（材料学专业论文）高速公路沥青面层施工质量控制技术研究.pdf

摘要 由于我国的高速公路沥青路面旋工技术水平和国外相比尚有较大差距，施工 质量控制一直是个困扰工程技术人员的问题。关于沥青路面的旌工质量控制，国 内外已作了大量研究，但并未形成系统的质量控制方法，未能有效提高工程的蓝 工质量。本文针对我国高速公路沥青路面工程质量出现的问题，如材料使用不规 范、沥青混合料设计不合理、车辙病害、水损害、路面平整度差等问题，从沥青 面层施工的角度，考虑到可能影响工程质量的各个环节，以乐温高速公路为例， 从原材料( 包括沥青、集料、填料) 、沥青混合料、沥青混合料的拌合运输、沥 青混合料的摊铺以及碾压几个方面，提出了沥青路面的质量控制方法。 研究认为：控制混合料的级配曲线走向、公称最大粒径、沥青用量、沥青 膜有效厚度、粉胶比以及用合适的水泥剂量替代矿粉均可以提高沥青路面的高温 性能；提出增加石料高温压碎值指标评价粗集料质量，以及根据环境和条件因 素对原材料质量的规范要求进行调整是合理的、可行的，并可以提高沥青路面的 工程质量；沥青混合料的设计对沥青面层的质量影响很大，设计过程必须科学、 合理；拌合过程质量控制可以提高沥青混合料的质量，科学的装料和卸料方法 可以有效避免离析现象；混合料的摊铺过程质量控制可以有效提高路面平整度 和防止混合料的离析；混合料的碾压过程质量控制可以有效提高路面压实度。 关键词：高速公路沥青面层；施工质量控制；沥青混合料设计；高温性能； 路面平整度；车辙； a b s t r a c t b e c a u s et 1 1 es u p e r h i g h w a y sa s p h a l tp a v e m e mc o n s 加l c t i o nt e c l l i l i q u el e v e lo f o l l r c o u n 乜ya n da b r o a dt oc o m p a r et oh a v et t l eb i g g e rm a r g i ns t i l l ，m ec o n s m l c t i o n q l l a m i t yc o m r o la l w a y si sap r o b l e mo f p e r p l e x i n g 也ee n 舀n e e r i n gt e c m c a lp e r s o n n c l - a sf b rt h ea s p h a l tp a v e m e n tc o n 曲m c t i o n 小l a l 蚵c o n 仃o l ，a 乎e a td e a lo fr e s e a r c hh a v e a ：k e a d ym a d ea th o m ea n da b r o a d ，b 呲m dn o tb e c o m et i 艟s y s t e m a t i cq 嘲i t yc o m r o l m e l o d ，c a i ln o tr a i s et l l ee n g i n c e r i n gq u a l i t ye f f e c t i v e l y t i l i sp a p e rp u tf 0 “p a r d 廿l e c o m r o lm 抽o do ft i l ea s p h a l tp a v e m e mc o l l s 劬j c t i o nq u a l i t yf a c i i l gt l l ee n g i l l e e r i n g q u a l i t yp r o b l e ma p l ) e a r e dt oo l l rc o u n t r ys u p e r h i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n t ，f o re x a | 1 1 p l e ， t l l em a t e r i a lu s i n gn o tt l l en o 衄，t 1 1 e 唧h a l tm i x t i l r ed e s i g nn o tr e a s o n a b l e ，t 1 1 e c a r _ 眦i n gd i s e a s eh a m ，t l l ew a t e fi n j u r e ，t l l eb a d l ys 耐k en e a td e g r e ee t c ，f o mt 1 1 e a n 封e 也a tt h ea s p h a l ts w f 砬ec o u r s ec o n s 觚c t i o n ，c o n s i d e r i n gt l l ee a c hl i n kt h a tm a y a f f e c te n g i n e e r i n gq u a l i 谚，t ot a k el e w e ns 1 1 p e r h i g h w a ya sa i le x 锄p l e ，f b mt l l e o r i g i n a lm a t 嘶a 1 ( i n c l u d i n gt l l ea s p h a l t 、t 1 1 ea g g r e g a t ea i l dt h ef i l l e r ) ，t l l ea s p h a l t m i x t u r e ，t l l em i 】( i n ga i l dc o n v e y i n go fa s p h a l ti i l i x t i l r e ，t 1 1 es p r e a d i n ga 1 1 dm l l i n go f a s b h a l tm i x t u r e k e ) 啊o r d s ： t 1 1 ea s p h a l ts l l r f 如ec o l l r s e ；t l l ec o n s 劬l c t i o nq l l a m i 谚c o n t r o l ； m ea 锄d hm i x t i 】r ed e s i g n ；廿l ew a t e ri n j m e s ； t h er o a ds 1 1 r f a c en e a td e g r e e ；c 辨n l m n g ； 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交蛉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，均已在文巾以明确方式标明。本论 文中不包含任何未麴骧确注明的其他个人或集体积经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本入承担。 论文作者签名：翻j 叩材 扫百年月，3 日 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。学校享有以任侮方式发表、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。 ( 保密的论文在解密看应遵守此规定) 论文作者签名：移d 1 纠口年月哆日 导掰签名： 悖毽 。占年垂月f ；日 第l 章绪论 卜1 研究背景 随着我国国民经济的快速发展，对公路交通运输的需求越来越大，这也使得 我国的高速公路建设在一个较长时期内都将保持在一个较大的规模上。这其中绝 大多数都采用了沥青路面，但是从国内已建成的高速公路沥青路面使用情况来 看，一些路段在通车后出现了较为明显的早期破坏现象，如开裂、车辙、水损害 等。这些病害直接导致了路面使用性能的下降，使一些路段在建成后较短时间内 就不得不进行大修，一些高速公路甚至在通车二、三年内就出现了较为严重的早 期破损，这不仅降低了公路建设养护资金的使用效益，也大大影响了高速公路建 设的社会形象。 分析路面早期破坏的原因，主要在于三个方面：一是多数高速公路在建成后 都承担了较大的交通量，其中尤以重载车辆较多，对路面的损坏作用十分明显； 二是我国幅员辽阔，各地气候存在着明显差异，地质、土质条件复杂而且变化频 繁，如果未能全面考虑这种自然气候因素，则在有关设计参数确定及材料组成设 计中就不能做到科学合理，导致一些高速公路的材料组成不能适应重交通和不同 的气候地质等具体情况；三是在高速公路沥青路面方面还未形成一套成熟完整的 施工质量控制方法，因此造成一些高速公路出现了较为明显的早期破坏，使得路 面的实际使用寿命远远低于设计年限。从我国高速公路路面现状来看，我们对于 路面材料路用性能的研究仍显不够，路面施工质量控制方面的研究远不能跟上目 前飞速发展的高速公路建设的需求。因此，结合我国高速公路建设目前的使用情 况及未来的发展形势，急需开展重交通沥青路面旋工技术方面的研究，以形成一 套适合自然环境及交通特点的高速公路沥青路面施工技术以及有效的施工质量 控制方法，有效地提高旋工质量，预防路面的早期破坏，使高速公路建设能够为 我国国民经济发展起到更大的促进作用。因此，改善沥青混合料的路用性能，提 高沥青路面的施工质量，延长路面的使用寿命，已经成为我国公路行业亟待解决 的问题。 本文以江西省乐温高速公路工程为依托，从沥青面层的范畴对重交通条件下 的路面施工质量控制技术进行研究。江西省乐温高速公路起于新建县乐化镇昌北 机场高速公路与昌九高速公路交汇处，止于进贤县温家圳墨溪陈家枢纽互通立 交，与沪瑞及京福高速公路相连，双向6 车道，全长7 1 6 公里，设计时速1 0 0 k m ， 面层结构为4 c m 改性沥青( i d ) a c 一1 3 + 6 c m 改性沥青( i d ) a c 一2 0 + 8 c m 普通沥 青( a h 一7 0 # ) a c 一2 5 ，本条高速公路交通量大，超重车所占比例较高，预计2 0 0 7 年平均日交通量为1 9 3 3 l 辆( 标准小客车) ，折算成中型载重汽车为9 6 6 6 辆， 2 0 0 7 2 0 1 5 年交通量年增长率为6 6 9 9 6 ，2 0 1 5 2 0 2 0 年为5 9 3 ，2 0 2 0 2 0 2 6 年为3 4 3 ，所在地区年降雨量丰沛，夏季气温炎热，冬季较为寒冷，温度分区 属于卜4 区，工程总投资3 9 亿元，于2 0 0 5 年底建成通车。 卜2 研究目的及意义 近几年随着我国高速公路建设的飞速发展，路面施工技术水平有了很大提 高，先后建成了一批质量较好的高速公路，如1 9 8 8 年建成的沈大高速公路，除 沈阳至鞍山段进行了局部修补外，仍在正常使用中，1 9 9 1 年建成的京津塘高速 公路，至今已使用了1 5 年，情况基本良好，现正进行预防性养护，1 9 9 3 年建成 的广深高速公路，至今没有发生严重的破坏，1 9 9 6 年建成的八达岭高速公路以 及随后建成的京沪、京哈、京珠三大高速公路主干线，大部分路段都达到了相当 高的质量水平。 但是，由于我国高速公路建设起步较晚，技术力量的储备较少，以及我国的 气候和交通荷载条件恶劣，车辆轴栽重，交通量大，荷载作用间歇时间短，以及 优质道路沥青材料缺乏等，使得很多建成的高速公路存在种种质量问题，有的高 速公路通车仅仅二、三年就出现了严重的车辙、开裂、泛油、坑槽等病害，从而 不得不进行大修，有的甚至还未通车就已经发生了明显的路面损坏现象。 可见，我国的沥青路面施工质量还远不能满足高速公路建设的需要，施工过 程中还存在种种质量问题，一是原材料的质量问题，集料质量差是目前公路建设 中特别严重的问题，突出的表现是：材料脏、粉尘多、针片状颗粒含量高、级配 不规格等，经常达不到规范要求。我国公路工程中的集料大多来自社会料场，国 有企业、乡镇企业、个体生产都有，造成各料场的集料规格和质量参差不齐，使 用时离析严重，导致实际级配与配合比设计有很大差距，这是造成沥青路面早期 损坏的重要原因；道路石油沥青仍然是我国沥青路面建设最重要的材料，目前沥 青的数量和质量与需求相比仍有较大的差距。因此，严把材料关，严格控制原材 料质量是提高施工质量的重要措旌。二是沥青混合料的设计未能充分考虑到气 候、环境以及工程地质特点，造成设计的沥青混合料不能满足路用性能要求，控 制沥青混合料的质量对高速公路沥青路面质量具有重要作用。三是施工过程中的 质量控制，包括沥青混合料的拌合质量控制、沥青混合料的运输质量控制、沥青 混合料的摊铺以及碾压过程中的质量控制等，任何一个环节出现质量问题，都会 影响沥青路面的整体质量。通过对原材料、沥青混合料以及施工过程进行质量控 制，可以有效地提高沥青面层质量，延长路面使用寿命。 卜3 本文主要内容 本文结合江西省“重交通沥青路面修筑技术研究”课题，以江西省乐温高速 公路为依托，分析研究考虑气候、地质和土质差异条件下的高速公路沥青面层施 工质量控制方法，内容主要包括： 研究在规范级配范围内a c 一2 0 型级配曲线走向对沥青混合料高温性能的 影响。 研究矿料和沥青对混合料高温性能的影响，主要研究公称最大粒径不同 时，混合料高温性能的差异，以及沥青用量、沥青膜有效厚度、粉胶比等因素对 混合料高温性能的影响，同时对填料的影响也作了研究。 研究沥青面层材料的质量控制，包括各种原材料( 集料、沥青和填料等) 的质量控制要求以及沥青混合料的性能要求。 研究在高温多雨地区，重载条件下不同路面结构层的沥青混合料设计方 法。 研究沥青混合料拌合与运输过程中的质量控制。 研究沥青混合料摊铺过程中的质量控制。 研究沥青混合料压实过程中的质量控制。 第2 章沥青混合料高温性能的影响因素 2 1 级配曲线走向对混合料高温性能的影响 混合料不同粒径颗粒间的相互嵌挤程度对高温性能影响很大，而能够反映这 一嵌挤程度的是混合料的级配曲线走向，通过对规范级配范围内的五条不同级配 曲线走向的混合料进行试验研究，旨在评价不同级配曲线走向对混合料高温性能 的影响，以指导乐温高速公路混合料的级配设计。 2 1 1 试验方法 研究表明在无自由水浸入沥青混合料层内的情况下，在面层以下3 8 c m 的 深度是最容易产生剪切变形的范围。根据路面结构的应力分析可知，此范围是面 层中剪应力最大的区域，表明中面层沥青混合料的高温抗永久变形能力应该高于 表面层。考虑到乐温高速公路中面层的级配类型情况，本文选择a c 一2 0 型沥青混 合料作为研究对象。 由于各粒级矿料含量的不同，在规范级配范围内，级配曲线呈现不同的走向。 为了研究级配曲线走向对混合料物理力学性能的影响，以a c 一2 0 型沥青混合料在 规范级配范围内的五种典型的级配曲线走向为例，对其进行系统试验研究。这五 种益线基本概括了规范内不同的级配曲线走向情况，分别用代号表示：a 级配( 规 范级配范围的下限) 、b 级配( 规范级配范围的上限) 、c 级配( 规范级配范围的 中值) 、d 级配( s 型级配) 、e 级配( 倒s 型级配) ，五种级配的矿料组成见表2 一l 所示，级配啦线见图2 一l 。 本试验以车辙试验动稳定度、车辙深度和相对变形作为高温性能评价指标， 以马歇尔试验残留稳定度作为水稳定性验算指标。 以马歇尔试验方法确定沥青最佳用量。 车辙深度r d ( m ) 为荷载作用6 0 m i n 时的永久形变量。 相对变形为变形量与试件厚度的比值( ) 。 表2 1 五种级配的矿料组成 筛孔通过率( 筛孔尺寸( m ) abcde 2 6 51 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 1 99 01 0 09 59 89 2 1 6 7 89 28 59 08 0 1 3 26 28 07 17 86 6 9 55 0 7 2 6 16 55 5 4 7 52 6 5 64 l4 0 4 6 2 3 61 6 4 43 02 6 3 5 1 1 81 23 32 2 51 72 8 o 682 41 61 22 0 o 351 71 181 3 o 1 541 38 561 0 o 0 7 537546 2 1 2 试验结果分析 图2 1 五种级配的曲线图 本试验采用韩国s k 一7 0 # 道路沥青，沥青检测按照公路工程沥青及沥青混 合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 相关试验进行，结果见表2 2 。 表2 2 中的试验结果表明，该沥青满足规范要求。 集料产自江西高安三坊料场，石质为石灰岩；矿粉采用江西万年料场的石灰 石矿粉，经筛分后逐级称量回配；集料密度按照公路工程集料试验规程( j t j 0 5 8 2 0 0 0 ) 的要求进行，粗集料的密度采用网篮法测定，结果见表2 3 ；细集料 采用李氏比重瓶法测定，结果见表2 4 。 表2 2s k 一7 0 # 沥青检测结果 检验项目检验值规范值 针入度( 2 5 ，1 0 0 9 ，5 s ) ( o 1 m m ) 7 0 36 0 8 0 延度( 5 c m m i m ，1 5 ) ( c m ) 1 7 8 1 0 0 软化点( 环球法) ( ) 4 9 74 6 溶解度( 三氯乙烯) ( ) 9 9 79 9 5 针入度指数p i + o 2 l一1 5 + 1 o 质量损失( ) o 1 4o 8 薄膜加热试验1 6 3 ，5 h针入度比( ) 7 66 l 延度( 1 5 ) ( c m ) 1 6 l 闪点( c o c ) ( ) 2 9 42 6 0 含蜡量( 蒸馏法) ( ) 1 9 4 12 2 密度( 1 5 ) ( g c m 3 )1 0 3 3实测记录 动力粘度( 6 0 ) ( p a s )2 1 9 1 8 0 表2 3 粗集料密度检测结果 粒径( 咖)1 91 61 3 2 9 54 7 5 表观相对密度 2 6 8 72 6 8 0 2 6 8 5 2 6 7 42 6 7 7 毛体积相对密度 2 6 7 32 6 7 1 2 6 7 4 2 6 6 92 6 6 8 表2 - 4 细集料密度检测结果 l粒径( m ) 2 3 61 1 8o 6o 3o 1 5o 0 7 5 视密度( g c m s ) 2 6 7 52 6 7 92 6 7 l2 6 7 32 6 7 72 6 7 2 矿粉的表观密度采用李氏比重瓶法测定，介质为水，密度为2 6 9 9 9 c m 3 。 由马歇尔试验确定沥青最佳用量，五种级配在最佳油石比下的混合料物理力 学指标见表2 5 。 表2 5 五种级配在最佳油石比下的物理力学指标 最佳油 密度理论密度 v v v m a v f a 稳定度流值 级配石比 ( g c m 3 )( g c m 3 ) ( )( | ) 6 )( )( k n )( o 1 m m ) ( ) a 5 22 3 7 52 4 8 24 31 4 36 9 98 2 l2 5 b4 72 3 9 32 5 0 3 4 4 1 5 7 0 71 3 9 31 9 c4 5 2 4 0 72 5 1 34 2 1 4 3 7 0 61 1 1 01 9 d5 1 2 3 7 4 2 4 8 3 4 4 1 4 4 6 9 48 9 62 l e4 32 4 1 72 5 1 03 71 3 97 3 41 3 8 1 2 4 从表2 5 试验结果可以看出：规范级配范围内的级配，由于级配曲线的走向 不同，沥青混合料的物理力学性质差异很大，因此控制级配曲线走向对于沥青混 合料的生产和施工具有十分重要的意义。 车辙试验结果见表2 6 。 6 表2 6 五种级配的车辙试验结果 级配类型 abcde 动稳定度( 次柚) 6 8 99 9 71 4 5 96 1 81 6 8 9 车辙深度( m ) 1 1 2 55 3 33 0 21 3 2 43 4 4 相对变形( ) 2 2 51 0 6 66 0 42 6 4 86 8 8 用动稳定度( d s ) 评价沥青混合料高温稳定性，动稳定度越大高温性能越好。 图2 2 和图2 3 显示的是5 种级配的动稳定度和车辙深度。 图2 2 五种级配的动稳定度比较 图2 3 五种级配的车辙深度比较 由表2 6 和图2 2 、图2 3 可以看出： 从动稳定度来看，c 级配和e 级配均满足规范对高速公路大于l o o o 次m 的要求，5 条级配曲线的动稳定度排序为e c b a d 。 沥青混合料高温稳定性与其内部的级配组成有关，并非粗集料含量越大 高温稳定性就越好，比如a 级配的粗集料含量大于c 级配，而动稳定度却要比c 级配小得多。 a 级配、c 级配和d 级配的4 7 5 哪筛孑l 通过率均小于4 5 ，属于粗级配， b 级配和e 级配的4 7 5 岫通过率均大于4 5 ，属于细级配。试验结果表明，细级 配的高温性能不一定低于粗级配，过细的级配( b 级配) 高温性能会降低。 d 级配的动稳定度较小可能是石料颗粒之间发生干涉所致，中间粒径颗粒 过多，粗集料没有形成嵌挤结构；说明s 型级配曲线可能存在高温稳定性不足的 问题。 从车辙深度来分析高温性能，和动稳定度并非完全一致，说明动稳定度不 一定是衡量高温稳定性的最佳指标。 采用浸水马歇尔试验来验证沥青混合料的水稳定性，结果见表2 7 。 表2 7 浸水马歇尔试验结果 级配类型 m s ( k n ) 浸水后的m s 残留稳定度 a8 2 4 7 2 68 8 1 5 b1 3 9 6 1 3 2 5 9 4 9 4 c1 1 1 3 l o 5 4 9 4 7 1 d8 9 9 8 1 1 9 0 1 9 e1 3 8 41 3 0 69 4 3 8 用残留稳定度评价沥青混合料的水稳定性，残留稳定度越大，水稳定性越好。 图2 4 所示为5 种级配的残留稳定度。 图2 4 五种级配的残留稳定度比较 从试验结果来看，五种级配的残留稳定度均满足规范对高速公路大于8 0 的 要求，其中b 级配、c 级配和e 级配残留稳定度相对较大，并且相差很小，而a 级配和d 级配相对较小。 2 2 集料对混合料高温性能的影响 2 2 1 公称最大粒径对高温性能的影响 混合料的公称最大粒径是由沥青结构层的厚度决定的，规范要求沥青结构层 的最小厚度宜为混合料公称最大粒径的2 5 3 倍，实际上由路面调查显示，沥 青结构层的厚度对于混合料的公称最大粒径来说也不是越大越好，对于一定厚度 的沥青结构层，如果混合料的公称最大粒径选择不当，则会直接影响沥青混合料 的高温性能。 为进一步研究沥青混合料的公称最大粒径对高温性能的影响，设计试验如 下： 以动稳定度作为沥青混合料高温性能评价指标。分别选取混合料公称最大粒 径为1 3 2 l l f l 、1 9 珊和2 6 5 舢作为研究对象，级配组成分别为a c 一1 3 、a c 2 0 和 a c 一2 5 的规范中值。集料和矿粉均为池溪石料场生产的石灰岩。 每一种粒径的混合料分别制作三个试件并按照规范要求进行车辙试验，然后 取平均值，结果如表2 8 和图2 5 所示。 表2 8 不同公称最大粒径混合料的动稳定度 公称最大粒径动稳定度( 次咖) ( m ) 123 平均值 1 3 26 4 17 8 36 9 87 0 7 1 98 7 2 9 5 77 5 98 6 2 2 6 57 5 97 9 79 2 68 2 7 9 图2 5 公称最大粒径与动稳定度的关系 此次试验的评价指标是车辙试验的动稳定度，按照规范要求试件规格为 3 0 0 咖3 0 0 咖5 0 啪。试验表明，对于车辙试验采用的5 0 m 厚的沥青混合料， 公称最大粒径为1 9 m 的混合料高温性能最好，2 6 5 m 的次之，1 3 2 m 的最小， 进一步分析认为，沥青混合料的高温性能受公称最大粒径与混合料厚度之间的相 互关系影响很大，对于某一厚度的沥青混合料，存在一最佳的混合料公称最大粒 径，试验表明，对于厚度为5 0 咖的沥青混合料，公称最大粒径为1 9 啪的混合料 要比1 3 2 舢的混合料动稳定度大很多，2 6 5 咖的混合料由于粒径过大，相反高 温性能有所下降。 综上所述，混合料的公称最大粒径与混合料的厚度之间的相互关系影响了混 合料的高温性能，对于厚度为5 0 哪的沥青混合料，公称最大粒径为1 9 嘞的混合 料高温性能最好，此时混合料的厚度约为公称最大粒径的2 6 倍。对于不同厚度 的沥青混合料，最佳的公称最大粒径是不同的，混合料的厚度也不定是公称最 大粒径的2 6 倍，具体系数应由试验确定。 2 2 2 集料性质对高温性能的影响 有关试验证明，新破碎的集料使沥青对交通和水的共同作用更加敏感，使沥 青路面更易出现车辙和水损害。新破碎的集料表面会产生自由价，从而表面活性 最高，在长期露天储存过程中与空气中的微粒、雨水中溶解的离子共同作用达到 饱和，从而表面活性降低。一般在室外储存1 2 0 d 左右表面能降到最低。界面能 理论认为，集料与沥青之间的粘附性是与集料的表面能相联系的热力学现象，极 o 性流体对集料表面的吸附力比共价流体更强，因为极性流体能够将其表面能减至 最小并处于热力学稳定状态，故水( 极性流体) 能够从集料表面将沥青( 共价流 体) 剥离下来，且不同岩相的集料，破碎储存后对混合料性能的影响程度是不同 的。所以集料在破碎后应保存3 4 个星期，以降低表面活性后再用于混合料当 中。 集料中的孔隙对混合料的各种性能均有影响。孔隙在各种岩石中广泛存在， 而孔隙多少、孔隙尺寸和孔隙结构则随岩相的不同而不同。这些存在的孔隙在集 料和沥青的拌合过程中会吸收部分沥青或选择性吸收沥青的某些组分，造成实际 使用的沥青用量和有效沥青用量之间的差异，而且改变了组分的沥青膜丧失了结 构沥青的很多功能，导致沥青与集料之间粘附性降低，高温性能下降。一般认为 能对沥青进行吸附的孔隙半径约为几个微米到数十微米之间，这些孔隙吸收沥青 后造成空隙率、v m a 和v f a 的不同，从而影响了混合料的各项性能，包括高温性 能。 此外，集料的岩相、形状、含水量等都对混合料的高温性能产生影响，石灰 岩等碱性石料与沥青具有良好的粘附性，故高温性能较好；集料的形状以正立方 体形状为最佳，嵌挤程度最好，高温性能也最好；集料含水量过大，会降低集料 与沥青之间的粘结作用，故高温性能较差。 2 3 沥青对混合料高温性能的影响 沥青用量对混合料的高温性能影响很大，油石比超过最佳油石比o 3 ，会 使高温性能急剧下降。沥青的粘度越大，高温性能越好，针入度越小，则高温性 能越好。沥青改性后的高温性能会有很大改善，同时沥青标号的影响相对减弱。 沥青与矿粉间的相互作用对高温性能也有很大影响。其次沥青膜有效厚度影响也 比较显著，沥青膜太厚时，沥青润滑作用减弱了集料间的嵌挤力，导致高温性能 下降。本节将主要研究沥青用量、沥青膜有效厚度以及粉胶比对混合料高温性能 的影响。 2 3 1 沥青用量的影响 以乐温高速公路中面层a c 一2 0 为例，级配见表2 9 ，沥青为s b s 改性壳牌7 0 # 沥青，集料和矿粉为石灰岩；填料占3 ，2 为矿粉，1 为水泥；沥青用量分别 为3 5 、4 o 、4 5 、5 o 和5 5 时，马歇尔稳定度、动稳定度与残留稳定度 的试验结果见表2 一1 0 和图2 6 、图2 7 、图2 8 。 表2 9a c 一2 0 级配与规范值的比较 筛孔尺 2 6 5 1 91 6 1 3 2 9 54 7 5 2 3 6l - 1 80 6 0 3 0 1 50 0 7 5 寸( r ) 通过率 ( ) l o o9 4 98 1 97 2 05 8 34 0 62 8 92 1 31 4 21 0 47 05 0 规范中 1 0 09 58 57 16 14 l3 02 2 51 6l l8 55 值( ) 规范上 1 0 0 1 0 09 28 07 25 6 4 43 32 4 1 71 37 限( ) 规范下 限( ) 1 0 09 07 86 25 02 61 61 28543 表2 1 0 不同油石比下的混合料性能试验结果 混合料类型油石比( )稳定度( 1 c n )动稳定度( 次)残留稳定度s o ( ) 3 51 7 0 85 1 4 97 3 1 4 01 7 1 45 0 1 58 6 3 a c 一2 04 51 7 5 24 7 4 29 0 5 5 o1 7 3 34 0 2 89 4 3 5 51 5 2 22 8 9 29 5 2 要求 82 8 0 08 5 3 544 555 5 l 一一一垫鱼堕! ! ! 一一 图2 6 马歇尔稳定度与油石比的关系图2 7 动稳定度与油石比的关系 1 2 图2 8 残留稳定度与油石比的关系 由表2 1 0 和图2 6 、图2 7 、图2 8 可以看出： 随着油石比的增大，马歇尔稳定度先增大后减小，在油石比为4 5 时取 得最大值。 随着油石比的增大，动稳定度呈减小趋势，表明过多的自由沥青在混合料 中起着润滑的作用，削弱了矿料之间的嵌挤力，降低了混合料的高温性能，动稳 定度显著降低，车辙深度明显增大。 随着油石比的增大，残留稳定度增大，在4 5 以后，残留稳定度缓慢增 长，油石比越小，残留稳定度越小，表明沥青用量过少，混合料变得干涩、难以 压实、空隙率偏大、耐久性差，水损害严重。 在马歇尔稳定度达到最大值时的油石比为4 5 ，此时的动稳定度并非是 最大的，随着油石比的减小，抗车辙能力还会更好，一般由马歇尔方法确定的最 佳沥青用量比控制车辙确定的最佳沥青用量要大。 2 3 2 沥青膜有效厚度的影响 沥青膜有效厚度是有效沥青的体积和矿料总的表面积的比值，一般按下式计 算。 沥青膜有效厚度：删= 卫 1 0 y l i m 式中：黝集料的比表面积，剐= 尉，) ，m 2 k g ； p 各种粒径的通过率，； 尉相应于各种粒径的集料的表面积系数，如表2 一1 1 ； n 4 沥青膜有效厚度，胛； 气有效沥青含量，： 儿沥青的相对密度( 2 5 2 5 ) 。 分别对乐温高速公路两个不同标段、不同材料的a c 一2 0 混合料进行沥青膜有 效厚度计算，分析混合料高温性能与沥青膜有效厚度之间的关系。 a p 。标沥青采用s b s 改性沥青，基质沥青为新加坡壳牌7 0 # 道路沥青：碎石采 用江西高安三坊料场石灰岩，规格为1 # ( 1 6 2 6 5 岫) 、2 # ( 4 7 5 1 6 嘞) 、3 # ( 2 3 6 4 7 5 咖) 、4 # ( o 2 3 6 唧) ；矿粉采用万年料场石灰岩；水泥采用江西 兰丰p 0 3 2 5 硅酸盐水泥。 b p 。标采用的沥青与a p 。标相同；碎石和矿粉采用江西池溪料场石灰岩，碎石 规格为1 # ( 1 0 2 0 砌) 、2 # ( 5 l o 唧) 、3 # ( 3 5 m ) 、4 # ( o 3 啪) 。 原材料密度见表2 1 2 ，矿料配合比与最佳油石比见表2 1 3 。 表2 一1 1a c 一2 0 矿料比表面积计算 筛孔尺寸 1 94 7 52 3 61 1 8o 60 3o 1 50 0 7 5 ( m ) 集料 表面积 比表面 系数0 0 0 4 10 0 0 4 lo 0 0 8 20 0 1 6 4o 0 2 8 7o 0 6 1 40 1 2 2 90 3 2 7 7 总和s a f a t ( m 2 k g ) a p 2通过率9 4 94 0 62 8 9 2 1 3 1 4 2l o 47 o 5 0 b p 2 p l ( )9 3 44 1 52 9 81 7 51 3 29 16 75 1 比表面 0 3 8 9 10 1 6 6 50 2 3 7 0o 3 4 9 30 4 0 7 50 6 3 8 50 8 6 0 31 6 3 8 54 鹋6 7 5 a p 2 f a i p b p 2 ( m 2 k g ) 0 3 8 2 90 1 7 0 2o 2 4 4 40 2 8 7 0o 3 7 8 80 5 5 8 7o 8 2 3 41 6 7 1 34 5 1 6 7 3 表2 一1 2 原材料密度 材料名称 1 # 2 # 3 #4 #矿粉水泥沥青 表观相对密度 2 6 9 12 6 8 32 6 7 92 6 7 02 6 7 53 1 0 ( g c m 3 ) a p ：标 1 0 2 7 毛体积相对密度 2 6 7 32 6 5 62 6 4 12 6 1 6 ( g c m 3 ) 表观相对密度 2 7 3 82 7 3 62 7 3 22 7 1 52 7 2 53 1 ( g c m 3 ) b p 2 标 1 0 3 5 毛体积相对密度 2 7 1 82 7 0 92 6 8 62 6 4 2 ( g c m 3 ) 1 4 表2 一1 3 矿料配合比及最佳油石比 混合料矿料所占比例( ) 油石比 类型1 #2 #3 #4 #水泥矿粉 ( ) a p 2 标a c 2 02 43 61 1 2 612 4 5 b p 。标a c 2 03 52 5 1 22 6124 5 a p 。标和b r 标沥青膜有效厚度计算结果见表2 1 4 。 表2 一1 4a c _ 2 0 在不同油石比下的沥青膜有效厚度 油石比( )3 5 4 04 55 o5 5 空隙率( )6 1 5 04 23 4 2 5 a p 2 标 d a 值( 埘1 )6 5 57 5 1 8 4 7 9 4 21 0 3 6 空隙率( ) 7 15 54 33 62 9 b p 2 标 d a 值( “聊)6 7 47 7 48 7 29 7 01 0 6 7 由以上计算得到以下结论： 沥青膜的厚度影响沥青混合料的性能，在小于最佳沥青膜厚度时，沥青膜 越薄，粘结力越低，混合料发脆、易开裂和剥落；在大于最佳沥青膜厚度时，沥 青膜越厚，自由沥青越多，混合料高温性能越差。 最佳的沥青膜厚度随着混合料空隙率的增大而增大，a c 一2 0 在空隙率为 4 2 时，最佳有效沥青膜厚度为8 4 7i 册，在空隙率为4 3 时，最佳有效沥青膜 厚度为8 7 2 j 册。 一般s b s 改性沥青混合料a c 一2 0 在抗车辙条件下的最佳沥青膜厚度为8 9 埘2 。 2 3 3 粉胶比的影响 粉胶比，即o 0 7 5 啪筛孔通过率与有效沥青的比值，对混合料各项性能均有 显著影响，对高温性能和水稳定性影响都比较大。对某确定的混合料而言，有 一最佳的粉胶比，低于或高于该粉胶比，混合料高温性能均较差。对于混合料低 温性能和水稳定性而言，也分别存在一最佳的粉胶比，其他性能指标如：动稳定 度、构造深度及残留稳定度也分别对应一最佳粉胶比，而这些最佳粉胶比数值可 能并不相同，当我们强调某一性能指标时，可以取适当偏向于这一指标所对应的 粉胶比数值。 沥青混合料的粉胶比按下式计算： d 船= 迎( 2 1 ) 圪。 式中：船粉胶比，矿料中0 0 7 5 唧通过率与有效沥青含量的比值； r 。矿料中o 0 7 5 l i 1 l 通过率，： 气有效沥青含量，。 一般粉胶比宜控制在o 6 1 6 之间，对常用的公称最大粒径为1 3 2 1 9 舢 的密级配沥青混合料，粉胶比宜控制在0 8 1 2 之间。 乐温高速公路中面层a c 一2 0 在不同油石比下的粉胶比计算结果见表2 一1 5 。 表2 1 5 不同油石比下的粉胶比 l 油石比( ) 3 54 0 4 55 o 5 5 l 粉胶比髓 1 5 91 3 8 1 2 31 1 01 o o 根据以上计算可以看出： 由于粉胶比与油石比成反比关系，混合料高温性能随油石比的增大、粉胶 比的减小而降低。 对于公称最大粒径为1 9 啪的s b s 改性沥青混合料，粉胶比一般在1 o 1 6 之间，在最佳油石比时的粉胶比为1 2 3 左右。 2 4 填料对混合料高温性能的影响 2 4 1 填料对混合料高温性能的影响 填料一般是指粒径小于0 0 7 5 嘞的矿物粉粒。工程中经常用到的填料有石灰 石矿粉、消石灰粉、水泥等。加入矿粉以后可以改善混合料的一系列性能，尤其 是矿粉与沥青能够形成沥青胶浆，增强了沥青与集料的粘结力，提高了混合料的 路用性能。矿粉用量不足时，会降低沥青混合料的力学强度，但用量过多则会影 响混合料的强度、耐久性与水稳定性。所以矿粉的用量应有一个合适的范围，由 上节的试验结果可知粉胶比一般取1 o 1 6 比较合理，规范推荐的1 o 1 9 的 范围偏大。矿粉细度应有一个合适的范围，随着矿粉细度的增大，混合料的稳定 1 6 度有一最大值，流值增大，室内试件孔隙率减小。东南大学对不同细度矿粉所作 的车辙试验表明，随着矿粉细度的增大，动稳定度增大，总变形量减小。规范要 求o 0 7 5 唧筛孔通过率为7 5 1 0 0 ，此要求较宽松，实际工程中，质量控制应 以选定级配的5 进行矿粉细度控制。 消石灰粉作为填料，用以代替部分或者全部矿粉，由于氢氧化钙具有较高的 活性，能均匀分布于沥青混合料中，提高沥青粘度，增强沥青与集料的粘结力和 抗剥落能力。氢氧化钙通过与沥青的极性分子作用，可以增大消石灰颗粒的有效 体积，阻断裂缝并避免裂缝的进一步扩展，提高沥青与沥青混合料的劲度，提高 抗疲劳能力和抗车辙能力，而集料中的有害杂质，如泥土，在使用了消石灰以后 通过离子交换、火山灰反应等一系列反应，大大降低了塑性指数，提高了混合料 的水稳定性。 水泥也用以代替矿粉作为填料，性质与作用类似于消石灰粉，随着水泥用量 的增加，起初混合料的水稳定性与高温稳定性会明显增强，而随着水泥用量的进 一步增加，水稳定性可能会降低，而高温稳定性变化不大。这主要是由于水泥比 表面积较大，对沥青的吸附能力大于矿粉，当水泥用量过多时就会吸附大量沥青， 造成混合料干涩、变硬，难以压实，从而造成混合料空隙率变大，水稳定性降低， 劈裂强度减小。工程实践证明，使用水泥作为填料对沥青混合料的抗裂性能也有 好处。 2 4 2 水泥合理剂量的确定 乐温高速公路为进一步提高沥青混合料的高温性能，用水泥代替部分矿粉， 然而为确定合理的水泥替代量，须对水泥用量和混合料的高温性能之间的关系进 行研究。 试验采用上面层的s b s 改性沥青，基质沥青为新加坡壳牌7 0 # 沥青：集料为 辉绿岩，产地为德安聂桥料场；石屑为石灰石，产地为高安三坊料场；矿粉产地 为万年料场；各种原材料主要性能指标见第三章中的上面层原材料检测结果；混 合料级配见第四章上面层的设计级配。 用水泥代替部分或全部矿粉，水泥用量间隔暂定为0 1 ，以车辙试验动稳 定度作为高温性能评价指标，水泥与矿粉总量占4 ，车辙试验结果如表2 一1 6 所 不。 表2 1 6 不同水泥用量时的混合料动稳定度 试验水泥掺量动稳定度试验值( 次n l i i i ) 序号( )123平均值 1o3 6 8 93 1 4 23 1 2 33 3 1 8 213 6 8 84 2 8 33 7 6 83 9 1 3 324 2 5 94 9 8 64 8 2 2 4 6 8 9 434 5 6 65 4 9 55 0 5 0 5 0 3 7 用数理统计中的方差分析方法，分析不同剂量的水泥对混合料高温性能的影 响，方差分析结果如表2 1 7 所示。 表2 1 7 方差分析计算结果 来源离差平方和自由度均方离差 f 值 组问 5 3 8 1 4 6 331 7 9 3 8 2 11 2 6 3 组内 1 1 3 7 7 6 481 4 2 2 2 0 5 总和 6 5 1 9 2 2 71 1 预设显著性水平口= 0 0 5 ，对水泥用量的显著性进行f 检验，f = 1 2 6 3 e ( r 一1 ，拧一r ) = r 。，( 3 ，8 ) = 4 0 7 表明水泥用量对混合料高温性能有显著影响。当 水泥用量为2 、3 时，对这两个水平差异显著性进行t 检验，预设显著性水平 口2 0 0 5 ，么( 啊+ 心一2 ) 2 弘，( 4 ) 居4 2 5 _ 9 6 3 4 i | = 3 4 8 ，计算表 明2 和3 的水泥用量对混合料的动稳定度影响不显著，为了提高混合料的高温 性能和降低工程造价，乐温高速公路最终确定用2 的水泥替代2 的矿粉。 第3 章材料质量控制要求 3 1 集料质量控制要求 3 1 1 粗集料质量控制要求 ( 1 ) 石料高温压碎值 工程实践表明，有的石料在常温下满足技术要求，但在高温下却不一定满足， 表明石料在常温下的物理力学性质与高温下的物理力学性质有较大的差异。 石料高温压碎值指标正是为了衡量粗集料在高温、逐渐加载条件下抵抗压碎 的能力，用以评定粗集料的品质和在工程中的适用性。 粗集料的高温压碎值试验通常包含以下仪器：石料压碎值仪、金属棒、金属 筒、方孔筒、方孔筛、天平、压力机。 试验前应按以下步骤准备：将烘箱调至规定温度；用1 3 2 哪和1 6 咖 的标准筛过筛，取出1 3 2 1 6 岫的试样3 k g ，试样宜采用风干集料，如需加热 烘干时，烘箱温度不应超过1 0 0 ，烘干时间不应超过4 h ，冷却至室温称量； 每次试验的集料数量应满足在夯击后集料在试筒内的深度为1 0 c m ，在金属筒中 确定集料数量的方法参照公路工程集料试验规程中的t 0 3 1 6 2 0 0 0 。 ( 2 ) 粗集料质量要求 乐温