（材料学专业论文）基于层位功能考虑的各结构层沥青混合料优化研究.pdf

摘要 各沥青结构层承担不同功能，设计的沥青混合料性能应适应各自结构层层位功能需 要。然而，目前各结构层沥青混合料基本上按全功能要求设计，难以较好地解决沥青混 合料高低温性能、抗滑与密实等自身矛盾。论文以此为背景，针对陕西省高速公路沥青 路面结构，开展基于结构层位功能要求的各结构层沥青混合料级配优化研究，具有重要 的现实意义。 论文首先分析了沥青路面破坏类型及级配对其的影响，提出了各结构层层位功能及 其对结构层沥青混合料性能的要求；以粗集料间隙率为评价指标，基于干涉级配理论通 过逐级填充试验确定粗集料级配；基于n 法级配理论，以强度和空隙率最优为判据确定 细集料级配；以体积法为基础初步确定粗细集料比例。在此基础上，基于层位功能要求 对各结构层沥青混合料级配进行优化研究，并推荐各结构层沥青混合料的级配范围。成 果可供工程实践时参考和应用。 关键词：沥青混合料，级配优化，层位功能，路用性能 a b s t r a c t e a c ha s p h a l tl a y e ra s s u m ed i f f e r e n tf u n c t i o n , p e r f o r m a n c eo f t h ed e s i g n e da s p h a l tm i x t u r es h o u l d b ea d a p t e dt ot h e i rr e s p e c t i v es t r u c t u r el a y e rf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s h o w e v e r , n o wa s p h a l t m i x t u r eo fe a c hs t u r t u r el a y e rs u b s t a n t i a l l yd e s i g n s a c c o r d i n gt of u l lf u n c t i o nr e q u i r e m e n t ，i ti s d i f f i c u l tt ob e r e rs o l v ei t sc o n t r a d i c t i o no fa s p h a l tm i x t u r eh i g ha n dl o wt e m p e r a t u r e s t a b i l i t y 、a n t i s l i d i n gs t a b i l i t ya n dc l o s e g r a i n e d t a k i n gt h i sa st h eb a c k g r o u n d ，t h et h e s i si s a i m e da te x p r e s s w a ya s p h a l tr o a ds u r f a c es t r u c t u r eo fs h a n x ip r o v i n c e ，s t u d i e da s p h a l t m i x t u r eg r a d a t i o no p t i m i z a t i o no fe a c hs t u r t u r el a y e rb a s e do na s p h a l tl a y e rf u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s ，a n dh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h ep a p e rf i r s ta n a l y s e sa s p h a l tp a v e m e n td a m a g et y p e sa n dt h ee f f e c to fg r a d a t i o no ni t ， p u tu pe a c ha s p h a l tl a y e rf u n c t i o na n dt h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e w i t hp e r c e n t a g eo f v o i d si nc o a r s ea g g r e g a t eo fe v a l u a t i o ni n d e x ，b a s e do nt h et h e o r yo fg r a d e di n t e r f e r e n c e t h r o u g hg r a d i n gf i l l t e s tc o a r s ea g g r e g a t eg r a d a t i o ni sd e t e r m i n e d ；b a s e dt h et h e o r yo fn m e t h o d ，a c c o r d i n ga st h eb e s ti n t e n s i t ya n dv o i dr a t i o ，t h ef i n ea g g r e g a t ei sd e t e r m i n e d b a s e d o nv o l u m em e t h o d ，r a t i oo fc o a r s ea n df i n ea g g r e g a t eg r a d a t i o ni sp r e l i m i n a r yd e t e r m i n e d o n t h a tb a s i s ，i ti ss t u d i e da s p h a l tm i x t u r eg r a d a t i o no p t i m i z a t i o no fe a c hs t u r t u r el a y e rb a s e do n a s p h a l tl a y e rf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，a n dr e c o m m e n da s p h a l tm i x t u r eg r a d a t i o nr a n g eo f e a c h l a y e r s t h er e s u l tc a nb er e f e r e n c e da n da p p l i e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：b i t u m i n o u sm i x t u r e ，g r a d a t i o no p t i m i z a t i o n ，l a y e r c o n t r i b u t i o n ，r o a d 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 近2 0 年来，我国公路建设特别是高速公路建设发展迅猛，而沥青路面以其优良性 能在高等级公路建设中得到广泛应用。随着工程实践的深入，发现沥青路面在使用过程 中也存在一些问题如早期车辙、开裂及水损坏等，带来较大的经济损失和不良的社会影 响。造成沥青路面发生早期损坏的原因十分复杂，涉及结构设计、材料设计、建设管理、 施工质量、养护、交通荷载以及自然环境的作用等方面，其中各结构层沥青混合料性能 好坏是影响路面使用性能和使用寿命关键因素。 沥青路面结构有着高温抗车辙、抗低温开裂性能、抗水损坏性能、抗滑性能以及耐 久性等多功能的要求。而对于沥青混合料来说，这些性能往往是互相矛盾或是相互制约， 其中最突出的有以下两对矛盾： ( 1 ) 高温稳定性和疲劳性能、低温抗裂性能的矛盾。为了提高高温抗车辙能力， 希望尽量采用粗级配，增大集料粒径，增加集料数量，减少用油量，但这样的混合料低 温劲度大，很容易开裂，疲劳性能和施工性能也差。而为了提高耐久性和低温抗裂性能， 希望使用针入度较大、用量较多的沥青和用较细的、空隙率小的混合料，但又容易出现 软化、泛油、车辙等破坏； ( 2 ) 路面表面特性和耐久性的矛盾。高速公路对表面特性的要求较高，要求抗滑 性能好，水雾小、不溅水，噪音轻。为了达到这个目的，必须提高表面粗糙度，采用构 造深度大的开级配或半开级配。但是这样的混合料空隙率必然较大，而空隙率大的混合 料耐久性又差。而为了提高沥青混合料的耐久性，减轻沥青的老化，减少混合料内部水 分的滞留，提高沥青与矿料的协同作用，则要求采用较小的空隙率。 沥青路面的各结构层对于实现路面使用性能要求和保证预定使用寿命，分别扮演不 同的角色，承担不同的任务，发挥不同的作用。上面层是直接承受行车荷载反复作用， 并还受到降水的浸蚀气温变化的影响，因此，同其它层次相比，上面层不仅应具有良好 的高温稳定性以及低温抗裂性，而且应当耐磨、不透水，其表面还应有良好的抗滑性和 平整度。中面层一般位于路面深度4 0 , - - 1 0 0 m m 的范围内，研究表明在该范围内荷载引起 路面竖向剪应力最大，在高温作用下易产生车辙，因此中面层主要承担着抗车辙的功能。 下面层在荷载作用下产生拉应力易使该层产生疲劳裂缝，而随着轴载的增大最大剪应力 第一苹绪论 。、 出现位置也随之下移而进入下面层，因此，下面层主要承担着抗车辙以及部分抗疲劳肆 裂的功能。而沥青混合料性能应与之对应结构层功能相适应，充分发挥沥青混合料某 性能方面优势，适当解决沥青混合料不同性能之间矛盾。然而，我国目前结构层沥青憾 合料基本上按全功能要求进行设计的，缺乏对各结构层功能考虑，反而影响结构层所慧 求的沥青混合料性能的充分发挥。因此，为了最大程度地缓解路面多功能要求所引起啕 矛盾，且充分发挥材料的潜力，降低成本，有必要针对路面各结构层层位功能要求优化 设计各结构层混合料组成没计。 论文以此为背景，在分析路面破坏类型及级配对其影响基础上，提出基于层位码 能考虑的各结构层沥青混合料级配优化方法。并结合陕西省高速公路路面结构，开瓞 对沥青路面各结构层级配优化研究，目的在于提出基于层位功能的各结构层沥青混令 料级配范围，以供工程实践时使用。 1 2 国内外研究现状 目前矿料级配理论主要有最大密实曲线理论和粒子干涉理论【l 】。最大密实曲线理论 认为矿料按最大密实度曲线组成时，密度最大。粒子干涉理论则认为，为达到最大密实 度，前一级颗粒之间的空隙应该被下一级颗粒填充，次小颗粒填充其余空隙；当填充的 颗粒粒径大于颗粒间隙之间的距离时，大小颗粒之间会产生干涉现象，致使大颗粒被撑 开影响密实度。在这两种理论基础上，发展了传统连续式密级配、间断级配、折断级配 及多级嵌挤式密级配。这些级配各有优缺点，代表了沥青混合料矿料级配的发展历程。 传统连续式密级配被广泛的应用在沥青混合料设计中，理想的连续级配曲线接近抛 物线。由于现代交通荷载加剧，这种级配类型的沥青路面常常会因热稳定性不足而产生 车辙、波浪、推移等早期路面损坏。嵌挤而又密实的间断级配，因沥青混合料的内摩阻 力和粘聚力得到很好的平衡，所形成的沥青混合料强度高、密度大、稳定性好，且抗滑 不透水，是沥青路面理想的级配类型。但由于这种级配类型对材料、设计和施工技术水 平要求较高，如果处理不当会导致离析，限制了推广应用。林绣贤【2 j 针对间断级配存在 的问题提出了折断型级配，在一定程度上解决了问题。但在实际中，折断型级配难以操 作，因而限制了它的使用。在综合传统连续密级配和间断级配沥青混合料优点的基础上 形成了的多级嵌挤式密级配【3 1 。它强调了集料颗粒之间的相互嵌挤，理论上保持了密级 配沥青混合料密水性强、耐老化的优点，同时克服了i i 型混合料耐久性差和抗水损害能 力的缺点，更适合作为高速公路和重交通公路的沥青面层级配形式。但是目前这种级配 2 长安大学硕士学位论文 类型还没有形成系统的设计及评价方法。 对于这些级配类型，产生了一些级配计算方法，如n 、k 、i 法，但它们都是理论的 级配计算方法，未考虑组成级配的集料颗粒特性，没有体现沥青混合料的体积特性，从 而无法从体积结构特性上体现沥青混合料的路用性能，一般不能直接用于沥青混合料级 配设计。这些方法都是无穷级数，最小粒径不能控制，往往会使 4 54 9 0 延度5 。c ，5 c m m i n ( c m ) 4 56 5 3 密度1 5 。c ( g c m 3 ) 实测 0 9 8 5 运动粘度1 3 5 ( p a s )9 1 7 0 7 闪点( ) 2 4 52 8 9 溶解度( ) 9 9 59 9 8 弹性恢复2 5 c ( ) 5 56 7 储存稳定性，4 8 h 软化点差( )叟5 2 0 t f o t h 或t f o t h 质量变化( )垒1 0 0 5 3 0 针入度比2 5 ( ) 6 07 1 6 残留物 延度5 c ( c m ) 2 02 5 5 ( 2 ) 集料 粗细集料采用安康赢湖的石灰岩，各技术指标见表2 9 2 1 0 ，满足规范要求。 2 0 长安大学硕士学位论文 表2 9 粗细集料技术性能 集料规格指标规范要求 测试值 石料压碎值( )q 8 1 1 6 洛杉矶磨耗值( )9 01 4 7 粗集料 吸水率( )91 2 针片状颗粒含量( ) s 1 5 8 7 与沥青粘附性芝5 5 细集料砂当量( ) 6 0 7 8 5 棱角性( ) 2 5 含水量( ) 0 6l 塑性指数2 1 亲水系数0 8 l 2 1 第三章基于综合性能的上面层沥青混合料级配优化 第三章基于综合性能的上面层沥青混合料级配优化 3 1基于逐级填充的级配拟定 3 1 1 粗集料级配确定 ( 1 ) i 级填充捣实试验 取d o ( 1 9 1 6 m m ) 集料2 0 k g ，将 d l ( 1 6 - - , 1 3 2 m m ) 集料与d o 集料用量不同比例组合， 进行捣实试验，试验结果见表3 1 和图3 1 。 表3 1i 级捣实试验结果 1 9 一1 6 m m ：1 6 - 1 3 2 m m 捣实密度( g c m 3 ) 间隙率( ) 1 0 0 ：0 1 6 2 44 2 7 1 8 8 0 ：2 0 1 6 2 74 2 4 0 3 6 0 ：4 0 1 6 4 l4 2 0 7 5 4 0 ：6 0 1 6 6 74 1 9 5 l 3 0 ：7 0 1 6 9 54 1 5 8 3 2 0 ：8 01 6 8 44 1 6 2 8 1 0 ：9 01 6 64 1 8 2 2 0 ：1 0 01 6 5 44 2 1 0 3 1 7 1 6 9 1 6 8 笔1 6 7 31 6 6 嚣1 6 5 1 6 4 1 6 3 1 6 2 7 广、 | 、 | j 【 ， ， 一一， 01 02 0 3 0 4 05 06 0 7 0 8 0 9 01 0 0 1 6 1 3 2 m 粒径集料掺量( ) 糌 篮4 2 屋 1 | j f jj l ， o1 0 2 0 3 04 0 的6 07 08 0 9 01 0 0 1 6 1 3 2 粒径集料掺量( ) 图3 1i 级捣实试验结果 由图3 1 可以看出，在d l 与d o 用量以不同比例进行逐级填充时，当d o 用量与d l 用量的比例为2 5 ：7 5 时，混合集料的捣实密度达到得峰值，间隙率形成低谷，当d o 用量 与d l 用量的比例为2 0 ：8 0 时，捣实密度变小，说明添加d l 用量超过7 5 时已经破坏了 d o 形成的骨架结构。 2 2 长安大学硕上学位论文 ( 2 ) l i 级填充捣实试验 在i 级填充的基础上，进行i i 级填充。分别以d o 、d l 比例为2 5 ：7 5 、3 0 ：7 0 和3 5 ：6 5 作为h 级捣实试验的主体，变化d 2 ( 1 3 2 9 5 r a m ) 集料的用量捣实，分别可得d 2 集料的 用量与捣实密度、间隙率的关系，结果见表3 2 和图3 2 。 表3 21 i 级填充捣实试验结果 d o ：d i 2 5 ：7 53 0 ：7 03 5 ：6 5 19 - 13 2 m m ：l3 2 9 5 m m 捣实密度间隙率捣实密度间隙率捣实密度间隙率 ( g c m 3 )( )( g c m 3 )( )( g c m 3 )( ) 1 0 0 ：0 1 6 6 54 1 4 0 31 6 5 24 1 6 6 21 6 5 54 1 7 8 5 8 0 ：2 0 1 6 6 34 0 7 0 31 6 5 94 1 5 4 81 6 5 7 4 1 6 3 7 6 0 ：4 0 1 6 7 34 0 4 2 41 6 6 34 1 2 5 51 6 6 34 1 5 0 2 4 0 ：6 0 1 6 6 44 0 6 0 21 6 6 24 1 5 6 21 6 5 44 1 4 0 6 3 0 ：7 0 1 6 5 34 0 7 5 51 6 5 84 1 7 1 51 6 4 64 1 7 1 3 2 0 ：8 0 1 6 4 9 4 0 8 6 3 1 6 4 64 1 8 4 71 6 44 1 9 1 7 1 0 ：9 0 1 6 3 74 1 2 6 81 6 4 24 1 9 3 61 6 3 7 4 1 9 6 7 0 ：l o o 1 6 3 64 1 5 21 6 34 1 9 4 31 6 3 6 4 1 9 9 3 目 o u 避 镩 奄j ( 辖 6 7 6 6 6 5 6 4 入 人 ， 婆 ，l 严 、 心、 蜀 _ d 0 - d l = 2 5 ：7 5 迟 _ d o ：d 1 - - 3 0 ：7 0 d o ：d l = 3 5 ：6 5 4 2 2 4 2 4 1 8 4 1 6 毋 。4 1 4 茎4 1 2 厘 4 1 4 0 8 4 0 6 4 0 4 i - d o ：d i = 2 5 ：7 5 i 卜d o ：d 1 - - 3 0 ：7 0 一 jd o ：d 1 = 3 5 ：6 5 矿7 气，卢 一i v i i f夕 专- 厂 也 厂 oz o4 01 5 07 08 09 01 0 0 o z o 4 0 6 0 7 0 8 0 9 01 0 0 填充比例填充比例 图3 2 级捣实试验结果 由图3 2 可知，不同组合的粗集料经捣实后，其捣实密度在各组都会出现一个峰值。 当d o 与d l 粒径集料的用量比例分别为2 5 ：7 5 到3 5 ：6 5 时，达到最大捣实密度所对应d 2 粒径集料用量为三种集料总量的4 0 。当d 3 用量相同的情况下，增大d l 的含量所测的 间隙率反而降低，这说明了1 3 2 9 5 m m 粒级集料对1 9 1 3 2 m m 粒级集料形成的骨架结 构存在较大的干涉作用，对骨架结构的稳定性造成不利影响。粗集料在某个组合时，能 第三章基于综合性能的卜面层沥青混合料级配优化 够在捣实的过程中相互运动并在相互嵌挤作用达到最大时停止运动，此时粗集料的捣实 密度达到最大。根据i i 级捣实试验的结果，d o 、d l 、d 2 的比例在1 5 ：4 5 ：4 0 时，混合料 的捣实密度为最大，也是集料之间相互嵌挤作用最强的组合。 ( 3 ) i i i 级填充捣实试验 在i 、i i 级填充的基础上，进行i 级填充。分别以d o 、d l 、d 2 比例为1 5 ：4 5 ：4 0 、 1 7 ：5 3 ：3 0 作为1 1 级捣实试验的主体，变化d 3 ( 9 5 4 7 5 m m ) 集料的用量捣实，分别可得 d 3 集料的用量与捣实密度、间隙率的关系，结果见表3 3 和图3 3 。 表3 31 1 1 级捣实试验结果 d o ：d g d 2 15 ：4 5 ：4 01 7 ：5 3 ：3 0 19 , - , , 9 5 ( m m ) ：9 5 4 7 5 ( m m ) 捣实密度捣实密度 ( g c m 3 ) 间隙率( )间隙率( ) ( g c m 3 ) 1 0 0 ：0 1 6 9 44 0 1 1 31 7 0 24 0 0 7 3 8 0 ：2 0 1 6 9 74 0 0 0 91 7 1 23 9 9 2 7 6 0 ：4 0 1 7 0 43 9 8 5 31 7 1 53 9 7 4 8 4 0 ：6 0 1 7 0 13 9 8 7 2 1 7 1 03 9 8 3 5 3 0 ：7 0 1 6 9 8 4 0 0 2 5 1 7 0 63 9 8 7 7 2 0 ：8 0 1 6 8 74 0 2 3 71 6 9 6 4 0 0 6 3 1 0 ：9 0 1 6 74 0 3 8 l1 6 8 54 0 1 0 2 o ：1 0 0 1 6 6 94 0 3 9 61 6 7 34 0 2 4 l 暑1 7 鼬 趔1 6 9 钕 林1 6 8 寝 1 6 7 1 6 6 厂冬i | l 戈。 忭_迭j _ |7 、 、岁 p 一 俺 1 - d o ：d l ：d 2 = i ) 1 7 ：5 3 ：3 0 卜d o ：d l ：d 2 = ? 、一 1 5 ：4 5 ：4 0 0l o2 03 04 05 06 07 0舳l 9 5 - 4 7 5 m m 集料比例 糌 餐 厘 图3 3i n 级捣实试验结果 由图3 3 可以看出，当四种集料以不同比例进行逐级填充时，当d 3 用量到达4 0 ， 混合集料的捣实密度达到得峰值，间隙率形成低谷，继续填充4 7 5 m m 集料的用量，振 2 4 长安大学硕士学位论文 实密度变小，说明添加d 3 用量超过6 0 时已经破坏了d o 形成的骨架结构。根据i i i 级捣 实试验的结果，四档集料的比例在9 ：2 7 ：2 4 ：4 0 ，混合料的捣实密度为最大，间隙率最小， 也是集料之间相互嵌挤作用最强的组合。因此，粗集料的级配比例确定为9 ：2 7 ：2 4 ：4 0 。 3 1 2 粗细集料比例 粗细集料合成计算指标见表3 4 。 表3 4 粗细集料合成计算所用材料参数 按最佳比例混合后粗集料 细集料合成 矿粉密度 指标 最小间隙率粗集料毛体捣实密度 毛体积密度沥青密度阢 v c a d l c积密度p 缸p 矿 p 单位 g c m 3g c m 3g c m 3g e m 3g e m 3 材料参数 3 9 8 7 22 6 3 2 1 7 0 12 6 9 32 6 5 71 0 3 8 3 5 。 根据逐级填充试验确定的粗集料级配比例和基于n 法确定的细集料级配比例见表 表3 5 粗、细集料级配 集料类型集料粒径( m m ) 比例 1 6 9 1 3 22 7 粗集料 9 5 2 4 4 7 54 0 2 3 62 9 5 1 1 82 0 7 0 61 4 细集料 o 31 0 4 0 1 57 3 0 0 7 51 7 8 对于本文上面层a c 1 6 ，假设沥青混合料空隙率为4 ，矿粉质量百分比m d 通常为 6 ，粉胶比为1 2 ，则沥青油石比m 。为5 。 将表3 7 中数据代入公式( 2 3 2 5 ) ，得到粗用量m 。= 6 6 4 7 、细集料的m f = 2 7 5 3 、 矿粉m 。= 6 ，粗细集料的比例是6 5 ：3 5 ，合成级配见表3 6 中s j 2 。同时，变化粗细集料 比例7 0 ：3 0 、6 0 ：4 0 、5 0 ：5 0 得到表3 6 中s j l 、s j 3 、s j 4 ，并在表中列出公路沥青路面设 计规范( j t g d 5 0 2 0 0 6 ) 规定的级配范围，以资对比。各级配曲线见图3 4 。 第三章基于综合性能的上面层沥青混合料级配优化 表3 6 合成级配 通过下列筛孔( m m ) 的质量百分比( ) 级配类型 1 9 1 61 3 29 54 7 5 2 3 61 1 8 o 60 3o 1 5 0 0 7 5 s j l l o o9 4 7 55 9 3 0 2 4 1 81 51 2 l l6 s j 21 0 09 47 66 13 52 72 l 1 71 41 27 s j 31 0 09 47 86 34 0 2 92 2 1 8 1 4 1 2 6 s j 4 l o o9 48 16 95 03 62 62 01 61 2 5 a c 1 61 0 09 0 1 0 07 0 9 26 0 8 03 4 6 22 0 4 81 3 3 69 2 6 7 1 85 1 44 8 图3 4 级配曲线 如图3 4 所示，四组级配都位于规范规定的级配范围内，其中设计级配s j 4 几乎与 规范中值重合，其他三组级配基本位于中值与规范下限之间，说明通过逐级填充设计级 配的粗集料用量偏多。在级配确定过程中，各筛孔通过率的数值决定于两个方面，一方 面与逐级填充干捣实试验结果得出的粗集料各粒径段相互比例有关，另一方面与粗细集 料的相互比例有关。 3 2 基于综合性能的沥青混合料级配的优化 根据第二章对各结构层层位功能分析可知，沥青上面层要求综合性能优良。本节基 于上面层综合性能的要求下，对沥青混合料级配进行优化研究。选用级配见表3 6 。 3 2 1马歇尔试验结果及分析 ( 1 ) 油石比预估 首先，对沥青混合料初始油石比进行预估。沥青混合料预估的初始油石比可根据集 2 6 长安大学硕士学位论文 料的合成毛体积相对密度、已建类似工程集料的合成毛体积相对密度以及已建类似工程 沥青混合料的标准油石比来计算；在缺乏已建类似工程资料的情况下，也可采用式 ( 3 1 h 3 4 ) 预估热拌沥青混合料初始油石比。 有效沥青匕瓯= 警= 黼毒( ) ( 3 1 ) 被集料吸去的沥青油石比鲩= c w g b ( 3 2 ) pg s e g s b i = 一 其中g 。一g 曲；矽( ) = ( 1 g 曲一1 g 蹦) x 1 0 0( 3 3 ) 沥青混合料的最佳油石比 q = 鲰+ 瓯2 丽v m a - v 岳“川g a ( 3 4 )沥青混合料的最佳油石比 1 _ u w 川眦u 曲 ( 3 4 ) 式中：v v 一空隙率( ) ； v m a 一沥青混合料间隙率( ) ； g 6 沥青密度( c n l 3 ) ； g 扩一集料的合成毛体积密度( g c m 3 ) ； g 一集料的表观毛体积密度( c m 3 ) ； c l 集料吸入沥青体积系数； 阻集料面干吸水率( ) 。 表3 7 预估油石比各参数 预估油石比所用的各参数 q b eq b 。 油石比预 w ( )、仆，i a ( )g b ( g c m 3 )g s b ( g c m )鳅g c m 3 ) c 瞅呦 估值( ) 41 3 51 0 3 82 3 9 +2 6 7 50 8 40 3 3 24 7 6o 2 85 ( 2 ) 马歇尔试验结果 对s j l 、s j 2 、s j 3 、s j 4 四种级配，油石比分别为4 4 、4 7 、5 、5 3 进行马歇 尔试验，结果见表3 8 。 2 7 第三章基于综合性能的上面层沥青混合料级配优化 表3 8 各级配沥青混合料马歇尔试验结果及其体积指标 级配油石比 最大相对 毛体积空隙率 矿料沥青 稳定度 流值 间隙率饱和度 类型 ( ) 理论密度 相对密度( )( k n )( m m ) ( ) ( ) 4 42 5 6 22 4 1 65 6 9 91 3 6 47 6 3 68 5 62 5 3 4 72 5 4 62 4 24 9 4 9】3 3 57 9 8 89 5 83 1 4 s j l 52 5 3 52 4 2 64 3 0 01 2 6 48 0 4 81 0 73 4 5 32 5 1 82 4 2 83 5 7 41 2 1 78 1 6 98 6 63 1 2 4 4 2 5 6 52 4 3 25 1 8 51 2 8 57 5 7 19 1 8 2 3 5 4 72 5 5 92 4 4 64 4 1 61 2 6 47 8 7 21 0 9 1 3 0 1 s j 2 52 5 3 82 4 5 33 3 4 91 2 3 58 0 5 21 3 23 0 4 5 32 5 1 l2 4 5 72 1 5 11 1 8 58 1 2 71 0 83 1 4 42 5 6 22 4 35 1 5 21 4 5 57 0 5 27 8 l3 1 9 4 72 5 5 52 4 3 84 5 7 91 4 3 67 3 1 58 7 12 9 2 s j 3 52 5 3 52 4 4 53 5 5 01 4 0 67 5 6 59 5 12 8 6 5 32 5 1 42 4 6 22 0 6 81 3 8 57 7 1 l9 1 23 3 6 4 42 5 6 62 4 0 46 3 1 31 5 8 46 0 51 3 7 93 0 7 5 4 72 5 52 4 1 75 2 1 61 4 7 16 8 51 4 0 63 1 3 8 s j 4 52 5 ：3 42 4 2 44 3 4 l1 4 5 87 5 41 5 0 53 2 1 3 5 32 5 1 32 4 2 73 4 2 21 4 3 58 2 31 4 2 93 3 1 3 根据表3 8 中数据，s j l 、s j 2 、s j 3 、s j 4 四种级配沥青混合料最佳油石比分别确定为 4 8 、4 8 、4 9 、4 9 。 ( 2 ) 体积参数 根据表3 8 中数据，将毛体积相对密度、空隙率v v 、间隙率v m a 绘制成图，见图 3 5 。 2 8 长安大学硕士学位论文 图3 5 不同级配的马歇尔体积参数 如图3 5 所示，在相同油石比下，马歇尔试件毛体积相对密度和空隙率的大d , j 顷序 大致相同，即s j 2 s j 3 s j l s j 4 ， 随着粗集料的减小，动稳定度先增大后减小，粗集料含量在6 5 左右时，混合料动稳定 度达到最大，为9 0 0 0 次m m 。6 0 m i n 和4 5 m i n 时车辙深度的规律相同，s j 2 s j 3 s j 3 s j 4 ；而在 2 h 、4 h 小时轮辙试验后，s j 2 的构造深度最大，但其衰减速率却基本上是最小的。分析 其原因，s j 2 的结构类型是紧装骨架密实结构，粗集料之间相互嵌挤，细集料填充密实， 使得s j 2 具有较高的强度，车轮荷载的作用使细料和沥青上浮困难。因此，级配s j 2 的 从构造深度来看，抗滑性能最好。 摩擦系数越大，路面抗滑性能越好。四种级配沥青混合料的摩擦系数顺序是：s j 4 s j 3 s j 2 s j l ，其结果与粗集料含量有较好的相关性，粗集料越多，沥青混合料摩 擦系数越小。分析其原因，一方面由于粗集料本身的微观粗糙度小，另一方面粗集料表 面裹附有沥青，减小了粗集料表面的粗糙度。所以影响摩擦力的主要原因是沥青混合料与 摆式仪的接触面积。粗集料太少，这时滑块与试板之间的接触面积会因为沥青和细集料 的较多掺入而变大，使得摩擦力变大。粗集料相对较多的级配s j l 摩擦系数最大。 综合考虑构造深度和摩擦系数两个指标，粗细比例为6 5 ：3 5 的s j 2 抗滑性能最优。 3 2 5 水稳定性 ( 1 ) 浸水马歇尔试验 3 2 长安大学硕士学位论文 四种级配浸水残留稳定度试验结果见表3 1 2 和图3 8 。 表3 1 2 浸水残留稳定度 级配s j ls j 2s j 3s j 4 初始稳定度( k n ) 1 0 71 3 1 1 2 1 1 9 5 3 浸水4 8 h 后稳定度( 1 ( 8 9 61 2 3 ll o 9 27 3 5 残留稳定度( ) 8 3 79 4 09 0 2 7 7 1 图3 8 不同级配类型的残留稳定度 从试验结果可以看出，四种级配的水稳定性能由大到小的顺序如下：s j 2 s j 3 s j l s j 4 。 在沥青和集料相同的情况下残留稳定度和空隙率有很大的关系。由于s j 2 的空隙率 小，稳定度和残留稳定度都较大，证明设计级配不易被水侵入，水稳定性较好，抗水损 害的能力较强。 ( 2 ) 冻融劈裂试验 冻融劈裂试验试验条件苛刻，反复冻融循环的过程可以很好地模拟了实际路面上空 隙水在行车荷载作用下对沥青膜的挤压破坏作用，能够有效的判断级配的水稳定性。试 验结果见表3 1 3 。 表3 1 3 冻融残留稳定度 级配 s j ls j 2s j 3s j 4 冻融循环后试件的劈裂强度r l ( m p a ) 0 7 30 8 2o 7 8o 5 7 未冻融循环后试件的劈裂强度r 2 ( m p a ) 0 8 90 9 4o 9 20 7 2 冻融劈裂试验强度比实测值 8 28 78 57 9 t s r 要求 7 5 7 5 7 5 7 5 根据试验结果可以得到以下结论：四种级配的水稳定性的大小顺序为 s j 2 s j 3 s j l s j 4 。不难发现，s j 2 有着优异的抗水损害性能，其粗细集料搭配均匀，也 第三章基于综合性能的j ：面层沥青混合料级配优化 保证了级配的水稳定性。s j 2 粗集料含量较高，在一定程度上形成嵌挤结构，混合料受 冻变形时，粗集料之间的骨架结构会提供较大的内摩阻力，能在一定程度上提高抵抗应 力，减少冻融循环作用应力对混合料造成的破坏，尽量降低强度的损失量。s j 4 接近规 范普通密级配沥青混合料a c 1 6 中值由于沥青膜较薄，在冻融循环过程中，抗水损害性 能减弱，5 0 次击实条件下，其空隙率处于一个不利的范围，在此空隙率范围水容易渗进 而难以排出，存留于沥青混合料空隙中的水分将产生很大动水压力，对沥青混合料的破 坏作用是不言而喻的。 3 3 a c 1 6 型上面层沥青混合料优化级配范围 综合上述四种级配性能，比较结果如下： ( 1 ) 低温抗裂性能：s j 2 s j 3 s j l s j 4 ； ( 2 ) 高温稳定性能：动稳定度排序：s j 2 s j 3 s j l s j 4 ，6 0 m i n 和4 5 r a i n 时车辙 深度：s j 2 s j 3 s j l s j 4 ( 4 ) 抗滑性能：s j l s j 2 s j 3 s j 4 综合比较可以看出，级配s j 2 的综合性能最优，满足上面层的层位功能要求，因此 把s j 2 作为最优级配，本着便于现场施工应用，防止级配控制范围过于宽泛，参照沥 青路面设计规范中允许波动范围( 粗集料士5 、细集料士2 ) ，提出了推荐工程级配范 围见表3 1 4 。 表3 1 4 推荐级配 筛孑l ( m m ) 1 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 6o 3o 1 50 0 7 5 推荐范围1 0 09 9 8 98 1 7 l6 6 5 64 0 3 02 9 2 52 3 1 91 9 1 51 6 1 21 4 1 09 5 建议级配 1 0 0 9 47 6 6 13 52 7 2 l1 71 41 27 3 4 长安大学硕士学位论文 第四章基于高温性能的中面层沥青混合料级配优化 4 1 基于逐级填充的级配拟定 4 1 1 粗集料级配确定 ( 1 ) i 级填充捣实试验 取d o ( 3 1 5 2 6 5 m m ) 集料2 0 k g ，将d o ( 3 1 5 2 6 5 m m ) 集料与d 1 ( 2 6 5 - 1 9 m m ) 集料用量 不同比例组合，进行捣实试验，试验结果见表4 1 和图4 1 。 表4 1i 级填充捣实试验结果 31 5 2 6 5 m m ：2 6 5 - 19 m m 捣实密度( g c m 3 )间隙率( ) 3 ：l1 5 2 4 4 2 7 1 8 2 ：l 1 5 2 7 4 2 4 0 3 1 ：1 1 5 4 14 1 9 7 5 1 ：2 1 5 5 34 1 7 5 l 1 ：3 1 5 4 84 1 8 7 3 ( a ) d 。：d 。填充比例与捣实密度关系曲线 ( b ) d 。：d 。填充比例与间隙率关系曲线 图4 1i 级填充捣实试验结果 从试验结果可以看出，当d o ：d l 按不同比例进行填充时，所有组合方式捣实密度和 间隙率呈现出统一的规律。当d o ：d l 比例为1 ：2 ，矿料的捣实密度最大，间隙率最小， 而当比例是3 ：1 和2 ：1 时，捣实密度明显偏小间隙率偏大。在i i 级填充试验中d o ：d 1 最 佳比例选择为l ：2 。 ( 2 ) 在i 级填充的基础上，进行i i 级填充。增加d o ：d l 比例1 ：1 和1 ：3 ，作为比较。 第四章基于高温性能的中面层沥青混合料级配优化 d e ( 1 9 1 6 m m ) 集料用量比例及试验结果见表4 2 和图4 2 所示。 表4 2i i 级填充捣实试验结果 31 5 2 6 5 m m ：2 6 5 1 9 m m l ：l1 ：2l ：3 3 1 5 1 9 m m ：1 9 1 6 m m 捣实密度间隙率捣实密度 间隙率捣实密度间隙率 ( g , c m 3 )( )( g c m 3 )( )( g c m 3 )( ) 3 ：l1 5 6 34 1 2 11 5 6 74 1 0 7 3 1 5 6 24 1 3 9 3 2 ：11 5 6 64 1 0 6 41 5 7 24 0 9 3 81 5 6 84 1 0 9 1 1 ：11 5 7 44 0 8 3 41 5 7 84 0 6 5 31 5 7 24 0 7 6 2 1 ：21 5 84 0 6 3 21 5 8 34 0 5 8 l1 5 7 94 0 6 7 6 1 ：31 5 7 84 0 7 2 51 5 84 0 6 0 11 5 7 64 0 7 8 3 ( a ) 填充比例与捣实密度关系曲线( b ) 填充比例与间隙率关系曲线 图4 2u 级填充捣实试验结果 从表4 2 和图4 2 中可以看出，当d 2 按不同的比例填充到矿料混合料中，d o ：d l 比 例选择为1 ：2 的间隙率明显小于比例为1 ：1 和1 ：3 时，所以d o ：d l 最佳比例是1 ：2 。三档 集料捣实填充时，捣实密度逐渐增大后减小，间隙率也形成低谷。当3 1 5 1 9 m m ：1 9 1 6 m m 集料组成比例为l ：2 时，有较小的间隙率，密实良好，为最佳组合。在i i i 级填充 试验中3 1 5 1 9 m m ：1 9 1 6 m m 最佳比例选择为1 ：2 。 ( 3 ) i i i 级填充捣实试验 在i i 级填充形成骨架结构的基础上，进行i i i 级填充。变化d 3 ( 1 6 - 1 3 2 m m ) 集料的用 量捣实，分别可得d 3 集料的用量与捣实密度、间隙率的关系，结果见表4 3 和图4 3 。 长安大学硕士学位论文 表4 3 级填充捣实试验结果 31 5 - 1 9 ( m m ：1 9 1 6 ( m m ) 1 ：2 1 ：3 3 i 5 1 6 ( m m ) ：1 6 - 1 3 2 ( m m ) 捣实密度间隙率捣实密度间隙率 ( g c m 3 )( )( g c m 3 )( ) 5 ：11 7 0 43 9 4 1 3 1 7 0 23 9 4 7 3 4 ：l 1 7 1 73 9 4 0 91 7 2 43 9 3 2 8 3 ：l1 7 1 43 9 3 5 31 7 3 43 9 2 5 3 2 ：11 7 0 4 3 9 7 7 2 1 7 1 63 9 6 6 8 1 ：11 6 9 83 9 8 2 5 1 6 8 13 9 8 8 l 目 o 均 v 趟 稚 诛 霉 卜1 ：0 1 - - 1 1 - - - 1 ：0 2 5 ：14 ：13 ：12 ：l1 ：1 填充比例 ( a ) 填充比例与捣实密度关系曲线( b ) 填充比例与间隙率关系曲线 图4 3 级填充捣实试验结果 从表4 3 和图4 3 中可以看出，当d 3 按不同的比例填充到矿料混合料中，( d o + d i ) ；d 2 比例为1 ：2 时的间隙率明显小于比例为1 ：3 时，所以( d o + d 1 ) ：d 2 最佳比例为1 ：2 ：四档集 料捣实填充时，捣实密度逐渐增大