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沥青混合料高温抗变形能力研究 摘要 摘 要 随着交通量的增加、轮胎充气压力和轴载的提高，车辙问题成为沥青路面的主要病害之 一本文主要对沥青混合料高温抗变形能力主要影响因素展开探讨受个人能力所限，不可 能做到面面俱到，只是企求在某些关键问题上取得些许突破空隙率、级配、沥青用量的确 定方法是本文的研究重点，并且初步探讨了不同荷载形式的划分与试验模拟。 经过试验研究发现，本文得出以下主要结论： 1 ) 当空隙率在2 5 - - - 3 时。沥青混合料的车辙深度最小。由此增大或者减小空隙率 都会加深沥青混合料的车辙深度，这是沥青混合料空隙率的适用下限。 2 ) 对于同一料源集料，粗集料级配对租集料空隙率影响不显著，细集料空隙率随着级 配由细变粗趋于增大。 3 ) 矿质颗粒表面沥青膜厚度与细集料空隙率关系最为显著，随着细集料空隙率及粗集 料用量的增加而增加 4 ) 影响密级配混合料高温抗变形能力的主要因素是矿质颗粒表面沥青膜厚度； s u p e r p a v e 禁区通过方式与密级配混合料高温抗变形能力无必然联系，没有必要严格限定禁 区通过方式。随着矿质颗粒表面沥青膜厚度的减薄沥青混合料的高温抗变形能力增加：确 保合适的沥青膜厚度。是沥青混合料组成设计的关键。 5 ) 基于车辙试验与水损试验，从混合料的抗车辙性能与抗水损性能出发，给定合理的 沥青用量范围。 关键词：高温抗变形能力车辙a p a 轮辙试验空隙率级配 粗集料空隙率细集料空隙率沥青膜厚度性能试验 同济大学申请工学硕上学位论文 沥青混合料高温抗变形能力研究 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo f t r a f f i cv o l u m ea n dt h ea d v a n c eo f t i r e si n f l a t i o np r e s s u r ea n dw h e e ll o a d ， t h er u t t i n gp r o b l e mb e c o m e so n eo ft h ep r i m a r yd a m a g e t h i sr e s e a l e hf o c u s e so nt h ep r i m a r y f a c t o r si n f l u e n c i n gt h er e s i s t a n c et op e r m a n e n td e f o r m a t i o no fa s p h a l tm i x t u r e s , w i t ho t h e r sp u t a s i d ed u et ot h el i m i t e dp e r s o n a la b i l i t y t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e na i rv o i d s 、g r a d a t i o n s 、 d e t e r m i n a t i o no f a s p h a l tc o n t e n ta n dr e s i s t a n c et op e r m a n e n td e f o r m a t i o na l et h ek e yp o i n t so f t h i s r e s e a r c h t h ed i f f e r e n t i a t i o na n dl a b o r a t o r ys i m u l a t i o nt e s to fd i f f e r e n tl o a dt y p e sa r em a d eo nt h e s e c o n dp l a c e b a s e do nt h ea r d u o u st e s t s ，s o m ek e yb e n e f i c i a lc o n c l u s i o n sa l ea sf o l l o w s ： 1 ) t h er u td e p t ho fm i x t u r e sc o m e st ot h em i n i m u mw i t ha i rv o i d sw i t h i n2 5 a n d3 ，a n d w h e t h e ra i rv o i d si si n c r e a s e do rd e c r e a s e df r o mt h i sl e v e l ，t h er u td e p t ho fa s p h a l tm i x t u r e sw o u l d a d dn a t u r a l l y 2 ) f o rt h es a m ek i n dm i n e r a la g g r e g a t e s ，g r a d a t i o n sh a v en o t h i n gt od ow i t hv o i d si nc o a r s e a g g r e g a t e ，w h i l ev o i d si nf i n ea g g r e g a t et e n d st oi n c r e a s ew h e ng r a d a t i o no fm i x t u r e sc h a n g e s f r o mf i n et oc o a r s e 3 ) a s p h a l tf i l mt h i c k n e s sh a sg r e a tc o r r e l a t i o nw i t hv o i d si nf i n ea g g r e g a t e ，a n di tr a i s e sw i t h t h ei n c r e a s eo fc o a l s ea g g r e g a t ec o n t e n ta n dv o i d si nf i n ea g g r e g a t e 4 ) t h ea s p h a l tf i l mt h i c k n e s si st h ep r i m a r yf a c t o ri n f l u e n c i n gt h er e s i s t a n c et op e r m a n e n t d e f o r m a t i o no fd e n s e g r a d a t e dm i x t u r e s t h ep a s s i n gp l a c ei ns u p e r p a v er e s t r i c t e dz o n eh a sn o n e c e s s a r yr e l a t i o n s h i pw i t ht h er e s i s t a n c et op e r m a n e n td e f o r m a t i o n ，a n dt h e r ei sn oe s s e n t i a l m e a n i n gt ol i m i tt h ep a s s i n gp l a c ei ns u p e r p a v er e s t r i c t e dz o n e 。1 1 h er e s i s t a n c et op e r m a n e n t d e f o r m a t i o no fm i x t u r e si n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s eo fa s p h a l tf i l mt h i c k n e s s t oe n s u r es u i t a b l e a s p h a l tf i l mt h i c k n e s si st h ek e ym e a s u r ef o ra s p h a l tm i x t u r e sd e s i g n 5 ) b a s e do nr u t t i n g - t e s ta n dm o i s t u r ed a m a g e - t e s t , t h ea p p r o p r i a t er a n g eo fa s p h a l tc o n t e n ti s g i v e n , w h i c hi n s u r et h ep r i m a r yp e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e s k e y w o r d s ：r e s i s t a n c et op e r m a n e n td e f o r m a t i o n ：r u t ；a p al o a dw h e e lt e s t ； a i rv o i d s ：g r a d a t i o n s v o i d si nc o a r s ea g g r e g a t e ： v o i d si nf i n ea g g r e g a t e ：a s p h a l tf i l mt h i c k n e s s ：p e r f o r m a n c et e s t 同济入学申请r t 学硕：l 学位论文 沥青混合料高温抗变形能力研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 立题依据 沥青混合料是一种极为复杂的粘弹性材料，其物理力学性能与环境温度高低、作用荷载 大小以及荷载作用时间等密切相关。在炎热的夏季，沥青混合料会由于高温抗变形能力不足 出现高温失稳，在路面上主要表现为车辙、推移，拥包等变形据沙庆林i i l 介绍我国的山 区高速公路往往在局部路段产生较严重的车辙，车辙深度高达l o o m m ，在平原高速公路上， 车辙深度也在2 0 - 4 0 m m 之间。在城市道路上，车辙主要发生在大型车道，交叉口停车线前， 以及公共汽车停靠点附近。车辙，尤其是深度大于15 m m 的车辙，会增加道路的不平整度， 影响路面寿命尤其在雨季，显著影响路面服务特性并危及人民生命财产安全。 影响沥青混合料高温抗变形能力因素很多，主要包括沥青路面结构和沥青混凝土本身的 内在因素诸如混合料体积指标、集料级配、粉胶比、气候、交通以及交通组成等的外界环境 因素。长久以来田内外不少人士对这些因素进行了研究获得了大量有益成果，但是在某 些方面仍然没有达成共识，比如设计空隙率、级配等。不仅如此，目前交通荷载方面出现新 的变化：一方面，货运向集装箱、大型化、多轴化方向发展，常常以大面积的超限超载为特 点【2 j ；另一方面，由于轮胎材料的更新，轮胎负荷能力有了大幅度提高，相应的高压胎气 压标准也在提高，过去标准的高压胎将会逐步归于低压胎n 因此伴随着超载，原来的超载 车辆开始人量采用高压轮胎向重载发展，这对高温抗变形能力提出了更严重的挑战。 为了适应交通荷载发展的需要，满足人们对优良性能路面的期望，从道路材料本身出发， 重点探讨高温抗变形能力的影响因素诸如空隙率、级配、以及荷载等，为当前沥青混合料的 高温组成设计和性能评价提供参考依据。 1 2 沥青混合料的高温强度和稳定性原理 沥青混合料在路面结构中的损坏，主要是发生在高温时由于抗剪强度不足塑性变形过剩 产生的车辙、推移、拥包等变形。目前认同的混合料高温强度与稳定性形成原理是库仑定律， 即在外力作用下材料不发生剪切滑移的条件，见公式( 1 1 ) f c + o t g o ”一“”( 1 一1 ) 式中：f 外荷作用时，在某一点上产生的剪戍力； 卜材料的粘聚力； 仃材料受到的的正应力； o 材料的内摩阻角。 根据库仑定律及沥青混合料的组成。沥青混合料的强度主要来源于两部分：沥青玛蹄脂 与矿质集料。沥青玛蹄脂主要决定粘聚力c 并且对内摩阻角。有一定影响矿质集料主要 影响内摩阻角。高温条件下，由于沥青玛蹄脂劲度随环境温度升高而降低。沥青混合料的 抗剪强度会相应衰减。因此，过多地依靠沥青玛蹄脂劲度提供抗剪强度，当环境温度升商后， 沥青混合料抗剪强度会大幅度降低，路面容易产生车辙。 同济大学申请工学硕士学位论文 沥青混合料高温抗变形能力研究 第一章绪论 提高沥青混合料的高温抗剪强度，可从两方面着手。沥青方面，通过改进炼制工艺以及 采用改性措施，可以提高沥青玛蹄脂劲度以及降低温度敏感性；混合料方面，可以依靠提高 集料本身的品质以及改进或优化混合料级配。目前混合料主要有三种结构：密实悬浮结构由 于骨架性稍差，高温稳定性较弱比如a ci 型密级配类混合料l 骨架空隙结构由于骨架性 较强，高温稳定性较好，比如沥青碎石混合料和捧水沥青混合料o g f c 类：密实骨架结构 由于综合了密实悬浮结构与骨架空隙结构两者的优点，混合料抗剪强度最好，比如沥青玛蹄 脂碎石混合料s m a 类当前为了适应道路交通重载化的需要，混合料有向骨架结构发展的 趋势，但是由于s m a 类骨架结构混合料的初期投资较高，密实悬浮结构混合料仍然存在较 大的应用空间。 1 3 国内外研究动态 沥青混合料高温条件下的变形主要表现为车辙因此国内外研究大多围绕车辙展开。 1 3 1 车辙类型及形成机理 ( 1 ) 车辙类型及形成机理 根据沥青路面车辙发生原因l i j i 1 ，可以分为四类：1 ) 由路面基层及路基变形引起的由 于路面各层承受荷载扩散能力不足，发生在沥青面层以下包括路基在内的各结构层的永久变 形，袭现为u 形。称为结构性车辙。这种车辙宽度较大。两侧无隆起：2 ) 由于温度荷载的 反复作用。导致沥青混凝十的塑性剪切流动，表现为沥青面层压缩的同时西侧出现隆起， 组合起来构成w 型车辙，称为失稳性车辙或流动性车辙；3 ) 由于带钉轮胎或带链轮胎形成 的磨损性车辙；4 ) 由于面层压实不足，行乍荷载产生的同结车辙。常称为压密形变l 这一 种在我国经常发生0 1 ( 2 ) 车辙发展阶段 沥青混凝土路面开放交通后，在行车荷载反复作用下会逐渐产生车辙，大致可以划分 为三个阶段l i l l 6 l ，见图i 1 第一阶段是沥青混凝土面层较快压密阶段；第二阶段是沥青混 凝面层压密稳定阶段。设计良好的沥青混合料，一般经历第一阶段和第二阶段的变形。如 果沥青混合料设计不良尤其是沥青用量偏高，在高温条件下，容易产生剪切形变，进入第 三阶段剪切流动变形沥青混合料一旦进入剪切流动阶段，沥青路面的车辙已经非常显著， 影响路面的服务特性，严重危及行车安全。 永 久 形 变 荷载作用次 图1 1车辙随荷载作用次数的发展过程 同济大学申请工学硕士学位论文 2 沥青混合料高温抗变形能力研究第一章绪论 1 3 2 影响车辙的因素 影响车辙的因素包括路面结构和混凝- 十本身的内在因素，以及气候、交通和交通组成等 外界因素。国内外许多人士对这些因素进行了分析，参考文献【7 】和【8 】本人把他们所作的 工作归纳如下，详见表卜1 表1 1沥青混合料车辙影响因素 因素 因素变化因素变化对车辙的影响 表面纹理光滑一粗糙 减小 形状 圆滑一棱角 减小 级配连续一间断减小 集料 最人粒径 增大减小 轧制碎石含量增加减小 碱性增强 减小 有害杂质含量增加增大 沥青粘度增大减小 劲度增人减小 沥青 敏感性增强增大 沥青改性与否改性减小 矿粉品质增加减小 粉胶比 粉胶比减小增大 空隙率a v增加 增人 集料间隙率v m a 增加增大 混合料 离析程度增人 增人 天然砂含鼙 增加增大 温度 升高增人 应力戍变状态 增人增大 交通荷载 增加增大 环境条件 交通渠化严重增大 基层强度增大减小 雨水干燥一潮湿增大 1 3 2 1 集料方面 ( 1 ) 集料的物理特性 集料的物理特性主要影响混合料的内摩阻角，其次是粘聚力表面光滑的卵石与表面粗 糙的碎石相比，内摩阻角与粘聚力都相去其远不少人在这方面进行了论述f 7 j f 9 j 【o j 【i l j ，通常 认为，破碎、坚硬、纹理构造租糙、多棱角、颗粒接近立方体，压密后能够形成紧密的嵌挤 作用，能够增大内摩阻角，提高抗剪强度。相比之下，圆滑的砾石以及天然砂由于缺乏棱角 与构造深度无法形成嵌挤力，会起到润滑作用，减小内摩阻角，降低抗剪强度k a l c h e f f 亿l 等人指出在高温条件下，轧制碎石集料的应用可显著减小永久变形，这一点也说明了轧制碎 石集料表面特性丰富增加了抗剪强度。而米源于河相的沉积砾石表面圆滑，一般需要破碎 后方能使用。 周济大学申请工学硕士学位论文 - 3 - 沥青混合料高温抗变形能力研究第一章绪论 集料本身与集料表面涂覆物以及其它有害杂质含量影响集料与结合料的粘附性i l 。这 些有害杂质包括粘土、页岩、淤泥、腐殖质等，会降低混合料的粘结力，通常各国规范都限 定有害杂质的含量。 ( 2 ) 集料的化学特性 不同集料本身具有不同的化学性质，一般来说碱性彳i 料带正电荷，与沥青结合料的粘附 性最好；中性石料带混合电荷，与沥青结合料的粘附性次之；酸性石料带负电荷，与沥青结 合料的粘附性最差目前一般以水煮法判定榘料与沥青的粘附性 ( 3 ) 最大粒径与集料级配 在集料质量不变的情况下，不同的集料组合将带来不同的高温抗变形能力。通常认为， 混合料粒径增大、级配增粗，容易形成骨架可以提高纵向承载能力，从而有利于适应重载 交通，因此粗粒式粗级配混合料比细粒式细级配混合料高温稳定性好，更适合于重载交通。 北京建工学院徐世法与同济大学朱照宏【l3 】对三种级配的混合料进行了单轴蠕变试验与 部分轮辙试验，得出不同级配混合料的抗变形能力排序：中粒式 粗粒式 沥青碎石；茅梅 芬【1 4 j 通过环道试验得出粗粒式混凝土的v - 辙并不是最小。东南大学研究生嗍轮辙试验结果 显示细粒式车辙抗力最差，而粗粒式与中粒式的车辙抗力较高，并且相应的抗力排序受沥青 品质的影响：辽宁省交通科学研究院李小花 1 6 j 对a c 1 0 i 、a c 2 0 1 、a c 3 0 - - - 种级配的混合料 进行车辙试验，实验数据显示粗粒式抗变形能力最佳。中粒式与细粒式则相当。b r o w n 与 b a s s c t t 1 7 谰静载蠕变试验研究了最大集料尺寸对抗变形能力的影响。得出增大混合料的最大 集料尺寸可以增加混合料的抗车辙能力。 b r o w n 与c r o s s j 对出现乍辙的路面进行实地调赉，选择来源于沥青面层的车辙进行分 析，发现出现车辙的面层往往是细级配。a n d e r s o n 1 9 1 通过恒高度重复剪切试验( r s c h ) 进 行车辙预估，得出粗级配混合料的车辙深度要小予细级配混合料不过，同济大学许志鸿 2 0 1 根据s u p e r p a v e 禁区变换s u p e r l 9 级配中2 3 6 0 0 7 5 m 的通过率设计粗细级配混合料，运用 马歇尔试验与蠕变试验分析后指出，细级配混合料的抗车辙能力强于粗级配混合料。 西部环道是联邦公路管理局( f h w a ) 在内华达州( n e v a d a ) 建设的试验路( 2 1 i 2 2 1 试 验路考虑三种级配：通过公称最大尺寸n m p s l 9 m m 禁区上方的细级配，通过n m p s l 9 m m 禁区下方的粗级配，以及在细级配基础上增加2 集尘室回收细料的更细级配。行车试验结 果出入意料，粗级配路段表现出非常严重的车辙。 ( 4 ) s u p e r p a v e 禁区 禁区是s u p e r p a v e 建议级配不要通过的区域，以s u p e r p a v e 禁区划分三种级配：( 1 ) 细级配 从禁区上方通过，通常简称a r z ：( 2 ) 中间级配通过禁区。通常简称t r z ；( 3 ) 粗级配从禁区下 方通过。通常简称b r z 它建议禁区下方的级配用于重交通。西部环道眵2 l 里4 3 、5 1 j 、段的级 配通过了禁区但车辙深度却是重铺面层中最小的并且5 1 , 段采用砾石集料。k h o s l a 与 k a w a g u c h i 2 3 1 从体积指标角度考t s u p e r p a v e 禁区，结果发现三种不同禁区通过方式的混 合料都满足了s u p e r p a v e 体积要求。k a n d h a l 与c o l l e y 2 4 l 采用a p a 试验对粗细级配混合料进 行了抗车辙评比，得出禁区上面的细级配与禁区下面的粗级配，它们的抗车辙潜力并无显著 的不同 同济大学申请工学硕：j ：学位论文4 沥青混合料高温抗变形能力研究 第一章绪论 ( 5 ) 4 7 5 r a m 以上碎石含量 4 7 5 m m 以上碎石含量，实际上也是级配粗细的问题，如果4 7 5 r a m 以上碎石含量偏大， 则级配偏粗，相反，则偏小沙庆林i l j 等人用l h 2 0 i 沥青混凝土做单轴压缩蠕变试验，同时 用5 m m 以上碎石含量比l h 2 0 1 多1 6 5 的s l h 2 0 作对比试验。其结果表明s l h 2 0 混合料的 压缩应变显著要小，也就是说，提高4 7 5 m m 以上碎石的含量可以提高抗车辙能力江苏省 锡澄高速公路i l 】采用两种级配( 主要是4 7 5 r a m 通过率不一样) 进行抗车辙能力对比试验， 结果4 7 5 r a m 以上含量高的级配其动稳定度显著要高得多。 以上分析可见：适度增加混合料最人尺寸或者公称最人尺寸有助于抗车辙能力的提高， 但在中粒式与粗粒式的比选上还存在分歧，这表明最大粒径并不是决定沥青混合料高温抗变 形能力的首要因素可能还存在其它决定性因素；有关粗细级配混合料的高温抗变形能力比 较仍然未能形成共识，焦点在于s u p e r p a v e 禁区的通过方式，需要更多研究这也是本文的 重点研究之一 1 3 2 2 沥青方面 沥青本身的品质即针入度、粘度等相关指标影响劲度以及与集料的粘附性。东南大学研 究生【1 5 1 采用三种沥青单家寺7 0 、9 0 以及阿油7 0 进行轮辙试验分析，见表1 - 2 ，结果无论是 粗粒式、中粒式还是细粒式，都表明沥青粘度越大抗车辙性能越好。o l i v o r l 2 s l 等采用不同沥 青进行车辙对比，指出沥青混合料的抗车辙能力取决于沥青的流变性质，沥青粘度与车辙相 关性较好，而软化点以及弹性恢复则与下辙无关。k h o s l a 与z a h n , n1 2 6 1 应用改性沥青与常规 沥青进行蠕变研究，得出应用聚合物改性沥青可以降低温度敏感性减少高温条件下的永久 变形，有人采用加速荷载设施( a l f ) 也证明了这一点1 2 7 l 。可见沥青品质对混合料的影响是显 而易见的，采用粘度商的沥青，尤其是改性沥青可以提高混合料的高温抗变形能力 表i - 2 东南大学不同沥青混合料部分车辙数据( 次，m m ) 【5 l 粘度增加趋贽粗粒式中粒式细粒式d s 增加趋势 单9 0 7 8 0 83 4 4 91 1 6 6 上 单7 01 0 4 5 6 1 4 8 7 11 9 1 1 v 阿油 1 3 4 2 82 0 0 05 6 0 8 1 3 2 3 粉胶比方面 所谓粉胶比是 0 0 7 5 m m 含量与所采用沥青结合料含量( s u p e r p a v e 采用有效沥青含量) 的质量百分比。粉胶比由沥青川最与 o 0 7 5 m m 禽鲑决定较高的粉胶比会导致结构沥青膜 厚度不足，沥青胶浆粘聚力欠缺，胶浆劲度过弱：较低的粉胶比由于相应增加了沥青含量， 颗粒间具有较多的自由沥青，沥青胶浆粘聚力降低，同样增加了变形潜力；只有合适的粉胶 比，才会具有最佳粘聚力与胶浆劲度，才会降低车辙潜力在当前沥青混合料配合比设计过 程中，先给定级配 = a n b ) ，有国外文献( 4 0 l 考虑更多的环境因素，其车辙预 估公式如下：r u t 邓 o e ( a g e 路面使用年限以年计lc d 为回归系数是荷载作 周济大学申请工学硕士学位论文 7 沥青混合料高温抗变形能力研究 第一章绪论 用轴次e a l ，等效路面厚度t 与基层强度c b r 值的函数) 还有很多基于轮辙试验获得的 车辙预估模型，有幂函数、半对数、对数，虽然目前无一进入实用阶段，但是车辙随荷载作 用次数的发展趋势已经相当明确由予车辙形成过丁复杂，对于车辙实用预估还有待研究。 ( 4 ) 超载与重载的影响 东南大学研究生i i s 利用轮辙试验仪考虑轴载变化，结果粗、中、细三种级配的混合料 都表明随着轴载的增加，车辙加深，见表1 3 除此之外，有关实际车辆荷载环境的研究， 主要集中在轮胎接地压力的分布形式以及超载与重载对路面破坏的实际调查研究上，由于试 验条件所限，难予室内模拟超载与重载荷载形式，目前还很少有超载与重载条件下混合料高 温抗车辙能力的室内试验探讨 表卜3 不同轴载与温度下车辙深度( r a m ) 1 1 ，l 粗粒式中粒式细粒式 轴载( k g c m 2 ) 6 0 6 0 i 4 5 6 0 5 32 7 3 61 8 5 l1 2 7 55 5 3 8 6 04 0 5 62 3 7 8 1 7 5 5 9 3 8 5 7 08 3 9 63 3 2 71 7 6 71 1 0 7 7 目前，a p a 沥青路面分析仪，已经逐步获得了认可。由于该仪器可以将轮胎模拟与轴载 模拟分开，从而创造了模拟超载与重载的可能。据a p a 用户组会议。国外不少用户正在考 虑和实施加大橡胶管充气压力，拟增至1 2 0 p s i ( 相当于0 8 3 m p a ) 而国内由于试验仪器所限， 还鲜有报道本研究将利用重点试验室现有的a p a 沥青路面分析仪，力求在室内对实际行车 作用进行模拟试验研究 1 3 2 6 路面厚度 路面结构与车辙关系密切。通常刚性基层和半刚性基层由于刚度大。可变形性小，一 般不会在基层出现车辙，车辙仅局限于面层：而对于柔性基层，由于承受荷载扩散能力较弱， 车辙会在基层内发生从而导致结构性车辙。目前国内一般采用的都是半刚性基层。车辙主 要发生在面层内部，面层的厚度主要取决于容许的车辙深度与基层承受荷载扩散的能力。 m i c h a e ln u n n 4 l j 通过足尺道路试验( 柔性基层) 调查研究发现，车辙率与路面厚度没有太 大关系，最薄的路面车辙率最小，中间厚度的路面车辙率最大；当路面厚度为 1 8 0 m m 。3 6 0 m m 。车辙主要来源于面层，扩散到基层的应变较小一般不容易引起结构变形l 路面厚度 1 8 0 m m 交通荷载产生的基层应变对永久变形会有很大影响北京建工学院徐世法 与同济大学朱照宏【1 3 j 利用室内环道试验，考察面层厚度对高温抗变形能力的影响结果表 明：当面层较薄时，车辙较深并且很大一部分来源予路基变形l 当面层较厚时，路基基本上 不产生车辙东南大学研究生1 1 5 l 通过改变车辙板厚度研究了路面厚度的影响，得出路面厚 度越大，车辙越大车辙深度与路面厚度成正比这与壳牌车辙预估公式2 j 的结果相一致。 1 4 常用试验方法与评价指标 自从第一条沥青混凝土路面出现车辙等永久变形以来。已经建立了许多沥青混合料高温 抗变形能力评价方法，其中比较常用的方法如下 同济大学申请工学硕士学位论文 8 沥青混合料高温抗变形能力研究第一章绪论 ( 1 ) 大型环道、直道试验 环道与直道试验是一种大型足尺路面结构在实际车轮和交通荷载作用下的试验。试验结 果与路面结构关系密切，是一种可用来评价实际路面结构的加速加载试验方法。我圈交通部 重庆公路研究所、东南大学以及北京市政研究院等拥有室内环道虽然这类试验最能模拟实 际路面与实际行车荷载，但是试验成本耗资大，试验周期长 ( 2 ) 室内轮辙试验 沥青混合料高温失稳的最直接现象是车辙，而室内轮辙试验相对简单因此轮辙试验发 展最快，麻用最为，“泛常川的轮辙试验仪如下：法国中央道路桥梁研究院使用的轮辙试验 仪( f p r t ) ，汉堡轮辙试验仪( h w t d ) ，美国乔治距州沥青路面分析仪( a p a ) 它们的评 价指标整体来说都是规定加载次数下产生的永久变形。我国目前规范采用的也是轮辙试验仪 来检验抗车辙能力，以动稳定度为指标。但是混合料的动稳定度指标相同，永久变形却可能 相差很大【。因此采用永久变形车辙深度r d 要比动稳定度d s 好但是车辙深度是静态评 价值，一般反映路面早期车辙的大小不能反映后期车辙的发展情况，为此不能忽视反映车 辙发展速率的指标就目前国内实际情况而言，沥青路面的早期损坏主要以早期车辙为主。 衡量早期车辙的静态评价值似乎更有价值。 ( 3 ) 简单剪切试验 美图s h r p 采用剪切试验机对混合料进行剪切试验，能够得到剪切应力、剪切应变、剪 切模量等力学参数。它包含四种测量方式：恒高度重复剪切试验恒应力重复剪切试验，恒 高度简单剪切试验，恒高度频率扫描试验剪切试验的显著优点是可直接作用剪切力，而剪 应力是引起流动性布辙的士要机理，然而该剪切试验仪器还未在我国推广虑用，另一方面， 该方法的评价指标与路片j 性能的相关性还存在不确定性。 ( 4 ) 蠕变试验 由于沥青混合料是典型的粘弹性材料，蠕变能反映粘弹性材料的力学性质。目前较多采 用四元伯格斯流变模型，进行单轴静载蠕变试验计算混合料的劲度模量s 亿l 事实上，普遍 认为动载蠕变尤其是间歇式重复加载蠕交更加接近实际车辆荷载的作用。但是动载实施起来 相对复杂，目前国内应用动载试验的相对较少。壳牌路面设计手册i 2 】采用蠕变试验确定的 劲度模量s 哦来预测路面的永久变形。可见，利用蠕变试验进行沥青混合料高温性能评价也 是可行的一般在美国m t s 材料试验机上进行蠕变试验。 ( 5 ) 马歇尔试验 马歇尔试验设备简单，操作方便，被世界广泛采用，为沥青混合料组成设计与性能评定 作出了不可磨灭的贡献，各国也都积累了丰富的经验。但是实践表明，有时即使沥青混合料 稳定度与流值都满足技术标准。也不能避免出现显著车辙。b r o w n 与c r o s s e 哺j 选择车辙来源 于面层的路面进行调查，并结合室内马歇尔试验分析后指出马歇尔流值与车辙关系较好； 但是h u b e r 与h e i m a n t 3 2 l 认为马歇尔稳定度与抗车辙能力没有联系同时b r o w n 与b a s s e t t h l 也验证了马歇尔稳定度与抗车辙能力之间没有联系。“七五。田家科技攻关专题- 重交通道 路沥青在高等级公路工程中的实用技术一i 3 1 分别采用了马歇尔试验、车辙试验、蠕变试验 进行研究结果表明蠕变试验与车辙试验结果一致，而采用同一种级配、相同沥青用量、不 同济大学申请工学硕士学位论文 9 - 沥青混合料高温抗变形能力研究 第一章绪论 同沥青品种沥青混合料，其马歇尔稳定度、流值以及残留稳定度并没有什么区别，不能反映 沥青混合料的高温抗变形能力。见表1 4 表l - 4 马歇尔试验数据l 3 l 沥青品种 空隙率( )稳定度( 1 n )流值( 0 1 m m )残留稳定度( ) 单家寺9 0 21 0 8 32 4 89 4 1 欢喜岭9 0 2 4 1 0 3 3 2 3 79 1 4 壳牌9 0 2 21 0 7 72 4 79 0 3 单家寺7 0 1 61 0 2 82 l8 7 9 ( 6 ) 三轴剪切试验 三轴剪切试验也称三轴压缩试验。虽然三轴剪切试验能够反映路面的实际受力情况， 给出力学评价参数，但是试验设备复杂，试验要求较高，并且试验数据的如何采用还存在不 同看法，至今突破不大，一般很少采用。 ( 7 ) a p a 轮辙试验j a p a 沥青路面分析仪为多功能轮辙试验仪，前身是乔治亚洲轮辙试验仪( g l 盯) ，主要 用于评估混合料永久变形，疲劳开裂和水损害。永久变形测试，即车辙测试是通过在圆柱体 试件或粱试件上施加重复轮载，通过自动数据采集系统采集轮迹下的车辙深度，并以数字和 图片的形式展示出来。一个圆柱体试件上采集两个点。一个梁试件上采集五个点，结果为两 个点或五个点的平均值；一次最多可以测试六个圆柱体试件或三个梁试件，即一次可以同时 进行三个平行试验它的轮载( 最高可达1 1 3k g ) 与橡胶管气压可调节，从而得到不同的接 地压力理论最大接地压力为2 0 0 p s i ( 1 3 7 9 m p a ) l 为了得到较大的接地压力，必须配备大 功率空气压缩机或者气压调1 譬器，常h j 轮载一般为4 5 k g 和5 4 k s ，橡胶管气压一般1 0 0 p s i ( 0 7m p a ) 它拥有环境箱，试验温度可调节，调：1 了范围4 7 2 ，常用温度为6 0 。 此外，它还拥有水浴箱，配备水泵，可作没水轮辙试验，用于评价水损害。试验除装卸试件 外，其余由电脑与控制面板控制，自动操作。所用圆柱体试件由旋转压实仪成型或现场钻芯 所用梁试件可由轮碾成型仪或振动压实仪成型后切割而成完整的车辙试验，一般8 0 0 0 次 循环，耗时2 小时4 0 分钟。相应车辙深度一般间计为r d l o ，相应评价标准一般采取g r a m 。 与常规车辙试验仪相比 p a 轮辙试验仪更能模拟实际行车作用下的路面受力状态：轮 载并不直接施加在试件上而是通过一充满气压的橡胶管间接施加在试件上轮载模拟实际 车辆轴载，轮载可以调节，橡胶管模拟实际车辆轮胎，内部气压可以调节，从而达到模拟实 际车辆的效果，理论上可以进行不同行车荷载的模拟试验 a p a 自身的局限性：1 ) p a 橡胶管与实际轮胎仍然存在巨大的差别，胎面没有花纹构造。 从而在受荷状态下轮胎对混合料可能不存在侧向推挤作用：2 ) a p a 试模侧壁对混合料具 有较强的侧箍作用。从而制约了混合料的侧向迁移：3 ) a p a 试件的高度为7 5 m m 要高于一 般面层厚度需要改进仪器使厚度可调：4 ) a p a 自身的采集系统无法测定轮迹外拱顶与轮 迹内最低点的高差，需要借助_ 丁深度尺人为采集事实上多数情况下a p a 没有模拟出混合 料的剪切流动变形；5 ) a p a 的加荷系统向上可调接空问较小 ( 8 ) 车辙试验与实际车辙的相关性 同济大学申请工学硕士学位论文 1 0 沥青混合料高温抗变形能力研究 第一章绪论 f h 骶( 美国联邦公路局) 运用五种不同试验对西部环道混合料进行室内性能评估田1 他们分别是法国中央道路桥梁研究院轮辙试验仪( f p r t ) ，汉堡轮辙试验仪( h 1 盯d ) ，单轮试 验仪( p u r w h e e l ) 沥青路面分析仪c a p a ) 。s h r p 剪切试验仪结果表明它们与实际车辙性 能相关性较好，相荚系数分别为：r s c h 0 5 5 ；f p r t ，0 6 9 ；h w t d ，0 7 6sa p a ，0 8 0 ：p u r w h e e l ， 0 8 0 这也说明轮辙试验与剪切试验确实有效 鉴于以上分析结合本重点试验室实际条件拟定主要采用 p a 沥青路面分析仪，在评 价指标上，据f r r i 资料i l ，目前a p a 沥青路面分析仪主要以8 0 0 0 次轮载作用下的车辙深度 为准，记为r d 啪。除此之外，将探讨反映乍辙发展速率的指标。 1 5 研究内容和技术路线 1 5 1 主要研究内容 研究沥青混合料高温抗变形能力的影响因素，尤其是体积指标和材料组成，寻求提高沥 青混合料高温抗变形能力的措旎，探讨合适的混合料组成设计方法具体地讲，包括以下四 个方面： 压实空隙率对沥青混合料的高温抗变形能力的影响； 级配对沥青混合料高温抗变形能力的影响l 不同轴载( 超载) 对沥青混合料高温抗变形能力的影响： 基于性能试验的沥青川鼙确定方法。 1 5 2 研究方法、技术路线、实施方案 由于与沥青混合料高温抗变形能力最直接的指标是车辙结合本重点试验室已有的试验 设备，本研究将以a p a 轮辙试验为主，并结合其它试验进行研究 压实空隙率影响将利瑚摊铺现场的厂拌混合料( s u p e r l 9 与l k l 6 混合料) 利用旋转 压实仪成型5 6 种不同空隙率的试件，采用a p a 轮辙试验分析沥青混合料试件空隙率与车 辙之间的关系，并且探讨空隙率的合理界限 级配影响，根据s u p e r p a v e 控制点和禁区，设计不同粗细级配混合料，分析沥青混合料 的主要体积参数和沥青膜厚度参数。利用a p a 轮辙试验探讨影响混合料高温抗变形能力的本 质因素，并且考察s u p e r p a v e 禁区的有效性。 荷载影响，借助于a p a 轮辙试验拟从三个方面模拟实际行车作用：1 ) 提高轴载，维持 标准气压，模拟超载( 试验探讨) ；2 ) 降低轴载维持标准气压，模拟欠载( 概念探讨) ；3 ) 同步提高轮胎气压与轴载，模拟重载( 概念探讨) 沥青用量确定方法。分析现有设计方法确定沥青用量的利弊，直接从性能试验出发，主 要是抗车辙性能与抗水损性能，探讨沥青用域的合理范围。 参考文献 【l 】沙庆林高速公路沥青路面早期破坏现裂及预防人民交通出版社，2 0 0 1 【2 】黄文元坜青路面超重轴载换算初步研究公路交通科技，2 0 0 0 年2 月 同济大学申请工学硕士学位论文 沥青混合料商温抗变形能力研究第一章绪论 1 3 】邬惠乐张洪欣汽车技术词典人民交通 l l 版社。i 9 , 1 2 4 p t a r ct e c h n i c a lc o m m i t t e e0 8f l e x i b l er o a d s b i t u m i n o u sm a t e r i a l sw i t h 矗h i g hr e s i s t a n c et of l o wr u t t i n g 1 9 9 5 【5 】沈金安沥青及沥青混合料的路用性能人民交通出版社，2 0 0 1 【6 1 周进川田产沥青高温性能的环道试验研究石油沥青，1 9 9 7 ，0 3 【7 1 吕伟民沥青混合科设计原理与方法。同济大学h l 版社2 0 0 1 。们 【8 1 交通部重庆公路科学研究所荧国公路战略研究计划( 刚胂) 沥青研究项目( 专题情报资料1 9 9 5 0 6 ) 【9 e f f e c t so f a g a r e g a t es i z e , s h a p ea n ds u r f a c et e x t u r eo np r o p e r t i e so fb i t u m i n o u sm i x t u r e s , p r o c c ；e d i n g so f t h e 4 7 aa n n u a lm e e t i n go f h i g h w a yr e s e a r c hb o a r d 。h r bs p l 0 9 ( 1 9 v 0 ) 【1 0 c l m o n i s m i t h , j ae p p s , e n df n f i n n i m p m v c da s p h a l tm i xd e s i g n ，棚v o l u m e5 4 ，l 鳃5 【ll 】美国奥尔本大学n c a t 热拌沥青混合料材科、混合料致计与施工余叔潘译 【1 2 1 1 v k a l c h e f fe n dd gt u n n i c l i f f e f f e c t so fc r u s h e ds t o n ea g g r e g a t es i z ee n ds h a p e0 1 1p r o p e r t i e so f a s p h a l tc o n c r e t e , a a n v o l u m e5 1 ，1 9 8 2 1 3 1 徐世法，朱照宏高等级公路沥青路面车辙控制措施的探讨华东公路。1 9 9 2 ，0 2 【1 4 】茅梅芬半刚性基层上沥青路面车辙研究华东公路，1 9 9 5 。0 3 【1 5 】单彦贤沥青混合料轮辙试验研究东南大学硕士学位论文，1 9 8 9 4 【1 6 】李小花对沥青路面车辙问题的探讨东北公路，2 0 0 2 年第2 期 【17 e r b m w na n dc h a r l e se b a s s e t t 最大集科尺寸对沥青一集料混合料潜在辙槽和其他性质的影响国 外高等级道路路面论文集交通部公路科学研究所，1 9 9 3 1 l 。 【18 b r o w n ，e e n ds c r o s s as m d yo fi n - p l a c er u t t i n go fa s p h a l tp a v e m e n t s , p r o c e e d i n g s ，a s s o c i a t i o no f a s p h a l tp a v i n g t e c h n o l o g i s t s , v o l u m e5 8 f e b r u a r y , 19 8 9 【1 9 】r m i c h a e la n d e r s o na n dr o s s 九b e n t s e n i n f l u e n c eo fv o i d si nt h em i n e r a la g g r e g a t e ( v m a ) o nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i