（材料学专业论文）基于抗车辙的高模量沥青混凝土级配设计及路用性能研究.pdf

摘要 车辙是我国沥青路面早期破坏中最严重的形式之一。车辙不但严重影响路面的服务 水平，显著降低路面的使用寿命，而且维修困难。因此，我国把防治车辙作为最迫切需 要解决的问题。高模量沥青混凝土( h m a c ) 具有优良的抗车辙性能，为解决车辙问题提 供了一种新的途径。本文针对车辙主要出现在沥青路面的中下面层的情况，对h m a c 2 0 级配进行设计并进行路用性能验证。对h m a c 在公路工程中的应用具有重要的现实意 义。 本文针对h m a c 的功能要求，对其原材料提出技术要求。对h m a c 2 0 用贝雷法 确定粗细集料的分界点，采用逐级填充的方法对粗集料进行级配设计，根据矿料间隙率 v c a 和骨架强度c b r 评价指标，确定出粗集料各粒径之间的最佳比例。对细集料采用 n = 0 4 5 的泰波公式计算得到各粒径之间的最佳比例。采用不同的粗细集料质量比例进行 级配合成设计，并进行级配的优选。对优选的级配和a c 型和s u p 型级配沥青混合料进 行标准车辙试验和变温变压车辙试验进行高温性能验证，分析了粗细集料质量比与车辙 评价指标的关系，对各级配的高温性能进行对比分析。进行低温试验，分析粗细集料质 量比与低温评价指标的关系。采用浸水马歇尔试验，冻融劈裂试验和沸煮法对各级配的 沥青混合料进行水稳定性能验证。对各级配的沥青混合料进行静态模量试验，并分析各 因素对模量的影响。进行单轴贯入和直接剪切试验，通过单轴贯入和直接剪切的相关性 证明直接剪切试验合理有效。建立抗剪强度与车辙评价指标和模量的关系。推荐 h m a c 2 0 的抗剪强度要求和合理的级配范围。 关键词：沥青路面，高模量沥青混凝土，级配设计，车辙试验，抗剪强度 a b s t r a c t t h er u t t i n go fa s p h a l tp a v e m e n th a sb e c o m eo n eo ft h em o s ts e r i o u se a r l yd a m a g e t h e r u t t i n gi sn o to n l ys e r i o u s l ya f f e c t st h es e r v i c el e v e lo ft h ep a v e m e n t ，b u ta l s or e m a r k a b l y r e d u c e st h es e r v i c el i f e s oo u r c o u n t r yt a k et h er u t t i n ga st h em o s te x i g e n tp r o b l e mt os o l v e a s p h a l tc o n c r e t e ( h m a c ) h a st h ee x c e l l e n ta n t i r u t t i n gp e r f o r m a n c e ，i tp r o v i d ean e ww a yt o s o l v et h er u t t i n gp r o b l e m b a s e do nr u t t i n gm a i n l ya p p e a rb e l o wt h es u r f a c eo ft h ea s p h a l t p a v e m e n t ，h m a c - 2 0g r a d a t i o nh a sb e e nd e s i g n e da n dt h em a dp e r f o r m a n c eh a sb e e n v e r i f i e d h m a cf o ra p p l i c a t i o ni nh i g h w a ye n g i n e e r i n gh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t ，h m a co u tt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t so fi t sr a w m a t e r i a l s f o rh m a c - 2 0i nb a i l e ym e t h o di su s e dt od e t e r m i n et h et h i c k n e s so f a g g r e g a t e s ， f i l l i n gi nt h eb o u n d a r yo ft h em e t h o do fc o a r s ea g g r e g a t eg r a d a t i o nd e s i g n , a c c o r d i n gt ov c a m i n e r a la g g r e g a t es t r e n g t ha n ds k e l e t o n ，e v a l u a t i o ni n d e x e sc b rc o a r s e a g g r e g a t es i z e b e t w e e nt h eb e s tp r o p o r t i o n f o rf i n ea g g r e g a t ea d o p t sn = 0 4 5f o r m u l at oc a l c u l a t et h ew a v e g e tt h eb e s tp r o p o r t i o nb e t w e e ne a c hs i z e u s i n gd i f f e r e n td e g r e eo fa g g r e g a t er a t i oo fq u a l i t y l e v e l ，a n dc o m b i n e dd e s i g no fo p t i m i z a t i o n t oo p t i m i z et h eg r a d a t i o na n da ca n ds u p t y p e g r a d a t i o na s p h a l tm i x t u r es t a n d a r dr u t t i n gt e s ta n dv a r i a b l et e m p e r a t u r ev a r i a b l ep r e s s u r eo n h i g h - t e m p e r a t u r er u t t i n gt e s tp e r f o r m a n c et e s t ，a n a l y s e st h eq u a l i t yo fa g g r e g a t et h i c k n e s sa n d t h ee v a l u a t i o ni n d e x ，f u r r o w 晰t hh i g hp e r f o r m a n c et ol e v e l sw e r e a n a l y z e d f o rl o w t e m p e r a t u r et e s t i n g ，a n a l y s i sa n dq u a l i t yo fa g g r e g a t et h i c k n e s so fl o w - t e m p e r a t u r ee v a l u a t i o n i n d e x e s u s i n gm a r s h a l li m m e r s i o nt e s t , f r e e z e t h a ws p l i t t i n gm e t h o do ft e s ta n df e i z h u l e v e l so f a s p h a l tm i x t u r ef o rw a t e rs t a b i l i t y a ta l ll e v e l so fa s p h a l tm i x t u r eo fs t a t i ct e s t ，a n d a n a l y z e st h em o d u l u so fe a c hf a c t o rt oi n f l u e n c et h em o d u l u s as i n g l ea x l ep e n e t r a t i o na n d d i r e c ts h e a rt e s t s ，t h r o u g hu n i a x i a lp e n e t r a t i o na n dd i r e c ts h e a rc o r r e l a t i o no fd i r e c ts h e a f i n g t e s tp r o v e dr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e e s t a b l i s h m e n to fs h e a rs t r e n g t ha n dm o d u l u so f e v a l u a t i o ni n d e xa n dr u t h m a c 2 0r e c o m m e n dt h es h e a rs t r e n g t ha n dr a t i o n a ld i s t r i b u t i o n r a n g e k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t , h i g hm o d u l u sa s p h a l tc o n c r e t e ，g r a d i n gd e s i g n , t r a c k t e s t ，s h e a rs t r e n g t h i i 长安大学硕士论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着我国国民经济的快速发展，公路事业也取得了长足的进步。尤其是自1 9 8 8 年 沈大高速公路及沪嘉高速公路建成通车以来，高等级公路以前所未有的速度发展，我国 的公路事业进入了以建设高等级公路为主的新时期【l 】。截止到2 0 0 8 年底，全国公路通车 总里程已达3 5 8 万k m ，高速公路已经达到5 5 0 0 0 k m 。在所有已建公路中，由于沥青路 面具有良好的行车舒适性、建设速度快、维修方便等特点，因此，沥青路面在路面结构 中的应用越来越广泛【2 1 。 但是由于我国高速公路建设起步晚、经济实力较差、气候条件严酷、车辆超载、优 质石油沥青缺乏等原因，铺筑的高速公路路面结构还存在种种问题，少数路段通车几年 便发生车辙、开裂、泛油等早期损坏现象【3 l 。与开裂、泛油相比，车辙的危害性更大， 车辙的产生会影响路面的平整度，削减面层以及路面结构的整体强度，降低路面的抗滑 能力，甚至会由于车辙内积水而影响高速行车时的安全性，还可能影响车辆在超车或变 更车道时的操作稳定性【4 5 1 。车辙也增加了后期维修养护费用和运营费用，据不完全统计 6 1 ，在高等级公路维修原因中，车辙病害发生比率高达8 0 以上，其破坏不仅发生在表 面，而且会深入到中下面层，这也是世界各国将防治车辙问题作为第一位的原因1 7 1 。由 此可见，车辙问题亟待解决。 为了防止或减缓车辙的产生，采取了一系列措施如采用品质高的粗细集料、改善矿 料级配、采用合适的设计空隙率和矿料间隙率、采用低标号沥青等这些措施取得了一定 成效，但部分沥青路面通车后不久仍出现大面积的车辙【3 】。 除了以上技术措施外，近年来公路界专业人士不断研发和推出各种新型的抗车辙道 路材料，其中高模量沥青混凝土( h i g hm o d u l u s a s p h a l tc o n c r e t e ，h m a c ) 得到了广泛 认可。h m a c 有以下特点【5 】： ( 1 ) 模量( 强度) 高：提高路面整体强度与承载能力； ( 2 ) 抗车辙：高模量的结构层能够有效的将荷载分散开来向下传播，减小沥青层 承受的压力，从而产生了抗车辙的效果； ( 3 ) 抗剪切变形：高模量的沥青结构层与半刚性基层之间的模量比有所减小，使 两者界面上所产生的剪切力也大大减小，这使得沥青混凝土不易产生剪切推移或流动变 第一章绪论 形。 目前，国际上主要通过两种方式来提高沥青混合料的劲度模量。一种是采用低标号 沥青，另外一种是在混合料中加入外掺改性剂。由于第二种方式不需要专门的沥青改性 设备，只需拌和时直接投放到拌和锅内即可，简单实用，在我国得到应用。在法国、英 国、葡萄牙等许多国家，h m a c 的应用技术均比较娴熟，而在我国，由于对h m a c 的 研究起步较晚，在已有的研究成果中仍存在许多问题，如： ( 1 ) 配合比设计方法存在争议：对h m a c 的级配设计方法未进行过系统的研究， 究竟h m a c 适合骨架嵌挤结构还是悬浮密实结构的级配一直存在争议。 ( 2 ) 路用性能研究不够全面。h m a c 的高温、低温等性能已进行过系统的研究， 但对于耐久性能及剪切性能研究的较少。 本文将针对上述问题，展开h m a c 的级配设计和路用性能的系统研究，为h m a c 的使用性能和适用性提供有力的依据，进一步为我国沥青路面的发展开拓方向。 1 2 国内外研究现状 1 2 1高模量沥青混凝土国内外研究及应用现状 h m a c 产生于上世纪6 0 年代【3 1 ，其特点是沥青用量较大，空隙率较小，劲度模量 大【8 。其经济效益在于它能减小路面厚度，尤其是在局部集料压碎值较低或是重交通量， 行车速度比较低或渠化交通的时候这点更能体现。而法国对于h m a c 设计的基本思想 是：采用硬质沥青，设计油石比大约6 的高沥青用量的混合料，通过沥青本身的性质 提高混合料的模量，沥青用量的增大提高了混合料的密实度和抗疲劳能力【1 0 , 1 1 j 。h m a c 开始作为新建路面的基层材料使用，而且h m a c 还与很薄的沥青混凝土磨耗层结合起 来使用，以减少路面车辙，提高抗滑性能和耐久性能。 荷兰戴尔夫特理工大学的研究结果表明，h m a c 具有良好的抗高温变形能力，与 s m a 基本相当，明显优于普通沥青混凝土【1 2 】。 英国先后于1 9 9 4 和1 9 9 7 年对硬质沥青及其混凝土进行了研究，并铺筑了试验路， 但由于抗老化性及水稳定性不足，导致强度衰减过快。针对此现象，建立了长寿命路面 的耐久性研究项目，该项目由s c o t tw i l s o n 路面工程研究中心与诺丁汉大学共同完成。 沥青研究人员【1 3 】于2 0 0 2 年启动针对e m e 2 的专项研究，目的在于制订出一套新的适用 于英国的关于高性能沥青混凝土的规范。该项目取得了较为显著的成果，研究数据显示 e m e 2 是一种强度和耐久性均令人满意的路面材料。 2 长安大学硕士学位论文 意大利、葡萄牙、美国等国家分别开展了h m a c 应用于基层的控制研究【1 4 】、针对 炎热气候的抗车辙能力研究1 5 1 及h m a c 设计方法和费用研究【1 6 1 。 h m a c 在我国的研究尚处于初级阶段，无成熟的经验可以借鉴。最早是粤赣高速公 路长陡坡沥青路面铺筑了高模量改性沥青混合料试验段，试验结果表明，高模量改性沥 青能显著提高混合料的抗车辙性能。 辽宁省交通科学研究院于2 0 0 5 年开展的高模量沥青混凝土应用技术研究，提出 了高模量低标号沥青技术指标；并研究提出了提高沥青混凝土模量的两种主要技术方 案；项目自主研制开发出性能优良的“路宝牌”高模量外掺剂：推荐了路宝、p r - m 的最 佳掺量；提出了h m a c 的施工工艺和质量控制指标【用。 2 0 0 8 年3 月长安大学沙爱民教授开展的高模量沥青混凝土路面应用研究提出了 能够进一步提高抗车辙能力和降低沥青用量适于我国沥青路面修筑条件的h m a c 级配 选用方法；提出以我国现行沥青混合料马歇尔设计方法为基础的h m a c 配合比设计方 法【1 引。 2 0 1 0 年1 月本课题组通过基于抗车辙功能的沥青混凝土高模量化研究的课题鉴 定，系统研究了h m a c 的配合比设计方法、路用性能及其应用技术等，并利用大型通 用有限元软件a n s y s 进行路面有限元仿真分析，分别研究了加入外加剂后高模量沥青 混凝土路面处于弹性、粘弹性状态时在轮载作用下的力学响应和永久变形情况【1 9 】。 1 2 2 国内外级配设计理论和方法 矿料级配决定了矿料颗粒间嵌挤力的大小及混合料密实程度，对路面的抗剪强度影 响很大【2 0 1 。通常认为，沥青混合料的高温抗车辙能力有6 0 依赖于级配的嵌挤作用【2 1 1 。 因此，为了提高混合料的抗车辙能力，必须选择适合h m a c 的级配设计方法进行级配 设计。 1 计算法阎 ( 1 ) n 法 n 法是基于最大密度曲线理论，该理论认为固体颗粒按照粒度大小有规则地粗细搭 配，组合排列，可以得到空隙较小、密度最大的沥青混合料。采用简化的抛物线曲线 理论，根据此理论，任一级颗粒粒径d 的通过率p 由公式( 1 1 ) 得到： 川o o ( 矿 ) 3 第一章绪论 式中：p _ 川一级颗粒粒径的通过率( ) ； d 任一颗粒粒径( m m ) ； n 集料的公称最大粒径( i i u l l ) o 在实际应用中，许多研究者认为这一公式的指数不应固定为o 5 ，n 值一般在o 3 o 7 之间，采用n 次幂通式来描述级配曲线，简称n 法。 ( 2 ) k 法 前苏联伊万诺夫、奥浩钦等提出用颗粒分级质量递减系数k 为参数的矿料级配曲 线，简称k 法。奥氏发现当矿料中粗集料粒径按照1 1 6 递减，次一级粒径质量为上一 级的4 3 ，可使混合料获得最高的密实度。但这种级配的混合料在施工时容易产生离 析。为改善级配，粒径按照1 2 递减，并认为颗粒质量递减系数按相同次数开方变化， 混合料的密实程度仍可保持不变，其公式见( 1 2 ) 。 p , , = 1 0 0 x 1 1 一篇 2 ， 式中：只矿料在第x 级筛孔的通过率( ) ； x _ 矿料粒径的级数，x = 3 3 2 1 9 d d d x k 质量递减系数； m = 3 3 2 1 9 d l d n ，d l 为最大粒径，d n 为最小粒径。 k 法可控制最小粒径的大小，并可保证计算出的级配在较小粒径时的通过率在可接 受的范围内，k 值通常取0 6 5 - - , 0 8 之间。 ( 3 ) i 法 同济大学参照n 法和k 法提出当颗粒粒径以1 2 递减时，直接采用通过率递减系数 i 为参数的矿料级配组成计算方法，简称i 法，计算公式见( 1 3 ) 。 e=f 善一1(13)r1 0 0 式中：只矿料在第x 级筛孔的通过率( ) ； x 一料粒径级数，最大粒径为d l 时x = l ，d l 2 时，x = 2 等： i 通过率递减系数。 对照国内外经验，i = 0 6 5 o 7 5 时可得到使用性能较好的沥青混合料。 2 s u p e r p a v e 设计方法 s u p e r p a v e 设计方法是美国s h r p 的主要研究成果，是2 0 世纪9 0 年代道路工程界 长安大学硕士学位论文 最引人注意的研究成就2 3 1 ，表现在：建立在流变学基础上的沥青胶结料p g 分级规范 ( p e r f o r m a n c e b a s e dg r a d a t i o n ) 及其试验仪器、按体积设计沥青混合料的s u p e r p a v e 方法和 旋转压实仪。 美国s u p e r p a v e 级配规范提出公称最大粒径、控制点和限制区的概念。级配曲线不 再是由每一级筛孔的通过率来控制，而是通过关键筛孔来控制。进行配合比设计时需要 根据公称最大粒径、控制点和限制区的要求初选三条级配并对三条级配的混合料进行旋 转压实试验，而后再根据混合料的体积参数要求，选择符合体积指标的级配作为优选级 配进行设计【2 2 1 。 3 贝雷法 贝雷法的级配设计理念是将集料骨架作为混合料的承重主体，来设计出具有良好抗 车辙性能的混合料，然后通过调整粗细集料的比例来获得合适的矿料间隙率以此来保证 混合料良好的综合路用性能晔。2 6 1 。贝雷法的主要特点是通过控制粗集料与细集料关键筛 孔尺寸的通过百分率比例关系，使矿料级配获得良好的骨架结构；提出粗细集料的划分 方法以及粗集料骨架形成判据，通过c a 、f a c 以及f a f 对矿料合成进行分析，使级配变 化对混合料体积与性能间的关系更加明确；以最大公称粒径尺寸的0 2 2 倍对应的筛孔尺 寸作为混合料中粗细集料的分界点。细集料含量确定的基本原n - 细集料的体积5 粗集 料空隙率的体积；粗集料的体积+ 细集料的体积= 单位体积【2 7 1 。 纵观以上h m a c 研究工作和研究成果及国内外级配设计方法可见，目前关于 h m a c 的研究主要集中在h m a c 的级配选取、高、低温性能等路用性能、施工工艺及 试验路观测等方向，尚存在需进一步深入研究的问题，主要体现在： ( 1 ) 有关h m a c 的级配选取曾经做过一些工作，但研究不够深入，有待进一步研 究。 ( 2 ) 关于h m a c 的级配设计方法尚需研究。目前国内外沥青混合料的级配设计理 论和设计方法均有好多种，究竟选取何种设计方法更适合h m a c ，需要进一步研究。 ( 3 ) h m a c 的高温性能、耐久性及剪切性能仍需研究。目前关于h m a c 的路用性 能研究主要侧重于高温性能( 采用常规车辙试验) 、低温性能、水稳定性能等，对h m a c 的变温变压车辙试验、疲劳试验及剪切试验研究很少。 5 第一章绪论 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1主要研究内容 针对国内外对h m a c 的级配研究不够深入，及对h m a c 的级配评价研究不够系统 等方面的问题本文对h m a c 的级配及其路用性能评价进行深入研究提出适合h m a c 的 级配及提出评价h m a c 的路用性能评价指标，主要研究内容有： 1 h m a c 原材料性能研究 针对h m a c 的功能要求，对原材料沥青、集料、矿粉和添加剂p r 等进行试验，测 出其性能指标为h m a c 的级配设计所需数据。 2 h m a c 级配设计 通过贝雷法确定粗细集料的分界点，然后分别进行粗细集料的级配设计，对不同粒 径的粗集料由大n d , 进行逐级填充实验，用自然填充，捣实和振实三种方法形成的矿料 间隙率v c a 和骨架强度c b r 值作为评价指标确定粗集料之间的形成骨架时的比例，采 用灰色关联分析确定粗集料的关键筛孔和非关键筛孔，从而确定粗集料之间的比例范 围。 对细集料采用泰波公式n = 0 4 5 来进行设计，计算出细集料各级粒径之间的质量之比。 针对体积法计算粗细集料质量比时，很多参数由经验取得的缺陷，在保持粗细集料各粒 径质量比不变的前提下，变化粗细集料的质量比，设计出九条级配，对设计级配进行优 选，选择出性能好的级配和a c c 和s u p e r p a v e 级配进行路用性能验证试验。 3 h m a c 2 0 的路用性能研究 对所选级配的沥青混合料进行马歇尔试验和常规车辙试验，变温变压车辙试验进行 高温性能验证；进行小梁弯曲试验对低温性能进行验证；采用浸水马歇尔试验，冻融劈 裂试验和沸煮法试验进行水稳定性能验证；进行静态模量试验验证其抗变形能力；采用 单轴贯入试验和直接剪切试验对其抗剪切性能进行验证，并提出h m a c 的抗剪强度的 合理范围；总结各路用性能的技术要求推荐h m a c 2 0 的合理级配范围。 1 3 2 技术路线图 对于抗车辙功能的高模量沥青混凝土级配设计及路用性能研究的技术路线如图1 1 所示。 6 长安大学硕士学位论文 图1 1 技术路线图 7 第二章原材料 第二章原材料 h m a c 所适用的路段往往是轴载重、交通量大交通渠化严重且高温天气持 续时间较长，因此对h m a c 所用的原材料要求更加严格。本文所采用的沥青为a 级中海7 0 # 沥青，集料采用咸阳彬县石灰岩，矿粉由彬县石灰岩加工而成，外掺 剂采用法国抗车辙剂p rp l a s t s 。所采用的原材料指标如下。 2 1沥青 根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程的规定对沥青的技术指标进行 了测试，根据测试结果沥青各项指标完全符合道路a 级沥青的技术要求，其测 试结果如下表2 1 所示。 表2 1 中海7 0 # 沥青技术指标 试验指标测定值技术要求 试验方法 针入度( 1 1 0 m m ) 1 0 0 9 ，2 5 c ， t 0 6 0 4 2 0 0 0 6 76 0 8 0 5 s 针入度指数p i 加71 5 - - - + 1 0 1 0 c 延度( c m ) ，不小于 2 02 0t 0 6 0 5 19 9 3 1 5 c 延度( c m ) ，不小于 1 0 0 1 0 0t 0 6 0 5 19 9 3 软化点( ) ，不小于 4 8 4 3 t 0 6 0 6 2 0 0 0 6 0 c 动力粘度，不小于 1 8 31 8 0t 0 6 2 0 2 0 0 0 蜡含量( ) 蒸馏法，不大于 2 o2 2t 0 6 15 2 0 0 0 闪点( ) ，不小于 2 7 62 6 0 t 0 6 3 3 1 9 9 3 溶解度( ) ，不小于 9 9 99 9 5 t 0 6 0 7 1 9 9 3 密度1 5 1 2 ( g c m 3 ) 1 0 0 2 9 实测记录 t 0 6 0 3 1 9 9 3 质量变化( ) 不大于 o 1士o 8 残留针入度比( ) 不小于 6 46 i t f o t 残留延度1 0 ( c m ) 不小 1 06 t 0 6 0 9 1 9 9 3 后 于 残留延度1 5 ( c m ) 不小 1 71 5 于 8 长安大学硕士学位论文 2 2 集料 s u p e r p a v e 在确定矿质集料技术要求时对s h r p 路面专家进行了广泛的调 查。专家们普遍认为，集料特性在混合料抵抗高温变形方面起着重要作用，集料 的特性包括粗集料的棱角性、细集料的棱角性、扁平细长颗粒和粘土含量等，它 们对沥青混合料的骨架结构的稳定性有重要的影响。粗细集料的棱角性尤其是粗 集料的棱角性越好，集料形成的骨架结构越稳定。扁平细长颗粒对混合料骨架有 重要的影响。扁平细长颗粒含量太大，会在碾压过程中较早压碎，导致级配退化， 从而降低粗集料之间的相互嵌索能力降低混合料的路用性能。沥青混凝土的空隙 率随扁平细长颗粒含量的增加而增加，空隙率增加会降低混合料的表观密度和矿 料间隙率v m a 等。研究表明：沥青混凝土中针片状含量超过3 0 将会降低沥青 混合料的稳定性和疲劳寿命，并增加空隙率、最佳沥青用量和粗集料破碎量，导 致级配退化。为此，在进行级配设计时要严格控制针片状颗粒的含量。 公路沥青路面施工技术规范规定粗集料应该洁净干燥、表面粗糙，质量 符合规范规定要求。当单一规格集料的质量指标达不到表中的要求，而按照集料 配合比计算的质量指标符合要求时，工程上允许使用。对受热易变质的集料，宜 采用经拌合机烘干后的集料进行检验。 谭忆秋等人研究表明粗集料的表观纹理状态，扁平状颗粒含量对沥青混合料 的高温性能有显著影响：粗集料的表面纹理状态对沥青混合料的高温性能影响较 大，粗集料轮廓表面平均偏差越大，混合料的内摩擦角越大，相应的动稳定度越 大，高温稳定性越好。粗集料扁平颗粒含量对沥青混合料高温性能影响较大，扁 平颗粒含量越高，其混合料的高温稳定性越差。 有研究表明，棱角性较好的细集料可以确保混合料高的内摩阻力和抗车辙能 力，因此将细集料的棱角性作为一个控制指标。本文采用测定定体积的细集料全 部通过标准内摩阻力和漏斗所需要的流动时间的流动时间法【3 8 】来测定细集料的 棱角性。集料均采用咸阳彬县石灰岩，技术指标见表2 2 和表2 3 。 9 第二章原材料 表2 2 粗集料技术性质 技术指标试验结果技术要求试验方法 石料压碎值，不大于 1 5 52 8t 0 31 6 2 0 0 5 洛杉矶磨耗值觞，不大于1 6 3 3 0t 0 31 7 - 2 0 0 5 坚固性，不大于 81 2t 0 31 4 2 0 0 0 针片状颗粒含量，不大 t 0 31 2 2 0 0 5 71 5 于 水洗法 3 0 为确保级配的准确性，对粗、细集料全部筛分后逐级称量回配。各级粒径集 料的相对密度测定结果如表2 4 和表2 5 所示。 表2 4 石灰岩粗集料密度( 网篮法) 粒径( 咖) 2 6 51 91 61 3 29 54 7 5 表观相对密度2 8 6 1 22 8 5 0 4 2 8 4 5 62 7 9 42 8 0 5 42 8 0 4 6 毛体积相对密度 2 8 1 0 32 8 0 4 92 7 9 8 52 7 5 3 22 7 4 82 7 4 3 9 表2 5 细集料毛体积密度( 容量瓶法) i 粒径( m m ) 2 3 61 1 80 6o 30 1 50 0 7 5 i 表观相对密度 2 8 0 1 62 7 6 1 42 7 2 6 l2 7 0 1 32 6 8 7 32 6 7 9 7 2 3 矿粉 本文采用的矿粉为咸阳彬县石灰岩加工而成，其表观相对密度采用李氏比重 瓶法测定，介质为煤油，其值为2 7 1 2 9 c m 3 。 1 0 长安大学硕士学位论文 2 4 改性剂 本文所采用的改性剂为法国生产的p r p l a s t s 改性剂。 p rp l a s t s 是一种改善沥青混合料高温性能的专用改性剂，呈深蓝色或者 黑色、外观为4 m m 左右的固体颗粒状( 见图2 1 ) ，其主要成分为改性的高密度p e 及低密度p e ，属于热塑性树脂类；仅软化不溶解，燃烧无气味。其组成中9 5 以上为纤维聚合物，5 以下为填充物。 图2 1p rp l a s t s 颗粒 沥青改性是一个物理共混过程2 引，改性剂与沥青的充分混溶是改善沥青性能 的基本前提。在此基础上，改性剂吸附沥青中的轻质组分而发生溶胀，已溶胀的 改性剂又与沥青其余组分相互作用，从而形成一种新结构体系，加之此种改性剂 自身的固有特性而使沥青性能得到相应的改善。在研磨过程中以及在稳定剂或催 化剂的作用下，会发生断链与交联反应，形成一些网状结构，从而使改性沥青粘 度与贮存稳定性得到提高。 与以上改性机理不同，改性剂p r 是直接加入到沥青混合料中，不仅与沥青 发生溶胀，与集料也有物理作用：改性剂在高温时软化，在压实过程中热成型， 填充集料骨架中的空隙，同时由于热集料的挤压，使其发生片状、纤维状、絮状 等严重的变形。冷却后相互交织起来，在集料骨架中搭桥形成嵌挤、加筋和胶结 作用，从而牵制集料颗粒的移动。可通过嵌挤，加筋和胶结作用来实现对沥青混 合料的改性，从而可以提高沥青混合料的抗高温变形性能和水稳定性甜3 1 1 2 9 】【3 0 j ， 图2 2 给出了p r 混合料的拌和工艺流程图。 ( 1 ) 嵌挤作用 添加剂颗粒在施工过程中由于高温的作用而软化，再经过碾压后成型。这样 第二章原材料 就将添加剂的颗粒填充嵌挤到级配骨架的空隙中，加强了混合料之间的相互作用 力，使混合料结构更加紧密，增加了沥青混合料在高温下承受荷载的能力。 ( 2 ) 加筋作用 由于聚合物纤维的存在，它在级配骨架内部搭桥而形成加筋；并且它在胶结 料中形成网状，将矿料颗粒牢固地限制在网格内，加强了胶浆体系相互作用力和 整体性，加强了沥青矿粉胶结料体系相互作用力和整体性，从而使沥青混合料整 体强度提高。 ( 3 ) 胶结作用 添加剂投入沥青混合料的拌和设备中，在1 7 0 - 1 8 0 的温度下，首先通过 与矿料干拌，使它软化，继续加入沥青拌和后，通过部分聚合物的溶解与沥青形 成胶结作用，使沥青性能得到改善。提高了沥青的软化点；降低了对温度的敏感 性；增加了沥青与矿料的粘附能力。 p rp l a s t s 抗车辙添加剂经过和混合料的拌和过程，其颗粒在热矿料的碰 撞、剪切综合作用下，促使添加剂实现三种作用过程，使沥青混合料整体性能发 生变化，达到综合性能的提高和改善。 2 5 本章小结 图2 2p rp l a s t s 混合料拌和工艺流程图 1 对h m a c 的原材料沥青，粗集料和细集料提出了技术要求和控制指标。 2 对改性剂p r 的改性机理进行了探讨，提出p r 混合料拌和工艺流程。 1 2 长安大学硕士学位论文 第三章h m a c 2 0 级配设计研究 3 1 级配设计概述 研究表明级配的好坏直接影响路面的早期损坏。级配设计的目的是通过优化 矿料结构，从而形成稳定优良的结构，来满足沥青路面密实、耐久、抗滑、稳定 的全功能要求。 公路沥青路面施工技术规范中的级配范围较宽，如何在这么宽的范围内 优选出满足沥青混合料路用性能要求的级配成为急需解决的问题。通过对级配组 成结构进行优化来提高沥青路面的性价比正逐渐成为道路工作者基本的出发点。 本章拟从沥青混合料矿料的粗集料级配设计，细集料级配设计及粗细集料的 合成设计方面着手研究沥青混合料合理级配优化及其评价方法。 传统的级配理论有最大密度曲线理论和粒子干涉理论两种，随着路用性能要 求、施工机械及施工工艺的变化及发展，在传统的级配理论的基础上，产生了以 下几种级配，见表3 1 。 表3 1 级配类型及其优缺点 级配 优点 缺点 典型代表 类型 传统最大密实曲线理论是以集料按一定比 热稳定性不足而产生车 a c i 等类连续例组合达到最大密实度米确定级配中 辙、波浪、推移等变形， 式密各种粒径的分布，可以获得最佳的密实 影响其正常使用性能 型级配 级配度和较大的粘结力 对材料设计施工技术要求 间断 兼有嵌挤和密实的原则的优点，是摩阻 较高，处理不当易导致离 s m a ，s a c 级配 力、凝聚力和密实度都最好的混合料析，且造价偏高限制了其等 应用范围 1 3 第三章h m a c 2 0 级配设计研究 表3 1 级配类型及其优缺点( 续) 级配典型 优点 缺点 类型 代表 实际中难以操 折断 其级配的确定是通过粗细集料之间取不同的k 值计算作，大多只用于 无 级配 得到的，克服了拌和不均匀，施工困难的缺点s a c 和s m a 中， 限制了其应用 多级 嵌挤密级配沥青混合料是以体积设计为基础的一种新 嵌挤 型沥青混合料，理论上具有较高的高温稳定性，表面服 没有形成完整的 密级 务性能明显改善，密水性强，耐老化，同时克服了i i级配设计和评价无 型混合料抗水损害能力和耐久性差的缺点，更适合高速 方法 配 公路和重交通的公路沥青面层 本文采用大量的试验，进行多级嵌挤型密级配的设计，提出更适合于抗车辙 的沥青混合料的级配和评价方法。 3 2 粗集料级配设计 3 2 1 粗细集料的分界标准 粗集料性能及级配对沥青混合料的高温性能有很大的影响，为提高沥青混合 料的高温性能必须优选材料并进行合理的级配设计。在选材及设计之前应该明确 粗细集料的分界，目前对粗细集料的分界存在争议。规范d 8 1 规定，以2 3 6 m m 作 为粗细集料的分界点，大于2 3 6 m m 的集料为粗集料，小于2 3 6 m m 的集料为细 集料。 在s m a 混合料中，普遍将4 7 5 m m 作为粗细集料的分界点，并将4 7 5 m m 筛孔的通过率作为级配的控制参数。贝雷法规定粗细集料的分界点不是固定的而 是动态的，其随着最大公称粒径的不同而不同。贝雷法以0 2 2 n m p s ( 最大公称 粒径) 作为粗细集料的分界点【5 2 】。对于贝雷法比例因子0 2 2 的确定是取的集料 接触界面由全圆到全方四个值( 0 1 5 ，0 2 0 ，0 2 4 ，0 2 9 ) 的平均值，具有很好的代表 性。贝雷法进行了三维分析后认为o 2 2 也是合理的。 根据贝雷法的观点对最大公称粒径不同的集料的粗细集料的分界点是一个 动态的，即随着集料最大公称粒径的变化而变化。文献5 2 与文献5 3 都通过试验 验证了贝雷法对粗细集料分界点的合理性。本文依据贝雷法的规定可以得出最大 1 4 长安大学硕士学位论文 公称尺寸为1 9 m m 的粗细集料的分界尺寸均为4 7 5 m m 。 3 2 2 粗集料各级粒径质量比例的优化设计 1 粗集料的骨架和稳定性评价指标 要使混合料在外力的作用下能够性能稳定且变形小，粗集料的骨架嵌挤作用 具有相当大的影响。本文采用评价集料密实程度的骨架间隙率v c a 和评价材料 承载能力的指标骨架强度c b r 值来分析矿料结构的特性和稳定性。 ( 1 ) 粗集料间隙率v c a 按照粒子的填充和干涉理论，为达到最大密实度，并形成有效的嵌挤，前一 级颗粒形成的空隙应由次一级颗粒填充，且填充的颗粒粒径不得大于其间隙尺 寸，否则大小颗粒粒子之间会发生干涉，大小粒子之间应按一定的数量分配，如 果发生干涉则骨架特性降低、密度减小。所以在一定容积内，为减小粗集料之间 的干涉现象的发生，需保证粗集料之间合理的结构组成和减小粗集料的间隙率。 粗集料间隙率v c a 是矿料结构稳定性以及能否形成骨架的一项指标，公式见式 ( 3 1 ) 所示。 上 v c a = ( 1 一p6 ) ( 3 1 ) 式中：v c a 粗集料的骨架间隙率( ) ； p 6 粗集料的毛体积密度( t m 3 ) ： p 粗集料的自然堆积密度( t m 3 ) 。 ( 2 ) 骨架强度c b r 值 c b r 是评价材料承载能力的指标，c b r 反映的是荷载同变形的关系，同时 也反映骨架抵抗外界荷载和剪切变形的能力。c b r 值越大，骨架越强【5 2 】。本文 采用的c b r 值为贯入量为2 5 m m 时的单位压力p 与高质量的碎石贯入量为 2 5 m m 时的标准压力之比，c b r 试验用于测试骨架的强度，采用内径为1 5 2 m m 、 高1 7 0 m m 的金属试筒，在试筒中分三次倒入集料，每次由边至中用捣棒均匀捣 实2 5 次。c b r 值越大，矿料的骨架稳定性越好，计算公式见式( 3 2 ) 。 p c b l pf x 1 0 0 ( )( 3 2 ) 1 5 第三章h m a c 2 0 级配设计研究 式中：p _ 对应于2 5 m m 贯入量的矿料单位压力，k p a ； p s 一与矿料相同贯入量的标准单位压力，k p a 。 2 试验方法及步骤 粗集料中包含了多级粒径且各级粒径含量有较大的波动范围( 即试验水平数 较大) ，若采用正交试验来研究矿料间隙率v c a 的变化规律，试验工作量很大【4 5 1 ， 本文采用逐级填充实验来研究各档粗集料对沥青混合料骨架的作用，得出粗集料 的变化规律，确定形成粗集料骨架的各档粗集料的合理的比例组成。 试验步骤： ( 1 ) 为确定各级粒径的填充和干涉作用对粗集料形成的嵌挤结构的影响， 对各级粒径的粗集料采用逐级填充试验来研究。具体如下：将粒径为d o 和d 1 的次级粒径集料以不同比例混合，将两者填充时形成最小间隙率和最大骨架强度 c b r 时两种粒径的比例作为两种不同粒径的集料形成嵌挤密实结构的组成比 例。 ( 2 ) 以( 1 ) 中d o 和d 1 构成嵌挤密实结构的比例为基准，将d 1 的下一 级粒径d 2 再以不同的比例填充到d o 和d 1 形成骨架的间隙中。同样以最小间 隙率v c a 和最大骨架强度c b r 时，三级粒径的比例作为形成嵌挤密实结构的 最佳比例。 ( 3 ) 采用同样的步骤，可以确定更低一级粒径的集料d 3 与d o 、d 1 、d 2 的比例。依次逐级填充，直至各级粗集料全部填充到已形成的嵌挤结构中。同样， 根据最小间隙率v c a 和骨架强度c b r 值可以确定一个粗集料的级配比例关系。 ( 4 ) 通过以上步骤得到的逐级组成比例与间隙率v c a 和骨架强度c b r 值 的关系，综合各种试验测试结果，优选出形成最密实结构时的粗集料各粒径的比 例作为粗集料最终的级配比例。 3 试验设备及参数的确定 本文采用的粗集料公称最大粒径为1 9 m m ，根据公路工程集料试验规程 t 0 3 0 9 2 0 0 5 粗集料堆积密度及空隙率试验对容量筒的规格要求规定，采用的容 量筒容积为1 0 l 。在求间隙率时采用三种不同的填充集料的方式，分别为自然填 充，捣实填充和振实填充。 ( 1 ) 自然填充方式3 8 】 1 6 长安大学硕士学位论文 取试样1 份，置于平整干净的水泥地( 或铁板上) ，将试样用铁锹铲起，使 石子自由落入容量筒内。此时铁锹的齐口至容量筒上口的距离保持大约为5 0 m m 左右，装满容量筒并除去凸出筒口表面的颗粒，并以合适的颗粒填入凹陷空隙， 使表面稍凸起的部分和凹陷的部分的体积大体相等，称取试样和容量筒总质量。 ( 2 ) 捣实填充方式 将试样装入容量筒中达1 3 高度，由边至中用捣棒均匀捣实2 5 次，再向容 器中装入1 3 高度的试样，用捣棒均匀的捣实2 5 次，捣实深度约至下层的表面。 然后再重复上一步骤加最后一层，捣实2 5 次，使集料与容器口齐平。再用合适 的集料填充表面的大空隙，用直尺大体刮平，目测估计表面凸起部分与凹陷部分 的容积大致相等，称取容量筒和试样的总质量。捣实试验装置，如图3 1 所示。 图3 1 捣实试验 ( 3