（道路与铁道工程专业论文）沥青稳定碎石技术特性研究.pdf

摘要 我国高速公路沥青路面在运营期间出现了较多的反射裂缝、水损坏等病害，而沥青 稳定碎石基层凭借在解决以上病害等方面的优势而受到越来越多的重视，但是该混合料 在国内使用较少，因此深入研究沥青稳定碎石关键技术特性，对于优化我国道路结构、 改善道路使用水平和延长道路服务年限等都具有重要意义。 本文首先对沥青稳定碎石级配设计进行了研究。通过对粗集料松装、干捣和振实密 度的测试，提出了新的粗集料体积指标测试用容量筒规格；基于均匀设计法系统测试了 不同粒径矿料对粗集料体积性质的影响；通过车辙试验证实级配对混合料高温性能有重 要影响，且粗型沥青稳定碎石混合料抗变形能力未必优于细型混合料；回归分析显示骨 架接触度和粗集料干捣空隙率与混合料动稳定度间有良好相关性。汇总以上研究成果， 提出了基于粗集料干捣试验的沥青稳定碎石级配设计方法。 通过混合料路用性能测试，发现使用级配形状表征参数可有效区分不同混合料级 配，并可与动稳定度建立良好联系；随车辙板厚度的增加，沥青稳定碎石动稳定度增大， 同时变形率数据显示混合料压实厚度不宜超过最大公称粒径的2 5 倍；浸水马歇尔试验 和冻融劈裂试验数据间具有良好的相关性，且空隙率是决定混合料水稳定性能的主要因 素。基于理论分析和室内试验系统研究了混合料抗裂功能，数据显示沥青饱和度可较好 预测混合料抗裂性能；轮压对沥青层断裂性能影响显著；使用终裂次数作为混合料冲击 韧性试验评价指标，不仅可以有效区分不同混合料的抗裂性能，且可与a p a 模拟试验 结果间建立良好联系。 开发了新的沥青混合料离析测试仪，能有效模拟现场混合料离析状况；通过集料和 沥青混合料的燃烧测试，证实燃烧法可准确测试混合料沥青含量，但是由于烧裂等原因 级配测试结果误差较大；混合料离析测试结果显示级配是混合料离析倾向性的主要影响 因素，且主要受到9 5 m m 以下颗粒的作用，沥青含量的影响作用次之，而沥青标号对 其影响较小。 关键词：沥青稳定碎石、级配设计、干捣空隙率、路用性能、抗裂功能、离析倾向 性、可压实性 a b s t r a c t m a n yd is e a s e sa p p e a rd u r i n ga s p h a l tp a v e m e n to p e r a t i o np e r i o do fe x p r e s s w a y , j u s ta s r e f l e c t i o nc r a c ka n dw a t e rd a m a g e ，a n da s p h a l tt r e a t e db a s e ( a t b ) h a v er e c e i v e dm o r e a t t e n t i o nf o ri t sa d v a n t a g ei ns e t t l i n gt h ed i s e a s e s a c c o r d i n gt ot h el e s su s ec o n d i t i o n ，i th a v e g r e a ts e n s et or e s e a r c ht h ek e yt e c h n i q u ec h a r a c t e ro fa t bf o ro p t i m i z i n gr o a ds t r u c t u r e 、 i m p r o v i n gr o a de m p l o y m e n tl e v e la n de x t e n d i n gr o a ds e r v i c ep e r i o d a g g r e g a t eg r a d a t i o no fa t bi sr e s e a r c h e df i r s t l y i ti sb r o u g h tf o r w a r do fn e wk e t t l e s p e c i f i c a t i o nf o rc o a r s ea g g r e g a t et h r o u g ha g g r e g a t el o o s e 、d r y - r o dc o m p a c ta n dl i b r a t i o n d e n s i t yt e s t s t h ee f f e c to fd if f e r e n ts i z ea g g r e g a t eo nv o l u m ec h a r a c t e ri st e s t e db a s e d u n i f o r m i t yd e s i g nm e t h o d i ti sc o n c l u d e df o r mr u t t i n gt e s tt h a tg r a d a t i o nh a v eg r e a ti n f l u e n c e o nm i x t u r eh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，a n dt h ea n t i d i s t o r t i o np e r f o r m a n c eo fc o a r s e m i x t u r ei sn o tb e t t e rt h a nf i n em i x t u r e r e g r e s s i o na n a l y s i sp r o v e st h a tt h e r eh a v eg o o d p e r t i n e n c eb e t w e e ns s c 、v c a d r ca n dm i x t u r ed y n a m i cs t a b i l i t y f i n a l l yi ti sp u t t e df o r w a r d n e wa t bm i x t u r eg r a d a t i o nd e s i g nm e t h o db a s i n go nc o a r s ea g g r e g a t ed r y r o dc o m p a c tt e s t i ti sf o u n dt h a tg r a d a t i o nc u r v es h a p ei n d e xc a nd i s t i n g u i s he f f e c t i v e l yd i f f e r e n tm i x t u r e g r a d a t i o n ，a n dh a v eg o o dr e l a t i o nw i t hd y n a m i cs t a b i l i t y a t bm i x t u r e sd y n a m i cs t a b i l i t y a u g m e n t sw i t hm i x t u r eb o a r dt h i c k n e s si n c r e a s i n g ，a n dt h et h i c k n e s sd on o tb i g g e rt h a n2 5 t i m e so fn o m i n a lm a x i m u mp a r t i c l es i z e t h e r eh a v eg o o dc o r r e l a t i o nb e t w e e nm a r s h a l l i m m e r s i o nt e s ta n df r e e z et h a ws p l i tt e s t ，a n dv o i di st h ek e yf a c t o rd e t e r m i n i n gt h em i x t u r e w a t e rs t a b i l i t y t h ea n t i c r a c kf u n c t i o ni ss t u d i e dt h o u g ht h e o r ya n a l y s i sa n dl a b o r a t o r yt e s t ， t h e nd a t ap r o v e st h a tv f ac a nf o r e c a s tt h em i x t u r ea n t i - c r a c kp e r f o r m a n c ep r e f e r a b l y w h e e l p r e s sh a v eg r e a ti n f l u e n c eo na s p h a l tl a y e rp e r f o r m a n c e f i n a lc r a c kt i m e ，u s i n ga st h ei n d e x o fm i x t u r ei m p a c tt e n a c i t yt e s t ，c a nd i s t i n g u i s hd i f f e r e n tm i x t u r ee f f i c i e n t l y , a n de s t a b l i s h g o o dc o r r e l a t i o nw i t ha p a t e s tr e s u l t n e wm i x t u r es e g r e g a t i o nt e s ti n s t r u m e n ti sd e v e l o p e d ，w h i c hc a ns i m u l a t et h ea c t u a l s e g r e g a t i o ns i t u a t i o n t r o u g hb u r n i n gt e s to fa g g r e g a t ea n da s p h a l tm i x t u r e ，i ti sp r o v e dt h a t b u r n i n gm e t h o dc a nt e s t i n ga s p h a l tc o n t e n te x a c t l y , b u tg r a d a t i o nr e s u l th a v eb i ge r r o r t e s t r e s u l ts h o wt h a tg r a d a t i o ni st h ek e yi n f l u e n c ef a c t o ro fm i x t u r es e g r e g a t i o n ，i nw h i c ht h e a g g r e g a t et h a ti ss m a l lt h a n9 5 m m h a v et h em a i ne f f e c t ，a n da s p h a l tc o n t e n th a v es o m ee f f e c t ， f i n a l l yt h ea s p h a l tg r a d eh a v el i t t l ee f f e c t k e yw o r d s ：a s p h a l tt r e a t e db a s e ，a g g r e g a t eg r a d a t i o nd e s i g h ，v c a d r c ，p a v e m e n t p e r f o r m a n c e 、a n t i c r a c kf u n c t i o n ，s e g r e g a t i o nt e n d e n c y 、c o m p a c t i b i l i t y i i i 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。 卜f 论文储躲秽蕊炒妒年月g 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) r 、 论文储虢秽臌硼年月9 日 导师签名： 彬学年其日 艮安人学博二l 学位论文 1 1研究背景及意义 第一章绪论 我国的高速公路从8 0 年代未丌始起步，经历了8 0 年代末至1 9 9 7 年的起步建设阶 段和1 9 9 8 年至今的快速发展阶段。从1 9 8 8 年中国大陆第一条高速公路正式通车到现在， 我国的高速公路建设取得了举世瞩目的成就。“十五 期间共建成高速公路2 4 7 万公里， 是“八五 和“九五 建成高速公路总和的1 5 倍。全国高速公路通车总里程先后跃上 了2 万公里、3 万公里、4 万公里三个大台阶。截止2 0 0 7 年底，中国公路通车总里程达 3 5 7 3 万公里，其中高速公路达5 3 6 万公里。根据交通部公布的国家高速公路网规划， 从2 0 0 5 年起到2 0 3 0 年，国家将斥资两万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使中国高速 公路里程达到8 5 万公里。高速公路的建设将有力推动国家经济和社会的发展。 沥青路面凭借行驶舒适、修建养护便捷等优势，在我国高速公路中占据了主要地位， 而其主要结构形式为半刚性基层沥青路面。这是因为半刚性基层具有强度高、板体性好 等优点，且强度随龄期不断增长，故该路面具有较小的弯沉和较强的荷载分布能力，可 以适当减小面层厚度，同时该结构能充分利用当地材料及工业废渣，可有效降低工程初 期建设费用，以上特点使其成为国内应用最为广泛的基层形式。但在长期的使用过程中 发现半刚性基层材料在外界温度、湿度变化下易产生干温缩裂，最终导致裂缝在荷载作 用向上传播而形成沥青路面反射开裂。同时由于半刚性基层压实后非常致密，当雨水通 过路面裂缝和沥青混合料的较大孔隙渗入路面结构中时，在高速行车下产生极大的动水 压力冲刷基层造成唧浆，这一过程的反复作用最终导致基层软化、承载力下降并造成网 裂等路面病害，严重影响路面服务水平，缩短道路使用寿命。 为克服半刚性基层弊端，改善路面使用质量，国内外学者对路面基层类型开展了大 量研究，其中沥青稳定碎石基层( a a p h a l tt r e a t e db a s e ，简称a t b ) 受到了越来越多的 重视。沥青稳定碎石基层是用适量的沥青对集料进行稳定后用作沥青路面的基层，与半 刚性基层相比具有以下优点：不易因温度及湿度变化而发生开裂；面层和基层材料结构 具有良好的相似性，使得路面结构受力、变形更为协调；水对其性能影响较小，且具有 一定的裂缝愈合能力；维修快捷且便于再生利用。 沥青稳定碎石基层在国外得到了广泛的应用，在路面结构设计、沥青稳定碎石材料 第一章绪论 组成以及施工工艺等方面都取得了大量的成果，但是由于地理气候和交通荷载等条件的 差异，在我国使用沥青稳定碎石基层不能照搬国外经验，须通过研究及经验总结得出适 合我国国情的配套技术。虽然国内己经有学者对沥青稳定碎石基层进行了研究，但现有 工作仍缺乏系统性，需要根据道路实际状况设计混合料组成、混合料性能的合理评价及 影响因素进行深入研究、沥青稳定碎石基层施工性能等方面也仍需要开展深入研究。因 而深入系统地研究沥青稳定碎石基层的混合料设计方法、技术特性、施工性能，优化混 合料使用性能，改善路面服务水平，延长路面使用寿命，具有重要的社会经济意义和广 阔的应用前景。 1 2国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 汇总国外不同国家路面结构形式( 表1 1 ) ，由于交通量和地域差异比较大，各国的 路面结构差别也很显著，但总体来说，沥青稳定碎石基层在各国沥青路面典型结构中占 了很大的比重，且沥青层总厚度都比较大，一般都超过2 0 c m 。 表1 1 不同国家路面结构形式 国家路面结构形式( 数字以c m 计) o g f c ( 2 5 ) + h m a ( 7 5 ) + h m a ( 1 5 ) + h m a ( 7 5 ) s u p e r p a v e ( 5 ) + h m a ( 1 1 5 或9 ) + h m a ( 1 2 5 或1 5 ) + 级配碎石( 3 8 ) s u p e r p a v e ( 5 ) + h m a ( 1 4 或1 1 ) + h m a ( 1 5 5 或1 8 ) + 级配碎石( 2 5 ) 美国s m a ( 6 5 ) + h m a ( 1 4 或1 2 5 ) + h m a ( 1 6 5 或1 8 ) + 级配碎石( 3 3 ) s m a ( 6 5 ) + h m a ( 1 5 ) + h m a ( 1 9 ) + 级配碎钿( 4 3 ) 沥青混凝- t - ( 4 + 9 ) + 沥青贯入式( 1 7 5 ) + 水结碎石( 1 6 ) + 砂砾( 2 5 ) ；! ! ) j 青混凝j ：( 5 ) + 沥青稳定碎石( 1 9 ) + 砂砾( 1 5 ) + 加l 刮底基层( 1 5 ) 沥青混合料+ 沥青稳定基层( 式中：p c s 第一控制筛孔尺寸，m m ； v i p s 公称最大粒径，r n n l 。 该公式的推导过程包括包括两个方面，首先在二维颗粒模型下，计算了不影响各种 形状粗集料嵌挤时粗细集料最大直径比，计算结果如表2 1 。 表2 1 二维状况f 粗细集料分界点分析 粗集料颗粒形状 示意图计算结果 均为圆形颗粒 d = 0 1 5 5 d 两个圆形颗粒，一个平面 b 入 形状 庐r 甄r d - - - - 0 1 9 9 d 一 j ， 1 一 d 一个圆形颗粒，两个平面 砌( 3 0 ) = 三 。一必 形状 威；鼢 d = 0 2 4 4 d l|一 飞 1 4 长安人学博士学位论文 表2 1 ( 续)二维状况下粗细集料分界点分析 粗集料颗粒形状示意图计算结果 均为平面颗粒 瓞般 d - - - - 0 2 8 9 d l 1 一 d 注：d 表示粗集料有效直径，d 为不影响粗集料嵌挤的细集料临界直径。 综上所述，对于不同形状的二维粗集料，为避免细集料将嵌挤的粗集料撑开，最大 细粗集料颗粒直径比在0 1 5 5 ( 均为圆形颗粒) o 2 8 9 ( 均为平面颗粒) 间变动，考虑 到实际矿物颗粒形状变化幅度较大，而四种情况的比例均值为o 2 2 ，所以它能够代表大 多数情况。鉴于此，二维状况时采用0 2 2 作为粗细集料的分界比例。 其次研究了对于三维模型粗细集料的分界尺寸。对于三维模型而言，当由球体组成 时空隙直径为0 1 5 倍的颗粒直径，而由正方体组合时空隙直径比例为o 4 2 。由于实际集 料的堆积状态一般位于两者之间，而且接近于四面体时组合更稳定，也就是小于其均值 o 2 8 为宜，同时研究也证实当该数值在0 1 8 - - 0 2 8 间变动时对级配的影响并不显著，所 以综合二维和三维的分析结果，最终采用0 2 2 倍公称最大颗粒直径作为粗细集料分界 点。 国内也有学者对粗细集料分界点进行了研究，其中林绣贤f 3 4 j 高工在汇总现有研究成 果基础上，提出对于折断型沥青混合料、s m a 和二灰碎石等，粗集料最大公称粒径的 o 2 5 倍为粗、细集料分界点，同时认为贝雷法中只有集料全为圆形时，分界点的相应筛 孔为d 的0 1 5 倍，其他三种性状分别为d 的0 2 0 、o 2 4 、0 2 9 倍，如不考虑集料全是 圆形的状况，则此三者平均应为0 2 4 3 倍，更接近o 2 5 倍，因而其建议与贝雷法是一致 的。而张肖宁教授提出的按照体积法设计沥青混合料的设计方法中，以粗集料公称最 大粒径的1 6 尺寸( 0 1 7 倍) 划分细集料，并强调断掉1 2 档细集料形成密实间断级配。 需要注意的是，对于集料来说不可能存在非常明显的分界点，更为合理的是应该是 存在一个分界带或是分界区i h j 。因而本文综合现有研究结论，最终采用粗集料最大公称 粒径的1 6 作为分界点，以涵盖更多的颗粒部分。所以对于本文的a t b 3 0 沥青混合料， 由于最大公称粒径为3 1 5 m m ，所以集料分界点计算为： 3 1 5 1 6 = 5 2 5 r a m ( 2 7 ) 第二章沥青稳定碎石级配设计研究 根据相近性原则，本文选取4 7 5 m m 作为a t b 3 0 的粗、细集料分界尺寸。 2 3 粗集料体积指标测试方法 大量研究证实粗集料体积指标对混合料体积指标和使用性能都有影响，因而需对其 进行深入分析。但在测试过程中，盛样筒容器的边界对粗集料的约束作用是不可忽略的， 即容器的体积越小，粗颗粒产生位移重排组合的几率越小，达到最密实的可能越小，为 此集料试验规程俐中对容量筒尺寸作出了规定( 表2 2 ) 。 表2 2 容量筒规格 粗集料公称最容量筒容积容量筒规格( m m )筒壁厚度 大粒径( m m ) ( l ) 内径净高 底厚 ( n l n l ) 4 7 531 5 5 21 6 0 25 o2 5 9 5 2 6 51 02 0 5 23 0 5 25 o2 5 3 1 5 3 7 51 52 5 5 - 4 - 5 2 9 5 55 03 o 5 32 03 5 5 53 0 5 55 o3 0 为研究现行标准的合理性，本节对不同粒径集料进行了堆积密度测试，具体方法为： 对于某一级矿料，采用不同的容器进行装填测试，记录其密度和孔隙指标，可以得到一 个容器体积与体积特征参数的关系曲线；根据这个关系曲线的拐点求出对应于该级矿料 的最小容器尺寸；按照同样的步骤对其它各级粒径进行测试，得到对应于不同粒径的最 佳容器尺寸，从而汇总得出针对不同粒径最佳容器尺寸的建议。集料体积指标拐点测试 数据如表2 3 所示。 表2 3 集料堆积密度测试 粒径松装密度最佳容积干捣密度最佳容积振实密度最佳容积 2 _ 3 6555 4 7 5 555 9 51 0 55 1 3 21 05 5 1 6 01 01 05 1 9 o1 0 1 01 0 2 6 51 0 1 01 0 3 1 o1 51 0 1 0 3 7 52 0 1 51 0 从表2 3 的测试数据可以看出： 1 对于堆积试验，不同的成型方法中体积效应分界点( 此点以后，随着容器体积 的增大，集料的密度和空隙逐渐稳定) 出现并不同步。一般来说，对于松装试验，由于 没有外界功的作用，完全依靠集料自身重量实现集料分布，因而容器体积效应比较明显； 1 6 长安人学博i ：学位论文 对于干捣试验，由于捣实功的影响，使容器的体积效应不太明显；振实法则受力最苛刻， 测试结果对容量筒容积的依赖性也最小。 2 随着集料粒径的减小，不同方式成型的集料体积指标差异逐渐减弱。 由此可知在试验过程中，对于同种公称粒径集料选择容器时，应该以松装试验要求 为主来选择合适的容器体积。同时通过对试验结果进行分析总结，可以得到沥青混合料 集料容量筒的规格要求如表2 4 ，可发现该建议值与现行规范的范围( 表2 2 ) 有较大差 异，其中规定超过2 6 5 m m 集料测试时需采用2 0 l 容量筒，而原规范则要求2 6 5 n u l l 5 3 m m 集料使用1 5 l 筒即可，这样易造成促粗集料体积指标测试的不稳定，尤其对沥青 稳定碎石等大粒径混合料的测试造成不利影响。 表2 4 集料体积指标测试容量筒规格 粗集料公称最容量筒容积容量筒规格( r l l l l l ：筒肇厚度 人粒径( m m ) ( l ) 内径容积底厚 ( m m ) 2 3 6 9 551 7 52 0 05 02 5 9 5 2 6 5l o2 0 53 0 55 02 5 2 6 5 2 03 5 53 0 55 03 0 2 4 粗集料体积性质 由于粗集料是矿料级配的主体和骨架，其稳定性和体积性质对整体结构都具有重要 影响【4 h 3 1 ，本文根据表2 5 所示的a t b 3 0 规范级配范围，以n 法级配计算公式为基础， 变化n 值( n 取0 3 1 0 ，极差为o 1 ) 确定了8 种粗集料级配( 如图2 1 ) ，系统分析了 不同类型粗集料的体积指标。 表2 5a t b 3 0 密级配沥青稳定碎石混合料矿料级配范围 筛孑l m m 3 7 53 1 52 6 51 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 80 6o 30 1 50 0 7 5 上限 1 0 01 0 09 07 26 66 05 14 03 22 51 81 41 06 下限 1 0 09 07 0 5 3 4 4 3 9 3 12 01 5 1 0 85 3 2 1 7 第一二章沥青稳定碎石级配设计研究 2 6 。 1 0 0 8 0 芝6 0 料 恻 阁4 0 2 0 0 4 7 59 51 3 2 1 6 筛孔1 9 2 6 53 1 53 7 5 筛孔 。 图2 1试验采用级配 根据前文提出的容量筒容积，测试了不同粗集料干捣和振实密度，试验结果如表 表2 6 不同n 值对应粗集料的干捣密度和振实密度 干捣密度振实密度表观密度空隙率( ) n 值 ( g c m 3 )( g c m 3 )( g c m 3 )干捣法振实法 o - 31 7 8 41 8 8 82 7 6 83 5 53 1 8 0 41 7 8 31 8 8 22 7 6 83 5 6 3 2 o o 5 1 7 9 l1 8 8 32 7 6 83 5 _ 33 2 0 0 61 7 8 21 8 8 92 7 6 83 5 63 1 8 0 71 7 6 61 8 8 12 7 6 93 6 23 2 1 0 81 7 6 01 8 6 3 2 7 6 9 3 6 4 3 2 7 o 9 1 7 2 11 8 3 12 7 6 93 7 93 3 9 1 o1 7 3 71 8 0 02 7 6 93 7 33 5 0 注：当集料的最人粒径为3 7 m m 时，n = o 3 、0 4 、0 5 、0 6 和0 7 、0 8 、0 9 、1 0 ，对应的4 7 5 m m 以上的粗集料分别占总矿料的4 6 、5 6 、6 4 2 、7 0 8 和7 6 2 、8 0 6 、8 4 2 、8 7 2 。 分析表2 6 中数据可以得到以下结论： 1 干捣与振动空隙率有一定的联系，采用线性回归时相关系数为o 7 8 。但是从图 2 2 刃i 可看出两者由于成型机理的区别，测试数据仍存在较大的离散型，且随着空隙率 的增加离散性也增大。 长安大学博一i 二学位论文 3 5 鼍s a 卜 嚣3 3 毒s z 3 1 3 53 5 53 63 6 53 73 ，63 8 干捣空隙率， 图2 2 集料干捣与振动空隙率关系 2 随着n 值的增大，粗集料空隙率逐渐增加，当n 值超过0 6 后，集料空隙增大幅 度也变大。这是由于n 值增大后，粗集料中的较粗部分含量增加，从而形成了更多的空 隙。对于干捣成型，n 为o 5 时粗集料空隙率达到最小，而对于振动成型，n 为0 6 时空 隙率为最小。 3 用干捣法测定的粗集料骨架空隙率均大于振实法，表明振实法能使粗集料更加 密实，但是图2 - 3 也可以发现随着n 值的增加，两者的差距逐渐减小。 4 0 3 8 出 赢3 6 雾s a 3 2 3 0 0 30 40 50 60 70 80 91 n 值 图2 3 不j 司n 值级配堆积空隙率 为更深入的研究各档粗集料对集料体积指标的影响，本节将利用均匀设计法制订试 验计划，并测试不同组合集料的堆积空隙。主要目的是研究粗集料间隙率v c a 随粒径 大小、各级用量的相关性和影响程度，根据所得的结果，确定达到嵌挤时粗集料的合理 含量。 均匀设计法是一种只考虑试验点在试验范围内的均匀分布的一种试验设计方法m 】。 此法与正交试验设计相似，是通过一套精心设计的表来进行试验设计。每个均匀设计表 有一个代号u n ( q 5 ) 或u n ( q 5 ) ，其中u 表示均匀设计，n 表示要做的n 次试验，q 表 示每个因素有q 个水平，s 表示该表有s 列。u 的右上角加宰的均匀设计有更好的均匀性， 应优先选用。 1 9 第- 二章沥青稳定碎石级配设计研究 进行粗集料级配设计时，由于各因素在总量中所占的比例不是独立的，而是粗集料 各因素的总和为1 ，即x 1 + x 2 + + x 。= 1 ，因此应做配方试验设计。配方试验设计的 方法通常有单纯形格子点设计、单纯形重心设计、轴设计和配方均匀设计。配方均匀设 计是在轴设计基础上克服其缺点由王元、方开泰提出的。s 种原料( 或因素) 的试验范 围是单纯型t s ，设有n 种不同的配方，这些配方对应t s 中的n 个点，配方均匀设计的 思想就是让这n 个点在t s 中散布尽可能均匀，其设计步骤如下： ( 1 ) 给定s 和n ，查对应的均匀设计表得到生成向量( h 】，i l s 一1 ) ，并由这个 生成向量产生配方均匀设计表u n + ( n 5 。1 ) 或u n ( n 8 1 ) 。用( q j k ) 计u n ( n s 1 ) 或u n ( n 5 1 ) 中的元素。 ( 2 ) 对每一列i ，计算： ( 3 ) 计算各行元素： ，一2 q 女j 一1 o k i 一= 一 2 n k = l ，n( 2 8 ) 1 1 x k f = ( 1 - s - ) 兀筠s - i _ 1 ，s - 1( 2 9 ) 1 = 兀暑哼7 a t b 一3 0 粗集料共有六档：2 6 5 m m 、1 9 m m 、1 6 m m 、1 3 2 m m 、9 5 m m 、4 7 5 m m ( 由 于3 1 5 m m 含量很少，为减少试验量，本研究不把它单独作为一个因素来考虑) ，分为 六个因素，并分别以x 1 、x 2 、x 3 、x 4 、x 5 、x 6 代表对应粒径的含量( 占粗集料总量的 比例) 。由于v c a 与各因素比例问不是明显的函数对应关系，而是存在相关关系，且可 能还存在二次非线性的相关关系。此外，六个因素的配方设计，有五个独立的因素，五 个变量的二次非线性回归方程包括2 1 项。为得到较好的相关结论，回归方程的自由度 不应当小于5 ，水平数至少为2 6 。比较水平数2 6 3 1 的均匀偏差度d 可知水平数为2 8 时的d 值最小( 见表2 7 ) ，因此选用六因素2 8 水平的配方均匀设计。 表2 7 人因素不同水平数的d 值分布情况 水平数 2 62 72 8 2 9 3 03 1 d 值 0 1 8 2 80 2 6 3 30 1 5 7 80 2 3 8 40 1 6 2 10 2 2 5 1 查表后得到六因素2 8 水平的均匀设计见表2 8 ，进而确定了粗集料配方均匀设计方 案组成见表2 9 。 2 0 长安大学博上学位论文 表2 8 均匀设计表u 2 8 ( 2 8 6 ) 冈素 实验趴 1234 ( 5 )5 ( 6 )6 ( 7 ) 1 l71 62 02 32 4 2 21 431 11 71 9 33 2 11 9 2 1 11 4 442 862 259 5562 21 32 84 6 61 3942 2 2 8 772 0 2 5 2 41 62 3 882 71 21 51 01 8 9952 8641 3 1 01 01 21 52 62 78 1 1 1 11 9 2 1 7 2 l 3 1 21 22 61 881 52 7 1 31 3452 892 2 1 41 41 12 l 1 9 31 7 1 51 51 8 8 1 02 61 2 1 61 62 52 4l2 07 1 71 731 12 11 42 1 81 8 1 02 71 282 6 1 91 9 1 7 1 432 2 l 2 02 02 412 32 51 6 2 12 121 71 41 91 l 2 22 29 4 51 3 6 2 32 31 62 02 57l 2 4 2 42 371 612 5 2 52 5 1 2 3 72 42 0 2 62 68l o2 71 8 1 5 2 72 71 52 61 81 21 0 2 8 2 82 21 3965 表2 9 粗集料配方均匀设计方案组成表 下列粒径段的质量卣分数( ： 冈素序号 x 1x 2 x 3 x 4x 5x 6 2 6 5 m m1 9 m m 1 6 r a m 1 3 2 m m9 5 m m4 7 5 m m 】5 5 313 75 54 2 4 21 7 1 24 4 39 32 5 78 o5 27 5 33 8 34 67 43 8 2 7 24 3 43 4 0o 32 7 54 72 8 15 4 53 0 62 3 23 91 4 00 52 7 8 62 7 81 3 21 9 4 2 5 63 21 0 8 72 5 36 43 0 5 52 6 73 3 1 82 3 21 01 9 51 5 82 6 81 3 7 2 1 第二章沥青稳定碎石级酉己设计研究 表2 9 ( 续)粗集料配方均匀设计方案组成表 下列粒径段的质鼙百分数( ) 冈素序号 x 1x 2 x 3 x 4x 5x 6 2 6 5 m m1 9 m m1 6 m m1 3 2 m m9 5 m m4 7 5 r a m 92 1 2 2 8 9o 32 7 61 9 2 2 8 1 0 1 9 41 6 11 2 72 42 64 6 8 1 l1 7 88 14 6 26 55 71 5 7 1 21 6 3 1 91 1 93 3 7 1 7 51 8 7 1 31 4 93 4 52 3 10 21 9 08 3 1 41 3 61 8 86 71 1 44 5 14 4 1 51 2 39 72 7 72 1 o2 62 6 7 1 611 2 2 94 97 0 23 - 37 5 1 71 0 14 0 81 3 75 11 5 71 4 6 1 89 02 1 51 32 4 53 2 011 7 1 98 01 1 41 7 44 4 31 7 91 0 2 0 7 o 4 o6 5 82 42 61 8 2 2 l6 04 8 87 3l1 68 91 7 4 2 25 22 4 43 5 22 1 17 86 3 2 34 31 3 19 44 75 2 61 5 9 2 43 55 13 5 21 4 44 1 10 7 2 52 66 1 82 51 7 12 61 3 4 2 61 92 7 52 1 41 31 8 02 9 9 2 71 11 5 02 6 1 7 0 3 7 92 6 4 2 80 36 42 2 o3 2 o3 1 67 7 确定了粗集料试验组合后，对该2 8 组配比进行了堆积密度测试，成型方法包括干 捣和振动两种，测试并计算了粗集料的密度和空隙率如表2 1 0 所示。 表2 1 0 均匀设计法粗集料的干捣密度和振实密度 干捣密度振实密度表观密度空隙率( ) 序号 ( g c m 3 ) ( g c m 3 )( g c m 3 )干捣法振动法 11 8 1 2 1 9 4 52 7 6 13 4 42 9 6 21 8 2 3 1 9 1 7 2 7 6 83 4 13 0 8 31 7 4 01 8 9 72 7 7 83 7 43 1 7 41 7 9 31 9 1 32 7 7 93 5 53 1 2 51 7 8 6 1 9 2 02 7 6 0 3 5 3 3 0 5 61 8 0 2 1 9 2 l2 7 7 2 3 4 9 3 0 7 71 8 0 31 9 1 92 7 6 93 5 o3 0 7 8 1 7 5 61 8 4 32 7 8 03 6 83 3 7 91 7 7 9 1 8 7 02 7 7 53 5 93 2 6 1 01 7 9 31 8 9 6 2 7 5 6 3 5 o 3 1 2 1 11 7 8 71 8 8 82 7 7 l3 5 531 9 1 21 7 8 61 8 8 22 7 8 03 5 83 2 3 1 31 7 7 2 1 8 8 52 7 6 73 6 03 1 9 长安人学博士学位论文 表2 1 0 ( 续)均匀设计法粗集料的干捣密度和振实密度 干捣密度振实密度表观密度空隙率( ) 序号 ( g c m 3 )( g c m 3 )( g c m ) 干捣法振动法 1 41 7 8 11 8 7 92 7 8 33 6 03 2 5 1 51 7 7 41 8 7 72 7 7 03 6 o3 2 3 1 6 1 7 4 51 8 3 62 7 8 83 7 43 4 1 1 71 7 3 81 8 4 l2 7 6 43 7 1 3 3 4 1 81 7 5 01 8 2 52 7 8 03 7 13 4 4 1 9 1 7 5 91 8 3 42 7 8 73 6 93 4 2 2 01 7 8 0 1 8 8 72 7 7 13 5 83 1 9 2 l1 7 6 0 1 8 7 02 7 6 13 6 33 2 3 2 21 7 3 81 8 2 22 7 7 43 7 33 4 3 2 31 7 5 21 8 4 52 7 8 33 7 13 3 7 2 41 7 1 31 7 6 72 7 9 03 8 63 6 7 2 51 7 7 8 1 8 8 02 7 5 83 5 63 1 8 2 61 7 3 31 8 3 82 7 6 5 3 7 33 3 5 2 71 7 2 21 8 0 42 7 7 83 8 03 5 1 2 8 1 7 2 41 8 2 12 7 8 93 8 23 4 7 分析表2 1 0 中不同组合粗集料密度及空隙率测试结果可以发现： 1 不同组合粗集料密度及空隙率存在区别。涉及的2 8 种组合中，对于干捣空隙率， 最小的2 号级配为3 4 4 ，最大的2 4 号级配为3 8 6 ，差异为4 2 ，而对于振动空隙 率，最小的是1 号级配为2 9 6 ，最大的是2 4 号级配为3 6 7 ，两者差距为7 1 。 2 通过分析各档集料与粗集料空隙率相关性( 图2 4 ) ，发现各档集料与振实空隙 率的相关性一般要优于干捣空隙率，这应与振实空隙率测试结果更稳定有关。 01 02 03 04 05 06 0 2 6 5 r a m 集料含星 4 。0 。 ，酽：。a 二主霎 孽；一 。-一 j | | ；蓠一 ：碍= 三! o2 04 06 08 0 1 9 m m 集料含最 第- 二章沥青稳定碎石级配设计研究 芝：三：兰i ：篓实 蓊霹幕纛 篓麓_ _ 二， 孚 斟 篮 剥 担 谗 鳗 州 01 02 03 04 05 0 9 5 m m 集料含量 o1 02 03 04 0 4 7 5 m m 集料含量 图2 4 各档颗粒含量与体积指标关系 3 不同粒径矿料与集料堆积空隙率相关性排序由大到小为：2 6 5 m m 9 5 m m 4 7 5 m m 1 6 m m 1 9 m m 。其中2 6 5 档集料对粗集料空隙率的影响最大，采用二次项回归 时相关系数为0 5 ，随着该档料含量的增加，空隙率逐渐降低。 2 _ 5 沥青混合料骨架结构评价方法 沥青混合料是由矿质骨料和沥青胶结料组成的复合材料，是一种具有空间网络结构 的多相分散体系。根据这种分散体系在网络结构中“嵌挤成分和“密实程度”所占比 例不同，沥青混合料具有如下三种典型的结构形式：悬浮一密实结构、骨架一空隙结构 和骨架一密实结构，其中骨架一密实结构由于集料嵌挤形成骨架而具有良好的稳定性， 同时密实的结构又使得整体耐久性良好，从而具有优良的综合路用性能【4 5 , 4 6 】。 为研究混合料骨架结构评价方法，增强混合料级配设计的针对性，本节制定了7 种 级配( 表2 1 1 和图2 5 ) ，涵盖了规范a t b 一3 0 的全部范围，并顺序编号为l - - 7 号，同 时使用韩国s k 7 0 沥青( 沥青指标如表2 1 2 所示) 制备混合料，通过分析混合料体积 指标，并与使用性能的相关性分析，研究粗集料骨架结构的评价方法。 们 勰 弘 弘 驼 长