（道路与铁道工程专业论文）泡沫沥青稳定大粒径碎石混合料的应用研究.pdf

摘要 摘要 本文在文献资料阅读、工程经验总结和室内试验的基础上，对泡沫沥青稳 定大粒径碎石混合料的强度特征、疲劳特性、干缩变形特性及其工艺性能进行 研究；根据沥青稳定碎石基层的受力特征与泡沫沥青混合料的材料特性，确定 泡沫沥青稳定大粒径碎石混合料组成设计原则和设计指标，提出泡沫沥青稳定 大粒径碎石混合料的配合比设计方法。目的在于全面、系统地掌握泡沫沥青稳 定大粒径碎石混合料的技术特性，以期指导工程实践。 采用劈裂强度试验探讨泡沫沥青稳定大粒径碎石混合料的强度特征、强度 增长规律及其影响因素，分析生产工艺条件对泡沫沥青混合料强度的影响以及 泡沫沥青混合料的贮存特性。试验研究结果显示：试件的劈裂强度随着养护时 问的增加而增大；沥青发泡效果与泡沫沥青稳定大粒径碎石混合料的性能相关 性不显著；适当提高拌和时集料温度有助于提高该混合料的质量；拌合好的泡 沫沥青混合料应该尽快进行施工操作，延迟施工将导致泡沫沥青混合料试件的 空隙率增加、强度降低。 采用控制应力疲劳试验探讨泡沫沥青稳定大粒径碎石混合料的疲劳特性及 其影响因素。试验研究结果表明，在较小的应力水平范围内，泡沫沥青稳定大 粒径碎石混合料具有较好的疲劳特性；随着泡沫沥青用量的逐渐增大，疲劳寿 命先增大后减小，选择合适的沥青用量可以获得较好的疲劳性能；在条件允许 的情况下可以尽量选取较细的级配来进行配合比设计，这样有利于提高混合料 的疲劳特性；泡沫沥青在混合料中起到粘结作用和增强混合料的抗疲劳特性； 少量水泥在泡沫沥青稳定碎石混合料中不仅起到了增加水稳定性的作用，同样 也有利于提高混合料的疲劳特性。 采用干缩试验探讨泡沫沥青稳定大粒径碎石混合料的干缩变形特性，并与 水泥稳定碎石混合料等的干缩性能进行比较。试验研究成果表明，泡沫沥青稳 定碎石混合料的干缩应变随着失水率的增加而增加，但是在不同的失水率阶段， 干缩应变增加幅度不同，存在一个转折临界点；含水量和水泥含量是决定混合 料干缩应变的2 个因素，含水量对材料干缩应变的影响要大于水泥含量对材料 干缩应变的影响；泡沫沥青稳定大粒径碎石混合料和普通半刚性材料以及泡沫 摘要 沥青再生混合料在干缩变形特性方面具有相似的变化规律。 最后，本文结合调研资料和实际工程经验，在路面结构力学分析的基础上， 根据泡沫沥青稳定大粒径碎石混合料的材料特性确定了沥青稳定大粒径碎石混 合料组成设计的设计原则、设计指标和技术要求，进而给出了泡沫沥青稳定大 粒径碎石混合料的配合比设计方法，并进行了泡沫沥青稳定大粒径碎石混合料 的配合比设计和性能检验。 关键词：泡沫沥青，劈裂强度，强度特征、泡沫沥青稳定大粒径碎石混合料， 疲劳性能，干缩变形，组成设计、配合比设计、设计指标，设计方法 a b s t r a c t d e p e n d i n go nd a t ai n v e s t i g a t i o n ，l a b o r a t o r yt e s t a n de x p e r i e n c es u m m m g - u p ， t h es t 姗酉hc h a r a c t e r i s t i c s ，f a t i g u ep e r f o r m a n c e ，t h es h r i n kd i s t o r t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n dp r o c e s sp e r f o r m a n c eo fl a r g es t o n ef o a m e da s p h a l tm i x t u r e a r em a i n l yd i s c u s s e d i 1 1t h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a t e r i a lp r o p e r t i e so f t h ef o 锄e da s p h a l tm i x t u r eb a s ec o u r s e ，t h ec o m p o n e n td e s i g np r i n c i p l e s a n d c o m p o n e n td e s i g ni n d i c a t o r so fl a r g es t o n ef o a m e da s p h a l tm i x t u r ea r ed e t e m l l n e c l ， a n dt h ed e s 谫m e t h o do fl a r g es t o n ef o a m e da s p h a l tm i x t u r ei sp r o p o s e d f o r t h e d u r p o s eo fu n d e r s t a n d i n gt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fl a r g es t o n ef o a m e da s p h a l t m i x m r ec o m p r e h e n s i v e l ya n ds y s t e m a t i c a l l y , s ot h a t i tc a nb eu s e dt og u i d et h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e b vi n d i r e c tt e n s i l es t r e n g t ht e s t ，t h es t r e n g t h c h a r a c t e r i s t i c so fl a r g es t o n e f b a m e da s d h a l tm i x n l r ea r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s ，t h el a w o fg r o w t ho ft h es t r e n g t h c h a r a c t e r i s t i c sa n di t se f f e c tf a c t o r s a r ea n a l y z e d w h a t sm o r e ，t h ei n f l u e n c eo f p r o d u c t i o nc o n d i t i o n s o nt h es t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c si s s t u d i e da n dt h es t o r a g e p e r f o m l a n c eo ff o 锄e da s p h a l tm i x t u r ei sd i s c u s s e d t h et e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h e i n d i r e c tt e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s e dw i t hm a i n t e n a n c et i m e ；i ti sa l s of o u n d t h a tt h e r ei s l i t t l er e l a t i o n s h i pb e t w e e na s p h a l tf o a m i n g e f f e c ta n dc o r r e s p o n d i n gm i x t u r e p e 面珊锄c e ；t h eq u a l i t yo ff o a m e da s p h a l tm i x t u r ec o u l db ei m p r o v e dw h e n t h e a g 盯e g a t et e m p e r a t u r ei sa p p r o p r i a t e l yi n c r e a s e s ；t h ef o a m e da s p h a l tm i x t u r e s h o u l d b eu s e di nc o n s t r u “o na ss o o na sp o s s i b l e ，t h ev o i d sw i l l b ei n c r e a s e da n dt h e s t r e n g t hw i l lb er e d u c e dw h i l et h e c o n s t r u c t i o ni sd e l a y e d b yc o n t m l l i n gs t r e s sf a t i g u et e s t ，t h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo fl a r g e s t o n ef o a m e d a s p h a l tm i x t u r ca n di t si n f l u e n c e f a c t o r sa r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s t e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h em i x t u r eh a sg o o df a t i g u ep e r f o r m a n c ew i t ha s m a l l e rs t r e s sl e v e lf a t i g u el i f e w i l lb ei n c r e a s e da tf i r s ta n dt h e nd e c r e a s e dw h e nf o a m e da s p h a l tc o n t e n ti n c r e a s e d g r a d u a l l y , a p p r o p r i a t eb i t u m e nc o n t e n t f a t i g u ep e r f o r m a n c ec o u l db ei m p r o v e d b r i n g st h em i xb e t t e rf a t i g u e r e s i s t a n c e ， w h e nf i n eg r a d a t i o nc h o s ei nm i xd e s i g n ； a b s t r a c t f o a m e da s p h a l ti nm i x t u r eh a sb o n d i n ge f f e c t ，f a t i g u ep e r f o r m a n c ea l s oc a 】 1b e i m p r o v e db yf o a m e da s p h a l t w a t e rs t a b i l i t ya n df a t i g u ep r o p e r t i e sc a nb ee n h a n c e d b ya l i t t l ec e m e n ti nf o a m e da s p h a l tm i x t u r e b ys h r i n k a g et e s t ，t h es h r i n kd i s t o r t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl a r g es t o n ef o a m e d a s p h a l tm i x t u r ea r es t u d i e di nt h i st h e s i s ，a n dt h es h r i n kd i s t o r t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o t h e rm a t e r i a l sa lec o m p a r e d t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es h r i n kd i s t o r t i o no ft h em i x i n c r e a s e sw i t ht h el o s tw a t e rc o n t e n t ，b u ti tv a r i e sa tt h ed i f f e r e n ts t a g e so ft h el o s t w a t e rc o n t e n ta n dt h e r e f o r et h ec r i t i c a ll o s tw a t e rc o n t e n ti sf o u n d ；t h es h r i n k d i s t o r t i o nc a nb ed e t e r m i n e db yw a t e ra n dc e m e n tc o n t e n t ，a n dt h ew a t e rc o n t e n th a s g r e a t e ri n f l u e n c e t h ev a r i a t i o ni ss i m i l a ra m o n gf o a m e da s p h a l tm i x t u r e ，s e m i r i g i d m a t e r i a l sa n dr e c y c l e df o a m e da s p h a l tm i x t u r e a tl a s t ，b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o nd a t a , p r a c t i c a le n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ea n d p a v e m e n ts t r u c t u r em e c h a n i c sa n a l y s i s ，a c c o r d i n gt ot h em a t e r i a lp r o p e r t i e so fl a r g e s t o n ef o a m e da s p h a l tm i x t u r e ，t h ec o m p o s i t i o nd e s i g np r i n c i p l e s ，i n d i c a t o r sa n d t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fl a r g es t o n ef o a m e da s p h a l tm i x t u r ea r ed e t e r m i n e d ，t h e n l a r g e s t o n ef o a m e da s p h a l tm i x t u r ed e s i g nm e t h o di s g i v e n ，m i xd e s i g na n d p e r f o r m a n c ee x a m i n a t i o na r ei m p l e m e n t e db yt h ed e s i g nm e t h o d k e yw o r d s ：f o a m e da s p h a l t ，i n d i r e c tt e n s i l es t r e n g t h ，s t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c s ，l a r g e s t o r ef o a m e da s p h a l tm i x t u r e ，f a t i g u ep e r f o r m a n c e ，s h r i n kd i s t o r t i o n ，c o m p o n e n t d e s i g n ，m i xd e s i g n ，d e s i g nm e t h o d 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位毒文作者签名：丑7 ，、键 沙矽年月i ? 日 同济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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 易碰 甲习年) 月 | 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 国内外公路建设实践表明，沥青路面普遍存在的技术和质量问题主要是路 面的早期损坏。近年来，随着我国交通运输事业的快速发展、重车和轮压的增 大以及交通车辆的渠化，沥青路面的早期损坏现象也r 益加重，路面使用性能 衰减加快，使用寿命大大缩短，使路面质量面临着非常严峻的考验。在我国， 由于汽车超载极为严重，新建道路仅在开放交通一二年就出现了车辙、开裂、 坑槽、抗滑性能不足等早期破坏现象，路面使用性能衰减加快，个别破坏严重 的路段不得不进行修复，造成较大的经济损失和不良的社会影响【l 】。因此，如何 解决沥青路面的早期损坏问题，尤其是沥青路面的车辙和耐久性问题，已成为 当今世界各国广大道路研究者关心的重要问题之一【2 】。 沥青路面的早期损坏与基层有着密切的关系。目前，我国高等级公路广泛 采用的主要是半刚性基层，其结构类型分为二灰碎石和水泥稳定碎石基层，上 述两类基层突出的优点是具有较高的强度和模量、良好的整体稳定性和耐久性、 施工方便，强度及其模量随着龄期的增加而逐渐增加等一系列优良路用性能， 冈而也得以大范围的推广应用，为公路建设与经济发展起到了巨大的作用。但 足，随着长期的应用和研究，发现我国广泛使用的半刚性基层沥青路面，虽然 解决了强度不足的问题，但是由于半刚性材料收缩量大( 温缩及干缩) 、水稳定 性差( 二灰碎石基层) 等原因造成的路面反射裂缝及路面排水不良的问题逐渐 突出1 3 j ，路面开裂、唧浆、松散等破坏现象屡见不鲜，严重影响道路的服务能力， 造成了较大的经济损失和不良的社会影响。 为解决路面反射裂缝、抗车辙能力不足和路面的耐久性较差问题，大粒径 沥青稳定碎石混合料( l a r g es t o n ea s p h a l tm i x e s ，简称l s m ) 的研究在我国开 展起来。大粒径沥青稳定碎石混合料通过增大粒径，可降低用油量，在不增加 造价的情况下，可以增强沥青路面的抗车辙能力及减缓反射裂缝的发生。大粒 径沥青稳定碎石混合料基层作为一类柔性结构层，具有很强的柔性和抗变形能 力，作为应力消散层，可明显提高路面抗反射裂缝的能力；另一方面大粒径沥 青稳定碎石基层可以与沥青混凝土面层粘结牢固，并且由于其模量接近，路面 第1 章绪论 结构受力更均匀。高模量抗车辙的大粒径沥青混合料也是永久性路面结构( 全 厚式沥青路面) 的中间层或联结层的首选f 4 】。 而近年来，泡沫沥青稳定技术也逐渐发展起来。泡沫沥青对级配要求宽泛， 且可在常温下施工，和易性较好，将泡沫沥青用于稳定大粒径碎石，不仅可解 认热拌l s m 级配要求严格、施工和易性差，乳化沥青稳定l s m 初期强度低、 耐久性差等问题，而且可在常温条件下拌和、摊铺，可显著节约能源消耗、降 低废气粉尘排放，是一种“资源节约、环境友好 的新型沥青混合料。同时，应 用泡沫沥青稳定大粒径碎石作为柔性基层，可解决半刚性基层反射裂缝等顽疾， 明显提高沥青路面的使用寿命。上海将在2 0 1 0 年举办世博会，目前正在大规模 地进行配套道路工程的维修与建设，如能适时采用泡沫沥青稳定大粒径碎石基 层，则能有效地推进绿色世搏建设并促进沥青路面技术的跨越式发展。因此对 此材料使用性能、设计方法等进行研究，具有重要意义。 但是目前，泡沫沥青大粒径稳定碎石在我国乃至国外都还没有相关的完善 的设计、施工规范。首先泡沫沥青主要应用于再生方面，即与回收的旧料进行 抖合，而与全新材料的结合应用较少，所以其强度形成机理需要进一步的研究。 其次，泡沫沥青混合料与大粒径混合料都有其各自的级配范围，从而泡沫沥青 稳定大粒径碎石混合料的级配范围就需要进一步的确定。再者，泡沫沥青稳定 大粒径碎石混合料的设计指标并不清晰，也需要进行确定和完善。最后，由于 泡沫沥青稳定大粒径碎石混合料是一种新型的混合料，所以其性能也需要进一 步的验证和完善。 1 2 国内外研究与应用现状 1 2 1 大粒径沥青稳定碎石混合料国内外研究与应用情况 1 、大粒径沥青稳定碎石混合料的研究综述 大粒径沥青稳定碎石混合料，是一个相对的概念，是指集料的最大粒径为 2 5 m m 6 3 m m ( 1 2 5i n ) 之间的沥青稳定碎石混合料【5 1 【6 】。在国外，早在1 9 0 3 年美 国w a r r a n 公司就拥有最大粒径3 i n 的混合料专利。当年受专利的限制，其后受 机械化施工工艺发展的导向，其他公司采用了相对较小粒径的混合料类型，并 广泛应用至今f 7 j 。但是，随着交通量的增长和渠化交通的加重，沥青路面普遍出 现了抗车辙能力不足和路面的耐久性较差等质量问题。国内外许多道路专家认 2 第1 章绪论 为解决这一问题的根本途径是调整集料的组成( 尺寸、形状、结构和级配) ，通 过增大粒径，可起到控制反射裂缝和提高抗车辙能力的作用。 最近十几年来，美国、英国、南非、日本、澳大利亚、加拿大等国家对大 粒径沥青稳定碎石混合料都进行了较深入的研究，修筑了许多试验路。美国对 l s m 的研究始于上世纪9 0 年代【7 】，美国、英国、南非等还开发了大粒径沥青混 合料设计程序，并制定了大粒径沥青混合料基层设计和施工指南。 ( 1 ) 美国联邦公路局( f h w a ) 标准给出的沥青稳定基层最大粒径：基层为2 5 、 3 7 5 、5 0 m m ；底基层为5 0 、6 3 c m 。德克萨斯州给出的沥青稳定基层最大粒径分 别为：基层3 7 5m m 、4 5 m m ，而给出的沥青混凝土基层为：3 7 5 m m ( 粗型) ， 2 5 r a m ( 细型) 。 在肯塔基，为减少沥青路面的车辙变形，k a m y e nm a h b o u b 等人通过室内实 验( 包括静态、动态蠕变试验，压缩强度试验和回弹模量试验) 研究了不同类型 l s m 的性能，结果表明，l s m 具有较好的稳定性、较高的压缩强度和回弹模量 值，特别是具有较好的抗车辙性能。n p a u l k h o s l a 的研究也表明，l s m 的回弹 模量比常用的沥青混合料大两倍左右，其抗车辙和耐久性能也要优于常用的沥 青混合料。 美国陆军工程兵团的研究表明【8 】，使用最大公称尺寸为2 5 m m 的沥青混合料 比使用1 9 m m 的沥青混合料具有更好的抗车辙性能，同时又能够降低沥青用量。 ( 2 ) 英国的沥青混合料基层主要有两种：0 3d b m l 0 0 密级配沥青碎石，采用 较软的沥青，沥青用量低；h r a 间断级配热铺沥青混合料，中间尺寸少，沥 青用量高。英国常采用最大公称粒径为4 0 m m 、1 0 0 号沥青的密级配沥青碎石， 但近年来，英国的趋势为采用最大公称粒径为2 8m m 沥青较硬的沥青混合料， 甚至采用1 5 、2 5 、3 5 号沥青。英国的柿朗教授在讨论集料级配对沥青混合料性 能影响时认为，集料的最大公称粒径不同会显著影响沥青混合料的性能，使用 公称粒径较大的集料能提高沥青混合料的稳定性和抗滑性能，同时减少沥青用 量。 ( 3 ) 南非石油沥青协会成立了一个l s m 综合试验室，对l s m 进行了深入的 研究，修筑了四条试验路，并常年对试验路进行现场调查，最后制定了完备的 l s m 设计手册。手册中指出，强度和抵抗永久变形的能力可从粒料的结合中获 得；耐久性可通过加厚沥青膜来提高。这一效果可以采用大粒径集料来获得。 ( 4 ) 国内虽然在公路工程沥青与沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 第1 章绪论 中补充了大型马歇尔击实方法，但直到2 0 0 1 年才开始对l s m 进行研究。国内 开展研究l s m 有：西安公路交通大学在河北省石家庄至黄骅高速公路辛沧段做 了7 0 0 m 左右的试验路段，该试验路采用l s m 作下面层，主要研究l s m 的抗车 辙能力【9 0 0 1 。为解决半刚性基层沥青路面的反射裂缝，2 0 0 1 年交通部立项“大粒 i 。沥青混合料与级配碎石基层的研究”攻关项目【3 】，参加单位有中交公路规划设 计院、哈尔滨工业大学交通学院、江苏省交通设计研究院、四川省公路规划勘 察设计研究院、交通部公路科研所，此项目到2 0 0 5 年结束。虽然我国对l s m 的 研究起步晚，现在却方兴未艾，特别是为了解决交通量大、重载和超载严重的 高速公路沥青路面车辙严重问题以及高温季节长地区的沥青路面高温稳定性问 题，人们把目光纷纷投向了l s m 。目前国内l s m 研究基本上是采用美国的试验 方法来研究其路用性能，然后再铺筑一段试验路来验证其路用性能。虽然我国 台湾地区也对l s m 动弹性模量与压实度、温度关系，进行了大量的试验研究， 但没有提出比较完善的l s m 设计方法。目前，大粒径沥青混合料在我国还没有 完整的设计、施工规范。 上述研究均表明，l s m 与常规沥青混合料相比具有优良的抗车辙性能和耐 久性，并且可降低沥青用量，减少工程费用。所以泡沫沥青与大粒径集料相结 合而成的泡沫沥青稳定大粒径碎石也应该也具有较强的抗车辙能力，这也是将 两者结合起来的个重要意义。 2 、大粒径沥青稳定碎石混合料设计方法及级配组成研究 最初的大粒径沥青混合料设计采用大型马歇尔设计法，重点强调粒径的形 状、体积和沥青膜厚度的计算。k a n d h a l 认为当压实直径为1 5 0 m m 的马歇尔试 件时，试件的j 下反面击实7 5 “2 次经常会导致大粒径的破碎。v o nq u i n t u s e t a l 和 b u t t o n e t a l 已经证明对于传统的沥青混合料，旋转压实或旋转基础上马歇尔压实 更能模拟现场碾压【l 。 随着人们对沥青混合料认识的深入，美国丌始利用s u p e r p a v e 的旋转压实成 型试件设计密级配大粒径沥青混合料，一些州也丌始以体积特性为设计指导原 则，使大粒径沥青混合料设计方法更合理和完善，并在实践中表现出优良的路 用性能。1 9 9 3 年，美国s h r p 计划完成，研究成果s u p e r p a v e 沥青混合料设计方 法为l s m 配合比设计方法的发展提出了新的思路【8 】。德克萨斯州运输学会“l s m 课题组”负责研究丌发l s m 设计方法和制定施工指南。借鉴s h r p 中s u p e r p a v e 沥青混合料试验和设计两方面的成果，一是采用旋转压实成型试件，二是体积 4 第1 章绪论 特性的设计思路，“l s m 课题组”在查阅了国内j , 1 4 1 0 0 6 0 粘度( p a s ) 2 0 7 1 3 54 c 粘度( p a s )2 3 0 密度 1 0 2 0 l 表2 2 各档集料的密度与吸水率 集料编号粒径范同( m m )毛体积相对密度表观相对密度 吸水率( ) 1 抖2 0 - 2 6 52 7 3 82 7 5 60 6 2 牟1 5 2 02 7 3 02 7 5 6o 6 3 j ! j 5 - 1 52 7 6 92 8 0 9o 5 5 撑 o 3 2 6 1 32 6 1 3 矿粉 2 7 1 3 泡沫沥青的生产条件为：沥青加热温度1 5 0 。c ，发泡用水量4 。以油石比 3 5 、拌合用水量3 6 、水泥用量1 5 制备泡沫沥青混合料，采用真空法实测 泡沫沥青稳定大粒径碎石混合料的最大理论密度。 1 6 第2 章泡洙沥青稳定人粒径碎石混合料强度特征的研究 表2 3 各档集料的级配组成( 通过白分率) l 2 3 #甜5 筛孔尺寸( 姗)矿粉 2 0 2 6 51 5 2 05 1 5 3 5 0 3 3 1 51 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 2 6 58 5 71 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 1 9 06 98 7 01 0 01 0 01 0 01 0 0 1 6 0 1 3 4 2 11 0 0 1 0 0l o o1 0 0 1 3 2o 84 99 3 71 0 01 0 01 0 0 9 5o0 54 4 31 0 01 0 01 0 0 4 7 50o1 o7 4 59 8 11 0 0 2 3 6ooo 78 6 7 2 7 1 0 0 1 1 8o004 44 6 41 0 0 o 6o003 93 4 0l o o o 300o3 62 2 31 0 0 0 1 50 0o3 31 6 91 0 0 0 0 7 50o02 91 3 09 3 4 表2 4 泡沭沥青混合料试什的体积参数与劈裂强度试验结果 试什编号养护时问( 人)理论密度毛体积密度空隙率( )于劈裂强度( m p a ) 1 1l2 5 1 62 2 8 99 0o 3 2 l 一2l2 5 1 62 3 1 68 0 8 3 0 2 6 0 2 9 l 一3l 2 5 1 6 2 3 2 07 8o 2 8 3 132 5 1 62 3 0 28 50 4 6 3 232 5 1 62 2 4 51 0 89 10 3 50 4 l 3 332 5 1 62 2 9 09 00 4 l 4 1 4 2 5 1 62 3 l l8 1o 5 6 4 242 5 1 62 3 2 27 78 o0 5 90 5 7 4 342 5 1 62 3 0 78 3o 5 6 5 152 5 1 62 2 8 79 10 5 0 5 252 5 1 62 1 1 5 1 5 9 9 2 0 5 6 0 5 4 5 352 5 1 62 2 8 19 30 5 7 7 一l72 5 1 62 3 1 38 10 5 9 7 272 5 1 62 2 9 19 0 8 2 0 6 3 0 6 2 7 3 72 5 1 62 3 2 97 40 6 5 以双面各击实7 5 次成型标准马歇尔试件，试件成型后在常温下放置l 天后 脱模。试件脱模后放入4 0 。c 烘箱中进行养护【3 l 】，养护时间分别为1 天，3 天，4 1 7 第2 章泡沫沥青稳定人粒径碎石混合料强度特征的研究 天，5 天和7 天。在达到养护时间时将试件从烘箱中取出，测量试件的毛体积密 度，计算试件的空隙率。将试件放入2 5 烘箱中保温4 小时，然后立即测量试 件的干劈裂强度( 由于湿劈裂强度变化规律并不明显，所以只进行于劈裂强度 测试) 。试件的空隙率和干劈裂强度的测试结果如表2 4 所示。 根据表2 4 的试验结果，该组泡沫沥青稳定碎石混合料试件的干劈裂强度的 范幽为0 2 6 - - 0 6 5 m p a ；试件空隙率范围在7 4 1 0 8 ( 剔除一个特殊值1 5 。9 ) 。 2 1 2 2 养护时间对劈裂强度的影响 根据表2 4 中的试验结果绘制泡沫沥青混合料试件劈裂强度与养护时间的 关系曲线，如图2 2 所示。由图2 2 可以看出，养护时间对试件的劈裂强度有着 托致：的影响，随着养护时间的延长，试件的劈裂强度增加，养护前期劈裂强度 的增长速率比养护后期试件强度的增长速率快。养护l 天时，试件的干劈裂强 度值约为0 3 m p a ，达到养护7 天时试件强度的4 6 8 ；养护3 天时，试件的干 5 ；：裂强度值约为0 4 m p a ，达到养护7 天试件强度的6 6 1 ；养护4 天时，试件 的 二劈裂强度值达到养护7 天试件强度的9 0 。 由泡沫沥青稳定混合料试件劈裂强度的增加规律可以看出，试件强度随养 生时i 、日j 的变化特征与水泥混凝土相似。这在一定程度上表明试件的后期强度增 长主要取决于两个方面的因素：一方面依赖于混合料中水泥强度随养护时问增 长的不断增强；另一方面依赖于养护阶段混合料中水分的散失，而前者对强度 的影响可能更大些。 o 7 o 6 西 山 盏0 5 毯 髻0 4 裂 数 o 3 o 2 j 7 | 一 f ， o246 养生龄期( d ) 图2 2 劈裂强度随养护时间的变化 第2 章泡沫沥青稳定人粒径碎石混合料强度特征的研究 2 2 组成材料对泡沫沥青稳定大粒径碎石混合料强度的影响 2 2 1 沥青发泡效果的影响 ( 1 ) 试验方案与结果 为了比较沥青发泡效果对泡沫沥青混合料性能的影响，选择发泡效果差异 较大的泰普克沥青与韩国s k 沥青进行试验，两种沥青均为a 7 0 级。通过发泡 试验确定，泰普克沥青的最佳发泡条件为：沥青温度1 5 0 ，发泡用水量4 ， 相应的膨胀比为1 2 ，半衰期为8 4 s ，发泡效果较差。韩国s k 沥青的最佳发泡条 件为：沥青温度1 5 0 ，发泡用水量4 ，泡沫沥青的膨胀比为2 4 ，半衰期为2 8 s ， 发泡效果较好。 在最佳发泡条件下，分别对泰普克沥青与韩国s k 沥青进行发泡，选取相同 配合比的矿质混合料，制备泡沫沥青混合料，采用真空法测试混合料的理论密 度。采用双面各击实7 5 次成型马歇尔试件，将试件在4 0 通风烘箱条件下养护 3 天。试件脱模后，测试试件的毛体积密度，计算试件的空隙率。然后进行劈裂 强度测试，试件的体积参数指标和劈裂强度结果如表2 5 所示。 表2 5 两种沥青混合料试件的体积参数和劈裂强度试验结果对比 沥青 种试什编号理论密度毛体积密度 空隙率( )劈裂强度( m p a ) s k3 1 ( s k )2 4 9 02 2 3 ll o 40 3 8 膨胀比2 43 2 ( s k ) 2 4 9 02 2 7 4 8 7 9 3o 4 20 4 0 7 l ，衰期2 83 3 ( s k )2 4 9 02 2 7 28 7o 4 l 泰酱克3 1 ( 泰) 2 5 1 62 3 0 28 50 4 6 膨胀比1 23 2 ( 泰)2 5 1 62 2 4 51 0 8 9 4 0 3 5 o 4 l 7 卜衰期8 4 3 3 ( 泰) 2 5 1 62 2 9 0 9 0 0 4 l ( 2 ) 结果分析 表2 5 中的测试结果显示出，2 组泡沫沥青混合料试件在空隙率和劈裂强度 指标上均没有显著差异。由此看来，虽然s k 沥青的发泡效果显著优于泰普克沥 青的发泡效果，但是这种优势并没有反映在沥青混合料的性能上。这在一定程 度上表明，沥青的发泡效果对沥青混合料的性能没有显著影响，这与文献 3 0 中所得到的结论是一致的，即只要在最低的发泡效果水平之上，继续提高沥青 的膨胀比或半衰期，对泡沫沥青混合料强度并不会产生显著的影响。 1 9 第2 章泡洙沥青稳定人粒径碎石混合料强度特征的研究 2 2 2 水泥等在泡沫沥青混合料中的作用分析 ( 1 ) 试验方案与试验结果 为了探讨水泥在泡沫沥青混合料中的作用，采用相同级配组成的矿质混合 料变化结合料和粉料成分，制各6 组混合料。这6 组混合料中集料的配合比 捌州，仅改变其中的水泥用量、沥青用量和矿粉用量，各个试验混合料的组成 如下： 单独采用1 5 的水泥作为结合料，不加沥青，不加矿粉用量： 单独采用油石比为3 5 的泡沫沥青作为结合料，不加水泥，不加矿粉用 量： 采用1 0 水泥+ 油石比为3 5 泡沫沥青作为结合料，不加矿粉用量； 采用1 5 水泥+ 油石比为3 5 泡沫沥青作为结合料，不加矿粉用量； 采用3 5 泡沫沥青作为结合料，矿粉用量1 5 ，不加水泥。 采用1 5 水泥+ 油石比为3 5 泡沫沥青作为结合料，矿粉用量1 5 。 表2 6 水泥稳定混合料与泡沫沥青稳定混合料性能测试结果 ：i i 介料试 i ，| ：材料川皱( ) 理论密度 毛体积试什空隙劈裂强度稳定度 编号编号 泡沫沥青 水泥矿粉密度 率( )( m p a )( k n ) 1 1o 1 5 0 2 5 6 62 3 8 96 90 2 9 1 2o1 502 5 6 62 3 9 66 60 2 6 2 一l3 50o2 5 5 42 3 2 21 0 o0 2 8 2 23 5o 0 2 5 5 42 2 9 88 80 2 7 3 13 51 o 0 2 5 2 62 3 8 55 60 3 5 3 23 51 o02 5 2 62 3 7 26 1o 3 8 3 33 51 oo2 5 2 62 3 8 05 98 9 7 3 1 枣3 51 5o2 5 1 62 3 0 28 50 4 6 3 2 木3 51 502 5 1 62 2 4 51 0 8o 3 5 3 3 幸 3 51 5 o2 5 1 62 2 9 0 9 00 4 1 3 4 木 3 5 1 501 0 6 l 3 5 木3 51 501 1 7 8 5 ，13 501 52 5 1 02 3 6 55 8o 3 0 5 23 5o1 52 5 1 02 3 6 55 8o 3 1 5 33 5o1 5 2 5 1 0 2 3 6 06 0 o 6 一l 3 51 51 52 4 8 62 3 0 2 7 4 0 4 2 6 23 51 51 52 4 8 6 2 2 9 8 7 60 4 0 6 33 51 51 52 4 8 62 3 】86 71 0 2 2 0 第2 章泡沫沥青稳定人粒径碎石混合料强度特征的研究 注：幸为表2 4 中的编号。 试件成型后在4 0 。c 烘箱中养护3 天，测试试件的密度，计算空隙率，并测 试6 组混合料试件的干劈裂强度和马歇尔稳定度，结果见表2 6 。 ( 2 ) 水泥的作用分析 由表2 6 可以看出，单独以水泥或者泡沫沥青为结合料的2 组混合料( 混合 料与混合料) 试件的劈裂强度值均较小，且相差不大，但是在水泥稳定混 合料中，水泥剂量远小于泡沫沥青用量。从混合料的压实性来看，水泥稳定混 合料试件的空隙率小于泡沫沥青稳定混合料试件的空隙率，表明水泥稳定混合 料的压实性略好。在对试件进行马歇尔稳定度测试发现，仅用沥青稳定的混合 料试件放进6 0 水中很快就溃散了，而水泥稳定混合料试件的稳定度与掺加水 泥的泡沫沥青混合料相当。 比较表2 6 中的混合料、混合料和混合料可见，在不改变泡沫沥青用 量时，当水泥用量由无到1 0 时，试件的劈裂强度增加3 0 以上；当水泥用量 由1 o 增加至1 5 时，试件的劈裂强度增加1 0 以上，马歇尔稳定度增加2 0 以上。 ( 3 ) 泡沫沥青的作用分析 比较表2 6 中的混合料和混合料可见，在不改变水泥用量的条件下，当 油石比由0 到3 5 时，试件的劈裂强度增加近5 0 。这也表明了泡沫沥青对混 合料强度的巨大贡献。适当的泡沫沥青用量可以使得试件获得更高的劈裂强度， 如本文中油石比为3 5 时试件可获得较高的干劈裂强度。 ( 4 ) 矿粉的作用 比较表2 6 中的混合料和混合料可见，在不改变泡沫沥青用量的条件 下，如果不掺加水泥，仅增加1 5 的矿粉，可以使泡沫沥青混合料试件的劈裂 强度增加1 0 以上；而在掺加水泥的条件下，即使增加1 5 的矿粉，对泡沫沥 青混合料的劈裂强度和马歇尔稳定度均没有显著影响，见表2 6 中的混合料试 件和混合料试件。 上述分析表明，对泡沫沥青混合料强度产生显著作用的是水泥用量，其次 是泡沫沥青用量，矿粉的作用仅在不掺加水泥的条件下才能发挥。 2 l 第2 章泡沫沥青稳定 粒释碎ia 混合丰= 强度特征的研究 2 3 泡沫沥青混合料生产工艺对强度的影响 2 3i 拌和设备的影响 w l b l 0 型发泡试验机自带的叶片式单转予搅拌锅制备泡沫沥青混合料，在 “m 池沫沥青混合料的过程中，丈粒径石块经常会卡在搅拌叶l 与搅拌锅壁之 f 叫，导致拌和的延误，出现混合料拌和不均匀、沥青结团现象。为此，新代 ”d 机的拌和锅采用双螺杆方式生产泡沫沥青混合料，该设备可以模拟沥青混 合謇= 拌和楼的拌和条件，不存在石块卡壳的问题。两种拌和锅的外观见图23 。 m 螺杆武打、和锅 幽2 3 泡沭撕青混台抖拌目喇外观 第2 章泡洙沥青稳定人粒径碎石混合料强度特征的研究 借助湖州市公路局的带有双螺杆式拌和锅的发泡试验机，制备泡沫沥青混 合料，然后成型试件。试件养护3 天后进行劈裂强度和马歇尔稳定