（材料学专业论文）用于薄层罩面的ac10沥青混凝土级配组成及路用性能的研究.pdf

摘要 a c 1 0 薄层沥青混凝土适用于路面薄层罩面，能有效减小加铺层厚度，降低对养护 后路面标高的影响。在高速公路路面养护中有着广泛的应用前景，但在实际应用中发现， 这类细粒式沥青混凝土的耐久性、抗滑性能及抗高温变形能力经常会出现问题，表现为： 一是密实性良好，但抗高温变形能力和抗滑性能差；二是具有良好的抗滑和抗车辙能力， 但孔隙率大，以至于耐久性能差。因此，如何在保证其路用性能前提下提高构造深度和 抗高温变形能力，保证路面行车安全是应加以深入研究的。 结合目前国内外的应用实例，设计了几种不同级配的a c 1 0 沥青混合料。引入 s u p e r p a v e 技术的控制点和禁区概念来控制混合料级配曲线的走向，通过马歇尔试验研 究了关键筛孔( 2 3 6 m m ) 的通过率对马歇尔各项指标的影响；通过对新增7 1 m m 通过 率的调整，得到了a c 1 0 沥青混凝土孔隙率随7 1 m m 筛孔通过率变化的分布规律；利 用压碎值试验测试方法对2 3 6 m m 以上粗集料设计了五组级配，对混合料骨架进行研究， 分析出了关键筛孔2 3 6 m m 集料对混合料骨架结构的影响。并利用回归分析得到压碎值 试验结果与构造深度之间的函数关系；对a c 1 0 型混合料设计中的几个重要参数：c a 比、f a c 比、油石比以及7 1 m m 筛孔通过率采用正交试验方法，设计了9 组级配，对 a c 一1 0 沥青混凝土的抗滑性能进行研究。试验结果表明对抗滑性能影响最大的是c a 比， 其次是油石比。通过这个结论重点研究了c a 比对抗滑性能的影响。进而分析了贝雷法 公式中两个重要筛孔p d ，：( 4 7 5 m m ) 和( 2 3 6 m m ) 对抗滑性能的影响。本文的试 验结果表明，通过调整7 1 m m 通过率，合理控制c a 比、拌合温度以及油石比得到了抗 滑特性优、抗高温变形能力强同时耐久性能好的a c 1 0 薄层罩面。 关键词：a c 1 0薄层罩面关键筛孔骨架压碎值试验c a 比 a b s t r a c t t h ea s p h a l tc o n c r e t eo fa c 一10t y p ei su s e di nt h eo v e r l a yo fp a v e m e n t ，c a nr e d u c et h e t h i c k n e s so fo v e r l a ye f f e c t i v e l y , a n dc a nb eu s e da st h em a tc o a to ft h i nl a y e ro fp r e v e n t a t i v e m a i n t e n a n c e b a s eo nt h ea s p h a l tp a v e m e n th a sg o o dp e r f o r m a n c e ，m a k e sv e h i c l ec a n f a s t ，c o m f o r t a b l e ，s a f eg o i n g a sm a tc o a t ，s o l v e s t h ec o n t r a d i c t i o na m o n gt h e t h es e a l e d w a t e r , d u r a b i l i t ya n ds u r f a c et e x t u r ed e p t ho nt h ep a v e m e n t ，h a sa l r e a d yb e c o m et h ei m p o r t a n t s u b j e c tn o w a d a y ss t u d y i n gb o t ha th o m ea n da b r o a d i nv i e wo ft h i s ，t h i st e x th a sc a r r i e do n r e s e a r c hi ns e v e r a lf o l l o w i n gr e s p e c t s ： a d o p tm a r s h a l l sd e s i g nm e t h o da n ds u p e r p a v ea c t u a lm e t h o d ，c o m b i n et h ep r e s e n t d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la p p l i c a t i o ni n s t a n c e ，a n di n t r o d u c et h es i e v ep o r eo f7 1m mi ns i z e g r a d a t i o n ，d e s i g ns e v e r a lk i n d so fa c - 10b i t u m i n o u sm i x t u r e c a r r yo nc o m p a r a t i v ea n a l y s i s t ot h ei n d e xo fm a r s h a l lo ft h e s ek i n d so fg r a d e ds a m p l e st h r o u g ht e s t i n g ，t h er e s u l to ft h et e s t s h o w s ：t h ep a s s i n gr a t et h a tt h ek e ys i e v ep o r e2 3 6 m mh a sc o m p a r a t i v e l yr e m a r k a b l e i n f l u e n c eo ne v e r yi n d e xo fm a r s h a l l t h r o u g ht ot h ea d j u s t m e n to ft h ep a s s i n gr a t eo f 7 1m m ，h a v eg o tt h ed i s t r i b u t i o nl a wo fc h a n g eo fp a s s i n gr a t et h a tt h ep o r o s i t ys i f t st h es i e v e p o r ew i t h7 1m m u t i l i z et h em e t h o do fc r u s h i n g v a l u et e s ta n df i c t i t i o u sm e c h a n i c s e x p e r i m e n tt or e f l e c tt h er e l a t i o no ft h es k e l e t o ns t r u c t u r eo f m i n e r a la g g r e g a t eg r a d a t i o na n d t h el o a dt r a n s f e r r o u t e ，d e s i g n f i v e g r o u p s o fg r a d et ot h ec o a r s e a g g r e g a t e a b o v e 2 3 6 m m ，a d o p t t h eu n i f o r m e x p e r i m e n t a lm e t h o d ，c a r r y o nr e s e a r c ht ot h e m i x t u r e s k e l e t o n ，a n a l y s et h ef u n c t i o no nt h em i x t u r es t r u c t u r eo fa g g r e g a t eo ft h ek e ys i e v ep o r e 2 3 6 m m u t i l i z er e g r e s s i o na n a l y s i st or e c e i v et h ef u n c t i o n a lr e l a t i o nb e t w e e nt h er e s u l to ft h e t e s to fc r u s h i n gv a l u ea n dt e x t u r ed e p t h a n a l y s es e v e r a li m p o r t a n tp a r a m e t e r si nt h em i x t u r e d e s i g no f t h em o d e la c 一1 0 ：c ar a t i o 、f a cr a t i o 、a s p h a l t - a g g r e g a t er a t i oa n ds i e v ep o r ec o n t e n t s o f7 1 m m ，a d o p tm e t h o do fo r t h o g o n a lt e s t ，d e s i g n9g r o u p so fg r a d e s ，c a r r yo nr e s e a r c ht o a n t i - s l i d ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r eo fm o d e la c 一10 t h er e s u l to ft h et e s ts h o w s ：i t e x e r ta l a r g e s t i n f l u e n c eo na n t i - s l i d e p e r f o r m a n c e f o rc ar a t i o ，s e c o n d l y i t i s a s p h a l t - a g g r e g a t er a t i o t h r o u g ht h i sc o n c l u s i o n ，k e yr e s e a r c hc ar a t i oc o n f r o n t st h e i n f l u e n c eo fa n t i - s l i d ep e r f o r m a n c e a n a l y s eb a i l e ym e t h o df o r m u l a ec ar a t i o ，m e a n i n gi n a n t i - s l i d ep e r f o r m a n c eo ft w oi m p o r t a n ts i e v ep o r e ( 4 7 5 m m ) a n d ( 2 3 6 m m ) t e s ti n d i c a t e ， t h r o u g hc o n t r o l l i n gr a t i o n a l l yt ot h e4 7 5 m ms i e v ep o r ea n d2 3 6 m ms i e v ep o r e c a ni m p r o v e a n t i s l i d ep e r f o r m a n c eo ft h ec o a to ft h i nl a y e re f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：a c 10 ；t h i no v e r l a y ；k e ys i e v e ；m e t h o do fc r u s h i n gt e s t ；c ar a t i o ； 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己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：瑶 小 p 年月日 汐 l 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) 论文作者签名：莲小 导师签名：般氏 年月日 年月 日 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 a c 一1 0 细粒式沥青混凝土是主要用于面层加铺的薄层沥青混凝土。首现于2 0 世纪7 0 年代后期的法国，用于沥青路面抗滑性能的恢复，后来也用于新建路面。这种超薄沥青 混凝土面层是一种延长路面寿命、改善行驶质量、校正表面缺陷、提高安全特性( 包括 提高抗滑与排水) 、减小噪音、增加路面强度等路面功能的有效措施【l 】。由于a c 1 0 沥青 混凝土良好的路用性能和使用效果，近年来它在许多国家得到了广泛的推广和应用。 自2 0 世纪8 0 年代以来，随着经济的快速发展，我国的高速公路建设取得了迅猛发 展。截止到2 0 0 8 年底，我国高速公路总里程己达4 1 0 0 0 公里，继续稳居世界第二。高 速公路的快速发展，极大地改善了人们的出行条件，加速了物流的发展，对社会各方面 的进步和发展起到巨大的推动作用【4 】。随着建成公路的里程的不断增长，路面养护的工 作量也越来越大。加铺罩面层作为一种常用的技术手段【4 1 ，也日益引起了人们的重视。 大量研究表明，是加铺抗滑罩面是提高路面抗滑能力、减少高速公路沥青路面( 尤其是 雨天) 交通事故最有效、最直接的一种方法。上海沪阂路某段【5 6 0 0 m 长，1 9 8 6 年面层的 摩擦系数f 6 0 7 9t 0 6 0 6 2 0 0 0 弹性同复( 2 5 ) 7 59 6 运动粘度 6 5 7 8t 0 6 0 0 2 0 0 0 ( 1 6 3 。c ，5 h ) 延度( 5 ，c m ) 3 02 1 1t 0 6 0 5 1 9 9 3 相对密度1 0 2 7 2 集料 根据表面理论【2 4 1 ，沥青混凝土的强度由两部分构成：一部分是矿质集料骨架的强度， 表现为颗粒材料的摩擦阻力，由摩阻角q 表示；一部分是沥青的胶结强度，表现为粘结 力、粘聚力、抗拉力，用内聚力c 表示。矿质集料属于散体材料，其强度( 在一定约束 条件下抵抗应力应变作用的能力) 主要由散体颗粒间的接触压力和接触表面摩擦力组 成，颗粒间的摩擦力性质与固体间摩擦力性质完全一样，矿质集料的强度是大量固体颗 粒材料的压应力、摩擦力矢量和。根据固体摩擦力学可知，摩擦力的本源是固体表面的 微观不平整纹理的存在，即表面的粗糙，粗糙的表面有咬合、锁结等阻止物体发生相对 移动的作用，即能产生摩擦力；摩擦力大小不但与表面的粗糙度( 用表面粗糙度系数f 表 示) 有关，而且与固体接触面上的垂直压力n 有关，即摩擦力f = f x n 。如果将表面粗糙 度系数f 用正切函数t a n q , 表示，则表面的粗糙度可用摩阻角q 来区分。对于散体颗粒材 料摩阻角则度量了材料内部颗粒之间的综合表面粗糙度和颗粒形状，摩阻角q 的大小决 定了矿质集料的抗剪切应力的能力。根据摩尔一库仑准则，材料的抗剪强度郦t a m p ， o 为材料的正应力，为外部施加的力，属于抗剪强度的外因，而t a n q , 则为材料自身的物 理属性，为抗剪强度的内因。对于沥青胶结料，其强度本源则来自于沥青分子胶团之间 的吸引力，这些吸引力的大小决定了沥青粘聚力c 的数值大小。沥青分子胶团之间的吸 引力与材料温度高低、沥青分子量大小、沥青分子胶团的化学结构、化学键之间的作用 大小等因素有关。当然，沥青混凝土的强度参数c 、q 绝不是沥青的粘聚力c 和矿质集 料的q 的简单组合，它们是相互作用，相互影响的。 1 7 第二章a c 1 0 薄层沥青混凝十级配组成与分析 根据胶浆理论，则沥青混凝土的强度由分散系中分散相数量多少和分散介质的强度 性质决定：分散相数量越多，分散系的模量就越大，则混凝土的抗压强度越大；分散介质 的稠度越大，混凝土的抗拉强度就越大。胶浆理论认为在沥青混凝土的3 级分散系中， 沥青胶浆( 填料和沥青组成，又称细胶泥) 对混凝土强度起着决定性作用，因此，改善沥 青混凝土路用性能应该主要从改善沥青胶浆性能入手。 按近代的胶浆理论，在形成沥青混凝土强度的因素中，起主要作用的是沥青胶浆分 散介质的性质，沥青胶浆分散介质的组成结构决定了混凝土的高温稳定性和低温抗裂抗 变形能力。因此胶浆理论更加重视沥青的稠度和沥青与矿粉的相互作用，而粗集料等分 散相对混凝土的强度影响，是通过其数量增减改变了分散介质模量表现出来的。 传统的表面理论根据混凝土矿质骨架的特点把沥青混凝土分为了上述的3 种结构组 成类型，即悬浮一密实结构，骨架一空隙结构，密实一骨架结构。传统观点认为，悬浮 一密实结构沥青混凝土的摩阻角q 较小粘聚力c 较大，整体强度主要取决于混凝土的粘 聚力c ，所以抗拉强度较大而抗压能力较弱，竖向变形较大，粘聚力c 随温度升高衰减 幅度较大而高温稳定性能较差，但空隙率小，密实防水而水稳性耐久性好；骨架一空隙结 构，则是摩阻角( p 较大而粘聚力c 太小，故高温稳定性好而低温抗裂能力弱，水稳性和 耐久性差；密实骨架结构不仅具有较高粘聚力c ，摩阻角( p 也较大，整体强度很大，性 能很好，不仅高温稳定性、水稳性、耐久性好，而且低温抗裂能力强。 传统观点认为摩阻角q 在提高混凝土的高温稳定性能方面起着重要作用( 因为摩阻 角q 的温度敏感性较小) ，粘聚力c 则在抗剪切、抗弯拉等荷载作用中发挥较大影响。 摩阻角p 的大小主要由矿质集料结构决定，粘聚力c 则主要受沥青的粘度和沥青与矿粉 的相互作用影响。在沥青及沥青混凝土质量有较大提高的今天，沥青路面的高温推挤、 拥抱( 主要发生在以前沥青质量较差的渣油沥青路面上) 己成为历史，而随着现代车辆轴 重的不断增加，高温累积变形一车辙成为了主要矛盾。因此，按传统强度观念，为增强 混凝土的高温抗车辙能力，应该首先增强矿质集料问的接触与骨架，以增加混凝土的摩 阻角q 。而大量实验资料分析表明：沥青混凝土级配的改变对摩阻角p 影响较小，相反级 配的改变对粘聚力c 影响较大；同时矿料性质、沥青类型和沥青用量对粘聚力c 的影响 也相对较大( 矿料性质主要影响结构沥青数量和特性，沥青类型和沥青用量也对结构沥 青特性起着决定作用) 。 因此，若按照这两种不同的理论，在解决沥青混凝土的高温稳定性能缺陷时，所采 取的措施重心是不同的：传统理论重在加强矿质集料的粗集料骨架作用，而胶浆理论则把 长安人学硕：仁学位论文 重点放在增加沥青稠度，增加矿粉用量上。 根据罩面层对集料的要求，本试验所采用的集料全部为玄武岩。集料密度按照公 路工程沥青及沥青混凝土试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 【2 5 】的要求进行测定，其中粗集料 密度采用篮网法测定，见表2 3 ；细集料密度按照表干法测定，见表2 4 所示。本试验采 用的填料为水泥。 表2 3 筛分后粗集料密度 粒径( m m ) 9 5 7 14 7 5 表观相对密度 2 8 9 42 8 9 3 2 8 5 8 毛体积相对密度 2 8 3 82 8 3 2 2 8 5 3 表干密度 2 8 5 82 8 3 9 2 8 5 9 表2 4 筛分后细集料密度 粒径( 咖)2 3 61 1 80 6o 3 0 1 50 0 7 5 表观相对密度 2 8 8 02 8 6 72 8 6 42 8 6 32 8 5 02 8 4 9 毛体积相对密度 2 7 9 62 7 8 52 7 8 2 2 7 8 42 7 7 62 7 6 9 2 3 2 薄层罩面配合比优化设计 近年来，由于薄层罩面在我国多条高速公路的成功运用，证明了薄层罩面的骨架密 实结构具有最优的力学性能，特别是对车辙、水损害等破环来讲，它能够满足人们对高 速公路的功能和结构的双重要求。因此，国内许多学者考虑将a c 一1 0 类薄层罩面进行级 配优化设计，使其形成骨架密实结构，从而在保证密实的同时，获得较高的抗车辙能力。 就沥青混凝土强度机理来说，我国目前仍普遍比较认同传统的表面理论，所以如今的沥 青混凝土发展趋势是粗集料含量不断增d n ( 从a c i 、a c i i 到a k ，再发展到如今的 u t a c 、s a c 以及s m a ，其粗集料用量都在逐渐增加，以形成抗滑性能好耐久性能佳的 粗集料骨架。 2 3 2 1 各类薄层罩面级配比较 从国内外对沥青路面表面层级配的研究情况来看，最大公称粒径为9 5 m m 的沥青 混凝土级配类型主要有a c 1 0 、u t a c 1 0 、s m a 一1 0 、s a c 1 0 、o g f c 1 0 等，见表2 5 。 1 9 第二章a c - 1 0 薄层沥青混凝士级配组成与分析 其中，我国规范对于a c 类沥青混凝土的粗型和细型的分类主要依靠关键筛孔的通 过率来区分。公路沥青路面施工技术规范规定a c 1 0 型沥青混凝土的关键性筛孔为 2 3 6 m m ，该级筛孔通过率 4 0 为细( f ) 型，“0 为粗( c ) 型。 表2 5 常见的几种级配列表 级配1 3 2 9 54 7 5 2 3 6 1 1 80 60 30 1 50 0 7 5 a c 1 01 0 09 0 1 0 0 4 5 7 5 3 0 5 8 2 0 , - 4 4 1 3 3 2 9 2 3 1 6 4 8 u t a c 1 0 1 0 09 0 1 0 03 m 4 02 3 3 21 7 2 5 1 3 2 0 1 0 1 68 1 3p l o s a c 1 01 0 09 5 1 0 03 0 - 4 02 6 3 52 2 3 01 8 2 51 4 2 0l 肚1 5扣1 0 s m a 1 01 0 09 0 1 0 02 8 6 02 0 3 21 4 2 61 2 2 2l o 1 89 1 68 1 3 o g f c l o1 0 09 0 1 0 01 5 2 51 1 2 09 1 67 1 35 1 14 93 7 图2 1 常见的五种级配的中值曲线 由图2 1 可以看出五种不同级配的混凝土差异主要体现在： 1 a c 1 0 型矿料级配在级配曲线图的最上方，是所有级配中细集料用量最多的级 配，2 3 6 以下细集料的用量占3 0 5 8 ，远远高于其他几种级配，而且幅度高达2 0 左右。按照粗集料含量来看，分别是o g f c 1 0 s m a 1 0 u t a c 1 0 s a c - 1 0 。 2 就填料而言，s m a 1 0 对0 0 7 5 以下通过率要求比较宽松，虽然u t a c 类粗集料 含量较s a c 类大，但是0 0 7 5 以下通过率相同，若设计不当很有可能造成s a c 类沥青 混凝土密实性不足，导致空隙率较大。 3 a c 1 0 型是连续密级配沥青混凝土，其密实性最好，是典型的悬浮密实结构。 长安大学硕上学位论文 s m a 、s a c 、u t a c 型是间断级配，其中，s a c 与u t a c 主要是断o 3 - - - 2 3 6 m m 级的细 集料，而s m a 所有细集料不足矿料总量的3 0 ，2 3 6 筛孔后级配曲线平坦。因此，s m a 型沥青混凝土是典型的骨架密实性结构，而s a c 与u t a c 则多为紧密骨架密实结构或 一般骨架密实结构。 4 s a c 一1 0 、u t a c 1 0 、s m a 1 0 型矿料级配范围几乎都完全避开了s u e r p a v e 1 0 的 级配禁区，。而a c 1 0 型矿料级配范围则完全包裹了s u p e r p a v e 一1 0 的级配禁区，若要避 开禁区，一般需要设计成s 型曲线。 5 a c 、u t a c 、s m a 、s a c 的级配范围都有共同的重叠之处，重叠之处的级配有 可能综合各种级配的路用性能，应该对此加以重视。 2 3 2 2 试验级配优化设计 为综合分析a c 1 0 各种级配下沥青混凝土的路用性能，本试验设计了表2 6 中5 种 级配来进行试验对比研究。为达到提高抗滑性能的目的，设计的几种级配逐渐增加了粗 集料( 2 3 6 m m 以上筛孔) 的含量。 表2 6 设计的五种级配列表 筛孔 1 3 29 57 14 7 52 3 61 1 8o 6o 30 1 50 0 7 5c a 比 级配11 0 09 58 4 26 0 4 4 3 22 2 51 6 1 1 60 3 级配2 1 0 09 7 58 2 64 93 52 62 01 51 0 580 2 级配31 0 09 25 25 23 3 2 6 2 01 51 0 580 3 级配4 1 0 09 8 98 l3 4 32 8 92 3 61 7 91 2 69 36 3o 1 级配51 0 09 7 58 43 02 41 91 61 31 08o 1 图2 2 级配曲线示意图 级配1 取的是公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 - - - 2 0 0 4 ) 中密级配沥青混凝 2 l 第二章a c 1 0 薄层沥青混凝土级配组成与分析 土细粒式a c - i o 型沥青混凝土的级配中值。其2 3 6 m m 筛孔的通过率为4 4 ，1 1 8l n n l 筛孔的通过率为3 2 。级配曲线从s u p e r p a v e 的设计禁区中间穿过。 级配2 和级配3 是按照a c 1 0 型沥青混凝土推荐级配中值调整设计，其2 3 6 m m 筛 孔的通过率分别为3 5 和3 3 ，级配曲线从s u p e r p a v e 的设计禁区下方经过。 级配3 中，为改善一直以来影响到薄层罩面路用性能的空隙率问题，在前面所提到 的由于集料粒径在4 7 5 m m - 9 5 m m 之间没有控制筛孔，导致大量的粗集料级配失控。于 是引入7 1 m m 控制筛孔以分析和评价对于孔隙率的影响。 级配4 借鉴了范健英1 关于桥面铺装结构中的级配，这种级配现在被称为 u t a c ( u l t r at h i na s p h a l tc o n c r e t e ) 超薄沥青混凝土。配合比设计方法仍采用马歇尔 击实法，但最佳油石比的确定方法较之常规的马歇尔设计法有较大的调整( 本实验还是 采用马歇尔设计法) 。击实次数统一为双面7 5 次。击实温度控制范围比规范缩小了很多， 参考目前现场施工实际控制的有效压实温度，改性沥青混凝土击实温度限制为1 4 0 - - 1 7 0 。 级配5 中很多地方，比如曲线的走势和级配4 有相似之处，但是从集料在2 3 6 m m 和 4 7 5 m m 筛孔通过率的控制上看，更大程度的增加了粗集料含量，可以看出在以上的5 种 级配中级配4 和级配5 形成了显著的骨架结构。级配5 为了弥补形成骨架带来的孔隙率问 题，0 0 7 5 m m 筛孔以下的含量增大到了8 。 2 4 最佳油石比的确定 计算矿料混凝土的合成毛体积相对密度y 。 1 0 0 2 丁忑了 2 8 ) 1 + 生+ + 生 ny 2 y n 计算矿料混凝土的合成表观相对密度y 。 1o o y s 口= 生+ 生+ + 一p n ( 2 9 ) 7 iy i7 ： 式中：p 。、p ：、p _ 为各种矿料成分的配比，其和为1 0 0 ； y ，、y ：、y 一为各种矿料相应的毛体积相对密度，粗集料、机制砂及石屑按 公路工程沥青及沥青混凝土试验规程( j t j 0 5 2 - - 2 0 0 0 ) 船印t0 3 0 4 和t0 3 3 0 方法测 定，也可以用筛出的2 3 6 m m , - - - 4 7 5 m m 部分的毛体积相对密度代替，矿粉( 含消石灰、 水泥) 以表观相对密度代替； 长安大学硕：j = 学位论文 p 1 、p 2 、卜为各种矿料成分的配比，其和为1 0 0 ； 、形、形一为各种矿料按试验规程方法测定的表观相对密度。 由于本次试验采用的是s b s 改性沥青，混凝土难于分散，最大理论相对密度采用计 算法得到。 合成矿料的有效相对密度： 7 s e = c x 7 j 口+ ( 1 一c ) y s 6 ( 2 1 0 ) 合成矿料的沥青吸收系数： c = o 0 3 3 暇一0 2 9 3 6 w x + o 9 3 3 9 ( 2 1 1 ) 合成矿料的吸水率： 叱= b 卦瑚 晓 混凝土的最大理论相对密度： 1 0 0 2 巫 ( 2 1 3 ) ys e y b 式中：y 。；一相对于计算沥青用量p 。时沥青混凝土的最大理论相对密度； p 。一所计算的沥青混凝土的沥青用量，p 。= p a 。( 1 + p 。) ，； p 。一所计算的沥青混凝土的矿料含量，p , i = 1 0 0 - - p b 。，。 p 。一所计算的沥青混凝土中的油石比，； 马歇尔试件制作严格按照规范进行，矿料加热温度为1 8 0 c ，沥青混凝土拌合温度 为1 7 0 0 c 。每组试件成型5 个，击实次数为7 5 次。以目标空隙率w ，矿料间隙率v m a 、 有效沥青饱和度v f a 满足设计要求为目标，确定各级配的最佳油石比。 沥青混凝土试件的空隙率、矿料间隙率v m a 、有效沥青的饱和度v f a 等体积指标， 取1 位小数，进行体积组成分析。 阿= ( - 一昝 他 删= ( 一老只 x l o 。 v f a ：鬯二坚1 0 0 ( 2 1 6 ) 第二章a c 1 0 薄层沥青混凝七级配组成与分析 式中：v v 一试件的空隙率，； v m a 试件的矿料间隙率，； v f a 一试件的有效沥青饱和度( 有效沥青含量占v m a 的体积比例) ，。 在获得了马歇尔试验各项物理力学指标的情况下，将其结果按照规范规定的方法绘 制成曲线，按照如下步骤计算最佳沥青用量： ( 1 ) 查找曲线，得到最大密度、最大稳定度及目标空隙率所分别对应的沥青用量a 。，、 a ：、a 。，求其平均值作为的初始值： o a c i = ( a l 十a 2 十a 3 ) 3 ( 2 ) 求出各项指标都符合公路沥青路面施工技术规范中沥青混凝土技术标准的沥 青用量范围o a c m i 。 - ，o a c m 双，并求出其中值： o a c 2 - ( o a c m i n 十o a c m 觚) 2 ( 3 ) 确定最佳沥青用量：o a c = ( o a c l 十o a c 2 ) 2 。 2 5 马歇尔试验指标分析 2 5 1a c 1 0 沥青混凝土击实温度的研究 由于本文所应用的a c - 1 0 混凝土中使用的粗集料较多、细集料较少，粗集料易热， 而细集料则难于保温。我们知道混凝土的温度过高，会使沥青流淌，相反，如果温度过 低会使拌和困难。在试验过程中发现成型试件的孔隙率对拌合和和击实温度较为敏感， 而孔隙率又是影响沥青混凝土使用性能的重要设计指标之一。因此，在这里专门对a c 1 0 薄层沥青混凝土的击实温度进行研究。 这里所采用的级配为前面章节中的级配4 ( 见表2 7 ) ，沥青为s b s 改性沥青，集料 选用如前。试验结果如下表2 8 。 表2 7 击实温度试验级配 筛孔 1 3 29 57 14 7 52 3 61 1 80 6o 3o 1 50 0 7 5 ( m m ) 级配4 1 0 0 9 8 9 8 l3 4 32 8 92 3 61 7 91 2 69 36 3 长安大学硕十学位论文 表2 8 不同温度下空隙率和稳定度变化 不同击实温度( o c ) 试验项目 1 7 0 0 c1 6 0 0 c1 5 0 0 c1 4 0 0 c 空隙率( ) 5 76 86 46 3 稳定度( k n ) 1 1 51 3 21 3 11 2 2 图2 3 不同击实温度下的空隙率变化曲线 图2 4 不同击实温度下稳定度变化曲线 从上图明显可以看出，在温度为1 7 0 c 的时候所形成的试件的空隙率最小；随着击 实温度的降低空隙率却在增加，温度为1 6 0 c 的时候空隙率达到最大。出现以上图中现 象的原因，主要是由于沥青的粘度受到温度的影响而升高或降低。当温度较高时，沥青 的粘度低，这个时候，沥青能够起到润滑的作用，沥青混凝土被击实时集料颗粒之间可 以相互挪动和相互嵌挤；当温度较低时，沥青的粘度高，拌和时集料表面裹覆的大量沥 第_ 二章a c 1 0 薄层沥青混凝十级配组成与分析 青胶浆已经硬化，它不但没能起到润滑的作用反而会影响和限制集料的运动，此时进行 击实就不易挪动集料间的位置，这样空隙率自然就比较大了。通过这个规律，我们在拌 和a c - i o 成型时一定要注意温度的影响，尽量保证压实温度控制在能保证空隙率的压实 温度1 7 0 附近。 2 5 2a c 1 0 沥青混凝土的马歇尔试验指标分析 对前面2 3 节中所选用的5 种级配制成马歇尔试件，并对试件进行马歇尔试验，检 测数据见表2 9 所示。 表2 9 五种级配的马歇尔试验结果列表 实测密度 孔隙率矿料间隙率饱和度 编号最佳油石比 ys b v v 络掰v f a 级配l 5 1 2 4 2 47 6 5 92 0 56 2 5 5 级配2 5 4 2 4 8 35 4 2 31 9 86 1 1 级配3 5 5 2 4 2 77 7 1 31 8 17 0 级配4 5 7 2 4 7 8 35 7 1 41 9 36 7 2 级配5 5 7 2 4 3 17 2 5 92 0 16 3 5 上表可以看出，粒径的不同将直接影响混凝土的马歇尔试验指标值，不同的级配表 现出不同的性能；同时，这些试验结果中各指标的变化情况同粗细集料的含量存在着很 好的对应关系。 由于结构的不同，5 种级配表现出了不同的性质差异，在所有的影响因素当中，细 集料含量和关键筛孔通过率的变化对于各试验指标的影响最为显著。对于后4 种级配， 在粗集料含量逐渐增大的情况下，由于2 3 m m 以下的级配不同，空隙率的变化没有呈现 出一定的规律，但是从表中可以发现这4 种级配的空隙率都浮动在一个比较大的区域。 为弥补这种由于增加粗集料来提高抗滑能力所带来的缺陷，建议在以后a c - 1 0 的设计中 可以适当采用一些外加剂如橡胶粉、纤维等进行混合设计。 联系各个级配的曲线特征，考察s u r p e r p a v e 的控制点和禁区的设定对于马歇尔指 标值的影响，可以发现试验结果在一定程度上可以说明二者之间的关系，除去级配1 以 外其他级配均从s u r p e r p a v e 禁区下限穿过，可见细集料都比较少，导致级配中由于形 成骨架带来的孔隙率大的问题比较严重，从表中可以看出这几种级配的v v 都比较大， 约在6 0 以上。 长安大学硕上学位论文 下面我们对上表2 9 做出分析： ( 1 ) 空隙率：较多的细集料对应于粗集料间隙之间更充分的填充，因此空隙率较小。 从5 种级配的设计中我们可以看出这几个级配中粗集料含量都很高，其中最高的是级配 4 和级配5 均达到了7 0 以上。所以，就表2 9 而言所得的孔隙率都很大。但是从理论 上讲孔隙率对于级配1 来说，它的级配曲线规律和a c - i o 规范推荐的中值接近，细集料 最多，这样的话应该是级配1 的孔隙率最小，但是恰恰相反a c 中值所得的孔隙率反倒 比较大，这说明并不是细集料越多就能得到越小的孔隙率，由填充理论可知用合理的次 级集料来填充上一级所留下的空隙才能得到更紧密的效果。 ( 2 ) 矿料问隙率：随着细集料含量的增加，矿料的比表面积也会增加，以至于裹覆这 些集料需要更多的沥青，因此，沥青的体积百分比增加，在相同设计空隙率的情况下， 试件空隙率随细集料含量的增加而减小的幅度比较小，从而导致v m a 的变化不是很明显。 ( 3 ) 沥青饱和度：v f a 和v m a 在某种程度上应该属于同一个范畴，因为在相同的目标 空隙率下，v f a = v a v m a = ( 卜v v v m a ) ，所以，v f a 和v m a 有着很大的相关性，随着细集料 含量的增加而变大，这与较多的细集料可以吸附更多的沥青结合料有关。 2 5 37 1 舢筛孑l 对混凝土马歇尔试验指标的影响 从上表2 6 中的级配级配2 和级配3 中进行分析，两种级配如果在不引入7 1 m m 筛 孔概念的情况下，其级配曲线基本上是一样的，但得到的试验结果却又很大差异，这主 要表现为孔隙率的变化，这说明对4 7 5 - - 9 5 m m 筛孔的控制如果不足，就会导致这档料 偏粗或者偏细从而影响试验结果。本试验为了很直观的观察7 1 m m 对于沥青混凝土所产 生的影响，在级配3 的设计中直接把4 7 5 - - 9 5 m m 筛孔粒径改为7 1 - 9 5 m m 筛孔粒径， 等于说去除4 7 5 , - - - 7 1 m m 结构粒径这一档集料。经过这么一个变化后，我们可以看出马 歇尔试验指标有了明显的变化w 值从7 7 下降到了5 4 降幅为2 3 ，这个结果表明引 入7 1 m m 结构筛孔对沥青的影响还是很显著地。 本节以表2 6 中的级配4 为基础级配，通过调整7 1 m m 结构粒径含量所占4 7 5 - - 9 5 m m 集料总含量的比例，得到4 组级配并分别成型，结合马歇尔试验对混凝土孔隙率 进行分析，所得级配见表2 1 0 。 表2 1 0 变化7 1 衄通过率的级配表 级配 1 3 29 57 14 7 52 3 61 1 80 60 30 1 50 0 7 5 4 1l o o9 8 99 2 73 4 32 8 92 3 61 8 91 3 61 0 38 4 21 0 09 8 98 13 4 32 8 9 2 3 6 1 8 91 3 61 0 38 4 31 0 09 8 96 63 4 3 2 8 9 2 3 61 8 91 3 61 0 38 4 _ 4 1 0 09 8 9 5 1 3 4 32 8 92 3 6 1 8 91 3 61 0 38 第_ 二章a c 1 0 薄层沥青混凝十级配组成与分析 对上表2 1 0 中所列级配进行马歇尔试验，沥青选用s b s 改性沥青，集料选用如前， 所采用的拌和温度用2 5 1 中所得出的1 7 0 。c 。试验结果如下表所示。 表2 1 1 不同7 1 m m 通过率下空隙率的变化 级配 1234 7 1 m m 通过率， 9 2 78 l6 65 l v v 8 7 35 7 47 2 19 0 3 图2 5 不同7 1 m m 通过率下的空隙率变化曲线 从上图可以看出通过引入7 1 m m 筛孔对空隙率的影响还是很显著的，从图2 5 中反 映出空隙率的极差为3 ，这说明7 1 m m 结构粒径通过率的变化会影响空隙率。当7 1 m m 结构粒径和4 7 5 m m 结构粒径通过率的比值为1 ：2 2 5 时该级配的空隙率最小，所以本 文在此建议以后的配合比设计当中应当增加7 1 m m 结构筛孔。 2 6 本章小结 本章通过对a c 1 0 级配组成分析结合各种级配设计方法，设计了五种a c 1 0 沥青混 凝土级配，通过对各级配最佳油石比的确定和马歇尔参数的分析和研究，得出以下结论： ( 1 ) 对五种级配所成型试件的马歇尔参数进行分析表明，几种级配结合s u r p e r p a v e 设计方法由于粗集料含量都比较大，其最佳油石比和孔隙率的值都浮动在一个比较大的 区域。 ( 2 ) 在五种级配中，级配2 和级配3 的设计中引入了7 1 m m 筛孔的概念，两种级 配在其他情况基本相同的条件下，由于7 1 m m 结构粒径通过率不同而表现出了比较大 的差异，图2 5 重点分析了这种差异，图中体现了在7 1 m m 通过率不同的情况下孔隙率 的分布规律。当7 1 - - - 9 5 m m 粒径含量和4 7 5 - - 7 1 m m 粒径含量的比值为1 ：2 2 5 的时候， 长安大学硕上学位论文 同种级配的孔隙率最小。 ( 3 ) 对马歇尔试验的击实温度研究表明，当击实温度在1 7 0 。c 左右时所形成的试件 孔隙率最低，温度为1 6 0 左右的时候孔隙率达到最大，然后随着温度的下降孔隙率基 本保持平稳。对于本文所研究的a c 1 0 沥青混凝土来说，其摊铺厚度小，散热快，所以 在施工工艺中控制温度就变得尤为重要。 第三章利用压碎值试验方法评价关键筛孔对骨架特性的影响 第三章利用压碎值试验方法评价关键筛孔对骨架特性的影响 集料压碎值用于衡量石料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力，是衡量石料力学性 质的指标，以评定其在公路工程中的适用性。公路工程集料试验规程中的压碎值试 验方法选用9 5 m m - - - , 1 3 2 m m 单一粒径进行试验，这种试验方法只能得出集料本身的一种 物理性质，对表征集料整体性能存在局限性。 本章结合虚拟力学试验反映出的矿料级配骨