（道路与铁道工程专业论文）OGFC防滑磨耗层在隧道路面中的应用.pdf

摘要 随着我国公路建设的发展，公路隧道里程逐年增长。隧道是道路的咽喉，对交通有控制 作用。然而国内外却没有关于隧道路面结构与材料的规范和指南。通过对西部五省公路隧道 的现场调研，本文提出并研究了o g f c 在隧道路面中的应用前景。 通过调研隧道路面特殊的工作环境以及隧道路面的损坏特点，总结出了隧道路面抗滑、 降噪和防火的需求；提出了隧道o g f c 防滑磨耗层的设计目标和o g f c 沥青混合料的技术 指标；进行了o g f c l 3 室内配合比设计。 在隧道o g f c 防滑磨耗层的表面性能的研究中，用加速磨耗试验对比研究o g f c 和 s m a 的抗滑能力衰减特性；用驻波管试验对比研究o g f c a k s m a 的吸声系数；设计了马 氏试件燃烧试验，提出汽油逃逸量指标来研究o g f c a k s m a 的排油防火效果；首次建立 了隧道路面上汽油流淌渗透模型，模拟分析隧道内液体燃料泄漏在o g f c 面层后的渗透排 油过程：提出了汽油流淌长度、汽油浸润面积、汽油渗透时间等参数来评价隧道o g f c 面 层的防火性能。 最后，在贵州锅圈岩隧道工地进行了o g f c l 6 现场配合比设计，铺筑了o g f c l 6 防滑 磨耗层试验路。 关键词：隧道路面，o g f c ，抗滑，降噪，防火，加速磨耗试验，配合比设计，隧道试验路 a b s t r a c t i nc h i n a , m o r ea n dm o r eh i g h w a yt u n n e l sa r eb e i n gb u i l ti nr e c e n ty e a r s at u n n e li st h e t h r o a to fah i g h w a y , w h i c hp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l et of l u e n tt r a f f i c b u tr e s e a r c h e so nt u n n e l p a v e m e n tm a t e r i a la n ds t r u c t u r ea l es p a r e l ys e e n ，w i t hn or e l a t i v et e c h n i c a lr u l e so rc r i t e r i o n s f o u n d y e tt h es e r v i c el e v e lo ft u n n e ip a v e m e n th a s m u c hi n f l u e n c eo ni r a f f i cs a f e t ya n d c o m f o r t a b i l i t y t u n n e lp a v e m e n tw o r k si nas p e c i a lw o r k i n ge n v i r o n m e n tt h a ti sd i f f e r e n tf r o mt h e c o m m o np a v e m e n t s b a s eo nt h ei n v e s t i g a t i o no fh i g h w a yt u n n e l si nw e s t e r nc h i n a , w eb r o u g h t a n ds t u d i e dt h ea p p l i c a t i o no fo g f ci nh i g h w a yt u n n e lp a v e m e n t f i r s t l yw ei n v e s t i g a t e dt u n n e l si nw e s t e r na r e a so fc h i n aa n ds u m m a r i z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft u n n e lp a v e m e n t s t h r o u g hs i t e i n v e s t i g a t i n go f18t u n n e l s ，w ef o u n dt h r e et u n n e lp a v e m e n t r e l a t e dp r o b l e m st ob es o l v e d t h e ya r e l a c ko fs k i dr e s i s t a n c eo ft u n n e lp a v e m e n t t o om u c h n o i s ea n di n c r e a s i n gp o s s i b i l i t yt oo c c u rt u n n e lf i r e s e c o n d l yw ei n t r o d u c e dt h eg o o ds u r f a c ep e r f o r m a n c eo fo g f c 13t h a tc a r ls o l v em a i n p r o b l e m so ft u n n e lp a v e m e n t t h r o u g hl a b o r a t o r ya c c e l e r a t i n gt e s t s ，w et e s t e dt h es k i d r e s i s t a n c e o fo g f ca n ds m a t h e nw ec o m p a r e dt h en o i s e d e c r e a s i n ga b i l i t yo fo g f c s m aa n da c l a s t l yw ed e s i g n e dal a b o r a t o r y - b u r n i n gt e s ta n dp r o v e dt h ef i r e p r o o f i n ga b i l i t yo fo g f c i nt h ee n d ，w ed e s i g n e do g f c 一16a s p h a l tm i x t u r ea ts i t ea n da p p l i e di ti ne x p e r i m e n t a l t u n n e lp a v e m e n ti ng u i z h o up r o v i n c e k e y w o r d s ：t u n n e lp a v e m e n t , o g f c ，s k i d r e s i s t a n c e ，n o i s e d e c r e a s i n g ，t u n n e lf i r e p r o o f i n g ， l a b o r a t o r ya c c e l e r a t i n gt e s t , a s p h a l tm i x t u r ed e s i g n , e x p e r i m e n t a lt u n n e lp a v e m e n t 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成硕士学位论文= = q 鲤g 随通磨捶屋查隧道路画虫的 艘。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，均己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或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 裼修 2 0 0 4 年3 月1 0 日 同济大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 立题依据 随着我国公路建设的发展，公路隧道里程逐年增长。我国国士面积大，修筑高等级公路 必然要构筑人鼙的桥隧结构物，特别是山区高速公路，桥隧相连的路段占的比例更大。第二二 次全国公路普查数据l i j 显示，截止到2 0 0 0 年1 2 月3 1 日，我国公路隧道1 6 8 4 处，6 2 7 7 万 延米。其中特长隧道1 5 处，5 4 万延米。然而相对公路一般路段来讲，对隧道路面的研究相 对比较少，目前还没有关于隧道路面结构与材料的专门规范和技术指南。 隧道是道路的咽喉，对交通有控制作用。而隧道路面状况对隧道内的交通舒适性和安全 性影响很火。针对隧道路面所处特殊环境和服务要求，研究适用隧道环境的路面结构和材料， 建立相关设计方法对于解决隧道路面工程中关键技术问题是十分必要的。 隧道路面相对处于较为封闭的环境内，有其特殊的工作环境【2 1 。在隧道路面材料设计时， 应该考虑隧道路面所处的特殊环境。与公路般路段相比，隧道内的环境特点具体表现在： ( 1 ) 夏天隧道内温度比隧道外温度偏低，并且隧道越长，天气越炎热，隧道内外温度差异 越明显。 ( 2 ) 晴天隧道内的湿度通常比隧道外湿度更大；雨天的湿度大于晴天的湿度。 ( 3 ) 隧道内噪声比隧道外噪声更大，持续时间更长，不易消散。 ( 4 ) 与隧道外相比，隧道内c o 浓度明显更大；有纵坡的隧道中c o 浓度更高。 ( 5 ) 隧道路面内的水来自四个方面：拱顶、拱壁的渗水和滴水：雨水沿道路纵坡流入；地 下水上涌；空气中水分凝聚。 ( 6 ) 在白天，无论是否有照明，隧道内的照度远远小于隧道外的照度。 隧道路面特殊的工作环境，造成了隧道路面目前需要解决的几个突出问题： ( 1 ) 需要提高隧道路面的抗滑性能 ( 2 ) 需要降低隧道内的噪声 ( 3 ) 需要满足隧道防火的要求 ( 4 ) 需要延长隧道路面使用寿命 ( 5 ) 隧道路面施工、维修要方便快速 o g f c 防滑磨耗层孔隙率高达1 5 2 5 ，具有优良的排水、防滑和降噪的性能。另外， o g f c 面层还能够吸收、排放泄漏在隧道路面上的液体燃料，具有防火作用。o g f c 在隧道 路面中的使用还可以改善沥青路面的抗滑性能，减少和避免交通事故，从而提高隧道路面服 务水平。在隧道路面中应用o g f c 防滑磨耗层能够解决隧道交通的主要问题。虽然国内对 o g f c 的研究和麻用逐年见多，但是在我国隧道路面中却没有o g f c 的应用实例。所以， 对o g f c 在隧道路面中的应用的研究属于比较新的领域，具有研究价值。 同济大学硕十学位论文l 绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外公路隧道路面研究状况 国内外尚未有针对隧道路面结构与材料的专用结构组合形式和设计方法。 目前的隧道路面结构与材料基本与隧道外一般路段相同。部分隧道路面会考虑到隧道的 基础比较好，少用一层垫层或底基层。国内外目前所用隧道铺面材料与一般路段的铺面材料 差别不大，有沥青混凝土和水泥混凝土两大类。德国等欧洲国家不少隧道路面采用沥青混凝 十路面。我国公路隧道路面大多是水泥混凝土路面，也有少量较新的沥青路面或沥青罩面。 从运输危险物品的安全性和道路安全方面考虑，不少人提出采用多孔沥青混凝土或水泥混凝 十。在欧洲比利时布鲁塞尔环路的隧道内已经有应用o g f c 路面的实例【3 l 。 总的来说，国内外针对隧道路面的研究比较少。 1 2 1 1 隧道路面的选择 ( 1 ) 隧道内选择何种路面类型 目前国内常见的隧道路面类型为水泥混凝士路面，隧道外部则多为沥青路面。两种类型 的路面在隧道中的应用各有优缺点。两种类型的路面对隧道环境的适应性如表1 1 所示： 表1 1 两种类型路面的隧道环境适应性 隧道环境适应性 路面类型 温度变化幅度小空气湿度大受水浸泡概率小阳光辐射少光线弱 沥青路面有利耐久不利抗滑有利耐久有利耐久 视线不利 水泥路面有利耐久不利抗滑有利耐久一般视线相对有利 两种类型的隧道路面的路面性能如表1 2 所示： 表l - 2 两种类型隧道路面表现出的路面性能 隧道路面性能 路面类型 抗滑性能降噪性能耐久性能燃烧性能路面维修对交通影响 沥青路面好好高温下融化燃烧小 水泥路面 不好一般 高温下沙化但不燃烧 大 根据上表分析可知：沥青路面具有隧道环境适应性好、抗滑性能好、降噪性能好、路面 维修对交通影响小等优点；沥青路面的缺点是沥青在隧道发生火灾时可能会燃烧放烟放热。 到底是用水泥路面还是沥青路面，其关键是隧道火灾发生时沥青路面会不会参与燃烧放 热，助纣为虐。但是隧道火灾绝对不是沥青路面点燃而引起的，因为沥青在常温下很难燃烧。 所以沥青路面对隧道防火安全的影响可能没有人们想象的那样严重。其原因有三： 1 ) 隧道火灾绝对不是由于点燃沥青路面引起的。 2 ) 沥青路面处于燃烧物之下，未能接触火焰温度最高的外焰。 3 ) 发生火灾时，隧道沥青路面往往处于缺氧状态。 另外，隧道路面现场调研发现，抗滑力不足是隧道水泥混凝土路面存在的主要问题，也 是影响行车安全的重大隐患。例如，贵州省某隧道内水泥混凝士路面运营两年后路表构造深 度衰减为o 1 m m ，经常有车轮打滑导致交通事故的发生1 2 j 。而沥青混凝土可以较好的解决这 2 同济大学硕士学位论文l 绪论 个问题。 综合比较两种路面类型的优缺点，认为对于短、中等长度的隧道可以选用沥青混凝土路 面，而对于长或特长的隧道，充分考虑到隧道防灾的重要性，可以选用水泥混凝士路面或者 多孔沥青混凝十路面【4 1 。 ( 2 ) 隧道内选择何种类型的沥青路面 当前国内外使用的高等级公路防滑磨耗层p 1 有如下几种： 1 ) 密级配沥青混凝土 它是数十年来各国习惯采用的连续级配沥青混凝土，其孔隙率在2 5 或 3 西。我国目前大部分高等级公路防滑磨耗层都采用这种类型。 2 ) 多孔隙沥青混凝土o g f c o g f c 孔隙率达到1 5 2 5 ，具有优良的排水、防滑和降低噪声的性能。多孔性 沥青路面适合铺筑在车流畅通、车速较高的道路上。对于低交通量或慢行交通道路，以 及容易污染的道路，则不适宜。由于排水性路面的高孔隙率。结构强度相对较低，在经 常刹车、停车的路段容易出现剥落，故不宜铺设在交叉口、停车场和重交通道路的小半 径弯道部位。 3 ) 沥青玛蹄脂碎石混混凝土s m a s m a 是种以沥青、矿粉及纤维稳定剂组成的沥青玛蹄脂结合料，填充丁间断级 配的矿料骨架间隙中，所形成的沥青混合料。其组成特点为三多一少，即粗集料多，细 集料少，矿粉用鼍多，沥青用量多。孔隙率为3 5 - - 4 5 。s m a 具有抗滑耐磨、密实耐 久、抗疲劳、抗高温车辙、减少低温开裂的优点。适用于高速公路、一级公路做抗滑表 层，其厚度宜为3 5 - 4 c m 。 4 ) 热压式沥青混凝土( h r a ) h r a 也是一种间断级配沥青混合料，广泛应用于英国的高速公路和重交通道路上。 它的矿料组成正好与s m a 相反。细集料、填料和硬质沥青( 针入度4 0 - - 6 0 ) 组成沥青 胶砂，然后加入3 0 - - - 3 5 的粗集料。 相比之下，o g f c 在隧道中的益处更大。除了能够显著减少噪声、提高抗滑性能和防止 眩光外，o g f c 面层在隧道防火中也起着重要作用。由于o g f c 面层孔隙率很大，在发生 漏油的情况下，油料在排水沥青上不太容易起火，并且消散得非常快【3 1 。o g f c 的防火性能 在第八章中详述。所以，与其它沥青混合料相比，在隧道路面中o g f c 更具有优势。不同 类型沥青混合料的表面性能如表1 3 所示： 表1 3 三种沥青混合料的表面性能 沥青混合料类型抗滑性能 降噪性能防火性能 o g f c好好好 a c一般一般不好 s m a好较好不好 1 2 2o g f c 的国内外研究现状 1 2 2 1o g f c 的应用状况 为了保证车辆在高速行驶时路面具有良好的抗滑性，尤其在于天路面摩阻力不致过分降 低，美国早在1 9 5 0 年就开始研究开发了开级配抗滑磨耗层【6 】( o p e n g r a d e df r i c t i o nc o u r s e ， 简称0 g f c ) ，并在许多州的到了推广应用，大部分用于薄层沥青表层罩面，厚度为1 6 - - 1 9 m m ， 3 同济大学硕十学位论文l 绪论 主要目的是抗滑安全。其特点是：孔隙率达到1 5 2 0 ，具有优良的排水、防滑和降低噪声 的性能。早在1 9 7 3 年，美国联邦公路局就通知全国建议使用o g f c ，并采用提供补贴的方 式积极推广应用。据1 9 8 2 年调查，美国累计铺筑里程己达到1 5 0 0 0 k m ，且大多铺筑在交通 量很大的洲际公路上，大多数州对它的使用性能感到满意。由于路面抗滑性能的提高，许多 州的交通事故已大大降低。根据各州的气候和交通情况，结合料通常采用4 0 6 0 或8 0 1 0 0 号沥青，路面铺筑厚度多数为1 9 - 一2 5 m m 。美国的使用经验认为，o g f c 路面的使用寿命与 交通蕈和f 承层的强度有关，一般可按7 至1 2 年考虑。o g f c 在民用和军用机场也得到了 j “泛的使削，以避免道面水瓢的发生。1 9 9 9 年6 月，阿拉巴马a u b u r n 大学的p r i t h v is k a n d h a l 和麻省w o r c e s t e r 聚合物工艺研究所的r a j i bb m a l l i c k 共同发表了“新一代o g f c 的设计方 法，i “d e s i g no f n e w - g e n e r a t i o no p e n - g r a d e df r i c t i o nc o u r s e ) 。报告中通过分析大量实验数据， 提出了一套全面进行o g f c 设计的方法。比利时、英国、奥地利、法国等国家也对类似o g f c 的多孔性路面进行了研究和应用。 国外的实践表明，在混合料中添加木质纤维素、轮胎粉可以提高多孔性沥青磨耗层的耐 久性和稳定性，以及降低噪声。德国开发排水性沥青面层的另一主要考虑是其良好的降噪功 能。他们认为在轮胎与路面撞击的噪音、汽车机件振动的噪音可以被多孔性沥青路面层吸收。 孔隙率在2 0 的排水路面。与非排水性多孔沥青面层相比，大体可以降低2 4 分贝( d b ) 。 降低这个程度的噪音已经能为司乘人员以及沿线居民有明显的感觉。另外，多孔性沥青路面 适合铺筑在车流畅通、车速较高的道路上。对于低交通量或慢行交通道路，以及容易污染的 道路，则不适宜。由于排水性路面的高孔隙率，结构强度相对较低，在经常刹车、停车的路 段容易出现剥落，故不宜铺设在交叉口、停车场和重交通道路的小半径弯道部位。 国内对排水路面的研究起步较晚，在9 0 年代初期开始进行了试验路铺筑。但是近年来 我国道路 j 作者对其进行了大量的研究。1 9 9 7 年在杭州地区铺筑了1 0 0 0 m 的多孔性沥青路 面【s 1 ，1 9 9 9 年上海的西藏一和田路辟通工程、延安中路底面道路部分路段和局门路等道路都 铺筑了试验路段 9 1 1 1 0 1 。经过一个冬季和夏季的考验后，排水面层试验段仍保持着良好的使用 性能，雨天行车状况具有明显得改善，无积水和水溅水雾现象。但是国内尚未对排水沥青面 层的设计、施工和质量评价建立系统的规范和标准。 1 2 2 2o g f c 的组成材料的技术要求 ( 1 ) 集料的技术要求 o g f c 是一种骨架结构，粗集料( 4 7 5 m m ) 提供了承受车轮作用的骨架，而细集料很 少，与矿粉以及沥青结合料一起形成胶团，起到将粗集料粘结起来以保证强度的作用。对于 不同粒径的集料，具有不同的要求。 1 ) 粗集料 o g f c 沥青混合料以单粒径粗集料为主体，它直接决定路面的抗滑性能。粗集料不仅需 要发挥足够的嵌挤作用，还要求具有较高的强度和耐磨光性。所以要求石质坚硬并且具有良 好的颗粒性状。一般要求石料的磨光值p s v 值要高。我国公路规范对于石料的磨光值p s v 要求大于4 2 。德国建议碎石的磨光值p s v 大于5 3 ，具有足够的强度和耐磨性1 6 j 。另外，粗 集料应清洁、干燥、不含风化石和杂质，具有近似于立方体的几何形状，针片状含量要少。 日本要求5 ：1 扁平细长颗粒不超过1 0 ，欧洲按b s 8 1 2 方法不超过2 5 。我国沥青路面 施 及验收规范( g b5 0 0 9 2 - - 9 6 ) 对粗集料的主要质量要求l l i j 见表1 4 所示： 4 同济大学硕士学位论文1 绪论 表1 4 沥青面层粗集料主要质量要求 高速、一级公路城市其它等级公路与城市 指标 快速路、主干路道路 石料压碎值 4 级3 级 细长扁平颗粒含量 4 2实测 2 ) 细集料 按照现行规范，2 5 m m 粒径以下称为细集料，但考虑到最大粒径不同，形成骨架的要求， 往往将4 7 5 m m 粒径以下的颗粒称为细集料。o g f c 混合料中细集料含量较少，一般约为1 5 以下，但由于细集料比表面积较大，是构成混合料粘结力的重要部分。为保证与沥青良好的 粘结，需要采用石灰岩等碱性石料。细集料的颗粒形状也要尽量采用立方体，而避免采用细 长扁平颗粒。同时为了保证混合料的水稳性，应严格控制细集料中的泥土含量。沥青路面 施工及验收规范( g b5 0 0 9 2 - - 9 6 ) 对细集料的主要质量要求见表1 5 所示： 表1 5 沥青面层用细集料主要质量要求 高速、一级公路城市其它等级公路与城市 指标 快速路、主干路道路 视密度t i i l 2 52 4 5 坚固性( 0 3 m m ) p o 1 2 砂当量 6 0 5 0 3 ) 矿粉 用作填料的矿粉应采用石灰石粉。在o g f c 混合料中，由于细集料较少，矿粉在混合 料中的作用就非常重要，沥青需要吸附在矿粉表面形成薄膜，才能对粗、细集料产生粘附作 用。根据国外经验，为提高混合料的抗水性，可以消石灰取代部分矿粉。美国、德国等国家 为了提高这种路面的抗水性，采用消石灰代替部分矿粉，一般用量约为2 ，也即矿粉总量 的4 0 - - - 5 0 。我国沥青路面施工及验收规范( g b5 0 0 9 2 - - 9 6 ) 对矿粉的主要质量要求见 表1 - 6 所示： 表1 6 沥青面层用矿粉质量要求 高速、一级公 其它等级公路 指标路城市快速 与城市道路 路、主干路 视密度t m 3 2 5 2 4 5 含水量， l l 外观无团粒结块 无团粒结块 亲水系数 l l o 6 m m 1 0 01 0 0 粒度范围 0 1 5 r a m 9 0 1 0 09 0 - 1 0 0 m 2 0 0 0 0l u x 同济大学硕士学位论文2 隧道o g f c 路面工作环境与技术要求 长度较短的隧道一般没有照明设施，而长隧道如：老猫冲隧道，高家岩隧道和中梁山 隧道通常都有照明设施。白天隧道平均局部最小照度为2 3 1 u x ，平均最大照度为6 3 6 1 u x ， 而隧道外照度都大于2 0 0 0 0 1 u x 。无论是否有照明，隧道内的照度远远小于隧道外的照度。 ( 4 ) 交通事故 隧道环境不利于行车安全，但是没有证据显示隧道内的交通事故发生概率更大。因 为在隧道内车速较慢并且司机注意力更为集中。但是，隧道路面往往抗滑能力不足，容 易造成车轮打滑，这是成隧道内交通事故的主因。汽车进入隧道后会减速，可能造成追 尾事故。另外，白天行车时，隧道内外照度的强烈反差会影响驾驶员的视觉，也可能引 起交通事故。 2 3 隧道路面的损坏状况 通过现场隧道路面损坏状况的调查发现，隧道路面的损坏主要是表面损坏而不是结构性 损坏。而表面损坏又主要表现在路表抗滑能力不足。 对西部地区公路隧道路面的调查【2 1 ，总结了隧道路面抗滑性能的特点。调查的隧道路面 概况见表2 1 2 所示： 表2 1 2 调查的隧道路面概况 地区隧道名称隧道长度，m隧道内路面类型 隧道外路面类型 高家岩 9 9 0 水泥混凝土水泥混凝土 老猫冲左幅3 6 5 右幅2 6 0沥青混凝土 沥青混凝土 营盘坡2 4 0水泥混凝土沥青混凝土 贵州 山王庙 6 5 6 水泥混凝土水泥混凝土 公鸡岭1 0 0 沥青砼罩面沥青混凝土 黎安 2 0 0 沥青砼罩面沥青混凝土 青海大坂山 3 1 0 0 水泥混凝土水泥混凝土 大箐9 0水泥混凝土水泥混凝士 云南 九顶山 3 2 0 0 水泥混凝土水泥混凝土 龙泉山右幅7 8 0水泥混凝土 水泥混凝土 四川金鸡关 左幅7 8 0 沥青砼罩面水泥混凝土 二郎山4 1 7 6水泥混凝土水泥混凝土 2 3 1 隧道路面表面构造深度( t d ) 调查取隧道入口处( 进口端2 0 m 左右) 、中部、隧道出口处( 距出口端2 0 m 左右) 以及 隧道l 4 处和3 4 处五个测试位置。为了与隧道外部路面的抗滑性做出对比，对隧道外部选 取一个测试位置( 隧道外部5 0 m 左右) 。在每一个测试处同时选取三个测试点，每个点相距 3 5 m 。 测试方法选用传统的手丁铺砂法，测量路面的宏观纹理深度，以评价路面的抗滑性能。 采川这种方法主要是因为在隧道中进行测量要中断部分交通( 通常要封闭一个车道) ，同时 测最i ：作有一定的危险性，故检测时间不能太长。因此，测量的方法必须简单易行。 对每个测试位置的三个测试点t d 值进行平均，得到隧道路面表面构造深度沿隧道长度 2 l 同济大学硕士学位论文2 隧道o g f c 路面工作环境与技术要求 方向上的变化情况以及与外部状况的对比，典型的8 条隧道的t d 值如图2 - 9 所示： 昌 v 2 型 蜷 卿 露 p j 芦梦穸矿 图2 - 9 隧道路面构造深度变化趋势图 4 b - 公鸡蛉 一- 大箐 - 大坂山 - 二郎山 - 1 卜营盘坡 _ 卜山王庙 卜九顶山 一一高家岩 实测结果分析如下： ( 1 ) 隧道水泥混凝士路面的宏观构造深度不良，按照 2 3 0 弹性恢复( 2 5 ，)9 6 离析，软化点差( ) 0 5 旋转薄膜烘箱后残留物 动态剪切流变( d s r ) ， 7 0 ，l 【p a 2 4 6 4 质量损失( ) 0 o l 延度( 5 ，c m ) 2 4 针入度比( 2 5 ，)7 4 ( 2 ) 集料 与隧道外一般路段相比，隧道路面抗滑能力衰减得更快。所以隧道o g f c 磨耗层 需要选用坚硬耐磨的粗集料。有条件的情况下，可以适当提高普通o g f c 粗集料的技 术标准作为选择隧道o g f c 粗集料的标准。细集料和矿粉采用碱性的石灰岩。试验采 用的集料技术指标如表3 2 所示： 表3 2 集料技术指标 粒径范围表观密度毛体积密度 集料 石质 压碎值磨耗值 磨光值 n m | 鬯醅c m 3 耜集料 5 1 6玄武岩 2 9 6 7 2 8 0 21 0 21 0 4 5 2 钏集料o 5石灰岩2 7 1 3 矿粉石灰岩 2 7 0 4 2 8 同济大学硕士学位论文3 隧道o g f c 1 3 室内配合比设计 ( 3 ) 纤维 在o g f c 沥青混合料中添加纤维可以增加沥青膜的厚度，从而提高混合料的粘结力。 建议隧道o g f c 沥青混合料中采用纤维等填料。试验采用的纤维为英国科特尔兹公司再德 国赫斯特的工厂与一家大型道路公司合作开发的d o l a n i t a s 的聚合物有机纤维。其技术 参数如表3 3 所示： 3 3 3 级配的选择 表3 - 3d o l a n lr _ a s 技术参数 纤维直径 1 3 9 m 切断长度6 r a m 截面形状花生状 颜色淡黄色 密度 1 1 8 9 c m 3 抗拉强度 9 1 0 m p a 最大拉伸率 8 一1 2 ( 1 ) 级配选择关键指标 o g f c 的孔隙率大，以粗集料为主，一般占8 0 左右，而细集料只占2 0 左右。因此， o g f c 结构的关键就是要形成骨架嵌挤结构从而保证大孔隙，并且具有足够的路面强度。粗 集料形成骨架，而细集料、矿粉以及沥青结合料等形成的胶团则主要构成骨架间的粘结力。 在选择o g f c 级配时，关键就是保证混合料可以形成骨架嵌挤结构。其主要判别依据就是 比较粗集料干捣形成的v c a d r c 与混合料时测得的v c a m i x 。图3 2 是比较的结果与混合料 结构的关系。 细集料含量少一多 图3 - 2 混合科骨架结构判别 由上图可以看出，在虚线左侧，压实混合料v c a m r x 的小于粗集料干捣v c a d r c ，则表 明该级配保证了混合料形成骨架嵌挤结构；而在虚线右侧，压实混合料v c a u i x 的大于粗集 料干捣v c a d r c ，表明粗集料的骨架结构被细集料、矿粉和沥青结合料形成的胶团挤开，成 为骨架松散结构。 ( 2 ) n c a t 对o g f c 级配的研究 n c a t 曾对o g f c 的级配进行了研究。采用四种级配如表3 4 所示： 同济人学硕- i j 学位论文3 隧道o g f c 1 3 室内配合比设计 表3 - 4n c a t 级配研究采用的级配 通过率， 筛孔尺寸f h 鼢 新级配1 #新级配2 #新级配3 # 类似级配 1 9 r a m1 0 01 0 01 0 0l o o 1 2 5 m m9 59 59 59 5 9 5 m m6 5 6 56 56 5 4 7 5 r a m4 03 02 51 5 2 3 6 m m 1 277 7 0 0 7 s m m4333 由表中的级配可以看出，四种级配的最大公称粒径均为1 2 5 m m ，一般o g f c 的厚度均 在5 c m 以内，所以粒径不宜过大，否则会造成混合料难以压实，并造成离析。研究人员感 兴趣的关键筛孔尺寸是4 7 5 m m ，事实上，也正是这一档筛孔尺寸控制了粗细集料的比例， 决定了级配是否可以形成骨架嵌挤结构。采用f h w a 方法确定了最佳沥青用量，并利用s g c 压实1 0 0 次成型试件，所得到的混合料体积参数见表3 5 所示： 表3 - 5o g f c 1 3 混合料体积性质 级配( 4 7 5 m m 压实o g f c 混合料 通过率) 聪 v t m v m a v c a ) a r x v c a t m c 1 51 5 12 6 33 7 34 1 7 2 51 4 32 4 54 3 34 1 7 3 0 1 3 62 4 4 6 6 4 1 7 4 01 2 52 3 95 4 14 1 7 从表中数据可以看出，当4 7 5 m m 筛孔通过率为1 5 时，压实混合料的v c a m i x 小于粗 集料干捣v c a d r c ，表明混合料是骨架嵌挤结构，并且由于细集料、矿粉和沥青结合料的掺 入，使得混合料的密实度进一步增加。而当当4 7 5 m m 筛孔通过率为2 5 时，压实混合料 v c a m i x 的人丁粗集料千捣v c a d r c ，表明在压实混合料中粗集料的骨架结构被挤开。因此 合适的o g f c 级配4 7 5 m m 筛孔的临界通过率介于1 5 到2 5 之间，平均为2 0 。所以为 了保证混合料的骨架嵌挤结构，4 7 5 r a m 的筛孔通过率不宜超过2 0 。 ( 3 ) o g f c 1 3 级配范围和相应参数测试结果 通过对表3 1 0 和表3 1 l 的比较分析，本研究选择的三种级配见表3 6 ，可以看出，三 种级配借鉴了n c a t 的有关研究结论，即4 7 5 m m 的通过率尽量偏低。 表3 6 本次研究采用的级配 筛：r e ( r a m ) l #2 #3 # 1 61 0 01 0 01 0 0 1 3 29 59 59 5 9 55 55 55 5 4 7 52 11 6l l 2 3 6 l l 87 1 1 8 9 65 0 3654 0 0 7 5 4 43 叫济人学颁? j j 学位论文3 隧道o g f c 1 3 室内配合比设计 o g f c 面层混合料沥青用量一般为4 0 - 5 o 。考虑到本次研究采用级配的4 7 5 m m 通 过率较小以及经济方面的约束，确定三种级配的沥青用量为4 3 和纤维用量o 1 试验结果见表3 - 7 ： 表3 7 三种级配各项参数试验结果 级配( 4 7 5 r o w 体积性质渗水系数 车辙 ( 1 0 筛孔通过率) v 1 1 v m a 肱 v c a m i x 肼 v c a d r c 腻 ( m m ) 2 c m s ) l # ( 2 1 )1 4 2 4 24 0 14 2 12 32 。7 2 # ( 1 6 )1 7 62 6 23 8 14 2 i 4 63 3 # ( 1 l )2 1 22 7 33 5 54 2 1l o 84 1 4 ) 结果分析 从表3 1 5 可以看出，三种级配压实混合料的v c a m i x 均小于粗集料干捣v c a d r c ，表明 混合料是骨架嵌挤结构。4 7 5 m m 的通过率对混合料的体积性质和混合料的抗变形能力和渗 水能力均有重要的影响，这可以从图形3 3 看出。 4 5 4 0 x 3 5 瓣 矍2 0 1 5 1 0 _ _ - _ 一f 、1 1 1 01 52 0 4 7 5 u 筛孔通过率， 图3 - 34 7 5 r a m 筛孔通过率对混合料体积性质的影响 图3 3 可以看出，混合料的孔隙率v t m 随着4 7 5 m m 筛孔通过率的增加而减小，即为 了提高混合料的孔隙率以达到大于1 5 的要求，就必须减少细集料的用量。矿料间隙率v m a 随着4 7 5 m m 筛孔通过率的增加而减小，同时混合料中粗集料间隙率v c a 却随着4 7 5 m m 筛孔通过率的增加而增加。这说明细集料的增加对混合料总的集料结构有两个方面的影响： 一方面，细集料增加会撑开粗集料形成的骨架结构，使之有所松动导致粗集料间隙率v c a 增加：另一方面，细集料增加以后，会填充混合料本身的孔隙率，使总的矿料间隙率v m a 减小。 由于4 7 5 m m 筛孔的通过率不同导致了混合料的骨架结构变动，从而必然会影响到混合 料的性能。在此重点考察两个方面的性能：抗变形能力和渗透能力。这两方面的性能是考虑 o g f c 级配时的重点考察指标。由图3 _ 4 可以看出，混合料的渗透系数随着4 7 5 m m 筛孔通 过率的增加而显著减少，可见细集料含量必须严格控制才能够保证混合料具有足够的孔隙率 提供渗透性能。车辙量随着细集料含量的增加而有所降低，一般情况下粗集料增加可以增强 混合料的骨架结构，从而达到改善混合料抗车辙的能力，但是有研究表明，当粗集料含量已 经很高的情况下，再增加粗集料不但不能进一步改善抗车辙能力，而且会降低其抗变形能力。 这是由于细集料太少以后，导致混合料粘结力不足，使得整体的强度和稳定性降低，从而在 荷载作用下，混合料发生剪切破坏，形成过大的车辙。 3 l 同济大学硕士学位论文3 隧道o g f c 1 3 室内配合比设计 1 2 1 1 0 2 8 。 2 6 赣4 嚣 2 戆0 5 4 3 量 2 髯 1 0 1 1 1 6 2 1 4 7 5 m m 筛孔通过率， 图3 - 44 7 5 r a m 筛孔通过率对混合料性能影响 5 ) 级配确定 由于目标孔隙率为1 8 ，采用4 7 5 r a m 筛孔通过率为1 6 的级配时，孔隙率为1 7 6 。 所以采用推荐级配范围中值作为本次研究的o g f c 1 3 混合料的级配。级配范围如表3 8 所 示： 表3 - 8o g f c 一1 3 的推荐级配 筛孔m m级配范围膨级配中值， 1 6l o ol o o 1 3 29 0 1 0 09 5 9 5 4 7 6 35 5 4 7 51 2 2 01 6 2 3 66 1 08 1 1 8 4 6 6 0 34 65 0 0 7 53 54 3 3 4 最佳沥青用量 ( 1 ) 沥青用量范围 由于o g f c 混合料粗集料较多，一般占8 0 以上，因此持油能力比较低，从而在沥青 混合料的运输和摊铺过程中会出现沥青的析漏现象，影响混合料的均匀性。因此，必须控制 沥青用量，以保证析漏量在一定的范围之内。但如果沥青用量过少，则会造成混合料粘结力 不足，在荷载以及水的作用下，路面容易出现松散，因此，必须保证沥青用最的一个屉低范 围。析漏与磨耗指标控制了o g f c 混合料设计中的沥青用量范围。图3 5 表示了满足析漏与 磨耗指标的合理沥青用量范围。 3 2 j 划济人学颂：学位论文3 隧道o g f c 。1 3 室内配备比设计 磨 耗 损 失。 l a p 耐。p 。 沥青用量 图3 - 5 合理沥青用量范围 图3 5 中的d d 表示沥青析漏量( ) ，l a 表示磨耗损失率( ) ，p m 。表示最大析漏允 许量时所对应的沥青用量，p m i n 表示最大磨耗损失时对应的沥青用量。因此，合理的沥青用 量范围为( p 一，p n i i i - ) 。 ( 2 ) 隧道o g f c 最佳沥青用量设计步骤 1 ) 选择合适的粗细集料以及矿粉，通过合理的组合配成表3 8 的推荐级配中值。 2 ) 选择4 至5 个沥青用量，每种沥青用量之间分别相差0 3 左右，进行析漏试验。绘出沥 青用量与析漏量之间的关系图，找出0 2 析漏量所对应的沥青用量作为该级配下的最高 允许沥青用量。 3 ) 选择4 至5 个沥青用量，每种沥青用量之间分别相差0 3 左右，进行磨耗试验。绘出沥 青用量与磨耗损失率之间的关系图，找出2 0 磨耗损失率所对应的沥青用量作为该级配 下的最低允许沥青用量。 4 ) 选取最高和最低允许沥青用量的中值作为初步的最佳沥青用量，通过马歇尔击实成型试 件，测试其体积指标，要求孔隙率在1 7 1 9 之间，据此对沥青用量进行适当的调整。 如果无法满足，则需要对级配进行一定的调整。 5 ) 成型试件进行各项性能试验，使之满足基本的性能要求。 ( 3 ) 析漏试验确定最高沥青用量 在混合料中加入o 1 的聚合物纤维，采用沥青用量从3 9 至5 1 进行了析漏试验，结 果见表3 - 9 所示： 表3 - 9 析漏试验结果 l 沥青用量 3 9 4 24 54 8 5 1 l 析漏量， 0 0 6 0 0 70 1 4 o 2 3o 2 9 将析漏试验的结果绘成图。如图3 6 所示。由图可以看出，析漏量为0 2 时所对应的 沥青用量为4 7 ，所以允许的最高沥青用量为4 7 。可以看出，当沥青用量超过4 2 以后， 析漏苗陡然增加，并且随着沥青用量的继续增加，析漏量保持较高的增加速度，由此可以认 为较好的沥青用量不应该超过4 2 。 3 3 同济大学硕士学位论文3 隧道o g f c 1 3 室内配合比设计 0 3 5 o 3 o 2 5 装 0 2 棚 羹o 1 5 o 1 0 0 5 o 一7 一 ； ： 一 ： 3 63 94 24 54 85 15 4 沥青用量， 图3 - 6 沥青用量与混合料析漏关系 ( 4 ) 磨耗试验确定最低沥青用量 采用沥青用量从3 6 一4 8 进行磨耗试验，试验结果见表3 1 0 所示： 表3 1 0 磨耗损失率试验结果 i 沥青用量肱3 63 94 24 54 8 i 磨耗损失， 3 1 82 3 5 1 6 8 1 2 9 9 2 将磨耗试验的结果绘成图，如图3 7 所示。由图可以看出，磨耗损失为2 0 时所对应的 沥青用量为4 0 ，所以允许的最低沥青用量为4 o 。 3 5 3 0 x2 5 求2 0 霆1 5 趣1 0 5 o 太 p 、j j ： 1 3 33 63 94 24 54 85 1 沥青用量， 圈3 7 沥青用量与混合料磨耗损失关系 ( 4 ) 初步确定沥青用量 通过沥青析漏试验和混合料磨耗试验的结果，可以发现两者的沥青用量共有区域为 4 0 0 o - - 4 7 ，同时考虑到尽量减少析漏，避免过多自由沥青，初步确定该级配混合料的最佳 沥青用量为4 2 。 对沥青用量为4 2 的混合料采用马歇尔双面击实5 0 次成型试件，并利用体积法计算出 混合料的孔隙率为1 8 。1 ，满足o g f c 的孔隙率要求。同时通过外观观测发现，沥青充分裹 覆了集料，并且基本看不到表面有过多的自由沥青。因此确定4 2 的沥青用量为该级配中 值的最佳沥青用量，下面的性能指标试验均采用该沥青用量成型试件。 3 4 同济大学硕士学位论文3 隧道o g f c 1 3 室内配合比设计 3 3 5 指标检验 根据以上确定的级配( 4 7 5 r a m 通过率1 6 ) 和最佳含油量( 4 2 ) ，配制o g f c 1 3 混 合料的试件，分别测定试件的控制指标和验算指标。 ( 1 ) 控制指标和验算指标 控制指