（道路与铁道工程专业论文）云南高海拔地区沥青路面材料组成及性能研究.pdf

摘要 摘要 因为沥青路面具有得天独厚的优势，在路面铺装中占有很重要的地位，但在 实际使用中却存在着许多技术和质量问题，如早期破损严重、使用寿命不足、表 面性能低下、车辙与开裂严重等，这对道路建设者提出了更为严峻的挑战。 随着云南高海拔地区公路建设的发展，近年来由于当地季节性冻融原因即其 特殊的气候环境，使得路面修筑过程中出现的工程问题及使用期的早期破坏现象 越发明显。本文在对云南高海拔地区路面典型破坏调查的基础上，就上述问题进 行深入研究和探索季节性冰冻地区沥青路面的低温开裂尤为普遍，因此，探索沥 青路面低温开裂解决途径具有重要的意义。低温开裂是一个多因素复杂作用的结 果，实践中应以系统的观点，综合考虑材料的性能和材料的组成，从沥青选择、 矿料级配优选、配合比设计角度出发进行研究。本文仅从级配优选研究入手，力 图改善沥青路面的抗裂性能，同时兼顾高温稳定性。 由于特殊的地理及气候条件，云南高海拔地区沥青路面病害较其他更为复杂， 尤其自身的特点。本文在借鉴国内外相关研究成果的基础上，结合云南高海拔地 区特殊的气候条件，分析了沥青路面材料在高海拔地区的适应性，根据沥青路面 性能要求，参照国内外沥青混合料的级配范围，针对3 种典型级配交叉与三种沥 青组合成的沥青混合料进行一系列的路用性能研究，进行比选研究，最终找到适 合云南高海拔地区的沥青路面材料。 关键字：沥青混合料；矿料级配；最佳用量；水稳定性；低温抗裂性。 a b s t r a c t a s p h a l tp a v e m e n tb e c a u s eo fau n i q u ea d v a n t a g ei nt h ep a v e m e n to c c u p yv e r y i m p o r t a n tp o s i t i o n ，b u ti na c t u a lu s eb u tt h e r ea r em a n yt e c h n i c a la n dq u a l i t yp r o b l e m s ， s u c ha se a r l ys e r i o u s l yd a m a g e d ，a n dl i f eu n d e rt h es u r f a c eo ft h e l o w ，s e r i o u sc r a c k i n g a n d r u t t i n g ，w h i c hp u to nt h er o a db u i l d e r so fam o r es e v e r ec h a l l e n g e s w i m h i g ha l t i t u d ea r e a si ny u n n a nh i g h w a yc o n s t r u c t i o n , i nr e c e n ty e a r sd u et o l o c a ls e a s o n a lf r e e z i n ga n dt h a w i n go ft h er e a s o n sf o rt h a t i si t ss p e c i a lc l i m a t ea n d e n v i r o n m e n t ，m a k i n gc o n s t r u c t i o no ft h er o a da p p e a r e di nt h ep r o c e s so fe n g i n e e r i n g p r o b l e m sa n dt h eu s eo ft h ee a r l yd a m a g ep h e n o m e n o ni sm o r eo b v i o u s i nt h i sp a p e r , h i g h 。a l t i t u d ea r e ao fy u n n a nt y p i c a lr o a dd a m a g eo nt h eb a s i so f i n v e s t i g a t i o no nt h e s e i s s u e si nd e p t hs t u d ya n de x p l o r a t i o no fs e a s o n a lf r o z e ni nt h ec o l dc r a c k i n ga s p h a l t p a v e m e n t1 sp a r t i c u l a r l yc o m m o n ，t h e r e f o r e ，t o e x p l o r el o w t e m p e r a t u r ea s p h a l t p a v e m e n tc r a c k i n gs o l u t i o ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c e l o w t e m p e r a t u r ec r a c k i n gi sa m u l t i _ t h er e s u l to fc o m p l e xf a c t o r s ，t h ep r a c t i c es h o u l db eas y s t e m a t i cp e r s p e c t i v e , c o n s i d e r i n gt h ep r o p e r t i e so fm a t e r i a l sa n dc o m p o n e n t s ，f r o mt h ea s p h a l tc h o i c eo r e g r a d em a t e r i a lo p t i m i z a t i o n ，w i t ht h ea n g l eo fd e s i g nr e s e a r c h t 1 1 i sp a p e ro n l yg r a d e d o p t i m i z a t i o ns t u d ys t a r ta n dt r yt oi m p r o v et h ec r a c k i n ga s p h a l tp a v e m e n tp e r f o r m a n c e ， t a k i n gi n t oa c c o u n th i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y b e c a u s eo fi t sg e o g r a p h i ca n dc l i m a t i cc o n d i t i o n s ，h i g ha l t i t u d ea r e a si ny u n n a n a s p h a l tp a v e m e n td i s e a s et h a no t h e r ,m o r e c o m p l e x ，e s p e c i a l l y t h e i ro w n c h a r a c t e r i s t i c s b a s e do nr e s e a r c hr e s u l t sf r o mb o t ha th o m ea n da b r o a do nt h eb a s i so f h i g h - a l t i t u d ea r e ao fy u n n a nw i t hs p e c i a lc l i m a t i cc o n d i t i o n s ，a n a l y s i so ft h em a t e r i a li n t h ea s p h a l tp a v e m e n ti nh i g ha l t i t u d ea d a p t a t i o n , i na c c o r d a n c ew i t ha s p h a l t p a v e m e n t p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，i nt h el i g h to ft h ea s p h a l tm i x t u r ea th o m ea n da b r o a dg r a d e o ft h et h r e ek i n d so f t y p i c a lg r a d e - m i xa s p h a l ta n dt h r e ep e r c e n to ft h ea s p h a l tm i x t u r e t oas e r i e so fr o a dp e r f o r m a n c er e s e a r c h ，s t u d ys e l e c t i o n , a n du l t i m a t e l yf i n das u i t a b l e 1 1 i 曲一a l t i t u d ea r e ao fy u n n a na s p h a l tp a v e m e n tm a t e r i a l s k e y - w o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ； s t a b i l i t yo fl o w - t e m p e r a t u r ec r a c k i n g a g g r e g a t eg r a d a t i o n ；o p t i m u md o s a g e ；w a t e r 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： 赵宇 日期：杪驴年严月勿e t 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。 指导教师签名 日期：d 降年月加e t日期：朴年月d 赵 肜 ： 月 名 乒 戤 垆 者 年 作口6 文 眇 论 ： 位 期 学 日 第一章缝论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 云南省地处云贵高原，受地形的限制，一些公路必需穿越高海拔、高寒冷出 区。即将开工修建的滇藏二级公路，就是通过这一地区的一条主要公路。这些地 区由于地质条件复杂，地下毛细水丰富，冬季积雪严重，冰冻期长，使得修筑的 公路瘸害严重。 按照国际通行的海拔划分标准：1 5 0 0 3 5 0 0 米为高海拔，在这个高度，如果有 足够的时闻，大多数人都可以适应；3 5 0 0 5 5 0 0 米为超高海拔，在这个高度，个体 的差异决定能甭适应；5 5 0 0 米以上为极高海拔，在这个高度，人体机能会严重下 降，有些损害是不可逆的。本顼恩的所在地香格墅拉娴平均海拔3 2 8 0 米，属于高 海拔地区。 云南省高海拔地区主要位于云南省诬= l 匕部迪庆州，青藏高原南缘，海拔赢为 2 5 0 0 6 0 0 0 米。该地区气候属温带寒温带气候，太阳辐射强，于湿季分萌，立体 气候明显。在这些地质条件复杂，地下毫细水丰富，冬季积雪严重，冰冻期长， 公路瘸害严重。故本项研究重点选择的代表性路段就在该地区滇藏公路。滇藏公 路从迪庆到白马雪山垭阴，高程从2 5 0 0 米变化至4 3 0 0 米，且随着高程的变化， 气候条徉发生褶应的变化，气候与高程有着较好数对应关系。 云南高海拔地区高海拔地区有其自身的特点，在气候特征上云南高海拔地区 璃湿润温带寒温带气候，丽青藏高原多属半干旱和予旱高原寒带季风气候， 其降雨量远远高于青藏高原。由于气候条件的不丽，使得其筑路条件也就不同， 在青藏高原筑路而临的主要问题是多年冻土问题，而云南高海拔地区则没有多年 冻土阀题，筑路面临的主要闷题是季节性冻融问题。就冻融阀题面言，云南商海 拔地区的冻融问题远比我国北方地区冻融问题严重，主要表现在其冻融期较长， 且冻融变化频繁。因此在云南高海拔逡区筑路，霹不能套用青藏高原地区相关筑 路经验，也不能套用北方地区解决冻融问题的经验。而必需根据云南高海拔地区 的具体特点，有针对性的磷究开发其筑路技术。 本项目以滇藏二级公路为依托，通过广泛调查、测试，理论分析与计算、室 内试验和试验路工程试验，较全面系统的研究云南高海拔地区沥青混合料的组成 及路震性能，初步解决云南省高海拔地区路面修筑技术阕题，为这些地区公路的 修筑奠定技术基础，提供技术储备。 对于高海拔缝区修建的公路而言瑟】，沥青混凝土面层的温度开裂是路蘧破坏的 最主要形式，分布广泛、危害严蘑。温度裂缝通常垂宜于路线方向，裂缝变化在 数米至l o o m 之闻。当路面宽度大于裂缝闻距时，还将产生纵向温度裂缝从露形威 第一章绪论2 块状裂缝。温度裂缝破坏了沥青路面的整体性及连续性，水分通过裂缝渗入基层， 浸蚀路基，导致路面承载力降低，还为冻融提供了条件。另外，温度裂缝对将来 的加铺层的影响( 反射裂缝) 不容忽视，否则病害仍将继续，直至重修，降低了路面 的使用寿命，增加养护费用，而且在高等级公路上进补强、加铺层设计，会严重 影响正常的交通，造成巨大的经济损失。因此，为了减少或消除高海拔地区的温 度裂缝，提高路面质量，深入地开展沥青混合料低温缩裂的研究就显得十分必要。 部分因素最主要的是太阳辐射和气温。在路面和路基结构中的水在温度降低时冻 结体积增大使路基隆起而造成面层开裂，即冻融现象【2 】。春暖化冻时，路面和路基 结构由上而下逐渐解冻，而积聚在路基上层的冰先溶化，水分难以迅速排出，造 成路基上层湿度增加，路面结构的承载力大大降低，严重时形成翻浆。本研究项 目所在地的气候特征是重点考虑的问题，设计出符合当地实际情况的沥青混合料 配合比对今后在高海拔地区的路面工程发展有极大的帮助。 越来越多的研究和实体工程表明，由环境因素的影响以及环境因素与荷载的 联合作用已成为造成路面结构破坏不容忽视的主要原因【3 1 。自然环境的影响主要表 现在温度和湿度两个方面。实践表明对沥青混凝土路面，当温度有o c 升高到4 0 时，动弹性模量降低很多。各种材料随温度、湿度而产生的物理状态的不断变 化，则会使路面结构即使没有受到车轮荷载的破坏作用，也会在自然因素的影响 下逐渐损坏，或者在车轮荷载的叠加影响下使路面损坏的速率加快。大气的温度 在一年和一日内均发生着周期性变化，与大气直接接触的路面温度也相应地在一 年和一日内发生着周期性变化。路面温度的周期性起伏同大气温度的变化几乎同 步。路面结构内温度状况随深度的增加而逐渐起伏性变小，底面和顶面之间的温 度梯度在一天内经历了由负( 项温低于底温) 到正( 顶温高于底温) 再到负的循 环变化。这种不均匀的体积变化受到各方因素制约而不能实现时，路面结构内便 会产生附加的内应力，对路面结构产生影响。而决定路面结构内部温度状况的沥 青混合料的材料组成是影响路面性质的重要因素，因此，开展基于路面使用性能 的高性能沥青混合料材料组成研究具有非常重要的意义。应该说明的是，沥青混 合料的水稳定性、高温稳定性、马歇尔稳定度、低温抗裂性和疲劳耐久性等这些 性能的需求往往是互相矛盾或相互制约的，照顾了某一种性能很可能就会降低另 一方面的性能。例如，为了提高高温抗车辙能力，就尽量采用粗级配，增大集料 粒径，减少沥青用量，但这样的混合料低温劲度很大，发脆，很容易开裂，耐疲 劳性能差，不耐久。而为了提高低温抗裂性能希望使用针入度较大、用量较多的 沥青，用较细的混合料，可到了夏天就很容易出现软化、泛油、车辙。因此沥青 混合料的材料选择和配合比设计，实际上是在各种路用性能之间搞平衡或最优化 设计，应根据当地的气候条件及交通情况作具体分析，互相兼顾。如何尽可能兼 第一章绪论 顾这些矛盾的要求，提高沥青路面的各种使用性能，已成为国内外道路工作者研 究的主要内容。 综上所述，云南高海拔地区公路路面特殊的使用条件，对路面材料组成与结 构设计提出了特殊要求，主要表现在以下方面： ( 1 ) 路面材料的低温特性 云南高海拔地区一年中又近三分之一左右的时间是霜冻期，路面半刚性基层 混合料的强度形成缓慢，难以形成板体，无法充分发挥半刚性材料的优点；沥青变 得脆硬，沥青混合料的变形能力、低温抗裂性能降低，容易产生开裂。因此，该 地区沥青路面材料设计中，应以低温特性为主，对路面基层与面层混合料的低温 强度、低温抗裂等特性提出更高要求。 ( 2 ) 路面材料的抗变形能力 云南高海拔地区公路路面材料的抗变形能力除满足行车荷载要求外，还要考 虑温度作用和路基不均匀融沉变形的影响。云南高海拔地区气温降温速率快、昼 夜温差大、蒸发率大，使路面半刚性基层混合料的干燥收缩和温度收缩比一般地 区更为严重，沥青混合料的温度收缩明显。路基不均匀融沉变形在路面结构内产 生附加应力，提高了路面材料的抗变形能力的要求。 ( 3 ) 路面材料的耐久性 云南高海拔地区路面使用中经受频繁冻融循环和强辐射作用，影响程度明显 高于一般地区，要求路面材料具有更好的抗冻耐久性和抗老化能力，以延长路面 使用寿命。 ( 4 ) 路面结构的抗不均匀融沉变形能力 高海拔地区沥青路面结构设计不仅要考虑行车荷载的作用，还应考虑路面结 构与路基不均匀融沉变形的关系。 基于以上特殊使用要求，在云南高海拔地区公路路面设计中仍有许多深层次 问题尚未解决，为此应从路面材料低温特性、混合料组成设计、路面结构设计等 方面开展深入系统地研究。 项目本的最终目的就是提出适用在云南高海拔地区铺筑的沥青路面类型以及 在此地区适宜的沥青混合料，添补云南高海拔地区路面修筑的种种问题。 1 2 国内外研究的现状 对于高原寒冷地区的路面结构，交通部多次立题进行了研究。如1 9 7 3 1 9 8 5 年交通部针对青藏公路建设问题开展了“青藏公路多年冻土地区黑色路面的修筑 技术 和“青藏公路多年冻土地区路基路面试验研究 ：1 9 9 7 , - - - , 2 0 0 0 年交通部组 织开展了“高原多年冻土地区路基路面典型结构研究 ：2 0 0 2 年 - - - 2 0 0 4 交通部组 第一章绪论4 织开展了“多年冻土地区路面修筑技术研究”：目前( 2 0 0 2 - 2 0 0 7 ) 交通部正 在组织开展“多年冻土地区公路修筑成套技术研究 。云南省高海拔地区属于较 典型的湿润温带寒温带气候，在这些地区筑路首先要研究其气候水文条件对公 路的影响，在此基础上研究其合适的路面结构及路用材料和相应的施工工艺。 对于高原寒冷地区，其气候、水文条件对公路的影响最直接的表现就在于水、 热交换引起的冻融( 冻胀及融沉) 。关于土体冻胀、融沉现象的试验和理论研究 己有半个多世纪。冻胀融沉研究可分为基础研究和应用研究。基础研究着重研究 冻胀、融沉的表现形式和冻胀机理：应用研究主要研究冻胀、融沉的预报模型和 防冻胀、融沉措施。目前国内外冻胀融沉机理和模型试验研究，由于实验统计方 法的局限性，难以给出冻胀融沉的定量指标。 由于冻胀融沉实际情况的复杂性和实验研究的局限性，使得数值分析很有必 要。第二冻胀理论和分凝势原理的提出，为数值模型的廷立提供了坚实的基础。 冻土冻胀融沉数值预报模型的研究将为准确预测冻结法中邻近建筑物的变形提供 强有力的工具，实现优化及信息化冻结施工，使人工冻结技术达到一个新的水平。 关于融沉的研究也没有间断过。目前，工程上常以融沉系数a 、融化压缩系数a 、 土层孔隙比和融化压缩层厚度来计算融沉量，并没有考虑水、热、力三场的相互 作用，常产生较大的误差。多年来，国内外学者为工程应用提供了一些较可靠的 经验、半经验的计算方法，但有一定的局限性。对于冻胀、融沉数学模型的研究 经历了从单一场多场耦合模型的变化，但现有的研究成果山于还缺乏实际工程的 验证，而且理论数学模型和实际情况还有差别，有待进一步改进。未来冻胀、融 沉的研究重点应是：对冻胀水、热、力、位移的祸合作用进行试验与数值模拟研 究，建立理论研究模型，定量研究上在冻结过程中的温度、水分、应力分布及变 形。开展冻融土物理力学性能参数研究，使参数精确化、系统化。开展室内模型 实验和人工冻结现场实测，分析验证数值计算模型。 随着世界经济的发展，各国的公路运输呈现出交通量加大，轴载加重，速度 提高的趋势，对沥青路面提出了更为苛刻的要求。1 9 8 7 年美国国会通过的一项战 略公路研究计划( s h r p 4 ) ，为期5 年，其投资总额为1 5 亿美元，目的是：改善其国 家道路的使用性能和耐久性，使得这些道路对使用者及其维护者都更加安全。其 中沥青研究项目经费约占全部经费的三分之一，而沥青研究项目最重要的研究成 果就是s u p e r p a v e 技术，它主要包括沥青结合料性能规范、沥青混合料体积设计方 法及沥青混合料性能预测等三个方面。我国对s h r p s u p e r p a v e 的研究进展及其成 果一直十分关注，s h r p 计划的信息一传入到中国，就引起了注意。“八五 国家 科技攻关专题“沥青及沥青混合料的路用性能 充分吸收s h r p 的新思想、新方法， 立足于我国国情，提出了一套道路沥青及沥青混合料的新指标。进入“九五 以 第一章绪论5 来，s u p e r p a v e 的成果陆续发布，除了沥青结合料规范外，沥青混合料的配合比设 计也开始影响我国，江苏交通科研院率先引进了第一批s u p e r p a v e 沥青混合料的相 关设备。 沥青玛蹄脂碎石混合料( s m a l 5 1 ) 以其优良的抗车辙性能和抗滑性能而闻名 于世，世界上第一条s m a 路面于上个世纪6 0 年代中期在联邦德国修筑，到了8 0 年代逐渐在欧洲主要国家流行开来。1 9 9 0 年秋美国路面专家赴欧考察学习s m a 路 面技术和经验，在集料级配、设计方法及材料选择等方面丰富和发展了欧洲的 s m a 。我国于1 9 9 3 年夏季首次在北京机场高速公路( 长约1 8k m ) 上，铺筑了复合 改性沥青s m a 试验路。随后，在一些省的一般公路或高速公路上铺筑了长数千米 到1 0 多千米的s m a 试验路。它们有的采用纯沥青，有的采用改性沥青。在多条 试验路通车后产生早期破坏( 主要是泛油) 的情况下，我国的s m a 才全部采用改性 沥青。2 0 0 0 年，交通部立题在国内推广应用s m a 。到2 0 0 1 年末，全国使用改性 沥青s m a 的高速公路超过5 0 0k m ，使用情况有好有坏，有待对先后铺筑的s m a 试验路和生产路，从技术和经济两方面进行认真的调查、分析和总结。 沥青及沥青混合料低温抗裂性能是影响沥青路面低温开裂的重要因素，也是国 内外长期关注、持续研究的热点。自上个世纪6 0 年代加拿大率先进行调查研究以 来，路面抗裂与材料低温性能指标一直是国际道路学界的重要研究内容，加拿大、 美国、日本等国对沥青混合料低温开裂与低温性能指标进行了大量研究，提出了 沥青及沥青混合料低温抗裂的评价指标与方法。美国s h r p 提出的沥青结合料路 用性能规范中提出了以沥青结合料弯曲蠕变试验( b b r ) 的极限劲度模量和沥青劲 度模量曲线的斜率，以及直接拉伸试验破坏时的极限拉伸从变作为评价沥青低温 性能的指标，沥青混合料配合比设计也包括了沥青路面抗裂能力的检验。加拿大、 日本、澳大利亚及欧洲许多国家先后进行了研究，针对沥青路面温度升裂问题， 铺筑了试验路，研究影响温度开裂的因素。 沥青及沥青混合料低温抗裂性能也是本项目重点检测的部分。自上个世纪6 0 年代以来，加拿大、美国、日本等国对沥青混合料低温开裂与材料低温性能指标 进行了系统调查和研究，并铺筑了许多试验路，提出了沥青及沥青混合料低温抗 裂的不同评价指标，主要有等应变加载的破坏试验( 间接拉伸试验、弯曲、压缩试 验) 、直接拉伸试验、弯曲拉伸蠕变试验、受限试件温度应力试验、三点弯曲j 积 分试验、c + 积分试验、收缩系数试验和应力松弛试验等。我国“七五”国家重点 科技项目( 攻关) ( 7 5 2 4 0 2 0 1 ) “重交通道路沥青在高等级公路工程中的实用技术”、 “八五 国家重点科技项目( 攻关) ( 8 5 4 0 3 0 2 0 1 ) “道路沥青及沥青混合料使用性能 的研究 对道路沥青及沥青混合料的低温性能做了大量的研究工作，提出了一些 第一章绪论6 低温性能评价指标，认为沥青混合料的弯曲蠕变试验是一种简单而又非常有意义 的试验，采用0 c 弯曲蠕变试验的应变速率去评价沥青混合料的低温抗裂性能是可 行的，可供生产上应用【6 】。虽然如此，这一指标还是没有得到大家的一致公认，仍 有许多的不同意见。比如有的学者就提出，弯曲蠕变试验受力模式单一，只能反 映沥青混合料的一种状态，而沥青路面开裂的因素是复杂的，应该寻求更多的力 学模式；有些研究人员认为应变能就更能反映沥青路面开裂的状态；也有学者提出 受限试件的低温断裂试验更能反映沥青路面开裂的真实情况。国内的一些高等院 校和研究机构，如西安公路交通大学( 现长安大学) ，北京市政工程研究院，交通部 第一公路勘察设计院等都对沥青路面的低温抗裂性能有过一些研究，积累了不少 成果和经验。 我国公路沥青路面施工技术规范规定的沥青混合料设计方法一直是马歇尔 设计方法。对于高温稳定性和水稳性规范有检验标准，但是对于多年冻土地区至 关重要的低温抗裂性能却没有提供检验方法。滇藏公路所经过的季节性冻融地区 气候恶劣，温度低，昼夜温差大，温度变化剧烈，老化条件下沥青混合料的低温 抗裂性能、冻稳定性能成为云南高海拔地区沥青混合料最为关键的路用性能。 1 3 主要研究内容及技术路线 全面搜集高寒地区的环境、气候因素等资料以及国内外高寒地区沥青路面原 材料选择与参数、混合料级配与技术标准、路面结构组成与类型、高性能沥青混 合料优化设计的方法、试验手段及有关经验总结资料，分析特殊环境冻融地区路 面结构性能资料，总结路面主导破坏模式和主要因素，以便进一步指导云南高海 拔地区沥青路面选材与设计。 根据我国公路沥青路面设计规范j t j 0 1 4 。9 7 的技术要求，总结国内外的最 新研究成果，结合云南高海拔地区的特殊自然地理条件，研究适用于该地区的沥 青混合料类型和配合比设计方法是本文的主要研究内容 为此，主要进行以下几个方面的研究： 1 搜集整理云南高海拔地区自然地理环境和滇藏公路路况调查资料，对此进行 分析，找出滇藏公路沥青面层病害的主要形式及原因。 2 云南高海拔地区沥青混合料最佳矿料级配的确定 3 云南高海拔地区沥青混合料配合比的设计 4 云南高海拔地区沥青混合料路用性能的影响研究。 1 4 本章小结 通过搜集整理云南高海拔地区自然地理环境和滇藏公路路况调查资料，可以 看出在此地区的沥青路面，主要采用的是粗粒径的级配选择，而在沥青结合料的 第一章绪论 7 选择上还是以高标号的沥青为主。由于当地的地质条件和技术水平来说，绝大部 分还是采用石灰岩为主的矿料，规范要求，在细集料的选择上应该以河砂配以一 定量的机制砂，在某些方面还是提倡适用机制砂的，可是项目所在地区的地理环 境所限，适用大量的河砂不是很现实，那么主要的还是使用机制砂。 第二章试验方案与试件制备 第二章试验方案与试件制备 2 1 试验方案设计 2 1 1 原材料试验 高海拔地区除了具有温度低、昼夜温差大、温度变化剧烈的特点外，另一个 十分显著的特点就是日照强烈，并且由于云量很少，太阳中的紫外线得不到有效 的阻挡，加之高原不定时的降水加剧了冻融循环，造成沥青路面过早地老化，这 对于沥青混合料的低温抗裂性能无疑是雪上加霜。因此，在研究沥青混合料低温 抗裂性能的时候就不得不考虑滇藏公路的这一特殊要求。本文主要是研究在云南 高海拔地区修筑沥青混凝土路面的材料组成，并找到适用于当地的材料，检验此 种材料在云南高海拔地区的气候环境下的路用性能。原材料拟采用中海7 0 号沥青， 9 0 号沥青以及s b s 改性沥青，作为试验比选。先进行室内试验来检测三种沥青的 技术性能，包括沥青三大指标，当量软化点、当量脆点，粘附性，老化后指标( 质 量损失、针入度化、5 摄氏度延度) ，弹性恢复，密度，闪点。对于石料，矿粉按 照规程进行检测如下指标： 粗集料( 碎石) 的试验指标：表观密度、毛体积密度、压碎值、磨耗值、冲 击值、抗压强度、磨光值、针片状含量、坚固性。细集料( 天然砂或人工砂) 的 试验指标：表观密度、含泥量、砂当量。填料( 石灰岩矿粉) 的试验指标：表观 密度、亲水性。 2 1 2 确定沥青混合料矿料的最佳级配 由于本项目以滇藏二级路为寄托，石料和矿粉是就地取材，采用工程实际应用的 材料。由于滇藏路经过的高海拔路段地势险峻很多地方还是沿用以前的固定级配 模式。沥青稳定混合料种类很多，现在我国公路沥青路面施工主要采用密集配( 连 续级配和间断级配) ，开级配和半开继配四种。目前，我国规范规定的a c 沥青混 合料，属于连续级配，o g f c 6 属于开级配，s m a 属于间断级配。对于矿料级配的 选取，由于地区的不同，气候的差异，材料的不同，各地方都是据具体情况作适 当的调整，所以矿料级配的设计仍然没有一个公认的合理的方法。根据已有的研 究表明综合间断级配和连续级配的优点，寻找新的级配是最优级配研究的核心。 调查目前国内外采用的沥青混合料级配曲线或级配组成，从理论上分析各种可能 的级配，取试验工程碎石材料及研究区常用的碎石材料进行粒径分析，组成各种 级配。 由于云南高海拔地区的气候的特殊性，地处环境的复杂性，在该地区还没有 比较合适的沥青混合料选择。为了更加准确的全面的来解决这一问题，本研究选 第二章试验方案与试件制备9 择了很有代表性的几种级配和沥青胶结材料进行正交对比试验，以便找到适合该 地区的路面材料。 先拟定a c 一1 3 1 、a c 一2 0 、a t b 2 5 三种级配，分别代表细中粗三个方面的级 配，通过比较三种级配下的沥青混合料马歇尔技术指标，确定各种级配下的沥青 混合料的沥青最佳用量。结合水稳定性以及车辙动稳定度表征的高温稳定性能， 比较几种级配的适用性，确定最适应于云南高海拔地区的沥青混合料矿料级配。 2 1 3 沥青混合料路用性能的检验 本项目拟采用三种沥青及三种级配形式，那么就要有9 种沥青混合料进行路 用性能检验。高温性能以马歇尔试验稳定度，车辙试验的动稳定度两个参数作为 主要评价指标。低温性能以小梁弯曲试验的抗拉强度、破坏应变及劲度模量为主。 水稳定性以浸水马歇尔试验的残留稳定度和劈裂冻融试验的劈裂强度比作为评定 指标，疲劳性能以测定的小梁疲劳寿命作为评定指标，进行一系列的沥青混合料 试验，全面评价9 种沥青混合料的路用性能。具体试验步骤参照公路工程沥青 及沥青混合料试验规程( j t j o s 2 2 0 0 0 ) 。 2 2 试验研究方法 2 2 1 原材料试验 沥青结合料对于沥青混合料整体性能的影响是显著的，无论对于什么地区， 沥青的选择都至关重要。对于云南高海拔地区而一言，选择沥青结合料的重点在 于其低温抗裂性能上。参照国内其他多年冻土地区、季节性冻融地区，本研究选 择的沥青结合料是s b s 改性沥青，中海重交7 0 # ，9 0 # 沥青。中海重交7 0 # ，9 0 撑沥 青作为普通基质沥青完全按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程 ( j t j o s 2 - 2 0 0 0 ) 的沥青结合料试验方法进行即可。s b s 改性沥青的性能评价指标 和方法，不能完全照搬普通沥青性能的评价方法。现行评价改性沥青的方法主要 有两大类： 采用沥青性能指标的变化程度来衡量，如针入度、延度、软化点、粘度、脆 点的变化程度。变化值越大，改性效果越好。这是口前最常用的方法，即“三大 指标”针对改性沥青的特点开发的试验方法，如弹性恢复试验、测力延度试验， 粘韧性试验、离析试验等。 遵循以上原则并结合本课题研究的具体情况，我们选取的沥青的技术性能参 数主要反映沥青感温性与高、低温性能。选取的指标主要有：综合性指标针入度 指数p i ；低温抗裂指标为5 c 延度；高温稳定性指标环球法测定的软化点；当量软 化点；旋转薄膜烘箱试验得到的热稳定性( 耐老化) 指标：；反映改性沥青粘弹性效 第二章试验方案与试件制备1 0 应弹性恢复率；由闪点、1 3 5 运动粘度表征的施工安全指标以及由软化点差表征 的离析指标。 对于石料、矿粉按照相应规程测定其基本的技术指标。 2 2 2 沥青混合料的试验 马歇尔试验 马歇尔试验按公路工程沥青及沥青混合料试验规程c j t j o s 2 2 0 0 0 ) 进行。 由于选择的级配中a t b 2 5 的最大公称粒径大于2 6 5 m m ，根据规范要求“对 于粒径大于2 6 5 m m 的粗粒式沥青混合料，其中粒径大于2 6 5 m m 的粒料用粒径为 1 3 2 m m - - 一2 6 5 m m 的粒料代替”。这样在试件制备中选用1 0 1 6 m m x 6 3 5 m m 圆 柱体试件成型。 沥青混合料试件的制作温度与施工实际温度相一致，计算矿料混合料的合成 毛体积相对密度、表观相对密度、预估沥青混合料的适当的油石比或沥青用量。 以预估的油石比为中值，按一定间隔( 对密级配沥青混合料通常为0 5 ，对沥青碎 石混合料可适当缩小间隔为o 3 一0 4 ) ，取5 个或5 个以上不同的油石比分别成 型马歇尔试件。测定压实沥青混合料试件的毛体积相对密度和吸水率，取平均值。 确定沥青混合料的最大理论相对密度，对非改性的普通沥青混合料，在成型马歇 尔试件的同时，用真空法实测各组沥青混合料的最大理沦相对密度。对改性沥青 宜计算各个不同沥青用量混合料的最大理论相对密度。计算沥青混合料试件的空 隙率、矿料间隙率v m a 、有效沥青的饱和度v f a 等体积指标，进行体积组成分 析。进行马歇尔试验，测定马歇尔稳定度及流值。 沥青混合料高温稳定性能试验研究 评价沥青混合料高温稳定性能的方法很多【8 】，我国目前采用的方法是马歇尔试 验法和车辙试验法。虽然马歇尔试验在全世界范围内使用广泛，但是也有其局限 性。诺丁汉大学的研究者通过反复的试验表明马歇尔试验在评价路面永久变形抵 抗能力方面并不是很好的方法，用它也不能列出混合料抵抗永久变形性能的优劣 次序。车辙是沥青路面设计的一个重要指标。车辙试验被认为是沥青混合料性能 检验中最重要的指标，它是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。车辙试验可以很好地反映沥青混合料永久变形随时间和温度变化的 过程，比较符合路面的实际受力情况。本课题用车辙试验的动稳定度作为考察沥 青混合料的高温稳定性能的指标。 车辙试验采用国产自动车辙试验仪，温度控制和其他条件均能满足公路工 程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 试验要求。 ( 1 ) 试件制各：根据马歇尔试验确定的矿料级配和沥青用量及沥青混合料密度， 第二章试验方案与试件制备 用轮碾仪制成3 0 0 m i n x3 0 0 m m x5 0 m m 板，成型时混合料碾压温度为1 5 0 1 6 0 ，一般碾压次数为来回往返2 4 次，碾压至混合料与试模平齐。 ( 2 ) 试验荷重：试验荷重7 0 0 n 左右，试验轮与试件接触压强在6 0 时为0 7 m p a 0 0 5 m p a ( 3 ) 试验温度及试件养生时间：试验温度采用6 0 ( 内部温度6 0 c 0 5 ) ，测试 前试件放入恒温室( 内部温度6 0 c 0 5 ) 养生6 小时。 ( 4 ) 试验轮行走距离及行走速度：试验轮行走距离为2 3 0 r a m 士10 m m ，行走速度 为4 2 1 次m i n ( 2 1 次往返m i n ) ，行走方向与试件成型碾压方向一致。 ( 5 ) 动稳定度计算方法d s d s ：( t 2 - t 1 ) x n c 1 c d 2 一d l 式中：d l - - 试验时间为6 0 m i n 的试件变形量 d ：一试验时间为4 5 m i n 的试件变形量 c 。试验机类型修正系数，曲柄连杆驱动试件的变速行走方式为1 0 ，链条 驱动方式试验轮的等速方式的修正系数为1 5 ， c 2 - - 试件系数，实验室制备的宽3 0 0 m m 的试件为1 0 ，从路面切割的宽1 5 0 m 的试件为0 8 ， n 一试验轮往返碾压速度( 压实速度) ，通常为4 2 次m i n 。 沥青混合料水稳定性试验 研究沥青混合料水稳性，通常从两个方面考虑：一是评价沥青与矿料的粘附性： 一是评价沥青混合料的水稳性【7 】。前者的方法有水煮法、光点比色法、搅动水净吸 附法等，后者的实验方法广泛应用的有浸水马歇尔试验、真空饱水马歇尔试验、 浸水劈裂试验、饱水劈裂试验、冻融后劈裂强度比试验、浸水车辙试验等。 本课题中，主要选择了浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验两种试验方法来评价 沥青混合料的耐水害性能。 ( 1 ) 浸水马歇尔试验 残留稳定度试验按部颁标准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 ) 的规定进行，将其中一组马歇尔试件在6 0 c 热水中恒温3 0 分钟后测 其稳定度，另一组马歇尔试件在6 0 水中恒温4 8 小时后测其稳定度，再将二者进 行对比来评价混合料的水稳性。 试件的浸水残留稳定度按下式计算： m s o = m s l m s 第二章试验方案与试件制备 1 2 式中：m s o 一试件的浸水残留度( ) ： m s i 一试件浸水4 8 h 后的稳定度( k n ) ： m s 试件浸水3 0 m i n 后的稳定度( k n ) o ( 2 ) 冻融劈裂试验 浸水马歇尔试验并不能很好的评价沥青混合料经冬、夏冻融循环后的水稳定 性，故增加冻融劈裂试验以供比较，该试验的试件成型与马歇尔成型方法一致， 其正反面各击5 0 次，饱水分两组进行，一组在2 5 。c 水中浸泡2 小时后测试。 另一组泡水过程如下： a 室温下( 2 5 。c ) 浸水2 0 m i n ； b 0 0 9 m p a 浸水抽真空15 m i n ； c 升高1 8 冰箱中置入1 6 h ； d 6 0 水浴中恒温2 4 h ； e 2 5 水中浸2 h 。 利用国产的劈裂强度试验仪，分别测出第一、二组试件的劈裂强度为 碍l = 0 0 0 6 2 8 7 p r l 啊 辟2 = 0 0 0 6 2 8 7 p r 2 吃 式中： 。吁l 一第一组试件的劈裂强度，m p a ； r v 2 第二组试件的劈裂强度，m p a 。 f 玑第一组试件的试验荷载的最大值，k n f r ：一第二组试件的试验荷载的最大值，k n n a 一第一组试件的试件高度，n l n l 心一第二组试件的试件高度，m i l l 冻融劈裂抗拉强度比按下式计算。 t s r = ( r r 2 r r l ) 1 0 0 式中：t s i 卜冻融劈裂试验强度比，； 吩：一经受冻融循环的第二组试件的劈裂抗拉强度，m p 。； 吩- 一未进行冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度，m p 。 低温抗裂性试验 沥青路面的低温开裂是寒区道路面临的一个重要问题，世界上几乎所有的寒 区公路都存在着这一问题，是世界公认的一大难题。云南高海拔地区经常发生温 度骤降的情况，温度梯度之大，温度条件恶劣。另外，由于项目研究地区路基及 路面基层不可避免地受到了冻融破坏作用，造成了自身的变形和开裂，但是裂缝 和变形产生的应力并不会完全消化在其内部，它会向上反射到面层，也造成路面 第二章试验方案与试件制各 的开裂，这些破坏也往往是在气温较低，沥青路面松弛性能较低的情况下产生的。 因此，特殊的使用条件对沥青面层低温抗裂性能提出了更高的要求。 低温收缩裂缝与沥青的低温品质及沥青混合料的收缩性能有关。国内外用于 研究沥青混合料低温抗裂性能的试验方法有多种【9 】。目前常用的研究沥青混合料低 温性能的试验主要是约束试件温度应力试验( t h et h e r m a ls t r e s s r e s t r a i n e d s p e c i m e nt e s t ) ，又称冻断试验。该试验是s h r p 计划推荐的评价沥青混合料低温 性能的试验方法，它能够模拟实际温度变化和混合料实际受力状况，可较真实地 反映出沥青混合料的低温开裂性能：不足之处在于试验设备昂贵，方法复杂，不易 推广应用。我国“八五攻关提出用低温弯曲蠕变试验来评价沥青混合料低温抗 裂性能，该试验方法是以蠕变稳定阶段的弯曲蠕变速率作为评价指标，蠕变速率 越大，表明其抗裂性能越好。这种方法与t s r s t 试验相比，其优点是方法简单， 容易实现，但它仅是一种定性分析方法，无法直接预测沥青混合料的低温性能。 另一种常用的方法是低温弯曲试验，通过测定弯曲试验过程中的应力一应变曲线， 可以很容易地确定沥青混合料破坏时的能量。为此，本文选择较为简单的低温弯 曲间接拉伸试验( 劈裂试验) 试验来进行沥青混合料的低温开裂性能的研究，其 主要试验条件如下： 采用马歇尔试件，根据规范要求：对于1 5 ，2 5 摄氏度等采用5 0 m m m i n 加载， 对0 度或更低温建议采用l m m m i n 加载。其评价指标有劈裂强度，破坏变形及劲 度模量。由于采用l m r n m i n 加载试验开始至破坏的时间会长一些在2 0 6 0 s 左右， 试件温度实际已有变化，建议使用5 0 m m m i n 加载。试验温度：1 0 ，0 ，5 ，1 0 ， 1 5 。分别作出温度与劈裂强度，破坏变形及劲度模量的关系曲线，来比较试验用 的几种沥青。同时，劈裂强度与温度的关系与沥青的实际使用性能很一致。而应 变和劲度模量并没有良好的规律性。难以提出控制温度裂缝的极限劲度和极限拉 伸