（材料学专业论文）开级配沥青磨耗层级配和性能的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 开级配沥青磨耗层( o g f c ) 是一种具有相互连通空隙的开级配混合料， 具有优良的排水、防滑、降噪等功能，然而该种混合料空隙率达1 5 以上。 沥青用量低，混合料的耐久性和强度会产生一定影响，由于我国高速公路重 载、超载严重，按国外设计方法设计的o g f c 混合料难以满足路用性能的 要求，因此，o g f c 在我国高等级公路建设中一直没有得到推行。 本文对o g f c 的矿料级配组成，路用性能、受力机理进行了系统研究。 在分析各国o g f c 级配的基础上，运用矿料体积法进行o o f c 级配设计， 用正交实验对矿料级配进行了优化设计，运用数理统计方法分析矿料级配和 孔隙率之间的关系，并回归出矿料关键筛孔通过率与o g f c 骨架空隙结构 关系的数学方程，进而提出了o g f c 的合理级配：通过对不同孔隙率典型 级配混合料的性能研究，综合力学和功能性能，得出了o g f c 的合理孔隙 率范围：针对高速公路面层对o g f c 力学性能方面的要求，本文从沥青胶 结材料、纤维稳定剂两方面对o g f c 的性能进行改善：通过s b s 和橡胶粉 复合改性的方法开发出了适合o g f c 的高粘度改性沥青，掺加聚合物纤维， 提高o g f c 的最佳沥青用量，进而改善了混合料的高温性能和抗水损害性 能，优化设计出能满足高速公路路用性能，车辙动稳定度达5 0 0 0 次m m 以 上，动融劈裂强度比9 0 ，透水系数3 1 m l s ，并具有防滑降噪功能的开级配 沥青磨耗层( o g f c ) 混合料。最后，本文对o g f c 的受力机理进行分析， 结果表明：o g f c 的粗集料骨架在混合料强度组成中有重要作用，同时沥青 胶浆的凝聚力和对粗集料骨架的限制和裹附能力对o g f c 的强度发挥也起着 重要的作用。 关键词：开级配沥青磨耗层( o g f c ) ；孔隙率：级配设计；路用性能： 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p e ng r a d e d f r i c t i o nc o u r s e s ( o g f c ) i sak i n do fo p e ng r a d e dp o r o u s a s p h a l tm i xd e s i g n e dt od r a i nw a t e ro nt h er o a df a c ew h e nr a i n i n g i th a sg o o d p e r f o r m a n c eo nd r a i m n g ，a n t i s l i d ea n dn o i s er e d u c i n g i ti sc o m m o n u s e di n f o r e i g nc o u n t r i e sf r o m1 9 8 0 s ，w h i l e t h el a c ki nc h i n ab e c a u s ei t sp o o rm e c h a n i c s p e r f o r m a n c e ，d u et ot h eh i g l lp o r er a t e ，c a n n o tf i t f o rt h eh e a v yt r a 伍cl o a di n c h i n a t h eg r a d ec o m p o s i t e ，r o a dp e r f o r m a n c ea n di t sm e c h a n i s ma l es y s t e m i c a l l y s t u d i e d 1 ) t h ea g g r e g a t eg r a d eo f o g f ci ss t u d i e dt h r o u g ht h ev o l u m em e t h o d b a s eo nt h ea n a l y s i so ft h ea g g r e g a t eg r a d e s t h e nt h eg r a d ei sv e r i f i e da n dt h e r e l a t i o nb e t w e e nt h eg r a d ea n d p o r e r a t ei ss t u d i e ds t a t i s t i c a l l y , t h et y p i c a lg r a d e s o fo g f ca r ed e v e l o p e d ；2 ) t h er e a s o n a b l ep o r er a t eo fo g f c i ss t u d i e do i lt h e b a s i so ft h eb a l a n c eo fm e c h a n i c sa n df u n c t i o np e r f o r m a n c e ；3 ) t h em i n e r a lf i b e r i sa d d e dt ot h eo g f cm i x e st oi n c r e a s ea s p h a kc o n t e n t , t h u st h ea n t i - w a t e r p e r f o r m a n c eo fo g f cm i x e sa l ei m p r o v e d ；4 ) h i g hv i s c o u sa s p h a l tf i tf o rt h e p r e p a r a t i o no fo g f c i s p r e p a r e dt h r o u g hc o m p o s i t em o d i f i c a t i o nb ys b s a n d r u b b e rp o w d e r ；5 ) t h em e c h a n i c sm e c h a n i s mo fo g f ci ss t u d i e di nt h ep a p e r , i t s h o w s ：a s p h a l tp a s t e ，a sw e l la st h ec o a r s ea g g r e g a t es k e l e t o n , i se s s e n t i a lt ot h e m e c h a n i c so fo g f c k e yw o r d s ：o p e ng r a d e df r i c t i o nc o u r s e s ( o g f c ) ；p o r o u sr a t e ；g r a d e d e s i g n ；r o a dp e r f o r m a n c e i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 沥青路面材料发展概述 沥青是人类应用最早而至今仍大量使用的工程材料之一。人类使用沥青 的最早记载是公元前3 8 0 0 年左右苏美尔人对沥青的使用。近6 0 0 0 年来，沥 青以不同形式用作防水、防腐和粘结剂，在人类文明发展史中发现了极其重 要的作用。即使到了电于信息时代的今天，沥青材料仍在道路工程、水利工 程、建筑业、工业等领域中发现重要作用，担负特殊使命。如今沥青在道路 工程中的使用量最大，世界上大多数石油沥青用于道路铺筑。而沥青材料在 道路建设中的应用是随着交通运输的发展而不断推广使用的。 长期以来，沥青路面材料组成与结构形式在各国都有所不同，各有特色。 究其原因，这些不同主要是由各国的气候、材料( 沥青和矿料) 、工业化程 度、机械设备等因素决定的，是各国道路工程人员为适应本国具体情况，经 长朋实践总结，而开发形成的最优方案。但这种需长期实践、靠经验形成的 配制式沥青混合料配比成果，更新周期长，对条件变化的适应性差，不利于 沥青路面材料的广泛应用。而在沥青混合料的设汁方法出现和对沥青混合料 的组成实践上升到理论试验研究后，沥青路面结构材料的创新才迈入了一个 高速发展的新时代。 在沥青混合料组成方面，1 9 2 0 年出现了沥青混合料的最初试验方法一 h u b b a r d f i e l d 方法，试样直径2 i n ，高“n ，后来随着交通量的增长、 车辆荷重的增加，沥青路面结构层使用了颗粒较粗的碎石，于是提出了修正 的h u b b a r d f i e l d 方法试样直径6 i n ，高3 i n ，第二次世界大战期间， 美国工程兵团为谋求机场施工快速化，由密西西比州道路局的布鲁斯马歇 尔b r u c em a r s h a l l 提出了马歇尔稳定度试验方法，并通过试验研究提出了 初期的马歇尔稳定度标准，如今马歇尔试验方法已经成为各国的沥青混台料 设计的主要方法：后来又出现了维姆法、单轴压缩试验法、三轴压缩试验法、 g t m 、s h r p 方法等。与此同时，道路工作者对矿料的组成研究也全面展开。 武汉理工大学硕士学位论文 经过长期实践总结，提出了矿质集料组成的基本理论级配理论( 包括最 大密度线理论和粒子干涉理论) 和填充理论，并在这些理论的知道下，经过 试验研究，得到了各种级配曲线。w b f u l l e r 富勒和他的同事们研究得出 最大密度级配曲线， p = 1 0 0 ( d d ) “( n = o 5 )( 1 - 1 ) 式中d 一矿质集料的最大粒径( 舢) d 希望计算的某级矿质集料粒径( t i m ) 卜希望计算的某级矿质集料的通过百分率( ) 富勒曲线成为了后来各种级配曲线( 连续级配、间断级配、密级配、开 级配筹) 组成形式的理论基础：n i j b o e rl w 采用了此公式，但给n 一个范 围值进行试验，他指出当n 值在0 4 0 5 之间时能得到最密实的沥青混合料， 而a n t a i b o l 泰波经试验则认为n 应该在0 3 - 0 5 之间：c a gw e y m o u t h 提出的粒子于涉理论，则为最佳级配( 要求混合料不仅摩阻角大而且应具有 一定的凝聚力，不仅抗压强度大而且应具有相当的抗拉强度) 曲线的成型提 供了理论基础。 在这些沥青混合料的试验方法以及关于矿质集料的组成理论的基础上 在最近几十年内，世界各国在传统密级配沥青混凝土a c 的基础上开发形成 了许许多多新型的沥青混合料路面结构。如广用于潮湿多雨地区的开级配磨 耗层，o g f c 英国所擅长的热压式沥青混凝土h r a ，法国发明的薄沥青面层 b b m ，美国德克萨斯州运输局开发的粗骨架高结合料含量沥青混合料c m h b ， 我国首创的多碎石沥青混凝土s a c 、抗滑表层沥青混凝土a k ，起源于德国的 沥青玛蹄脂碎石路面s m a 等等。这些新型沥青混合科的出现、应用，解决了 道路工程上许多日益夹出的难题。“”比如本文研究的开级配磨耗层o g f c 不仅因为起透水性能而消除了下雨天路表面的溅水和水雾，而且提高了路面 的抗滑性能，并且能够降低路面噪音，具有优越的功能性，在对安全、环保、 和舒适要求日益提高的现代社会，o g f c 具有广阔的应用前景。 o g f c 是由2 0 世纪6 0 年代美国西部几个洲的混合料封层发展而来的。 通常封层由最大公称尺寸9 ，5 m m 和1 2 5 m m 的集料，在沥青混合科厂与较 武汉理工大学顼士学位论文 高用量的沥青拌和而成，铺设厚度1 5 2 0 m m 。这种厂拌封层( 也叫玉米花 混合料) 具有碎石密封层同样的优点，美国西部几个州就开始在般基层上 铺筑厂拌封层并解决了诸如碎石松散的问题。0 3 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手段之 一，并且第一次提出o g f c ( o p e n g r a d e d a s p h a l t f r i c t i o nc o u r s e ) 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。“ o g f c 设计成一种具有相互连通空隙的开级配的混合料，为大雨时提供 了排水通道。雨水垂直通过o g f c 到达不渗水的下卧层表面，然后从侧向 排到路面的边缘。从安全和环境方面来说，使用o g f c 有以下好处。 ( 1 ) 减少水雾和眩光。因为在o g f c 路面没有残留水，它几乎可以消 除水雾。雨天在o g f c 路面上开车，司机感到安全。0 ( 薄c 的另一个好处是 减少在潮湿状态下前灯的眩光。很显然，这有利于改善能见度，减少驾驶疲 劳。 ( 2 ) 降低噪音。为评价o g f c 降低噪音的能力，在美国和欧洲进行了许 多研究。据欧洲报道：与密级配热拌沥青混合( h m a ) 路面相比，噪声降低 3 d b ( a ) ： 与水泥混凝土( p c o 路面相比，降低7 d b ( a ) 。用于城郊公路附近的 防音墙通常能降低3 d b ( a ) 左右的噪音。当噪音改变3 d b ( a ) 时，大多数 人都能注意到显著的差异。铺筑0 g f c 也许是一种代替防音墙，缓减交通噪 声的合理方案。防音墙每0 3 0 5 m 造价1 5 2 0 美金，能减少噪音3 5 d b 。 为降低3 d b 噪音，需减少一半交通量或者将防音墙到公路的距离加大一倍。 防音墙或土护坡可用来减少噪音，但它们四周防噪的效果并不相同。“一” ( 3 ) 防水漂。由于雨水透过o g f c 层，在路表无连续的水膜，故o g f c 可防水漂。即使长时间下雨，可能使o g f c 饱和，但由于车辆与轮胎间水 压通过o g f c 的多孔结构消失了，仍然不会发生水漂。 ( 4 ) 改善路面标志的可见度。o g f c 表面层的标志线，可见度高，尤 武汉理：【：大学硕士学位论文 其是潮湿天气，这有利于安全。 ( 5 ) 提高潮湿路面的抗滑性。美国、加拿大和欧洲的研究表明，与密 级配( h m a ) 和( p c c ) 路面相比，o g f c 具有优良的潮湿抗滑性，雨天 交通事故大大减少。宾夕法尼亚洲运输部在4 条o g f c 和密级配h m a 试验 路上获得了抗滑性和速度梯度的数据，速度梯度定义为速度改变值与相应抗 滑性降低值的比。速度梯度低是理想的，因为它能够保证在高速如9 0 1 1 0 k m h 时有较高的抗滑能力。路易斯安娜州运输部也比较了h m a 和o g f c 的抗滑系数和速度梯度，发现：o g f c 的速度梯度比h m a 的要低，从而具 有较高的抗滑系数。o + 7 1 1 2 0 g f c 国内外研究状况 1 2 1 国外研究、应用现状 自0 g f c 6 0 年代在美国首次建设后，在欧美、日本和澳大利亚等国。0 g f c 被广泛的研究并得到重视。但由于且的和使用方法的不同，所使用的材料、 结构和工艺也有所不同。 ( 1 ) 粗集料 粗集料最大粒径与排水路面层厚有关。在美国，0 g f c 路面面层厚度一 般为2 0 2 5 r a m ，因而粗集料最大粒径都在1 0 m l 左右。欧洲的排水性路面面 层较厚，粗集料最大粒径为1 0 2 0 r a m 其中1 4 r a m 者最多。日本的排水性路面 面层厚度为4 0 5 0 u g h ，最大粒径为1 3 r m 或2 0 r a m 。对于粗集料的质量标准， 由于考虑到路面的抗滑性能和良好的抗车辙能力，美国和欧洲要求粗集料不 能使用较纯石灰岩和易磨光的集料。“” ( 2 ) 细集料、填料 排水性路面的细集料般是指0 0 7 5 2 3 6 r a m 部分集料。对于2 3 6 r m 通过率，欧洲规定的最大范围为3 0 ，实际上推荐1 5 左右。美国规定的范 围较窄，为5 1 5 。日本的沥青路面纲要最初规定为8 - - 2 5 ，但为了获得 武汉理工大学硕士学位论文 足够的空隙率，一般也取1 5 左右。细集料由于用量较少，对其性能没有特 殊的规定，而对于排水性混合料的填料产欧美一般规定使用消石灰或水泥。 加入消石灰可以防止沥青从集料上剥落( 特别是多雨地区) 。而且可以延缓 沥青老化。日本则要求使用的填料必须是石灰岩矿粉，否则可用消石灰或水 泥替代。 ( 3 ) 沥青胶结料 欧洲在8 0 年代试用了直馏沥青，但其耐久性较差。为了增加沥青对集 料的握裹力和防止沥青流淌风在全部使用p e 、s b s 、e v a 等改性沥青，同 时还使用诸如纤维等稳定剂。美国在较长时间内一直使用直馏沥青，受欧洲 路面研究的启发，特别是在美国使用废弃轮胎后，近年使用改性沥青逐渐增 多。嘲日本从一开始就使用改性沥青，“如：改性沥青i i 型、高粘度改性沥 青、环氧沥青等，也使用纤维等稳定剂。 ( 4 ) 空隙率 在欧洲排水性路面的空隙率起初为1 5 ，为防止孔隙堵塞以维持排水功 能，设计施工时往往将空隙率取为2 0 。美国困排水性路面粒径较小，以抗 滑性能为主，孔隙堵塞对抗滑性能不会有太大影响，因而空隙率定为1 5 以 上。“日本和欧洲一样为使路面排水功能和降低噪音效果持久，也将空隙率 由原来的1 5 提高到了2 0 甚至更大。 ( 5 ) 配合比设计 在欧洲，对于多孔沥青混合料的特殊粒状结构，不能采用己有的配合比 设计方法特别是马歇尔法与开裂试验，同时对车辙试验的适用性也有疑问。 美国在o g f c 的配合比设计中没有采用力学试验，这是因为己有了一定 的经验积累，沥青用量根据粗集料的沥青当量，用经验公式算出沥青用量在 6 以上。此外，还进行了混合料中沥青的析漏试验。总之都没有进行马歇尔 试验和车辙试验。“” 求空隙率的马歇尔压实度、求集料抗剥落性的肯塔堡飞散损失试验以及 浸水肯塔堡飞散损失试验等，也可能适用于欧洲的情况。因此作为配合比设 计方法，目前可供参考的最佳方法可考虑从压实试件的空隙率和肯塔堡飞散 武汉理工大学硕士学位论文 损失试验求出集料级配和沥青用量。日本在借鉴欧洲经验的基础上，仍然采 用马歇尔试验方法，以求得适宜的空隙率马歇尔击实次数为两面各5 0 次： 沥青用量以析漏试验和肯塔堡飞散损失试验控制，仍以车辙试验评价排水性 混合料的高温稳定性。 日本是o g f c 研究和应用都比较先进的国家之一，下面以日本的o g f c 设计方法为例： 日本透水性混合料配合比设计步骤为：确定目标空隙率：材料选择 与初试级配的确定：初试沥青用量计算：满足目标空隙率级配的确定： 确认混合料空隙率，确定最佳沥青用量；混合料检验。“” ( 1 ) 目标空隙率的确定 研究表明空隙率在1 0 以下时，路面排水性能等同于密级配沥青混合 料，因此初始使用阶段孔隙率设定为1 5 以上。实践证明排水性路面在使用 过程中，行车荷载的再压密，以及灰尘堵塞等，使得路面逐渐丧失了排水性 能和降低噪音性能。因此，为保证路面的排水性能和降低噪音效果，现今排 水路面的目标空隙率普遍设定为2 0 札2 5 。 ( 2 ) 材料的选择与初试级配的确定 材料选择的关键是粗集料和填充料。粗集料最大粒径为1 3 哪或2 0 m m 排水性指合料矿料级配如表2 所示。由于粗集料含量较高排水性混合料的空 隙率、抗车辙能力古很大程度上取决于粗集料的性质。例如：集料种类、颗 粒形状、抗滑性、抗磨耗性以及抗压碎性等。排水性混合料空隙率较大，因 此填充料的性质对混合料的耐久性至关重要。规定填充料必须是石灰岩矿 粉，否则用消石灰或水泥代替。 选择的初试级配必须符合表1 的要求。以2 3 6 m m 通过率为特征变化点， 选择三种通过率：1 2 、1 5 、1 8 ，三种级配的矿粉用量即0 0 7 5 m 通过 率一般固定在中值不变，计算相应的材料配比，所配制的三种初试级配的合 成级配必须在要求的级配范围内。选择初试级配的目的是在初试沥青用量 下，确定满足目标空隙率的合理级配。 6 武汉理工大学硕士学位论文 选择的初试级配必须符合表l 的要求。以2 3 6 咖通过率为特征变化点， 选择三种通过率：1 2 、1 5 、1 8 $ ，三种级配的矿粉用量即0 0 7 5 r a m 通过 率一般固定在中值不变，计算相应的材料配比，所配制的三种初试级配的合 成级配必须在要求的级配范围内。选择初试级配的目的是在初试沥青用量 下，确定满足目标空隙率的合理级配。 ( 3 ) 初试沥青用量的计算 初试沥青用量是根据矿料表面吸附沥青膜厚度确定的。影响级配矿料表 面积的首要因素是级配中通过0 0 7 5 唧筛的矿粉含量，其次是通过o f5 、 0 3 、0 6 、1 1 8 、2 3 6 和4 7 5 r a m 筛孔集料含量：所有粒径大于4 7 5 m m 筛孔的各 种级配集料的表面积没有大的影响。因此，初试沥青用量( 对集料而言) 的 计算如下： 初试沥青用量= 假定膜厚( 一般为i 0 - 1 4um ) 集料表面积 集料表面积= ( 2 + 0 0 2 a + 0 0 4 b + o 0 8 c + 0 1 4 d + 0 3 e + 0 6 f + 1 6 9 ) 4 8 7 4 式中：a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 分别为4 7 5 、2 3 6 、1 。1 8 、0 5 、0 3 、 0 1 5 和0 0 7 5 m m 筛孔通过百分率。 ( 4 ) 确定满足目标空隙率的矿料级配 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 6 r a m 通过百分率是控制排水性混合料空隙率的重要因素。在确定矿 料级配时，绘出图l 所示的关系曲线调整级配到目标空隙率对应的2 3 6 舯 通过百分率，从而确定最终设计级配。 母 * 毯 捌 l o 1 i1 21 31 4 1 51 61 7 1 8 1 92 0 z ，3 6m m 通过冒分搴 图卜1 日本0 g f c 设计方法2 3 6 m 通过百分率一空隙率曲线 ( 5 ) 最佳沥青用量的确定 在确定矿料级配后，进行最佳沥青用量的设定。首先以马歇尔试验方法， 按o 5 间隔变化沥青用量5 7 个点分别成型6 个试件；三个试件进行肯塔 堡飞散损失试验，另外三个试件进行空隙率测定。由沥青用量与肯塔堡飞散 损失量绘成曲线图如图l - 2 所示，以曲线突变点( 或标淮要求值) 对应的沥 青用量为最小沥青用量。然后，按o 5 间隔变化沥青用量5 7 个点，分别 拌和沥青混合料，并均匀分成三份( 每份约l k g ) 进行析漏试验。由沥青用 量与析漏量绘成曲线图如图1 3 所示以曲线变突变点对应的沥青用量为最大 沥青用量。在最小沥青用量与最大沥青用量之间选择符合目标空隙率要求的 沥青用量为最佳沥青用量。 武汉理工大学硕士学位论文 霸 簟小 太 引 小 一 ； 鞠j ! 二 f p 一 卜 小9 太 暂奢用量 图卜2 最小沥青用量确定图图1 - 3 最大沥青用量确定图 ( 6 ) 混合料检验 最佳沥青用量确定以后，再进行密度试验、马歇尔稳定度试验、透水性 试验以及车辙试验。各试验的目标值如下：空隙率为目标空隙率1 以内； 马歇尔稳定度3 5 k n 以上；透水系数l o 2 0 r n s ；动稳定度1 5 0 0 次, m m 以上 ( 大型车很多的道路) 或3 0 0 0 次m m 以上( 大型车特别多的道路) 。满足以 上目标值要求的排水性混合料最佳沥青用量为设计沥青用量。 但由于我国高速公路的交通量大，重载、超载车辆多，再加上幅员辽阔， 气候复杂，国外的设计方法和规范对孔隙率、胶结材料等方面的设计要求和 规定不能适应我国实际情况，设计出的混合料难以满足我国高等级公路的要 求，特别是车辙性能。 1 2 2 国内研究状况综述 0 g f c 路面结构在我国首先是在城市道路上应用，北京、广州等大城市 在2 0 世纪9 0 年代都先后铺设了试验路和实体工程。公路行业在2 0 世纪9 0 年代后期开始研究使用o g f c 。交通部公路研究所先后在济青高速公路，京 沪高速公路( 河北段) 铺设了试验路。但路用性能都难以满足我国高速公路对 面层混合料的路用性能要求，特别是车辙性能均在2 0 0 0 次以下。“2 4 “”表 1 - 2 为京沪高速公路( 河北段) o g f c 试验路性能指标，从表中看出，混合料 的动稳定度仅为1 8 0 0 次m m ，不能达到3 0 0 0 次m m 的高等级公路路面规范 要求，更无适应我国高速公路交通辆大，超载现象严重的情况。 武汉理工大学硕士学位论文 目前，我国对o g f c 的设计、施工的研究较少，公路部门仍没有制订0 g f c 的相关设计和施工规范，少数高等级公路的试验路均采用国外设计和施工方 法，部分工程甚至采用国外进口材料进行施工，但效果均差强人意。 1 3 研究意义和内容 1 3 1 研究意义 近二十年来是我国公路史上交通发展速度最快、规模最大以及最具活力 的时期，我国高速公路建设事业也迎来了历史上最好的发展机遇。到2 0 0 1 年底，全国高速公路总里程达到1 9 万公里，初步形成一个干支衔接、布局 合理、四通八达的全国公路网。同时我国高速公路的质量管理逐步规范化、 制度化。交通基础设施建设质量有了大幅度的提高，其中部分公路的建设质 量己达到或接近国际先进水平。 随着我国公路建设的发展，对路面的要求越来越高。公路沥青路面表层 的构造深度和防水损害一直没有很好解决，城市道路对噪音和抗滑性也越来 越重视。从国外的使用情况来看，在某些地区，0 g f c 是一种有望解决此类 问题的一种选择。 o g f c 设计成一种具有相互连通空隙的开级配的混合料，为大雨时提供 了排水通道。雨水垂直通过o g f c 到达不渗水的下卧层表面，然后从侧向 排到路面的边缘。可有效的解决我过夏季多雨带来的交通危害。而且，o g f c 同时具有防滑、降噪等性能。 我国地域辽阔，南北气候不一，北方寒冷干燥，南方高温多雨，这些自 然条件对沥青混合料性能影响较大。因此我国广大地区与世界同纬度地区如 欧洲、美国、日本相比，夏季炎热，而夏季高温季节行车是造成车辙的最主 武汉理工大学硕士学位论文 要因素。而国外现行o g f c 设计方法则无法满足我国高等级路面对车辙性 能的要求，研究适合我国高等级路面的孔隙率范围、混合料设计和施工方法 则具有重要意义。 此外，本课题依托工程孝襄高速公路沿线地区属亚热带大陆季风性湿热 气候。通过调查沿线降雨资料表明：降水丰富，年平均降雨量为 8 4 5 1 2 0 0 m m ，最大年降水量为1 2 4 5 m m ，最小年降水量为4 7 i m m 。适合铺 筑o g f c 试验段。 1 3 2 本文主要研究内容 本文的主要研究内容为： ( 1 ) 借鉴体积法进行矿料级配设计，并通过正交实验和回归方程分析 矿料级配对孔隙率和集料骨架之间的关系： ( 2 ) 针对0 g f c 空隙率大造成的混合料易松散、老化，采用聚合物复合改性 的方式研制开发商粘度改性沥青； ( 3 ) 通过对混合料车辙、冻融劈裂、构造深度和透水系数等指标，对0 g f c 高温性能、抗水损坏性能、防滑性能和透水性能进行优化研究； ( 4 ) 0 g f c 的受力机理研究。 武汉理：c 大学硕士学位论文 第二章o g f c 级配和设计方法研究 2 1 开级配沥青混合料级配设计理论 沥青混合料的集料是由粒径大小不等但按照一定比例组合而成的，这种 组成称为级配。由于矿料级配的不同，可形成各种类型且在物理性质和力学 性质上差异显著的沥青混合料，因而它们的用途也就各不相同。集料级配基 本上分为连续和间断级配两大类。集料级配不同，使混合料形成不同的结构， 如悬浮密实结构、骨架密实结构以及骨架空隙结构。o g f c 就属于骨架空 隙结构。对于密级配的悬浮一密实结构、骨架罐f 实结构，主要采用最大密度 曲线理论以及由其衍生出的各种级配理论。o g f c 则采用开级配混合料设计 的级配理论，粒子干涉理论。 作为间断级配的理论基础，粒子干涉理论是由魏矛斯( c a g w e y m o u t h ) 提出，主要针对的是间断级配。该理论认为颗粒之间的空隙应由次小一级的 颗粒所填充，其余空隙由再次小一级的颗粒所填充，填隙颗粒的直径不应当 大于空隙之间的距离，否则，粗颗粒之间将发生粒子的干涉。“卸从i 临界状 态即填隙颗粒直径等于间隙之间距离的关系可以得出计算公式： i 1i 拈仁腊一 d ( 2 - 1 ) ii 式中：卜前粒级的间隙距离( 等于次一级的颗粒直径) d 一前粒级的粒径 d 0 _ 一次一级的理论密实率( 集料松装密度与表观密度之比) d a - - 次一级的实用密实率 对于连续级配的混合料d d = 1 2 。由此可以计算出使用密实率，进而可 以计算出各粒径的通过率。 但事实上根据最大密实度原则，e h 泰波公式设计出的密级配型沥青混 合料细集料含量较高，沥青用量较大，粗集料在混合料中呈悬浮状态，其内 武汉理一l 大学硕士学位论文 摩阻力较小，致使其抗剪强度下降其高温稳定性较差，易产生车辙变形： 低温时收缩较大，易产生低温开裂：设计出的连续型开级配抗滑层，细料填 隙不足，空隙较大，作为面层易透水和老化松散，并产生坑槽。 间断级配是在矿质混合料中剔除其中一个分级或几个分级形成的一种 不连续的级配。但在实际应用中，由于路面用的矿质混合料的最大粒径不超 过4 0 m m ( 3 5 r a m ) ，一般最多只能间断一个或两个分级。因此，通常的闾断 级配混合料，是以一个连续级配的集料为骨架，用另一连续级配细集料填隙 而形成的。间断级配混合料在理论上不仅有足够的粗粒料可以形成空间骨 架，而且又有必要有一定数量的细料填充于骨架间的空隙，以及一定的沥青 胶浆将集料粘结在一起，使混合料有较高的密实度而形成为一种骨架密实结 构，其内摩阻力和粘结力都较高。 2 2o g f c 级配的设计研究 2 2 1 沥青混合料体积设计法设计思路 1 、沥青混合料体积设计法设计思路 沥青混合料的干涉可以分为两类：一类是颗粒干涉，主骨架的粒料被较 小的粒料挤开，从而使主骨架颗粒不能很好嵌挤；另一类是沥青胶浆干涉， 当细集料和沥青用量太大时，沥青混合料发生胶浆干涉，形成密实悬浮结构。 o 删根据以上分析，针对现行级配设计理论的不足，本文提出体积设计法的 基本思路和方法。体积法基本思路是实测主骨架矿料的空隙率，计算其空隙 体积。使细集料体积、沥青体积、矿粉体积及沥青混合料最终设计空隙体积 之总和等于主骨架空隙体积。也即细集料和沥青所组成的胶浆是作为填充料 以填充主骨架的空隙，因此不会发生胶浆干涉为了避免颗粒的干涉，细集 料颗粒不能太大，据此一般间断2 3 6 4 7 5 r a m 或1 1 8 4 7 5 m m 档细集料， 以利于主骨料充分嵌挤。体积设计法既强调主骨架的充分嵌挤作用，又充分 利用细集料的填充、粘结作用，把嵌挤原则和填充原则有机地结合起来a 2 、沥青混合料体积设计法设计步骤 武汉理工大学硕士学位论文 l 、根据泰波公式或经验确定主骨架的级配组成。可根据不同的功能要 求采用连续级配或单一粒径。但粗集料粒度范围不宣太宽，最好采用一级或 二级尺寸的集料( 即d r d d = 2 - - 4 ) ，以免级数过多，造成中问尺寸粒料的“干 涉而影响主骨架的嵌挤。 2 、细集料一般根据泰波公式设计，其摄大粒径根据主骨料最大粒径选 取。 3 、测定石料的表观密度。包括粗集料的表观密度p 。细集料的表观 密度pt f ，以及矿粉的表观密度pt 。其试验操作方法步骤可参照有关规范。 4 、测定主骨料的装填密度。 5 、计算主骨架空隙率尺寸 v 。：( 1 一生坐) 1 0 0 ( 2 - 1 ) pt c 式中：v ，c _ 主骨架空隙率( ) 。 p 他) c - 一主骨料松装( 紧装) 密度。 p 。，主骨料表观密度。 6 、根据经验确定矿粉、沥青用量。根据试验结果，粉油比一般为1 2 1 6 ，沥青用量叽大约为4 8 5 5 ，矿粉用量q 。为6 8 。根据功能要 求确定沥青混合料设计空隙率v v 。 7 、根据以上所确定的各已知量，利用式( 4 ) 和式( 5 ) 两式，即可 求出粗集料用量q 。和细集料用量q 卜 fg 。+ g ，+ gp = l o o 彘眠叱，= 苦+ 若+ p q a 。之 式中：q 。、q q a 分别代表粗集料、细集料、矿粉重量百分数； q a _ 沥青用量重量百分数； 武汉理工大学硕士学位论文 配。 v 。粗集料的装填空隙率百分数； v 。沥青混合料设计空隙率： p 。粗集料的装填密度； pnp 。r 一细料和矿粉的表观密度： pa _ 一沥青的密度。 8 、根据粗、细集料的百分含量以及粗、细集料组成计算沥青混合料级 2 2 2 试验原材料及检测 ( 1 ) 采用鄂州科氏p g 7 0 - 2 2 改性沥青进行混合料配合比设计，“各项 性能指标见表2 - 2 表2 2p g 7 0 - 2 2 沥青性能指标测试结果 测试项目试验结果 针入度( 2 5 ，l o o g ，5 s ) ( 0 o l m m ) 针入度指数p i 延度( 5 c m m i n ，5 c ) ( c m ) 软化点( 环球法) ( ) 布氏粘度( 1 3 5 ，p a s ) 闪点( 开口) ( ) 密度( 2 5 c ) ( g c t a 3 ) 弹性恢复( 2 5 ，) 离析试验( 软化点差，) 溶解度( 三氯乙烯) ( ) 质量损失 薄膜加热试验 f f a 度e ( 2 5 c ，) 1 6 3 ，5 h 延度( 5 c m m i n 5 c ，c n l ) ( 2 ) 采用京山玄武岩，性能指标见表2 - 3 讫 蛎 两 ：三 m 阍 盯 j 薹； 船 武汉理：【大学硕士学位论文 表2 - 3 京山玄武岩集料性能测试结果 ( 3 ) 采用石灰石矿粉，性能指标见表2 4 表2 - 4 矿粉的物理指标测试结果 测试指标试验方法规范要求实测值 表观密度( g c m 3 ) t 0 3 5 2 2 0 0 0 术2 51 6 含水量( ) t 0 3 3 2 1 9 9 4 丰l0 1 o 6 m m1 0 0 1 0 0 粒度范围 4 7 5 r a m ) 含量，其次是9 5 4 7 5 m m 骨料含量，影响最小的是 沥青用量；对流值有显著影响的因素亦则是粗骨料( 4 7 5 r a m ) 含量，其次 是沥青用量，最小的是9 5 4 7 5 m m 骨料含量。 从孔隙率项目中的极差分析中可进步看出： o 铆蝴 o o 2 啪om哪啪 正名o 0 n 垃蛙m m 娜瑚啪m硒 6 1 l l l 9 1 l l l ，：，o 惭 武汉理工大学硬士学位论文 表2 - 5 正交试验表头设计 因素 水平 123 沥青用置( )3 0 ( 1 )3 5 ( 2 ) 4 0 ( 3 ) 粗骨料( 4 7 5 m m ) 含量( )7 5 ( 1 )80(2)85(3) 9 5 4 7 5 m m 骨料含量( ) 2 5 ( 1 )5 0 ( 2 ) 7 5 ( 3 ) k b l = 1 8 3k b 2 _ 2 1 1k b 3 = 2 4 3k b 2 一k _ b i 2 8 k b 3 - k b 2 _ 3 2 k b 3 - k b i = 6 0 而k b l 与k b 2 、k b 2 与k b 3 中粗骨料均增5 ，即每增 加5 的粗骨料，孔隙率增加约3 。方差分析的计算见表2 - 6 表2 - 6 方差计算表 萋羹 ll i i ；l 垂；l 蓁；i ；主i 囊；毳 銎堡芝嚣0鬟 三春k 3 6 47 36 4 蛩；4 舶0 5 3 7 4 ，1 。2 4 54 0 ：7 j 3 1酬7 0 4 米q r 5 7 8 + 当给定a = 5 ，查f 分布临界值fa ( 2 2 ) = 1 9 。易见孔隙率项i f l 中的 f b = 5 4 1 1 9 ，这表明粗骨料含量对孔隙率有显著影响。若给定a = 1 0 ，查 f 分布临界值表得f a ( 2 2 ) - - 9 ，易见孔隙率项目中的f s fd ，f f a i f d 。这 表明除粗骨料含量对孔隙率有显著影响外，沥青用量对孔隙率大小也有显著 8 武汉理工大学硕士学位论文 影响。 2 2 4 级配设计分析 为了保证沥青路面具有一定的排水能力，成型后的沥青源合料必须满足 一定的空隙率要求，空隙率值不能过小。同时，为了使粗集料在沥青混合料 中形成石一石接触的骨架结构，在加入细集料和沥青后，压实沥青混合料的 粗集料骨架间隙率粗集料间隙率不得大于集料捣实间隙率，以保证混合料的 骨架结构不会被破坏，即粗集料间隙率不宜过大。【2 0 2 1 , 2 2 1 表2 - 7 中数据为 不同级配组成的粗集料捣实间隙率( v d ) ；压实后沥青混合料的体积结构参 数：空隙率( v ) 和粗集料间隙率( v m ) 的测试值。 表2 7 混合料的体积参数 由表2 7 可见，当粗集料级配变化时，v d 的变化范围为4 1 8 - - 4 3 4 ， 而在沥青混合料中v m 的变化范围为3 8 2 4 8 3 ，由于沥青和细集料的填充 作用，v m 的变化幅度明显大于v d 。 将材料通过各筛孔的质量分数则( 1 ) 。z ， c 0 。j ，”s ，2 3 6 ，m o ” 及沥青用量m a 与v 和v m 的关系分别进行统计分析可知与v 和v m 有显著 关系的参数是f d 。其统计回归结果见式2 ，3 ，2 - 4 置信水平为9 9 t v = 3 3 2 8 3 7 0 2 2 1 5 ( i ) 。，；- 0 6 7 7 8 ：。( 2 - 3 ) ( 统计量f = 1 5 8 2 ，相关系数r = 0 9 5 7 1 ，n = 3 2 ) 9 武汉理工火学硕士学位论文 v m 2 3 6 1 1 1 5 + 0 6 0 9 0 ( ) 7 s - 0 4 8 6 4 ( i ) z * ( 2 4 ) ( 统计量f = 2 9 5 3 ，相关系数r = 0 9 7 63 ，n = 3 2 ) 上述式中：。为混合料中通过4 7 5 筛的质量分数，：u 。为混合料中 通过2 3 61 1 1 1 1 1 筛的质量分数，。 由式2 3 可见，当。和( i ) 。增加时，混合料空隙率降低，表明4 ，7 5m i l l 以下的颗粒会填充粗集料骨架，降低混合料的空隙率对式2 4 的分析表明， 沥青混合料的v m 随着。的增加和m 。的减少而增加。u 。；增加和u 。，。 减少的综合效果实际上相当于增加了2 3 6 m m 的颗粒量，这表明2 3 6m i l l 颗 粒对沥青混合料粗集料骨架有着显著的干涉作用，当其含量过高时，将破坏 粗集料之间的石石接触结构。 综上所述，u 。过大对于保持混合料稳定的骨架结构和排水所需的大 空隙结构要求都是不利的，小于2 3 6r a i n 的颗粒虽然不会干涉粗集料的骨架 结构，但会降低混合料的空隙率，也不宜过多v 和v m 在对。，s 上的要求上 是统一的，而在对u 。的要求两者是矛盾的。因此，可由式2 3 得出满足最 小v 要求的。上限值，由式2 - 4 得出满足最大v m 要求的( - ) zm 下限值。 2 2 4 典型级配的确定 按照目前的混合料级配理论难以确定其级配组成，只能通过试验予以确 定。结合正交试验时沥青混合料的级配及其试验结果，并便于试验研究和以 后修筑试验路实体工程的需要，确定了3 种孔隙率、三种级配，见表3 。 表2 - 8o g f c 矿料级配组成 通过百分率( )目标 级苎类j 再西寻于t = i _ - 一孔隙 一 1 6 01 3 29 54 7 52 3 61 1 8 0 60 30 1 50 0 7 5 举 11 0 09 7 5 7 02 01 71 5 1 196 54 ，5 2 0 21 0 09 7 57 5 3 01 9 51 9 51 3 5 1 074 5 1 5 3 1 0 09 756 51 51 1 886 55 5 4 52 5 在确定p a _ k _ t m 种级配时，主要考虑了正交试验结果以及孔隙率的大小及 武汉理工大学硕士学位论文 其分布均匀性。通过试验发现，要保证如此高的孔隙率( 1 5 ) ，一定数 量的粗骨料( 4 7 5 r a m ) 含量是必需的。丽且粗骨料( 4 7 5 m m ) 的分配比 例至关重要。正交试验结果已反映出粗骨料分配对其孔隙率、马歇尔稳定度 及流值的影响。同时，试验还发现，粗骨料( 4 7 5 m m ) 的分配比例还影响 孔隙的均匀性。当9 5 4 7 5 m m 的粗骨料含量较多时，成型的马歇尔试件表 面颗粒分布均匀，孔隙分布亦较均匀。反之，当9 5 4 7 5 r a m 租骨料含量较 少而 9 5 m m 颗粒较多时，成型的马歇尔试件表面骨料分布不均匀，且孔隙 分布亦不均匀，局部形成或是较大的孔隙或相对比较密实。究其原因主要在 于，当9 5 4 7 5 r a m 骨料含量较少时，较粗骨料易形成较大孑l 隙的骨架，由 于没有足够的细料填充孔隙，全部细料只能填充部分孔隙，因此易出现上述 现象。当9 5 4 7 5 m m 骨料含量较