（交通运输工程专业论文）粗型密级配ac13c的应用特性与影响因素研究.pdf

摘要 本文在调查研究的基础上，分析研究了a c - 1 3 c 型沥青混合料的矿料级配、 空隙率、老化、沥青用量对表面层沥青混合料应用特性的影响，为混合料设计 与沥青路面施工提供借鉴。 试验研究证明，细集料用量的变化会对沥青混合料的应用特性产生较大的 影响；空隙率是影响沥青混合料路用性能的一个主要因素，有效控制空隙率可 以改善与提高其应用特性；在短期老化阶段，沥青混合料的性能衰减明显；沥青 用量对沥青混合料的应用特性有重要影响。 通过以南宁至友谊关高速公路和柳州绕城高速公路为依托，在表面层沥青 路面中实体工程中采用a c 一1 3 c 型沥青混合料，从实践上验证了所提出的级配 范围和施工质量控制技术的实用性。 关键词：沥青混合料；应用特性；级配；空隙率；老化；沥青用量 a b s t r a c t w i t hs p o ts u r v e y , t h ep e r f o r m a n c eo ft y p eo fa c 13 cu s e di nr o a ds u r f a c e c o u r s ew a ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d ，c o n s i d e r e dt h ec h a n g eo ft h ea g g r e g a t e g r a d a t i o n 、a i rv o i d s 、a g i n ga n da s p h a l tc o n t e n lb a s e do nt h ea n a l y s i s ，d e s i g n i n g p r o p o s i t i o n si m p r o v e df o rah o th u m i da r e aw e r eg a v eo u ti nt h ep a p e r i ti sr e f e r e n c e d a n du s e f u lt ot h ed e s i g no fh o tm i xa s p h a l t ( h m a ) m i x t u r ea n dt ot h ec o n s t r u c t i o n o fa s p h a i rp a v e m e n t t h ee x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a t ：t h ec h a n g eo ff i n e ra g g r e g a t ea m o u n th a s a no b v i o u si n f l u e n c eo nt h ec h a r a c t e ro f h m am i x t u r e ；a i rv o i d si so n ek e yf a c t o rt o h m a p e r f o r m a n c e ，a n dt h ep e r c e n t a g eo fv o i d sb e i n ge o n t r o l ! e de f f i c i e n t l yw o u l d i m p r o v eh m ap e r f o r m a n c e ；a f t e rt h es h o r tt i m eo v e na g i n g , t h ep e r f o r m a n c eo f l i m a m i x m md e g r a d eo b v i o u s l y , a n dt h ef a c t o ro fa s p h a l tc o n t e n tg r e a t l yi n f l u e n c eh m a c h a r a c t e r so f r o a d - u s e ， t h ec o a r s e - d e u s i t ya c - 1 3 ct y p i c a la s p h a l tc o n c r e t ew h i c hi si m p r o v e d a c c o r d i n gt ot h ep a p e r sc o n c l u s i o ni su s e di nn a n n i n gt oy o u y i g u a ne x p r e s s w a y a n dl i u z h o ur i n ge x p r e s s w a y , a n dt h ee x p e r e n c e sp m v e dt h a tt h eb o u n do f g r a d a t i o ns u g g e s t e di nt h i sp a p e ri sv a l i d a t ea n dt h eq u a l i t yc o n t r o l l i n gt e c h n i q u e p r o p s e di nt h i sp a p e ri su s e f u l k e y w o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ：p e r f o r m a n c eo f r o a d 。u s e gg r a d a t i o n ：p e r c e n t a g e o f a i rv o i d s ；a g i n g ；a s # a tc o n t e n t 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴敝储鹳：黄赋 臁卿年9 月踟 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 靴敝储鹕：愆武艚刻噬衫制 t 璩对。 吼爆，月厂阳 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出 沥青路面由于其平稳、行车舒适、震动小、噪音低、汽车油料消耗及轮胎磨 耗较低，维修方便，开放交通所需时间短，已在全世界范围内得到了广泛的推广 和应用。从公元前6 0 0 年，在巴比伦铺筑第一条沥青公路开始，美国、日本以及 欧洲等发达国家开始竞相大面积修筑沥青混凝土路面，并对沥青和沥青路面的性 能、结构以及其开发应用进行了深入的研究，同时对沥青混凝土路面的施工工艺 及旄工机械进行了大量的开发应用“1 。目前在大部分国家沥青混凝土路面已成为高 速公路的主要类型。1 9 8 8 年我国建成的第一条高速公路一沪嘉高速公路，就是采 用了沥青混凝土。目前在我国已通车的高速公路中沥青路面占所有高速公路的5 0 以上。众所周知，道路沥青及其混合料的路用性能受很多因素的影响，尤其是车 辆运输超载及气候因素的影响，这使得我国修筑的高速公路早期破坏现象非常严 重嘲。 广西自修筑高速公路之初至2 0 0 5 年，面层一直采用单一的水泥混凝土结构层， 2 0 0 5 年作为一个转折点，该年广西第一条面层为三层式沥青路面的南宁至友谊关 高速公路建成通车，其后2 0 0 5 2 0 0 7 年并预计至2 0 0 8 年，刚已建成通车的和仍 在建的高速公路如百罗、柳州绕城线、南百等项目采用了三层式的沥青路面，其 表面层均采用a c - 1 3 型沥青混合料，一些采用“自+ 黑”复合路面的路段也采用a c - 1 3 型沥青混合料嘲沥青路面表面层承受的交通荷载应力和自然环境的影响最大。广 西高速公路沥青路面起步晚，在开始大规模修筑高速公路沥青路面之初就重点使 用一种类型的沥青混合料表面层，采用a c 一1 3 型沥青混合料的路用性能如何，不但 将对已建成通车的项目有重要影响，而且将对广西今后的路面设计、施工、养护 的决策起导向性的作用。 。 广西是一个经济后发达地区，近十多年来，我们把有限的资金用来修筑高速公 路。目的是寻求社会更大的发展，但也交不起像部分高速公路曾较为严重地出现早 期破坏现象这样的学费。因此，广西各界人士均对广西高速公路沥青路面的设计、 建设与旌工质量控制均给予了高度的关注，交通系统各单位、部门更是高度重视， 本文作者作为直接参加高速公路建设的一员，选择了租型密级配a c 一1 3 c 型沥青混 合料作专门研究，对今后沥青路面的建设工作提供一些有益的建议。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 沥青混合料的结构组成及应用状况 按沥青混合科强度构成原则的不同，其结构可分为按嵌挤原理构成的结构和 第一章绪论 2 按密实级配原理构成的结构两大类。按嵌挤原理构成的混合料，要求采用较粗的、 颗粒尺寸较均匀的骨料，沥青在混合料中起填隙作用，并把骨料粘结成一个整体， 这种材料的结构强度主要依赖于骨科颗粒之间相互嵌挤所产生的内摩阻力，而对 沥青的粘结作用依赖性不大，沥青贯入式路面、沥青表面处治以及沥青碎石路面 均属此类结构。这些路面的性能受温度的影响相对较小。 按密实级配原理构成的沥青混合料，是指骨料和沥青按最大密实原则进行配 合以后而形成的一种材料，其结构强度是以沥青与骨料之间的粘结力为主、以骨 料颗粒间的嵌挤力和内摩阻力为辅而构成的。沥青混凝土路面和沥青碎石路面属 于此类，这种路面的性能受温度的影响相对较大。按这种混合料网络结构中“嵌 挤成分”和。密实成分”所占的比例不同，沥青混合料的组成结构形态有三种典 型结构：密实悬浮结构、骨架空隙结构、密实骨架结构，如图2 1 所示。 密实悬浮结构：这种结构形态的沥青混合料，通常采用连续型密级配，骨料 的颗粒尺寸由大到小连续存在。这种材料中含有大量的细料，而粗料数量较少， 且相互闻没有接触，不能形成骨架，粗颗粒犹如“悬浮”于细颗粒之中。这种沥 青混合料表现为粘结力较高，而内摩阻力较小。用这种沥青混合科修筑的路面， 由于受沥青材料性质的影响较大，故它的稳定性较差( 如图2 1 a ) 。 骨架空隙结构：采用连续开级配的沥青混合料属于这一结构类型。在这种沥 青混合料中，粗骨料较多，而细集料数量过少。因此，虽然能够形成骨架，但其 残余空隙较大。这种材料的内摩阻力较大，而粘结力较小。由此而修筑的沥青路 面，受沥青性质的影响较小，因而其稳定性较好( 如图2 1 b ) 。 密实骨架结构：是综合以上两种类型组成的结构。混合料既有一定数量的粗 骨科形成骨架，又根据残余空隙的多少加入细料，从而形成较高的密实度( 如图 2 i c ) 。这种沥青混合料同时具有较高的粘结力和内摩阻力。 4 )b )c ) 图2 1三秘典型沥青混合牲结构组成示意图 a ) 悬浮一密实结构：b ) 骨架一空隙结构c ) 密实一骨架结构 第一章绪论 对表面层而言，实际应用证明密实悬浮结构的使用性能满足不了重载交通的 要求，对其深入的研究已经较少，目前，研究和应用的方向主要集中在骨架空隙 结构和密实骨架结构这两种结构上。 1 2 2 国外研究概况 第七届国际沥青路面结构会议之后，人们将沥青路面的使用性能分为两类： 结构性使用性能。按s h r p 研究用五个方面表述：即疲劳、车辙、低温缩裂、 水损害和老化： 功能性使用性能。主要有平整度、构造深度、车辙、摩擦系数和噪音五个 方面。 这两个性能实际上反映了行驶车辆对沥青路面使用品质和使用寿命的基本要 求，而不同的路面结构与这两个性能关系密切。一个完善的路面结构既应满足功 能性使用性能的要求，也要满足结构性使用性能的要求，即综合平衡考虑各个方 面，而不是顾此失彼，为此，世界各国首先从沥青路面表面层的结构组成即矿料 级配入手，进行了多方面深入的研究，取得了一定的研究成果r 结构层的组成的研究最早始于水泥混凝土。1 8 9 7 年法国的飞莱在总结过去研 究成果的基上提出了以空隙率作为控制水泥混凝土强度的的最主要因素。 在飞莱思想的影响下，1 9 0 1 1 9 0 7 年美国的富勒( w b f u l l e r ) 和汤姆逊 ( t o m m p s o n ) 根据试验提出了矿料的理想级配，即最大密度曲线理论，认为颗粒 级配越接近抛物线则其密实度就越大嘲。 1 9 3 3 年美国的魏茅斯( c a g w e y m o u t h ) 发表了集料颗粒干涉学说的级配理 论，将沥青混合料的级配研究提高到了一个微观理论水平，使其研究有了科学的 理论依据 5 0 年代，美国、英国、前苏联等国家根据以上理论计算方法，结合生产实践 经验提出了自己的一套抗滑表层矿料级配范围。 2 0 世纪6 0 年代，德国在研究能抵抗新型埋钉轮胎磨损的新铺罩面时发现 7 0 8 0 的粗集料为骨架，由高含量的沥青与矿粉和少量纤维稳定剂组成的沥青 混合料，能够解决多年悬而未决的车辙问题，同时又抗滑防水，很适合作为沥青 路面的表面层，这就是后来称为的s m a 。德国很快把它订入德国规范z t v a s p h a l t s t b 9 4 。8 0 年代初，德国道路部门把s m a 作为一种标准材料，提出了s m a 的级配范围，并很快推广应用到日本以及瑞典、丹麦等许多欧洲国家。1 9 9 0 年美 国派出大型代表团到欧洲考察，学习s m a 技术，该技术很快就风靡美国。在美国 称为s t o n gm a s t i c ( m a t r i x ) a s p h s l t ，均缩写为s m a ，并且也提出了适合美国的s m a 级配范围“1 。这种级配范围的混合物属于密实骨架结构。 第一章绪论 4 2 0 世纪7 0 年代早期，为了提高道路表面的抗滑性能，美国联邦公路局( f 唧a ) 提出了o g f c ，即开级配抗滑表层，它是一种具有相互连通空隙的开级配混合料， 这种级配混合料大雨时能够提供排水通道，雨水可以垂直通过0 g f c 的空隙达到不 渗水的下卧层，然后从侧向排到路面的边缘m 。由于这种级配铺筑表面层摩擦系数 大，雨天能够减少水雾和眩光以及降低噪音，日本也进行了积极的研究。目前， 日本o g f c 路面已占通车的6 5 0 0 公里高速公路里程中的1 5 ，并以每年1 0 0 公里的 速度在增加。这种开级配混合料属于骨架空隙结构。 o g f c 的空隙率在美国、荷兰、日本等国大于1 8 个别已做到2 0 2 5 ，其优 点不仅抗滑、降噪，特别是雨天高速行驶时无水漂现象，水雾可减少9 0 ，但是在 耐久性和空隙堵塞两方面存在不足，特别是空隙一旦堵塞，原来的优点将变成缺 点，导致水损害相当严重。目前这两方面的缺陷还没有完全克服。沥青玛蹄脂碎 石混合料兼顾了耐久性与构造深度、抗滑这一对矛盾，但是它的造价非常昂贵， 并且它的使用范围有所局限性，主要是他对材料要求高，以及油石比控制不好而 带来泛油或水损破坏。随着世界经济的发展，交通量的剧增，轮胎气压和轴载的 增加，一些级配的混合料沥青路面缺点暴露出来，使这两种结构的沥青路面达到 不到预期的寿命。 为了解决这一问题，美国从1 9 8 7 1 9 9 3 年期间项耗资上亿美元开展了举世瞩 目的公路战略研究计划( s h r p - s t r a t e g i ch i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ) “4 ”。 s h r p 课题的最终研究成果称为高性能沥青路面( s u p e r p a v e ) ，包括2 1 项内容，其 中有一项是s u p e r p a v e 集料级配。它规定：s u p e r p a v e 混合料体积设计的级配选择 是通过设置控制点和控制区来进行的，设置控制点是要求集料级配必须通过其问 的范围，控制点分别设于公称最大尺寸、中等尺寸( 2 3 6 r a m ) 和最小尺寸( o 0 7 5 m m ) 处，而限制区则为不允许级配线通过的区域，它沿最大密实度曲线( o 4 5 次方级 配线) 存在于中等尺寸( 2 3 6 衄) 和0 3 m 尺寸之间。s u p e r p a v e 设置限制区是为 了避免混合料含有高比例细砂( 相对总砂量) ，并避免级配遵从最大密实度线，最 大密实度线通常不具有适合的矿料集料空隙( v m a ) 。 在很多情况下限制区将不鼓励在混合物中采用天然细砂，而提倡采用洁净的 人工砂。这种设计集料结构的方法能保证集料形成强的石料骨架，以增强抵抗永 久变形的能力，而且考虑了足够的空隙以增强混合料耐久性。表1 1 、1 2 分别列 出了各级配的控制点和限制区。 第一章绪论 表1 1 s u p e r p a v e 集抖级配控制点 最大公称尺寸时控制点( 通过) ( ) 3 7 5 m m2 5 o m1 9 o m m1 2 5 m m 9 5 m m 筛孔最小最大最小最大最小最大最小最大最小最大 尺寸 3 7 5 m 9 01 0 0 1 0 0 2 5 o m m9 0 9 0 1 0 01 0 0 1 9 o m m9 0 9 0 1 0 01 0 0 1 2 5 哪9 09 01 0 01 0 0 9 5 m m9 09 01 0 0 4 7 5 m9 0 2 3 6 唧1 54 11 94 52 34 92 85 83 26 7 0 0 7 5 咖0 6l7 2 8 21 021 0 表1 2s u p e r p a v e 集料级配限制区界限 禁区内筛最大公称尺寸时筛孔尺寸的最小和最大界限( 最小和最大通过) ( ) 孔尺寸 1 9 o 衄1 2 5 衄9 5 m ( 哪) 最小最大最小 最大 最小最大 0 3 01 3 7 1 3 7 1 5 5 1 5 5 1 8 7 1 8 7 0 6 0 1 6 7 2 0 7 1 9 1 2 5 1 2 3 52 7 5 1 1 8 2 2 32 8 3 2 5 63 1 63 1 6 3 7 6 2 3 63 4 63 4 63 9 13 9 14 7 24 7 2 s u p e r p a v e 级配与传统的沥青混合料级配相比，特点之一是提出了控制点和限 制区的概念，即集料的组成必须从级配控制点之间通过并避开限制区。控制点和 限制区的规定，特别是限制区的规定，打破了集料级配组成单纯追求最大密度的 杠杆。 ， 1 2 3 国内研究概况 我国对沥青路面表层抗滑级配的研究起步较晚。“七五”期间国家列了有关沥 青路面的重点科技( 攻关) 项目，其中之一是7 5 - 2 4 - 0 1 一0 1 “高等级公路半刚性基 层沥青路面结构设计和抗滑表层的研究”，其研究成果提出了a k - 1 3 a 、a k 一1 3 b 以 及a i 【一1 6 ，这些成果都写进了1 9 9 4 年交通行业标准公路沥青路面施工技术规范 ( i t j 0 3 2 ) 及1 9 9 6 年国家标准沥青路面施工及验收规范( g b j5 2 0 9 2 ) 。 第一章绪论 6 除了国家投入研究外，我国地方公路部门和高等学校对沥青路面表面层级配 也进行了广泛的研究和试验。例如，东南大学与江苏省高速公路指挥部合作，通 过无锡试验路筛选，提出了a c - 1 6 b 型沥青路面抗滑表层级配；长沙交通学院与湖 南省交通厅合作，结合临湘至长沙高速公路建设需要，对a k - 1 6 进行了级配优化 设计，提出了a k 一1 6 l 优化级配的范围1 2 】。长沙理工大学与河南省交通厅合作， 结合驻马店至信阳高速公路建设需要，对a k 一1 3 进行了级配优化设计，提出了 a l ( 一1 3 l 优化级配的范围“。 沙庆林院士认为：无论是在多雨潮湿地区，还是在少雨干旱地区，凡采用抗 滑表层级配和i i 型级配做表面层的都产生了较多早期破坏现象。多条早期高速公 路的实践已经证明，i 型沥青混凝土表面层的表面构造深度根本达不到设计要求 ( 0 5 5 皿n ) 。沙庆林院士从“七五”国家科技攻关研究专题开始，不断地深入研 究了多碎石型沥青混凝土级配，并不断进行修改，通过在石安高速公路、长吉高 速公路等许多工程的应用，提出了较为完善的s a c 多碎石型沥青混凝土级配。根 据s a c 沥青混合料较好的路用性能，随着工程经验的积累，沙院士在2 0 0 5 年推出 了新s a c 设计理论，提出了将沥青面层的几个主要功能和早期损坏结合_ 起解决 【l 町 除了进行独立研究外，我国也引进了国外的先进技术。鉴于国外的s m a 具有 良好的路用性能，1 9 9 1 年我国首次引进s m a 技术，1 9 9 3 年北京机场高速公路第一 次使用了s m a 做表面层，1 9 9 7 年交通部公路司下达了“沥青玛蹄脂碎石混合料性 能和指标的研究”课题，经过各个科研单位的研究，该课题提出了适合我国的s m a 级配范围1 ”。1 9 9 8 年起首先在北京、辽宁、吉林、河北、山东、广东、四川、湖 北和上海等省区开始推广应用，并且同年底制定了基本适合我国实际情况的公 路该性沥青路面施工技术规范( j t j 3 6 - 9 8 ) 。 美国公路战略研究计划( s h r p - s t r a t e g i ch i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ) 提出 了高性能沥青路面( s u p e r p a v e ) 的研究成果后，在国内引起了了较大的反响。交 通部重庆公路研究所已编辑有专题情报资料，并翻译出了( s u p e r p a v e 水准i 沥青 掘合料设计等书。众多科研单位已全套引进该系统试验仪器，并且开展了对沥 青混合料级配设计的研究。例如山东省交通科学研究所结合京沪高速公路济南段， 对混合料的级配进行了调整，取得了良好的效果另外，京珠高速湖北段也选用了 s u p e r p a v e 级配。同济大学、交通部公路科学研究所则立足于现有马歇尔试方法， 吸收s u p e r p a v e 的思想在沥青混合料配合比设计中对级配范围进行优选调整。特 别是林绣贤教授通过研究提出了符合我国国情的s u p e r p a v e 沥青混合料级配组成 建议值“”。 在公路沥青路面施工技术规范( j t g f 4 0 - - 2 0 0 4 ) 中明确指出：原规范( j t j 第一章绪论 7 0 3 2 9 4 ) 要求。多雨潮湿地区”采用a k 类抗滑表层混合料，采用a k 一1 3 a 型的工 程，除部分由于片面追求平整度或过分担心构造深度而导致空隙率偏大发生了早 期损坏外，大部分使用尚可。近年来，不少仍在a k - 1 3 型级配范围进行配合比设 计，但是不再采用中值，适当减少了最租的粗集料数量及最小的细集料数量，调 整成s 型级配，使空隙率有所改善，使用效果较好。所以总的来说，这些级配仍 然是适用的。对于a k - 1 3 b 及a l ( 一1 6 a 型，大部分反映离析比较严重，局部空隙率 较大。对于a k - 1 6 b 型，沥青混合料渗水严重，成功者寥寥“”1 。 表1 31 3 型沥青混合1 4 级配 通过下列筛孔( m ，i 的质量百分率( ) 混合料类型 1 61 3 29 54 7 52 3 61 1 80 60 3o 1 50 0 7 5 上1 0 01 0 08 05 34 03 02 31 81 2 8 a k l 3 a 下l o o9 06 03 02 01 51 075 4 上1 0 01 0 08 04 0 3 12 42 01 81 51 0 s a c l 3 下 1 0 09 56 53 02 21 61 21 086 上 1 0 01 0 08 8 6 8 5 34 13 02 21 68 a c l 3 i 下 1 0 09 57 04 83 62 41 81 284 上 1 0 01 0 07 53 22 62 42 01 61 51 2 s m a l 3 下 1 0 09 05 02 01 51 41 21 088 s u p e r l 2上 1 0 01 0 08 65 83 92 61 91 61 17 5 下 1 0 09 07 44 62 81 71 0643 椭 舶 7 0 g 普5 0 蕃4 0 3 0 2 0 1 0 一一 l 【1 飘 蕾一跳1 3 一s c 1 3 一j c 1 3 - - - - 0 - - - - & 耽3 oo o 0 7 5o 1 5o 30 61 1 82 4 7 59 51 3 21 6 ，$ 孔尺寸o m ) 图1 11 3 型混合科的级配范围对比图 第一章绪论 在公路沥青路面施工技术规范( 3 t g f 4 0 _ - 2 0 0 4 ) 中还明确指出：由于规范 的级配范围是针对全国不同地区、不同等级公路、不同层次、不同气候和交通条 件提出的，所以各地在使用时千万不能像对待原规范级配范围一样，原封不动地 套用，并所标准配合比尽量接近中值。尤其是针对多雨潮湿地区、炎热地区、行 驶重载交通的高速公路和一级公路，充分吸收国外的经验，逐渐改为采用粗型的 密级配沥青混合料，并配合成平坦的s 型的级配曲线。调整级配时，适当减少靠 近最大粒径的粗集料和细集料中较细部分的比例，控制矿粉比例，适当增加中间 档次的粗集料( 如5 l o 跚、1 0 1 5 r a m ) 。这种s 型级配的沥青混合料属于嵌挤密 实型级配，具有适宜的空隙率，渗水性小，有较好的高温稳定性，表面还具有较 大的构造深度。从而改进了原规范i 型密级配沥青混凝土粗集料悬浮和原抗滑表 层渗水性较大的缺点，取长补短，这种级配已经在许多高速公路工程大规模使用， 证明具有较好的使用性能。但必须注意的是，这种s 型混合科特别需要加强压实， 提高压实度，才能取得良好的效果瓯“1 。为更好地对1 3 型常用混合料的级配进行 比较，仍按公路沥青路面施工技术规范( j t j0 3 2 9 4 ) 中有关沥青混合料的分 类标准，将a n l 3 a 、s a c l 3 、a c l 3 i 、s m a l 3 、s u p e r p a v e l 2 5 的级配分别列入表1 3 和图1 1 中。从表1 3 及图1 1 可知，s u p e r p a v e l 2 5 范围的上限全在a c l 3 1 型范 围内，而其范围值的下限全在a k l 3 a 型范围内。s u p e r p a v e l 2 5 的中值线， 4 7 5 衄 者在a c l 3 i 型范围的中部并且与a k l 3 a 上限接近， 2 3 6 m 者则在a k l 3 a 范围的中 部。再从a c l 3 i 型的范围看， 4 7 5 咖者细料过多，禁区正处于范围的中部，是易 引起车辙和光面的敏感部分“1 捌。 1 3 研究内容及思路 1 3 1 研究内容 根据目前一段时间内广西壮族自治区沥青路面表面层设计主要为a c - 1 3 型沥 青混合料的实际情况，选择粗型密级配a c - 1 3 c 型沥青混合料作进行研究，研究粗 型密级配a c - 1 3 c 的应用特性与影响因素的密切关系： l 、粗型密级配a c 一1 3 c 是目前国内常用的抗滑表层，为对 2 3 6 m 的级配曲 线组成特点进行研究，对“限制区下部区域”矿质混合料的组成与沥青混合料应 用特性的关系进行了试验分析。由于条件和时问的限制，本课题选择两种粗型密 级配沥青混合科进行对比研究。 2 、表面层沥青混合料的设计空隙率一般在4 左右，经摊铺碾压后，空隙率一 般为3 l o 之间。因此，在分析空隙率对沥青混合料路用性能的影响的基础上， 对3 1 0 之间的不同空隙率的试件进行劈裂试验和抗压试验，研究空隙率对沥青 混合料应用特性的影响。 第一章绪论 9 3 、对老化前后的试件进行劈裂试验和抗压试验，研究老化对沥青混合料应用 特性的影响。 4 、对不同沥青用量的试件进行劈裂试验和抗压试验，研究沥青用量对沥青混 合料应用特性的影响。 1 3 2 技术路线 本研究采用理论分析和试验相结合的方法，在对沥青混合料的结构特征及路 用性能进行分析的基础上，利用m a r s h a l l 方法确定沥青混合料的油石比，利用s g c 控制沥青混合料试件的空隙率，采用s g c 旋转压实机成型的试件进行劈裂试验及 单轴压缩试验研究，通过大量的试验，对几个主要影响表面层沥青混合料应用特 性的因素进行了分析，根据当地交通荷载和气候环境，依托实体工程，对租型密 级配a c - 1 3 c 型沥青混合科进行试验验证。 1 4 论文结构安排 本文在第1 章介绍了沥青路面表面层级配的研究和使用现状，提出了粗型密 级配a c 一1 3 c 的应用特性与影响因素的研究内容和技术路线，在第2 章介绍了沥青 混合料的结构特征和路用性能的基本理论。文章在第3 章介绍了两种试验方案的 a c - 1 3 c 配合比设计，在第4 章使用旋转压实试验、劈裂试验、单轴压缩试验对 a c - 1 3 c 的应用特性与影响因素进彳亍了试验研究。第5 章介绍了a c 一1 3 c 型沥青混合 料的实体工程。在第6 章总结全文并提出下一步研究展望。 第二章沥青混合料的结构组成及路用性能竺 第2 章沥青混合料的结构组成及路用性能 沥青路面与沥青混合料的发展经历了天然沥青简单洒铺、采用人工生产熟拌 沥青混合料到机械化生产熟拌沥青混合料三个阶段。 2 1 热拌沥青混合料 2 1 1 沥青混合料矿料级配理论 所谓矿料级配就是指矿料中不同粒径的粒料相互之间的比例关系，这种比例 。关系通常简称为级配。级配常以不同粒料粒径的重量比来表示。关于级配理论的 研究，实质上起源于我国的垛积理论，但是这一理论在级配应用上并没有得到发 展。目前常用的级配理论主要有：最大密度曲线理论和粒子干涉理论。前一理论 主要描述了连续级配的粒径分布，可用于计算连续级配；后一理论不仅可以用于 计算连续级配，而且也可以用于计算间断级配嘲。 1 、最大密度曲线理论 最大密度酋线理论是通过大量试验提出的一种理想曲线。w b 富勒( f u l l e r ) 和他的同事研究认为：固体颗粒按粒度大小，有规则地组合排列，粗细搭配，可 以得到密度最大、空隙最小地混合料。初期研究理想曲线是：细集料以下的颗粒 级配为椭圆型曲线，粗集料为与椭圆曲线相切地直线，由这两部分组成的级配曲 线，可以达到最大的密度。这种曲线计算比较繁杂，后来经过许多研究改进，提 出简化的抛物线最大密度理想酋线。该理论认为，矿质混合料的颗粒级配曲线愈 接近抛物线，则其密度愈大。 ( 1 ) 最大密度曲线公式 根据上述理论，当矿质混合料的级配曲线为抛物线时，最大密度理想曲线集 料各级粒径( t ) 与通过量( p ，) 表示如下： ，- 、0 5 阢：1 0 0 f 生1 ( 2 一1 ) ld ， 式中： 阢吲径为d i ( 咖) 的筛孔的通过百分率( ) ； z 集料各级粒径( 咖) ； d 矿质混合料的最大粒径( m m ) 。 ( 2 ) 最大密度曲线疗幂公式 t a l b o l 将f u l l e r 曲线指数0 5 改为玎，认为指数不应该是一个常数，而应 该是一个变数。通常使用的矿质混合料的级配范围( 包括密级配和开级配) 行幂在 0 3 o 7 之闻。 第二章沥青混合料的结构组成及路用性能 一1 1 p f = 1 0 0 li u ii ( 2 2 ) 式中： p i 嗣径为d l ( 呻) 的筛孔的通过百分率( ) ； d ：集料各级粒径( 呻) ； d 矿质混合料的最大粒径( 衄) ： 一实验指数。 ( 3 ) 前苏联伊万诺夫提出用颗粒分级重量递减系数k 为参数的连续级配密实理 论( 简称k 法) ； ，一 ( 4 ) 我国同济大学参照n 法和k 法提出直接采用通过率递减系数i 为参数的级 配组成计算方法( 简称i 法) 。按照国外规定和我国的经验，i = o 6 5 o 7 5 ； ( 5 ) 为了确定级配，s u p e r p a v e 修改了被许多机构已采用的方法。0 4 5 次方的 级配图用来确定允许的级配。“0 4 5 次方”指数曲线图采用一个特定的技术来图示 混合料集料级配的分布曲线。纵坐标( 垂直轴) 是通过百分率，横坐标( 水平轴) 是筛孔尺寸( 啪) ，以0 4 5 次方表示。”1 。 2 、粒子干涉理论 粒子干涉理论是由c a g 魏矛斯( w e y m o u t h ) 提出，他认为；为达到最大密 度，前一级颗粒之间的空隙，应由次一级的颗粒所填充；其余空隙又由再次一级 的颗粒所填充。但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙之间的距离，否则，粗、细颗 粒之间将发生粒子的干涉。 一个良好的矿料级配组成，应该使其空隙率在热稳性容许的条件下为最小以 及有为形成足够的结构沥青所需裹覆的充分表面积，以保证矿料之间处于最紧密 的状态，并为矿料与沥青之间相互作用创造良好条件，使沥青混合料最大限度地 发挥其结构强度的效应，从而获得最好的使用品质。通常，密实的沥青混合料可 有较高的强度、较好的耐磨耗和抗疲劳性能，且不透水、耐老化、路面的使用寿 命较长。因此，对于用作面层的沥青混合料，多年来国内外大都是趋向于采用租 型密实型级配。 2 1 2 沥青混合料的结构及强度原理 材料组成形式不同，使沥青混合料呈现三种不同的典型结构：密实悬浮结构、 骨架空隙结构、密实骨架结构，具体见第一章。沥青混合料结构是单一结构和相 互联系结构概念的总和，其中包括：沥青结构、矿物骨架结构及沥青一矿粉分散系 统结构等，其中沥青一矿粉分散系统结构对沥青混合料的弹一粘一塑性起关键性作 用，这种结构特点为结构单元( 固体颗粒) 通过液相的薄层( 沥青) 而粘结在一起。 其结构强度取决于结构单元产生的分子力，此外，固体颗粒之间液相薄层的厚度 第二章沥青混合料的结构组成及路用性能旦 起着很大作用，相互作用的分子随薄层厚度的减小而增大，系统的粘稠度增加， 结构就变得更加坚固，分散介质( 液相) 本身的性质对结构的性质也有很大的影响。 矿物骨架结构是指沥青混合料成分中矿物颗粒在空间的分布情况矿物骨架本身 承受大部分的内力，颗粒间的内摩阻力直接影响结构的强度。沥青结构指沥青混 合料中沥青的分布特点和矿物颗粒上形成的沥青层的构造。矿物颗粒表面上的沥 青层厚度以及填充颗粒间空隙的自由沥青数量在较大程度上影响该结构的强度。 同时沥青与矿料之间的相互作用是沥青混合料结构形成的决定性因素，它直 接影响到沥青混合料的强度、温度稳定性、水稳定性以及老化速度等一系列重要 性能。原苏联j i a 列宾捷尔研究认为，沥青与矿料相互作用后，沥青在矿料表面 产生化学组分的重新排列，在矿料表面形成一层厚度为6 。的扩散溶剂化膜，在此 膜厚度以内的沥青称为结构沥青，在此膜厚度以外的沥青称为自由沥青。结构沥 青与矿料之间发生相互作用，并且沥青的性质有所改变；而自由沥青与矿料距离 较远，没有与矿料发生相互作用，仅将分散的矿料粘结起来，并保持原有的性质。 从以上沥青混合料的强度机理来看，影响沥青混合料的强度的因素有：沥青用量、 沥青与矿料相互作用程度、矿料的几何形状以及沥青的性质和所受荷载的大小 嗽嘲 ， 2 1 3 沥青混合料的基本特征 一般认为，沥青混合料是一种典型的弹、粘、塑性综合体，在低温小变形范 围内接近线弹性体；在高温大变形活动范围内表现为粘塑性体；而在通常的温度 范围内则为一般粘弹性体。 ， 从普通意义上来说，所有的沥青混合料均为非弹性体，且在其实际工作范围 内主要表现为粘弹性体。材料的非弹性主要表现在卸载后的不可恢复性，即塑性 和粘性变形，以及其应力一应交关系的曲线特性。 粘弹性沥青混合料的力学特征主要表现在以下三个方面： ( 1 ) 材料的力学特性与加载速度有关。随加载速度的增加，材料的强度与刚度 均会增大。 ( 2 ) 材料的力学特性对温度十分敏感。随温度的升高，材料的物理特征表现为 变软，强度与剐度变小。 ( 3 ) 材料具有十分明显的蠕变与应力松弛现象“”1 。 2 2 沥青混合料的路用性能 沥青混合料通常用于铺筑沥青路面的面层，由于沥青路面直接裸露在高速公 路的表面，直接承受车辆作用，并且长年累月经受阳光、温度、空气和雨水等大 第二章沥青混合料的结构组成及路用性能 一气因素的影响，同时沥青材料的物理、力学性质受气候因素和时间因素影响很大。 因此，为了能使路面给车辆提供安全、高速、舒适等服务性能，必须要求组成沥 青路面的沥青混合料具有以下的路用性能 l 、高温稳定性 在高温季节，路面温度很高，在行车荷载作用下，沥青混合料易产生车辙、 波浪、推移等病害。为了保证沥青路面在高温季节行车荷载的反复作用下不致产 生诸如波浪、推移、车辙、泛油、粘轮等病害，沥青路面应具有良好的高温稳定 性。即在高温时有足够的强度和刚度。常用的措施有在混合料中增加粗集料含量， 或限制剩余空隙率，使粗集料形成空间骨架结构，以提高沥青混合料的内摩阻力： 另外适当提高沥青结合料的稠度，严格控制沥青与矿粉的比例，从而提高沥青混 合料的粘聚力。 2 、低温抗裂性 裂缝是沥青路面的一种主要破坏形式，而裂缝的出现往往是路况损坏急剧增 加的开始。从低温抗裂性的要求出发，沥青路面在低温时应有较低的劲度和较大 的变形能力，且在行车荷载和其他因素的反复作用下不致产生疲劳开裂。 使用稠度较低、温度敏感性低的沥青，可提高沥青路面的低温抗裂性能。沥 青材料的老化能够使其低温抗裂性能恶化，故为了提高沥青路面的低温抗裂性能， 应选用抗老化能力较强的沥青。另外往沥青中掺加橡胶等高聚物，也可提高沥青 路面的低温抗裂性能。 3 、耐久性 沥青路面应具有抵抗温度、阳光、空气、水等各种大气因素作用的能力，即 在这些因素的作用下沥青路面的性质不致很快恶化一失去粘性、性质变脆，以致 在行车荷载和其他因素的作用下发生碎裂，乃至沥青与矿料脱落，使路面松散破 坏。 4 、抗滑能力 现代交通车速不断提高，为此，沥青路面应具有足够的抗滑能力，以保证在 最不利的情况下，车辆能够高速安全行驶，而且在外界因素的作用下其抗滑能力 不致很快降低。 一 沥青路面的抗滑性与矿质材料、矿科级配、沥青混合料类型等因素有关，其 中选用粗料偏多的矿料级配类型成为提高抗滑性的关键手段。 5 、防渗能力 当沥青路面的防渗能力较差时，不仅影响沥青路面本身的稳定性，而且还会 影响到基层的稳定性。因此沥青路面必须具有较高的抗渗能力，这一点在潮湿多 雨地区尤为重要。沥青路面的抗渗能力主要取决于沥青路面的空隙率，空隙率越 第二章沥青混合料的结构组成及路用性能 兰 大，其抗渗能力越差。国外大量的研究表明，路面残留空隙率控锘0 在8 以下时， 路面才具备较好的抗水损害能力”。 2 3 沥青混合料空隙率与路用性能的关系 2 3 1 沥青混合料空隙率与高温稳定性的关系 车辙主要来源于沥青混合料的粘性流动，如果空隙率过小，使得混合料内部 没有足够的空隙来吸收流动的部分，这势必造成混合料的整体流动性，由此便形 成车辙。当混合料的空隙率较高时，增加其密实度可增加颗粒闯的接触压力，从 而提高混合料的抗车辙能力。然而，当空隙率小于某一临界值后，继续减小空隙， 反而会减小颗粒间的接触压力而降低其抗车辙能力。 w e st r a c k 环道试验将热拌沥青混合料的空隙率分为4 、8 、1 2 三种，对3 种空隙率与不同的沥青用量和级配混合料进行足尺环道试验。结果表明：各种级 配的混合料在最佳沥青含量时，随空隙率的增加，车辙量随着增加。c a l a p t 试验 结果表明，空隙含量对不同的材料影响程度不同。在1 9 ，1 0 空隙含量的热拌断 级配沥青橡胶( a r 删一g g ) 的抗车辙性能不如密级配沥青混凝土( d g a c ) 。当a p d 瑚- g g 压实到5 空隙率时，在5 0 0 0 次重型车辆模拟装置( i n s ) 轮载后，比d g a c 的车辙少。 这个结论已由r s s t - c h 试验验证。可见，确定适当的空隙含量值，在施工时保证 良好的压实。是有助于改善路面抗车辙性能的。 f o r d ( 福特) 在阿肯色州的研究表明，热拌沥青混合料应设计和施工成现场空 隙率保持在2 5 以上。空隙率在2 5 以上，辙槽深度将小于7 9 m , 见图2 2 。 b r o w n ( 布朗) 和c r o s s ( 克罗斯) 的研究表明，室内压实试件的空隙率小于或等 于3 时，容易产生明显的辙槽，使用合适的集料，同时保持空隙率大子3 ，观测 到的辙槽深度小。h u b e r ( 休伯) 在加拿大的研究考虑一系列引起辙槽的因素后，指 出产生辙槽的主要原因之一是沥青混凝土的空隙率小于3 。 空骧奉 图2 2 阿肯色州辙槽深度与混合料空隙率的关系 第二章沥青混合科的结构组成及路用性能 d o nb r o c k ( 布洛克) 的论文里介绍：沥青路面的车辙在初期主要是荷载压密变 形，对于相同级配及沥青用量，空隙率大的变形也大，随着试验继续，空隙率达 到一最小值以后，空隙率再变小，变形速率又有所增加，如室内对不同温度下的 9 5 2 ( 最大粒径) 热拌沥青混合料用同样的方法制成试件，试件将具有不同的空隙 率，用沥青路面分析仪( p a ) 对这些试件进行轮辙试验的结果见表2 1 及图2 3 4 4 研究表明，沥青混凝土的空隙率对辙槽深度有很大的影响，空隙率从6 7 增 大到9 1 ，辙槽深度从6 3 8 m m 增加到1 4 8 4 m m ，后者是前者的2 3 3 倍。用聚合 物改性沥青的1 2 5 m 沥青混凝土试件的空隙率从7 ，锻增大到9 5 。辙槽深度从 0 5 3 增大到1 1 3 m m ，后者是其前者的2 1 3 倍。 表2 1用a p a 做的9 5 m 沥