（道路与铁道工程专业论文）冷拌冷铺沥青混合料在路面修补中的应用研究.pdfVIP

摘要 本文根据冷拌冷铺沥青混合料的技术特点，首先分析了冷拌冷铺混合料的沥青材料 分类、组分分析及技术性能，在此基础上分析了它的组成结构，并研究了它的强度成型 机理及试验分析。在冷拌冷铺混合料设计方法研究中研究了矿料级配的确定、溶剂的剂 量、最佳沥青的用量及配合比设计程序。在应用研究中对使用方法和应用前景进行分析， 并提出了进一步研究的建议。 关键词：冷拌冷铺沥青混合料强度机理配合比设计经济效益 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o l dm i xc o l d - l a i db i t u m i n o u s ( c m c l ) m i x t u r e ，t h i sa r t i c l e f i r s th a s a n a l y z e d m a t e r i a l c l a s s i f i c a t i o n ，t h ec o m p o n e n t a n a l y s i sa n dt h et e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h ec o l dm i xc o l d p a t c hm i x t u r eb i t u m i n o u s ，o nt h e b a s eo fw h i c hi th a sa n a l y z e dt h ec o m p o s i t i o ns t r u c t u r e ，i t si n t e n s i t yf o r m a t i o nm e c h a n i s m a n dt h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h em i n e r a la g g r e g a t eg r a d a t i o n d e t e r m i n a t i o n ，t h es o l v e n td o s a g e ，t h eb e s ta s p h a l ta m o u n tu s e da n dt h em i x t u r er a t i od e s i g n p r o c e d u r ei nt h ec o l dm i xc o l d p a t c hm i x t u r ed e s i g nm e t h o d r e s e a r c h t h i sp a p e ra l s oca r r i e s o nt h ea n a l y s i si nt h ea p p l i e dr e s e a r c ht ot h ea p p l i c a t i o nm e t h o da n dt h ea p p l i c a t i o np r o s p e c t ， a n dp r o p o s e df u r t h e rs t u d i e ss u g g e s t i o n k e yw o r d s ：c m c li n t e n s i t ym e c h a n i s m m i xd e s i g ne c o n o m i cr e s u l t s 长安大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 近年我国公路建设实现了跨越式发展，“十五 期间全社会公路建设累计完成投资 1 9 8 万亿元，年均增长1 8 7 。进入“十一五 后，公路建设投资继续保持较高水 平，2 0 0 6 年完成投资6 2 3 1 亿元，2 0 0 7 年累计完成投资6 6 0 0 亿元。截至2 0 0 6 年底，全 国公路总里程达到3 4 5 7 万公里，路网密度达3 6 公里百平方公里，路网结构逐步完 善，公路通达深度明显提高，至2 0 0 7 年底全国高速公路通车总里程预计达到5 3 万公 里，公路建设正由规模扩张型向规模与质量效益并重型转变。 路面是高等级公路的重要组成部分，路面相对于路基而言虽然只是薄薄的一层，但 其工程造价却占到了公路工程总造价的3 0 左右。路面是道路直接与行车荷载接触的 “界面，其工程质量具有重要的意义。截至2 0 0 8 年底，全国公路总里程达1 9 9 5 万公 里( 不含村道) ，高速公路达6 0 3 万公里。在已建成的高速公路中，约有7 5 采用了沥青 混凝土路面。 然而，因沥青面层老化、基层反射裂缝、雨雪侵蚀和上下面层( 或面层与基层) 结 合不好等一系列原因，在行车荷载的作用下，行车道经常出现一些松散、坑槽等病害。 北方地区每年5 月至9 月间，因气温较高，对于松散及坑槽等病害，养护单位可以随时 采用热拌沥青混合料进行修补恢复路况，防止病害进一步发展；而每年1 0 月至次年4 月，由于气温较低，热拌沥青混合料使用困难，致使损坏的路面得不到及时的修补，雨 水、雪水不断下渗会造成基层、路基含水量过大，冬季出现严重的不均匀冻胀，春融期 出现翻浆等严重的病害，使得路面结构松散，承载力能力下降。此外，坑槽引起行车颠 簸，振动产生的冲击荷载( 为正常荷载的1 5 2 0 倍) 致使松散、坑槽很快就连成一片， 局部路段大面积损坏，直接影响行车的安全和舒适性以及道路的使用寿命。若等到来年 4 月以后修补，不仅需要投入更大的人力、物力、财力，而且路面结构已从根本上受到 损害，其强度和刚度将难以恢复。为了解决冬季沥青路面养护这一问题，对储存式冷拌 冷铺沥青混合料( 以下简称冷拌冷铺沥青混合料) 进行研究是非常必要的。 冬季采用冷拌冷铺沥青混合料进行修补，不仅可以改善路面的使用性能，还可以延 长其使用寿命。及时的养护工作还可以减少来年的养护任务和养护费用，而且，由于冷 拌冷铺沥青混合料具有对环境污染小、施工简便等优点，以及其特有的工作性，对其进 行研究具有十分重要的现实意义。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 在国外，早于二、三十年代前苏联和美国便开始了冷拌冷铺沥青混合料的研究与应 用，日本、欧洲对冷拌冷铺沥青混合料进行了深入的研究。前苏联的研究指出冷拌冷铺 沥青混合料与热铺沥青混合料的根本区别在于，为了保证获得必要的强度、耐水性、耐 热性和耐冻性，在冷拌冷铺沥青混合料中加入了适量的液体沥青，因此在矿料级配中应 适当的矿粉含量，即小于0 0 7 5 m m 筛孔的矿料。必须遵循的一个原则是，沥青粘度越 稀，越应加大矿粉用量。对于用粘稠沥青和液体沥青制备的具有相同初始强度的两种沥 青混合料，采用粘稠沥青混合料时，矿粉用量应占矿料总量的0 5 ；采用液体沥青时， 矿粉用量应占1 2 。同时，用液体沥青制备的沥青混合料中，矿料的沥青膜厚度比用粘 稠沥青制备的沥青膜薄得多，所以，要保证路面达到必要的耐热性和耐裂性，就需要增 加矿粉用量。 根据多年使用的经验，采用高抗压强度( r 2 企4 0 m p a ) 冷拌冷铺沥青混合料铺设的 路面在经过第一个冬季之后易出现温度裂缝，而低抗压强度( r 2 0 _ 1 0 0 0 图2 4 冷拌冷铺沥青的粘度变化曲线 表2 8 的试验结果表明：冷拌冷铺沥青随着有机溶剂的挥发，其粘度有了很大的增 长，并且变化的趋势与质量损失试验基本保持一致。这说明，随着有机溶剂的不断挥发， 冷拌冷铺沥青的性能得到了恢复。 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 一零鼹冬忸写卿峰 第二章冷拌冷铺混合料所用沥青材料 2 ) 蒸馏试验 冷拌冷铺沥青在有机溶剂完全挥发后，其物理性能是否能够完全恢复，这是我们最 为关心的问题。通过对冷拌冷铺沥青的蒸馏残留物进行沥青三大物理指标的测定，得出 了其性能还原的基本认识。 试验方法：试验所采用的冷拌冷铺沥青，其配制方法与质量损失试验及粘度变化试 验相同。在对冷拌冷铺沥青进行蒸馏试验完后，对其蒸馏残留物进行了沥青三大物理指 标的测定，试验方法是参照公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 的有 关试验方法进行的，试验结果见表2 9 。 将冷拌冷铺沥青的蒸馏残留物试验结果( 表2 9 ) 与基质沥青的检验结果( 表2 1 ) 进行 对比，可以看出：冷拌冷铺沥青在有机溶剂完全挥发后，其基本指标性能得到了恢复， 部分指标得到了提高。这说明冷拌冷铺沥青具有良好的性能还原性。 表2 9 冷拌冷铺沥青的蒸馏试验结果 2 2 5 蒸馏残留物 冷拌冷铺沥青 2 5 针入度延度软化点 类型 质量损失百分比 ( 1 0 0 9 ，5 s ，1 1 0 m m )( 2 5 。c ，c m )( ) 冷拌冷铺g 8 5 7 2 1 5 0 4 8 3 冷拌冷铺 8 5 7 6 5 1 5 04 5 1 冷拌冷铺d 8 5 1 3 0 1 1 5 04 2 o 由于冷拌冷铺沥青中所加的有机溶剂是一种可挥发且易燃的液体，所以冷拌冷铺沥 青在储存时的安全性必须给予高度的重视。按规范通过液体石油沥青闪点试验( 泰格开 口杯法) ，对冷拌冷铺沥青的储存安全性进行了检验，试验结果表明其闪点都大于6 5 ， 符合规范要求。建议在储存冷拌冷铺沥青时，将其放在常温、通风的环境内。 通过本章对冷拌冷铺沥青技术性能以及质量损失试验结果的分析，我们可以得出用 于生产的冷拌冷铺沥青的技术性能，见表2 1 0 。 表2 1 0 冷拌冷铺沥青的技术标准 冷拌冷铺沥青闪点 粘度 2 2 5 蒸馏残留物 类型 ( )( s )质量损失比标准针入度 延度( 2 5 c ，e m ) 冷拌冷铺g 8 5 6 0 8 0 1 5 0 冷拌冷铺 6 5 c 6 0 5 = 5 0 , - - 15 0 8 5 6 0 8 0 1 5 0 冷拌冷铺d 8 5 1 2 0 1 4 0 1 5 0 1 6 长安大学工程硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要对冷拌冷铺混合料的沥青分类、组分分析和技术性能进行研究，得出了如下 结论： 1 冷铺沥青可以分为两大类：一类是乳剂型冷铺沥青，另一类是溶剂型冷铺沥青本 研究所用的沥青是一种溶剂型冷铺沥青。基质沥青在常温下不具有工作性，但在加入有 机溶剂后，其工作性则大大改观，随着有机溶剂加入量的加大，基质沥青逐渐转变为易 流动状态，其在常温下的工作性得到了实现。 2 对沥青组分分析可知，基质沥青在加入有机溶剂和添加剂转变为冷拌冷铺沥青后， 沥青质含量明显减少，胶质含量增多。由沥青的胶体理论可知，沥青是由沥青质吸附胶 质，再分散于液态的芳香分和饱和分组成的分散介质中形成的。沥青质减少、胶质增多 会引起沥青由溶一凝胶结构向溶胶结构转化。基质沥青在转变为冷拌冷铺沥青后，胶质 含量相对上升，芳香分含量相对下降。这主要是因为基质沥青在加入添加剂( 添加剂中 含有改性剂) 后，沥青中的部分饱和分和芳香分进入改性剂网络中，使自由沥青的组分 比例发生了明显的变化的结果。通过对基质沥青和冷拌冷铺沥青的组分分析，可以得到 以下两点认识：有机溶剂的加入使基质沥青的胶体结构发生了改变；添加剂的加入使基 质沥青得到了改性。 3 冷拌冷铺沥青混合料具有稳定的储存性、适宜的粘度、良好的性能恢复性、良好 的粘附性等路用性能。 1 7 第三章冷拌冷铺混合料组成特点及强度形成机理 第三章冷拌冷铺混合料组成特点及强度形成机理 3 1 冷拌冷铺沥青混合料的组成特点 压实成型的沥青混合料是由集料、沥青胶结料和残余空隙所组成的一种具有空间网 络结构的多相分散体系，其材料属性为粘弹性材料。沥青混合料它的力学强度主要取决 于集料间的摩擦力和嵌挤力、沥青胶结料的粘结性以及沥青与骨料之间的粘附性等方 面。因此，沥青混合料的结构组成对其强度构成起着重要的作用。 冷拌冷铺沥青混合料有以下特点：( 1 ) 能够在几个月的时间内，在一定的储存条件 下保持良好的疏松状态，即体现它的工作性特点。( 2 ) 在路上摊铺后，能在常温下压实 成型，有初步的承受荷载的能力，即体现它在外力作用下的强度特点。由于工作性与强 度二者相互矛盾，所以需寻找一个平衡点，两者同时兼顾。 按沥青混合料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按密实 级配原理构成的结构两大类。 按嵌挤原理构成的沥青混合料，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，并把骨料粘结成为一个整体。这种材料的结构强度主要依赖于骨 料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。这种路面的 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。这种路面的性能受温度的影响相对较大。 根据混合料结构中“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 构形态有以下三种典型类型： 1 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细料，而粗料数量较少，且相互间没有 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。用这种沥青混合料修筑的路面，由于受沥青性质的影响较大， 故它的温度稳定性较差。 2 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 1 8 长安大学工程硕士学位论文 较小，因而其稳定性较好。 3 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料 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。这种沥青混合料 同时具有较高的粘结力和内摩阻力。 根据冷拌冷铺沥青混合料的要求，初始强度主要应来源于矿料间的摩擦力，而粘聚 力的贡献应较小，以获得较好的疏松性和和易性。为了得到一定的初始强度可以采用较 粗的、颗粒尺寸较均匀的骨料，使它们之间相互嵌挤构成骨架。为了改善沥青混合料的 疏松性、和易性，可采用低稠度沥青，降低沥青的粘度。这种材料在初期内摩阻力较大， 而粘结力较小。 相比较热拌热铺混合料而言冷拌冷铺混合料在设计施工过程中加入了大量的矿粉。 混合料的疏松性决定于未经压实时混合料颗粒上沥青薄膜的厚度。当沥青膜厚度大时， 颗粒便易粘结起来而产生结块。由于增加混合料中矿粉含量可以使矿质骨架的比面积大 大增加，可以加强沥青对石料的裹覆能力，避免拌和时发生的流淌，所以适当增加矿粉 用量能使混合料得到较好的疏松性，高密实性以及捣实后的不透水性。而且矿粉用量增 加也可以使混合料的强度增大。这是因为矿粉增加，矿料的比面积增大且颗粒结合点数 量剧增，更多的沥青成为薄层的结构沥青，具有更大的粘结力，尤其在颗粒接合点处这 种联结作用更大。但是矿粉用量过多也会影响和易性和压实性能。总的来说，矿粉用量 比普通沥青混合料的多。 3 2 强度形成机理 3 2 1 强度形成特点 冷拌冷铺混合料在储存和强度形成过程中，相比较热拌热铺混合料而言，其具有以 下特点： ( 1 ) 具有时间性和过程性 冷拌冷铺混合料在修补到路面破损处后，其强度是逐渐形成的。由于冷拌冷铺混合 料中含有有机溶剂，所以当冷拌冷铺混合料修补到路面破损处后，在行车荷载和环境温 度的综合作用下，随着有机溶剂的不断挥发，其强度快速增长。经过一段时间，当冷拌 冷铺混合料中的有机溶剂完全挥发完后，其强度才能最终形成。而热沥青混合料在摊铺 碾压成型后，温度急速冷却，强度就完全形成，与冷拌冷铺混合料相比，其强度形成具 有瞬时性的特点。 ( 2 ) 常温下经压实可形成一定的强度 1 9 第三章冷拌冷铺混合料组成特点及强度形成机理 冷拌冷铺混合料是冷拌冷铺沥青与集料在常温下拌和而成的混合物。在没有外力作 用时，混合料呈现疏松状态，并且可在常温下长期存储。热沥青混合料不能在常温下存 储，只能根据需要生产。当冷拌冷铺混合料修补到路面破损处后，能够在常温下压实， 并且压实的冷拌冷铺混合料还具备初步承受荷载的能力。而热沥青混合料的压实成型则 需要在较高温度下进行，其常温下根本无法压实。 ( 3 ) 冷拌冷铺混合料形成的初始强度低 冷拌冷铺混合料的初始强度是指冷拌冷铺混合料被修补道路面破损处后，第一天的 强度。冷拌冷铺混合料在修补到路面破损处后，经过压实虽然具备了一定的强度，但强 度低，造成强度低的主要原因是冷拌冷铺混合料中存在有机溶剂。 ( 4 ) 冷拌冷铺混合料的成型强度可达到热沥青混合料的标准 冷拌冷铺混合料的成型强度是指冷拌冷铺混合料在有机溶剂完全挥发完以后所具 有的强度。冷拌冷铺混合料在汽车的碾压下，随着有机溶剂的不断挥发，其强度将最终 达到热沥青混合料的标准。 冷拌冷铺混合料的强度形成受到诸多因素的影响，其主要影响因素有养生条件、冷 拌冷铺沥青的粘度和用量、集料。 养生条件：养生条件主要是指温度、风、汽车轴重、车速等环境因素。在强度形成 过程中，温度越高、风力越大、轴重越重、车速越快，则冷拌冷铺混合料中的有机溶剂 挥发就越快，越有利于强度形成。 冷拌冷铺沥青的粘度和用量：在影响冷拌冷铺混合料强度的诸多因素中，冷拌冷铺 沥青的粘度和用量是最重要的因素。冷拌冷铺沥青的粘度过大，则其在常温下不能和集 料进行充分的裹覆，从而影响到冷拌冷铺混合料强度的形成；冷拌冷铺沥青的粘度过小， 则其在混合料中容易产生流淌，使混合料出现不易压实等现象，也会影响到冷拌冷铺混 合料强度的形成。冷拌冷铺混合料的强度形成与冷拌冷铺沥青用量也有很大关系，在材 料性能相同的情况下，冷拌冷铺沥青用量过高或过低都会降低混合料的强度。冷拌冷铺 沥青用量太大时，自由沥青过多，沥青膜厚，混合料中剩余空隙率小，有机溶剂不易挥 发，这会使混合料强度降低；反之，如果沥青用量过少，则不足以形成理想的沥青膜裹 覆矿料，故混合料强度较低，同时还缺乏足够的耐久性和储存性，因而在设计混合料时， 冷拌冷铺沥青用量要适度。 集料：集料对冷拌冷铺混合料强度形成的影响主要表现在集料的物理特性和集料的 级配两个方面。一般而言，采用表面粗糙且级配良好的集料而生产的冷拌冷铺混合料， 长安大学工程硕士学位论文 不但具有坚实的矿质骨架网络，而且混合料的密实度也相对较高，因此其强度形成较好。 通过对冷拌冷铺混合料强度形成特点及其影响因素的分析，有助于我们合理地对冷 拌冷铺混合料进行配合比设计，有效地控制冷拌冷铺混合料的修补质量，为保证其修补 路面具备良好的使用品质打下扎实的基础。 3 2 2 强度形成机理 目前，对沥青混合料强度构成特性开展研究时，许多学者普遍采用了摩尔一库仑理 论作为分析沥青混合料的强度理论，并引进两个强度参数，即粘结力c 和内摩阻角西 作为其强度理论的分析指标。 对于组成沥青混合料的两种材料一沥青和骨料，通过实验研究和强度理论分析， 可以认为：纯沥青材料的c o 而= 0 ，干燥骨料的c = 0 而0 。由于冷拌冷铺沥青混 合料在储存时温度不高，也未承受外力作用，骨料之间并未相互嵌挤构成骨架，所以摩 阻角较小，而且混合料中用油量恰当，沥青膜厚度适中，则裹覆在矿料表面的沥青大 多能与矿料相互作用而形成粘度很大的结构沥青，而剩余的自由沥青粘度低，分子间的 相互作用力较小，可以起到良好的润滑作用，即c 值较小，综合这两方面，则混合料在 储存时并未形成强度，颗粒间彼此分离，呈疏松状态。 当混合料在路面上摊铺后，开始承受较大的车轮作用力，此时矿料颗粒在沥青的润 滑作用下相互推移，形成嵌挤结构，摩阻角值提供了初始强度的主要来源。而沥青间 的粘聚力仍较小，所以对初始强度的形成贡献非常小。为了验证这一点，做马歇尔试验， 试验结果如表3 1 和表3 2 。 表3 1 初始马歇尔稳定度 溶剂掺量( )3 04 0 5 0 初始马歇尔稳定度( k n ) 2 5 72 5 32 5 1 表3 2 初始马歇尔稳定度 级配名称 abc 初始马歇尔稳定度( k n ) 2 5 l1 3 81 7 2 注：其中a 、b 、c 三种矿料级配范围见表3 3 。 2 1 第三章冷拌冷铺混合料组成特点及强度形成机理 表3 3三种矿料级配情况表 筛孔尺 通过百分率( ) 寸( 皿) 1 61 3 29 54 7 5 2 3 61 1 8o 6o 3o 1 50 0 7 5 al o o 9 5 7 04 3 3 02 51 81 4l l8 b 1 0 09 2 52 552 5 c1 0 0 9 53 7 51 7 552 5 从表3 1 可以看出：当采用相同的级配，而采用不同粘度的沥青结合料时，初始马 歇尔强度的差别比较小。从表3 2 也可看出，当采用相同粘度的沥青结合料，而采用不 同的级配时，混合料的初始马歇尔强度则有较大差别。试验结果表明以上观点是正确的。 随着时间、外界环境、车辆荷载等的作用，添加剂不断挥发，且挥发速度由快渐慢， 这样使得矿料表面的沥青因分子间的作用力逐渐增大而相互溶合，沥青的粘度由小变 大，粘聚力c 值处于不断增大的状态，使得混合料成为一个更加牢固的整体，随着往来 车辆的轮载作用而逐渐压实最终完全成型。这样，粘聚力c 的增长大小与增长快慢决定 了混合料的最终强度和成型时间。而骨料的摩擦角值基本上是一个常数，对强度的增 长起着较小的作用。 3 3 本章小结 1 冷拌冷铺沥青混合料有以下特点： ( 1 ) 能够在几个月的时间内，在一定的储存条件下保持良好的疏松状态，即体现 它的工作性特点。 ( 2 ) 在路上摊铺后，能在常温下压实成型，有初步的承受荷载的能力，即体现它 在外力作用下的强度特点。由于工作性与强度二者相互矛盾，所以需寻找一个平衡点， 两者同时兼顾。 2 冷拌冷铺沥青混合料强度形成有如下特点： ( 1 ) 具有时间性和过程性。 ( 2 ) 常温下经压实可形成一定的强度。 ( 3 ) 冷拌冷铺混合料形成的初始强度低。 ( 4 ) 冷拌冷铺混合料的成型强度可达到热沥青混合料的标准。 3 强度形成机理和热拌沥青混合料类似，但是冷拌冷铺料随着时间、外界环境、车 长安大学工程硕士学位论文 辆荷载等的作用，添加剂不断挥发，且挥发速度由快渐慢，这样使得矿料表面的沥青因 分子问的作用力逐渐增大而相互溶合，沥青的粘度由小变大，粘聚力c 值处于不断增大 的状态，使得混合料成为一个更加牢固的整体，随着往来车辆的轮载作用而逐渐压实最 终完全成型。这样，粘聚力c 的增长大小与增长快慢决定了混合料的最终强度和成型时 间。而骨料的摩擦角值基本上是一个常数，对强度的增长起着较小的作用。 第四章冷拌冷铺混合料配合比设计方法 第四章冷拌冷铺混合料配合比设计方法 沥青混合料配合比设计方法，目前大多数国家仍采用马歇尔的方法，对于冷拌冷铺 沥青混合料的配合比设计，国际上尚无公认的成熟方法。我们在采用马歇尔设计方法时， 考虑到它与路用性能并无良好的相关性，于是提出了对沥青混合料进行综合设计的方 法，作为对马歇尔试验方法的补充和完善。 沥青混合料组成设计应该包括原材料选择和配合比设计两个方面。材料的选择侧重 于其技术指标达到路用要求，混合料配合比设计包括矿料级配类型及沥青用量的确定。 4 1 确定矿料级配 1 确定混合料结构类型 沥青混合料根据其矿料的级配类型基本上可分为连续级配和间断级配两类。我国规 范规定，剩余空隙率3 - - 6 的为密实式沥青混合料，剩余空隙率为4 - - 1 0 的为半 密实式沥青混合料，剩余空隙率在1 0 以上为半开式沥青混合料，剩余空隙率大于1 5 的为开式沥青混合料。 吉林省公路局采用了a c 1 6i i 型级配，山西公路局太原分局在研究当中选择了沥青 碎石的级配a m 2 5 、a m 2 0 、a m 1 6 、a m 1 3 ，晋中分局也采用了沥青碎石4 种矿料级 配分别是l s 3 5 、l s 1 5 、l s 1 0 和砂粒式混合料( 中砂) 。沥青碎石混合料的级配基本 上可归属于连续级配的范畴，它的剩余空隙率在1 0 以上。总的看来，这些级配的剩余 空隙率在4 - - - 1 5 之间，与日本对空隙率的技术要求3 - 1 5 相当接近。对于i 型密 实式级配，由于细集料比较多而使冷铺沥青混合料颗粒间的接触点较多，容易造成混合 料结块，从而丧失疏松性，而且由于沥青用量大、空隙率小，极易出现泛油病害。但为 了兼顾混合料的抗水害能力以及耐久性，空隙率也不亦太大。据此确定以半密实式沥青 混合料级配为基础进行调整作为推荐级配。 2 确定矿料的最大粒径 美国的研究报告中提到冷铺沥青混合料在使用时一个显著的问题就是在深处的强 度非常低。为了提高路面结构深处的强度，建议分层压实，每层厚度为3 c m - - 4 c m 。日 本生产的冷铺沥青混合料按厚度也分为深坑槽修补和浅坑槽修补，浅坑槽修补的沥青混 合料在外观上要细一点。各国对沥青混合料的最大粒径( d ) 同路面结构层最小厚度( h ) 关系均有规定。我国研究表明，随h d 增大，耐疲劳性提高，但车辙量增大；相反，h d 2 4 长安大学工程硕士学位论文 减小，车辙量也减小，但耐久性降低，特别是在h d _ 2 。通过计算对深坑槽修补建议最大 粒径为1 3 2 m m ，浅坑槽修补最大粒径为4 7 5 r a m 。 3 矿粉种类和用量 由于冷铺沥青混合料中沥青与酸性集料粘附性较差，所以采用酸性石料应考虑加入 抗剥落剂，或者加入适量的碱性矿粉，如石灰石粉、水泥等。 矿粉用量对混合料的压实性和疏松性以及机械强度均有重大影响。当沥青与矿粉之 间存在某种比例时，混合料易于压实。矿粉过多或过少都使混合料难于压实，达不到路 用所要求的初始强度。 不同矿粉用量的初始稳定度试验结果见表4 1 至表4 3 。 表4 12 5 矿粉用量的初始稳定度 表4 2l o 矿粉用量的初始稳定度 沥青用量( )初始稳定度( k n ) 3 o1 3 1 3 51 3 3 4 01 3 8 4 5 1 0 4 沥青用量( ) 初始稳定度( k n ) 5 o2 6 6 劳 5 52 7 8 6 o2 5 1 6 52 1 7 钳 表4 31 7 s 矿粉用量的初始稳定度 沥青用量( o )初始稳定度( k n ) 6 o3 7 8 6 53 8 3 7 o3 4 9 7 53 4 5 表4 4 不同矿粉用量于最佳沥青用量下的初始强度试验结果 矿粉用量( )初始稳定度( 1 ( n ) 2 51 3 8 1 02 7 8 1 7 53 8 3 第四章冷拌冷铺混合料配合比设计方法 一、 z 专 趔 删 嚣 彀 霜 霾 励 露翊 1 0 矿粉用量( ) 图4 1 矿粉用量与初始稳定度的关系 由图4 1 可见，混合料的强度随矿粉用量的增加而增大。 从试验结果可知当矿粉用量为2 5 时混合料的初始强度很低，不能满足承受轮载 的作用，而且从外观上表现的极为松散，颗粒间的结合点极少，联结作用非常差。随着 矿粉用量的增加使颗粒间的结合点增加，接触点的联结作用增大，当矿粉用量达到1 0 时，路面具有一定的强度可满足要求，虽然继续增加矿粉用量可获得更大的强度，但是 混合料的和易性有所降低。 前苏联使用了高达1 2 的矿粉，而美国则最大只用到1 0 。因为他们关注的焦点 不一致，前者强调强度，后者注重和易性。矿粉的用量应根据具体的要求确定。在冷铺 沥青混合料中含有粘度较低的液体沥青，因此应具有必要的矿粉含量，兼顾强度与施工 和易性，建议矿粉含量应控制在8 1 2 。 4 2 选择溶剂与初始用量 1 溶剂的选择 参考国内外文献选择了三种溶剂，分别定名为t q 、t c 、t m 。制成液体沥青后， 进行了初始马歇尔稳定度试验，结果如下： 表4 5 初始马歇尔稳定度( 单位：l 讲) 试验结果 一 二5 0 5 5 6 o 6 57 0 溶剂类别 t q 3 2 23 2 02 9 62 6 72 2 5 t c 3 3 63 0 4 2 6 2 2 5 l2 2 8 t m3 2 43 0 02 7 42 5 02 1 9 长安大学工程硕士学位论文 z 2 v 趟 删 嚣 彀 霜 沁i 弋 氐 、心 弋s 4 555 566 577 5 沥青用量( ) 图4 2 溶剂种类与初始稳定度的关系示意图 试验表明，三种添加剂均能均匀地溶解和稀释沥青，降低了沥青的粘度，明显地改 善了沥青混合料的工作性和和易性，使施工操作容易进行。三种溶剂的初始效果均接近。 由于初始强度多由级配决定，所以三种溶剂的特点并未显现，只是采用t q 溶剂拌制的 混合料有较大的气味，这说明它的挥发较明显且安全性不好。 。 进一步对它们的工作性能进行了试验研究，结果如表4 6 ： 一 表4 6 无侧限抗压强度试验结果 w 类别老化前无侧限抗压强度( k n )老化后侧限抗压强度( 1 t m t q 。 对它们的马歇尔稳定度和水稳定性对比的试验结果如表4 7 所示： 表4 7试件强度与水稳定性的试验结果 混合料类别马歇尔稳定度( 1 t m t c ，这与三种溶剂的物理性质相 一致，而成型强度与储存后的工作性是相互矛盾的。所以要兼顾两方面的因素，找到一 个最佳的平衡点，并兼顾其他性能。 由水稳定性试验结果可知，t q 混合料抵抗水侵蚀的能力比t c 与t m 混合料的抗 水能力稍差一些，但三种混合料均满足技术要求。 综合考虑各个因素，应根据具体的使用情况以及要求储存的时间长短来选择合适的 溶剂种类，本文建议当要求储存时间较短时，可采用t q 与t m 溶剂，当要求储存时间 较长时，可采用t c 溶剂。 2 初始溶剂用量的确定 溶剂的主要作用是稀释沥青，溶剂的使用剂量大，则可明显改善沥青混合料的工作 性和和易性，易于施工操作，保证它的存储性能，但是铺筑后成型时间长，粘聚力差， 影响开放交通的时间；相反，如果溶剂使用剂量小，铺筑后成型时间短，但实际操作非 常困难，无法满足储存的要求，且在较低的温度下不易施工，起不到添加溶剂的初衷， 无法满足冷铺沥青混合料特殊的路用要求。 吉林省公路局采用了航空煤油和豆油来配制液体沥青，他们采用的配合比为沥青： 航空煤油：豆油= 1 0 0 ：3 5 ：5 。其中沥青采用的是1 4 0 # 沥青，并未加入改性剂。山西省 公路局有关部门提出了以s b s 为主要掺配材料的试验配方，他们确定s b s 的掺量为5 ， 配合比为沥青：汽油：乙二醇：添加剂= 1 0 0 ：5 0 ：3 3 4 ：2 5 。 长安大学工程硕士学位论文 前苏联提到可以使用煤油、粗汽油、汽油煤油馏分及其他液体石油加工产品做稀释 剂。根据沥青混凝土制品厂多年的实践经验，提出了粘度标准，用于冬季的冷铺沥青混 合料的粘度范围在c 5 6 0 = 8 0 - - 1 5 0 秒为宜，并指出要求在储存和运输过程中保持疏松性。 而用于夏季的冷铺沥青混合料粘度范围在c 5 6 0 = 1 2 0 - - , 2 0 0 秒为宜。同济大学提出所用沥 青粘度应保证混合料能在车轮作用下压实，粘度应控制在c 5 6 0 = 1 0 0 , - - , 2 5 0 秒范围内，用 标准粘度计测定，粘度大小应根据当地气候、使用条件和要求确定，即在较冷季节或须 储存很长时间时，应取上述范围中的低值，夏季使用则取高限。 参考各方面的研究资料，本文进行了不同溶剂掺量的标准粘度试验。其中基质沥青 外掺6 的s b s 改性剂，采用t c 溶剂的外掺用量分别是3 0 、4 0 、5 0 。 表4 8标准粘度试验结果 溶剂用量( ) 3 0 4 05 0 标准粘度( s ) 4 7 3 1 0 03 3 5 0 0 04 0 0 蜊3 0 0 萎2 0 0 鉴1 0 0 o l i i j 2 03 04 05 06 0 溶剂用量( ) 图4 4 溶剂用量与标准粘度的关系图 通过对结果进行回归，得到回归公式为y = 2 e + 1 0 x - 5 。2 2 1 3 ，其中相关系数r 2 = 0 9 9 9 5 ， 参考国内外提出的粘度范围c 5 6 0 = 8 0 , - - , 1 5 0 秒内，得到相应的溶剂掺量为3 5 4 1 。为 了进行检验和对比，以确定最终的最佳溶剂用量，向上下1 0 为范围浮动，分别选取了 溶剂掺量为3 0 、4 0 和5 0 进行了试验研究。 ( 1 ) 初始稳定度的试验结果如下： 第四章冷拌冷铺混合料配合比设计方法 表4 9 初始稳定度实验结果 5 o5 56 o6 57 0 剂量( ) t c 3 0 3 2 83 4 l2 8 82 5 72 2 5 t c 4 03 1 8 3 4 0 2 8 l2 5 3 2 3 3 t c 5 03 3 63 0 42 6 22 5 92 2 8 4 z 誓 运3 蒌2 5 彀 霜2 1 5 k 父 心一、 4 555 566 577 5 沥青用量( ) 图4 5 溶剂用量和初始稳定度关系图 由试验结果可知，3 0 - - 5 0 的溶剂用量均能满足初始强度的要求，不同溶剂用量 下的初始强度比较接近。这主要是因为此时矿料颗粒在沥青的润滑作用下相互推移，形 成嵌挤结构，摩阻角值提供了初始强度的主要来源，而沥青间的粘聚力较小，所以对 初始强度的形成影响较小。而且随着溶剂用量的增大，强度有减小的趋势，这是因为沥 青的粘度减小，混合料的粘聚力也随之减小的缘故。 ( 2 ) 溶剂的主要作用是改善沥青混合料的工作性，满足它特殊的路用要求。工作性 的试验结果见下表4 1 0 。 表4 1 0无侧限抗压强度试验结果 溶剂用量( ) 3 0 6 0 3 0 6 5 4 0 6 0 4 0 6 5 5 0 6 0 5 0 6 5 老化前无侧限抗 1 0 27 91 1 39 11 3 61 1 3 压强度 老化后无侧限抗 1 1 7 11 1 8 88 1 59 3 96 6 88 7 1 压强度 长安大学工程硕士学位论文 山 子 趟 慧 出 辖 盛 ：口 晕s r 口老化前无侧限抗压强度 口老化后无侧限抗压强度 3 u4 05 0 溶剂用量( ) 图4 6 溶剂用量和无侧限抗压强度关系图 试验结果表明：不同溶剂用量的混合料均可以满足老化前的工作性要求，但当溶剂 量较小时，混合料储存后的工作性不能满足要求，说明混合料不宜长期储存，随着溶剂 用量的增大，混合料拥有更良好的工作性，可以储存更长的时间。 ( 3 ) 对不同溶剂用量的沥青混合料进行水稳定性试验，结果见下表。 表4 1 l 残留稳定度试验结果 溶剂用量( ) 3 0 6 o 3 0 6 5 4 0 6 0 4 0 6 5 5 0 6 0 5 0 6 5 残留稳定度( ) 9 19 38 58 97 07 4 1 0 0 x8 0 创6 0 裂4 0 寒2 0 0 3 04 0 溶剂用量( ) 矗 图4 7溶剂用量和残留稳定度关系图 试验结果表明：随着溶剂用量的增大，沥青粘度的减小，混合料的残留稳定度不断 减小。为了获得较好的水稳定性，一方面应使混合料的空隙率减小，减少进入沥青混合 料内部的水分，再一方面因为沥青与集料之间的粘附性主要依赖于沥青本身的粘度，粘 度越大，抗剥离性越好，所以应减少溶剂用量，但也要兼顾各项指标。 ( 4 ) 溶剂用量的多少还影响到路面的成型时间，成型强度的试验结果如表4 1 2 所示。 o o o 0 o o o o 蚰 第四章冷拌冷铺混合料配合比设计方法 表4 1 2 成型稳定度试验结果 溶剂用量3 0 6 0 3 0 6 5 4 0 6 0 4 0 6 5 5 0 ，6 0 5 0 6 5 成型稳定度 4 3 14 7 63 9 64 3 23 4 43 7 5 5 金4 譬 瑙3 篓2 翟 0 3 04 0 溶剂用量( ) 图4 8 溶剂用量和成型稳定度关系图 高温下的沥青混合料处于以粘性为主的半固体，在轮胎荷载作用下，沥青及沥青胶 浆便产生流动，从而使路面荷载处产生压缩变形，当沥青结合料的粘度减小时，变形将 会增加。表4 1 2 所示，随着溶剂用量的增加，沥青结合料粘度的减小，成型强度是不断 减小。为了防止在高温时出现塑性变形，以及使强度得到较快的增长，应减小溶剂用量。 综上所述，3 0 溶剂用量的沥青混合料老化后的工作性未能满足要求，3 0 的溶剂 剂量不足以改善混合料的工作性与和易性。而5 0 溶剂用量的沥青混合料在高温成型 时，成型的试件有泛油的现象且稳定度没有得到较快的增长，5 0 的溶剂剂量过于偏大。 综合考虑，添加4 0 的溶剂用量取得了较好的工作性并满足了初始与成型强度的要求及 水稳性能的要求，4 0 左右的溶剂用量是较为适宜的，并建议用于冬季冷铺沥青混合料 的沥青粘度范围c s 6 0 = 8 0 - - 1 5 0 秒。 4 3 确定最佳沥青用量 1 根据沥青膜厚度初步估算冷铺沥青混合料的初始最佳用油量 为了确保生产出的冷铺沥青混合料有着良好的质量品质，必须严格控制沥青膜的厚 度。 一 参照美国加州的经验公式，可以根据混合料的油石比和矿料的级配计算矿料颗粒表 面的油膜厚度，其经验公式如下： 沥青膜厚度( 岬) = 油石比( ) x 4 8 7 4 ( 2 + 0 0 2 a + o 0 4 6 b + 0 0 8 c + 0 1 4 d + o 3 e + o 6 f + 1 6 9 ) 长安大学工程硕士学位论文 式中：a ，b ，c ，d ，e ，f ，g 分别是5 ，2 5 ，1 2 ，0 6 ，o 3 ，0 1 5 ，0 0 7 4 筛孔的通过百分率。 同济大学研究表明：液体沥青膜厚度在6 0 - 8 o 岬范围内时混合料可获得较好的 疏松性和压实性。参照这个标准，考虑到抗疲劳性能和水稳性的要求，取上限8 0 肛m 进 行计算，得到预估的最佳沥青用量。 2 确定最佳沥青用量 根据计算的数值，以相差0 5 的沥青用量拌制混合料，直至出现较明显的结块或 干燥的混合料为止，并成型试件进行各项性能指标的检验。 ( 1 ) 冷铺沥青混合料的初始稳定度检验 为了尽早开放交通，混合料应具有一定的初始强度作为基础。 ( 2 ) 冷铺沥青混合料的工作性检验 根据确定的初始沥青用量范围制作试件，进行老化前后无侧限抗压强度实验，检验 工作性是否合格。 躲t ( 3 ) 冷铺沥青混合料的水稳性检验 无论是热拌热铺沥青混凝土还是冷铺沥青混凝土，水损害都是一个不容忽视的问 题。现在水稳性破坏的作用机理，主要依据是粘附性理论，也就是说由于水的影响使沥 青与集料之间的粘附性降低，从而最终使沥青从集料表面剥落。由于冷铺沥青混合料中 沥青与矿料的粘附性较差，容易受到水份的侵蚀，所以对它进行水稳性检验是必要的。一 ( 4 ) 冷铺沥青混合料的成型强度检验 冷铺沥青混凝土的强度是随溶剂挥发和外力碾压作用而不断增大的，直到最终成 型。为了使沥青混合料有足够的强度来抵抗稳定性不足的问题，所以保证其在高温具有 一定的强度是非常重要的。 根据试验结果，求出符合沥青混合料技术标准( 表4 6 ) 的最佳沥青用量。 4 4 冷铺沥青混合料的配合比设计程序 1 总结冷铺沥青混合料配合比设计步骤如下： ( 1 ) 在确定矿粉用量的基础上确定矿料级配； ( 2 ) 根据液体沥青的粘度标准，确定初始溶剂用量； ( 3 ) 计算初始沥青用量，根据初始设计沥青用量，分别以士o 5 制作沥青混合料试 件； 第四章冷拌冷铺混合料配合比设计方法 ( 4 ) 混合料性能检验 ( a ) 初始稳定度检验； ( b ) 老化前后工作性检验； ( c ) 水稳定性检验； ( d ) 成型强度检验： 。 ( 5 ) 确定最佳沥青用量。 2 冷铺沥青混合料的配合比设计框图如图4 9 所示。 选择级配与集料 根据气候条件确定初始溶剂用量 根据初始设计沥青用量 分别o 5 制作沥青混合料试件 初始稳定度 检验 老化前后 工作性检验 水稳定性检 验 成型强度 检验 不满足ll 满足 确定最佳溶剂用量、沥青用量 图4 9配合比设计流程 4 5 本章小结 1 沥青混合料配合比设计方法普遍采用马歇尔的方法，冷拌冷铺沥青混合料的配合 比设计，国际上尚无公认的成熟方法。本章在采用马歇尔设计方法时，提出了对沥青混 合料进行综合设计的方法，作为对马歇尔试验方法的补充和完善。 2 以i i 型沥青混合料级配为基础进行调整作为推荐级配。结构层厚度h 与最大粒径 d 之比应控制在t l d 三2 。混合料的强度随矿粉用量的增加而增大。 长安大学工程硕士学位论文 3 3 0 - - - , 5 0 的溶剂用量均能满足初始强度的要求，不同溶剂用量下的初始强度比 较接近。这主要是因为此时矿料颗粒在沥青的润滑作用下相互推移，形成嵌挤结构，摩 阻角m 值提供了初始强度的主要来源，而沥青间的粘聚力较小，所以对初始强度的形成 影响较小。而且随着溶剂用量的增大，强度有减小的趋势，这是因为沥青的粘度减小， 混合料的粘聚力也随之减小的缘故。 4 根据沥青膜厚度初步估算冷铺沥青混合料的初始最佳用油量，根据计算的数值， 以相差o 5 的沥青用量拌制混合料，直至出现较明显的结块或干燥的混合料为止，并 成型试件进行各项性能指标的检验。 5 路用性能检验包括：初始稳定度检验，老化前后工作性检验，水稳定性检验，成型 强度检验。 6 提出了设计方法。 第五章冷拌冷铺沥青混合料应用及前景分析 第五章冷拌冷铺沥青混合料应用及前景分析 5 1 冷铺沥青混合料的生产 冷拌冷铺沥青混合料的生产方式较为灵活，既可以在修补现场使用小型移动式拌和 机进