（道路与铁道工程专业论文）小粒径沥青混合料结构组成机理及其性能的研究.pdf

摘要 小粒径沥青混合料结构组成机理及其性能的研究 摘要 研究生：程波 导师：赵永利 ( 东南大学交通学院江苏南京2 1 0 0 9 6 ) 目前，桥面沥青混凝土铺装结构层厚度通常为8 - 1 0 c m ；铺装层本身的重力作用加 上行车荷载会对桥梁结构的整体性能带来不利影响，采用薄层铺装层结构可以减少桥梁 恒载，同时薄层结构可以降低原材料的用量、便于维修，目前薄层结构已成为新的路面 研究热点。 为确保薄层结构的均匀性必须相应的减小混合料的粒径，但如何构建小粒径沥青混 合料以确保其性能满足桥面铺装的要求，目前尚无系统理论，因此本论文就此展开研究。 首先，通过对混合料级配的研究，提出了对于最大粒径9 5 m m 的混合料，其粗细 集料分界点应为1 1 8 n u n ，并给出了在级配设计时，其1 1 8 m m 关键筛孔的通过率宜为 2 8 3 1 ，并用试验方法对骨架结构进行优化； 其次，以分形理论为基础，对小粒径沥青混合料中的粗集料进行了级配设计；通过 对影响低温抗裂性的因素进行分析，找出对低温性能影响显著的细集料粒径，完成了细 集料的级配设计； 最后，在级配研究基础上，分别配制出了骨架密实型和骨架空隙型小粒径沥青混合 料，并对其性能进行了评价；并根据桥面铺装的结构特点，进行了含防水粘结层的双层 板结构的高温稳定性试验，结合桥面铺装的受力分析，最终，找出最佳的桥面薄层铺装 结构形式。 关键词：小粒径沥青混凝土；级配：骨架；分形；双层铺装结构 a b s t r a c t c o fs m a l l r t i c l e 。p h a l tm ixturqomoosition m e c h a n i s mo tm a l lp a r t i c l es i z ea s p h a l tm i x t u r e s a n dp e r f o r m a n c er e s e a r c h a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h es t r u c t u r eo ft h eb r i d g ed e c ka s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n tl a y e rt h i c k n e s si su s u a l l y8 lo c m ，g r a v i t yo fp a v e m e ma n dv e h i c l e sw i l lb ea d v e r s ei m p a c to no v e r a l lp e r f o r m a n c e ，p a v e m e n tu s i n g t h i n ，l a y e rs t r u c t u r ec a nr e d u c et h eb r i d g ed e a dl o a d ，w h i l et h i n - l a y e rs t r u c t u r ec a nr e d u c et h ea m o u n to fr a w m a t e r i a l s ，e a s ym a i n t e n a n c e ，t h i n l a y e rs t r u c t u r eh a sb e c o m en e wr e s e a r c hh o t s p o tt o d a y t oe n s u r eu n i f o r m i t yo ft h i n l a y e rs t r u c t u r e ，i tm u s tb ea p p r o p r i a t em i x t u r eo fp a r t i c l e s i z ed e c r e a s e s ，b u th o wt ob u i l das m a l lp a r t i c l es i z ea s p h a l tm i x t u r et oe n s u r et h a tt h e ym e e t t h er e q u i r e m e n t so fb r i d g ed e c kp a v e m e n t ，t h e r ei sn os y s t e mt h e o r yc u r r e n t l y , t h e r e f o r e ，t h i s p a p e rh a sa l r e a d yl a u n c h e ds e r i o u ss t u d i e s f i r s to fa l l ，t h r o u g ht h es t u d yo fa g g r e g a t eg r a d a t i o n ，i tc a nb ep r o p o s e dt h a ta g g r e g a t e s i z et h r e s h o l do fm a x i m u ma g g r e g a t es i z eo f9 5 m ma g g r e g a t e ss h o u l db e1 18 r a m ，a n d p a s s a g er a t eo f i t sk e ys i e v eo f1 18 m ms h o u l db e2 8 t o3 2 i nm i xd e s i g n ，a n do p t i m i z e t h es t r u c t u r eo ft h es k e l e t o nb yt e s tm e t h o d s ； s e c o n d ，t a k et h ef f a c m lt h e o r ya st h ef o u n d a t i o n , c a r r i e so nt h ec o a r s ea g g r e g a t e g r a d a t i o nd e s i g n ；t h r o u g ht ot h el o wt e m p e r a t u r ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n a l y s i s ，c o m p l e t e st h e f i n ea g g r e g a t eg r a d a t i o nd e s i g n ； f i n a l l y , i nt h ef o u n d a t i o no fg r a d a t i o nr e s e a r c h ，m a k e st h es m a l lp a r t i c l es i z es k e l e t o n d e n s ea n dt h es k e l e t o nc r e v i c eb i t u m i n o u sm i x t u r e ，a n dc a r r i e so nt h ea p p r a i s a lt oi t s p e r f o r m a n c e ，i na c c o r d a n c ew i t ht h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fb r i d g ed e c kp a v e m e n t ， c a r r i e do u t 、丽t 1 1w a t e r p r o o fb o n d i n gl a y e rs t r u c t u r eo ft h et w o t i e rb o a r do fh i g h t e m p e r a t u r e s t a b i l i t yt e s t ，c o m b i n a t i o no fb r i d g ed e c kp a v e m e n to fs t r e s sa n a l y s i s ，d i s c o v e r st h eb e s t c o m b i n a t i o nf o r m k e yw o r d s ：s m a l lp a r t i c l es i z ea s p h a l tc o n c r e t e ；g r a d a t i o n ；s k e l e t o n ；f r a c t a lt h e o r y ；d o u b l e d e c k s t r u c t u r e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：毒乏 立照 日 期一2 11 2 ：! ! 12 7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：锺i 起导师签名： 期： 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着国民经济持续高速发展，我国现代化公路基础设施建设于2 0 世纪8 0 年代中叶起步，1 9 8 8 年1 0 月底上海至嘉定高速公路的建成通车，实现了我国大陆高速公路零的突破，随后我国的高速 公路在短期内飞速发展，至9 0 年代，掀起了以“五纵七横”国道主干线规划为目标的高速公路建 设高潮，至2 0 0 7 年底，全国高速公路通车里程达5 4 万公里，仅次于美国居世界第二。 近年来我国公路桥梁建设快速发展，桥梁结构不断创新，大跨桥梁已很普遍，但桥面铺装的 设计与施工仍沿用依据经验而建立起的传统做法。传统的水泥混凝土桥面铺装多采用水泥混凝土 铺装层或沥青混凝土铺装层，不仅自重较大，同时由于未进行专项设计，其力学状态也不明确； 因此，随着交通量和重型车辆的增加，水泥混凝土桥梁铺装层的各种早期损害也越来越严重。这 不仅妨碍了正常交通，影响了桥面的美观，更易造成交通事故，也给维修工作带来了很大困难。 现有水泥混凝土桥面铺装层结构多采用水泥混凝土或沥青混凝土铺装层，其厚度多在1 0 c m 左 右，整体较为厚重；资料表明，国内外桥面沥青铺装层按照铺装结构主要可以分为三类：即同质 单层、同质双层和异质双层结构。 具体表现在： 浇注式沥青混凝土： 上层密级配沥青混凝土+ 下层浇注式沥青混凝土，以日本使用得最多； 上层密级配沥青混凝土+ 下层改性沥青s m a ，德国和日本均有使用； 上层改性沥青s m a + 下层浇注式沥青混凝土，以德国使用的较多； 上下层分别采用不同粒径规格的改性沥青s m a ； 上层环氧沥青混凝土+ 下层浇注式沥青混凝土； 环氧沥青混凝土。 针对水泥混凝土桥梁，并参考了若干钢桥面的铺装情况，本文调查了国内水泥混凝土桥面沥 青铺装层主要的结构形式，并将钢桥面沥青铺装层结构形式作为参考。 1 ) 汕头海湾大桥 汕头海湾大桥是一座预应力混凝土悬索桥，总长2 4 3 7m ，主跨7 5 2m 。该桥于1 9 9 5 年1 2 月 2 8 日通车。桥面铺装采用两层改性沥青混凝土施工：下层采用s m a 1 6 调平、上层采用s m a 1 3 罩面，初建时其桥面铺装层结构见图1 1 。 3 0 m m 改性沥青s m a 一1 3 4 0 5 0 m m 改性沥青s m a 一1 6 预应力混凝土桥面 图1 1 汕头海湾大桥初建时桥面铺装层结构形式 汕头海湾大桥建成通车约2 个月，即发现桥面铺装层产生了纵横向裂缝，于1 9 9 7 年进行了重 铺。 2 ) 邳州京杭运河特大桥 邳州京杭运河特大桥是连云港一徐州高速公路上的一座特大型桥梁，桥梁全长2 5 7 7 m 。其中， 主桥主孔跨径2 3 5 m ，为自锚式钢管混凝土中承式系杆拱桥，两个边孔跨径5 7 5 m ，为钢筋混凝土 肋拱构成的上承式拱桥；引桥结构体系为部分预应力混凝士组合连续箱梁。江苏省高速公路建设 指挥部与东南大学合作对邳州京杭运河特大桥桥面铺装结构形式进行研究，提出的铺装层结构见 图1 - 2 。 4 0 m m 纤维改性沥青a k 1 3 6 0 m m 纤维改性沥青a c 2 0 水泥混凝土桥面 图1 2 邳州京杭运河特大桥桥面铺装层结构形式 邳州京杭运河特大桥自2 0 0 2 年建成通车以来，质量良好。 3 ) 滨州黄河公路大桥 滨州黄河公路大桥是国道2 0 5 上的一座规模大，技术含量高的特大型混凝土箱梁桥。其主桥 东南大学硕士学位论文 为4 2 m + 4 2 m + 3 0 0 m + 3 0 0 m + 4 2 m + 4 2 m 三塔斜拉索桥。主梁采用双边三角形预应力混凝土梁，横隔 粱与斜拉索对应布置，边跨间距为6 ，5 m ，中跨间距为7 5 m 。主梁在中塔处与中塔固结，边塔处 半漂浮。山东省交通厅公路局与东南大学合作确定了滨州黄河公路大桥桥顽铺装层结构见图1 3 。 4 0 m m 改性沥青s m a 1 3 7 0 m m 纤维改性沥青a c 2 0 水泥混凝土桥面 图1 3 滨州黄河公路大桥桥面铺装层结构形式 滨州黄河公路大桥2 0 0 4 年7 月建成通车，目前运营情况良好。 4 ) 淮安大桥 淮安大桥位于淮安市西南郊，是宿淮( 宿迁至淮安) 高速公路与宁淮高速公路共用段的一座有 技术特色的特大预应力混凝土斜拉桥。双向六车道设计，其3 8 6 m 的宽度在目前国内同类型桥梁 中位居第一。其主桥为1 5 2 m + 3 7 0 m + 1 5 2 m 双塔双索面全漂浮体系斜拉桥。主梁采用双边箱断面， 边跨由双边箱变为单箱四室断面。横隔梁与斜拉索对应布置，每对斜拉索与主梁相交处均设在 0 3 5 m 厚的横梁附近。江苏省高速公路建设指挥部与东南大学合作确定了淮安大桥桥面铺装层结 构见图l - 4 。 4 0 m m 改性沥青s m a 一1 3 6 0 m m 纤维改性沥青a c 1 6 水泥混凝土桥面 图l _ 4 淮安大桥桥面铺装层结构形式 综上所述：国内已有的一些水泥混凝土桥梁沥青铺装层多采用双层铺装形式，总厚度在1 0 c m 左右。铺装上层注重沥青混合料的路用性能，如抗车辙、抗滑耐磨耗等，多采用改性沥青及加筋 纤维等措施，铺装下层多采用与桥梁连接线路面的中面层结构形式，对该层的沥青混合料没有提 出相应的技术要求，用法较为单一。从桥面铺装层的功能出发，它首先是起磨耗层作用。对抗高 温车辙变形来说，还需依赖中下面层。选用桥面铺装层的主要目的是解决路面的密水性、耐久性 与表面构造深度的矛盾，提高抗温缩裂缝的能力。关键是解决路面渗水问题，它对防止沥青路面 的水损坏起到重要作用。这就给我们指明了方向，如何力求减小集料的公称最大粒径，使桥面铺装 层的厚度适当减薄，而这在技术上是完全可行的。 1 2 国内外研究现状 在工业发达国家，随着经济的发展，交通量不断增加，对道路的需求量也随之增加，而环境 和安全问题已成为道路网建设中要考虑的重要因素。减薄沥青混凝土层厚度作为一种道路建设的 可持续发展战略，就是在这种背景下产生的。一般来说，薄层沥青混凝土面层是指用摊铺机摊铺 和用压路机碾压的单层热拌沥青混凝土，是介于“传统的磨耗层”和“石屑封层”之间的一种材 料，其代表厚度为3 0 - 4 0 m m 。薄层沥青混凝土面层主要用于延长路面寿命、改善行驶质量、修复 表面缺陷、提高安全特性( 如提高抗滑性、减少雨天漂水) 、降低噪音等路面功能。薄层沥青混凝 土路面不能作为路面结构强度的承重层，必须将其铺筑在结构强度足够的路面结构层上。 1 2 1 国外研究概况 ( 1 ) 法国的薄层沥青混凝土 法国的沥青漫凝表面层大致经历了以下四个阶段【1 1 ： 6 0 年代的5 0 8 0 r a m 厚的沥青混凝 土( b s s o ) ，对路面结构起增强作用；7 0 年代的3 0 - 4 0 m m 厚的薄层沥青混凝士( b b m ) ：1 9 8 6 年的2 0 3 0 m m 的非常薄沥青混凝土面层( b b t m ) 和1 5 2 0 m r n 厚的超薄层沥青混凝土面层 ( b b u m ) 。法国将薄层沥青混凝土b b m ( b e f o nb i t u m i n e u xm i n c e ) ，应用于新路的表面层和老路 面的养护，特别适合于重交通道路面层的养护j 。b b m 所选用的材料非常类似于s m a 沥青混合 料，两种混合料均为断级配，但在一些主要技术观点上则有所不同：与s m a 比较，b b m 是明 显的断级配，b b m 中的胶砂含量较少：0 0 7 5 r a m 以下粉料的含量少，一般为3 5 ，沥青结合 料含量少，一般为0 。5 一1 3 。因此b b m 不需要沥青流出抑制剂，如纤维。结合料常用纯沥青， 也可用改性沥青。道路中的b b m 的空隙率约为6 0 o - - 1 2 ，因此b b m 可能透水。为防止该层透 水，常用改性沥青在其下面作一粘层1 3 j 。由于空隙率高，b b m 非常粗糙，无须采取特殊措施即可 2 第一章绪论 保证高的抗滑能力。b b m 具有良好的平整度、高粗糙度、高耐久性和低噪音的高性能品质。b b m 有两种类型：b b m0 6 和b b m0 1 0 ，b b m0 6 即最大粒径为6 m m 的沥青混凝土，b b m0 1 0 是最 大粒径为1 0 m m 的沥青混凝土，其矿料级配组成见表1 1 。 表1 1b b m 的矿料组成 通过下列筛孔( r a m ) 的质量( ) 结合料 类型 1 06 3 4 o 2 00 0 8 沥青含量 油石比 a9 73 53 58 b b m 0 1 0b9 75 35 33 81 1 5 3 5 6 c9 7 5 3 5 33 8 8 b b m o 怨9 75 33 88 b b m 的一个重要特点是，表1 1 中的级配组成不是处方，仅仅是指导性的。一旦矿料级配组 成确定后，要按照要求的力学指标作混合料试验。规定的各个指到达要求后，才能使用该混合料。 b b m 采用了以使用性能为依据的混合料设计法。 在法国，非常薄面层( b b t m ) 和超薄面层( b b u m ) 不仅用于旧路养护上，还用于新建路面的表 面层，它适用于各种类型的路面：低速路和高速路，小交通量和大交通量，同时也可用于重载车 辆多的路段。非常薄面层( b b t m ) 和超薄面层( b b u m ) 主要用于满足路面的功能性要求而对路面结 构强度无多大增强作用，因此，其下面层的结构必需具有足够的结构承载能力，以及不存在结构 性能方面的问题。表1 2 列出了非常薄面层( b b t m ) 和超薄面层( b b u m ) 主要材料的组成。 表1 2 主要材料的组成表 非常薄层沥青混凝土非常薄层沥青混凝土 项目名称超薄层沥青混凝土 ( i 型)( i i 型) 6 1 0 m m 碎石或 4 - 6 m m 碎石 6 5 7 8 7 9 - 8 5 7 5 8 8 0 - 2 m m 沙砾 2 2 3 5 1 7 2 2 1 5 2 2 矿粉 7 9 4 7 4 8 沥青用量 6 2 6 7 5 0 ，5 5 5 8 6 4 ( 最大公称粒径为6 r a m ) 沥青用量 ( 最大公称粒径为1 0 m m ) 5 7 6 2 4 。5 6 5 5 o 5 8 厚度 2 0 - 3 0 m m2 0 - 3 0 m m1 5 - 2 0 m m 单位质量 4 0 - - 6 5 k g m 24 0 - - 6 5 k g m 22 5 - - 4 0 k g m 2 ( 2 ) 英国的超薄沥青混凝土 表1 3 标称1 0 r a m 混合料的集料级配 混合料类型超薄沥青混凝土 英国标准筛( m m ) 1 41 06 35 o2 3 61 1 80 60 30 0 7 5 通过率( ) 1 0 05 5 1 0 03 0 石52 0 5 51 5 4 51 0 3 57 3 05 2 5o 1 5 英国应用超薄沥青混凝土铺筑的试验路最早始于2 0 世纪9 0 年代初，大多数试验路段性能令 人满意，最初的低噪水平为3 - - 4 d b 。超薄沥青混凝土的最大粒径为1 4 m m ，面层空隙率为2 ，沥 青含量5 左右。其级配见表1 3 。 ( 3 ) 欧州的薄层沥青混凝土( 薄s m a ) s m a 是2 0 世纪6 0 年代中期前联邦德国开发的新型沥青混合料，为断级配骨架型密实混合料， 由大比例碎石( 粗集料) 构成坚固的骨架结构，并由丰富的沥青玛蹄脂填充骨架空隙进行稳定。 骨架结构具有优异的抗变形能力，沥青玛蹄脂使s m a 混合料具有高度的耐久性，粗糙的表面构 造使路面具有优良的抗滑性和较低的交通噪芦引。薄s m a 是由s m a 发展而来的，其厚度较薄， 3 东南大学硕士学位论文 铸筑在用乳化沥青喷洒而成的t a c k 层上 s j ，其特点是级配是间断约，沥青用量较密实型混合科豹 多，粗集料是1 0 0 破碎的并具有抵抗车轮磨耗的强度和耐久性。在欧洲和美国，其沥青用量 在6 。5 v 旷8 之间。在德国和美国，s m a 中一般只使用纤维，同时使用改性沥青的情况较少。欧 洲s m a 标准草案中s m a - 1 0 级配见表1 4 混合料中结合料含量在6 0 o - - 7 ，厚度为2 5 5 0 m m 。空 隙率初步建议在2 巧。 表1 4 欧洲s m a 规定级配范围 混合料类型s m a 一1 0 欧洲标准筛( m m ) 1 4n 21 08 o6 35 64 02 00 0 6 5 通过率( ) 1 0 09 0 1 0 03 0 5 02 0 3 08 1 2 ( 4 ) 美国的超薄沥青混凝土( o g f c 和n o w c b i p ) o g f c 是由2 0 世纪6 0 年代美国西部几个州的混合料封屠发展而来的。通常封层由最大公称 尺寸9 ，5 m m 和1 2 。5 r a m 粒料，在沥青混合料厂与较高用量的沥青拌和而成，铺设厚度1 5 2 0 r a m ， 这种厂拌封层具有碎石密封层同样的优点，美国西部几个州就开始在一般基层上铺筑厂拌封层解 决了诸如碎石松散的问题。在2 0 世纪7 0 年代早期，为提高道路表面的抗滑性，美国联邦公路局 ( f h w a ) 进行了研究，认为厂拌混合料封层是达到道路抗滑目的的一种手段之一，并且第一次提出 o g f c 这一术语。在沥青路面上铺筑o g f c 的主要目的是使道路使用者行车更为舒适和安全，以 及保护其他结构层不受水和行车的破坏【6 j 。o g f c 可以作为新建路面和修复路面的表层。对于中、 高交通量的新建路面，9 5 r a m 或1 2 5 m m 的o g f c 铺于h m a 基层或中面层上。作为旧路修复的 表层时，一般采用9 5 r a m 或12 ，5 m m 的o g f c ，铺筑厚度一般在2 0 m m 左右，采用聚合物改性沥 青，要求；旦路面有较好的结构链，没有或者裂缝细小。美国的n o v a c h i p 是超薄磨耗层，其始发于 1 9 8 6 年法国s c r e gr o u t e sg r o u p 的产品，它已成功用于欧于h 【7 i 。n o v a c h i p 是采用租集科断级配， 铺筑厚度为l o m m 2 0 m m 的超薄层沥青混合料，n o v a c h i p 铺筑在n o 、，a b o n d 表层上( 类似稀浆 封层) ，主要用于路面修复和预防性养护上，能提高表层抗滑性、耐磨性，并能抵抗车辙佯j 。n o v a c h i p 是一种特殊的断级配热拌沥青混合料( g a p - g r a d e d h m a ) ，其纹理非常类似于典型的开级配磨耗 层( o g f c ) ，它将是石屑封层、微表处及o g f c 可能的替代方案。美国于1 9 9 2 年首次引进了法 国的摊铺机械，在a l a b a m a 州修筑了两条n o v a c h i p 工程( 即t a l l a p o o s a 和t a l l a d e g a 试验路) ，其级 配组成见表1 5 。经过近四年的开放交通后，于1 9 9 6 年7 月对两试验路进行了检测，其路用使用 性能良好，其摩擦系数高于其它密级配沥青混合料，但局部出现了泛油现象。n o v a c h i p 在美国发 展迅速，到2 0 0 2 年止，美国有z 6 个州使用n o v a c h i p 作为罩面，其级配组成范围见表1 6 。沥青 用量在4 ，8 5 6 。 表1 51 9 9 2 年美国n o v a c h i p 试验采用的级配 沥青 筛孔直径( r a m )1 2 59 5 4 7 52 3 6 l 1 8o 6o 30 1 50 0 7 5 用量 ( ) 通砾石1 0 08 83 62 82 11 51 l854 7 过 t a l l a p o o s a 花岗岩 1 0 09 53 52 41 81 2975 25 ，2 ：b t a l l a d e g a 花岗岩1 0 09 94 02 51 51 31 085 35 ，了 表1 6n o v a c h i p 9 5 级配范围 混合料类型 n o v a c h i p 9 5 美国标准筛( 衄) 1 2 5 9 54 7 52 3 6 1 ，1 8 o 6o 30 1 5 0 0 7 5 通过率( ) 1 0 08 5 1 0 02 8 3 82 5 3 2 1 5 2 3 1 0 1 88 1 56 1 04 7 ( 5 ) 印尼的薄层沥青混凝土罩面层( l a s t i l ( a 沥青混凝- i - ) 针对水泥混凝土路面上的沥青罩面层，印尼开发了一种超薄路面罩面层l a s t i k a ，l a s t i k a 是一种薄( 2 0 4 0 m m ) 而相糙( 具有凹纹理的) ，采用一种特剔的聚合物沥青即s u p e r f l e x 改性沥 青结合料的热拌混凝土的路面罩面层，有不变形和高粘着性的特点，作为薄层罩面。它能保护刚 4 第一章绪论 性路面( 水泥混凝) 或柔性路面( 沥青混凝土) ，从而使路面平整、防水、防滑和富有弹性。印 尼采用l a s t i k a 罩面层做的路面，最长的用了8 、9 年。在雅加达市中心到港口的一条高速公路 上也采取了这种罩面层，交通量在2 0 万辆天，也有超载车辆，重载车辆为2 0 一- - 3 0 ，路面使 用情况良好。印尼l a s t i k a 级配组成范围见表1 7 。 表1 7l a s t l k a 级配组成范围 混合料类型 l a s t i k a 级配 美国标准筛 1 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 6o 3o 1 50 0 7 5 ( m m ) 通过率( ) 1 0 07 5 1 0 03 5 5 52 0 3 51 3 2 81 0 - 2 26 1 6 4 1 24 l o 1 2 2 国内研究现状 我国对薄层沥青混凝土路面的研究起步较晚。在2 0 世纪9 0 年代中后期，由于我国有相当一 部分的公路已经进入或即将进入维修养护时期，薄层沥青混凝土罩面正是随着我国公路运输事业 的发展需要而产生的。我国目前对于薄层沥青混凝土罩面的运用研究主要有以下一些。 ( 1 ) s m a 薄层罩面 s m a 在我国的运用始于1 9 9 2 年，在建设首都机场高速公路的过程中首次使用了改性沥青及 s m a 技术，经过组织人员对欧洲s m a 技术进行考察学习后，对s m a 技术与我国的国情有了更 清楚和深刻的了解。从1 9 9 8 年开始，交通部组织了s m a 技术推广工作。公路沥青路面施工技 术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 已经将s m a 正式列入规范。 尽管s m a 技术在我国取得了长足的进步，但主要运用于新建高速公路的抗滑表层。关于高 速公路旧沥青路面的维修养护采用何种方案进行罩面是广大道路工作者比较关心的问题。我国在 上世纪9 0 年代修筑的高速公路沥青路面大部分已经进入了大、中维修期，进行大规模的罩面已经 迫在眉睫。1 9 9 7 年，为迎接香港回归和“十五大”的召开，北京市对长安街路采用了改性沥青 s m a 1 0 进行加固维修，其维修工程，东起建国门桥，西至于南礼士路口，全长7 5 k m ，道路面 积2 8 万m 2 。东单路口一西单路口段快车线及各路口停车线部分，先铣刨4 c m ，再加铺4 c m 普通 沥青中粒式底层，最后全线快车道加铺3 c m 改性沥青s m a 1 0 混合料面层p 1 。1 9 9 4 年正式通车的 广深高速公路全线开放交通以来，已营运了7 年多的时间。根据理论推算和实际检测，广深高速 公路路面的结构强度是完全达到规范要求的，但是表面层4 c m 厚的沥青混凝土抗滑层已经出现不 同程度的老化现象，因此2 0 0 2 年对广深高速公路全线进行了薄层s m a 罩面，经过一年多的运营， 情况良好【1 。1 。 ( 2 ) 多碎石沥青混凝土( s a c ) 多碎石沥青混凝土( s a c ) 是指4 7 5 m m 筛孔以上碎石含量占主要部分的密实式粗集料断级 配沥青混凝土。1 9 8 8 年7 5 2 4 0 1 0 l 专题，在沙庆林院士主持下首次提出并在京珠高速公路正定 试验路上采用s a c 1 6 作为沥青路面表面层，其后在西三一级公路及西临高速公路上分别修筑了 实体工程，取得了相当成功的经验。室内试验及现场实践证明，多碎石沥青混凝土的使用性能达 到了预期的目的，既能提供要求的表面构造深度，又具有较小的空隙率，同时具有良好的抗车辙 与永久变形的能力。用于高速公路薄层罩面的多碎石沥青混凝土主要有s a c 一1 3 及s a c - 1 0 。根据 交通部执行的行业标准公路沥青路面设计规范( j t gd 5 0 2 0 0 6 ) 要求，s a c 1 3 适用于厚度在 4 c m 左右的罩面，实际上适用于厚度3 c m - 4 c m ；而s a c 1 0 适用于厚度在2 5 c m - 3 0 c m 的薄层罩 面，实际上适用于厚度1 5 c m - 2 0 c m 。2 0 0 0 年5 月济青高速公路南段在行车道上用s a c 1 0 铺筑 了2 4 0 0 延米薄层罩面层，以改善泛油路段沥青面层的抗滑性能。薄层沥青混凝土罩面层的实际厚 度平均为2 5 c m 。2 0 0 2 年根据广深珠高速公路有限公司的建议，在广深高速公路南行线 s k l 9 + 3 4 5 s k l 9 + 4 8 8 、s k 2 0 + 2 4 0 s k 2 0 + 9 0 0 共修筑8 0 3 m 厚3 c m 的s a c 1 0 薄层沥青混凝土罩面 试验路。罩面前先铣刨旧沥青路面3 c m ，然后在铣刨的路面上洒布改性沥青和撒布单一粒径碎石 做防水粘结层，再进行3 c m s a c 1 0 薄层沥青混凝土的铺筑施工。经过一年多的行车碾压后薄层罩 面沥青混凝土的抗滑性能仍能满足设计要求，使用效果良好。2 0 0 3 年为恢复石安高速公路的路面 行驶功能，在石安路上铺筑了厚2 0 m m 的s a c 1 0 超薄层沥青混凝磨耗层【1 1 1 。 ( 3 ) 超薄沥青混凝土罩面 2 0 0 1 年，交通部公路科学研究院承担了交通部西部交通建设科技项目，超薄层沥青混凝土面 5 东南大学硕士学位论文 层技术研究。该项目采用室内试验研究和现场实体工程研究，取得了以下主要研究成： 1 ) 研究了超薄沥青混合料的级配组成和配合比设计：超薄层混合料的物理力学特性和路用性 能，提出了超薄层沥青混合料的设计指标和方法。 2 ) 研究了沥青混凝土薄面层结构组合及设计参数，提出了超薄层沥青混凝土与改性沥青防水 层相结合的薄面层铺装结构。 3 ) 在广东、河北、四川、贵州等地，涉及到华南地区、西南地区、轻冰冻地区，三个气候片 区，修筑总长近2 3 公里的试验路和实体工程。采用的混合料级配有：s a c l 0 、o g e l 0 、s m a l 0 、 s m a l 3 、s u p l 0 等；公路等级：高速、一级、二级及城市道路。在施工实践基础上提出了超薄沥 青混凝土设计施工技术指南。 1 3 国内外研究现状总结 国内外对薄层铺装沥青混合料的研究已投入大量的人力、物力和财力，取得了丰富的经验， 目前主要有s m a 型的薄层沥青混凝土，多孔隙型超薄层沥青混凝土( o g f c ) ，法国的薄层沥青 混凝土( b b m ) 、很薄沥青混凝土和超薄沥青混凝土，美国的n o v a c h i p 及我国的s a c 型薄层沥 青混凝土，将小粒沥青混凝土用于桥面铺装，由于公称最大粒径的减小将会导致摊铺厚度的降低， 可以大大的减少了桥梁结构的恒载，并由于其粒径较小，拌和摊铺中不易发生离析现象，同时高 温稳定性好，不透水，具有较好的表面构造深度，并且施工进度快，这些性能特点使小粒径沥青 混合料能解决传统桥面铺装中所面临的一些问题。小粒径沥青混凝土还可以用于老路路面抗滑性 能的恢复，作为路面的预防性养护或轻微、中等病害的表面处理时，可以延长道路8 1 0 年的使 用周期。小粒径沥青混凝土路面可以减少摊铺厚度，降低工程造价，同时还可以降低渗透性，较 之常规s m a 路面，其表面更平滑。在旧桥改造中，由于标高、承载力等的限制，对桥面铺装层 的加铺层厚度提出了更严格的要求，更适宜采用超薄铺装层结构。对水泥混凝土桥面的超薄铺装 层技术进行系统研究，不仅有助于显著减小桥梁的恒载，而且有助于改善桥面铺装的性能并延长 使用寿命。 图1 5 国外各种典型薄层材料级配 由于国外各种薄层材料的提出，主要是解决本国交通所面临的问题，因恧它们提出的各种级 配都有所差异，同时由于它们与我国的自然气候及交通环境也有所不同，将其直接引入国内还会 面临种种问题，如我国夏季温度比德国高很多，如果将其小粒径s m a 材料直接引入中国，难免 会发生高温稳定性不足的问题，可见，由于我国与国外各国存在着气候与环境的不同，路面使用 的原材料品种不同，试验条件也存在差异，因此将国外薄层沥青混合料引入我国还必需进行大量 的研究与探讨。 桥面铺装虽属于桥梁附属工程，但其使用品质对整个桥梁，乃至整个路网均有巨大影响。因 此，开展桥面铺装技术的研究对于提高桥面使用品质、延长桥面使用寿命都具有巨大意义。采用 超薄结构可以降低原材料的用量，同时便于维修，符合可持续发展的社会需求。目前，虽然已有 了部分对于桥面超薄铺装的探索性应用，但该项技术的系统研究仍处于空白状态，如桥面超薄铺 装技术的应用条件、超薄铺装结构设计方法、超薄铺装层的混合料配合比设计及施工控制等等： 因此，为了进一步提高水泥混凝土桥面铺装层结构的性能、规范桥面超薄铺装层技术的应用，应 该结合理论与实践，开发适合我国国情的薄层桥面铺装材料。 6 第一章绪论 1 4 主要研究内容 本文以最大粒径为9 5 r a m 的小粒径沥青混合料为研究对象，主要研究内容为： 1 ) 小粒径沥青混合料的构成机理，找出最大粒径为9 5 r a m 的小粒径沥青混合料粗细集料的 分界点，并用试验方法对骨架进行优化； 2 ) 小粒径沥青混合料的级配设计，以分形理论为基础，对粗集料进行级配设计；对影响低温 抗裂性的因素进行分析，找出对低温性能影响显著的细集料，完成细集料的级配设计； 3 ) 小粒径沥青混合料的配合比设计，分别制出小粒径骨架密实型和骨架空隙型沥青混合料， 并对其性能进行评价； 4 ) 对小粒径骨架密实型和骨架空隙型沥青混合料进行复合结构设计，进行桥面铺装的模拟受 力分析，找出性能优越的组合。 7 第二章小粒径沥青混合料主骨架设计 对于细粒式沥青混合料粗细集料的分界点一直是学术界讨论的一个问题。很多专家认为，采用 混合料集料公称最大粒径的l 4 倍作为粗细集料的分界点【1 2 1 ，对于最大粒径小于等于9 5 m m 级配来 说，粗细集料的分界点为2 3 6m m ，大于2 3 6m m 为粗集料，小于2 3 6m m 为细集料。我国现行的 公路工程集料试验规程( j t g e 4 2 2 0 0 5 ) q b 规定，在沥青混合料中，粒径大于2 3 6m m 的颗粒定 义为粗集料，粒径小于2 3 6m m 的颗粒定义为细集料【l 姒。将集料划分为粗集料和细集料，既有利于 质量控制，又有利于对混合料的结构进行分析。在对混合料的结构分析中，普遍认为粗集料构成了 混合料的骨架结构，承担着主要的荷载，而细集料起填充作用，提高了混合料的密实度，一般认为 增加粗集料的用量有助于增强混合料的骨架结构，提高夏季高温季节的抗车辙能力。近年来逐渐兴 起的s m a 混合料中，普遍将4 7 5m m 作为粗细集料的划分标准，并以4 7 5m m 筛孔的通过率作为 控制s m a 级配的重要参数。 作为沥青混合料强度重要来源的内摩阻力，受集料粒径和粒径组合的显著影响，因此选择适宜 粒径的颗粒构成混合料的骨架结构是级配设计的重点。在传统理论中，通常认为矿质混合料内的粗 集料构成了骨架结构，是沥青混合料内摩阻力的主要来源；、但目前对粗细集料的划分标准却并不统 一。 首先，在研究粗细集料以前，须明确粗细集料本没有明确的分界，分界纯粹是为了统一标准， 便于研究与应用的一致性。因为集料颗粒本身是一个连续体，其分布较准确的描述是用分布函数描 述。公路行业为了简便起见，才用一定的筛孔对颗粒进行粗划分，虽然起到了一定的区分，但筛分 曲线仍然只是一种很粗糙的描述颗粒分布的方法，所以经常同样的级配，同样的材料做出来的试验 结果差别很大，这也是其中一个因素。比如，同样9 5 _ 4 7 5 m m 颗粒，是偏9 5 m m 颗粒多还是偏 4 7 5 m m 多直接影响试验结果，如果每档都存在这样的问题，那么虽然数字上看是同样通过率的级配， 但实际上根本就已不是同一级配了。近年来逐渐兴起的s m a 混合料中，普遍将4 。7 5 m m 作为粗细集 料的划分标准，并将4 7 5 m m 筛孔的通过百分率作为控制s m a 级配的重要参数。贝雷法则以 0 2 2 n m a s ( 最大公称粒径) 作为粗细集料的分界点，最大公称尺寸不同的混合料具有不同的粗细集料 划分点。由此便产生了粗细集料划分标准的不统一。因此，国内外对粗集料的划界标准一直有争议， 现在比较定量并且认可度较高的是贝雷法对粗细集料的划分。贝雷法对租细集料的定义傲了如下解 释：粗集料一置于单位体积中产生空隙的大集料颗粒；细集料一在混合料中填充由粗集料产生的空 隙的集料颗粒【1 4 1 。 由上面的定义看出，区分粗细集料的关键在于找到起骨架作用的集料颗粒与起填充骨架空隙作 用的集料颗粒的分界点，也就是要明确混合集料中大集料产生空隙的特征直径是多少，何种粒径的 小集料可以填充其中，显然这个特征直径是随公称最大粒径的不同而变化的。因而传统方法对粗细 集料的划分仅仅以单一筛孔4 7 5 r a m 或者2 3 6 m m 为界是不适宜的。贝雷法通过研究后认为，混合料 中粗细集料区分应以最大公称尺寸的0 2 2 倍所对应的相近尺寸筛孔孔径作为分界点。若以贝雷法为 依据，则公称最大粒径9 5 m m 粒料的粗细集料分界点应定为2 3 6 m m 。 2 。1 小粒径沥青混合料粗细集料划分标准 为确定小粒径沥青混合料中，粗细集料的划分标准，本论文对不同粒径的矿料进行了贯入阻力 试验；试验目的是寻求小粒径沥青混合料中骨架的形成规律，根据骨架的特点，在混合料受力时， 大部分力应该是由骨架来承受，而小的填充颗粒则不受力或者受很小一部分力，因此在外力很大时， 形成骨架的颗粒会抵抗大部分外力的作用，而填充的颗粒受到很小的外力，当用不同粒径进行混合 后，进行贯入阻力试验，对试验结果进行分析，由颗粒对贯入阻力的提高是否有显著影响来判断该 档集料是否是构成骨架的集料【l 引。 为了测试小粒径沥青混合料骨架的受力规律，首先对4 7 5 m m 、2 3 6 m m 、1 1 8 m m 和0 6 m m 单 一粒径的集料进行压碎试验( 试验所用石料为玄武岩) ，得到每一种石料的受力破碎规律；各档集料 的贯入阻力试验结果如图2 1 所示： 8 第二章小粒径沥青混合料主骨架设计 图2 - 1 不同粒径集料的贯入阻力 由图2 1 可以看出，随着贯入深度的增加，集料的贯入阻力也在增加，4 7 5 m m 与2 3 6 m m 的集 料贯入阻力增加很快，4 7 5 m m 集料的贯入阻力约为1 1 8 m m 和0 6 m m 的1 0 倍。由图2 1 可以看出， 粒径较大的集料对提高集料的内摩擦角的作用比较明显，要想获得较大的内摩擦角，4 7 5 m m 颗粒的 含量应该适当的多一些。 由前面的试验已知第一档4 7 5 m m 颗粒对抗剪强度影响最大，为了考察加入的细料对4 7 5 m m 颗 粒抗剪强度的影响，本次试验在固定第一档粗料4 7 5 m m 颗粒用量的基础上，分别掺加不同用量的 细料，看其对贯入阻力的影响，分别掺加不同比例的2 3 6 m m 颗粒，结果如图2 - 2 所示： 图2 24 7 5 m m