（道路与铁道工程专业论文）缓裂沥青混合料设计研究.pdf

摘要 开裂往往是沥青路面各种病害的开始，而裂缝的发展将直接影响路面的使用 性能。裂缝的产生不但破坏了路面的连续性、整体性及美观，而且会从裂缝中不 断渗入水分使基层甚至路基软化，导致路面承载能力下降，加速路面破坏。同时 纵向无限长的沥青面层开裂以后，其承载模式转化为有限尺寸板，承受重复车轮 荷载时，开裂后的路面可能折断成更小尺寸的板，并发生网裂。随着裂缝逐年加 宽，边缘折断破碎，使路面平整度降低，严重危及道路的使用寿命和质量。 为了减少沥青路面裂缝的产生以及减缓裂缝的发展，本文从沥青混合料的方 面进行了研究，主要是引进了目前在美国德克萨斯州研发的c a m 。本文首先应用 贝雷法系数对c a m 矿料级配进行了分析，然后在参考国内外研究的基础上，以灰 绿岩为骨料，采用壳牌新粤( 佛山) 沥青有限公司生产的高模量改性沥青为原料， 分别制作了矿料级配为c a m 、a c - 1 3 和s a m i 的改性沥青混合料。对上述沥青混合 料的高温稳定性、低温抗裂性能、及水稳定性进行了试验，对比研究了沥青混合 料的马歇尔稳定度、浸水马歇尔稳定度、动稳定度、劈裂强度等参数和低温性能 指标，c a m 除了抗滑性能有所降低，其它路用性能良好。同时，本文对c a m 进行 了弯曲试验，m t s 试验和抗反射裂缝试验，重点研究了该沥青混合料的抗裂性能， 并提出了初裂寿命、终裂寿命等指标来评价沥青混合料的抗反射裂缝的性能；与 a c - 1 3 相比，其抗裂性能提高了4 4 。 通过本研究，可达到c a m 混合料有较充分的认识，为c a m 的推广应用提供试 验依据，也为我国高等级公路沥青路面建设工程提供一种新的沥青混合料。 关键词：沥青路面；c a m ；抗裂性能；级配；反射裂缝；路用性能；贝雷法系数 a b s t r a c t a s p h a l tp a v e m e n tc r a c k i n gi st h eb e g i n n i n go fv a r i o u sd i s e a s e sa n dt h e d e v e l o p m e n to fc r a c k s i nt h er o a dw i l l d i r e c t l y a f f e c tt h eu s eo fp a v e m e n t p e r f o r m a n c e c r a c k si nt h er o a dn o to n l yh a v eu n d e r m i n e dt h ec o n t i n u i t y ，i n t e g r i t y a n da e s t h e t i c f e e l i n g ，b u t a l s ow i l li n f i l t r a t ew a t e rt os o f t s u b g r a d e e v e n r o a d b e d ，w h i c hr e s u l t si nt h er o a dc a r r y i n gc a p a c i t yd e c l i n ea n da c c e l e r a t e sr o a d d a m a g e a tt h es a m et i m e ，a f t e ri n f i n i t e l yl o n gp o r t r a i ta s p h a l ts u r f a c el a y e rc r a c k e d ， i t sb e a r i n gm o d e lt r a n s f o r m e di n t of i n i t e s i z ep a n e l s w h e nb e a r i n gc i r c u l a rw h e e l l o a d ，t h ec r a c k i n gp a v e m e n tm a yb eb r o k e ni n t os m a l l e rs i z ep a n e l s ，e v e nt a k ep l a c e n e t c r a e k w i t ht h ec r a c k sw i d e ny e a rb yy e a ra n dt h ee d g eb r o k e na n df r a c t u r e d ， w h i c hr e d u c et h es m o o t h n e s so ft h er o a d ，t h e yb a d l ye n d a n g e rt h el i f ea n d q u a l i t yo f t h er o a d i no r d e rt or e d u c et h ef o r m a t i o no fc r a c k si na s p h a l tp a v e m e n ta n dr e v i v et h e d e v e l o p m e n to fc r a c k s ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e sf r o mt h ea s p h a l tm i x t u r e ，m a i n l y i n t r o d u c t sc a m a s p h a l tm i x t u r ew i d e s p r e a du s ei n t e x a so ft h eu n i t e ds t a t e sa t p r e s e n t i nt h i sp a p e r ，f i r s t l ya p p l i c a t et h eb a i l e ym e t h o dc o e f f i c i e n tt oa n a l y z et h e g r a d eo fc a ma s p h a l tm i x t u r e t h e no nt h eb a s i so ft h er e f e r e n c ea th o m ea n da b r o a d ， m a k e sg l a u e u mr o c k sa sa g g r e g a t e ，a d o p t e ds h e l ln e w g u a n g d o n g ( f o s h a n ) c o ，l t d a s p h a l tp r o d u c t i o no fh i g hm o d u l u sm o d i f i e da s p h a l tf o rr a wm a t e r i a l s ，p r o d u c e dt h e m i n e r a la g g r e g a t ef o rc a m ，a c - 13a n ds a m im o d i f i e da s p h a l tm i x t u r e t h e r ea r e s o m et e s t so nh i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，l o w - t e m p e r a t u r ec r a c k i n gp e r f o r m a n c e ，a n d w a t e rs t a b i l i t yo ft h ef o r e n a m e da s p h a l tm i x t u r e ，ac o m p a r a t i v es t u d yo nt h ea s p h a l t m i x t u r es u c ha sm a r s h a l ls t a b i l i t y ，s o a k i n gm a r s h a l ls t a b i l i t y ，d y n a m i cs t a b i l i t y ， s t r e n g t hp a r a m e t e r s ，s p l i ta n dl o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，t h er o a d p e r f o r m a n c eo fc a ma s p h a l tm i x t u r ew i t h o u ts a c r i f i c i n g a tt h es a m et i m e ，b e n d i n g t e s t ，f a t i g u et e s ta n da n t i r e f l e e t i o nc r a c k st e s tw e r ed o n et oc a ma s p h a l tm i x t u r e ， f o c u s i n go nt h ea s p h a l tm i x t u r eo fc r a c kr e s i s t a n c ea n db r i n gf o r w a r di n d e x e ss u c ha s ac r a c ki ne a r l yl i f e ，l i f ee x p e c t a n c yf i n a l l yc r a c k e dt oe v a l u a t er e s i s tr e f l e c tc r a c k s p e r f o r m a n c ea b o u tt h ea s p h a l tm i x t u r em a t e r i a li nt h i sp a p e r c o m p a r e dt oa c 一13i t s a n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c ei m p r o v e d4 4p e r c e n t t h r o u g ht h i ss t u d y ，t h ec a m m i x t u r ew i l lh a v es u f f i c i e n ta w a r e n e s sa n dp r o v i d e t h ee x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h ep o p u l a r i z a t i o na p p l i c a t i o no ft h ec a m a s p h a l tm i x t u r e ， i i a sw e l la sp r o v i d ean e wa s p h a l tm i x t u r ef o rc h i n a sh i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n t c o n s t r u c t i o np r o je c t k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ：c a ma s p h a l tm i x t u r e ； c r a c kr e s i s t a n c e ； g r a d e ； r e f l e c t i v ec r a c k ；t h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e ； b a i l e y m e t h o dc o e f f i c i e n t i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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后果e h 本人承担。 作者签名鬃杏黟 日期彦矽多年月出 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。 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师躲岔 日期：夕彬年上月。日 日期：砂年歹移日 锣v 土坦。、悸 1 1 问题提出及研究意义 第一章绪论 改革开放的2 0 多年以来，经济的飞速发展、人民生活水平的不断提高，是我 国公路历史上交通发展速度最快、最具活力的时期。从以9 0 年代初沈大高速公路 和京津塘高速公路建成成为标志的中国高速公路开始腾飞，到如今五纵七横国道 主骨架的初步形成，大量高速公路沥青路面的修建标志着我国在这一领域己经取 得了辉煌的成就，我国公路建设事业取得了长足的发展。到2 0 0 5 年底，我国高速 公路通车总里程达到4 1 万公里，有1 4 个省区高速公路里程突破1 0 0 0 公里；到 2 0 0 7 年底，我国高速公路总里程已达到5 3 万公里，国家高速公路网骨架基本 形成。然而这些道路多为2 0 世纪8 0 ，9 0 年代修建，一方面，由于受当时设计水 平、施工工艺、材料、资金、气候等诸多因素的影响。另一方面，随着国民经济 的快速发展，交通量剧增，汽车轴载日益重型化，超载现象时有发生，导致路面 过早损坏、使用品质和效率日益下降，造成路面平整度差，行车颠簸，噪音大， 严重影响了道路正常的使用功能及行车安全。 目前国内许多水泥混凝土路面已产生了各种病害，如：断板、破碎、错台、 卿浆等严重影响了路面的使用性能，甚至造成了严重的交通事故，极大地制约、 限制了我国经济的进一步发展。所以可以预计今后一段时期，我国公路建设的大 部分工作将转移到道路的维修、改造及养护，提高路面的使用品质和效率，追求 路面行车平稳、舒适、噪音低，减少对环境和生态的影响和耐久性等方面。尤其 是对于水泥混凝土路面后期的养护、维修工作，使其满足运输的要求就显得尤其 重要。在水泥混凝土路面大修工程中，大多采用三种措施：加铺沥青混凝土面层、 加铺新水泥混凝土面层和翻修心1 。 相对于加铺新水泥混凝土面层，沥青混合料加铺层能有效地改善旧水泥面板 的使用性能，可充分利用旧水泥路面的残余强度且造价低，施工期短，对交通、 环境影响小，因此在国内外旧水泥混凝土路面改造工程应用最多。然而沥青加铺 层中迅速发展的反射裂缝是这一路面结构的最大问题，即由于行车荷载、温度荷 载及其复合疲劳应力作用引起的沥青加铺层反射裂缝是其致命缺陷。在沥青加铺 层中迅速发展的反射裂缝必将影响加铺层的使用寿命。因此在旧水泥路面采用 “黑色刀罩面时，如何抑制、延缓反射裂缝在沥青面层中的产生和扩展至今仍是 旧路加铺沥青层要解决的一个关键技术。 另外，沥青路面作为一种无接缝的连续式路面，以其足够的力学强度、对行 车荷载的良好承受能力、行车平稳低噪音、不扬尘、维修养护简单且实现机械化 施工等特点在现代高等级公路中占有很大比例。据统计在我国已建成的高等级公 路中，9 0 左右采用的是沥青混凝土路面。但是随着高速公路网的形成和交通量 与日俱增，且超限超载车的比例增加较快，沥青路面的病害也日趋严重。主要表 现在半刚性材料由于脆性和对温度、湿度的敏感性，在形成和使用过程中会因温 度与湿度的变化产生温缩、干缩裂缝，当沥青面层较薄时往往会扩展到面层形成 反射裂缝阳1 。因此，普通沥青及传统的施工方法己不能满足沥青路面高强、稳定、 安全、耐久的性能要求，改性沥青的使用已成为提高沥青和沥青混合料性能的主 要手段，使沥青路面在大交通量作用下，仍能保持良好的使用状态，并延长使用 寿命。 目前，世界各国提出了许多改进路面性能的设计方法n 1 ，其中美国s u p e r p a v e 为代表的密级配混合料设计方法和德国s m a 为代表的开级配混合料设计方法设 计的“高性能沥青混合料 ，其特点是：抵抗车辙的能力强，有良好的密实性， 基本上不透水，抗滑能力强，施工工艺与普通沥青混凝土相同，投资与普通沥青 混凝土相差无几，有着广泛的运用前景。但是美国s u p e r p a v e 没有考虑到防止反 射裂缝的问题，它提高了抗车辙的能力，却是以降低防反射裂缝性能为代价。既 能满足高温稳定性能，又能防止原有路面裂缝反射问题的沥青混合料，除了美国 的德克萨斯州做过一些研究外，国内还没有进行过系统的研究。但是美国的德克 萨斯州所研究的沥青混合料是根据美国的地质、气候、交通量以及石料提出的， 所得到的技术指标是否适合中国的情况，还值得研究。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国内外沥青路面防反射裂缝的研究概况 二十世纪六十年代起国外开展了防治沥青加铺层中反射裂缝的研究。西欧和 美国的大部分高等级公路网在六七十年代建成，八十年代以后，开始进行翻修与 改造，在旧路改造方案中，各国在旧路上加铺沥青混凝土面层结构方面进行了尝 试。美国率先在该领域进行了全方位的研究，包括沥青加铺层结构设计理论、旧 路处治技术、施工机械、设置防裂夹层、加铺层材料等方面。例如：在明尼苏达 州和密苏里州开始制定应用于高速公路改造的防反射裂缝沥青砂混合料技术规范 与标准。在旧路处治技术与施工机械方面，十多年前，南非等国家研究了冲击压 实( 蓝派) 、打裂压稳、碎石化等技术，并开发了相应的机械设备阳1 。为防止及减少 沥青加铺层反射裂缝，国内外进行了大量的试验路研究及理论分析，如美国联邦 公路局( f h w a ) 于19 7 0 年提出了一个减少沥青加铺层反射裂缝的庞大研究计划 k e e p - 1 0 ，该研究计划包括几个方面的研究内容哺一1 ：加铺层厚度、沥青的稠度、 沥青混合料中的外掺剂、加铺前对原来路面的处理及应力消解层等。1 9 8 8 年美国 沥青协会对减少反射裂缝行之有效的三种方法进行了总结：在加铺前对断裂的水 2 泥混凝土路蕊板进行稳固、对沥青混凝加铺层锯缝和填缝及沥青混合料铃掺橡 胶粉哺 。国内长安大学、同济大学、东南大学、长沙理工大学等高校及些科研 单位从2 0 世纪8 0 年代开始也相继开展了这方面的研究，并结合实体工程铺筑了 大量的加铺层试验路疆j j q h3 。 对于旧水泥混凝土柔性加镶丽言情况复杂多变，抗反射裂缝措施形式多样， 国内外道路工程界对防止或减缓旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝的措施仍 在试验及探索过程中，迄今为止采用的主要方法有以下几种：增加沥青层厚度。 设置级配碎石或开级配沥青碎石裂缝缓解层n 。在沥青翔铺层与水泥混凝土 路面板间设置土工布、土工格栅、改性沥青油毛毡、钢丝网或改性( 橡胶) 沥青应 力吸收薄膜( s a m i ) 等防裂夹层n 仉_ 3 j 钉。在沥青加铺层上，对应的旧水泥混凝 土面层的横缝位置锯切横缝。破碎板冲击压实珏引。这些措施对防止或减缓反射 裂缝均具有一定的效果。 针对旧水泥混凝土路沥青加铺结构，囡内外研究结果表明n 毛1 乱”1 水泥混凝土 路面加铺沥青路面，旧路面板的强度一般能够满足结构方面的要求，关键是如何 防止反射裂缝，根据国外的咒种加铺设计法，增加加铺层厚度可以降低弯沉量， 每l e m 厚密级配沥青罩面层约降低2 弯沉，一般沥青加铺层的厚度为1 - 1 0 e m ，较 薄的加铺层对防止反射裂缝无明显效果，但较厚的加铺层造成投资巨大。如为降 低弯沉而采用较厚的加铺层显然不经济；另外一种技术改造方法，即先破碎所有 l 墨混凝土路面，在其上面加铺二灰稳定碎荔作为基层，再铺沥青调平层或稀浆封 层，然后再加铺沥青混凝土面层n ，但破碎层的级配特性及稳定性难以把握，尤 其对于水泥面板破裂尺寸，并且设备昂贵，工程造价高，其应力应变特性与般 的弹性层状体系有较大的差别，此种方法缺陷还在于没有充分利用旧水泥路的剩 余强度；应力吸收薄膜夹层( s a m l ) 采用薄层改性沥青或沥青橡胶底层其上撒布 裹着粘结料的碎石，可以一定程度延缓裂缝的产生，1 9 9 0 年德国不来梅市与海尔 布隆市铺筑了试验路，研究结果表明：此加铺方案只能适用予接缝竖向相对位移 量小于0 0 6 m m 的路段上。 在国内使用较广的方法是在沥青加铺层和旧水泥混凝土路面闻添加一层夹 层。按夹层用途可分为两类：应力吸收类和加筋类n 引。铺设玻纤格栅虽然具有消 散应力，阻止反射裂缝出现的能力，但实际效果并不理想，相反玻纤格栅铺装时， 其变形受温度变化的影响波动较大，给施王带来诸多不便。铺设土工布，对予消 散沥青混凝土加铺层中的温度应力，即加铺层底的拉应力起到一定的作用，但对 于裂缝两侧相邻板块产生竖向位移差而出现的较大剪切应力，土工布也很难起到 延缓反射裂缝产生的效果，加铺改性沥青油毡，其变形能力对于消散水平方向的 应力和传递竖向荷载的能力起到一定的作用，能延缓反射裂缝的产生，但随着时 间的推移，油毡与加铺层、旧水泥混凝土路面之间粘附性下降，受荷载作用后， 3 导致各层之间产生相对滑移，而油毡的老化变形也是其性能下降的一个因素。如 果水泥混凝土路面错台较严重，铺此类土工材料，也会由于材料受力不均造成沥 青路面的反射裂缝出现；不适合在交通繁忙路段施工，车辆的通行会造成此材料 的破坏：土工合成材料摊铺不平整，会造成沥青混合料压实度不足。在旧水泥混 凝土加铺一层薄防反射裂缝应力吸收层，能有效地延缓反射裂缝的产生，既能保 护原有路面结构，加快施工速度，又可以提供安全、平坦、舒适的行车道路，而 且可以延长道路使用寿命从而节约资金投入。 就路面结构的力学分析方法而言，目前对静荷载作用下的旧水泥路加铺结构 主要有三类力学分析方法：静力学分析法，有限元分析方法和断裂力学方法。其 中断裂力学理论与方法基于结构内部存在裂缝，在沥青路面工程中的应用，大约 开始于2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初，至今为止，依次经历了线弹性断裂力学、 疲劳断裂力学、粘弹性断裂力学等应用发展阶段n 引。静力学分析法的理论基础为 弹性理论，这种方法易于掌握，较容易形成设计方法。但静力学分析方法采用了 很多假设，许多实际的边界条件无法考虑，影响了计算结果的精确性。其代表方 法为美国的a r e 法( a u s t i nr e s e a r c he n g i n e e r s ) 按照断裂力学及疲劳断裂力学的 观点，可以认为沥青加铺层的破坏是由于旧水泥混凝土路面裂缝或接缝这种原始 缺陷的存在，引起沥青加铺层的应力集中与内部损伤，当这种应力集中与损伤累 积超过材料与结构抵抗破坏的容许值时，就造成沥青加铺层裂缝的发展，并导致 路面结构的破坏。断裂力学法较深刻地揭示了反射裂缝的产生机理，但由于断裂 力学求解的多为平面应力应变问题，且材料的各断裂参数难以确定，对于受行车 与温度荷载共同作用下的含应力吸收夹层三维加铺层路面结构体，要求得到一个 适用的解析式有较大的难度。目前国外一些学者，如m a j i d z a d e h k 心们提出了通过 线弹性断裂力学对沥青路面的疲劳损伤过程进行描述。国内张起森、郑健龙、周 志刚等人【2 l j 己把断裂力学应用于路面裂缝的计算。 1 2 2 沥青混合料的抗裂性能研究 在沥青混合料路面设计中需要考虑四种类型的裂缝心引：疲劳开裂( 自下而上) 、 自上而下的裂缝、低温开裂、反射裂缝。在中国南部，低温开裂和自上而下开裂 相对于疲劳裂缝和反射裂缝而言都是次要问题。因此，这里只详细讨论防止疲劳 裂缝和反射裂缝的沥青混合料。 1 抗疲劳开裂 沥青混合料抗疲劳能力是指试件在弯曲多次反复荷载下无断裂。相当多的研 究一直致力于沥青混合料疲劳表征指标。针对重复加载通常界定的关系如方程 1 1 ： 4 ，州* 分 式中：“，沥青混合料的疲劳寿命 白临界荷载下沥青层产生的拉伸应变 ) m 打沥青混合料的劲度模量 一3 试验确定常数 连续级配沥青混合料，有两大因素影响疲劳性能：沥青含量和压实度，作为 衡量的疲劳反应的内容。疲劳反应与沥青层底部的拉伸应变成正比，且随路面温 度和负荷大小变化。因此，有必要使用一个累积损伤的概念。一个合理的假设是 线性求和负荷循环使用比率迈纳假说，如方程1 2 所示： 争旦1 智f ( 1 2 ) 式中：一定应变水平实际行车荷载作用次数 m 达到破坏时应变水平行车荷载所需要的作用次数 自5 0 年代以来，在实验室里公路研究者作了很多研究工作来表征沥青混合物 疲劳反应的各种指标。s h r p 试验期间，经过综合比较弯曲梁疲劳试验，弯曲试 验悬臂和反复劈裂试验，m o n i s m i t h 和他的研究者们选用弯曲梁疲劳试验表征沥 青混合料的疲劳性能心3 一毛25 矧。s h r p 试验完成后，m o n i s m i t h 及他的合作伙伴继续 进行了弯曲梁疲劳试验，主要研究高温下沥青混合料疲劳性能。他们在w e i b u l l 比例风险模型的基础上研制了疲劳裂纹递归模型，以及根据目前n c h r p9 3 8 项目 来研究h m a 混合物是否存在一个耐力疲劳极限。耐力疲劳极限是指沥青混合料 在一定的交通量下达到规定应变水平时能承受多少次的重复荷载。耐力疲劳极限 是永久路面设计的一个重要概念。 迄今为止，各国还没有将疲劳试验作为标准试验方法纳入规范。北美大多数 采用梁式试件的反复弯曲疲劳试验；欧洲大多数采用悬臂梯形梁试件，在其端部 施加正弦反复荷载；也有采用圆柱体试件进行间接拉伸疲劳试验的。三分点加载 小梁弯曲疲劳试验设备包括美国加州理工大学伯克莱分校和沥青协会使用的两种 2 7 , 2 8 】。前者采用的试件尺寸为3 8 1 m m x 3 8 1 m m x 3 8 1 m m ，后者采用的试件尺寸为 美国公路战略研究计划( s h r p ) 提出的压实沥青混合料重复弯曲疲劳寿命测定的 标准试验方法( s h r p m 0 0 9 ) ，试件尺寸为5 0 o m m x 6 3 5 m m x 3 8 1 m m ，试验温度 为2 0 ，加载频率为5 h z 1 0 h z ，采用应变控制模式测定试件劲度降低到初始值 的5 0 的荷载循环次数。荷兰阿姆斯特丹的壳牌实验室采用中点加载小梁弯曲疲 劳试验，试件尺寸为3 0 m m x 4 0 m m x 2 3 0 m m ，试验在应变控制下进行。英国诺丁汉 大学采用一种旋转的悬臂梁设备，实验时试件竖向安装在悬臂轴上，荷载作用于 试件顶部，从而整个试件都受到恒定的弯曲应力作用。大部分试验在1 0 和 5 10 0 0 r m i n 速度下进行。诺丁汉大学还开发了三轴疲劳试验，其试件为圆柱体，直 径l0 0 m m ，高2 0 0 m m ，试验时施加轴向正弦波荷载作用。壳牌比利时的研究者 和法国l c p c 采用梯形梁疲劳试验。梁粗的一端固定，另一端受到正弦变化的应 力或应变的作用。如果梁的尺寸合理，破坏将产生在试件的中部而不是端部。 w v a nd i j k 采用的试件粗端尺寸为5 5 m m x 2 0 m m ，顶端尺寸为2 0 m m x 2 0 m m ，高 度为2 5 0 m m 。英国道路与运输研究所( t r r l ) 旺9 3 0 3 采用无反向应力的单轴拉伸 试验，加载频率2 5 h z ，荷载持续时间为4 0 m s ，间歇时间从o 1 s 不等。间接拉伸 疲劳试验是沿圆柱体试件的垂直径向作用面作用的重复压缩荷载，这种加载方式 在沿垂直径向面、垂直于荷载作用方向产生均匀拉伸应力，试验易于操作，为广 大研究人员所采用。试件采用马歇尔试件，直径1 0 0 m m ，高度6 3 5 m m ，荷载通 过一宽1 2 5 m m 的加载条作用在试件上。我国哈尔滨建筑大学则利用圆柱体试件 进行了间接拉伸试验，温度1 5 ，频率1 0 h z ，按照能量理论研究了沥青混合料 的疲劳性能，用劈裂蠕变试验建立了疲劳特性的预估模型。 2 抗反射裂缝2 3 4 1 同疲劳开裂相比，几乎没有反射裂缝方面的研究。但是这个问题对于罩面 h m a 性能是至关重要的。与新的柔性路面应用对比，沥青面层相对较薄，而且 常铺在已经破坏的路面结构上。罩面h m a 设计的过程必须考虑表面车辙和反射 裂缝。抗车辙，加强层中的弹性模量是可取的。事实上，在大多数设计方案都是 用它改善抗车辙。然而，同样的设计方案却减少抵抗反射裂缝的性能。对于保证 沥青路面面层的良好路用性能必须发展一种兼顾车辙及抗反射裂缝要求的沥青混 合料设计方法。 自七十年代末开始，道路研究者用o v e r l a yt e s t e r 评价抗反射裂缝沥青混凝土。 最近，周斯库林提升o v e r l a yt e s t e r 系统，并建立了初步的联邦的抗反射裂缝沥青 混合物合格、不合格准则。其标准为沥青混合料试件达到破坏时或者失效时， o v e r l a yt e s t e r 的循环次数应大于2 0 0 ，小于2 0 0 为不合格。该系统的特点是反映 了断裂韧性和裂纹扩展，是一种简单的，高速性评价反射裂缝的试验，可以作为 例行沥青混合料设计检验试验。最近研究的o v e r l a yt e s t e r 已成功地在休斯敦亚特 兰大、沃斯堡、威奇托福尔斯地区应用于沥青铺装设计。总之，在研究疲劳裂纹 扩展阻力取得了重大的发展。弯曲疲劳试验和预应力的疲劳试验，已被用来描述 h m a 混合物的疲劳性能。 在佛罗里达州，强度测试和消退蠕变能的概念是用来评估自上而下开裂的。 在理论上，消退的蠕变能可能是与断裂韧性有关。反射裂缝，t t i 发展了o v e r l a y t e s t e r 以及初步建立了通过或者失败的标准。对比其它试验，o v e r l a yt e s t e r 是一个 根本的、快速的、简单的性能相关测试，它表征的是断裂韧性( 第一周期) 和裂 纹( 以下的循环) 。性能差的h m a 很容易鉴别，因为他们往往不能通过一个相对 6 较小的负载周期。因此，o v e r l a yt e s t e r 来表征抗裂这一指标。还应该指出，疲劳 裂缝和反射裂缝也与路面结构厚度相关。在h m a 设计时有必要把两者与结构设 计厚度一起考虑，以获取沥青混合料罩面的最佳沥青路面结构，在实践中将充分 发挥其路用性能。 1 2 3 国内外c a m 研究 c a m 源于美国的德克萨斯州n5 3 们，其全称为“c r a c ka t t e n u a t i n gm i x e s ， 中文为抗裂沥青混合料。这种混合料既能防治车辙，又能防治反射裂缝。这种沥 青混合料的出现对h m a 混合料将产生重大的影响。这种混合料主要是通过两个 试验来进行检验：一个是反映抗车辙性能的试验h a m b u r gw h e e l ；另外一个试 验是反映抗裂缝性能的试验o v e r l a yt e s t e r 。在4 0 年前就有人提出了o v e r l a y t e s t e r 这一概念，早期用于欧洲和美国的德克萨斯州a & m ，在2 0 世纪8 0 年代， 道路工作者用其研究沥青面层的层间粘结强度和沥青路面的结构来防治反射裂 缝。近代作为n c h r p 的评估模型，而2 0 0 1 年德克萨斯州用其来作为沥青混合 料设计的工具。o v e r l a yt e s t e r 的仪器与以前的相比，软件和硬件都得到了更新， 整个试验的过程都在电脑的控制下完成。目前，根据已建沥青路面的成功经验， 德克萨斯州交通研究所与联邦高速公路管理局建立了专题项目对其进行了研究， 于2 0 0 6 年编写了关于抗裂沥青混合料的研究报告。该报告阐述了德克萨斯州常用 的1 1 种沥青混合料进行了抗裂性和抗车辙研究结果，确定了各种沥青混合料的最 佳沥青用量和可变动的范围。同时，它描述了不同的级配，沥青混合料，沥青结 合料对抗裂性能的影响。 目前国内主要是通过设置应力吸收层，提高基层的抗裂能力来防治沥青路面 开裂，在设计防治裂缝的沥青混合料方面还没有系统的研究，也没有相关的规范 和试验规程。 1 3 主要研究内容及思路 1 3 1 主要研究内容 c a m 是一种新型的沥青混合料，属于嵌挤密实结构。为了更进一步探讨该混 合料的组成以及其路用性能，本文在国内外现有的对c a m 研究的基础上，借鉴 最新的研究方法，对的c a m 特点、材料设计和路用性能进行深入研究。本文拟 采用一种沥青( 高模量改性沥青) 与其它三种种矿料级配( a c 1 3 ( 1 ) 、a c 1 3 ( 2 ) 和s a m i ) ，另外的参考德克萨斯州沥青混合料抗裂研究的结果确定) 分析研究， 探索矿料级配对c a m 路用性能的影响。具体内容如下： ( 1 ) c a m 混合料配合比设计方法研究。 7 本文借鉴美国德克萨斯州对其本地的1 1 种沥青混合料的抗裂性研究，分析其 满足高温稳定性的前提下，能够很好的防治反射裂缝的沥青混合料的集料级配。 再通过分析对比我国目前的常用的沥青混合料，确定c a m 的级配，体积参数。 由于现行规范对此类材料沥青用量无明确规定，此处也借鉴美国德克萨斯州防反 裂缝沥青混合料试验、以及我国部分地区试验路一些内容和经验，确定用于路用 性能测试的最佳沥青用量。 ( 2 ) c a m 路用性能研究。 评价低温抗裂性能 低温弯曲破坏试验是国内外较常用的评价沥青混合料低温抗裂性方法，采用 破坏时的抗弯拉强度来评价低温抗裂性能。 c a m 抗拉压疲劳性能 路面上c a m 基本上处于水平弯拉和竖直剪切应力的交错复合作用，采用普 通的矩形弯拉试验很难达到预期效果，本文将在疲劳试验方案方面进行探索，选 择m t s 疲劳试验评价其抗疲劳特性，并分析沥青结合料、矿料级配对疲劳特性 的影响。 c a m 抗裂特点与抗裂机理分析 采用抗反射裂缝仪对c a m 进行反射裂缝模拟试验，研究其抗裂性，分析c a m 反射裂缝的发生、扩展规律分析；并结合c a m 的变形性、拉伸性、疲劳性、密 实性研究其抗裂机理。 评价车辙性能和水稳定性能 本论文主要采用车辙试验检验其抗车辙的能力，以及采用浸水马歇尔试验残 留稳定度和冻融劈裂试验劈裂强度比双指标评价其水稳定性能。 其中和作为本研究的重点。 ( 3 ) 沥青混合料疲劳对比试验研究。 在室内可控条件下采用m t s 进行c a m 和目前国内几种典型沥青混合料疲劳 破坏的对比试验。采用中荷载和偏荷载模式，以模拟沥青混合料荷载型及温度型 反射裂缝的产生、发展过程，评价各类型沥青混合料阻裂效果。由此判断c a m 在抗裂方面是否最优。 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 国内外c a m 、应力吸收层等防裂应用研究。 此部分主要通过查阅相关文献和搜索网上资源，获取相关资料，旨在参考国 内外己建c a m 的沥青路面，以及设置应力吸收层路面取得的成功经验。 ( 2 ) 进行沥青混合料原材料试验。 ( 3 ) 进行配合比的设计。 8 参考美国德克萨斯州c a m 的级配，设计本文研究混合料的级配，通过马歇 尔击实试验确定的最佳沥青用量，然后通过车辙试验和沥青混合料的抗裂试验来 检验在此沥青用量下其高温稳定性和抗裂性是否最优。 ( 4 ) 进行几种沥青混合料的抗裂对比试验。 通过对c a m 和国内几种常用的沥青混合料( a c 1 3 ，s a m i 等) 进行抗裂试 验，然后对其结果进行对比，判断设计的沥青混合料是否在抗裂方面比其它几种 混合料更有优势。 ( 5 ) 对设计的沥青混合料的进行常规的性能试验。 9 第二章c a m 级配的提出与分析 结构决定性能，沥青混合料是由沥青、矿料和空隙组成的二相体，沥青混合 料的使用性能决定于沥青品质及用量、矿料品质及级配。大量研究和调查证实， 沥青用量和品质是影响沥青混合料抗裂性能的重要因素。但矿料和矿料级配是沥 青混合料的骨架，是容纳和附着沥青的基础，影响着沥青用量以及沥青在混合料 中的作用。不同矿料级配所形成的沥青混合料的收缩性质和应力松弛能力大不相 同，所以对道路沥青混合料的设计不能仅从改善沥青的品质出发，矿料级配的选 择也很重要。同时矿料级配也是平衡沥青混合料低温性能的重要因素。 本章首先介绍c a m 的级配，级配的设计方法，然后对c a m 的级配进行了检 验，最后就级配对沥青混合料抗裂性的影响进行了分析。 2 1c a m 级配的特点 c a m 是一种新型的沥青混合料，属于嵌挤密实结构。本文根据美国德克萨斯 州新制定的c a m 级配的范围，参考美国德克萨斯州沥青混合料抗裂研究的结果 以及在美国实体工程确定的最佳级配如表2 1 。 表2 1c a m 沥青混合料矿料的级配范围及合成级配表 通过方孔筛( m m ) 的质量百分率( ) 混合料类型 1 61 3 29 54 7 52 3 6o 6o 3o 1 50 0 7 5 c a m 级配 1 0 0 9 9 89 1 8 7 2 5 42 6 31 4 18 6 4 4 c a m 级配范围 1 0 09 5 - 1 0 08 5 9 57 0 8 55 0 7 02 5 3 01 0 2 04 1 03 6 为使粗集料形成嵌挤，粗集料用量是根据粗集料的松装密度与干捣密度的体 积特性确定的。根据山东科研所的研究n 9 1 ，认为“应在松装密度开始，最大不超 过松装密度与干捣密度的平均值刀。而细集料的选择“则从干捣密度开始，最小 不超过干捣密度与松装密度的平均值 。不仅如此，嵌挤密实型级配的共同点是： 细集料的用量应根据粗集料形成的空隙来决定，并依次推广到更细的集料。因此， 这种级配被称作多级嵌挤密实型级配。由于该法对各级集料用量都有严格规定， 故抗车辙、抗渗水的性能都好。与规范中的i 型沥青混合料级配相比，粗集料含量 相对减少，细集料含量相对增加。根据上述原则，c a m 级配范围要求粗集料中的 偏粗的部分及细集料较小部分均适当减少，而粗集料的较小部分及细集料中的粗 颗粒部分适当增加。这样调整的范围既考虑了i 型密级配沥青混合料的致密密水的 优点，空隙率减小，又可使构造深度比i 型密级配沥青混合料大的多。施工设计级 配要根据矿料的松装密度与干捣密度的体积特性等材料的特性来确定。 1 0 按照美国联邦公路管理局( f h w a ) 和国家沥青路面管理局( n a p a ) n 们以及 我国施工规范中给出了粗、细级配混合料划分标准( 见表2 2 ) ，我们试验的c a m 属于细型沥青混合料。 表2 2 细、粗密级配混合料划分 混合料最大公称直径粗级配细级配 3 7 5 r a m 4 7 5 筛孔通过率 3 5 2 5 m m ( 2 6 5 + ) 4 7 5 筛孔通过率 4 0 1 9 r a m 2 3 6 筛孔通过率 3 5 1 6 m m 2 3 6 筛孔通过率 3 8 1 2 5 m m ( 1 3 2 ) 2 3 6 筛孔通过率 4 0 9 5 m m 2 3 6 筛孔通过率 4 5 注：为我国类型，表中数据系内插得到 为了对比研究，本研究同时也选择a c 1 3 、s a m i 三种级配与之进行后面章 节的试验。现将我国常用的a c 13 ，s a m i 的级配范围与c a m 的级配范围( 如表 2 3 ) 进行对比，以进一步研究c a m 级配的特点。 表2 3 c a m 、a c - 1 3 ( 1 ) 、a c - 1 3 ( 2 ) 、s a m i 级配范围表 通过方孔筛( m m ) 的质量百分率( ) 混合料类型 1 61 3 29 54 7 52 3 6o 6o 30 1 50 0 7 5 c a m 级配上限 l o o1 0 09 58 5 o7 03 02 01 06 c a m 级配下限 l o o 9 58 57 0 5 02 51 043 a c 1 3 级配上限 1 0 01 0 08 56 85 02 82 01 58 a c 1 3 级配下限 1 0 09 06 83 82 4l o754 s a m i 级配上限 1 0 01 0 01 0 01 0 08 55 53 52 01 4 s a m i 级配下限 1 0 0 1 0 0 1 0 08 06 02 51 586 从图2 1 可以看出，c a m 级配的绝大部分区域都不在a c 1 3 、s a m i 的级配范 围之内，而是处于这两种级配区间的中间部分，其上限有一小部分位于s a m i 的范 围之内，而下限则有极小一部分位于a c 1 3 的级配范围里面，在我国现行的规范 里面，这是属于一个空白区域。c a m 采用这个区域作为级配范围，其各方面的性 能如何，在下面的章节将进行阐述。 勿 广一一歹乡乡刀 1 0 0 9 0 妒户 8 0 7夕 ， 7 。 r u + c a m 上限 ， 。 f 6 0+ c a m 下限 。 5 0 + a c 1 31 - 限 、勿 y + a c 1 3 下限 4 0+ s l i m 上限 ， 乡| f 一s l i a i 下限 u v 么乡l 2 0 。 ， 多r 一一铉 】r ：一 ，7 工一一 _ - _ 一1 1 0 1r r r v 0 0 7 5 0 1 50 30 62 3 64 7 59 51 3 21 6 图2 1c a m 、a c - 1 3 ( 1 ) 、s a m i 级配曲线图 2 2 级配设计方法一贝雷法简介 2 2 1 综述及原理 早在2 0 世纪初期，人们就已经认识到体积参数对沥青混合料路用性能的重要 影响。根据最大密实原则确定混合料级配，控制矿料间隙率v m a ，空隙率y y 、 沥青饱和度v f a 等体积参数，以适宜的方法确定最佳用量，是近百年来密级配沥 青混合料组成设计的核心与精髓口 。在众多设计方法中