（交通运输工程专业论文）山西黄土地区沥青路面防水抗裂技术研究.pdf

摘要 由于黄土的湿陷性导致了黄土地区公路路基严重不稳定，加大了在黄土地区修建沥 青路面的难度。山西省是被黄土广泛覆盖的地区，因此山西在黄土高原区所修建的公路 中居全国首位。近年来，山西黄土地区沥青路面出现了大量病害，针对山西沥青路面损 坏严重的情况，开展与之相关的课题研究，并有针对性的修筑一定长度的试验路，可获 得丰富翔实的第一手资料，为山西省乃至全国沥青路面的修建提供理论基础和实践支 撑。 本文对山西省黄土地区比较典型的三条高速公路进行了调查，根据路面实际使用情 况，从设计、施工等角度深入分析了病害原因，分析山西黄土地区沥青路面的特点及主 要病害形式。在此基础上，针对实际问题进行了大量的室内试验，进一步研究了山西黄 土地区沥青路面设计空隙率指标，以及减缓沥青路面反射裂缝的措施，并修筑了试验路。 通过定期实地考察和检测，总结出一套适应于山西黄土地区沥青路面结构设计和施工技 术，为今后山西铺筑沥青路面起到了良好的借鉴作用。 关键词：黄土路基沥青路面设计空隙率反射裂缝 a b s t r a c t t h ep a v e m e n t si nt h el o e s sa r e aa r es e r i o u s l yu n s t a b l ed u et ot h ec o l l a p s i b i l i t yo ft h e l o e s sw h i c hi n c r e a s e st h ed i f f i c u l t yi nt h ec o n s t r u c t i o no fb i t u m i n o u sr o a d si nl o e s sa r e a m o s to fs h a n x ip r o v i n c ei sl o c a t e di nt h el o e s sa r e aa n dt h er o a d sb u i l to nt h el o e s sa r e a s a r em o s ti nq u a n t i t i e si nc h i n a i nr e c e n ty e a r s ，t h eb i t u m i n o u sr o a d si nt h el o e s sa r e ai n t h i sp r o v i n c eh a v ea p p e a r e dal a r g en u m b e ro fd i s e a s e s a c c o r d i n gt ot h e s es e r i o u s d a m a g e s ，r e l a t e dr e s e a r c hh a sb e e nc a r r i e do u ta n dac e r t a i nl e n g t ho ft h et e x tr o a dh a sa l s o b e e nc o n s t r u c t e d ，t h r o u g hw h i c ht h ed e t a i l e df i r s t - h a n da n di n f o r m a t i o n - r i c hc a nb e o b t a i n e da n dat h e o r e t i c a lb a s i sa n dp r a c t i c a ls u p p o r tf o rt h ec o n s t r u c t i o no fb i t u m i n o u s r o a d so fs h a n x ip r o v i n c ea n dt h ew h o l ec o u n t r y f i r s t l y , ad e s t i n a t i o no ft h r e et y p i c a lh i g hw a y si nl o e s sa r e ai ns h a n x ip r o v i n c eh a s b e e nm a d ei nm yp a p e r t h ed e s t i n a t i o nh a sm a d eac o n c l u s i o no ft h ef e a t u r e so ft h e b i t u m i n o u sr o a d sa n dt y p e so fd a m a g e si nl o e s sa r e aa c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n a n dm a d ead e e pa n a l y s i so ft h ec a u s e so fd a m a g e sf r o mt h ep e r s p e c t i v e so fd e s i g na n d c o n s t r u c t i o n ；f u r t h e r m o r e ，i th a sg e n e r a l i z e dc o m p o s i t i o n a lt y p e so ft y p i c a lr o a d sa n dt h e s u c c e s s f u le x p e r i e n c eo fb i t u m i n o u sr o a d sb u i l ti nl o e s sa r e ai ns h a n x ip r o v i n c e b a s i n g o nt h e s es t u d ya n dl a r g eq u a n t i t i e so fi m e r i o re x p e r i m e n t s ，af u r t h e rs t u d ya l s oh a sb e e n m a d ef o rt h es h a nx il o e s sa r e ac o n s t r u c t i o no fb i t u m i n o u sr o a d so fd e s i g np o r o s i t y s p e c i f i c a t i o n ，s l o w i n gd o w na s p h a l tp a v e m e n tr e f l e c t i v ec r a c k i n gp r e v e n t i o n , a n da t e s t r o a db u i l to nt h eb a s i so fi n t e r i o re x p e r i m e n tw i l lb eaf u r t h e rp r o o ff o rm y s t u d y i ns h o r t ，b a s i n go nt h ei n v e s t i g a t i o n ，t h es t u d yh a so f f e r e dr e s p e c t i v e l ya p p r o p r i a t e r e q u i r e m e n t s o fp o r o s i t ya n dp r a c t i c a lm e a s u r e sp r e v e n t i o no fr e f l e c t i v ec r a c kf o r b i t u m i n o u sr o a d sa c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fl o t so fi n t e r i o re x p e r i m e n t s s u p p o r t e db y t h e s es t u d y s ，at e s tr o a dh a sb e e nb u i l t t h r o u g hr e g u l a rs i t ev i s i t sa n dt e s t i n g ，t h i sp a p e r o p t i m i z e st h eb i t u m i n o u sr o a d ss t r u c t u r e sf o rl o e s sr o a d b e do fs p e c i f i ca r e ab a s e do nt h e d a t aa n a l y s i s ，a n dr e c o m m e n dt h ea p p r o p r i a t ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hh a sg r e a t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e 关键词：l o e s ss u b g r a d e a s p h a l tp a v e m e n td e s i g np o r o s i t y r e f l e c t i v ec r a c k 长安人学硕士学位论文 1 1问题的提出 第一章绪论 山西省是黄土广泛覆盖的隆起地区，东起太行山，西南界黄河、北临长城。整个轮 廓略呈沿北东南西拉长平行四边形，全省的山地、丘陵、平原三大类地形各占4 0 、 4 0 3 和1 9 7 ，大体成4 ：4 ：2 的比例，按照地形位置可分为四部分，东部山地及高原区， 中部盆地地区，西部地区，晋西黄土丘陵区。山西黄土覆盖厚度一般为3 0 5 0 米，土 质差异不大，晋东南区域的塑性指数较大，粘粒含量较多，其次是晋南地区，土壤从南 到北粘粒成份逐渐减少，液限和塑性指数逐渐减少，土质从粉质亚砂土过渡到亚砂土。 近几年来，我省加快交通基础设施建设步伐，相继开工建设一大批重点公路项目， 在短短几年内，修筑高速公路1 3 0 0 余公里，并修筑了大量的一、二级公路，大大缓解 了我省交通拥挤的局面，对于推进我省经济快速发展、加快改革开放的步伐具有重大意 义。然而在新修筑的许多公路中，部分路段在使用2 3 年后就出现不同程度的早期破坏， 大大缩短了道路的使用寿命，其中沥青路面的早期水损害已经成为我省高速公路沥青路 面最严重的病害之一，有必要研究水损害的成因并对其进行有效的防治。 随着我省高等级公路的迅猛发展，占其绝大多数的沥青路面的破坏问题成为人们关 注的焦点。我省沥青路面沿用现行规范，采用基于黄土地基的半刚性基层沥青路面，由 于面层雨雪水的渗入，再加之车辆荷载与环境因素的相互作用，导致路面的结构发生破 坏，产生如车辙、裂缝和坑槽等病害。另外，由于黄土具有多孔性结构特征，受水作用 极易湿陷，造成路基的不稳定性，这些病害对行车的舒适性和安全性都产生了很严重的 影响，不容忽视。沥青路面空隙率、渗透性则是水进入路面的关键因素。因此，把好入 口关，综合考虑山西省部分季冻区特殊的环境特点，研究空隙率、渗透性对沥青混合料 路用性能的影响，力求减少水损害的发生。 因此，黄土地区沥青路面病害大都与沥青路面结构和黄土的工程特性有关，而在以 往的公路建设中，没有把黄土特性作为工程因素进行考虑，而是采用统一的行业标准进 行工程控制。实际情况并非如此，在黄土地区修筑的路面均不同程度地产生桥头跳车、 高填方路基下沉甚至出现冲刷坑洞、路面及基层的开裂等病害，严重影响了道路工程质 量及使用寿命。因此，研究黄土地区沥青路面防水抗裂技术对提高黄土地区公路修筑技 术，延长道路使用寿命具有重要意义。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 黄土具有特殊的工程特性，黄土地区的沥青路面修筑技术是一个世界难题，国际上 对该技术的研究也比较多。 我国对于黄土地区沥青路面系统的研究起步较晚，2 0 0 6 年由傅智和王旭东等人完成 的西部交通建设科技项目黄土地区路面设计施工技术在北京通过由交通部西部项目 管理中心组织专家进行的鉴定验收。该项目通过对黄土与戈壁地区沥青路面使用现状的 调研，给出了沥青混合料抗裂、抗车辙与抗水损害的技术对策，提出了黄土地区沥青路 面结构层优化设计的原则与方法，并且在对黄土地区水泥混凝土路面使用现状调研基础 上，对路面结构、材料和施工工艺进行了系统研究，提出了黄土地区耐碱玻璃纤维混凝 土路面、高弯拉强度混凝土路面技术和低造价抛石与卵石砂石统料混凝土路面技术。该 项目首次针对黄土路基的不均匀沉降与陷穴，按荷载、温度、脱空或陷穴三项疲劳总应 力，引出局部配筋的计算方法。其次，发明了性能优异的新型有机硅改性聚氨酯填缝胶。 同时成功地修筑了试验路和实体工程，提出黄土地区路面设计施工技术指南。 1 3 主要研究内容 ( 1 ) 调查山西黄土地区路面典型病害和病害的形成原因； ( 2 ) 研究空隙率对沥青混合料性能的影响，为沥青路面设计和施工质量控制提供 合理的范围； ( 3 ) 分析减缓沥青路面反射裂缝的措施，为沥青路面结构设计提供参考依据； ( 4 ) 通过铺筑试验路段，研究防水抗裂沥青路面的施工工艺。 2 长安大学硕士学位论文 第二章山西黄土地区沥青路面使用状况调查与分析 2 1 典型路面结构调查 根据交通量分布情况，选取有代表性的路段进行调查分析，路面结构见表2 1 。 表2 1山西部分高速公路路面结构 姑趁层 卜面层中面层下面层基层 路蕴厚度级配厚度级配 厚度 级配厚度类型 太原至旧关高速公路 4 c ma c 1 6 i5 c ma c 2 5 l i 6 c ma c 3 0 i i 1 5 c m 三灰稳定碎石 太原东山过境高速公路 4 c ma c 1 6 i5 c ma c 2 5 i i7 c ma c 2 5 l i2 5 c m 水泥稳定碎石 a c 2 5 i i 原平至太原高速公路 4 c m a c 1 6 i5 c m6 c ma c 3 0 i i3 0 c m 水泥稳定碎石 t h e m 改性 晋城罕阳城高速公路 3 c m a c 1 3i 4 c ma c 2 5 i i5 c ma m 3 02 2 c m 水泥稳定碎石 s m a 1 6 太原南过境高速公路 4 c m 5 c ma c 2 5 i i 6 c ma c 3 0 i i 2 0 c m水泥稳定碎石 u i i 改性 运城至风陵渡高速公路4 c ml h - 1 5|6 c ml h 2 03 0 c m二灰砂砾 s m a 1 6 钢筋混凝 晋城至焦作高速公路3 5 c r n 4 c m a c 2 0 i2 5 c m3 6 c m水泥稳定碎石 u i i 改性土 a c 1 3i 运城至三门峡高速公路 4 c m 5 c ma c 2 0 i 6 c ma c 2 5i4 0 c m 水泥稳定碎石 s b s 改性 太祁高速公路( 罗城 4 c m a c 一1 6ia c 2 0i 夏家营)s b s 改性 5 c m7 c ma c 2 0 i3 0 c m 水泥稳定碎石 p r 改性 太祁高速公路 4 c m a c 1 6i ( 夏家营祁县)s b s 改性 5 c r na c 2 0 i6 c ma c 2 0 i3 0 c m 水泥稳定碎石 a c 1 6i 祁临高速公路 4 c m5 c r n a c 2 0 i 7 c ma c 2 0 i3 0 c m 水泥稳定碎石 s b s 改性 1 ) 沥青混凝土面层的厚度 总厚度：两层式为7 5 - 1 0c m ；三层式为1 2 1 6c m ，除晋阳高速为1 2c m 外， 其余的为1 5c m 或为1 6 c m ； 上面层厚度：3 5 , - - , 4c m ，除晋焦高速公路为3 5c m 外，其余的均为4 c m ； 中面层厚度：4 - - 5c m ，除晋焦高速公路和晋阳高速公路为4c m 外，其余的均为 5 c m ； 下面层厚度：5 - - 7c m ，除晋阳高速公路为5c m 外，其余的均为6c m 或7c m 。 2 ) 沥青混凝土面层的结构 上面层结构类型有：a c 1 6i 、a c 1 3i 、s m a 1 6 ； 中面层结构类型有：a c 2 5i i 、l h 2 0 、a c 2 0i ； 下面层结构类型有：a c 2 5i i 、a c 3 0i i 、l h 2 0 、a c 2 0i 、a c 2 5i 、a m 3 0 。 3 ) 面层厚度与结构类型的组合 3 第二章山西黄土地区沥青路面使用状况调查与分析 上面层厚度通常为4 c m ，通常采用的a c 1 6i 、s m a 一1 6 ，a c 1 3i ； 中面层厚度通常为5 c m ，通常采用的a c 2 5i i 、a c 2 0i ； 下面层厚度通常为6 - - 一7 c m ，采用的a c 3 0i i 、a m 3 0 、a c 2 5i i 、a c 2 5i 、l h - 2 0 、 a c 2 0i 。 4 ) 基层结构类型 基层结构类型有：水泥稳定碎石、二灰砂砾、三灰稳定级配碎石。 2 2 沥青路面主要病害形式 2 2 1 裂缝类 山西省多条高速公路路面裂缝类主要有：横向裂缝、纵向裂缝、网裂与龟裂。 1 ) 横向裂缝 横向裂缝一般与道路中线近于垂直的裂缝，见图2 1 ，通常是因低温收缩或者半刚 性基层收缩裂缝造成的。 ( a ) ( 2 ) 纵向裂缝 图2 1 横向裂缝 纵向裂缝与道路中线大致平行的裂缝，见图2 2 。山西省道路的黄土路基不均匀沉 降、不均匀冻胀是诱发高速公路纵向裂缝的重要因素：如太旧高速公路某段由于路基不 均匀沉降出现了较长的纵向裂缝，裂缝长达8 0m ，宽达0 7 c m ；原太高速公路 k 19 0 + 6 0 0 , - - , k 19 0 + 7 0 0 路段上坡路段主车道连续纵向开裂。 4 长安大学硕士学位论文 纵向裂缝产生的原因有几种可能：一是沥青面层分幅摊铺时，幅与幅接茬处理不当， 在车辆荷载与大气因素作用下逐渐开裂；二是由于路基填挖压实度不均匀，比如在半填 半挖断面上，在路基自然沉降或在车辆荷载作用下形成的路面开裂；三是由于路基边缘 受水浸蚀导致不均匀沉陷而引起沥青路面的纵向裂缝。 图2 2 纵向裂缝 ( 3 ) 网裂相互交错的疲劳裂缝，见图2 3 。网裂是行车荷载反复作用的结果， 是沥青路面的一种结构性损坏。网裂在山西省各条高速公路上普遍存在，而且面积较大， 沥青路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的。 图2 3 网裂 网裂主要呈现网状分布，有大面积的也有局部范围的，其产生的原因比较复杂。大 面积的网状裂缝可能由于结构设计不合理，使路面整体强度不足，或者由于路基路面压 实度不足引起；沥青在施工期间加热温度过高以及在长期使用过程中的老化也会导致沥 5 第二章山两黄土地区沥青路面使用状况调查与分析 青路面产生大面积的网状裂缝。沥青混合料摊铺不均匀，矿料颗粒离析易造成局部空隙 率太大，大气降水容易渗入，基层局部强度降低，在车辆荷载作用下，沥青路面可发生 局部网状裂缝；基层施工质量不好( 如颗粒材料离析、结合料分布不均匀、含水量分布 不均匀造成的密实度不均匀等) ，在车辆荷载作用下，均可能造成路面的局部网状裂缝； 当沥青面层与基层顶面之间夹有松散薄层时，更易产生局部网状裂缝，并可能呈现明显 的行车推挤方向性。 2 2 2变形类 山西省多条高速公路路面变形类有：车辙、翻浆、沉陷、推移、拥包、波浪。 1 ) 车辙 车辙严重是山西省高速公路一个特点。调查结果表明车辙破坏是高速公路路面破坏 的一种主要现象。近年来，我国修建高速公路沥青路面的经验表明，沥青路面的车辙主要 出现在通车之后第一个夏季高温，之后基本稳定。从沥青路面产生车辙变形的规律可以看 出，控制沥青路面的初期变形非常必要。 产生车辙的原因如下：沥青混合料在高温季节强度降低，在车辆荷载的作用下产 生侧向位移；路面行车道表面磨损过度；路面设计弯沉过大，造成使用期限内整体 强度降低；高速公路交通量大，且渠化交通，受超重车影响大；基层水稳性能不好 使基层局部下沉。 2 ) 冻胀和翻浆 冻胀和翻浆也是种病害现象。冻胀翻浆现象与以下条件有关：水文条件，在地 面排水困难或地下水位较高的路段上，易发生冻胀翻浆现象；气候条件，多雨的秋天， 使冻前路基湿度较大；路基冻结缓慢，加剧了冻胀；春融期降雨，上层融解的过量水分 来不及排出路基；行车条件，春融期间，在强度已大大降低的路段上，通行过多过重 的车辆，极易产生翻浆；养护条件，不及时养护，例如表面积水，沿裂隙浸湿路面和 土基上层，会造成表面层的翻浆。 6 长安大学硕上学位论文 3 ) 沉陷 沉陷一般是因基层局部成形不足，强度不够，在行车载荷和自然因素等作用下形成 的。发生网裂的路面常常伴有沉陷现象。一般大面积沉陷是由于路基( 高填方路段) 不均 匀沉降或局部滑移而引起的。桥头跳车往往是由于桥台台背填土压实不够而引起路基不 均匀沉降，从而使路面产生沉陷，形成跳车。沉陷、桥头跳车主要是施工质量没有严格 控制所造成的，为此可采用新技术、新材料、新工艺，来加强填方的压实度，使其达到 要求。 4 ) 推移 夏季高温期间，在重车反复作用下，水平力较大路段( 主要大坡度路段) 下面层产 生变形，形成横向推移，如未及时灌缝，雨季雨水大量从裂缝处渗入路面，使病害进一 步发展。 2 2 3 表面破坏 山西省多条高速公路路面表面破坏：坑槽、泛油、松散。 1 ) 坑槽 路面中出现的碗状坑洞，坑槽通常是松散、龟裂等其他破损进一步发展的结果。 2 ) 泛油 混合料中的沥青向上迁移到路表面，形成一层有光泽的沥青膜。沥青含量过多，混 合料空隙过小，沥青的高温稳定性差等，是泛油产生的主要原因。 3 ) 松散 沥青逐渐从路面集料表面剥离并散失。松散主要是由于混合料中沥青偏少，沥青与 集料间粘附差，或者由于沥青老化产生的。 2 3 沥青路面典型病害原因 2 3 1 结构与材料设计方面 1 ) 半刚性基层的强度过高 7 第二章山西黄土地区沥青路面使用状况调查与分析 基层的强度主要依靠无机结合料的剂量，再加上我国路面设计主要以弯沉作为承载 能力设计指标，一般认为路面破坏是由于弯沉不足造成的。在这种设计思想指导下，容 许弯沉值随之也不断减小，规范对半刚性基层的强度要求也不断提高。再加上不少施工 单位监理人员，总认为强度越高越好，只控制下限，不控制高限，使工程实际的半刚性 基层强度更加高，但又算不上贫混凝土。大量的工程实践证明，半刚性基层的强度过高 将使基层开裂及反射性裂缝的问题更严重。 半刚性基层可能引起收缩裂缝问题确实是个无法改变的事实，尽管采取了增加碎石 用量，减少细颗粒及限制土的含量，取消了泥灰结碎石等类型，把石灰土等稳定细粒土 限制在下基层，努力控制施工含水量等一系列减少干燥收缩和温度收缩的措施，使路面 的收缩裂缝的反射缝有了明显的减少，间距有了明显的拉长。 2 ) 半刚性基层与沥青层之间的联结 路面设计规范规定路面设计是按照界面完全连续的界面条件考虑的，因为如果界面 条件不是连续的，按照现行的弹性层状体系的沥青路面设计理论，在沥青层底面将产生 非常大的拉伸应力和应变，它完全可有超过沥青混合料的极限拉伸应变，这对薄层的沥 青路面成为设计上无法通过的障碍。针对当时薄沥青面层的情况，规定不得将界面条件 规定为连续的。这样，沥青面层底部的弯拉应变逐渐成为不起控制作用的指标。 但是实际上，当沥青层渗水又不能通过基层扩散，滞留在基层表面的水将逐渐使基 层软化，形成泥浆时，沥青层和基层之间的界面条件将从想象中的连续状态变为滑动状 态或半连续半滑动状态。在这样能在荷载作用下早于基层首先发生弯拉开裂，并逐渐向 上扩展，成为破坏的根源。 3 ) 沥青混合料类型与路面结构层厚度不匹配 我国9 4 年施工规范规定表面层集料最大粒径不大于层厚的1 2 ，中下面层不大于 2 3 ，以及设计规范对适宜厚度的规定对高速公路有些不合适。美国以前规定结构层厚度 应不下于最大粒径的2 倍，现在s u p e r p a v e 提出宜为公称最大粒径的3 倍，澳大利亚要 8 长安大学硕士学位论文 求2 5 倍。按照层厚应不小于最大粒径的2 倍，或层厚不下于公称最大粒径的3 倍的规 定，集料粒径和最小层厚的关系如下表，一般宜按公称最大粒径的3 倍考虑，以利于压 实。 表2 2 混合料粒径与面层最小层厚 级配( a c a k a m s m a ) 1 01 31 62 02 5 公称最大粒径m m 9 51 3 21 61 92 6 5 最大粒径m i l l 1 3 21 61 92 6 53 1 5 3 倍公称粒径的最小层厚c m 34567 5 2 倍最大粒径的最小层厚c m 2 53456 中下面层混合料采用a c 3 0 或a c 2 5 型沥青混凝土，粒径大易造成离析，尤其是 全幅摊铺，压实层越薄越易形成空隙过大的局部区域，成为透水、积水和唧浆的场所， 容易导致沥青与集料剥离。 4 ) 沥青混合料设计空隙率偏大 根据美国公路联合攻关项目n c h r p l 7 4 “沥青路面水损害的研究 结论，沥青路面 空隙率在8 1 3 之间时，出现水损害的可能性最大。空隙率小于8 ，水不易渗透到沥 青路面中；空隙率大于1 3 ，水就会从连通的空隙中流走。当空隙率在8 1 3 时，渗入 沥青路面中的部分水不能流出，积存于路面中，将会引起路面损坏。 我国国家标准沥青路面施工及验收规范( g b 5 0 0 9 2 9 6 ) 规定：用于高速公路热 拌沥青混合料配合比设计的空隙率控制范围是i 型沥青混凝土为3 - 6 ，i i 型沥青混凝 土和抗滑表层空隙率为4 - 1 0 。而我国公路沥青路面设计规范规定的压实度标准为 不小于9 5 ，路面成型空隙率极有可能在8 - 1 3 之间，潜伏着水损害的危险。对于i 型 沥青混凝土，如果目标配合比设计空隙率为规范规定的中值4 5 ，那么压实度必须达 到9 6 3 以上，否则空隙率会超过8 。因此i 型沥青混凝土设计空隙率3 6 是偏大的。 2 3 2 施工方面 1 ) 原材料质量控制不严 9 第二章山两黄土地区沥青路面使用状况调查与分析 集料的质量是路面质量的关键，绝大多数工程的中下面层是从多个采石场收购，吃 “百家饭 的现象相当普遍。国外粗集料的质量控制是十分严格的，粒料干净，规格整 齐。而我国石料厂大部分对口房建使用，粗集料常有风化颗粒含量、针片状颗粒含量超 过规定的现象，颗粒组成一致性差、变化大，质量没有保证，使得室内试验确定的配合 比设计与实际路上的情况差别较大，导致沥青混凝土性质不稳定和部分早期损坏；上面 层虽然采用专门加工的抗滑石料，但由于石料选择不当，导致路面坑槽、松散的情况也 是有的。 解决粗集料质量差的问题，可借鉴抗滑表层用粗集料的做法，有专门的石料加工厂 加工粗集料，并跟踪检测集料质量，确保集料规格及质量，包括中下面层用石灰岩集料。 确定抗滑石料采石场须事先做好调查、试验研究工作。 2 ) 水泥稳定类基层质量控制不严 水泥稳定类基层质量差或成型不好，也是造成沥青路面早期损坏的主要原因之一， 施工中，往往注重配料、强度、平整度，而忽视了水泥的特性，混合料拌和后不能及时 压实、过碾压、养护不好、强度不足就开始铺筑下面层，均会造成水泥稳定类基层的松 散。因此，应该重视水泥稳定类基层的施工，掌握好水泥的凝结时间、用塑料布养护、 铺筑7 天后开始下一层的施工。 3 ) 沥青面层质量控制不严 ( 1 ) 施工温度 气温较低时，施工温度应适当提高。但经试验段或施工实践证明表明规定温度不符 合实际情况时，容许作适当调整。 ( 2 ) 摊铺宽度 宜使用履带式摊铺机采用较小的摊铺宽度铺筑。摊铺宽度不宜超过8 m ，以防止由 于输料的不均匀和熨平板边部振幅较大，造成边车道不平整。 ( 3 ) 摊铺速度 1 0 长安大学硕士学位论文 混合料的摊铺速度应调整到与供料速度平衡，必须缓慢、均匀、连续不间断地摊铺。 摊铺过程中不得随意变换速度或中途停顿。 ( 4 ) 碾压 摊铺后紧跟在摊铺机后面，尽可能高的温度状态下碾压。 ( 5 ) 接缝 混合料的铺筑应避免产生纵向冷接缝，横向施工缝应采用平接缝。对无法避免而产 生的纵向冷接缝，以及横向施工缝，采用刨缝方式时，宜在混合料尚未冷却结硬之前进 行。刨缝后应将接缝处清扫干净，方可铺筑新混合料。 4 ) 沥青面层现场质量检测指标 ( 1 ) 钻孔压实度指标偏低 路面钻孔取样，只检测压实度，使得有些混合料的压实度代表值满足规范要求，现 场钻孔试件的空隙率大于6 ，达到8 1 3 。 ( 2 ) 渗水试验 施工时不进行渗水试验，缺少对面层渗水进行有效的控制。 2 3 3 其它方面 1 ) 不利的气候条件 山西黄土地区冬季气温变化大，低温收缩引起的裂缝都比较严重这就要求沥青材 料具有一定的低温抗裂性，要求选择填土材料时避免用粉砂土和极细砂，同时做好路基 的排水设计。 2 ) 交通条件 山西高速公路超限车较多，加剧了对路面的损坏，渠化交通也就出现了车辙，同时 行车道部分的病害明显比超车道严重，所以应限制超限车。 3 ) 养护条件 高速公路因其交通量大更应该及时养护维修，初期裂缝的产生虽然对行车影响不 第二章山西黄土地区沥青路面使用状况调查与分析 大，但在行车和雨水的影响下会加速破坏，所以应及时进行维修。 因此，造成沥青路面破坏的原因是多方面的，除了黄土地区的自身特殊特点外，结 构层组合不合理、原材料差、沥青混合料配合比设计不当、压实不足、基层成型不好是 主要因素，因此，在沥青路面施工前，应对上述几方面着重考虑。 2 4 本章小结 通过选取典型路段进行路面结构与病害调查，可得如下结论： 1 ) 在路面结构方面，因层间粘结强度不足，引起路面结构层易脱离，造成沥青面 层拥包变形。并且，层间缺乏防水粘结层，路面雨水的侵入，引起路基的湿陷与脱空， 加剧了沥青面层的结构性破损。 2 ) 在路面材料方面，设计混合料空隙率偏大，路面雨水易渗入到沥青面层或基层 甚至路基，是路面破损的主要原因之一。 3 ) 在施工方面，工艺流程把握不严，混合料摊铺过程中离析现象较普遍，造成混 合料不均匀性。 1 2 长安大学硕士学位论文 第三章基于空隙率的沥青路面防水技术研究 3 1概述 空隙率是沥青混凝土的一项重要指标。空隙率过小，沥青混凝土在行车荷载的反复 作用下进一步压实，夏季高温时沥青膨胀会泛到表面，进而影响沥青混凝土的高温稳定 性和表面层的抗滑性能。空隙率大，沥青混凝土的透水性也大，水就容易进入沥青混凝 土内部或透过沥青面层到达半刚性基层顶面。在高速行车作用下，滞留在沥青混凝土层 内的自由水，产生反复的动水压力。动水压力容易使沥青剥落并唧出到表面，使沥青面 层产生松散和坑洞。由于空隙率过大而造成水损害已成为沥青路面早期破坏的最主要形 式。 空隙率对混合料性能的影响主要表现在：空隙率大了沥青与空气的接触面大，老 化快；水分滞留在孔隙内部，逐步造成沥青膜与集料的粘结力丧失、剥离，集料颗粒产 生剥落、掉粒，最后导致松散、坑槽；空隙率大的混合料，沥青结合料与矿料的协同作 用差，耐疲劳性能差，无论是荷载疲劳、温度疲劳都将受到严重影响。 空隙率与混合料的透水性关系密切，空隙率大的混合料透水性强。评价路面渗水性 的主要参数是渗水系数，它是一个反映单位时间使用标准仪器测得路面渗水量的指标， 能直观反映路面的抗水损害能力，渗水系数随空隙率的增大而增大。因此，为了提高耐 久性和透水性，减轻沥青的老化，减少混合料内部水分的滞留，提高沥青与矿料的协同 作用，就要求采用较小的空隙率，防止或减少水分进入沥青混合料内部，不致侵入到沥 青与集料的界面中去。 根据美国公路联合攻关项目n c h r p l 7 4 “沥青路面水损害的研究 结论，沥青路面 空隙率在8 1 3 之间时，出现水损害的可能性最大。空隙率小于8 ，水不易渗透到沥 青路面中；空隙率大于1 3 ，水就会从连通的空隙中流走。当空隙率在8 1 3 时，渗入 沥青路面中的部分水不能流出，积存于路面中，将会引起路面损坏。我国国家标准沥 青路面施工及验收规范( g b 5 0 0 9 2 9 6 ) 规定：用于高速公路热拌沥青混合料配合比设 计的空隙率控制范围是i 型沥青混凝土为3 面，i i 型沥青混凝土和抗滑表层空隙率为 4 - , 1 0 。而我国公路沥青路面设计规范规定的压实度标准为9 5 ，路面成型空隙率 极有可能在8 1 3 之间，潜伏着水损害的危险。对于i 型沥青混凝土，如果目标配合比 设计空隙率为规范规定的中值4 5 ，那么压实度必须达到9 6 3 以上，否则空隙率会超 过8 。对于抗滑表层，假如目标配合比设计空隙率为中值7 ，那么压实度必须大于 1 3 第三章基于空隙率的沥青路面防水技术研究 9 9 ，或小于9 4 ，但是压实度低于9 4 显然是不合理的，将会大大降低路面的耐久性 和抗车辙能力。 现在的问题是沥青混合料的空隙往往较大，提供了水分得以在沥青混合料内部安身 的地方。就山西省目前大部分高速公路的沥青路面而言，所采用最多的i 型、型级 配，在通常要求压实度9 6 的情况下，现场芯样空隙率较大。实际情况下，由于测试方 法、施工控制等原因使得现场芯样空隙率往往更大。 3 2 沥青混合料空隙率的计算方法 用马歇尔方法进行配合比设计时，空隙率指标主要是通过混合料理论最大密度和试 件实测密度求得，因此密度试验方法及其准确性、理论最大密度计算方法是影响计算空 隙率与实际空隙率是否吻合的关键。有必要探讨不同测试方法及计算方法所得到的空隙 率的关系，下面通过室内试验进行了对比。 3 2 1沥青混合料不同密度测试方法 在公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j0 5 2 2 0 0 0 ) 中，压实沥青混合料密 度试验方法有表干法、水中重法、蜡封法、体积法，表干法适用于测定吸水率不大于2 的沥青混合料试件，水中重法适用于测定几乎不吸水的密实的i 型沥青混合料试件，蜡 封法适用于吸水率大于2 的沥青混合料试件，体积法仅适用于不能用表干法、蜡封法 测定的空隙率较大的沥青碎石混合料及大空隙率透水性开级配沥青混合料，四种不同测 试方法比较见表3 1 。 1 4 混合料 类型 a c - 1 6 i s m a 1 3 s m a 1 6 a c 2 0 l i 2 5 0 5 2 5 1 5 2 5 2 3 2 5 0 9 2 5 l l 2 5 0 0 2 5 2 0 2 4 9 8 2 4 4 5 2 4 6 6 2 4 6 0 2 4 7 8 2 4 7 8 2 4 6 3 2 4 3 3 2 4 4 9 2 4 5 3 2 4 8 3 2 3 7 3 2 3 7 6 2 3 7 9 2 3 6 4 长安大学硕士学位论文 表3 1 不同方法混合料试件密度试验结果( s e r a ) 表干法 最大 值与 最小 值差 0 0 1 8 o 0 2 2 0 0 2 l o 0 1 5 0 0 5 0 0 0 1 5 2 5 1 3 2 5 0 7 | 2 4 5 7 2 4 7 3 2 4 5 5 2 3 7 3 重复 试验 差 o 0 0 6 0 0 1 6 | | 。 2 5 2 1 2 5 2 6 2 5 4 2 2 5 2 3 2 4 8 9 2 4 8 8 2 4 7 2 2 4 4 6 2 4 9 2 2 4 9 6 2 5 4 1 2 4 3 0 2 4 2 0 2 4 2 8 2 4 3 i 水中重法 最大 值与 最小 值差 0 0 2 l 0 0 1 8 o 0 1 8 0 0 1 7 o 0 6 8 0 o l l 0 0 0 8 2 5 2 8 巡 2 5 1 3 蟛 2 4 7 6 o 0 1 9 2 4 8 3 0 0 1 0 2 4 8 7 0 0 3 2 2 4 2 7 螋 2 4 6 7 业 重复 试验 差 o 0 1 5 o 0 0 7 2 5 1 6 2 5 0 6 2 5 2 6 2 5 0 6 2 5 1 2 2 5 2 l 2 5 2 4 2 4 8 8 2 5 0 2 2 5 0 l 2 4 9 7 2 3 8 9 2 4 0 0 2 4 0 9 2 4 1 9 注：表中带下划线的数值为该方法测定结果与表千法测定结果之差。 蜡封法 最大 值与 最小 值差 o 0 2 0 0 0 1 9 0 0 1 4 o 0 3 0 2 5 1 3 o 2 5 1 6 螋 2 4 9 7 咝 2 4 0 4 蜮 重复 试验 差 0 0 0 3 吸水率 ( ) 0 6 4 0 4 4 o 7 2 0 5 7 o 1 8 o 3 0 o 1 4 0 9 0 _，一-，-_，一 卵一乃一加一钉钉强0一oo一0一o一0 枷一一啪一一，一，一，一， 加肿加，一，一，一一枷姗，一，一， 平均值检测值平均值检测值 6735钉一如一记一如2222 6 4 7饷一牾一钉2 2 2 平均值检测值 试件编号 第一组 第二组 第三组 第四组一第一组一第二组一 第一组 第二组 第一组 第二组 第三章基于空隙率的沥青路面防水技术研究 表3 1 为采用不同方法测定的马氏密度及偏差值，表中a c 1 6i 、s m a 1 6 、a c 2 0 i 、a c 2 0i i 均为分档级配中值。分析表中数据可以得出： ( 1 ) 体积法测定i 、i i 型密级配沥青混凝土混合料、s m a 混合料试件密度，一 组试件的平行试验的最大差值均大于0 0 3 5 9 c m 3 ，偏差最小值较表干法、水中重法、蜡 封法测定的偏差最大值高0 0 1 3 9 c m 3 。因此，证明公路工程沥青及沥青混合料试验规 程中规定“体积法仅适用于不能用表干法、蜡封法测定的空隙率较大的沥青碎石混合 料及大空隙率透水性开级配沥青混合料 是合理的； ( 2 ) 对于密级配i 型混凝土混合料、s m a 细粒式混合料，测定的试件吸水率小 于1 5 ，采用表干法、水中重法、蜡封法测定试件密度，同一种方法测试的一组试件 的平行试验的最大偏差值小于0 0 2 2 9 c m 3 ，重复性试验的最大差值小于0 0 2 9 c m 3 ，重复 性试验的偏差小于平行试验的偏差。表干法测定的试件密度平均值与水中重法或蜡封法 测定的试件密度平均值的差值小于0 0 2 9 c m 3 ，试验精度可以满足a a s h t o 规定。说明 采用表干法、水中重法、蜡封法测定i 型密级配混凝土混合料试件密度的精度均能满足 要求。但考虑到一方面从理论上讲，采用水中重法测定沥青混合料试件是不合理的，从 试验数据也可看出没有不吸或几乎不吸水的试件，i 型密级配混凝土混合料试件最小的 吸水率为o 1 4 ，最大吸水率为1 1 8 ，用水中重法测定的试件密度也最大；采用蜡封 法测定试件密度精度较表干法、水中重法高，但试验步骤多、操作复杂。 ( 3 ) 对于a c 2 0 i i 沥青混凝土混合料试件，采用表干法、水中重法测定试件的密 度，一组试件的最大差值小于0 0 2 9 c m 3 ；采用蜡封法测定试件密度，一组试件的最大 差值小于0 0 3 9 c m 3 ，平行试验精度较高。但从理论分析，对于吸水率较大，蜡封时能 封住表面孔隙的试件，采用蜡封法测定的密度值更接近真值，从试验数据也可看出，测 定的试件吸水率平均值为2 2 8 ，由于吸水率较大，采用表干法测定的试件密度平均值 较蜡封法小0 0 3 1 9 m 3 ，相差较大，采用水中重法测定的试件密度平均值较蜡封法大 0 0 1 8 9 c m 3 ，相差较小但不合理，因此采用蜡封法为妥； ( 4 ) 对于s m a 中粒式混合料试件，测定的试件吸水率为1 5 7 ，由于中粒式s m a 混合料试件表面粗糙，试件吸水率大于1 5 两方面原因，表干法、水中重法平行试验 的偏差分别为0 0 3 4 9 c m 3 、0 0 2 2 9 c m 3 ，均大于蜡封法平行试验的偏差0 0 1 4 9 c m 3 ，因此， 测定s m a 中粒式混合料试件密度时采用蜡封法，精度更高。 通过以上分析，为了加强试验的可行性，提高试验精度，吸水率小于1 5 的密级 配沥青混凝土混合料、s m a 细粒式混合料密度宜采用表干法测定，吸水率大于1 5 的 1 6 长安大学硕士学位论文 密级配沥青混凝土混合料、s m a 中粒式混合料试件密度采用蜡封法测定。表面孔隙很 大，蜡不易封闭的如沥青碎石混合料试件，开级配沥青混合料试件等，密度采用体积法 测定。 3 2 2 最大理论密度的测定 沥青混合料的理论最大密度p 舢是压实沥青混合料试件体积全部为矿料( 包括矿料 自身内部的孔隙) 及沥青所占，空隙率为零的理想状态的最大密度。沥青混合料的理论 最大密度在混合料设计中用于计算空隙率等体积指标，也可用于计算路面压实度，作为 施工质量管理标准，因此该指标是否准确，对沥青混合料油石比的确定、沥青路面施工 质量具有重要意义。 理论最大密度的确定方法一般有两种：计算法和实测法。其中计算法是依据各种矿 料的密度( 表观密度或毛体积密度) 和沥青密度以及它们占矿料总质量的百分率，主要 有：1 ) 用集料毛体积密度计算；2 ) 用集料表观密度计算；3 )