（道路与铁道工程专业论文）基于抗剪强度的沥青混合料高温性能影响因素分析及改善措施研究.pdf

i n f l u e n c i n gf a c t o r so fa s p h a l tm i x t u r eh i g nt e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c ea n di t si m p r o v i n gm e a s u r e sb a s e do ns h e a r r e s i s t a n c es t r e n g t h ad i s s e r t a t i o ns u b m i r e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gh u i x i a n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n g z h e n g q i c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 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：张蕉辞 z 。加年月f 1 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： 凝蔓鲜 铷弛训亏 2 0 o 年厂月f f 日 f d年月，f 日 摘要 沥青混合料是沥青路面的主要组成材料，沥青混合料高温性能的好坏直接关系着 沥青路面的高温抗车辙能力。大量的调查和试验研究表明，沥青路面车辙是由于沥青混 合料高温抗剪切强度不足引起的。目前就如何根据沥青混合料的抗剪强度参数提高其高 温性能的问题还没有形成一致的看法，有观点认为应从沥青或沥青胶浆的高温性能出发 提高沥青混合料的抗剪强度；也有观点认为应从集料或级配的性能出发提高沥青混合料 的抗剪强度。从而导致在沥青混合料设计过程中没有形成合理统一的指导思想，如何提 高沥青混合料的高温抗剪强度还处于无章可循的混乱状态。 针对沥青混合料高温抗剪强度方面存在的争议，本文以沥青路面车辙成因调查分 析为基础，明确抗剪强度对沥青混合料高温性能的影响，选择简便易行的试验方法，分 析沥青混合料强度参数的影响因素及其对沥青混合料高温性能的影响程度( 贡献率) ， 并以此为基础选择抗车辙剂作为解决沥青路面车辙病害的有效措施，研究抗车辙剂的改 性机理及其对沥青混合料高温性能的影响，进而提出抗车辙剂的合理掺量。 本文在实际调研的基础上，分析沥青路面车辙成因及产生机理以及材料性质、矿 料级配、胶浆及沥青混合料强度参数等因素对沥青混合料抗车辙性能的影响。结果表明 车辙变形主要是由于沥青混合料的抗剪强度不足引起的剪切流动变形，沥青混合料的抗 剪强度参数对沥青路面高温性能具有重要影响。 其次，根据国内外研究，采用间接拉伸试验与无侧限抗压试验方法确定沥青混合 料的剪切强度参数一粘聚力c 和摩擦角q ，并分析抗剪强度参数的影响因素。灰色关联 度分析法分析剪切强度参数对沥青混合料高温性能的影响程度表明，粘聚力c 对沥青 混合料的高温性能的影响居于首位，但是摩擦角( p 的影响作用也不能忽略。 抗车辙剂的加入有效提高了沥青混合料的强度，其中粘聚力c 起着重要作用。综 合经济效益探讨确定抗车辙剂的合理用量区间，通过抗车辙剂沥青路面的结构有限元分 析，进一步说明抗车辙剂改性沥青混合料具有良好的高温抗车辙能力。 在河北省唐山市迁曹公路铺筑了抗车辙剂试验路，仅仅需要提高集料干拌温度至 1 8 0 ，延长拌和时间5 l o s ，并采用与改性沥青相同的施工工艺即可保证抗车辙剂改 性沥青路面的施工质量，为今后高温重载条件下抗车辙剂改性沥青混合料的应用提供了 可借鉴的宝贵经验。 关键词：沥青混合料、车辙、抗车辙剂、强度参数、高温性能 a b s t r a c t a s p h a l tp a v e m e n ti sm a i n l yc o m p o s e do fa s p h a l tm i x t u r e ，t h eh i g ht e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c eo fw h i c hi sd i r e c t l yc o n n e c t e dw i t ht h eh i g ht e m p e r a t u r er u t t i n gr e s i s t a n c eo f a s p h a l tp a v e m e n t al a r g en u m b e ro fs u r v e y sa n de x p e r i m e n t a ls t u d i e ss h o w e dt h a tr u t t i n g w a sc a u s e db ys h o r t a g eo fs h e a rr e s i s t a n ts t r e n g t h t h ei s s u et h a th o wt oi m p r o v et h eh i g h t e m p e r a t u r eo fa s p h a l tm i x t u r ea c c o r d i n gt os h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r sh a sn o ty e tf o r m e da c o n s e n s u sc u r r e n t l y , s o m eo n eb e l i e v e st h a tt h eh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l to r a s p h a l tm o r t a rs h o u l db ei m p r o v e di no r d e rt oi n c r e a s et h es h e a rs t r e n g t ho fa s p h a l tm i x t u r e ； o t h e r sb e l i e v et h a tt h ep e r f o r m a n c eo fa g g r e g a t eo rg r a d a t i o ns h o u l db ei m p r o v e di no r d e rt o i n c r e a s et h es h e a rs t r e n g t ho fa s p h a l tm i x t u r e s t h e r e f o r e ，t h e r ei sn or e a s o n a b l ea n du n i f o r m g u i d e l i n e sd u r i n gt h ea s p h a l tm i x t u r ed e s i g np r o c e d u r e ，w h i c hr e s u l t e dt h a th o w t oi m p r o v e t h ea s p h a l tm i x t u r ea th i g ht e m p e r a t u r es h e a rs t r e n g t hi ss t i l li nc h a o s a i m e da tt h ec o n t r o v e r s ye x i t e di nt h eh i g ht e m p e r a t u r es h e a rs t r e n g t ho fa s p h a l t m i x t u r e ，t h i sp a p e rb a s e do nt h ed i a g n o s i so fa s p h a l tp a v e m e n tr u t t i n gc a u s e s e s ，m a k ec l e a r l y t h et h ei n f l u e n c eo fs h e a rs t r e n g t ho nt h eh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e ， s e l e c tt h es i m p l et e s tm e t h o d ，a n a l y z et h ei n f l u e n c ef a c t o r sa n dt h e i ri n f l u e n c ed e g r e eo ft h e s t r e n g t hp a r a m e t e r so nt h eh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e a c c o r d i n gt o t h i sa n a l y s i s ，t h i sp a p e rs e l e c tt h ea n t i - r u ta g e n ta st h ee f f e c t i v em e a s u r et os o l v et h ep r o b l e m o fa s p h a l tp a v e m e n tr u t t i n g ，a n a l y z et h em o d i f ym e c h a n i s mo fa n t i r u ta g e n ta n di t se f f e c to f a s p h a l tm i x t u r eh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，a n dt h e np r o v i d et h eo p t i m a ld o s a g eo f a n t i r u ta g e n t i nt h i sp a p e r , t h ec a u s e sa n dt h em e c h a n i s mo fr u t t i n gw e r ea n a l y z e d ，a n dt h ee f f e c t so f m a t e r i a lp r o p e r t i e s ，a g g r e g a t eg r a d a t i o n , m o r t a ra n ds t r e n g t hp a r a m e t e r so fa s p h a l tm i x t u r e o nr u t t i n gp e r f o r m a n c ew e r er e s e a r c h e d ，w h i c hb a s e do na c t u a lr e s e a r c h t h er e s u l t ss h o w t h a tt h er u t t i n gd e f o r m a t i o no fa s p h a l tm i x t u r ei sm a i n l ya b o u tt h es h e a rf l o wd e f o r m a t i o n ，i t m a i n l yc a u s e db yt h el o ws h e a rs t r e n g t h ，a n dt h ee f f e c t so fs t r e n g t hp a r a m e t e r so fa s p h a l t m i x t u r eo nt h et e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tp a v e m e n ti ss i g n i f i c a n t s e c o n d l y , a c c o r d i n gt or e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d ，t h ei n d i r e c tt e n s i l et e s ta n d u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s tm e t h o dw a su s e dt od e t e r m i n et h ea s p h a l tm i x t u r es h e a rs t r e n g t h i i p a r a m e t e r s c o h e s i o nc a n dt h ef r i c t i o na n g l e 币，w h i c hc o m b i n e dw i t ha s p h a l tm i x t u r e r u t t i n gt e s t , a n a l y z e d t h ec o n n e c t i o nb e t w e e ns h e a rs t r e n g t h p a r a m e t e r s a n dt h e h i g h t e m p e r a t u r ep r o p e r t i e so fa s p h a l tm i x t u r e ，a n du s e dt h e 伊a yc o r r e l a t i o na n a l y s i sm e t h o dt o q u a l i t a t i v e l ya n a l y z et h ei n f l u e n c ed e g r e eo f s h e a rs t r e n g t ht ot h eh i g ht e m p e r a t u r ep r o p e r t i e s t h er e s u l t ss h o wg o o dc o r r e l a t i o na b o u tt h es h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r so fa s p h a l tm i x t u r ew i t l l r u t t i n g f o rh i g l lt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e s ，t h ei m p o r t a n c eo fc o h e s i v e f o r c eci st h et o p ，b u tt h ei n f l u e n c eo ff r i c t i o na n g l e ( pi sn o tn e g l i g i b l ea tt h es a m et i m e 。 t h e n ，a n t i r u ta g e n tw a st a k e na st h ee f f e c t i v et e c h n o l o g i c a li m p r o v e m e n tm e a s u r et o h i 曲t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e ，t h em o d i f i c a t i o nm e c h a n i s mo fa n t i r u t a g e n tw a sa n a l y z e d ，a n dt h ei n f l u e n c ef a c t o ra b o u th i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa n t i - r u t a g e n tm o d i f i e da s p h a l tm i x t u r ew a sr e s e a r c h e d a n di n v e s t i g a t e d 、i t ht h ee c o n o m i cb e n e f i t ， t h er e a s o n a b l ea m o u n to fr a n g ea n t i r u ta g e n tw a sd e t e r m i n e d f u r t h e rp r o v e dt h eg o o dh i 曲 t e m p e r a t u r er u t t i n gr e s i s t a n c eo fa n t i r u ta g e n tm o d i f i e da s p h a l tm i x t u r e ，a c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s p r o v e db yt e s tr o a do fq i a n c a oh i w a y , a n t i r u ta g e n t m o d i f i e da s p h a l tp a v e m e n ta c h i e v e de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，w h i c hp r o v i d e dr e l i a b l ea n d v a l u a b l ee x p e r i e n c ef o rt h ep r e v e n t i o no fa s p h a l tp a v e m e n tr u t t i n gt r a d e ro v e r l o a da n dh i g h t e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ；r u t t i n g ；a n t i r u ta g e n t ；s t r e n g t hp a r a m e t e r s ；h i g h t e m p e r a t u r e i i i 目录 第一章绪论l 1 1 问题的提出及研究意义1 1 2 国内外车辙问题研究概况3 1 2 1 沥青混合料抗剪性能研究现状3 1 2 2 沥青混合料高温性能改善研究现状6 1 3 主要研究内容及技术路线。9 1 3 1 研究内容9 1 3 2 技术路线10 第二章原材料性能及试验方法1 2 2 1 原材料技术性能1 2 2 1 1 沥青12 2 1 2 粗、细集料和矿粉1 2 2 1 3 抗车辙剂13 2 2 沥青及沥青混合料试验1 4 2 2 1 沥青结合料试验1 4 2 2 2 粗、细集料试验1 5 2 2 3 沥青混合料试验15 2 3 本章小结一2 0 第三章沥青路面车辙成因及影响因素调查分析2 l 3 1 沥青路面车辙调查分析2 1 3 1 1 西户高速公路沥青路面车辙调查分析2 l 3 1 2 迁曹公路( 唐港高速曹妃甸段) 沥青路面车辙调查分析2 6 3 2 沥青路面车辙成因及影响因素分析3 1 3 2 1 车辙产生机理及成因3 1 3 2 2 材料因素对沥青路面车辙的影响3 3 3 3 本章小结3 9 第四章沥青混合料强度组成对沥青路面高温性能的影响4 l 4 1 沥青混合料抗剪评价方法4 l v 4 2 沥青混合料强度参数c 和。分析4 5 4 2 1 沥青混合料强度参数试验方案4 5 4 2 2 沥青混合料粘聚力c 值分析4 6 4 2 3 沥青混合料摩擦角p 值分析5 1 4 2 4 强度参数c 和p 对沥青混合料高温性能影响的灰色理论分析5 4 4 3 沥青混合料组成因素对高温性能影响程度分析5 7 4 4 本章小结6 0 第五章抗车辙剂改性沥青混合料高温性能研究6 1 5 1 抗车辙剂改性机理分析6 1 5 1 1 抗车辙剂对沥青混合料强度参数的改善6 1 5 1 2 抗车辙剂对沥青混合料粘弹性性能的改善6 5 5 2 抗车辙剂改性沥青混合料高温性能影响因素研究6 9 5 2 1 添加量对混合料高温性能的影响分析6 9 5 2 2 级配对混合料高温性能的影响分析。7 l 5 2 3 抗车辙剂类型对混合料高温性能的影响分析7 2 5 3 抗车辙剂合理用量的探讨7 3 5 4 抗车辙剂改性沥青混合料路用性能有限元模拟7 5 5 4 1 沥青路面结构模型建立7 5 5 4 2 抗车辙剂改性沥青混合料路用性能对比分析7 7 5 5 本章小结7 8 第六章抗车辙剂沥青混合料试验段应用与评价8 0 6 1 试验路概况8 0 6 2 试验路路面结构设计方案8 1 6 3 试验路材料组成设计81 6 3 1 原材料技术性能8 2 6 3 2 抗车辙剂沥青混合料组成设计8 3 6 4 试验路的施工8 5 6 5 试验路检测与评价8 7 6 5 1 试验路观测8 7 v i 6 5 2 试验路芯样检测8 8 6 6 本章小结8 9 第七章结论9 0 7 1 主要结论9 0 7 2 进一步研究的建议9 l 参考文献9 2 攻读学位期间取得的研究成果。9 5 致谢9 6 v l i 长安大学硕十深闰论文 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论 由于沥青路面具有良好的行车舒适性和优良的使用性能，建设速度快，维修方便， 因此，我国高速公路和高等级公路绝大部分为沥青路面。近年来，随着经济的迅猛发展， 我国的高等级公路建设事业突飞猛进，公路交通量迅速增长，与此同时，大型、重型车 辆尤其是超载车辆在交通量中所占的比例大幅增加，车辆总质量、轴载质量、轮胎压力 也越来越大，超、重载的现象非常普遍又特别严重，且在日益普遍的渠化交通模式的共 同作用下，给沥青路面带来了严重考验，高等级公路在建设期及运营期所暴露出来的技 术问题也日趋严到。不同程度的早期破坏现象不断增多，部分路段路面在通车两年左 右就出现了抗车辙能力不足，路面使用性能衰减加快，使用寿命大大缩短，造成了巨大 的经济损失和不良的社会影响。因此提高沥青路面的使用性能，减少沥青路面的损坏， 是当前道路工作者高度关注的问题。 文献显示目前全球沥青路面正在经历和遭受严重的以永久变形( 车辙) 为主要的 破坏【2 ) 。沥青路面在夏季高温季节很容易出现连续横向变形车辙，有时还会延伸数 公里。车辙直接影响行车的安全性和舒适性，首先路面辙槽主要有重载车辆引起，当轻 型车在有辙槽的路面上行驶时，由于不同类型车辆的轮距不同，导致横向稳定性很差， 从而可操纵性差，使方向盘难以控制。其次较深的车辙雨天容易积水，车辆驶过时路表 水膜被带起而形成水雾，影响其后续车辆的行驶。再者，在我国炎热高温地区，由于沥 青温度敏感性使得沥青混合料的强度和劲度大幅度下降，在车轮荷载的水平与垂直荷载 重复作用下，较小的剪应力作用也很容易导致沥青混合料产生横向剪切流动，在大量重 车的反复作用下，轮迹带逐渐变形下凹，两侧逐渐彭起，形成车辙、推拥、波浪、拥包 等病害，在一定程度上降低了路面承载能力，削弱面层及路面结构的整体强度，使得沥 青路面的录用性能迅速下降，构成道路交通安全的主要安全隐患源，同时，还易于诱发 其他病害而影响路面的使用寿命【3 4 】。 国际上将沥青路面的车辙分为结构性车辙、流动性车辙和磨耗性车辙三种类型【5 】。 而其中流动性车辙是最常见的车辙损坏现象。在高温条件下，沥青路面承受车轮碾压的 反复作用，荷载产生的剪应力超过沥青混合料的抗剪强度，使流动变形不断累积形成流 动性车辙【6 】。国内外研究结果均认为，路面产生车辙的主要原因与沥青混合料抗剪强度 第一章绪论 不足直接相关，即，车辙变形可以看作是剪应力作用下沥青混合料塑性流动的结果。在 轮载作用下，非均布荷载将在路面面层内产生较大的剪应力，而沥青混合料在设计过程 中并未考虑其抗剪性能，一旦材料承受的剪应力大于或接近于其本身的抗剪强度，材料 将会出现剪切破坏或剪切疲劳破坏，这是路面出现车辙的根本原因所在1 7 j 。所以，从沥 青混合料的抗剪性能出发分析沥青混合料的高温稳定性，对沥青混合料的抗车辙能力研 究和改善具有非常重要的意义。 长期以来，关于沥青混合料的抗剪强度参数一粘聚力c 和摩擦角q 对沥青混合料 高温性能的影响程度如何一直存在着争议。有观点认为【8 】，沥青混合料高温稳定性的优 劣，6 0 取决于沥青混合料的级配，4 0 取决于沥青的性质，因此，与级配有关的摩擦 角( p 在沥青混合料高温稳定性能方面起着重要作用( 因为摩擦角( p 的温度敏感性较小) ， 因此按照传统的沥青混合料强度观念，为增强混合料的高温抗车辙能力，应该首先增强 矿质集料间的接触与骨架，以增大混合料的摩擦角9 。所以如今的沥青混合料发展趋势 是粗集料含量不断增加，以期形成抗高温车辙的粗集料骨架。但是据相关研究【9 】，采用 高温性能优异的改性沥青后，沥青混合料的高温性能大幅度提高，还有有大量实验资料 分析表明，沥青混合料级配的改变对摩擦角q 影响较小，相反级配的改变对粘聚力c 影响较大，同时矿料性质、沥青类型和沥青用量对粘聚力c 的影响也相对较大，因此， 与沥青性质有关的粘聚力c 在沥青混合料的高温性能中居于首要地位，而且现代胶浆 理论也认为，沥青胶浆的性能对沥青混合料的性能影响显著。所以沥青混合料强度参数 对沥青路面高温性能的影响程度还需进一步进行定位，并以此作为沥青混合料改善措施 的指导思想和着眼点，选择合适的材料和方法提高沥青路面的高温抗车辙能力。 目前国内外普遍采用以下几方面技术措施 1 0 , l l 】：适当减少沥青用量，采用较硬的沥 青标号，使用高粘度沥青或聚合物改性力气；使用硬质、表面粗糙、棱角性好的集料， 适当增大集料的最大粒径，采用嵌挤型级配；适当提高设计空隙率的等，但对掺加新材 料的研究相对较少，值得注意的是，国际上最新的前沿沥青混合料改性技术已经从沥 青的改性逐渐发展为混合料的改性，所以沥青路面抗车辙性能的改善措施中，重 点仍是通过各种手段对沥青混合料进行改性。 因此，本文结合车辙产生的的最主要内因之一一沥青混合料的抗剪强度，从车辙的 类型、成因及调查分析出发，探讨沥青路面车辙形成机理和影响因素，并分析沥青混合 料强度参数对沥青混合料高温性能的影响，同时以掺加抗车辙剂的作为提高沥青路面高 温稳定性能的方案，对比分析并设计具有优良抗车辙性能的沥青路面材料抗车辙剂， 2 长安大学硕士深闰论文 探讨其对沥青混合料的抗车辙能力的改善机理及效果，为类似的沥青路面建设提供参 考，为高温沥青路面车辙病害防治和沥青路面结构、材料设计提供有力的技术支持，这 将具有重要的理论意义和现实意义，也具有广阔的市场应用前景。 1 2 国内外车辙问题研究概况 1 2 1 沥青混合料抗剪性能研究现状 沥青混合料的抗剪性能研究始于2 0 世纪三十年代，到五十年代达到高潮阶段，美 国道路研究者对其进行了大量研究，其中比较有代表性的为n o r m a nw m c l e o d 。n o r m a n w m c l e o d 详细阐述了已有试验方法和设计方法中不存在的不足，指出利用马歇尔方法 中的稳定度从严格意义上讲只是一种经验性方法，不足以描述路面的实际受力状态，如 剪切强度和其他的基本物理性能，也不能表明道路实际的路用性能。因此，寻找一种能 够反映混合料本质力学性能的试验方法就成为关键问题。n o r m a nw m c l e o d 从静载作用 下路面抗剪稳定度、考虑轮胎内力分布时的路面抗剪稳定度和考虑刹车以及车辆加速时 的有水平剪应力条件下的路面抗剪稳定度三个方法进行了系统的研究。该设计方法涉及 的未知参数太多，在设计中很难进行操作，所存在的未知因素很难有定量的把握，因此， 在后来的道路设计中未能推广应用1 1 2 】。 v a e n d e r s b y 1 3 】首先提出了如何制备在三轴试验条件下的沥青混凝土试件，提出了 具体的试验方法。l w n i j b e r 1 4 】利用三轴测得的数据进行混合料设计，为使设计更加完 善，利用p r a n d t l 公式对塑性条件下的混合料进行评估。v r s m i t h 利用弹性理论的方法 系统全面的阐述了道路的剪切受力状态，分别给出了三轴试验方法所采用的类型，加载 速度和温度对试件的抗剪能力的影响，从试件制备到数据的整理都给出了系统的理论分 析和详细的步骤；并把试验结果与其他的方法进行了比较和分析，最后提出了混合料应 该满足的物理性能，并给出了在不同荷载条件下混合料应达到的抗剪要求。 二十世纪五十年代后期起，沥青混合料的抗剪性能研究未得到很好的延续，一度中 断，其中一方面原因是由于室内三轴试验复杂，耗时长且测试结果难以与现场沥青路面 性能相联系。9 0 年代初期起，t e f w a 和t a n ，s a 等【1 5 , 1 6 , 1 7 】人一直在研究以发展沥青混 合料设计和沥青路面结构设计基于沥青混合料的c q 值的综合结构，经过论证，通过对 用材料的强度指标c 和q 值进行有限元分析，能分析计算出传统混合料的设计参数， 如马歇尔稳定度、流值、间接抗拉强度，这说明我们能用三轴试验代替完全根据经验的 马歇尔试验来提供材料的c q 值和以马歇尔方法为基础的混合料设计方法。 3 第一章绪论 大量调查和研究表明，沥青路面车辙是剪切变形破坏【7 , 1 8 , 1 9 】。早在1 9 6 2 年美国a a s h o 试验路研究期间，对车辙路段进行了开挖，h o f s t r a 的报告认为产生车辙的主要原因是 剪切应力，并建议为减少沥青路面车辙，推荐使用高强度的路面材料。1 9 8 7 年e i s e n m a n n 的报告指出车辙的初期阶段主要是压密造成的，后期主要由于混合料剪切流动引起的， 并且后期的流动变形是车辙的主要构成部分。s h r p 的研究表明，车辙是剪切破坏，是 重复荷载作用下的剪切永久变形的累积。为了提高沥青路面的抗车辙能力，解决途径就 是提高沥青混合料的抗剪强度。 z a n i e w s k i 和s r i n i v a s a n 提出【2 0 】沥青混合料的车辙形成机理有两种：粘性流动和 塑性变形。塑性变形主要表现为集料颗粒的轻微相对移动，同时伴有起粘结集料作用的 沥青的粘性流动。沥青混合料的这种力学行为可用莫尔一库伦理论来分析，该理论预测 沥青混凝土的强度取决于粘聚力和内摩擦力。另外，过去有研究【2 l 】通过间接拉伸试验和 无侧限抗压强度试验测试沥青混凝土试件来确定混合料的粘聚力和内摩擦力。宾夕法尼 亚少1 1 9 h - 立大学交通运输研究中心和先进沥青技术试验室联合开展了一项研究【2 2 1 ，该研究 采用三轴试验、无侧限压缩试验以及间接拉伸试验，评价了沥青混合料粘聚力和内摩擦 角的大小。 t e f w a ，s a t a n 和l y z h u 利用三轴试验【2 3 】，在不同应力水平下建立一族莫尔圆， 如图1 1 所示。分析可得莫尔圆切线与纵坐标的竖向截距大小即为粘聚力c 值，切线倾 斜角为内摩擦角q 值。随后，用c q 有限元模型将马歇尔试验结果( 稳定度及流值) 与三轴试验结果( 粘聚力c 和内摩擦角9 ) 之间建立关系式( 式1 1 ) ，证明了用c 一币 有限元模型代替传统马歇尔试验进行沥青混合料性能分析和设计的可行性。 s = 一1 4 0 + 0 0 4 4 7 c + o 4 9 6 0 缈( r 2 = o 9 1 8 ，标准误差= 1 9 1 3 k n ) ( 1 1 ) f = 1 5 1 + 0 0 0 6 3 9 c 一6 3 4 4 4 1 0 9 e ( r 2 = o 8 6 0 ，标准误差：o 8 7 1 m m ) ( 1 2 ) 式中，s 为马歇尔稳定度( k n ) ，f 为马歇尔流值( n u n ) ，e 为无侧限三试验确定 的弹性模量。同时，由关系式可见，马歇尔稳定度主要受q 值的影响，流值主要取决于 c 值和弹性模量大小。 4 长安大学硕上深闭论文 矗、 萋 、一 藿 萼 若 n o r m a ls t r e s s0 , w r - ) n o t e ：m i xt y p e - w 3 ；t e s tl e m p e r a t u r e = s o c ； t e s ts p e e d 一5 0 8m r n m i n ； c = 1 8 0 k n m 2 ：z4 3 图1 1 三轴试验结果c 和q 的确定 目前，各国设计规范中只有美国加州路面设计规范认为路面的损坏与土基和路 面各层材料压实度与抗剪强度不足有关，为了表示其强度的大小创立了c b r 试验法。这 一指标目的是验证基层厚度是否满足使用要求，但主要是针对基层参数，未曾提及对沥 青混合料的影响【1 8 1 。 在我国，1 9 8 2 年交通部公路柔性路面抗弯拉、抗剪切指标的研究和1 9 8 6 年建 设部城市道路柔性路面设计方法与指标的研究成果中【2 4 1 ，已建立有抗剪指标，以防 止沥青面层在高温情况下出现拥包、推挤及剪裂，但由于当时高速公路尚未发展，未引 起重视，公路设计规范未予列入，因此抗剪指标的建议一直未能正式采用。1 9 9 1 年建 设部颁布了城市道路路面设计规范，增加了沥青面层的剪切指标【2 5 1 ，目的是控制交叉口 区域面层的车辙，但也没有得到广泛应用。鲁正兰、孙立军认为沥青混合料的车辙性能 评价指标选取是混合料设计的关键技术之一，通过分析沥青混合料抗剪强度对车辙性能 的影响，提出了将抗剪强度作为车辙性能新评价指标的建议1 7 】。 我国目前是采用1 8 世纪库伦提出的内摩擦理论来分析沥青混合料高温抗剪强度和 稳定度【2 6 1 ，其抗剪强度通过三轴剪切试验方法和应用莫尔库伦理论来计算，三轴试验测 定形成混合料抗剪强度的粘聚力c 和p 内摩擦角两项指标，用此计算出抗剪强度，如下 式所示。 f = c + o - t g q ) ( 1 3 ) 由该理论的公式可知，沥青混合料的抗剪强度与内外法向应力呈直线关系，并且其 大小取决于材料粘聚力和内摩擦力。 5 第一章绪论 但是，三轴试验的应力分布与实际路面有所不同，而且确定侧压力( 围压) 的大小 十分困难【2 7 1 。另外，在路面结构中，材料之所以具有抗剪切能力，是因为具有沥青的粘 聚力、集料之间的嵌锁力和外围材料的侧向约束力，产生的侧向力大小因沥青混合料的 性能和荷载的大小不同而各有不同，试验中如何施加侧向力比较困满。通常在试验中为 了施加围压，这实际上抵消了沥青的作用，试验结果无法评价沥青的作用，试件的损坏 过程也无法反映沥青混合料的强度机理。因此，在混合料抗剪性能方面的研究逐渐在发 展突破。 目前开展的相关工作2 8 】有延西利等通过简单的抗拉试验对沥青混合料的内在参数 c - ( p 值的研究：同济大学的谭忆秋【冽分析了重载交通队沥青路面的非均布作用，通过三 维有限元计算出：在非均布荷载作用下，沥青路面的表层内将产生较大的剪应力，同时 根据沥青混合料在设计和评价过程中对抗剪能力研究的不足，提出沥青路面发生初期损 坏的根本原因是抗剪能力不足的结论。毕玉峰分析当前道路出现的多种损坏的原因，得 出道路的损坏是由混合料抗剪性能不足引起的。他还利用当前车辆使用最多的两种轮胎 进行路面拉剪应力分析，发现当前许多道路的早期位于轮迹带上的横纵向裂缝并非拉应 力所致，而是超重轮载产生的较大剪应力而造成的。 孙立军、毕玉峰采用单轴贯入和无侧限抗压试验进行了沥青混合料的抗剪性能研究 和评价，同时结合无侧限抗压试验数据建立了求解沥青混合料粘聚力和内摩擦角的公 式。这表明，单轴贯入试验可以有效地评价沥青混合料的抗剪性能【2 9 】，但该法比较简单， 意义不够明确，而且沥青混合料的集料粒径对试验结果有很大的影响。 由上所述，目前对于沥青混合料抗剪性能的分析还具有一定的局限性，大多都以评 价沥青混合料的高温抗变形能力为目的，也没有明确提出简单有效的试验方法和相应控 制指标，因此对沥青混合料的抗剪强度分析需要进一步地更深入地研究，c - ( p 值对沥青 混合料抗剪能力的贡献大小值得深思。 1 2 2 沥青混合料高温性能改善研究现状 1 常规的沥青混合料车辙预防及改善措施 由于车辙严重影响道路的使用性能，而其产生原因错综复杂，往往是多种因素的综 合作用而产生的，各国在车辙方面都做了大量的研究工作，但都没有很好的、彻底地解 决这一问题。在车辙的防治对策上，并非采取某种措施就能解决问题，只有综合利用各 类措施才能收到好的效果。国内外提高沥青混合料抗车辙能力的方法很多，主要集中在 6 长安大学硕上深闰论文 矿料级配的改善、沥青胶结料性能的提高以及在混合料中掺加添加剂的方式等。如下所 述【3 1 , 3 2 ： ( 1 ) 使用改性沥青。沥青改性的效果比较好，可从多方面改善沥青混合料路用性 能，因为其稠度较高，软化点高，温度稳定性好，在高温下仍能保持足够的粘滞性，使 混合料具有一定的强度和劲度，防止出现过大变形。国际上作为改性剂的聚合物较多的 是橡胶类( 互i ：i s b r 、c r ) 、橡胶塑料类( 如s b s ) 、树脂类( 如p e 、e v a ) 和s b r 胶乳 等；常用的改性方法有：s b s ，s b r ，天然沥青，抗剥落剂，抗老化剂，抗氧化剂等。但 是，s b s 改性沥青是目前国内外应用最广泛的一种沥青改性技术。 但使用改性沥青存在沥青与改性剂的相容性问题，为了达到更高的抗车辙性能，需 要高剂量的改性剂，而高剂量的改性剂难以在沥青中分散均匀，而且在运输途中和储存 过程中会出现改性剂与沥青的分层离析，其性能反而不如基质沥青。 ( 2 ) 调整沥青混合料的矿料级配。沥青混合料的性能主要受矿料、沥青的影响， 有研究认为矿料因素占6 0 ，沥青因素占5 0 。就矿料因素方面，矿料的级配又有重大的 影响。现在在大多数场合下，都是采用的连续级配，开级配或间断级配道路的沥青面层 都采用粗粒式沥青混凝土作为承重层，炎热地区甚至采用粗粒式沥青混凝土面层。 近年推广应用的沥青马蹄脂碎石s m a ，其粗集料含量高能形成相互嵌挤的骨架，使 得高温稳定性优越，再由