抗压强度和养生时间之间呈直线关系。澳 大利亚的r a w l i n g s 对水泥稳定类材料的干缩特性研究后发现，粒料类型对干缩应 变有很大影响，细颗粒含量多、细料塑性指数大和收缩性大的粒料用水泥稳定后 的干缩应变较大。此外，塑性较大的粒料土，水泥剂量对干缩应变的影响较大， 存在一个干缩应变最小的水泥剂量。匈牙利的k a z d y 研究了水泥稳定土抗压强度 和变形特性，认为水泥稳定土的无侧限抗压强度与均匀系数之间存在明显的相互 关系，强度可以按硬化时间的对数函数用直线来表示，冰冻作用也会降低强度， 在重复冰冻试验循环后的强度比通常得到的强度值降低2 0 4 0 ，且这种降低随 水泥用量增加而减少。国外通常认为半刚性基层沥青路面的非荷载型裂缝通常是 反射裂缝，且认为这种反射裂缝是由表及里半刚性基层材料的干缩裂缝引起的。 因此，关于水泥稳定砂砾的温度收缩，国外鲜有相关文献。 近年来，随着我国半剐性基层的广泛应用，对水泥稳定砂砾这种常见的半刚 性材料开展了大量研究，尤其对收缩特性更为关注。商庆森等( 2 0 0 0 ) 通过室内 试验和工程实践，对养生温度和湿度条件对水泥稳定类材料强度形成的影响分析 后提出：良好的养生在于营造温度平稳、湿度充足、强度均匀增长的环境和条件， 是形成板体，有效降低干缩裂缝，防止因干湿不均产生强度生长波动和强度生长 不均匀性引起干裂的重要途径【2 2 】。张登良、郑南翔( 1 9 8 8 ) 对分别在饱水状态、 最佳含水量状态、半风干状态、风干状态和烘干状态等不同状态的多种半刚性材 料的温缩、干缩特性进行了系统试验研究和机理分析，得出了一些重要结论，为 后期半刚性材料收缩特性研究起到指导作用【b 】。张洪华( 1 9 8 9 ) 对石灰土砂砾、 悬浮式石灰粉煤灰粒料、密实式石灰粉煤灰粒料和水泥稳定砂砾的温缩特性试验 研究后认为，稳定粒料土的温缩系数明显小于稳定细粒土，影响稳定粒料土温缩 系数的主要因素有粒料土中粒料或土的含量，而水泥剂量对水泥稳定粒料土的温 缩性影响显著，四种半刚性基层材料中水泥稳定砂砾的温缩性最小【i 。蒋应军 ( 2 0 0 1 ) 对骨架密实结构的水泥稳定粒料进行了系统试验研究，提出骨架密实结 构在力学性能、抗冻性能、抗疲劳性能等方面明显优于悬浮结构，能显著提高抗 缩裂能力【2 3 l 。廖公云等( 2 0 0 1 ) 采用正交试验方法，从集料级配、膨胀剂量、水 泥剂量、细粒粘土四个方面研究了水泥稳定粒料的收缩规律，提出细粒粘土是影 响干缩应变的主要因素，级配是次要因素，膨胀剂量与水泥剂量的影响较小；集 料中细料越多，干缩应变越大【2 。张嘎吱( 2 0 0 0 ) 对水泥稳定碎石收缩特性研究 得出，0 0 7 5 m 以下的细料含量对混合料温缩系数的影响大于集料级配类型，温缩 系数随龄期的延长而增加，前期增长较快，后期趋于稳定；相同配合比的混合料， 存在一相应于最小温缩系数的最佳水泥剂量；抗裂性、抗压强度俱佳的级配范围 与材料粒径有关，而最佳水泥用量是变化的，与材料性质相关【2 。胡长顺、舒晓 锐( 1 9 9 9 ) 对水泥稳定粒料基层在高原多年冻土地区的应用开展了研究，通过强 度、收缩等路用性能的模拟试验分析，提出了高原多年冻土地区水泥稳定粒料组 成设计方法，并掺加亚硝酸钠外加剂，提高了混合料的早期强度和抗收缩开裂性 能【1 2 】。刘忠根等( 1 9 9 8 ) 采用饱水冻融循环试验，对比分析了水泥稳定砂砾、二 灰稳定碎石、二灰稳定土等几种半刚性基层材料的抗冻性能，水泥稳定砂砾冻融 循环后的强度要高于其他种类材料，但耐冻系数随着龄期的延长没有大的增长， 9 0 d 耐冻系数与2 8 d 相比几乎没有增长，这主要是其粘结材料少( 5 左右) ，内部大 孔隙较多所致1 25 l 。 由以上国内外的研究资料可见，对水泥稳定粒料的研究虽已比较详尽，但研 究主要针对一般地区，对多年冻土地区低温条件下应用所关心的强度形成、收缩、 抗冻等特性研究较少。同时，已有研究中，混合料强度、收缩等试验的试件是恒 温养生，没有考虑实际应用中养生温度的周期性和高低温交替变化过程的影响。 混合料抗冻特性研究主要借鉴水泥混凝土的方法，没有考虑水泥稳定粒料与水泥 混凝土的结构差异。 1 2 2 级配碎石研究现状 无结合料处治粒料主要作为柔性路面的基层和底基层、半刚性基层沥青路面 的防裂层，在美国、澳大利亚、南非等国家得到了广泛的应用，开展的相关研究 主要集中于工程应用和c b r 、动弹性模量等力学特性。h a y i l e s 与y o d e r ( 1 9 6 3 ) 研究发现，当级配碎石的含水量超过8 0 后，在动载作用下很不稳定。因此，y o d e r 与w i t c z a k ( 1 9 7 5 ) 提出，级配碎石的强度是其密实度、级配组成、颗粒形状的函 数，在寒区道路应用时应综合考虑平衡其密实度和渗透性。k o l i s o j a ( 1 9 9 7 ) 、t h o m ( 1 9 8 8 ) 、h i c k s 与m o n i s m i m ( 1 9 7 1 ) 、a l l e n 与t h o m p s o n ( 1 9 7 4 ) 、r a d a 与w i t c z a l ( 6 ( 1 9 8 1 ) 等研究均得出，级配碎石的密实度对混合料的动弹性模量有明显影响。 b i g l 与b e 唱( 1 9 9 6 ) 在开展寒区道路路面试验工程研究中，对试验路路面基层使 用的四种不同级配组成的级配碎石，分别进行了不同含水状态下的冻敏感性、水 力特性试验，不同含水量下冻结和融化状态的动三轴试验，分析了级配碎石在冻 融过程中的特性变化，及含水量、密实度、级配组成对其特性的影响【3 “。j a l l o o ( 1 9 9 7 ) 研究提出，含水量对混合料的动弹性模量有影响，当含水量较小时，模 量会随含水量的增大而增大，当超过一定值后会随含水量的进一步增大而减小， 主要在于水的润滑作用，且与细料含量有关。当细料含量超过3 后，混合料在饱 水融化状态时有明显的强度损失。j a i l o o 与b a y e r ( 2 0 0 1 ) 在美国宾夕法尼亚州底 基层材料研究中，对级配碎石粗集料的形状、表面纹理构造、棱角性进行了试验 分析，划分了集料评价指标与等级：进一步通过不同尺寸试样的动三轴试验，分 析了级配组成、粒径、集料等级、试样尺寸、含水量、密实度、空隙率等对混合 料动弹性模量和剪切性能的影响，提出试样尺寸对混合料的动弹性模量有明显影 响，混合料的内摩擦角和粘聚力对剪切应变和应力有明显影响，影响程度与空隙 率、级配类型相关，集料等级可以表征混合料的性斟5 3 1 。m a c d o n a l d ，z h a i l gw e i ( 2 0 0 2 ) 在1 9 9 5 年2 0 0 0 年期间，利用r 1 m ( d a n i s h r o a dt e s t i n g m a c h i n e ) ，进 行了设置级配碎石基层的沥青路面结构在行车荷载和冻融循环作用下的动态响应 研究，测试分折了冻融过程中和不同荷载作用次数下级配碎石顶面的竖向应变变 化，表明级配碎石层在行车荷载和冻融循环过程中将产生较大的竖向变形，在试 验6 0 7 0 天、沥青路面温度在5 6 时，竖向应变达到最大值，且竖向应变与 路基冻融过程和含水量有关【5 1 ，52 1 。 级配碎石在国内的应用较早，但相关研究较晚，主要是近年来半刚性沥青路 面反射裂缝问题日益突出，修筑了一些级配碎石抗裂层试验工程，并开展了c b r 、 动弹性模量等试验研究。如京石高速公路河北正定试验路对改性沥青应力吸收膜 上基层与级配碎石基层进行了防裂对比研究，西安试验路级配碎石基层防裂对比 研究，沪宁高速公路无锡试验路级配碎石基层防裂对比研究，宁连一级公路淮阴 试验路级配碎石基层及土工格栅夹层防裂对比研究，处于季节冻土区吉林省辽源 市修建的级配碎石中间层试验路，观测表明级配碎石能有效防止反射裂缝。王锐 佳等( 1 9 9 7 ) 结合工程实际，利用蒙特卡罗模拟法，计算分析并提出了广东省级 配碎石模量的建议值。何兆益等( 1 9 9 8 ) 进行了级配碎石c b r 试验、动三轴试验 和渗水试验，并对具有碎石基层的半刚性沥青路面进行非线性有限元分析，推荐 了典型结构。在充分考虑碎石基层非线性特性的基础上，采用弹性多层体系迭代 方法分析了具有碎石上基层的半刚性沥青路面的荷载响应，表明具有高质量级配 碎石上基层半刚性沥青路面，不仅能较有效防止和减少半刚性路面反射裂缝，只 要结构组合合理，同时也具有适应重交通及良好抗疲劳能力：提出了适应于重交 通道路的碎石基层半刚性沥青路面合理结构f 弧3 3 j 。王树森( 2 0 0 1 ) 采用传统的标 准击实法和上置式振动法成型，对五种不同级配走向的级配碎石的干密度、c b r 值、弹性模量进行了试验，并通过试验路修筑与观测，探讨了紧排骨架密实型 组成结构在级配碎石基层中应用的可行性【4 3 】。林有贵等( 2 0 0 1 ) 针对设置级配碎 石基层的沥青路面容易出现车辙，导致路面早期损坏的问题，分析了级配碎石现 场实测模量偏小的影响，提出了级配碎石基层回弹模量建议值【”。兰永贵等( 2 0 0 1 ) 通过试验路试验及对比观测，分析了级配碎石上基层( 联结层) 对反射裂缝的隔断作 用，提出级配碎石与半刚性材料构成的组合基层具有明显的抗裂效果，在不影响 路面结构整体强度的情况下，对路面结构的水稳性和冰冻稳定性等有显著改善， 是北方寒冷地区的一种良好的路面结构组合形式1 4 ”。 综上所述，级配碎石仍处于试验研究阶段，主要考虑级配碎石的抗反射裂缝 能力，相关研究集中于试验路修筑观测、c b r 和动弹性模量的研究，研究提出的 级配组成设计以c b r 值为主。c b r 值可以反映和控制混合料的抗变形能力，但以 其控制组成设计的实际使用效果并不理想，级配碎石仍容易出现较大的永久变形。 同时，目前对于级配碎石的粒径组成研究，主要对比分析连续级配、间断级配等 的影响，对关键筛孔及其合理通过率的研究较少，实际应用的级配组成波动范围 较宽，随意性较大。 1 2 3 沥青稳定碎石研究现状 沥青稳定基层在国外已经得到了广泛应用。英国道路研究所的沥青路面道 路结构设计指南提出了建立在经验基础上的沥青稳定基层的设计规范，英国的 高速公路多采用密级配的沥青稳定碎石基层。美国地沥青协会于1 9 6 0 年提出全厚 式沥青路面( f u l l d e p t hp a v e m e n t ) 的概念陋7 0 1 ，指的是直接在土基上或者在改良 后的土基上铺设的单层或多层沥青混凝土的路面结构，认为对于重交通这是一种 经济和可靠的沥青路面。地沥青协会开发的d a m a 路面设计程序包含了沥青稳定 基层的设计方法，认为这种路面能够有效地减小水损害，使得路面结构的受力协 调，并有利于采用统一的沥青材料从而保证路面质量。在地处北半球高纬度地带， 低温寒区地域较广的加拿大，公路路面广泛采用沥青稳定基层1 6 6 1 。 由于沥青稳定碎石的最大粒径较大，传统的马歇尔试验方法不再适用，相关 的试验方法得到了广泛关注，其中以美国的试验方法影响最大。宾夕法尼亚州运 输部为了研究i d 2 联结层和基层混合料，采用的最大集料尺寸为3 7 5 5 3 m m ， 由于无法使用原来的马歇尔方法，由此开始了对1 0 2 啪大型马歇尔试件的研究， 于1 9 6 9 年首次提出了直径为1 0 2 m m 的大型马歇尔试验方法，并在1 9 9 6 年正式订 为a s t m d 5 5 8 l 标准。地沥青协会( a i ) 也于1 9 9 3 年提出了针对大粒径混凝土的 m s 一2 改良的马歇尔试验方法( m o d i f i e dm a r s h a l lm e t i l o df o rl a r g ea g g r e g a t e ) 。此 外，美国s h r p 研究成果提出了大粒径沥青混合料的设计试验方法。k a n d h a l ( 1 9 9 0 ) 通过大型马歇尔试验研究，以提高高温稳定性为主，提出了混合料配合比设计方 法6 4 1 。 近年来，针对半刚性基层应用中出现的问题，我国公路工作者开始关注并开 展沥青稳定碎石的研究。谢洪斌等( 1 9 9 9 ) 针对沥青处治排水层材料的特殊性， 以孑l 隙率、石料的破碎情况、渗透系数和抗压回弹模量为评价指标，通过马氏成 型、静压成型、搓揉成型、轮碾成型及加压振动成型等五种室内试件成型方法的 试验比较与评价，表明搓揉成型方法最为合理，为沥青处治排水层材料的性能研 究奠定了试验基础【7 引。杨群等( 2 0 0 0 ) 针对路面基层竖向受压、层底受拉的特点， 采用正交试验方法，综合考虑矿料的骨架作用、沥青用量、矿粉用量，以抗压强 度( 2 0 ) 、劈裂强度( o ) 、劈裂模量( o ) 作为评价指标，进行沥青稳定基层混合 料设计研究。研究结果表明，通过调整沥青混合料内部粗、细集料的比例，采用 合适的矿粉用量，选取适当的粉胶比等措施，可以使混合料的力学性能更优。针 对沥青稳定基层的特点，利用静态蠕变试验，分析了永久变形随混合料组成的变 化规律，表明采用粗细集料搭配均匀的连续密级配和适中的沥青用量可以获得最 佳的抗永久变形能力，结合壳牌的车辙预估方法提出了沥青稳定基层永久变形的 预估方法。研究提出了以混合料内部粘结力最佳为目标的混合料配合比设计方法， 利用抗压强度试验和劈裂强度试验这两个常规试验方法的组合进行了配合比设 计，并通过变形性能测试和疲劳性能测试验证了设计方法的正确性。研究表明， 采用最佳粘结力为设计目标，可以兼顾变形和疲劳性能，从而使得混合料的配合 比设计与性能直接联系起来1 7 4 m 】。王龙等( 2 0 0 2 ) 通过三种试验路结构形式，对 比分析了级配碎石与沥青碎石防止半剐性基层反射裂缝的性能，表明设置级配碎 石夹层和沥青碎石过渡层是有效的方法，沥青碎石防止反射裂缝的效果优于级配 碎石，级配碎石夹层需要通过材料设计和施工工艺来提高级配碎石的模量【7 7 j 。葛 折圣等( 2 0 0 2 ) 在沥青稳定基层疲劳应力应变状态及其与疲劳试验的荷载控制模 式的关系分析基础上，研究得出，沥青稳定基层的应力应变状态更接近于应变控 制模式疲劳试验状态，因此其疲劳试验宜采用应变控制模式【7 引。 国内外关于沥青稳定碎石的研究，主要集中在成型方法、抗永久变形能力、 抗反射裂缝能力等方面。已有研究主要针对在一般地区应用的沥青稳定碎石，认 为沥青稳定碎石应用于一般地区路面基层时，温度受气温影响较小，温度条件明 9 显好于面层，对沥青稳定碎石在多年冻土地区应用时所关心的低温强度、低温抗 裂、抗冻等特性的研究较少，研究提出的混合料配合比设计方法中也对低温特性 的考虑较少。 1 2 4 沥青混合料低温抗裂性能研究现状 沥青及沥青混合料低温抗裂性能是影响沥青路面低温开裂的重要因素，也是 国内外长期关注、持续研究的热点。自上个世纪6 0 年代加拿大率先进行调查研究 以来，路面抗裂与材料低温性能指标一直是国际道路学界的重要研究内容，加拿 大、美国、日本等国对沥青混合料低温开裂与低温性能指标进行了大量研究，提 出了沥青及沥青混合料低温抗裂的评价指标与方法。美国s h r p 提出的沥青结合料 路用性能规范中提出了以沥青结合料弯曲蠕变试验( b b r ) 的极限劲度模量和沥青 劲度模量曲线的斜率，以及直接拉伸试验破坏时的极限拉伸应变作为评价沥青低 温性能的指标，沥青混合料配合比设计也包括了沥青路面抗裂能力的检验。加拿 大、日本、澳大利亚及欧洲许多国家先后进行了研究，针对沥青路面温度开裂问 题，铺筑了试验路，研究影响温度开裂的因素。 我国“七五”国家重点科技项目( 攻关) “重交通道路沥青在高等级公路工程 中的实用技术”、“八五”国家重点科技项目( 攻关) “道路沥青及沥青混合料使用 性能的研究”对道路沥青及沥青混合料的低温性能做了研究，提出了低温性能评 价指标，采用沥青混合料的弯曲蠕变试验，并用0 弯曲蠕变试验的应变速率评价 沥青混合料的低温抗裂性能，但对此并没有取得共识。有的提出，弯曲蠕变试验 受力模式单一，只能反映沥青混合料的一种状态，而沥青路面开裂的因素复杂， 应该寻求更好的力学模式；有人认为应变能更能反映沥青路面开裂的状态；有学 者提出受限试件的低温断裂试验更能反映沥青路面开裂的真实情况。国内一些高 校和研究机构，如西安公路交通大学( 现长安大学) ，北京市政工程研究院，交通 部第一公路勘察设计院等都对沥青路面的低温抗裂性能都作过一些研究，积累了 不少成果和经验，但对沥青及沥青混合料低温抗裂性能评价指标仍有不同见解。 目前国内外用于研究沥青混合料低温抗裂性能的试验方法有多种，主要包括： 等应变加载的破坏试验( 间接拉伸试验、弯曲、压缩试验) 、直接拉伸试验、弯曲 拉伸蠕变试验、受限试件温度应力试验、三点弯曲j 积分试验、c 积分试验、温度 收缩系数试验、应力松弛试验等。理论研究方面，加拿大h i l l s 与b r e i n 在1 9 6 6 年的a a p t 年会上，提出了温度收缩应力计算公式，当此温度应力超过其极限抗拉 强度时路面发生开裂，国内外很多研究人员常利用此式来预估沥青混合料的开裂 温度。但此方法具有一系列理想化的假定，故开裂温度是一个相对值，只能用来 进行相对比较。1 9 7 2 年，加拿大h a j