（道路与铁道工程专业论文）沥青混合料粗集料骨架结构嵌挤能力评价方法研究.pdf

摘要 近年来，我国的沥青路面建设取得了很大的成就。但是在新时期里，随着国 民经济的发展，交通运输任务日益繁重， 多沥青路面出现了各种各样的破坏形态， 交通状况出现了新的变化，这些致使许 给国家造成了巨大的经济损失，而现行 沥青混合料骨架结构设计和评价方法上所存在的缺陷却渐渐显现。因此，为了提 高我国沥青路面建设水平，对沥青混合料骨架结构评价方法进行深入研究是十分 必要的。 本文针对国内外沥青混合料骨架结构设计方法存在的缺陷进行了深入分析， 基于此，设计出了一套全新的能够评价沥青混合料粗集料骨架结构嵌挤能力的锥 入试验方法。具体，研究的内容主要包括：沥青混合料及其骨架结构设计方法的 评论，针对现有沥青混合料的骨架结构设计方法，分析现有方法的设计过程中存 在的问题。粗集料骨架结构新型成型设备的研发。评价沥青混合料粗集料骨架结 构嵌挤能力试验方法的研究，基于相关的论证分析，本文提出了锥入试验的操作 方法和基本的试验参数，并提出采用锥入能指标价骨架结构的嵌挤能力。沥青混 合料粗集料骨架结构嵌挤能力的分析，根据前面设计的试验方法，进行锥入试验， 分析了不同料源，不同配比，不同密实程度等条件下的骨架结构嵌挤能力，印证 了采用了锥入能指标评价嵌挤能力的可行性。探讨了锥入试验的理论模型，根据 锥入试验的锥头受力特点，对其进行受力分析后，提出了针对不同的锥入阶段锥 入力的近似计算理论。根据有限元在模拟锥入过程中存在的不足，指出了模拟锥 入过程需要解决的问题：有限变形问题、接触问题、本构关系、加载问题等。接着 建立了能够模拟锥入的有限元模型，利用该有限元模型分析了锥入过程中集料的 位移、应力和应变场变化。 研究表明：采用新型的骨架成型设备所成型的骨架具有稳定性好，集料击碎 率小等优点。通过进行了大量锥入试验后发现，采用锥入能指标来评价不同骨架 结构的嵌挤能力是合理的。同时，通过对不同锥入阶段的理论建模，使得对不同 锥入阶段锥入力的计算成为可能。最后，数值模拟结果表明采用有限元分析可以 很好的模拟锥入的整个过程。 关键词：沥青路面；骨架结构；嵌挤能力；锥入试验；锥入能；有限元法 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h e c o n s t r u c t i o no f a s p h a l tp a v e m e n th a sm a d eg r e a t a c h i e v e m e n t s b u ti nt h en e we r a ，a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , c h i n a st r a n s p o r tt a s ki si n c r e a s i n gh e a v ya n dn e wc h a n g e si nt r a f f i cc o n d i t i o n sh a v e a p p e a r e d ，w h i c hl e dt ol o t so fd i l a p i d a t i o n sf o r m so nt h ea s p h a l tp a v e m e n ta n dc a u s e d h u g ee c o n o m i cl o s s e st ot h ec o u n t r y h o w e v e r ，t h ed e s i g na n de v a l u a t i o nm e t h o d so f t h es k e l e t o ns t r u c t u r eo fa s p h a l tm i x t u r ei sg r a d u a l l yr e v e a l e d t h e r e f o r e ，i no r d e rt o i m p r o v eo u rl e v e lo fa s p h a l tp a v e m e n tc o n s t r u c t i o n , i ti s n e c e s s a r yt os t u d yt h e e v a l u a t i o nm e t h o d so ft h es k e l e t o ns t r u c t u r eo f a s p h a l tm i x t u r ed e e p l y t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef l a w so fc h i n e s ea n df o r e i g ne x i s t i n ge v a l u a t i o nm e t h o d s o fs k e l e t o no fa s p h a l tm i x t u r e b a s e do nt h i s ，d e s i g nt h en e wc o n et e s tm e t h o dt o e v a l u a t ea s p h a l tm i x t u r eo fc o a r s ea g g r e g a t es k e l e t o n si n t e r l o c k e d d e n s e n e s sc a p a c i t y s p e c i f i c a l l y , t h es t u d yi n c l u d e sa s p h a l tm i x t u r ea n di t ss k e l e t o nd e s i g nm e t h o d s ， a n a l y s i st h ee x i s t i n gd e s i g nm e t h o do fa s p h a l tm i x t u r e ss k e l e t o na n df i n dt h ep r o b l e m s i nt h e m i n v e n tt h en e wf o r m i n gm a c h i n e sf o rs k e l e t o n ；as t u d yo nt h em e t h o do f e v a l u a t i n ga s p h a l tm i x t u r eo f c o a r s ea g g r e g a t es k e l e t o n si n t e r l o c k e d d e n s e n e s sc a p a c i t y b a s e do nr e l a t i o n a ld e m o n s t r a t i o na n da n a l y s i s ，t h i st e x tp r o p o s et h et e s tm e t h o d so f o p e r a t i o na n db a s i ct e s tp a r a m e t e r sa n dp u tf o r w a r dt h ee n e r g yo fp e n e 仃a t i o na sa i n d i c a t o rt oe v a l u a t et h ec a p a c i t yo ft h es k e l e t o n a n a l y z ea s p h a l tm i x t u r eo f c o a r s e a g g r e g a t es k e l e t o n si n t e r l o c k e d d e n s e n e s sc a p a c i t y c o n d u c tc o n ep e n e t r a t i o nt e s t a c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u sd e s i g no ft h et e s tm e t h o d ，w h i c ha i m e dt oa n a l y z ec o a r s e a g g r e g a t e s k e l e t o n si n t e r l o c k e d d e n s e n e s s c a p a c i t yo fd i f f e r e n tm a t e r i a ls o u r c e s ， p r o p o r t i o n s ，t h ed i f f e r e n td e g r e eo ft h es k e l e t o nd e n s ea n dc o n f i r m e du s i n gc o n e p e n e t r a t i o nt e s tt oe v a l u a t ec o a r s ea g g r e g a t es k e l e t o n si n t e r l o c k e d d e n s e n e s sc a p a c i t y c o n s i d e rt h et h e o r e t i c a lm o d e lo fc o n ep e n e t r a t i o nt e s ta c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n eh e a da n da n a l y z et h ef o r c eo fi t p r o p o s et h et h e o r yo f c o m p u t a t i o no ft h eh e a d 。sf o r c ef o rd i f f e r e n ts t a g e s s o m es h o r t c o m i n gt h a tn u m e r i c a l s i m u l m i o nc a n te f f e c t i v e l ya p p l i e di nc o n ep e n e t r a t i o nt e s ta r e p r o p o s e d s e v e r a l p r o b l e m sn e e dt ob es o l v e di nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f o ri n s t a n c e f i n i t ed e f o r m a t i o n p r o b l e m ，c o n t a c tb e t w e e np i l ea n da g g r e g a t e ，c o n s t i t u t i v em o d e lo fa g g r e g a t ea n d l o a d i n gp r o b l e m s d i s p l a c e m e n tf i e l d s ，s t r e s sf i e l d sa n ds t r a i nf i e l d sa r er e s e a r c h e dv i a f i n i t ee l e m e n tm o d e lt h a ta c c o r d sw i t ha c t u a ip r o c e s so fc o n ep e n e t r a t i o nt e s t 力l er e s u l t ss h o wt h a t ：t h en e w t y p eo fs k e l e t o nf o r m i n gd e v i c ef o r mt h es k e l e t o n w h i c hh a v eg o o ds t a b i l i t ya n dl o wc r u s h i n gr a t eo fa g g r e g a t ea n ds oo n b ym a k i n ga l o to ft e s t s ，i tw a sf o u n d e dt h a tt h ee n e r g yo fp e n e t r a t i o nc a i lb eu s e da sai n d i c a t o rt o e v a l u a t et h ed i f f e r e n ts k e l e t o n i na d d i t i o n a l ，i ti sp o s s i b l et oc a l c u l a t et h eh e a d sf o r c e o fd i f f e r e n ts t a g e st h r o u g ht h e o r e t i c a lm o d e l i n g a tl a s t , t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dc a nr e a l i z et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o n ep e n e t r a t i o n t e s t k e yw o r d s ： a s p h a l tp a v e m e n t ；s t o n e - t o s t o n ec o n t a c ts t r u c t u r e ；t h e i n t e d o c k e d d e n s e n e s sc a p a c i t y ；c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ；t h ee n e r g yo fp e n e t r a t i o n ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d 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。 学位论文作者签名：函、7 2 疡)日期：刃p 年6 月力日 学位论文作者签名：幽0 缈日期：们p 年莎月力日 重庆交通大学学位论文版权使周授权书 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。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论 文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网 络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：嗣、摩与乙指导教师签名：a 饥! ：孔 日期：切口年舌月2j e 1 日期：2 0 l o 年6 月) e l 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列 数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定 学位论文作者躲玩一导沙 日期洌分年6 月2j e 1 指导教师签名： a 强：2 0 l 舞 舌 月) 7 e t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的必要性和意义 近年来，我国经济飞速发展，取得了令世人瞩目的成就。伴随着改革开放的 脚步，我国公路建设发展较快，成绩喜人。自9 0 年代初京津塘高速公路的建成到 2 0 0 7 年“五纵七横路网全部建成，我国高速公里建设取得了长足的进步。到 2 0 0 5 年1 月，国务院出台的国家高速公路网规划要求我国力争将用3 0 年左 右的时间完成包括7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线共8 5 万 公里的国家高速公路网。规划出台后，高速公路的各项工作正在有条不紊的进行 着。至2 0 1 0 年，我国高速公路已建成总里程将达到6 5 公里，稳居世界第二位， 届时国家高速公路网骨架将基本形成。高速公路不仅显著提供了运输能力，降低 了运输成本，增强了运输的安全性，节约了宝贵的土地资源，而且在促进资源开 发利用，改善投资环境，优化产业布局等方面发挥着越来越重要的作用。总之， 高速公路的建设是推动我国经济快速、平稳和健康发展的最重要产业之一。 但是，高速公路建设在快速发展的同时，也出现了不少的问题。迄今为止， 已建成通车的高速公路总里程逾6 万k m ，其中大部分为沥青路面。但是，近十 多年来，重载车辆，特别是大幅度的超载运输车辆数目的激增以及平均车速的提 高，无疑大大影响了沥青路面的使用性能n 1 。现在路上行驶的车辆其轴载远远超 过了规范设计时采用的1 0 0 k n ，甚至增加到2 0 0 k n 附近，轮胎充气压力也相应 从额定的o 7 m p 增加到0 9 m p 以上。这些日益严重的交通状况就使得建成的沥青 路面受到了更严峻的考验。另外，我们应该认识到所建成的大多数沥青路面的破 坏都出现了新的趋势“，即许多高速公路在通车后较短的时间内就发生了大面积 的结构性破损。路面的结构性破坏不仅使道路建设的初期投入得不到充分利用， 大修的成本也十分昂贵。纵观我国已经建成的沥青路面，大多数其实际寿命通常 不到设计寿命的一半，更有些道路通车后一到两年内便不能使用了，不得不大修 或重建，浪费了资源的同时也造成了巨大的经济损失。上述情况也严重违背了国 家建设资源节约性，环境友好性社会的理念。 幸运的是，这些道路的损坏引起了我国道路相关部门和许多研究人员的重视， 相关研究人员对路面的损坏状况进行了调查3 1 后，结果表明“通车仅2 3 年的 高速公路沥青路面都已经大面积破坏，有些高速公路通车仅9 个月就开始破坏迹 象，不到一年就由于大面积破坏严重而不得不将原沥青路面铣刨后重铺新面层。 同时，研究人员也纷纷注意到国外的道路工程建设中同样也存在着严重的损 2 第一章绪论 坏，如美国的很多州的多条高速公路刚建成不久就出现大面积的损坏。还有，美 国于2 0 世纪8 0 年代中对沥青路面的使用寿命做的广泛调查后发表的报告表明即 使完全按照a a s h t o 的路面设计方法，但是路面的实际使用也只有设计使用期的一 半左右。 以上事实提醒我们，即使完全按照规范里规定的做法来设计沥青路面，设计 出来路面的使用状况仍然不尽如人意，大多数路面的实际使用寿命都远远没有达 到它的设计使用年限。这与新世纪里建设耐久性路面的要求相去甚远。当然，造 成沥青路面的实际使用性能达不到要求的原因有很多，比如沥青混合料设计、施 工的缺陷。但是就沥青路面的实际使用表现来看，大规模、高频率的破坏现象出 现无疑降低了高等级沥青路面使用寿命。 以车辙为例，较严重的车辙是致使高速公路沥青路面的使用寿命较短的一个 重要原因。一般认为，车辙是因为在温度较高的季节，沥青面层在车辆的反复 碾压下产生永久变形和塑性流动而产生的。另外，当重载车辆在以上沥青路面通 过时路面就更容易产生严重车辙。实际上，发生车辙处，轮迹带产生凹陷的同时 其两侧的沥青混凝土也常隆起，此时的车辙就是轮迹带的凹陷深度和其两侧鼓起 的高度之和。另外，车辙也可以理解为沥青混合料在荷载的作用下沿竖向和横向 的移动。在很少数的情况下，车辙完全只是由混合料竖向移动而形成。这种情况 通常都是因为施工时混合料没有被充分压实，而在交通荷载的作用下混合料才达 到沥青路面在使用期的最终密度，也即沥青路面才实现了最终的压实。但是，沥 青路面，尤其对于半刚性基层而言，其上出现的最常见的车辙都是由于沥青混合 料的横向移动而形成的，即在交通荷载作用下使混合料侧向流动而此时的横向扭 曲或推移。 又如某调查所示，在某山区高速公路每年交通量近1 0 0 0 0 辆，其中重车较少， 约占2 ，但是在道路修好通车还不到三年的时间里，多数路段已经产生了明显的 车辙。另有调查中某条高速公路1 9 9 3 年1 2 月全线通车。三年后，部分路段的车 辙深度已达1 5 ，- - - 1 7 m m 。同时，美国的西部环道的试验段在1 9 9 6 年三月开始通车 实验后到1 9 9 7 年5 月时，几乎每一个试验段都产生了程度不一的车辙，部分路段 的车辙深度大于2 5 c m 。由上可知，无论中外，车辙都是沥青路面特有的主要破坏 现象之一。这些车辙病害不仅缩短了高速公路的使用寿命，甚至影响了行车的安 全性。 本文认为，虽然国内外对道路的研究已经有了很长的历史，也取得了很大的 进步，但是沥青路面的损坏仍然是一个困扰中外道路界的重大问题。只有很好解 决了沥青路面的破坏，才能为真正建立起理想中的长寿面沥青路面做好技术准备。 但就我国沥青路面在使用过程中出现较严重的破坏这一具体现象的原因，除了路 第一章绪论 面在其他设计及施工因素外，主要是原因之一就是我国高速公路沥青路面上的交 通特点发生了很大的变化，每条高速公路沥青道路都存在着严重的超载现象。多 轴次、重轴载，高轮压已经成了高速公路的交通特点的代名词3 1 。 在这些超重车辆的轮载作用下，沥青路面面层的混凝土内将产生比以往更大 的应力和应变，而这些应力和应变的直接承受者就是沥青混合料的骨架结构。因 此，骨架结构内粗集料问的嵌挤能力强弱将是决定沥青混凝土的路用性能表现的 关键因素。如果骨架结构内粗集料间的嵌挤能力强，那么由该采用此粗集料形成 的沥青混合料抵抗内部应力和应变的能力就好。相反，如果粗集料间的嵌挤能力 弱，那么由该粗集料形成的混合料的抗内部应力和应变的能力就较差，因此就会 形成较严重的车辙。所以可以说，沥青混合料骨架结构的力学参数将是影响沥青 混合料的使用效能的最重要方面之一。 鉴于沥青路面的损坏与沥青混合料的设计具有紧密的联系1 ，沥青混合料的 路用性能又取决于其骨架结构特性，因此本文将首先论证研究沥青混合料粗集料 骨架结构的最重要的力学性能即其粗集料间的嵌挤能力的必要性，然后又分析了 现行沥青混合料在设计时对骨架结构方面上考虑的不足，最后提出了评价沥青混 合料骨架结构粗集料间嵌挤能力的方法。该方法的提出使得沥青混合料骨架结构 在力学方面的评价成为了可能，有助于更好的来设计沥青混合料骨架结构，从而 完善沥青混合料的设计。另外，这也使得从沥青混合料骨架结构的角度来分析沥 青路面的某些破坏提供了理论基础，对沥青混合料的设计和沥青路面损坏防治措 施的研究具有重要的指导意义和实用价值。 1 2 国内外研究现状 关于骨架的形成和孔隙填充的相关问题，最早可追溯到几百年前的伽利略， 他探讨了如何在有限空间内达到颗粒的密排问题，随后牛顿也曾试图解决用圆形 颗粒最大程度填充某个空间的问题。在随后几百年的研究进程中，虽然出现了一 批理论和模型解决这个问题，但是这些研究大多数都是纯粹从解决数学问题的角 度来考虑。更重要的是，对于沥青混合料的骨架结构中形状不规则的集料颗粒而 言，到底什么样的状态才算形成骨架，什么样的状态才算稳定骨架还没有一致的 结论1 7 | 0 国内外很多研究人员对上述问题的前者已经进行了大量的研究，也取得 了较多的成果，但是后一个问题却很少有人问津。 国内外有部分学者认为沥青混合料骨架嵌挤密实结构可以按照贝雷法的三个 参数c a 、f a c 、f a f 来设计。其中，c a 比指标反映的是粗集料内部的组成，其用 来衡量混合料中粗集料的嵌挤程度，一般要求c a 值在0 4 - - - 0 8 之间，过大或 过小均不利于形成骨架的稳定。 4 第一章绪论 1 9 9 9 年，m a l l i c k 等人8 1 提出借助旋转压实试验来评价沥青混合料的稳定性 的方法。该方法认为沥青混合料骨架结构是否稳定的区别在于，稳定的沥青混合 料随着密实获得强度，并且随着进一步的压实保持这种强度，最终空隙率将达到 某一固定水平而不再下降：而不稳定的沥青合料开始同样获得强度，但是当达到某 种压实程度后强度反而下降，并容易遭受剪切破坏。压实次数比指将沥青混合料 空隙率压到2 和5 时，2 个旋压实次数n ：和n 5 的比值。借助于该指标可以评价沥 青混合料的稳定程度，即评价沥青混合料骨架结构的嵌挤能力，比值越大越稳定。 m i n n i s 州交通部w i l l j a mjp i n e 阳提出采用集料骨架点l p ( l o c k i n g p n i n i ) 来衡量骨架结构的形成情况。l p 是指旋转压实仪在压实沥青混合料过程中试件高 度连续3 次不变的第一个压实次数。l p 标志沥青混合料中所有集料已开始形成骨 架，并抵抗进一步的压实。值得注意的是，上面所提到的骨架指的是所有矿料形 成的骨架结构，而不单单指粗集料骨架结构。l p 指标的提出是为了衡量在不同的 空隙率和压实水平下骨架结构的嵌挤情况，同时也是为了防止沥青混合料尤其是 骨架密实型沥青混合料出现过度碾压。 赵永利博士n 们在研究矿质混合料骨架状态研究时，提出了采用贯入阻力试验 来分析矿质混合料颗粒间的咬合、嵌挤和摩擦情况。试验后发现随着粒径的增加， 矿质混合料的贯入阻力明显增加，但二者之间并不成线性规律：当粒径大于9 5 m m 后贯入阻力的增加幅度较小。试验同时表明，在骨架结构不明显的混合料中，添 加粗集料可有效增加混合料的骨架特性，但对于骨架结构明显的混合料，在其中 增加更大粒径的颗粒对其骨架结构的提高程度却不明显。 刘中林博士1 1 1 在研究大碎石沥青混合料( l s a m ) 组成结构时，考虑到粗集料 即便达到骨架密实结构，但由于粗集料( 石一石) 间的接触程度不同，沥青混合 料会在路用性能上存在差别。因此提出了n 2 1 骨架接触度s s c 和骨架稳定度s ，并 根据这两个指标对l s a m 骨架结构的嵌挤能力进行评价，进而划分为紧排骨架密实 结构、松排骨架密实结构和悬浮密实结构。s s c 即骨架接触度是指用压实成型的 混合料中粗集料毛体积相对密度与纯粗集料干捣的相对密度之比表征；s 即骨架 稳定度是用压实成型的沥青混合料中粗集料的体积密度与纯粗集料松堆之比表 征。但是该研究成果中骨架接触度s s c 和骨架稳定度s 这两个指标在实际应用上 还存在一些问题。 盛晓军“3 1 在对骨架的形成进行研究时，提出了骨架密实度s c 和骨架稳定度 s 两个指标来控制骨架的密实度和稳定性。对s c ，其文中认为它能很好的考察混 合料是否骨架密实，且建议s c 值接近1 为骨架密实、远小于1 为骨架空隙型、远 大于1 为悬浮密实。另外，他还研究发现沥青混合料的动稳定度随s 的增加而增 大。通过对s 指标的研究，可以对混合料的动稳定度进行评价，进而对骨架结构 第一章绪论 的稳定性进行分析。 西南交通大学的何昌轩1 采用适合最大粒径l o o m m 的粗骨料大型直剪仪，选 用同一料源的河卵石( 具有相同的表面纹理) ，两种颗粒形状，三种典型级配类型 对集料的抗剪强度展开试验研究。研究后发现，骨架密实结构剪切强度主要由粗 集料部分承担，细集料和矿粉的加入会把抗剪骨架撑开；集料颗粒形状和级配对 混合料的抗剪强度都有一定程度的影响；相同最大公称尺寸的四种典型级配椭球 形颗粒的集料的抗剪切强度大于球形颗粒的抗剪切强度；研究同样是骨架结构的 s m a - 2 0 和a m - 2 0 级配，s m a 一2 0 级配骨架的嵌挤效果要明显的多。 邱颖峰n 在分析原有s m a 骨架形成判断标准及贝雷法的集料球形假设理论基 础上，提出了骨架密实度c 及骨架撑开度s d 两个新的参数，并将它们应用于骨架密 实结构嵌挤能力的评价中，认为c 指越小，骨架结构越紧密。对这两个参数与混 合料的高温稳定性关系进行室内试验研究与分析后发现，沥青混合料的高温稳定 性与骨架密实度呈抛物线关系，随着骨架撑开度的增加迅速降低。骨架密实度和骨 架撑开度两个参数较完整地描述了混合料的骨架结构状态。 杜顺成n 6 1 通过对散体细观力学模型进行分析，推导出散体剪切模量的计算公 式。利用该指标可以从理论上分析粗矿料骨架结构的嵌挤能力，提高集料散体杭 剪切性能：同时结合逐级填充理论，提出多级抗剪密级配( m u l t il e v e la n t i s h e a r g r a d i n g ) 设计方法，以提高混合料的杭剪切流动变形能力。另外，田波等人n 7 1 采用c b r 方法来对骨架力学性能进行评价，认为c b r 方法在一定程度上反映了某 一变形级位时荷载和变形的关系，也在一定程度上反映了骨架结构抵抗外荷的能 力。经研究发现，集料逐级填充过程中次级集料总是一部分用于填充空隙，同时另 一部分又产生了新的干涉随着次级集料逐级填加，次级集料经历着一个从偶然干 涉到必然干涉，再到偶然干涉的循环过程，另外，良好的骨架具有良好的继承性， 即下级最优骨架是基于上一级最优骨架形成的，而不是其它组合。但是该法在使用 时会导致大量的粗集料被压碎，因此改变了原级配形成的骨架结构，评价结果并 不准确。 除以上研究人员外，国外g k c h a n ge 1 8 l , p g o l t e r m a n “钉、国内卢永贵1 2 0 l 陈旭庆2 、赵可2 2 1 等人都对骨架结构嵌挤能力进行评价作出了有益的尝试，但 是还有许多方面值得改进。 1 3 本论文研究的主要内容及方法 由前文知，目前高等级沥青路面的损坏情况较为严重，具体的破坏原因还在 不断的研究之中。本文认为沥青路面的损坏与沥青混合料的使用性能好坏具有直 接的联系，而沥青混合料的各方面使用性能又和沥青混合料骨架结构的好坏具有 6 第一章绪论 直接的关系。因此，如果可以通过试验手段来区分不同沥青混合料的骨架结构的 好坏无疑会优化沥青混合料的设计过程。若通过该方法设计出来的沥青混合料具 有良好的骨架结构，那么该沥青混合料将会具有良好的路用性能，从而大大减少 沥青路面出现上述破坏的几率。 为了实现上述目的，本文进行的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 现行的集料骨架结构设计、评价方法的评论，针对现有沥青混合料的骨 架结构设计方法，分析现有方法的设计过程中存在的问题，进而指出进行粗集料 骨架结构嵌挤能力评价方法研究的必要性。 ( 2 ) 粗集料骨架结构新型成型设备的研发。 ( 3 ) 评价沥青混合料粗集料骨架结构嵌挤能力试验方法的研究，基于相关的 论证分析，本文提出了锥入试验的操作方法和基本的试验参数，并提出采用锥入 能指标来评价骨架结构的嵌挤能力。 ( 4 ) 沥青混合料粗集料骨架结构嵌挤能力的分析，进行锥入试验，分析了不 同料源，不同配比，不同密实程度等的骨架结构嵌挤力的评价，印证了采用锥入 能指标来评价嵌挤能力的可行性。 ( 5 ) 针对锥入试验的理论模型探讨，根据锥入试验的锥头受力特点，对其进 行受力分析后，提出了针对不同的锥入阶段的锥入力的计算理论。 ( 6 ) 利用有限元对锥入过程进行了模拟，分析了不同锥入深度时的位移场、 应力场和应变场。所采用的有限元模型能够很好地解决如下问题：有限变形问题： 接触问题：本构关系：加载问题等。 第二章沥青混合料粗集料骨架结构设计方法 7 第二章沥青混合料粗集料骨架结构设计方法 2 1 沥青混合料的设计方法和标准 2 1 1 沥青混合料的技术性能要求 通常认为，沥青混合料是一种复杂的多种成分组成的材料，并且这种材料也 可以按照不同的理论划分为各种结构类型。同时，沥青混合料的各项技术性质又 会随着时间和温度等因素的改变而有很大的变化。但是无论如何其作为沥青路面 的实体，尤其是大多用在面层，而沥青面层就需要满足行车的舒适性、安全性和 经济性等要求1 2 3 3 因此通常要求沥青混合料应具有高温稳定性、低温抗裂性、抗 滑性、耐久性等路用性能。以下将分别对以上所提到的各项性能作一介绍 z 4 l 。 ( 1 ) 高温稳定性 通常，沥青混合料的高温稳定性一般指高温条件下沥青混合料在受荷载作用 下抵抗永久变形的能力。由于沥青混合料的强度与刚度随温度升高而显著下降， 在高温季节行车荷载的反复作用下，路面就会产生诸如车辙、波浪、推移、拥包 以及泛油等病害。其中，车辙作为一种路面上最常见的沥青路面破坏类型，引起 了人们的广泛关注。车辙乜日可以根据形成的原因不同，分为以下三大类型，即失 稳性车辙、结构性车辙和磨耗性车辙。在以上所述的三种车辙中，对于半刚性材 料的基层而言，结构性车辙一般产生的较少，故一般情况下所指的车辙就是失稳 性车辙，也是我们目前研究的重点。沥青路面的车辙的产生一般认为包括开始阶 段的压密过程、沥青混合料的流动过程和矿质骨料的重新排列及矿质骨料的破坏。 由此可见，最后阶段沥青混合料的骨架的失稳导致了沥青混合料的结构特征发生 了变化，进而最终诱发了车辙。因此，沥青混合料骨架的好坏对沥青混合料高温 性能的表现的重要性是不言而喻的。总之，车辙的出现不仅影响行车的舒适性和 快速性，影响行车安全，而且严重影响了沥青路面的使用寿命和服务质量。 为了避免沥青路面出现高温性能方面的破坏，在沥青混合料设计过程中，通 常采用马歇尔稳定度和车辙试验控制其在高温方面的表现。但是，工程实践和不 少的研究结果已经表明2 盯，基于经验的指标马歇尔稳定度和流值不能确切反映混 合料在高温下产生的永久变形机理。因此这两个指标并不能完全判别混合料高温 稳定性的优劣。另一方面，车辙试验是一种模拟实际车轮荷载在路面上行走而形 成车辙的工程试验方法，该方法是通过采用车轮在板块状试件上反复行走，观察 和检测试块或路面结构的响应。车辙试验虽然是为评价沥青混合料在规定温度条 件下抵抗塑性流动变形能力的方法，即使它能够测定荷载作用下材料的塑性变形， 但是由于轮子的设计和试件的限制，它并不能模拟车轮荷载对路面的实际发生剪 第二章沥青混合料粗集料骨架结构设计方法 切作用，因此，该实验方法尚存在缺陷。因此，研发出一种更合适的用于评价沥 青混合料的高温使用性能的试验仪也是十分必要的。 一般认为，沥青混合料的高温稳定性的形成主要来源于沥青结合料的高温粘 结性和矿料级配的嵌挤能力。但是高温状态下，沥青结合料无法承受车辆荷载的 强大推挤力和水平剪切作用的。在这种情况下，沥青混合料的粗集料的嵌挤能力 就起到了决定性的作用。国外有研究表明，沥青混合料的高温抗车辙的能力有6 0 0 , 6 依赖于矿料级配的嵌挤能力，而沥青结合料的粘结性能只有4 0 9 6 的贡献。因此目 前，为了增加沥青路面的高温稳定性，在混合料设计过程中增加了粗集料的含量， 以提高骨料间的嵌挤力。而据此设计的沥青碎石、贯入式以及s m a 和0 g f c 等一般 均具有很好的抗车辙能力。 ( 2 ) 低温抗裂性 沥青路面的开裂是路面的主要病害之一，也是各国公路界普遍关心的问题。 沥青混合料的裂缝主要包括温缩裂缝、温度疲劳裂缝及反射裂缝等，其各自成因 也各不相同。通常情况下随着温度下降，沥青混合料劲度增大，变形能力降低， 在外界荷载作用下，使得混合料内部应力来不及松弛，应力逐渐积累下来，这些 累积应力在超过极限抗拉强度时即发生开裂，从而导致路面的破坏。 一般认为，沥青路面低温开裂主要有两种形式：一种是由于气温骤降造成面 层的温度收缩在有约束的沥青层内产生温度应力超过沥青混凝土的抗拉强度时造 成开裂。另一种形式是温度疲劳裂缝，这是由于沥青混凝土经过长时间的温度循 环，使沥青混凝土的极限拉伸应变变小，应力松弛性能降低，将在温度应力小于 其抗拉强度时产生开裂。因此，从低温抗裂性能出发，沥青混合料在低温时应具 有良好的应力松弛能力，较低的劲度和较大的变形能力，在降温收缩过程中不产 生大的应力积聚，在行车荷载和其他因素的反复作用下不致产生疲劳开裂。值得 注意的是，虽然我们已经基本弄清了沥青混合料低温开裂的原因，但是在混合料 设计过程中尚未充分考虑这一因素。 ( 3 ) 抗滑性 高速公路上的交通事故虽然是由多方面的因素造成的，比如交通条件、车辆 状况、驾驶员的驾驶技术和他的精神心理状态等，但是沥青路面表面层的抗滑能 力不足是导致交通事故发生的一个重要方面。因此，为了保证公路尤其是高速公 路的行车安全和通行能力，沥青路面应具有足够的抗滑能力，以保证在最不利情 况下，车辆能高速安全地行驶，而且在外界因素作用下，其抗滑能力不致很快降 低，车辆能够在道路使用期内始终安全高速地行驶。 因此，为了提高沥青路面的抗滑性能，许多的针对提高此而设计的新型的沥 青混凝土材料不断被应用，如a k 类的抗滑表层一度成为沥青面层的主流级配类 第二章沥青混合料粗集料骨架结构设计方法 9 型，s m a 混合料、a c - 1 3 和s a c 沥青混合料、s u p e r p a v e 体积法设计的沥青混合料 以及华南理工开发的富沥青混合料和贝蕾法设计的混合料、排水式的开级配混合 料等等。值得注意的一点是这些新出现的沥青混合料都强调增大粗集料用量以提 供较好的嵌挤力，形成较大的构造深度，密实以提供较好的粘结力。由此可知， 良好的骨架结构是沥青路面拥有较好的抗滑性能的保证。 ( 4 ) 耐久性 沥青混合料的耐久性是指沥青混合料的水稳定性、耐疲劳性及抗老化性能的 综合反映，与其空隙率的关系极为密切。沥青混合料应具有抵抗各种自然因素及 车辆荷载反复作用的能力，从而保证沥青路面具有一定的使用寿命。水稳定性即 沥青路面抵抗受水的侵蚀逐渐产生沥青膜剥落、掉粒、松散、坑槽而破坏的能力。 沥青混合料的水稳定性如果不好，就会出现水损害。所谓水损害是指沥青路面在 行车荷载的作用下，进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反 复作用，水分逐渐渗入沥青与集料的界面上，使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结 力，沥青膜从石料表面脱落( 剥离) ，沥青混合料掉粒、松散，继而形成沥青路面 的坑槽、推挤变形等的损坏现象。 由上知，沥青的剥落现象通常认为是动水压力的作用，但是需要一个前提， 就是水能够进入沥青和石料的界面中去。因此，假定新建路面中沥青与石料之间 的界面基本不存在缺陷，那么存在两种可能，一种是混合料内部的动水压力非常 大，破坏了材料之间的界面粘接，发生了水损坏；另一种是混合料无法承受行车 荷载的作用，材料内部出现了微裂纹，致使水进入后在动水压力的作用下产生了 损坏。因此，对于第二种情况，可知如果沥青混合料的骨架结构具有较好是强度 指标，那么这将大大减少发生水损害的几率。 耐疲劳性能是指沥青路面在反复荷载作用下抵抗破坏的能力。它是指由于沥 青混凝土在使用期间经受车轮荷载的反复作用下长期处于应力应变交迭变化，致 使路面的结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数以后，在荷载的作用 下路面内部应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面出现裂纹，从而产生疲 劳断裂破坏。疲劳性能和沥青混凝土本身的强度具有直接的关系，如果沥青混合 料的骨架结构能够提供较好的嵌挤能力，那么无疑该混合料就会具有优良的抗疲 劳性能使用表现。 抗老化性能即沥青混合料抵抗沥青路面受气候影响逐渐丧失粘结性等各种良 好性能的能力。 2 1 2 沥青混合料的设计方法和标准 一般认为，传统的沥青混合料设计方法主要有马歇尔法和维姆法两种。这里 主要介绍一下我国现行规范中采用的马歇尔试验方法，对维姆法不做介绍。其中 第二章沥青混台料粗集料召架结构设计方法 马歇尔试验设计方法原是美国密西西比州公路局工程师布鲁斯g 马歇尔提出来 的。它是二战期间美国工程兵( u s a c e ) 在进行机场沥青路面设计的方法的基础上 形成的一种方法。后经沥青协会( a i ) 的修订后，该方法在沥青混合料的设计上开 始广泛使用。由于该方法试验简单、快速，自4 0 年代以来，国际上沥青混合料多 采用马歇尔设计法进行设计。1 9 5 8 年被美国列入规范a s t md1 5 5 9 。到2 0 世纪 9 0 年代，马歇尔方法已被美国和海外许多公路部门采用。我国从1 9 7 0 年开始应 用至今，并纳入了有关规范。不过不同的国家和组织都对原有的马歇尔方法进 行了一些改进，进而形成了自己的马氏标准。我国现行规范中采用马歇尔方法是 在原马歇尔设计方法的基础上，补充了车辙试验，采用动稳定度指标控制沥青路 面的车辙。 马歌尔法”是基于经验的一种设计方法，它首先要求在实验室内通过每面击 宴7 5 次成形试件，该工作是由专门的马歇尔成型仪来完成的。马歇尔击实仪( 见 图21 ) 经过多年来不断改善，其中包括击实锤质量、击实高度、击实频率等参 数都不断趋于合理，从密实度的角度来看，试件成型质量得到了很大的提高。 图21 马歇尔击实仪图22 马歇尔试验仪 f i g u r e 2 1t h e i p s l n l r n e t l t o f m a r s h a l l f i g u r e 22 t h e i n s m l m e n t o f m a r s h a l lc o m p a c t i o n t e s t 将试件成型好后，对成形的试件采用马歇尔试验仪( 如图22 ) 进行试验， 测定空隙率以及饱和度( v f a ) ，然后将试样至于6 0 c 温度条件下测定马歇尔稳 定度( 即以固定的加载速率( 5 0 8 m m m i n ) 施加荷载的过程中所观察的最大值) 以及流值( 对应最大荷载时试件的变形) 。然后将以上所得到的各项指标绘成一系 列与沥青用量相关的曲线圈，这些曲线包括密度、空隙率、沥青饱和度、马歇尔 稳定度和流值与沥青用量的五条关系蓝线。其中上述的前三个指标被认为是沥青 混合料试件是几何参数，而后两个指标被认为是它的相应的力学参数。在得到以 第二章沥青混合料粗集料骨架结构设计方法 1 1 上五条曲线后，根据最大密度、4 空隙率、7 5 的沥青饱和度和最大马歇尔稳定度 所对应的4 个沥青用量的平均值确定最佳沥青用量。然后在将确定好的沥青用量 所对应的空隙率和沥青饱和度进行检验，看其是否在规范范围内，再检查马歇尔 稳定度是否大于规范规定的最小值，流值是否超过规定的最大值。表2 1 给出了 我国沥青混合料设计指标和技术标准。 表2 1 热拌沥青混合料