（道路与铁道工程专业论文）基于骨架嵌挤的13型沥青混合料配合比设计研究.pdf

移；， 重庆交通大学学位论文原创性声明 y19 01魁llf r f j蚴ii i i i i i 9 7 4 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己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： 垮锅磕 日期：1 0 ff 年6 月彦e l 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。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论 文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于 汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论 文的权利。 学位做作者躲黼起指捌币繇可锣寿。 日期弘f 年6 月胁日 日期ol f 年易月，7 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中全文 发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。 学位论文作者虢鸯枥辜 日期：2 0 ff 年e 月f 日 指导教师签名：孑桫 日期：9r 年6 月 摘要 近年来我国公路事业突飞猛进，但由于公路关键技术储备不足，已建沥青路 面中出现了不同程度的早期病害，其中以高温稳定性不足引起的破坏尤为突出。 骨架嵌挤型沥青混合料有着优良的高温性能，得到了越来越多的道路工程师的青 睐。 通过分析国内外研究成果，对骨架嵌挤型沥青混合料的粗集料几何特征、最 紧密骨架结构状态进行了探索。对沥青混合料骨架结构影响因素进行了深入分析， 认为粗集料几何特性、粗集料级配和混合料压实功是骨架嵌挤结构形成的关键因 素。针对目前沥青混合料配合比设计中级配设计与沥青用量设计相互孤立的现状， 以1 3 型沥青混合料配合比设计为例，分别采用改变粗集料中粒径不同的两种碎石 比例和改变粗细集料含量两种方式对混合料级配进行调整，对沥青混合料最紧密 骨架结构状态油石比与矿料级配之间的关系进行了深入研究。研究结果表明，最 紧密骨架结构状态油石比随矿料级配由粗变细的过程中呈现出先减小后增大的变 化规律，通过该变化规律寻找油石比突变点并以突变点对应的油石比为设计油石 比，对应的级配为设计级配，由此完成对混合料配合比的设计。性能验证结果表 明，设计出的混合料能具有较好的力学性能与路用性能。此外，鉴于工程应用中 对于沥青混合料最大理论密度试验方法存在争议，本文通过室内试验对集料有效 密度的测定方法和对矿料级配的修正进行了深入探讨，得到了合理确定最大理论 密度的计算方式和试验方法。通过本文的探讨与研究，可以为沥青混合料的配合 比设计方法提供一定的参考依据，保证设计出的沥青混合料具有优异的力学性能 和路用性能。 关键词：道路工程；沥青混合料；骨架嵌挤；级配设计；最佳油石比；最大理论 密度； a b a s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , h i g h w a ye n t e r p r i s e sh a v eb e e ni nt h e g o l d e nt i m eo fd e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r yi nr e c e n ty e a r s h o w e v e r , d u et ot h ek e y t e c h n i c a lr e s e r v ei n a d e q u a t e ，t h ed a m a g e so fp a v e m e n tb e c o m es e r i o u ss o o n ，e s p e c i a l l y r u t t i n gd a m a g e a s p h a l tm i x t u r ew i t hs k e l e t o nd e n s es t r u c t u r eh a sw o ni n c r e a s i n g r e p u t a t i o n sb yp a v e m e n te n g i n e e r sb e c a u s eo fi t sg o o dh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h e sa th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e ri ss y s t e m a t i c a l l y e x p l o r e dt h eg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o a r s ea g g r e g a t ep a r t i c l e sa n dt h ec l o s e s t c o m p a c tc o n d i t i o no ft h ea s p h a l tm i x t u r ew i t hs k e l e t o ns t r u c t u r e i ti sd e e p l ya n a l y z e d t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa b o u tt h es k e l e t o ni n t e r l o c k i n gd e n s ec o n d i t i o n i ti sc o n s i d e r e d t h a tt h ei m p o r t a n tf a c t o r sa r et h eg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eg r a d a t i o no ft h e c o a r s ea g g r e g a t ep a r t i c l e sa sw e l la st h ec o m p a c t i n gw o r k a c c o r d i n gt oe x i s t i n g p r o b l e mt h a tg r a d a t i o nd e s i g na n dt h eb i t u m e n a g g r e g a t er a t i od e s i g na r ei s o l a t e d ，t h i s p a p e ri sd e e p l ys t u d i e di t sc o n n e c t i o nb a s e do nt h ed e s i g no fa c 13m i xb ya d j u s t i n gt h e g r a d a t i o n st h r o u g ha d j u s t i n gt h er e l a t i v ec o n t e n to ft w ok i n d ss i z e so fc o a r s ea g g r e g a t e p a r t i c l e sa n da d j u s t i n gt h ec o n t e n to fc o a r s ea g g r e g a t e s f r o mt h ee x p l o r a t i o n sa n d r e s e a r c h e s ，i t i si n d i c a t e dt h a tt h eb i t u m e n - a g g r e g a t er a t i oi nt h ec l o s e s tc o m p a c t f o r m a t i o nc o n d i t i o ni sd e c r e a s e df i r s t ，t h e ni n c r e a s e dw i t hc o a r s ea g g r e g a t e sc o n t e n t r e d u c i n g f r o ms t u d y i n go nt h ec h a n g el a w , i tc a nb eo b t a i n e dac a t a s t r o p h ep o i n ta t w h i c ht h eb i t u m e n - a g g r e g a t er a t i oi so p t i m a la n dt h ec o r r e s p o n d i n gg r a d a t i o ni st h e o p t i m a lg r a d a t i o n s ot h ea s p h a l tm i xd e s i g nc a nb eg a i n e d f r o mt h el a b o r a t o r y v e r i f i c a t i o nt e s t s ，t h ea s p h a l tm i x t u r ed e s i g n e dh a se x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d p a v e m e n tp e r f o r m a n c e s b e s i d e s ，a i m i n ga tt h ec o n t r o v e r s yo nt h em e t h o d so f m a x i m u mt h e o r e t i c a ld e n s i t yi ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e ri sd i s c u s s e dt h e m e a s u r em e t h o do ft h ea g g r e g a t ee f f e c t i v ed e n s i t ya n dt h eg r a d a t i o nc o r r e c t i o n i ti s e x p l o r e da p p r o p r i a t ec a l c u l a t ef o r m u l a sa n dt e s tm e t h o d sf r o mt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d l a b o r a t o r yt e s t s t h r o u g ht h ed i s c u s s i o na n dt h er e s e a r c h ，i tc a np r o v i d ear e f e r e n c eo f a s p h a l tm i xd e s i g nf o ra s p h a l tp a v e m e n t ，w h i c hm a k e sa s p h a l tm i x t u r eh a st h ee x c e l l e n t p e r f o r m a n c e s k e yw o r d s ：r o a de n g i n e e r i n g ；a s p h a l tm i x t u r e ；s k e l e t o ni n t e r l o c k i n g d e n s e c o n d i t i o n ；g r a d a t i o nd e s i g n ；t h eo p t i m a lb i t u m e n a g g r e g a t er a t i o ； t h e o r e t i c a lm a x i m u md e n s i t y ； 目录 第一章绪论1 1 1 问题的提出及研究意义1 1 2 国内外研究概况2 1 2 1 国外2 1 2 2 国内4 1 3 研究内容及技术路线6 第二章沥青混合料骨架结构影响因素分析8 2 1 粗集料几何特性对骨架结构状态的影响8 2 2 粗集料级配对骨架结构状态的影响分析1 2 2 2 1 对粗集料矿料间隙率的影响1 2 2 2 2 对v c a 特征值的影响1 6 2 2 3 对v m a 的影响1 8 2 3 压实功对骨架结构状态的影响分析1 9 2 3 1 对毛体积相对密度的影响2 0 2 3 2 对v c ；。与v m a 的影响2 4 2 3 3 对最佳油石比的影响2 5 2 4 本章小结2 6 第三章骨架嵌挤的沥青混合料配合比设计2 8 3 1 沥青混合料传统级配设计2 8 3 2 最紧密骨架嵌挤状态3 2 3 3 骨架嵌挤结构评价3 3 3 4 骨架结构配合比设计原理与方法3 6 3 5 本章小结3 9 第四章粗集料级配变化的骨架嵌挤结构设计研究4 1 4 1 试验方案设计4 1 4 2 各级配最紧密状态油石比的确定4 3 4 3 混合料骨架结构配合比优化设计4 6 4 4 骨架结构相关指标研究4 9 4 4 1 与空隙率4 对应油石比的比较分析4 9 4 4 2 沥青膜厚度验算5 0 4 5 混合料性能研究：5 2 4 5 1 力学性能试验5 3 4 5 2 高温稳定性试验5 4 4 5 3 低温抗裂性试验5 7 4 5 4 水稳定性试验5 9 4 6 本章小结6 l 第五章粗细集料级配变化的骨架嵌挤结构设计研究6 3 5 1 试验方案设计；，6 3 5 2 各级配最紧密状态油石比的确定6 3 5 3 混合料骨架结构配合比优化设计6 5 5 4 骨架结构相关指标研究6 6 5 4 1 与空隙率4 对应油石比的比较6 6 5 4 2 沥青膜厚度验算6 7 5 5 混合料性能研究6 9 5 5 1 力学性能试验6 9 5 5 2 高温性能试验6 9 5 5 3 低温性能试验7 l 5 5 4 水稳性能试验7 2 5 6 本章小结7 5 第六章关于骨架结构混合料体积指标的几个关键问题研究7 7 6 1 空隙率与石料密度的关系7 7 6 2 目前理论最大相对密度的试验方法8 0 6 3 理论最大相对密度改进试验方法8 4 6 3 1 集料有效密度确定8 4 6 3 2 矿料级配组成确定9 0 6 4 理论最大相对密度计算法的应用9 4 6 4 1 不同石料密度选择对计算法结果的影响9 4 6 4 2 真空法实测值与计算法的比较9 5 6 5 本章小结9 6 第七章主要结论与展望9 8 7 1 结论9 8 7 2 展望1 0 0 致谢1 0 1 参考文献1 0 2 在学期间发表的论著及参与科研项目1 0 5 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 近年来我国的公路交通事业发展迅速，“五纵七横”十二条主干线提前十三年全 部建成，过去五年中国高速公路里程新增3 3 万公罩，平均每年新增6 0 0 0 多公 里，高速公路总里程现居世界第二位。若按照既有规划建设目标，两年内将超 越美国的十万公里。西部大开发地区八条省际通道也已大致贯通。公路尤其是高 速公路已经成为推动我国经济健康发展、持续增长的重要产业之一。 我国虽已跻身高速公路大国，但并非高速公路强国。在取得数量发展的同时， 也应看到我国的公路建设质量与发达国家还有明显的差距。尽管我国已大量使 用进口沥青、进口设备，但我国的沥青路面早期损坏现象依然非常严重。许多 地区出现了“当年修，当年坏 的现象。按设计规范要求高速公路、一级公路 的设计使用年限为1 5 年，二级公路的设计使用年限为1 2 年。但实际上，随着 交通量的迅猛增长和重载、超载情况的加剧以及沥青路面结构设计与材料设计 的脱节，大量新建路面开放交通一二年就出现早期破坏情况，有的使用三五年 就开始明显破坏，出现车辙、开裂、泛油、水损坏等破坏现象，致使一些路面 的质量和寿命达不到应有的水平。其中车辙、开裂和水损害成为当今高速公路 面临的“三大病害”。尤其是对于南方高温湿热地区来说，车辙与泛油、水 损害己成为沥青路面早期破坏的主要形式，严重影响了路面的使用寿命和服务 质量。 由于公路关键技术的储备不足，现有公路使用寿命较短，远远不能满足设 计使用年限的要求。这在某种程度上成为阻碍我国公路交通可持续发展的技术 瓶颈。大量路面病害调查结果表明，路面病害的产生与沥青混合料配合比的设 计紧密相关。 众所周知，级配设计和沥青用量设计是沥青混合料的配合比设计中的两个 重要内容。相比于沥青用量设计，级配设计表现出更大的复杂性与多变性，规 范规定的级配范围内，级配可能有无数种走向，每种级配的选择都会表现出不 同的路用性能。我国在沥青混合料设计当中，往往根据规范级配范围中值或在 规范范围内做简单的调整，然后进行沥青用量的优化选择。因此在沥青混合料 设计当中，级配设计与沥青用量的优化缺乏必要的联系。 2 第一章绪论 沥青混合料的性质在很大程度上决定于合理的矿料级配组成，因此长期以 来人们不断探讨矿料级配的设计方法。早期沥青混凝土的矿料级配计算公式均 是连续式密级配的矿料计算公式乜 4 1 ，但它们都是理论的级配计算方法，并未 与实际工程中使用的材料特性联系在一起。随着道路交通量的提高，连续式密 级配设计方法逐渐显出弊端，于是人们开始尝试应用粗集料断级配沥青混合料。 粗集料断级配能较好的形成骨架密实结构，混合料具有较好的高温、低温及水 稳定性和良好的力学性能因而受到许多道路研究者的青睐。于是如何对粗集料 颗粒形成的骨架规律做进一步探讨，特别是对骨架结构沥青混合料配合比设计 进行深入研究，使设计出的沥青混合料具备优良的路用性能和力学性能，成为 近年来道路工作者关心的主要问题之一，也是摆在所有公路建设者面前的历史 使命。 1 2 国内外研究概况 关于骨架嵌挤结构沥青混合料设计的研究，近二十多年来，国内外专家学者 开展了大量的工作，并取得了不少成果。但大多研究主要集中在两个方面，一类 是研究矿料及矿料级配对沥青混合料路用性能的影响，由于没有提出表征矿料特 征的参数，多数研究仍停留在定性关系的分析层面旧 8 1 ；另一类是针对具体工程的 应用研究，多是在一定材料情况下的级配比选，当条件发生变化时，有关结论并 不具有推广价值胁1 0 1 。也有研究对级配设计方法进行了初步的探讨，但工作缺乏系 统性，未能形成完整的设计理论和方法2 1 。 1 2 1 国外 对于混合料骨架结构状态实现方法的研究，国外相关研究理论主要有： 1 、s u p e r p a v e 级配组成设计方法。在国外该方法被认为是实现多级嵌挤骨架 密实型沥青混凝土的一种较好设计方法，国外已广泛采用n 3 匕美国s u p e r p a v e 级 配规范中提出了“限制区 和“控制点”的概念。s u p e r p a v e 的控制点主要是对粗 集料含量，使其不离析、不推挤。禁区是限制细集料特别是天然砂含量以防止出 现“驼峰级配”，避免压实不稳定区的形成，保证集料具有适宜的矿料间隙率】。 禁区和控制点的规定，对级配走向和位置的描述提供了依据，在一定程度上方便 了级配的选择。美国c o o l e yl a 与k a n d h a lp s 等人对禁区存在的合理性及其级 配设计建议等进行了验证和评价n 5 1 7 3 。结合s u p e r p a v e 的级配规范设计出了禁区 之上的细级配( a r z ) 、禁区之下的粗级配( b r z ) 和穿过禁区的级配( t r z ) 。性能试验 研究表明：s u p e r p a v e 推荐的粗级配( b r z ) 或细级配( a r z ) 并未表现出绝对的优势， 第一章绪论 其性能与所用矿料特征有关n 引。另外，由于该矿料级配设计方法属于纯经验性的。 其矿料级配密实性有余，骨架性不足，是一种悬浮式密实结构。 2 、贝雷法级配设计。该方法的主导思想是用设计密度来引导级配设计，基于 两点假设n 引：第一，沥青混合料的强度来自于集料的骨架嵌挤能力：第二，沥青 混合料的耐久性由一系列体积指标来保证，如空隙率、间隙率等。用贝雷法三参 数c a l l 、f a c 、f a f 进行检验，不合格则重新选择设计密度。 dd c a ：二坐丝些l 二二墨l( 1 1 ) 、0 0 一p t n m p s i n p f a ，= 丝 。p p c s ( 1 2 ) p ，a 。= 二_ ! 丛l 。 砟一c ( 1 3 ) 式中：层一1 2 公称最大粒径筛孔的通过率； 辟。第一个控制筛孔的通过率； c 。f 第二个控制筛孔的通过率； 名。p 第三个控制筛孔的通过率。 c a 比反映的是粗集料内部的组成，检验混合料中粗集料嵌挤程度。该值与混 合料的施工和易性和路用性能有关。因此贝雷法要求c a 值在0 4 - 0 8 之间，并认 为c a 值小于0 4 ，沥青混合料容易产生离析和难以压实；f a c 用来反映细集料中粗 料部分与细料部分的填充情况。f a f 贝1 j 反映了合成集料中最细一级的嵌挤情况。要 求f a c 值和f a f 值都小于0 5 乜训。以上参数是级配曲线的定量表达，仍然没有摆脱 其经验性。国内外研究对其建议的参数范围产生了很大的争议，不同研究者提出 了不同的参数建议范围或修订值。如美国w i l l i a mrv a r i k 最初提出c a 值为0 4 0 8 ，f a c 值为0 2 5 - - - 0 5 ，f a f 值为0 2 5 0 5 瞳。山东交通科学研究所根据实践 应用，提出将表面层c a 值调整为0 2 2 - - - 0 5 ；袁迎捷等人根据贝雷法参数与路用性 能指标之间的试验结果，提出适用于表面层最大公称粒径为1 3 m m 的参数范围，c a 值为0 3 5 - 0 5 0 ，f a c 值为0 4 5 - - 0 5 5 ，f a f 值为0 3 0 - - 0 4 0 或 0 5 5 。 据介绍，用贝雷法做矿料级配设计非常复杂，需要计算每一种原材料在混合 料中可能形成的状态，以及根据原材料级配的不均匀性修正骨料的的分布和数量。 整个计算和修j 下过程需要有相应的试验规程和计算机设计程序。另外，该方法从 理论基础到实际应用都还存在着一些问题，例如：采用的是平面三圆模型，控制点 和级配参数计算都是采用的标准筛孔尺寸，并没有真正按照0 2 2 倍确定的筛孑l 的 通过质量( ) 来计算c a 值、f a c 值和f a f 值，也没有考虑填料的填充作用等；其次 4 第一章绪论 混合料原材几何形状不规则，现实情况有时与该理想模型相差甚远。 3 、s m a 骨架型沥青混合料设计。s m a 因其稳定的骨架结构和丰富的玛蹄脂对 骨架间隙的填充作用，使其在高低温性能、疲劳性能、水稳定性、耐久性及路表 功能等方面均优于传统的沥青路面幢引。对改善沥青路面的路用性能、延长路面的 使用寿命及提高经济效益和社会效益方面都产生了积极的影响。其实对骨架结构 较早的研究很多都是针对s m a 的，因为s m a 的骨架特性更加明显。 然而，目前对s m a 沥青混合料的配合比设计，尽管国内外的实践经验己十分 丰富，但仍停留在感性认识上。同时由于s m a 高昂的成本，对施工工艺复杂的要 求，所以从国情出发，s m a 还没有大面积的推广。我国公路沥青路面设计规范中对 s m a 级配范围也做了较大调整，放宽了对s m a 级配范围要求，这在一定程度上提高 了针对我国不同气候分区情况下对级配的可选择性。但同时也要看到规范规定的 级配范围过宽，混合料级配不同引起的性能差异较大。 可以认为，s u p e r p a v e 设计方法、贝雷法以及s m a 设计方法为骨架嵌挤型混合 料组成设计提供了较好的思路。 1 2 2 国内 在沥青混合料骨架结构状态研究方面，国内很多专家学者也作出了大量有益 的尝试和探索，积累了相当宝贵的经验。 华南理工大学张肖宁教授提出了粗集料孔隙填充( c a v f ) 法心引。设计思想是用 大于4 7 5 m m 的粗集料的紧装密度和表观密度计算粗集料的矿料间隙率，使细集料 的体积、矿粉体积、沥青体积、混合料设计空隙率体积总和等于主骨架的空隙体 积，从而确定细集料用量与沥青用量。按体积法设计的沥青混合料，既能保证骨 料的充分嵌挤，又使沥青胶浆充分填充了主骨料间隙，从而提高了混合料的性能。 但该设计方法没有明确用什么方法确定紧装密度，并且用表观密度并不合适。此 外，c a w 法只能用来检验原材料矿料级配是否符合骨架密实结构，以及据此确定 粗集料、细集料和填料各自占的质量百分比，并没有提供粗集料和细集料各自的 矿料级配组成。 长安大学戴经梁教授在研究大碎石沥青混合料( l s a m ) 组成结构时，提出了骨 架接触度s s c 和骨架稳定度s 。骨架接触度是用压实成型的混合料中粗集料毛体积 相对密度与粗集料干捣相对密度之比来表征，骨架稳定度是用压实成型的沥青混 合料中粗集料的体积密度与纯粗集料松堆密度之比来表征，其实这两个指标原都 是反映沥青混合料粗集料骨架性和接触密实性的综合评价指标，但s s c 侧重反映 混合料粗集料的接触密实程度；s 侧重反映混合料的稳定性。 邱颖峰心们等人针对目前对混合料的骨架密实结构判断准则v c a 。雕 v c a 。m 根据 第一章绪论 5 粒子干涉及贝雷法球形模型假设理论提出了骨架密实度、骨架撑开度两个新的评 价沥青混合料骨架密实结构的参数，然后通过室内试验对两个参数与沥青混合料 高温稳定性之间的关系进行了研究。认为沥青混合料的高温稳定性与骨架密实度 关系图类似呈抛线物，而随着骨架撑开度的增加迅速降低。将研究成果应用于混合 料的骨架密实结构判断中，从而改进了原有的单一判断标准。 长安大学彭波教授对a c - 1 6 型沥青混合料骨架形成规律、粗集料颗粒对骨架 敏感特性以及沥青混合料高温性能评价指标等方面进行研究，提出基于车辙试验 的动稳定指数( d s i ) 评价方法，为沥青混合料骨架性能的判别方法提供了一条新 的思路和方法。 西南交通大学陆阳教授心5 1 在贝雷法提出的集料多层次分级理论的基础上，将数 值模拟方法与室内试验相结合，从细观角度探讨了粗级配沥青混合料的骨架特征。 通过研究认为：就个体粗集料而言，它既可能是混合料骨架的组成单元，也可能起 充填骨架间空隙的作用，特别是在粗集料中细级配集料所占比例增加时，较细的粗 集料所起充填作用的可能性随之增大，导致更多的粗颗粒矿料悬浮于细级配粗集 料中。另一方面，混合料结构特征还受到细集料含量的影响，细集料含量小则以充 填作用为主；但当充填量足够大时，即使不改变由粗集料组成的混合料骨架，相当 数量的细集料也会具有与粗集料类似的细观结构。 天津市政研究院赵可教授以g t m 为研究手段，对不同级配的s m a 进行了研究。 试件采用旋转压实，沥青含量的确定采用推理的力学指标确定而不是现行规定的 体积参数确定。同时，该方法首次将g t m 应用于粗集料断级配混合料的设计，为 沥青混合料设计方法进一步拓展了新思路。在研究s m a 混合料骨架结构设计时，将 研究思路重点放在细集料影响方面，获得了一定的成果。该研究采用变化细集料 比例制作马歇尔试件，以体积法测量的毛体积密度指标换算v c a 曲通过寻找v c a _ t 。 增长率突变点所对应的细集料含量范围，作为判断s m a 骨架是否形成的标准，通过 此方法设计的s m a 沥青混合料具有较好的路用性能啪1 国内比较系统的提出骨架密实设计方法的是沙庆林院士，他提出了s a c 矿料 级配设计方法乜刀，其设计原则是用粗集料形成骨架，用细集料和沥青填充骨架中 的孔隙，使设计的沥青混凝土既密实又具有较高的高温抗永久形变能力i 提出了 v c a 。髓法和v c a 。法对混合料骨架密实结构进行检验：首先用v c a 眦方法对所选用的 矿料级配进行初步检验。通过试验确定沥青混合料的合适沥青用量，得到相应试 件的毛体积密度后，再用v c a 。法对沥青混凝土矿料级配进行最终检验，确定其是 否符合骨架密实结构。在使用v c a 们法时，必须采用改进后的蜡封法测定试件的毛 体积密度。s a c 法采用控制点划分粗细集料组成及粗集料空隙填充法的合理思想， 也是对粗集料空隙填充法( c a v f ) 法的补充和完善乜引，尤其是用毛体积密度代替表 6 第一章绪论 观密度，使混合料的体积指标更加合理。这种方法能事先对选用矿料级配的使用 性能进行预估，而且如果性能不满足要求时还可做适当的调整并最终满足目标参 数。其确定矿料组成的过程也就是对原材料进行优化设计的过程。 除以上研究人员外，国内黄晓明教授、陈旭庆、卢永贵晒1 等人都对骨架结构 嵌挤能力进行评价作出了有益的尝试，都是在骨架研究中可以借鉴的方法。国内 外对于骨架结构状态级配设计理论方法有多种，但在诸多方法中，关于级配设计 与沥青用量设计之间都没有建立适当的联系，凸显目前骨架结构设计理论存在的 不足。 1 3 研究内容及技术路线 本文主要考察根据最紧密骨架状态确定的油石比随矿料级配由粗变细的过程 中的变化规律。通过理论研究分析得到了突变点存在的可能性，并通过室内马歇 尔试验，分别从变化粗集料中粒径不同的碎石比例与变化粗细集料含量两个角度 出发，研究分析级配变化对混合料最紧密骨架状态的影响规律，在此基础上进行 沥青混合料级配优化和最佳油石优化，并通过混合料力学性能和路用性能试验验 证设计出的混合料性能特点。 具体研究内容如下： ( 1 ) 分析影响沥青混合料骨架结构状态的因素。通过室内试验获得构成混合 料骨架结构状态的粗集料几何特征参数；通过变化粗集料中粒径不同的碎石比例 分析级配变化对粗集料矿料间隙率v c a 。眦的影响规律；通过不断变化击实功获得不 同原材料的粗集料干捣实矿料问隙率特征值，研究不同原材料的粗集料的几何参 数对v c a 眦的影响情况； ( 2 ) 对混合料的最紧密骨架嵌挤状态做出解释：对目前混合料骨架结构设计 中的采用的评定标准作出评价；详细阐述本文骨架结构配合比的设计原理和方法。 ( 3 ) 通过变化粗集料中粒径不同的碎石比例和变化粗细集料含量两个角度进 行马歇尔试验。通过干密度、v c a 、v m a 等指标确定沥青混合料达到最紧密状态的 油石比，进而研究各个级配下的油石比与级配粗细变化之间的规律，完成对沥青 混合料级配和油石比的设计； ( 4 ) 从沥青混合料力学性能和路用性能角度评价混合料骨架结构嵌挤能力。 混合料的力学试验主要指劈裂试验，路用性能试验包括高温性能试验、低温抗裂 性能试验与水稳定性试验； ( 5 ) 为加强骨架嵌挤型沥青混合料施工现场质量管理控制，通过理论分析和 室内试验验证，探讨用于评定现场空隙率和压实度的最大理论密度的影响因素， 第一章绪论 7 指出计算法测定理论最大相对密度的可行性和必要性，提出针对石料有效密度的 测定方法和矿料级配修正办法。 图1 1 论文技术路线 f i g 1 1t e c h n i c a l r o u t eo ft h ep a p e r 8第二章沥青混合料骨架结构影响因素分析 第二章沥青混合料骨架结构影响因素分析 骨架嵌挤型沥青混合料的组成特点是粗集料相互嵌挤形成稳定的结构，细集 料对粗集料间隙充分填充使之密实，最终形成稳定的密实结构。沥青混合料处于 骨架嵌挤状态具有较好的力学性质和路用性能。 为了深入理解骨架嵌挤结构的特点，在此将混合料骨架结构与构成物质的原 子结构进行比较：物质原子结构的排列是有序的，有序的排列具有最低的自由能， 因而也就最稳定。同样，合理有序的粗细集料含量能保证沥青混合料的骨架嵌挤 状态具有更大的稳定性；物质原子之间有一定的空隙，允许其它合金原子进入， 但存在固溶度或饱和度的限制问题，如果超过其饱和度则会产生析出或变相。这 一点与沥青混合料骨架嵌挤结构相类似，骨架结构存在着适当的空隙使得细集料 和沥青胶浆可以填充，但其体积分数有所限制，太多的细集料和沥青胶浆会撑丌 相互嵌挤的粗集料，从而形成不稳定的混合料结构。太少则会使混合料空隙太大， 导致路用性能降低。在原子结构中，影响内部空隙率的主要因素在于原子的几何 形状和粒径大小组合方式。同样，对应混合料而言，影响骨架结构的主要因素在 于原材料尤其是粗集料的几何特征和级配。另外混合料成型时的压实功大小也是 关键因素之一。 2 1 粗集料几何特性对骨架结构状态的影响 粗集料是沥青混合料骨架结构的重要组成部分，不同种类和性质的半h 集料对 沥青混合料性能的影响各不相同。其中粗集料的几何特性对沥青混合料骨架结构 的形成影响较大怕叫。 粗集料几何特性包括粒形、粒径、粗糙度等。通常具有多个破裂面、坚硬、 纹理粗糙、颗粒接近正方体的集料在碾压时能互相嵌挤锁结而产生较大的内摩阻 力和嵌挤力。采用这种粗集料的沥青混合料具有良好的高温稳定性。据s h r p 研究 结果显示：粗集料在低温抗裂方面的贡献率约为1 0 ，在高温车辙方面的贡献率占 6 0 3 。 粗糙度对沥青混合料的强度有很大影响。矿料表面越粗糙，沥青矿料的界面 粘附力就越大；同时集料形成凹凸的微表面，经过压实后，颗粒之i 、日j 能形成良好 的啮合嵌锁，使混合料具有较高的内摩阻力。 集料粒形参数主要是圆度怕引、球度、集料比表面积、扁平度。粒形测定方法主 要有：筛分、针片状颗粒含量i 破碎砾石含量、棱角性、集料数字图像处理系统 第二章沥青混合料骨架结构影响因素分析 9 等。 圆度 圆度b 3 1 是指集料颗粒的棱边及各隅角的相对尖锐程度。按照h w a d d e l l 的定义， 圆度为颗粒各隅角及棱边平均曲率半径对于颗粒最大内接圆半径的比值，圆度心 计算公式如下： 比= ( ，：尺) ( 2 1 ) 式中：c 石料任意突出部分的半径； 尺石料最大内接圆的半径； 突出部分数目。 图2 1 圆度的定义 f i g 2 it h ed e f i n i t i o no f r o u n d n e s s 球度 球度定义为与集料相同体积球体的表面积与集料实际表面积的比值，或用颗 粒体积对外接球体表征球度。h w a d d e l l 提出的球度v 计算公式见式( 2 2 ) ： 甲= s i s n ( 2 2 ) 式中：s 集料表面积； s 。和集料同体积球体的表面积。 由于s 值测定困难。此后w a d d e l l 又提出公式( 2 3 ) ： y = 捂= 每 汜3 ， 式中：矿为集料体积； 形和集料外接的最小球的体积； d 。和集料同体积的球体的直径； n 和集料外接的最小球的直径。 ( 爹棱角性 1 0 第二章沥青混合料骨架结构影响因素分析 l e e s 在研究集料几何特性时发现两种形状不同的集料计算得到的圆度结果可 能相同，因此他提出了棱角度的概念。棱角度不仅与突起部分曲率有关，而且和 圆的距离有关。棱角度4 计算公式见下式： 4 = ( 1 8 0 - c o ) 詈 ( 2 4 ) 式中： c o 测量角5 x 突起部分与内接圆的距离； 厂内接圆半径。 图2 2 棱角度参数 f i g 2 2a i t i sa n g l ep a r a m e t e r s 上述圆度、球度和棱角性的定义，无论是概念或测定方法都有一定的理论依据， 在一定程度上对石料的体积特征给出准确的数值进行量化，但上述指标的准确获 得需要大量集料进行测试，试验工序较为复杂，耗时较多。由于缺乏有效的技术 手段定量测量集料特性，目前只停留在定性层面。从工程实际应用角度看，该方 法推广应用受到一定限制。 受加工设备、筛网尺寸、破碎方式等生产条件不同的影响，原材料在加工过 程中生产出的集料在级配和粒径方面存在较大差异。如对于5 m m - - 1 0 m m 档集料， 有的石场生产的集料粒径主要集中在为6 5 m m 左右。而有的料场生产的石料粒径 主要集中在7 5 m m 左右。因此尽管二者都属于5 姗1 0 m m 档集料，但二者原材料 体积差异给混合料的级配影响不容忽视。因此为衡量每档集料粒径的波动范围中 值，引入当量球直径概念。， 当量球直径定义为与某档石料同体积的球的直径。该指标可以衡量不同原材 料各档集料的体积大小，能评价同一档粒径的不同原材体积的差异化程度。单档 粗集料粒径的的当量球半径采用人工实测法获得，其测量试验方法为： 1 ) 将石料按单档粒径筛好，然后烘干至恒重； 2 ) 按规程陋钔中石料密度的测定方法，进行该档石料的密度测定试验； 3 ) 称取粗集料重m 。，采用人工方法记录该重量下粗集料颗粒总数量n ； 第二章沥青混合料骨架结构影响因素分析 4 ) 另外取样，重复步骤( 3 ) ，一般至少测量两次，最后取平均值，作为该档粗集 料在该重量下的颗粒数； 5 ) 按如下公式计算该档粗集料单个颗粒的平均体积； 形：l ( 2 5 ) l n i p t 式中：p t 为该档粗集料的毛体积相对密度； 6 ) 根据球体积计算公式，反算该档粗集料颗粒的当量球直径。 办= 2 以百色辉绿岩为例，试验结果见下表： 表2 1 辉绿岩几何特性试验结果 t a b 2 1t e s t sr e s u l to fg e o m e t r i cp r o p e r t i e sf o rd i a b a s e ( 2 6 ) 第一组第二组 粒径颗粒 单个颗粒毛体积 单个体 当量球 ( i l l l l l ) 重量 颗粒数 重量 数 平均重量密度 积( c m 3 ) 直径 ( g )( 个)( g )( g )( g c m 3 ( m m ) ( 个) 1 3 21 5 0 03 3 31 4 5 2 13 2 04 5 22 9 8 3 71 5 1 51 4 2 5 9 59 9 9 44 3 69 9 94 5 l2 2 52 9 8 4 50 7 5 51 1 3 4 7 55 0 09 7 15 0 0 51 2 1 50 4 62 9 3 4 10 1 5 66 6 8 按此方法依次测量本文所用石料( 5 种) 的当量球直径参数，统计如下表： 表2 2 表2 2 不同原材料的当量球直径 t a b 2 2e q u i v a l e n ts p h e r i c a ld i a m e t e r so fd i f f e r e n tc o a r s ea g g r e g a t e s 孔尺寸 当量球直径( m m ) 变异极 a bcde平均值标准差 ( m m )系数羞 ( 罗城)( 龙胜)( 百色)( 田东)( 雷州) 1 3 2 1 61 4 2 91 4 4 41 4 2 51 4 1 81 4 1 21 4 30 1 2 o 9 o 3 2 9 5 1 3 21 1 4 61 1 7 41 1 31 1 7 21 2 3 3 1 1 70 3 9 3 41 0 3 4 7 5 9 5 6 8 9 6 6 0 6 6 87 5 76 8 26 9 00 3 95 6 0 9 7 从试验结果来看，五种不同产地的粗集料当量球直径大小差异性明显。其中 4 7 5 m m 一- - 9 5 m m 变异系数最大，达到5 6 ，极差为0 9 7 m m ；其次是9 5 m m 1 3 2 m m 档，变异系数为3 4 ，极差为1 0 3 ，1 3 2 m