（森林工程专业论文）基于寒区低噪声路面材料性能的研究.pdf

摘要 摘要 随着城市化的发展，城市道路正逐渐形成一个完美的立体空间交通体系。地下、地 面和空中的交通体系给人们生活带来便利的同时也带来了烦恼。路网密度日益增大，交 通流量不断增长，噪声危害日益加重。目前，大多数城市采用声屏障或隔音墙来降低噪 声，但由于声屏障或隔音墙成本高，且影响城市美观。因此，铺筑适宜的低噪声路面是 今后研究的热点课题之一。低噪声路面，是在城市的普通沥青路面或水泥混凝土路面或 其它路面结构层上铺筑一层具有很高空隙率的沥青混合料。其优点是与普通的沥青混凝 土和水泥混凝土路面相比，可降低城市道路交通噪声。同时，还具有防溅水、防反光、 增强路面附着力等特点。目前，国际上发达国家已广泛展开低噪声路面的应用研究，国 内的试验路也大都集中在南方几省，高寒地区低噪声路面的铺筑尚属起步阶段。本论文 根据北方的气候特点，对低噪声沥青混合料的配合比及路用性能进行研究。 本论文介绍了对于寒区铺筑低噪声沥青路面材料的选择及要求，并在参照国外研究 成果的基础上，通过室内试验的不断调整，最后确定了符合各项性质指标的级配，总结 出适合于寒区低噪声沥青混合料沥青最佳用量的确定方法。采用飞散试验确定低噪声混 合料的最小沥青用量，析漏试验确定低噪声混合料的最大沥青用量，二者的中值即寒区 低噪声沥青混合料沥青最佳用量。通过室内试验对低噪声沥青混合料的高温稳定性、低 温抗裂性、水稳定性、疲劳特性、透水性、抗滑性进行了检验，各项性能均符合规范要 求。在根据国内外已铺筑低噪声路的基础上，对低噪声沥青路面的施工技术及养护维修 提出了一些建议。 关键词空隙率；改性沥青；性能研究；低噪声路面；沥青混合料 东北林业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n tt h a tc i t yt u r n ，t h ec i t yp a v e m e n ti s b e c o m i n go n e s t e r e o s c o p i cs p a c et r a n s p o r t a t i o ns y s t e mt h a ti sp e r f e c tg r a d u a l l y a tt h es a m et i m ec o n v e n i e n t ， t h et r a n s p o r t a t i o ns y s t e mb r i n g ss o m et r o u b l e st op e o p l ea l s o t h en e t w o r kd e n s i t ye n l a r g e s i n c r e a s i n g l y , t h et r a n s p o r t a t i o nd i s c h a r g ei n c r e a s e sc o n t i n u o u s l y ，s ot h en o i s ee n d a n g e r st o a g g r a v a t ei n c r e a s i n g l y c u r r e n t l y , m o s tc i t i e sa d o p tan a t u r a lc o v e ro rs o u n d p r o o fw a l l st o r e d u c et h en o i s e ，b u tan a t u r a lc o v e ro rs o u n d p r o o fw a l lc o s t sa r eh i g h ，a n da f f e c tt h ec i t v b e a u t y s oi ti sap o p u l a rt a s kf o rl o wn o i s er o a d t h el o wn o i s er o a ds u r f a c eh a v eh i g hv o i d r a t e ，i t sa d v a n t a g ei sr e d u c ec i t yn o i s e a tt h es a m et i m e ，i tc a nd e f e n dt o s p l a s ht h ew a t e r ， d e f e n dt h er e f l e c t i o na n ds t r e n g t h e nt h ep a v e m e n ta d h e s i v e s t r e n g t he t c c u r r e n t l y , i ti s i n t e r n a t i o n a lt oh a v ea l r e a d ye x t e n s i v e l yl a u n c h e dt h ea p p l i c a t i o ns t u d yt h a tl o wn o i s er o a d s u r f a c e ，t h et r i a lr o a di sa l s ot h em o s t l yc o n c e n t r a t e di ns o u t h e mo fo u rc o u n t r y ，t h el o wn o i s e r o a ds u r f a c ei n h i g ha n dc o l dr e g i o ni ss t i l lt h i n t h ep a p e ra c c o r d i n gt ot h ew e a t h e r c h a r a c t e r i s t i c so f t h en o r t h ，a n dt h ep a p e rr e s e a r c hp o r o u sa s p h a l tm i x t u r ea n di t sp e r f o r m a n c e t h ep a p e ri n t r o d u c e df o r t h ec h o i c ea n dr e q u e s t so fm a t e r i a lt h a tt h ec o l da r e ap a v et h e a s p h a l tr o a ds u r f a c eo fl o wn o i s e ，a n db a s e do nt h ef o u n d a t i o no ft h ea b r o a dr e s e a r c hr e s u l t ， e x p e r i m e n to ft h ea d j u s tc o n t i n u o u s l y , f i n a l l ym a d es u r et h em a t c ho ft h ev a r i o u sc l a s s e sa n d s u m m i n g u pt ot h em e t h o dt h a tt h ed o s a g eo fa s p h a l t ，a n dc h e c ku pt h ep e r f o r m a n c eo fl o w n o i s er o a ds u r f a c e f i n a l l y , b a s e do nt h ea b r o a d r e s e a r c h ，t h ep a p e rp u tf o r w a r ds o m e s u g g e s t i o n sa b o u tt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u et h a tl o wn o i s er o a ds u r f a c ea n dp r o t e c tt o m a i n t a i l x k e y w o r d s a i rv o i d ，m o d i f i e da s p h a l t ，p e r f o r m a n c er e s e a r c h ，l o wn o i s er o a ds u r f a c e ，a s p h a l t m i x t u r e i 绪论 1 1 ，问题的提出 1 绪论 1 1 1 降噪问题提出的背景 随着城市化的发展，城市道路正逐渐形成一个完美的立体空间交通体系。地下、地 面和空中的交通体系给人们生活带来便利的同时也带来了烦恼。道路网密度日益增大， 交通流量不断增长，噪声危害日益加重【1 】。根据对北方地区多座立交桥以及部分快速干 道的初步测量，由行驶在立交桥上以及快速干道上的车辆所产生的噪声在某些地段己超 出了居民的承受程度。据测量，白天( 北方立交桥) 噪音达到6 5 分贝，地面要高达7 5 分贝。根据中华人民共和国城市区域噪声标准，此类地区居民白天正常所能承受的 噪音应低于7 0 分贝，晚上低于5 5 分贝。据世界卫生组织最新统计表明：居民若长期处 在高噪声环境中，会反应迟钝、容易疲劳，严重的还会引起头昏、血压升高、失眠等病 症。 在我国公路方面，对于降噪一般仅仅采取声屏障或是隔音墙，但由于声屏障和隔音 墙的高度过高，从而给美化环境带来了一定的困难，并且造价过高。因此，如何通过路 面降噪成为沥青路面的一个课题。 1 1 2 影响沥青路面降噪的因素 沥青路面常用沥青含量较高的细料或是密级配混合料铺筑，当汽车轮胎在路面上滚 动时，与路面接触的轮胎部位被压缩变形，轮胎花纹内空气被挤压排出，形成了噪声。 沥青路面在雨天情况下，由于其密集平滑的骨料不能及时有效的排除路面积水，当汽车 轮胎经过积水区时，会使汽车外胎花纹内的积水形成高压水流喷出，产出高频噪声 2 1 。 同时，也会在汽车尾部产生很高浓度的水雾，影响了驾驶者的行车视线，影响了行车安 全。因此，沥青的材料、种类以及空隙率是影响沥青路面降噪的主要因素。 1 1 3 路面降噪的措施 从已有的研究来看，道路上的汽车产生的噪声主要原因有：发动机的声音，轮胎与 路面之间的噪声，汽车的气动声音【3 。随着汽车工业的发展，发动机的噪声已经降到了 较低的水平。因此，降低轮胎与路面之间相互产生的噪声的意义更为明显。低噪声路面 正是对轮胎与路面之间的噪声采取有效措施，以降低噪声为目的的一种路面结构型式。 低噪声路面是一种新型的路面结构型式，也称多孔沥青路面，又称为透水( 或排水) 路面。它是指在普通沥青路面或水泥混凝土路面或其它路面结构层上铺筑一层具有很高 空隙率的沥青混合料。为使低噪声路面具有良好的降噪性能，采取以下几种措施： ( 1 ) 设计开集配路面。开集配路面的空隙率比较大，轮胎与路面接触时表面花纹 东北林业大学硕。 = 学位论文 槽中的空气可通过孔隙向四周逸出，减少了空气压缩爆破产生的噪声。 ( 2 ) 精选材料。集料的品质、形状及级配，对开级配沥青磨耗层的路用性能影响 很大，故集料的选用需十分严格。粗集料必须坚硬质量必须非常好，尤其是集料的形 状应该接近立方体，针片状颗粒不能多。沥青结合料必须有非常好的粘结力，采用改性 沥青。 ( 3 ) 控制石油比。沥青的用量直接影响到路面的降噪能力，一般沥青材料的厚度 只允许为表层石料厚度的1 2 1 3 。 总之，在普通旧沥青路面或其他结构层上铺筑一层很高空隙率的沥青混合料一低噪 声路面，是降低高等级公路噪声和维修高等级沥青公路由于长期车轮荷载重复作用丧失 的表面功能的有效途径，满足维修高等级沥青公路经济性的要求。 目前国际上发达国家己广泛展开低噪声路面的应用研究。围内的试验路也大都集中 在南方几省，高寒地区低噪声路面的铺筑尚属起步阶段。因此，研究低噪声路面材料的 性能对城市及居民营造“绿色环境”以及高等级公路维修有着重要的意义；在雨天有效 及时地排除路面积水，可以减少由于水漂和水雾产牛的交通事故；同时可以为北方地区 铺筑低噪声路面提供理论参考。 低噪声路面结构示意图如图1 1 所示。 图1 1低噪声路曲不蒽图 1 2 低噪声路面特性及国内外研究综述 1 2 1 低噪声路面的特性 ( 1 ) 降低噪声。多孔沥青路面降低噪声的性能丰要是由于大空隙率的作用。吸声 率是评价低噪声沥青路面降噪功能的一个重要参数。国外学者采用厚度为6 0 m m 、直径 为1 0 0 m m 的圆形试样，取其空隙率分别为1 3 8 - - 2 7 5 用双麦克风法( 图1 2 ) 得出 的测定结果如图1 3 所示1 4 j 。 i 绪论 试件音响器 1 o 垂0 8 直 入 嚣o 6 f 日 率0 4 0 2 0 图1 2 双麦克风法测定系统流程图 冬 - 2 7 5 | | 一2 3 4 胖 一21 o 1 8 o | | 川 八j 胁j u 义 7 、6 够? |、彰 x ，二_ ， 缴 ：j 二沉：彬 ：h i ： ：= ：= ： ， 。_ ，。 l 、，- _ ，、。， 2 0 0 1 0 0 0 频率( h z ) 图1 3 不同空隙率下的吸声率 从图1 3 中结果可以看出，密级配路面显示出近于平调的低吸声率，而低噪声沥青 路面的吸声率却有峰值，可以看出峰值和频率是与空隙结构相关的，空隙率小于1 5 时，其吸声率较小。因此，从降低交通噪声的角度出发，空隙率应控制在1 5 以上。另 外，降低噪声的程度，也可按比利时的经验公式估计，如公式( 1 一1 ) 所示。 d l = 0 0 0 5 t v ( 1 1 ) 式中：比降低噪声值( d b ) ； 丁透水路面厚度( m m ) ，般取t = 4 0 r a m ； y 路面空隙率( ) ，v = 2 0 2 3 。 据欧洲报道：与密级配热拌沥青混合料( h m a ) 路面相比，噪声降低3 d b ；与水泥混 东北林业大学硕士学位论文 凝上( p c c ) 路而相比，降低7 d b 。用于城郊公路附近的声屏障通常能降低3 d b 左右的噪 音【5 1 。当噪音改变3 d b 时，大多数人都能注意到显著的差异。铺筑低噪声路面也许是一 种代替声屏障，缓减交通噪声的合理方案。声屏障的造价相对比较高，而且声屏障用来 减少噪音时，它们四周防噪的效果并不相同。 ( 2 ) 透水性。由于多孔沥青路面的表面有很多空隙，雨水透过多孔沥青混合料表 层，通过排水设施排出路表，使路表无连续的水膜。即使长时间下雨可能使多孔沥青表 层饱和，但由于车辆与轮胎间水压通过低噪声路面的多孔结构消失了，仍然不会发生水 漂，减少了交通事故的发生。在高速、重载、大交通量的公路上，孔隙阻塞现象不十分 严重。为防止孔隙阻塞、延缓透水性衰减，可以为其选择合适沥青拌合料、空隙率大于 2 0 、采用耐磨骨料、在低交通量道路上不使用多孔沥青路面、定期清洗孔隙来完成。 ( 3 ) 抗滑阻力。新建的多孔沥青路面在刹车制动时，抗滑阻力比期望值低。只有 当集料上的薄沥青层被磨耗掉后，抗滑阻力才会提高到正常水平。所以多孔沥青路面的 抗滑阻力在铺筑的第一年里逐渐增加，以后若干年轻微下降，5 年后抗滑阻力保持在一 个令人满意的水平【o j 。 ( 4 ) 减少夜间眩光。多孔沥青路面在晴天时观察，可以发现它明显比普通路面 黑。这时因为普通沥青路面形成光面，光线照射下形成镜面反射，特别在雨天夜间，普 通沥青路面更易产生镜面反射，发生眩光【7 j ；而多孔沥青路面由于集料不规则的棱角， 使光线产生漫反射，不会产生雨天夜间的眩光，而且能保证道路标线清晰可见峭j 。 ( 5 ) 行人免受溅泥、溅水之苦。由于多孔沥青路面不存水，雨天不产生行车水 花，路过的行人可以不必担心水花及污泥溅到身上。这是传统的密实沥青路面所不具备 的。 ( 6 ) 耐久性。多孔沥青路面的耐久性是指在自然气候因素及频繁行车荷载作用 下，路面自身特有使用性能保持时间长短的能力，保持时间长，耐久性高；反之，性能 差。多孔沥青路面的耐久性比一般沥青混合料类路面要低，只要多孔沥青路面在使用一 定时间后，空隙率会由于灰尘、污物堵塞而减少，降噪、排水，产生老化、剥落的现象 会较早【9 , 1 0 】。但是，根据西班牙研究结果显示，只要设计方法得当，多孔沥青不存在老 化问题。在重载、大交通量的道路上，多孔沥青的耐久性优于传统的密实沥青路面。 ( 7 ) 孔隙堵塞。随着交通量的不断增大，会给路面表层带来很多的灰尘及杂质， 在北方冬季还会掺杂着雨雪，随着时间的增加，多孔沥青的孔隙堵塞也会日益严重。因 此，其降噪功能会减弱，透水性也会下降。对于重载、大交通量的道路，多孔沥青路面 的孔隙堵塞问题很难得到很大的缓解。 1 2 2 国内外研究综述 目前，国际上发达国家已广泛展开应用研究低噪声路面。英国在1 9 9 3 年8 月开始 在m 18 公里上修建露石混凝土试验段【1 1 】，它采用露石混凝土粗集料取代了传统混凝土 l 绪论 采用刷毛和划槽的表面处理方式。该路面由两层混凝土组成，上层厚度为4 0 5 0 m m 。 整个路面采用钢筋进行加固，集料外露深度一般为1 5 0 2 5 m m 。据调查，其可降噪 4 5 5 d b 【l2 | 。美围在一般称多孔性沥青路面为开级配抗滑磨耗层( o p e n g r a d e da s p h a l t f r i c t i o nc o u r s e ) 简称o g f c 。自2 0 世纪6 0 年代以来，美国就开始在干线公路上铺筑 o g f c 路面。o g f c 己在几个州成功使用，如华盛顿、加利福尼亚、内华达、佛罗里 达、亚利桑那、佐治亚、俄勒岗等。有些州因为o g f c 的早期松散、与下卧层h m a 间 的分离、砂类材料堵塞孔隙、冰雪天气难于控制等原因而不再使用o g f c 。大多数州认 为使用聚合物改性沥青和纤维可取得良好的效果，良好的设计和精心施工是提高o g f c 性能的关键【1 3 。法国在1 9 9 2 年铺设了2 0 0 0 1 0 4 m 2 ，并且每年以4 0 0 1 0 4 m 2 的速度发 展。法围研究人员通过制作模型来研究它的声学性能，测定其噪声吸声系数，并在室内 环道试验来验证该模型，证实4 0 5 0 m m 厚的多孔性沥青路面产牛的噪声比普通密级配 沥青路面低3 - 一6 d b 。荷兰在1 9 7 2 年开始排水性沥青混合料的应用研究。荷兰降水量 大，铺筑这种路面能有效的防止雨天行车溅水，减少交通事故。为了提高沥青材料对石 料的曩覆能力，混合料拌和时加入石灰填料，采用针入度8 0 - - 一10 0 ( 1 1 0m m ) 的沥 青，空隙率达2 0 ，铺筑厚度为5 c m 。路面在_ t i 燥状态下，交通噪声降低3 d b ，潮湿状 态降低8 d b 【i 引。在日本，由于开展排水性沥青路面的研究较欧美晚，从一开始就注意使 用改性沥青结合料。日本的所谓高粘度改性沥青，是指在6 0 。c 时沥青的绝对粘度大于 2 0 0 0 0 p a s ，现在被广泛使用。多空隙沥青混凝土比普通沥青混凝土可降低3 8 d b 。除 上述国家外，德国、比利时、马来西亚等国家，对多孔性沥青路面都有研究和应用 1 5 】。 我国于2 0 0 2 年1 0 月在昌平北七家汽车城铺筑了试验路段，经专家测试与普通沥青 路面比较平均降低4 d b 。目前，国内已有少数研究单位和高等院校开展了多空隙沥青混 凝土和超薄沥青混凝土的研究，如1 9 8 8 年交通部公路科学研究所与河北省交通厅合作 在正定试验路上铺筑了1 0 0 m 的o g f c l 6 试验路，同济大学于1 9 9 6 年在浙江萧山等地 铺设了多空隙降噪试验路段( 4 4 0 0 m 2 ) ，北京市政和广州市政分别在北京和广州铺设了超 薄沥青混凝土试验路段( 埃索改性沥青) ，交通部公路科学研究所与济青高速公路管理局 和山东省交通科学研究所合作，于1 9 9 9 至2 0 0 0 年在济青高速公路上铺设了超薄沥青混 凝土近8 0 0 0 m m 2 ( 两种级配，两种改性沥青) 1 6 。 本研究对欧洲、日本的开级配沥青混合料级配做了相关试验研究，由于我围的原材 料性质和路面结构类型与国外存在一定的差异，所以不能直接采用国外的设计级配，而 是在参照国外设计级配的基础上，通过室内试验的检测和调整，取长补短，最终确定适 合围内应用的设计级配。 1 3 研究内容及设计原则 1 3 1 研究内容 本论文通过参考国内外研究成果，提出适合于我国北方地区的多孑l 沥青混合料的配 东北林业大学硕士学位论文 合比方法，主要研究内容如下： ( 1 ) 研究低噪声路面的粘结材料及其它材料要求。 ( 2 ) 对低噪声沥青混合料的配合比设计方法进行研究。 ( 3 ) 对低噪声沥青混合料的性能进行试验。 1 3 2 设计原则 根据不同地区不同的气候特点，考虑到沥青混凝土路面的破坏形式、沥青及沥青混 合料特性、沥青及沥青混合料的路用性能关系，选择适当的沥青及矿料，经过合理的混 合料设计，以达到公路路面使用质量的要求。寒区低噪声沥青混合料设计应考虑以下性 能要求。 ( 1 ) 沥青混凝上路面抗低温裂缝的能力。路面病害调查表明，裂缝是寒区沥青混 凝土路面的主要破坏类型。根据发牛机理的不同，沥青混凝土面层裂缝有收缩裂缝、疲 劳裂缝和反射裂缝等【1 7 】。它们与常年低温和温差大有很强的关系，需要通过合适的材料 设计、结构设计和严格施工来保证沥青混凝上路面具有良好的低温抗裂性能。 ( 2 ) 沥青材料的抗老化性能。寒区寒冷的气候环境会使沥青及沥青混合料出现严 重的老化。沥青的粘附性、柔性变差，加剧了低温裂缝和水损现象。防止沥青及沥青混 合料的过早老化也是寒区低噪声沥青混合料设计中的一个重要内容。 ( 3 ) 沥青混合料水稳性和抗冻性。降雨、融雪进入低噪声路面空隙或裂缝，在水 及负温的长期作用下，低噪声路面出现松散、坑槽等各种病害。因此，在沥青混合料设 计时，要求其水稳性和抗冻性满足路面的使用要求。 2 低噪声路面的材料要求 2 1 改性沥青 2 低噪声路面的材料要求 2 1 1 普通沥青现阶段存在的问题 ( 1 ) 车辙迅速发生，在高温地区、大型车辆以及超载重载路段，车辙已成为沥青 路面潜在的最严重的破坏形式。 ( 2 ) 沥青路面水损害破坏的问题严重，路面混合料透水和蓄水的情况相当普遍， 在多雨地区及季节性冰冻地区，雨季或春融季节路面唧浆、松散、坑槽成为最严重的破 坏形式。 ( 3 ) 寒冷地区沥青路面温缩裂缝仍普通存在。尤其是半刚性基层的沥青路面，半 刚性基层材料收缩裂缝的反射缝仍然大量发生【l 引。以上这些问题，在国际上也是普遍存 在的。之所以会产生这些问题，在我国主要有以下原因：我国严重缺乏修建高等级公路 用的高质量重交通道路沥青，某些工程不得不使用性能不好的普通多蜡沥青修建；即使 使用了国产或进口的重交通道路沥青，但某些路段由于交通量过大，运输超限十分严 重，或者气候条件恶劣，仍不敷需要；现有的矿料级配基本上是从传统观念出发配制的 连续式密级配沥青混凝土，这种级配不能满足更高要求的路面需要。面对这样的状况， 道路工作者们不得不在提高沥青混凝土路面使用性能上下功夫，使路面保持良好的使用 状态，延长使用寿命，创造社会经济效益。因此，研究提高沥青混凝土路面使用性能的 关键技术，即采用改性沥青混合料【1 9 】，已成为我国公路建设的迫切需要。 2 1 2 改性沥青的含义 所谓改性沥青，是指掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其它填料等 外掺剂( 改性剂) ，使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青结合料。改性剂是 指在沥青或沥青混合料中加入的天然的或人工的有机或无机材料，可熔融、分散在沥青 中，改善或提高沥青路面性能( 与沥青发生反应或裹覆在集料表面上) 的材料【2 0 1 。 由于低噪声沥青混合料中的粗集料含量较多，达8 0 左右，沥青用量必然降低。如 果用普通的沥青做低噪声路面的结合料，会造成沥青混合料的感温性差，抵抗车辙、变 形的能力差，和易性差等弱点【2 1 , 2 2 】。所以为了防止沥青热熔滴落堵塞孔隙，同时防止车 轮荷载冲击作用下表面骨料飞散，多使用改性后的高粘度沥青。另一方面，北方地区四 季温差变化很大，沥青混凝土路面经受着气候条件变化的考验。为了防止沥青混凝土路 面的早期破坏，提高路面的高低温性能和耐久性，应采用改性沥青。 目前，常用的改性沥青主要是高分子聚合物改性沥青，常用的聚合物改性剂主要有 三类【2 3 】： ( 1 ) 橡胶类：如天然橡胶( n r ) 、丁苯橡胶( s b r ) 、氯丁橡胶( c r ) 、丁二烯橡胶 东北林业大学硕士学位论文 ( b r ) 、乙丙橡胶( e p d m ) 等。这类改性剂具有优良的抗低温开裂性能和增大沥青与石料 的粘附力。 ( 2 ) 橡胶塑料类：即热塑性弹性体。如苯乙烯一丁二烯嵌段共聚物( s b s ) 、苯乙 烯一异戊二稀嵌段共聚物( s i s ) 、苯乙烯一乙烯一丁二烯一苯乙烯共聚物( s e b s ) ，聚脂弹性 体等。已有实用效果的有s b s 。这类改性剂具有增加柔性、抗永久变形能力以及好的耐 久性。 ( 3 ) 树脂类：热塑性树脂，如聚乙烯( p e ) 、乙烯一醋酸乙烯共聚物( e v a ) ，聚氯乙 烯( p v c ) 、聚酞胺等；热固性树脂，如环氧树脂( e p ) 、酚醛树脂、聚氨脂树脂等。己 有实用效果的有e v a 、p e 、e p 等。这类改性剂具有对高温稳定性提高明显，使粘结 力、抗冲击、震动能力提高。 不同地区的气候条件有很大不同，我国“八五”国家科技攻关专题道路沥青及沥 青混合料路用性能的研究已经按照气候、降雨量等标准提出了我国沥青路面使用性能 的气候分区，且不同的改性剂标准对改性沥青类型标准的选择也有所不同。对于我国北 方寒冷地区，抗裂性能要求较高，s b s 改性效果较好。目前，s b s 改性沥青成为我国改 性沥青的主体。 本论文采用母体沥青为韩国a h 9 0 、改性剂为s b s 。改性沥青的技术指标2 4 1 ，如表 2 1 所示。 表2 1改性沥青的技术指标 2 2 粒料要求 低噪声沥青路面所用粒料，与普通沥青混凝土路面有所不同。多孔沥青磨耗层较一 般沥青混合料，需要用更多粗集料，以达到高空隙率的目的，进而起到降噪的作用【2 5 | 。 同时，集料的品质、形状及级配，对多孔沥青磨耗层的路用性能影响很大，故集料的选 用需十分严格。 2 2 1 粗集料 在低噪声路面中主要以粗集料为主，因此，在粗集料的选择上尤为重要。多孔沥青 粗骨料为4 7 5 m m 以上的集料，有1 0 - 1 5 m m ，5 1 0 m m 两种规格，最大粒径为 2 低噪声路向的材料晏求 1 6 r a m 。粗集料形状以方形石为佳，扁平细长的石料容易在铺设时破碎，会降低路面的 强度、抗压碎性及抗冲击性。同时要求集料耐久、干净。表面有粘土或灰尘包裹会妨碍 沥青的粘附性，加速了沥青结构层剥落，结构松散。粗集料的各项技术指标2 6 1 ，如表2 2 所示。 表2 - 2 粗集料的各项技术指标 2 2 2 细集料及填料 低噪声沥青的细集料为天然砂、人工砂、碎石屑及特殊砂，一般是指0 0 7 5 2 3 6 r a m 部分集料。细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当的颗粒级配。细 集料的各项技术指标圈，如表2 3 所示。 表2 - 3细集料的各项技术指标 填料要求使用石灰石粉，也可使用质量通过验证的熔渣粉末等材料，用量5 左右 2 7 】。为改变骨料与沥青间的粘附性，可掺加水泥，掺加量以占填充料总量的4 0 6 0 为 宜。填料的各项技术指标，如表2 4 所示。 东北林业大学硕二e 学位论文 2 3 本章小结 由于低噪声沥青混合料中的粗集料含量较多，如果用普通的沥青做低噪声路面的结 合料，会造成沥青混合料的感温性差，抵抗车辙、变形的能力差，和易性差等弱点。另 一方面，北方地区四季温差变化很大，为了防止沥青路面的早期破坏，提高路面的高低 温性能和耐久性，所以本研究采用母体沥青为韩国a h 9 0 、改性剂为s b s 的改性沥青。 集料是不同粒径矿物的混合料，集料的物理常数如密度和空隙率等，对其力学性能 和组成设计有着重要的作用。用于低噪声路面的粗集料应具备足够的抗压碎性、抗磨光 性和抗冲击性；细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当的颗粒级配；填料要 求使用石灰石粉，也可使用质量通过验证的熔渣粉末等材料，用量5 左右。 3 低噪声沥青混合料的配合比设计 3 低噪声沥青混合料的配合比设计 3 1 国外关于低噪声沥青混合料配合比设计方法概述 3 1 1 日本配合比设计方法 日本的排水性路面技术指南【4 1 规定，低噪声沥青混合料的配合比中，由试算法 决定集料配合比的混合料流淌试验中取得的最佳沥青含量；由密度试验、马歇尔 ( m a r s h a l l ) 稳定度试验、透水试验及c a n t a b r o 磨耗试验决定设计沥青量；制作马歇尔 试体，压实次数为每面各5 0 次。 ( 1 ) 配合比设计步骤如图3 1 所示。 材料选定 目标空隙率的设定 2 3 6 m m 筛孔通过量在中央级配附近以3 左右相差的3 个级配选定 暂定沥青含量的计算 试件制作 决定矿料配合比 混合料飞散流淌试验 最佳沥青含量的设定 ， 室内配合比设计沥青含量的确定 图3 1 配合比设计步骤 ( 2 ) 目标空隙率的确定。研究表明空隙率在1 0 以下时，路面起不到降噪和排水 东北林业大学硕士学位论文 的性能，基本上等同于密级配沥青混合料。因此初始使用阶段，空隙率设定为1 5 以 上。实践证明，低噪声路面在使用过程中，行车荷载的反复碾压，以及灰尘堵塞等，使 得路而逐渐丧失了降低噪声性能和排水性能。因此，为保证路面的降低噪声效果和排水 性能，低噪声路面的目标空隙率普遍设定为2 0 左右1 2 引。 ( 3 ) 确定满足目标空隙率的矿料级配2 3 6 m m 通过百分率是控制排水性混合料空 隙率的重要因素。在确定矿料级配时，绘出图3 2 所示的关系曲线，调整级配到目标空 隙率对应的2 3 6 m m 通过百分率，从而确定最终设计级配。 j ： j j 。入 1 0 l l 1 21 31 41 51 61 71 8 1 9 2 02 l 2 3 6 m m 通过质量百分率 图3 2 质量百分率与空隙率关系 ( 4 ) 最佳沥青用量确定。流淌试验用于测定低噪声混合料的最大沥青用量，以沥 青的流淌量与沥青含量关系曲线中的拐点作为最佳沥青用量。流淌试验一般在沥青含量 为4 0 6 0 的范围内，以0 5 为增量，对5 组沥青含量分别测出其流淌量( 图3 3 所示) 。若在4 o 6 o 范围内无明显拐点，可针对4 o 以下或6 o 以上在以0 5 为 增量追加试验直至看到明显的拐点为止。 44 555 56 石油比 图3 3 流淌试验沥青用量 1 2 m 船 舱 射 加 侈 体 m 空隙率 2 o 8 6 4 2 0 流淌试验质量损失率 浙 青的磨耗量与沥青含量 曲线中的拐点作为最佳沥青用量，与流淌试验相同找其拐点位置，见图( 3 4 ) 。由 试验和飞散试验共同确定沥青最佳用 5 石油图3 色散试验沥青 ( 5 ) 配合比设计规范。低噪声沥青混合料设计准则( 目标值) 如表3 1 所 ，表3 1 低噪声沥青混合料设计目 312美国配合比设计 kandhal和malick于1999年在其发表的“新一代开级配磨耗层的设计”论文 荐设计步骤如下【4 (1)于ogfc材料，包括集料、沥青及添加 东北林业大学硕士学位论文 3 1 3 西班牙配合比设计方法 低噪声沥青混合料设计依据例：一是确保抵抗因交通引起的颗粒松散，且要有足够 的青膜厚以包裹集料的最小沥青用量；二是避免沥青流淌，且混合料内要有良好低噪声 的最大沥青用量。抵抗颗粒松散是以c a n t a b r o 磨耗试验进行分析，试件以马歇尔压实仪 每面各击5 0 下，为考虑耐久性，有最小沥青用量限制，设计沥青用量如表3 3 所示。 表3 3 沥青川量设计指标要求 3 2 低噪声沥青混合料配合比设计方法 目前，大多数国家采用马歇尔法设计沥青混合料，但大量实践证明，马歇尔试验指 标与沥青混合料的路用性能相关性不理想，主要是由于该法的沥青混合料试件成型方法 和力学图式与沥青混凝土路面的实际状况有较大差别 3 0 。沥青混凝土路面出现的病害与 当地的气候环境有很大的关系，特别是在寒冷地区多出现开裂病害等。本论文吸收日本 排水路面配合比设计方法，以及公路沥青路面施工技术规范( j t g f 4 0 2 0 0 4 ) 中口4 】 “o g f c 混合料配合比设计方法”进行设计。 3 2 1 确定目标空隙率 经验证明【3 ，空隙率低于1 5 起不到降噪、排水的作用，高于2 5 容易引起混合 料松散，发生早期破坏。日本排水性路面的目标空隙率普遍设定为2 0 2 5 。因此， 本研究的低噪声路面的目标空隙率设定为2 0 。 3 2 2 材料选择与初试级配的确定 以集料最大粒径1 6 m m 的级配范围为基准，材料的具体技术要求及试验值见表2 1 、表2 2 、表2 3 、表2 4 。根据公路沥青路面施工技术规范( j t g f 4 0 一2 0 0 4 ) 中【2 4 j 要 求矿料级配，如表3 4 所示。 表3 4 配合比设计级配 筛孔尺寸 1 61 3 29 54 7 5 2 3 61 1 80 60 30 1 50 0 7 5 通过率 1 0 09 0 一1 0 06 0 8 01 2 3 01 0 - 2 2 6 1 84 - 1 53 一1 23 。82 - 6 集料配合比设计借助计算机的电子表格用试配法进行。根据已有经验最佳油石比为 5 ，在此基础上，以2 3 6 m m 筛孔通过率为特征变化点，与其级配附近以3 左右相 差暂定3 组级配，计算相应的材料配比，所配制的三组初级配的合成级配必须在要求的 级配范围内。选择初试级配的目的是在初试沥青用量下，确定满足目标空隙率的合理级 配。表3 5 给出了各初试级配中集料配合比和合成级配。 表3 5 各初试级配集料配合比和合成级配 表3 8 试件计算的基本数据及空隙率 3 3 沥青最佳用量的确定 根据现有规范以及国外在此方面的研究，本文主要采用飞散流淌法进行沥青混合料 最佳沥青用量的确定。下面对几种确定沥青最佳用量的方法进行阐述。 3 3 1 马歇尔试验法 马歇尔试验法，以沥青用量为横坐标，以测定的各项指标为纵坐标，分别将试验结 果点入图中，连成圆滑的曲线( 要求使密度及稳定度曲线出现峰值) 。从图中求取相应于 密度最大值的沥青用量为a l ，相应于稳定度最大值的沥青用量a 2 及相应于规定空隙率范 围的中值( 或要求的目标空隙率) 的沥青用量a 0 ，求取三者的平均值作为最佳沥青用量的 初始值o a c l 。同时求出各项指标均符合沥青混合料技术标准的沥青用量范围 o a c m i n 0 a c m a x 的中值o a c 2 。当o a c l 相应的各项指标值均符合规范规定的马歇 尔设计配合比技术标准时，由o a c l 及o a c 2 ，综合决定最佳沥青用量o a c 。 本研究混和料中粗集料含量大，细集料含量少，如果采用传统的马歇尔试验法来确 定最佳沥青用量，那么所确定的最佳沥青用量将超过裹附集料所需的沥青用量，沥青混 则是平衡沥青用量不足引起集料松散脱落及沥青用量过大在施工中沥青流淌引起的空隙 堵塞。 ( 1 ) 飞散试验。飞散试验是通过沥青用量与集料脱落的关系确定沥青混合料的最 小沥青用量，以沥青质量损失率与沥青用量的关系曲线中的拐点作为最佳沥青用量。本 试验是在沥青含量为4 o 6 0 的范围内，以0 5 为增量分别制作的5 个马歇尔试 件。将水浴过的马歇尔试件放入洛杉矶试验机中，不加铁球，开动机器，以每分钟3 0 转的速度转动3 0 0 转后取出，计算试件的剩余质量与损耗前的比值，即质量损失率。试 验结果如表3 11 、3 1 2 所示。将级配分别绘制成图3 5 、3 6 。 表3 1 1级配1 i 散试验数据 、k 、 44 555 56 石油比 图3 5 级配一飞散试验沥青h j 量 表3 1 2 级配二l - 散试验数据 质 目 里 损 失 塞 夕 44 555 56 石油比 图3 7 级配一流淌试验沥青用量 由图3 7 可见，级配一在沥青用量为5 4 时曲线出现拐点，因此级配一的沥青最大 用量为0 a c m a x = 5 4 。 表3 1 4 级配三流淌试验数据 质 目 里 损 失 室 _ 一 ， 44 5，5 36 石油比 图3 8 级配三流淌试验沥青用量 由图3 8 可见，级配三在沥青用量为5 0 时曲线出现拐点，因此级配三的沥青最大 用量为0 a c m a x = 5 o 。 ( 3 ) 确定沥青最佳用量。对于级配一，由飞散试验得到的沥青最小用量为 5 4 5 3 5 2 5 5 0 4 3 2 1 0 4 5 3 5 2 5 1 5 0 王 2 o 东北林业大学硕士学位论文 o a c m i n - 4 9 。由流淌试验得到的最大沥青用量为o a c m a x = 5 4 。因此，级配一的最 佳沥青用量( 油石比) o a c = 5 2 。对于级配三，由飞散试验得到的沥青最小用量为 o a c m i n - 4 8 。由流淌试验得到的最大沥青用量为o a c m a x = 5 0 。因此，级配三的最 佳沥青用量( 油石比) o a c = 4 9 。 3 4 本章小结 通过参照日本以及欧洲一些国家对低噪声沥青混合料配合比设计的研究，确定出适 合我国北方寒区的低噪声沥青混合料配合比设计的方案。本研究确定的目标空隙率为 2 0 。集料配合比设计借助计算机的电子表格用试配法进行。根据已有经验的最佳油石 比，再以2 3 6 m m 筛孔通过率为特征变化点，与其级配附近以土3 左右相差暂定3 组级 配，计算相应的材料配比，所配制的三组初级配的合成级配满足级配范围要求。按照体 积法测量试件的毛体积密度，根据实测密度，算出沥青混合料的理论最大密度，计算空 隙率。确定了满足目标空隙率的计算，最终确定了级配一、级配三的设计级配。 根据对几种沥青最佳用量的确定的方法分析，采用的是飞散析漏法。通过飞散试验 可以确定沥青的最小用量，析漏试验可以确定沥青的最大用量，沥青的最佳用量的确定 为二者的中值。 4 低噪声沥青混合料的性能研究 4 1 低噪声沥青混合料的空隙率 4 1 1 试验方法 对级配一，即碎石( 10 15 ) ：碎石( 5 1 0 ) ：砂：矿粉= 6 9 ：1 5 ：1 1 ：5 和最佳用量 o a c = 5 2 和级配三，即碎石( 1 0 一1 5 ) ：碎石( 5 1 0 ) ：砂：矿粉= 6 5 ：1 6 ：1 4 ：5 和最佳用量 o a c = 4 9 按试验规程( t 0 7 0 2 2 0 0 0 ) 试验方法吲制作标准马歇尔击实成型试件，对其 进行空隙率的计算。按照体积法测量试件的毛体积密度，根据实测密度，算出沥青混合 料的理论最大密度，按公式( 3 1 1 ) 进行计算空隙率。计算结果如表4 1 、4 2 所示。 表4 1级配一低噪卢混合料进行空隙率计算结果 东北林业大学硕l 二学位论文 4 1 2 试验结果分析 从表4 1 、4 2 试验数据看，设计空隙率与目标空隙率的差值不宜超过士1 ，符合 公路沥青路面施工技术规范j t gf 4 0 一2 0 0 4 要求。 影响沥青混和料空隙率的丰要因素为材料的级配组成和沥青混合料中的沥青用量情 况，其中材料的组成设计是主要因素。对于室内试验研究，当试件成型方法以及压实的 大小确定后，影响材料空隙率的因素可主要归结为材料的组成设计。细集料和填料的含 量对空隙率的影响比较显著，过多细料，会填满粗集料之间的空隙，进而减低了沥青混 合料的空隙率。同时，在保持2 3 6 m m 筛孔通过量不变的情况下，提高集料最大粒径， 有助于提高空隙率。 4 2 低噪声沥青混合料的高温稳定性 采用车辙试验来评价低噪声沥青混合料的高温稳定性。沥青混合料在行车荷载的重 东北林业大学硕士学位论文 4 2 2 试验结果分析 从表4 3 的试验数据看，低噪声沥青混合料的动稳定度和空隙率的大小有关，动稳 定度随着空隙率的增加而减小。在本试验中动稳定度均超过了规范对于低噪声路面 3 0 0 0 次m i n 的要求，所以该沥青混合料配合比符合要求。 4 3 低噪声沥青混合料的低温抗裂性 由于沥青的温度敏感性，随着温度下降沥青混合料的强度增大，变形能力降低，进 而出现路面破坏 36 ”】。低温缩裂的出现在初期没有什么危害，只是有损美观，但是低温 缩裂往往是沥青路面各种病害的起端，而裂缝的发展直接影响到路面的使用性能。对于 沥青混合料低温抗裂性能的试验研究方法国内外主要有：等应变加荷载的破坏试验( 间 接拉伸试验、弯曲、压缩试验) 、直接拉伸试验、弯曲拉伸蠕变试验、受限试件温度应 力试验、三点弯曲j 积分试验、c 术积分试验、收缩系数试验、应力松弛试验等。以上试 验方法中，有些虽然能模拟现场沥青混合料的力学行为，但试验费用高，无法推广，有 些方法的试验条件及参数不能同时适应于各种沥青。保证沥青混合料的低温抗裂能力要 考虑以下两点：一是看其在低温下的变形能力；二是看其在低温断裂时