（道路与铁道工程专业论文）陡长坡路段多尺度效应抗车辙沥青混合料研究.pdf

摘要 车辙病害己成为我国沥青路面早期损坏的主要形式，而陡长坡路段由于特殊的纵坡 条件，车辙病害更加严重，极大地影响了行车安全。随着高速公路向山区的延伸，路段 中出现陡长坡的情况已不可避免，因此开展陡长坡路段沥青混合料抗车辙性能研究不仅 必要，而且十分迫切。 论文针对陡长坡路段纵坡大，车速慢的特点，根据时温等效原理，研究了车速与温 度对沥青混合料抗车辙性能的等效作用。研究表明，车速由s o k m h 降至2 0 k m h 相当于 温度由6 0 升至7 2 8 ，这对沥青混合料性能提出了更高的要求。通过现场调查，对 车辙空问分布特征和车辙影响规律进行了研究，进而分析了陡长坡路段车辙形成过程， 认为须从沥青胶浆高温流变特性、细集料合理填充、粗集料骨架稳定性三个方面提高混 合料的抗车辙性能。借助s u p e r p a v e 对沥青胶浆研究的方法，研究了粉胶比、温度对沥 青胶浆高温流变特性的影响规律，并根据陡长坡路段的特点，对慢速荷载条件下沥青胶 浆的高温流变特性进行了研究。从细集料填充的角度入手，研究了沥青混合料的抗车辙 性能，首先提供以细集料填充为主的沥青混合料设计方法，然后对不同细集料填充效应 下的沥青混合料抗车辙性能进行研究，最后提出优化设计方法。从粗集料形成骨架角度 入手，在分析国内外骨架研究进展的基础上，采用均匀试验对粗集料骨架形成识别和骨 架稳定性进行研究，最后提出优化设计方法。 本文从多角度、不同尺度研究了影响陡长坡路段沥青混合料抗车辙性能的因素，给 出了提高沥青混合料抗车辙性能的途径，并优化了爬坡路段混合料设计方法。 关键词：陡长坡路段、车辙、慢速荷载、时温等效、沥青胶浆、细集料填充效应、粗集料骨 架识别、粗集料骨架稳定性 a b s t r a c t r u t t i n gh a sb e e no n e o fm a j o re a r l yd i s e a s e si na s p h a l tp a v e m e n t i ti sw o r s ei nl o n ga n d s t e e ps l o p es e c t i o n sb e c a u s eo fs p e c i a ll o n g i t u d i n a ls l o p e ，w h i c hh a sas t r o n ge f f e c to nt r a f f i c s a f e t y t h el o n ga n ds t e e ps l o p es e c t i o n sa x eu n a v o i d a b l ea sf r e e w a ye x t e n d st o m o u n t a i n a r e a s t h e r e f o r e ，s t u d y i n gt h er u t t i n gr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ei nl o n ga n d s t e e ps l o p es e c t i o n si sn o to n l yn e c e s s a r y , b u ta l s ou r g e n t t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so fl o n ga n d s t e e ps l o p es e c t i o n sa r el a r g el o n g i t u d i n a ls l o p ea n d l o wt r a f f i cs p e e d t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ee q u i v a l e n ti n f l u e n c eo fs p e e da n d t e m p e r a t u r e o nt h e r u t t i n g r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e o f a s p h a l t m i x t u r eb a s e do nt h e t i m e - t e m p e r a t u r ee q u i v a l e n tp r i n c i p l e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef a l l so fs p e e df r o m8 0 k m h t o2 0 k m hi se q u a lt ot h er i s e so ft e m p e r a t u r ef r o m6 0 ct o7 2 8 c ，w h i c hb r i n g sh i g h e r r e q u e s t sf o ra s p h a l tm i x t u r e i no r d e rt oa n a l y z et h er u t t i n gf o r m a t i o nm e c h a n i s mi nl o n ga n d s t e e ps l o p es e c t i o n s ，s p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr u t t i n gi n f l u e n c el a ww e r es t u d i e d b yr u t t i n gi n v e s t i g a t i o n t h e n ，t h ec o n c l u s i o ni s t h a tt h er u t t i n gr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo f a s p h a l tm i x t u r es h o u l db ei m p r o v e df r o mt h r e ea s p e c t s ：h i i g ht e m p e r a t u r er h e o l o g i c a l b e h a v i o ro fa s p h a l tm a s t i c , r e a s o n a b l ef i l l i n go ff i n ea g g r e g a t e sa n ds k e l e t o ns t a b i l i t yo f c o a r s ea g g r e g a t e s r e g a r d i n ga s p h a l tm a s t i ca sr e s e a r c ho b j e c t ，t h ee f f e c tl a wo ff i l l e rt o a s p h a l tr a t i oa n dt e m p e r a t u r et ot h ea s p h a l tm a s t i c sh i g ht e m p e r a t u r er h e o l o g i c a lb e h a v i o r w a ss t u d i e du s i n gs u p e r p a v em e t h o d so na s p h a l tm a s t i c a n dt h er h e o l o g i c a lb e h a v i o ro f a s p h a l tm a s t i cw a ss t u d i e du n d e rl o ws p e e da c c o r d i n gt ol o n ga n ds t e e ps l o p es e c t i o n s c h a r a c t e r i s t i c s r u t t i n gr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ew a ss t u d i e df r o mf i n e a g g r e g a t e sf i l l i n g t h i ss t u d yp r o c e s si n c l u d e st h r e es t e p s ：f i r s t l y , t h ed e s i g nm e t h o do f a s p h a l tm i x t u r ew h i c hw a sm a i n l ya r o u n df m ea g g r e g a t e sf i l l i n gw a sp r o v i d e d ；s e c o n d l y , r u t t i n gr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ew a ss t u d i e du n d e rd i f f e r e n tf i n ea g g r e g a t e s f i l l i n ge f f e c t ；i nt h ee n d ，a no p t i m u md e s i g nm e t h o dw a sp u tf o r w a r d t h ed i s s e r t a t i o n s t u d i e dc o a r s ea g g r e g a t e ss k e l e t o nf o r m a t i o nr e c o g n i t i o na n ds k e l e t o ns t a b i l i t yu s i n gu n i f o r m t e s to nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h es k e l e t o ns t u d yp r o g r e s sb o t ha th o m ea n da b r o a df r o m c o a r s ea g g r e g a t e ss k e l e t o n ，a n da no p t i m u md e s i g nm e t h o dw a sp u tf o r w a r da tl a s t t h ei n f l u e n c ef a c t o r sf o rr u t t i n gr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ei nc l i m b i n g s e c t i o n sw e r es t u d i e df r o mm u l t i a n g l e sa n dd i f f e r e n ts c a l e si n t h i sd i s s e r t a t i o n t h ew a yt o i m p r o v er u t t i n gr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ew a sp r e s e n t e d ，a n dt h ed e s i g n m e t h o df o ra s p h a l tm i x t u r ei nc l i m p i n gs e c t i o n sw a s o p t i m i z e d k e yw o r d s ：l o n ga n ds t e e ps l o p es e c t i o n s ，r u t t i n g ，l o ws p e e dl o a d i n g ，t i m e - t e m p e r a t u r e e q u i v a l e n tp r i n c i p l e ，a s p h a l tm a s t i c ，f i n ea g g r e g a t e sf i l l i n ge f f e c t ，c o a r s ea g g r e g a t e ss k e l e t o n r e c o g n i t i o n ，c o a r s ea g g r e g a t e ss k e l e t o ns t a b i l i t y h i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其它个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j b 叼，先7 ，7 年妇7 p 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名澎阂易加穸年朔7 7 日 导师签名： 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 从1 9 8 8 年沪嘉高速公路建成通车至今二十多年的时间里，我国高速公路总体上实 现了持续、快速和有序的发展，特别是1 9 9 8 年以来，国家实施积极的财政政策，高速 公路得到快速发展，年均通车里程超过了4 0 0 0 公里，到2 0 0 8 年底，中国高速公路通车 里程突破6 万公里，继续保持世界第二。高速公路的发展，极大提高了中国公路网的整 体技术水平，优化了交通运输结构，对缓解交通运输的“瓶颈”制约发挥了重要作用， 有力地促进了中国经济发展和社会进步。 高速公路规模化发展的同时伴随着出现了各种早期损害，车辙是其中最主要的一 种。根据国际上的统计，在沥青路面的维修养护中，大约8 0 是因为车辙变形【。与开 裂、水损坏相比，车辙的危害性更大，直接危害交通安全。同时车辙损坏的维修最为困 难，因为车辙不仅发生在表面，也经常危及中下面层，这就是世界各国在沥青路面的损 坏中，历来把防治车辙放在第一位的原因。 车辙是沥青路面特有的损坏现象之一，一般表现为在汽车荷载的反复作用下道路纵 向轮迹带的凹陷，而两边明显有隆起现象。主要是由于沥青路面混合料被压密和剪切变 形而引起的，通常发生在面层，有时基层也会出现。车辙形成可以分为三个阶段，分别 为：压密阶段、流动变形阶段、剪切破坏阶段。 我国早期修建的高速公路车辙并不严重，而近年来修建的高速公路的车辙问题则明 显要严重的多，其原因有三： ( 1 ) 夏季高温的情况相比以前更严重，各地隔几年就能遇到一次原先几十年才能 遇到的高温天气，且持续时间特别长? ( 2 ) 与汽车荷载有关，当初许多高速公路尚未连成网，交通量也不是很大，重载 车辆相对现在来说要少的多，那时候虽然车辙也都普遍存在，但并不很严重，没有现在 如此引人关注。例如，比较典型的是山东省的济青高速公路，在尚未与京沪、京福高速 公路贯通的阶段，存在程度不同的泛油现象，但车辙并不大。但就在2 0 0 2 年与京福高 速公路贯通后，济青高速公路的车辙大幅度增加，车辙在一年之间就变得十分严重。这 其中，与超限超载车辆的大幅度增加有直接关系，这是经济发展转型期的普遍现象，但 必须引起重视【。 第章绪论 ( 3 ) 在山区、丘陵区的连续爬坡路段，由于许多重载车的车况较差，车辆爬坡能 力差而影响车速，使荷载作用时间成倍延长，按照时间变形的累积原理，或时温等效原 理，车速降低与温度升高足同等的，因而车辙也较为严重，成为交通瓶颈。 上述原因仅仅是车辙形成的外部因素，在温度、交通条件差不多的同一地区或同一 高速公路上，车辙的发生有时也很不均匀，有的路段十分严重，有的路段较轻微，有的 路段几乎没有车辙。这主要是由材料、施工等内部因素影响的。材料方面最主要的是沥 青结合料的粘度低，高温性能差，而导致沥青路面抗车辙能力降低。在矿料方面主要是 细集料的用罱和性质有关。沥青混合料的配合比设计方面原因，例如沥青用量偏多，矿 料级配嵌挤力不足等。施工变异性火，施工不足也是一个不可忽略的原因。 而沥青路面陡长坡路段的车辙问题又是较突出的，针对这一点，对山东淄博地区两 条公路陡长坡路段的车辙病害进行了调查，如表1 1 、围11 。 表1 1 山东淄博陡长坡路段车辙深度袭 路段最大车辙深度( c m ) 甲均车辙深度( c m ) 胶王路某陡蚝坡段 48 滨博高速公路某陡长坡段 图i 1 陡长坡路段车辙病害 山东陡长坡路段车辙瘸害如此严重，是在夏季高温时间持续长、重载车辆多连续 上坡诸多因素影响下出现的。夏季持续高温是造成车辙病害的直接原因，根据山东淄博 气象资料，泼地区近年来的夏季最高气温都比以往高，并且有持续时问长，降水少的特 点，导致路面温度很高，对沥青路面材料的抗车辙性能是一个严重的考验。山东淄博重 工业比较发达，重载车辆多，重载车辆往往采用高强度轮胎，由于装载太多，所以影响 其行车速度，特别是陡k 坡路段，车辆行驶很慢，调查显示重载车辆的爬坡平均车速在 长安大学硕士学位论文 2 0 k m h 左右。车速越低荷载作用时间长，永久变形累计越严重。在高温季节，高速公 路行车道上的轮迹带承受着大量重车的反复作用，沥青混合料在高温时的强度不足以抵 抗重轮荷载的反复作用，轮下的沥青混合料产生剪切变形而侧向流动，轮迹带变形下凹、 两侧逐渐鼓起，形成槽形的车辙。 沥青路面车辙危害后果严重：路表过量的变形影响路面的平整度；轮迹处沥青 层厚度减薄，削弱了面层及路面结构的整体强度，易于诱发其它病害；雨天车辙内积 水导致车辆出现漂滑，影响高速行车的安全性；在冬季车辙槽内结冰，降低路面的抗 滑能力，行车产生冰滑现象；车辆在超车或变换车道时会使方向失控，影响车辆的操 纵稳定性。 综上所述，车辙已成为影响沥青路面行驶安全最重要的病害，而陡长坡路段的车辙 在重载和慢速荷载的影响下更为严重。随着高速公路向山区延伸，路段中出现陡长坡情 况不可避免。一些高速为减少沥青路面车辙病害，直接套用s m a 或者全部采用改性沥青， 但是由于机理不清，混合料设计时针对性不强，不仅不经济，而且效果也很差。因此， 开展陡长坡路段沥青路面的结构与材料性能研究，不仅必要，而且十分迫切。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 车辙研究历史 1 9 6 2 年，美国各州公路工作者协会( a a s h o ) 在做试验路过程中，h o f s t r a 提出的 研究报告认为产生车辙的主要原因是剪切应力，由此推荐使用高强度的路面材料，并通 过对粗级配混合料试验段的研究，得出了混合料空隙率、沥青含量及混合料级配与车辙 的关系。h o f s t r a 还指出沥青路面的变形在路表面最大，越向下越小，这一方面是下部 抵抗塑性流动变形能力强，同时也是因为下部的剪切应力小的缘故。根据a a s h o 试验 路测定，车辙量随沥青层厚度的增加而增加，到2 5 c m 就达到极限，沥青面层再加厚车 辙深度也不再增加。b r o w n 和k e r b e r 通过蠕变试验，揭示了沥青胶结料和集料级配对 永久变形( 车辙) 的影响规律【2 1 。 在1 9 6 2 年的第一届c s d a p ( 国际沥青路面结构设计会议) 上，壳牌石油公司提出了 第一个同时考虑疲劳和车辙的沥青路面结构设计方法，此方法是通过限制路基项面的垂 直压应变来控制车辙。随后的几届c s d a p 大会上，各国的研究人员提出了不同的车辙 量预测模型。 在1 9 7 2 年第三届c s d a p 上b a r k s d a l e 和r o m a i n 等人提出了一些预测柔性路面车 3 第一章绪论 辙的方法，这些方法利用路面材料的基本性能，以不同的方式计算荷载和环境条件对车 辙量的影响。 在1 9 7 7 年，第四届国际沥青路面会议上提出了新的考虑车辙的设计方法，该程序 包括限制表面车辙在指定的水平内和预估沥青粘结层或整个路面结构的车辙量。具体包 括以下几个方面： 基于车辙性能的观测数据统计方法； 限制基层应变的方法； 结合蠕变试验数据的弹性分析方法； 线性粘弹性分析方法。 芬兰的e t f l 应用逐步回归分析方法建立了环境和路面厚度与压应力、路表变形和荷 载重复次数的关系。k e n i s 研究了塑性变形和荷载、温度、加载时间以及水分含量的关 系，并通过粘弹性理论计算车辙深度。 1 9 8 2 年的第五届国际沥青路面结构设计会议基本未提出有关车辙的新成果，1 9 8 2 年以后，人们对车辙问题的兴趣高涨起来，连续发表了一系列关于柔性路面中的车辙预 估以及轮载和胎压对路面层内应力、应变的影响的论文，研究主要是关于材料性能的描 述和沥青路面车辙预估模型的建立，所报道的方法限于粘弹塑性考虑和经验的结合。 1 9 8 7 年的第六届国际沥青路面结构设计会议上，e c k m a n n 的研究把动态蠕变试验 与层应变分析结合起来预测足尺试验路面车辙，得到的预估模型与现场实测结果显示了 较好的相关性。e i s e n m a n n 和h i l m e r 研究了轮载和胎压对沥青路面车辙的影响，他们使 用不同的轮载、胎压和轮组进行了足尺试验，直接测定车辙量，并用衰退分析法分析了 不同试验条件的影响。 n c a t 对美国1 4 个州4 2 段沥青路面的调查表明：路面车辙主要发生在面层的各层 内，是面层混合料的问题而非路基和基层的问题。m o n i s m i t l l 等人通过开挖a a s h o 试 验路和其它足尺试验段( 包括w e s t r a c k 环道) 表明：当混合料具有足够的劲度时，沥青面 层的主要车辙破坏是由于混合料的剪切变形引起而非压实，沥青面层中的永久变形主要 集中在混合料面层1 0 0 m m 的范围内，因此车辙主要是由于荷载反复作用的结果m 3 。 第十九届世界道路会议对英、法、德、意等1 6 个国家的调查表明，除法国外其它 国家都采用马歇尔方法确定最佳沥青用量。但多数国家认为用马歇尔方法来预估混合料 性状是不够的，因此都采用一些补充试验。有8 个国家主要关心抗塑性变形能力，采用 t r r l 或l c p c 车辙试验来评价混合料的抗车辙性能。 4 长安大学硕士学位论文 1 9 9 3 年，美国战略公路研究计划( s h r p ) 的沥青研究项目在执行期间，总经费5 0 0 0 万美元中，有9 4 9 万美元用在永久变形的研究上，该研究最终提出了a 3 1 8 和a 4 1 5 两篇研究报告，成为s u p e r p a v e 的主要组成部分。研究成果对现有沥青混合料高温特性 试验方法进行评价的基础上提出了新的试验评价方法，并试图根据新的破坏模型和车辙 预估模型编制计算机软件进行车辙深度预估。 2 0 0 1 年阿拉巴马、佛罗里达、乔治亚、印第安纳、密西西比、北卡罗来那、俄克 拉荷马、南卡罗来那、田纳西等州的交通厅和联邦公路管理局f h w a ，共1 0 家单位联 合出资，在美国国家沥青技术研究中心n c a t 2 8k m 长的环道上，共铺筑了4 6 个试验段。 并从抗车辙性能、裂缝、构造深度、抗滑性、透水性等多个角度对比分析试验数据。2 0 0 3 年对某些试验段重修进行第二阶段的试验，结果表明，新旧试验段的抗车辙能力都较好； 使用p g 7 6 的试验段的车辙量比使用p g 6 7 试验段的车辙量少6 0 多；仅考虑车辙时， 粗细级配对混合料的性能相当：使用破碎砾石的s m a 混合料，与用s u p e r p a v e 设计 的混合料相比，其抗车辙性能相当；p g 6 7 沥青用量每增加0 5 ，车辙就会增加5 0 ， 而p g 7 6 混合料则不受这种影响；实验室空隙率不能单独用来预测车辙性能；可测量 的车辙深度一般产生于三个阶段，分别是初始密实化阶段和两个夏季高温阶段，第二个 高温段的车辙增长速度远小于第一个高温段。 我国公路科技人员对沥青混合料高温特性进行过大量试验研究，取得过许多有价值 的研究成果，提出了适合我国国情的沥青混合料高温性能技术指标与标准，使我国沥青 路面高温稳定性问题得到了有效的控制，极大地减少了高温车辙的破损现象。改革开放 以来，我国在沥青路面方面通过三个五年计划的科技攻关，取得了较大进展，现概述如 下： “六五 期间主要针对我国生产的普通石油沥青进行了沥青混合料的部分性能及改 性沥青的研究。在高温稳定性方面，用粘弹性理论计算( 预估) 车辙深度，用单轴蠕变试 验确定有关参数，提出我国各个地区的沥青有效使用温度。 “七五 期间，主要针对我国重交通道路石油沥青一单家寺沥青的使用性能进行了 较为系统的试验研究工作。在高温稳定性方面，沿用粘弹性理论计算车辙深度，并进行 了车辙试验与快速加载试验。 “八五 期间，借助美国s h r p ，针对当前国产的七种沥青及其沥青混合料进行了 全面系统的研究，提出符合我国不同自然区域道路实际使用状况与路用性能的沥青及沥 青混合料的技术指标及相应的试验方法，主要包括高温、低温、水损害、老化等几个方 5 第一章绪论 面，并提出初步技术标准建议值。 1 2 2 车辙形成机理 1 9 8 7 年e i s e n m a n n 的报告指出，车辙形成过程如图1 2 所示。出现的车辙表现出轮 胎下方下沉量( 体积) 要大于两侧隆起的体积，说明车辙的初期阶段主要是压密造成的。 而在此以后，车轮的下沉逐渐与两侧隆起的体积平衡，说明压密己经完成，车辙是由流 动产生的。 i ，f 1 ”i 灯公 必 i 咀翻 。耋； 5 i 固册圆脚m 坶1 醚 l_ | | | | | | i _ r - 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 失稳型车辙 主要由于沥青路面结构层在车轮荷载作用下，其内部材料的流动产生横向位移而 成。通常发生在轮迹处，当沥青混合料的高温稳定性不足时，在外力作用下就会产这种 车辙。这种车辙一般都有剪切变形产生的两侧隆起现象，对主要行驶双轮组车的路段， 车辙断面成w 型。 ( 2 ) 结构型车辙 由于路面结构在交通荷载作用下产生整体永久变形而形成，这种变形主要是于路基 变形而产生。这种车辙的宽度较大，两侧没有隆起现象，横断面成浅盆状的字型( 凹型) 。 ( 3 ) 磨耗型车辙 由于沥青路面结构顶层的材料受车轮磨擦和自然环境因素作用下持续不断损耗形 成。 在我国，由于基层基本上是半刚性基层，强度及板体性好，基层及基层以下的变极 小，除了某些基层施工不良的路段外，结构型车辙很少。磨损型车辙在我国也较，可以 通过法律手段来阻止。三种类型车辙中以失稳型车辙最为严重，而且影响因素多而复杂， 对于这种车辙可以说没有有效地维修方法，唯一只有将车辙部位铣刨掉，填补新的混合 料，或将原来材料再生改造以更换产生车辙的层次。 但另外还有一种在国外较少发生的车辙，在我国却常常发生，它是由于沥青面层身 的压密造成的，这是非正常的车辙。有些高速公路施工时没有充分压实或为了片追求压 实度在降温下碾压造成压实度不足。在这样的路段上，沥青层在交通车辆的复碾压作用 下，空隙率不断减小，待到极限残余空隙率后才趋于稳定。这类车辙两侧没有隆起，只 有下凹，呈u 字型或w 型。 1 2 3 车辙影响因素 影响沥青路面车辙产生的原因很多，归结起来可分为内因、外因及其它因素三大类。 内因主要反映在材料本身的质量上，如集料性质、矿料级配、沥青性质、沥青用量、空 隙率等；而外因则主要包括气候条件和交通条件；其它因素则是指路面基层和路面结构 组成、路面纵坡及其旌工质量对路面车辙的影响。当内因、外因及其它因素结合在一起 时就会对沥青路面车辙的形成产生综合影响，见表1 2 所示。 7 第一章绪论 表1 2 沥青路面车辙影响因素 因素变化后的车辙性 因素因素变化 能变化 级配断级配一连续级配f 棱角性增大f 集料 表面形貌光滑一粗糙 l 最大公称粒径增大f 结合料 粘性增大 f 沥青含量增大l 空隙率增大 l 混合料特征 斩切弱 增大 j 成型方法 击实一搓揉f 温度增高 l 外因 荷载增大l 纵坡增大 i 其它 施工质量提高f ( 1 ) 集料 破碎、坚硬、洁净、纹理粗糙、多棱角、颗粒接近立方体的集料，相应的沥青混合 料高温性能就比较好。在矿质混合料中，对沥青混合料高温性影响最大的是矿粉。因为 矿粉具有最广大的比表面，特别是活化矿粉，影响更为明显。用石灰岩轧磨的矿粉配制 的沥青混合料具有较高的耐热性，而含有石英岩矿粉的沥青混合料耐热性较差。集料性 质对沥青混合料抵抗车辙性能的影响，主要是从它与沥青的相互作用中表现出来的，能 够与沥青起化学吸附作用的集料，可以提高沥青混合料的抗变形能力。 由于天然砂经常是圆角的而且表面光滑，天然砂用量愈大，对混合料强度的不利影 响越大。因此，在美国对于传统的连续级配沥青混凝土，天然砂的含量限制不超过2 0 。 德国的s m a 采用天然砂与人工砂各5 0 。瑞士规定在大孔隙沥青混凝土中全部采用破 碎砂。j o e w b u t t o n 等曾用天然砂含量分别为0 、5 、1 0 、2 0 和4 0 五种沥青 混合料在室内作了多种力学性质比较试验，试验结果表明，在沥青混合料的空隙率相同 时，混合料中天然砂含量愈多，沥青混合料的抗永久变形能力愈小【3 1 。 国外的一些研究表明，连续级配沥青混合料的抗车辙能力更好。因为连续级配比断 8 长安大学硕士学位论文 级配料产生的空隙率更小，矿料颗粒问的接触点多。1 9 7 4 年b r o w n 和p e l l 研究表面断 级配沥青混合产生的永久变形比连续级配的大。他们认为断级配沥青混合料矿料嵌挤力 差是导致高温状态下抗车辙性能差的原因。 集料的形貌特征对沥青混合料的抗车辙性能有重要影响。1 9 7 4 年u g e 和v a nd el o o 研究表明棱角丰富的集料比表面平滑的集料形成的沥青混合料稳定性更好。之后，他们 采用剪切蠕变试验评价同种级配不同集料形貌特征下沥青混合料的稳定性，结果与前面 的研究一致【4 】。 1 9 8 8 年d a v i s 研究表明采用较大公称最大粒径的沥青混合料表现出更好的抗车辙 性能。 据s h r p 的研究通常情况下合理的密级配混合料的高温稳定性要优于间断级配的 混合料，只有s m a 例外。 美国的西部环道试验证明，热拌沥青混合料在最佳沥青用量，空隙率8 时，粗级 配的车辙深度最大，细级配次之，中级配最小【卯。 ( 2 ) 结合料 沥青的粘度对沥青混合料的抗车辙能力有明显的影响，在一定温度和加载速率下， 沥青粘度越大，与石料的粘附性越好，混合料的粘滞阻力也越大，抗剪切变形能力越强， 沥青混合料抗车辙性能越好。高温季节，沥青路面的温度可达5 0 - 7 0 9 c ，所以沥青 6 0 。c 粘度与混合料的高温稳定性有较好的相关性【6 一。 ( 3 ) 混合料 沥青混凝土的抗剪强度取决于粘聚力和内摩阻力，它们的热稳定性不仅与材料本身 的性质有关，而且与混合料的空隙率有密切关系。空隙率较大的沥青混合料，路面抗剪 强度主要取决于内摩阻力，而内摩阻力基本上不随温度和加荷速度而变化，因此具有较 高的热稳定性；空隙率较小的沥青混合料路面，则相对来说沥青含量较大，当温度升高， 沥青膨胀，由于空隙率小，无沥青膨胀之余地，则沥青混合料颗粒被沥青挤开，集料间 的嵌挤力减小，同时温度升高沥青粘度降低，沥青润滑作用增大，粘聚力和内摩阻力均 降低，促使沥青混合料抗变形能力的下降，空隙率小于3 的混合料发生车辙的可能性 明显增大。 研究表明，对于沥青混合料的高温稳定性，空隙率存在一个最佳值，当空隙率低于 最佳值，继续减小空隙率，会使沥青混合料抗车辙能力降低，当空隙率高于最佳值时， 继续增大空隙率，则容易产生压密变形。w e s t t r a c k 环道试验认为最佳空隙率接近4 ， 9 第一章绪论 也有研究认为最佳空隙率为8 t 8 1 。 混合料中的沥青用量对高温稳定性有明显的影响。沥青混合料中的沥青以结构沥青 和自由沥青两种方式存在，在沥青混合料中，如果矿物颗粒之间接触处是由结构沥青膜 所联结，会使沥青具有更高的粘度和更大的扩散溶化膜接触面积，因而可以获得更大的 粘聚力。当沥青用量过少时，集料表面沥青膜过薄，混合料呈干枯状态而缺乏足够的粘 结力，不能形成高的强度，高温稳定性差。增加沥青用量，混合料粘结力增强，高温稳 定性随之提高。然而当达到最佳沥青用量以后，沥青用量进一步增加，集料表面沥青膜 增厚，自由沥青增多，润滑能力增强，颗粒在荷载作用下易于滑动移位，高温稳定性降 低。美国w e s t t r a c k 环道试验表明：高沥青含量( o a c + o 7 ) 对应了最大的车辙；另一方面， 若沥青用量偏低又会使得混合料过于坚硬而难以压实，也影响沥青路面的抗车辙能力。 有研究认为用马歇尔方法确定的最佳沥青用量比用于控制车辙的最佳沥青用量高 0 3 0 5 。 ( 4 ) 环境因素 温度是沥青路面产生车辙的重要原因，温度越高，沥青混合料的劲度模量越低，抗 车辙能力越小，这已共识。关于温度与沥青混合料的劲度模量的关系有过大量的研究。 其中v a nd e rp o e l 的沥青劲度模量诺模图给出了加载时间和使用温度与沥青混合料劲度 的关系。 ，： 美国s u p e r p a v e 的沥青结合料的p g 分级采用一年中最高的“七天最高路面温度 作为高温的特征分级指标，它是指沥青路面表面下2 0 m m 深位置的混合料温度。在2 0 0 2 年n c a t 的环道试验的研究报告中，提出沥青路面的车辙发生在七天最高空气温度高于 2 8 的日子里。 我国在“八五 国家科技攻关课题研究中，研究了沥青混合料动稳定度与温度的关 系，发现动稳定度d s 随温度升高以幂指数关系下降，得到的回归公式如下： 1 9 d s 一5 0 9 1 9 0 0 3 6 4 t 若路面温度从6 0 。c 提高到6 5 。c ，动稳定度约降低3 5 ，相应地，车辙将增加1 5 倍。 除温度以外，交通条件对车辙产生也有重要影响。交通条件包括荷载、行车速度、 车流渠化等。对荷载的影响，国内外都做了大量的研究。原日本建设省土木研究所确定 的在6 0 时的动稳定度和荷载的对数关系式是： 1 0 长安大学硕士学位论文 l g d s 一4 3 9 9 2 2 8 5 p 式中：p 为接地压强，m p a 。 按照上式进行计算，当荷载应力从0 7 m p a 增加到0 8 m p a 时，造成动稳定度减小 约4 1 ；而当荷载应力从0 7 m p a 减小到0 6 m p a 时，动稳定度增加约6 9 。 我国“八五 国家科技攻关课题同样对此进行了众多研究，表明在标准温度6 0 时，动稳定度随着荷载增加而以幂指数减小。荷载从0 7 m p a 增加到1 2 m p a ，这时动稳 定度将下降到1 3 。 行车速度越低，荷载作用时间越长，相同交通量所引起的路面变形越大。车辙调查 数据也表明，在行车速度较慢的地方，如停车场、车站、交叉路段、长大纵坡路段，收 费站以及其它交通拥挤的地方，都具有较大的车辙深度。 s u p e r p a v e 提出在长大纵坡路段等通行慢速车辆的路段，沥青结合料的p g 等级需 要提高1 级或者2 级，以提高劲度模量，抵抗车辙。 关于渠化交通对车辙的影响，从不同等级路面的实际使用中可以发现，未形成渠化 交通的道路，车辙很小或者基本无车辙出现，而形成渠化交通的道路，车辙要严重得多。 1 2 4 爬坡路段沥青混合料研究 目前，国内外针对长大纵坡沥青路面的研究甚少，该方面的文献鲜有报道。多数还 仅局限于小坡度沥青路面的结构设计、材料组成的范围内。不仅室内的试验方法及评价 指标不够完善，实际的路面施工中也缺乏长大纵坡沥青路面施工行之有效的方法。虽然 在小坡度路面上服务良好的路面结构，在高速公路的长大纵坡处却未必适用，尤其是在 交通量大，重超载繁多的地段，很多的实体工程反映了这一情况。各个国家对于长大纵 坡的坡度和坡长都有特定的要求，而且随着经济社会的发展，车流量的增加，机动车发 动机性能的提升，各国的要求也都在变化当中，这方面也存在相应的研究。国外对最大 纵坡的规定普遍高于国内，这是因为国外高速公路上小客车所占比例较高，载重汽车性 能较好的缘故。如美国、欧洲等发达国家和地区，虽然私人轿车多、车流量较大，但他 们的高速公路交通规划、交通管理、荷载控制等方面做的很出色，重载超载现象较少， 正常路面上使用较好的结构在一般的纵坡上使用效果亦较好，因此，国外一般在沥青混 凝土的高温抗车辙、抗水损害、耐疲劳破坏、降噪环保等方面研究较多，没有真正意义 对长大纵坡沥青路面进行研究。 第一章绪论 1 3 主要研究内容及技术路线 陡长坡路段的抗车辙问题与普通的车辙问题一样，具有车辙产生、发展、防治的共 性，同时也因其特殊的纵坡条件具有与普通车辙问题不一样的特征。首先认清陡长坡路 段车辙产生的机理尤为重要，在此基础上研究其防治对策，然后将沥青混合料从沥青胶 浆、细集料、粗集料三个方面研究沥青混合料抗车辙性能。 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 陡长坡路段车辙形成机理研究 通过现场调查，获得了详尽的资料，分析陡长坡路段沥青路面车辙主要影响因素及 其规律，并对车辙的空间分布特征进行研究，认清陡长坡路段沥青路面车辙产生机理， 从而提出相应的车辙防治措施。 ( 2 ) 沥青胶浆高温流变特性研究 将沥青胶浆作为一研究对象，借助s u p e r p a v e 对沥青胶浆研究的方法，研究粉胶比、 温度对沥青胶浆高温流变特性的影响规律，并根据陡长坡路段的特点，对慢速荷载条件 下沥青胶浆的高温流变特性进行研究。 ( 3 ) 细集料填充效应与优化设计方法研究 从细集料填充的角度入手，研究沥青混合料的抗车辙性能，首先设计以细集料填充 主的沥青混合料设计方法，然后对不同细集料填充效应下的沥青混合料抗车性感能进行 研究，最后提出优化设计方法。 ( 4 ) 粗集料骨架效应与优化设计方法研究 从粗集料形成骨架角度入手，在分析国内外骨架研究进展的基础上，采用均匀试验 对粗集料骨架形成识别和骨架稳定性进行研究，最后提出优化设计方法。 本文采用的技术路线见图1 3 1 2 长安大学硕士学位论文 图1 3 技术路线 1 3 第二章基础理论与技术途径 第二章基础理论与技术途径 2 。1 级配设计理论与方法 2 1 1 级配设计理论 目前常用的级配理论主要有最大密度曲线理论和粒子干涉理论。前一理论从集料以 何种比例组合达到最大密实度角度出发来确定级配的粒径分布，可用于计算连续级配。 后一理论从相邻集料是否会发生干涉角度出发来确定级配的粒径分布。除此，还有分形 级配理论，是从集料颗粒形状特征角度出发确定级配的粒径分布。级配理论是一切级配 设计方法的理论基础。 ( 1 ) 粒子干涉理论 粒子干涉理论，又称为魏茅茨( w e g m o u t h ) 里论，该理论认为：在多种粒径的混合料 中，为达到最大密度，前一级颗粒之问的空隙应由次一级颗粒所填充，其余空隙又由再 次小颗粒所填充，但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙之距离，否则大小颗粒之间势必发 生干涉现象【9 】( 图2 1 ) 。 为了避免干涉起见，大小粒子之间应按一定数量分配，从临界情况下可导出前一级 颗粒间距离应为： r 悯1 d 旺1 ， 当处于临界干涉状态时t = d ，则上式可写成式( 2 2 ) ： 1 4 长安大学硕士学位论文 南： ( 2 2 ) ) 。 式中：卜前粒径的间隙距离( 即等于次粒级粒径d ) ； 脯粒级粒径； p 。次粒级的理论实积率，即堆积密度与表观密度之比； p 。次粒级的实用实积率。 式( 2 1 ) 即为粒子干涉理论，在应用时如已知集料的堆积密度和表观密度，即可 求的集料理论实积率p 。连续级配时d z 声o 5 ，则可按式( 2 1 ) 求得实积率p 。，又可 用实积率可计算出各级集料的分计筛余。 目前工程界普遍采用的连续级配基本上是按照富勒( f u l l e r ) 曲线指数原理构成的。通 过大量的试验，富勒及其同事研究认为：固体颗粒按粒度大小有规则地组合排列，粗细 搭配，可以得到密度最大、空隙最小的混合料。初期研究的理想曲线是细集料以下的级 配为椭圆形曲线，粗集料以上为与椭圆形曲线相切的直线，由这两部分曲线组成的级配 曲线可以达到最大密度。由于这种曲线计算复杂，后来经过许多改进，提出简化的“抛 物线最大密度理想曲线”，即认为混合料的颗粒级配曲线愈接近抛物线，则密度愈大【1 1 】。 根据上述理论，当混合料的级配曲线为抛物线时，任一级颗粒粒径d 的通过量p 可 川o o ” 眨3 ， 式中：d l 为希望计算的分级集料粒径( m m ) ； d 一为混合料的最大粒径( r a m ) ； p 一为通过粒径d 的集料重量百分比( ) 。 由于最大密度曲线是一种理论的级配曲线，在实际应用中，许多研究者认为这一公 式的指数不应固定为0 5 。在实际应用时，矿质混合料的级配曲线应该允许在一定范围 内波动。通常使用的矿质混合料级配范围( 包括密级配和开级配) n 幂常在0 3 - 0 7 之间。 所以采用n 次幂的通式来描述级配曲线( 简称n 法) 如式( 2 4 ) 。 第二章基础理论与技术途径 一。“ 他4 ， 式中：矿一为集料质量通过率( ) ； 卜为集料粒径( i m ) ； d 一为集料最大粒径； n 一为实验指数。 ( 2 ) k 法 前苏联的伊万诺夫、奥浩饮等提出用颗粒分级质量递减系数k 为参数的矿料级配曲 线( 简称k 法) 。奥氏发现，当矿质混合料中粗细集料粒径按1 1 6 递减，次一级粒料质量 为上一级的4 3 ，则可使混合料获得最高密实度。当颗粒质量递减系数变动于2 5 一5 0 范围时，混合料仍可保持较高的密实度。但是这种级配的混合料，由于相邻粗细