（材料学专业论文）石灰岩在高速公路沥青路面抗滑表层中的运用研究.pdf

摘要 目前我国高速公路沥青路面抗滑表层所用粗集料，主要为玄武岩和花岗岩， 重庆地区缺乏类似于玄武岩这样的硬质石料，但盛产石灰岩和砂岩，渝湘高速公 路沿线现有材料中石灰岩占绝大多数，同时分布有少量的砂岩，但没有以往高速 公路沥青路面抗滑表层采用较多的玄武岩、花岗岩，若要从外地购买，运费成本较 高。因此，寻找当地可用于高速公路沥青路面抗滑表层的材料成为了该高速公路 修筑必须解决的问题。石灰岩作为一种新的路面材料用于沥青路面表层，对渝湘 高速公路的建设有很大的经济效益，不仅可以大大降低工程造价，而且能促进地 方经济的发展。文章主要从集料的特性以及混合料的组成对沥青路面抗滑表层性 能的影响两个方面并结合渝湘高速公路实际工程，对石灰岩用于沥青路面抗滑表 层的可行性进行了研究。 一方面，文章通过冻融试验、坚固性试验、磨耗试验、冲击试验、压碎试验、 坚固性试验等试验，对比了石灰岩、砂岩、玄武岩等不同集料的各项物理力学特 性和抗滑耐磨性能进行了研究，研究表明石灰岩的物理力学指标符合沥青路面施 工规范对集料性能的要求，综合考虑了磨耗值、冲击值、压碎值、坚固性、磨光 值等指标后，石灰岩的抗滑耐磨能力是玄武岩的5 7 ；另一方面，通过沥青混合 料长期抗滑性的室内评价方法一小型加速加载试验，对用石灰岩、玄武岩等不同 集料形成的混合料，以及同一种石灰岩材料但是采用不同级配所形成的混合料的 抗滑耐磨性能进行了研究，同时提出了用集料细度模数来进行构造深度预估的公 式并证明了公式的可行性。论文研究成果对于预估路面抗滑性能具有一定的理论 意义和实用价值。 关键词：抗滑表层；石灰岩；混合料；抗滑耐磨；b p n ；t d a b s t r a c t a t p r e s e n t ，t h ec o a r s ea g g r e g a t eu s e df o ra n t i s l i d es u r f a c eo fa s p h a l t p a v e m e n t ，m a i n l ya r eb a s a l ta n dg r a n i t e ，c h o n g q i n gi sl a c ko fh a r ds t o n es u c ha sb a s a l t ， b u tr i c hi nl i m e s t o n ea n ds a n d s t o n e ，d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no fy u x i a n gh i g h w a y , t h e c o n s t r u c t i o nc o s t sm a yb eh i g hi ft h ec o a r s ea g g r e g a t es u c ha sb a s a l ta n dg r a n i t ea r e b o u g h tf r o mo t h e ra r e a s t h e r e f o r e ，t h es e a r c hf o ral o c a lm a t e r i a lu s e df o rw e a rc o u r s e o ft h eh i g h w a yp a v e m e n tm u s tb es o l v e d i nt h i sp a p e r ，l i m e s t o n em a t e r i a l sf o rw e a r c o u r s eo ft h eh i g h w a yp a v e m e n th a db e e ns t u d i e d ，a n da r t i c l ea s l oe v a l u a t e dt h e a n t i - s l i d i n ga n dw e a r - r e s i s t a n tp e r f o r m a c eo ft h ea s p h a l tm i x t u r e so fl i m e s t o n eu s i n gt h e s m a l l - w h e e la c c e l e t a t e dw e a r i n ga n dp o l i s h e dm a c h i n e t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h eu s eo ft h el i m e s t o n ei nw e a rc o u r s eo ft h eh i g h w a y p a v e m e n tf r o mt w oa s p e c t s ：a g g r e g a t ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec o m p o s i t i o no fa s p h a l t m i x ，i nc o m b i n a t i o n 埘t i lt h ea c t u a lp r o j e c to fy u x i a n gh i g h w a y o nt h eo n eh a n d ， t h r o u g hal a r g en u m b e ro fi n d o o rt e s t i n g s ，t h ea r t i c l es t u d i e da n dc o m p a r e dt h ep h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，t h ea n t i - s l i d i n ga n dw e a r - r e s i s t a n tp e r f o r m a n c eo ft h e l i m e s t o n e ，s a n d s t o n e ，b a s a l ta n dg r a n i t e ，t h es t u d y , s h o w e dt h a t ：t h el i m e s t o n eb e l o n g s t oh a r dr o c k ；a l lt h ea n t i s l i d i n ga n dw e a r - r e s i s t a n ti n d e x e sc a nm e e tt ot h er e q u i r e m e n t o ft h es p e c i f i c ；c o m b i n e da n t i - s l i d i n ga n dw e a r - r e s i s t a n tp e r f o r m a n c eo ft h ea g g r e g a t e a n dt h em i x t u r e ，t h ea n t i - s l i d i n ga n dw e a r - r e s i s t a n tp e r f o r m a n c eo ft h el i m e s t o n ei s6 0 0 p e rt ob a s a l t s ；u s i n gl i m e s t o n ei nt h ew e a l c o u r s eo ft h eh i g h w a yp a v e m e n ti sf e a s i b l e i nt h et e c h n o l o g y o nt h eo t h e rh a n d , t h ea n t i - s l i d i n ga n dw e a r - r e s i s t a n tp e r f o r m a c eo f t h ea s p h a l tm i x t u r e so fd i f f e r e n ta g g r e g a t eh a v eb e e ns t u d i e d ，u s i n gt h es m a l l w h e e l a c c e l e t a t e dw e a r i n ga n dp o l i s h e dm a c h i n e ，i nt h es a m et i m e ，t h ea s p h a l tm i x t u r e so f l i m e s t o n eu s i n gd i f f e r e n tg r a d a t i o na s l oh a sb e e ns t u d i e d ，i ta s l op r o p o s e da n dp r o v e d t h ef o r m u l ao fu s i n ga g g r e g a t ef i n e n e s sm o d u l u st oe s t i m a t et h em t d t h er e s e a r c h r e s u l t sh a ss o m er e f e r e n c ev a l u et op r e d i c t i n gt h ea n t i s l i d i n gp e r f o r m a n c eo ft h er o a d k e yw o r d s ：a n t i - s l i d es u r f a c e ；l i m e s t o n e ；a s p h f l tm i x t u r e s ；a n t i s l i d i n ga n d w e a r - r e s i s t a n tp e r f o r m a c e ；b p n ；t d 重庆交通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，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：狳小于 日期：知f 口年华月，己日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：衿i | 、华 日期：山阳年v 月f 1 6 日 指导教师签名：同也。) 日期：山f 。年够月，日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 指导教师签名： 司望卜1 日期：如【u 年年月( 易e l 砰 小日 徐形 名 亡 戳午 者年 作p 文x敝岛 位期 学日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 沥青路面因其行车舒适、施工期短、便于维护等优点而成为我国高速公路的 主要路面型式。随着公路建设的快速发展、设计车速的不断提高，道路行车安全 问题日益突出，据世界卫生组织统计，全世界每年约有1 2 0 万人死于公路交通事 故，我国的交通安全形势更是不容乐观，公安部统计显示：道路交通事故2 0 0 6 年 夺命近九万。因此，人们在享受着现代交通带来的方便、快捷与舒适的同时，也 已经对道路交通安全问题引起了足够的重视，影响交通安全的因素很多，研究结 果表明，在诸多因素中，路面抗滑性能是影响交通安全的重要因素之一，这一点 对沥青路面来说更为突出。 高速公路沥青混凝土路面抗滑表面层直接承受重交通荷载与气候的双重作 用，并为用户提供舒适、安全的行车条件，因此应具有良好的力学特性与功能特 性，不仅要求具有优良的高温抗车辙能力、抗裂与抗水损害特性，而且应具有优 良的抗滑、耐磨功能，适当的抗滑将能够保证路面和车轮有良好的附着特性，并 可在较短的时间内制动，从而增强行车的安全性。抗滑性能良好的沥青面层应该 包含两方面的品质：路面建成初期良好的抗滑指标值：在路面使用寿命年限内 该指标值能在某一个允许的范围内波动而不致衰减太多。大量研究表明，修筑抗 滑表层是提高沥青路面抗滑能力、减少高速公路交通事故最有效、最直接的一种 方法1 卅。 1 2 课题的提出 世界各国的道路经过数百年乃至上千年的建设，特别是高速公路的建设，随 着高速公路里程的增加，用于高速公路路面表层的材料就越来越多，相应剩下的 可以用于高速公路路面表层的优质材料也就越来越少。1 9 8 3 年1 0 月在澳大利亚悉 尼召开的的第1 7 届世界道路会议上 5 】，柔性道路技术委员会的报告指出：鉴于全 面的经济衰退及高质量集料料源的逐渐减少，特别强调可用集料的最佳利用问题。 因此在合理利用好现有优质集料的同时还尽可能的开发和寻找新的集料产品来补 充现有材料的逐渐短缺。 在以往的经验来看，由于玄武岩和花岗岩具有较高的硬度和耐磨耗性，主要 用于高速公路表面层，而将石灰岩用于底基层和中面层，石灰岩材料作为集料用 于沥青面层时，其优点是呈碱性，与沥青有良好的粘附性，使用过程中的抗剥落 性能较好，并且石灰岩在我国料源分布广泛，开采相对较容易，单价成本较低； 但是石灰岩主要由碳酸钙组成，强度一般较玄武岩、花岗岩等硬质岩石低，所以 2 第一章绪论 目前使用得并不多，能否因地制宜，将石灰岩运用于高速公路沥青路面抗滑表层 中呢? 论文结合渝湘高速公路实际工程，对石灰岩在高速公路沥青路面抗滑表层 中的运用做了可行性研究。 1 3 国内外沥青路面抗滑技术研究现状 路面抗滑技术研究始于2 0 世纪2 0 年代，英国t r r l 是世界上最早从事路面抗 滑研究的机构之一，其研究不仅表明了路面在潮湿状况下发生交通事故的危险同 路面滑溜程度的可靠关系，而且开发了抗滑性能的测试设备哺1 。 t r r l 在1 9 7 3 年发表了国家抗滑标准( 水准) 指南l r 5 1 0 ，1 9 7 6 年英国运输部 公布的技术备忘录h 1 6 7 6 根据设计公路类型及交通量的不同提出了新建沥青面层 骨料性质和构造深度的要求，并进一步考虑对运营中的干线公路采用潮湿抗滑标 准的可能性，只是由于对当时的干线公路网上的抗滑水平、由事故和危险所带来 的确实经济损失等方面的数据不足而未被采用1 。 1 9 7 7 年在美国俄亥俄州哥伦布市举行的第二届防滑会议上，国际道路会议表 面特性技术委员会在其报告中指出：路面的抗滑问题，不仅应考虑路面摩擦系数 指标，还应考虑其它因素，诸如道路表面结构、几何形状、交通性质、车速、事 故记录及成本效益分析等。 1 9 8 4 年英国集料建筑材料工业所( b a c m i ) 组织的调查指出沥青路面的抗滑性 能和耐久性之间存在矛盾，必须保证沥青路面的密水特性或者设置排水层。 第十八届世界道路会议柔性路面委员会在其总报告中指出：在优化沥青路面 的抗滑能力时，首先应考虑的是材料性能；其次是路面构造；第三是施工技术口1 。 这个结论第一次为提高沥青路面抗滑性能提供了明确的思路。 我国对沥青路面抗滑方面的研究始于上世纪7 0 年代，1 9 8 0 年我国才有了第一 台自主研发的摆式仪用于测定摩擦系数嘲。“七五 科技攻关项目“高等级公路半 刚性基层沥青路面结构、设计和抗滑表层研究 首次对沥青路面抗滑问题展开较 为系统的研究，对推动我国沥青路面抗滑技术的发展具有重要的意义。 可以看出，早期的沥青路面抗滑技术研究的重点大多集中在轮胎路面间 的摩擦机理、摩擦系数和交通事故的关系、抗滑性能影响因素、测试方法和标准 等方面，只有很少部分的近期研究内容涉及到沥青混合料技术及其抗滑性能与其 它性能之间的协调性问题。事实上，沥青混合料在很大程度上决定着沥青路面的 构造特征，良好的路面构造能提高潮湿状态下路面车轮间的排水能力，减少 容易引起滑溜事故的弹性水动力润滑型摩擦的发生。 现在一般认为，路面的抗滑能力常被理解为车轮在刹车瞬间和路表相互作用 而产生的一种滑移抗力，它长期以来一直被视为控制车辆方向和速度、减少刹车 第一章绪论3 距离的主要影响因素之一，因此与行车的安全性能有着很直接的关系，常被看作 是路面的一项表面特性。沥青路面的抗滑能力受路面的构造特性、潮湿状况、交 通流的大小和车辆的速度等多方面因素的影响。 近2 0 年来，我国在沥青路面抗滑研究和应用方面做了不少基础性的工作，在 抗滑机理、抗滑沥青混合料的选材及设计、施工控制等方面取得了许多成果圈1 引， 并将其中部分成果以规范形式加以推广，但不可否认的是，我国的抗滑形势依然 严峻。 1 4 国内外沥青路面抗滑表层用集料的选材原则与标准 在对集料的选择上，国内外的规范中，均未对其岩性( 石灰岩、花岗岩、玄武 岩等等) 进行规定，而是看这种材料的各项技术打样是否达到规定，符合指标规 定就可以用作沥青路面表层材料。在我国选择集料时，过分亲睐于选择玄武岩或 花岗岩等力学性能比较好的集料，而对于石灰岩、砂岩这种在大家经验中力学性 能稍差的集料，则根本就不会考虑( 尽管我们在对石灰岩进行试验后得知，其力 学性能都符合规范规定m 1 要求，而且石灰岩与沥青的粘附性比玄武岩与沥青的粘 附性好) ，而玄武岩也未必都好，有的吸水率很大，有很多孔隙，受热稳定性不 好。在德国应用最多的是辉绿岩，很少使用玄武岩，认为玄武岩长期处在高温阳 光照射下，表面会出现斑点和裂纹，最终导致与沥青剥离。欧洲的集料标准中有 一个专门针对玄武岩的s o n n e n b r a n d 试验( e n1 3 6 7 - 3 ，e n1 0 9 7 - 2 ) ，它是反映玄武 岩自身风化变质的试验方法，要求水煮后的质量损失l ，水煮后的冲击值损失 增加5 ，水煮后的洛杉矶磨耗损失增加8 。日本应用最多的是砂岩，美国 有许多地区只产花岗岩( 与我国南方一样) ，都在使用着( 掺消石灰) ，美国有的高 速公路的表面层也用石灰岩铺筑。 在对集料试验方法上，每个国家的侧重点又有不同，在我国 公路沥青路面 施工技术规范n 2 1 中关于对集料的技术要求包括：集料的压碎值、磨光值、磨耗 值、坚固性、冲击值、吸水率、针片状含量和与沥青的粘附性等，这些标准都是 针对每个集料而言的，选用的集料必须首先符合这些要求。美国s u p e r p a v e 规范 中集料的特性包括n 3 1 ：粗集料棱角性、细集料的棱角性、扁平与细长颗粒以及粘 土含量。这些标准不是针对单个集料组成成分，而是对于整个混合料物而言，如 果针对单一集料，就可能引起混合料不合要求。美国s u p e r p a v e 也规定“集料标 准不是针对个别集料而是针对集料混合料的。只要综合的指标合格，也容许在 工程上使用。因为对针片状颗粒含量、砂当量等指标，有的集料规格难以达到要 求，有的则容易符合要求，工程上允许采用按实际比例配制的集料混合料评价这 些指标是否合格。 4第一章绪论 1 5 国内外对集料的研究现状 国外关于集料物理力学性质的研究与使用现状 在1 9 7 9 年的维也纳国际道路会议n 们上，专家们发表并提出了新的关于集料试 验的建议，发表的集料试验建议包括：通过筛分的粒径分析、洛杉矶试验、砂当 量试验、加速磨光试验、通过0 0 7 5 n 彻筛孔的细粒含量的测定、集料形状测定( 形 状因素和扁平系数) 和冰冻敏感性，提出的集料试验新建议包括：鉴定集料的各 种性能参数( 如碱活性) 、砂流动系数的确定、集料抗磨耗、亚甲基兰试验、压 实的填充料空隙的确定、填充料对结合料的环一球法软化点的影响的预测、水对 结合料一集料混合料的影响和临界集料。同时对用于道路材料的集料的岩石性质 的鉴定包括：矿物的成分、风化程度、结构、比重、空隙率和安定性，说明国外 对集料物理力学性质的研究不再注重于集料的力学性能，而是注重于集料的体积 特性，这些体积特性都与混合料的使用性能有密切的关系。 在1 9 9 1 年的s h r pa5 0 9 报告n 6 3 收录了对1 1 种集料的研究成果，这些集料包 括2 种石灰岩、1 种玄武岩、2 种花岗岩、1 种石灰质砂岩、一种杂砂岩和4 种砾 石。报告中介绍了一系列的物理化学的分析方法，并最终以饼图及表格的形式给 出了各集料的岩性、化学成分及矿物成分的百分比率。在i c a r 2 0 3 u 报告中研究了 集料的特性对沥青混合料性能的影响，包括集料的外形特性与热拌混合料敏感性 的关系并建立了一个混合料永久变性的塑性模型，采用了集料成像系统( a i m s ) 方法对集料的菱角性、形状和表面纹理进行了详细的测量分析。 国内关于集料物理力学性质的研究与使用现状 国内在对集料的技术性质n 妇进行研究时主要从物理性质、力学性质和化学性 质三个方面来进行评价。物理性质包括：物理常数( 真实密度、毛体积密度和空 隙率等) 、吸水性( 吸水率、饱水率等) 和耐候性( 耐冻性、坚固性等) ；力学 性质包括：集料的抗压强度、磨耗值、磨光值、冲击值和压碎值；化学性质主要 是集料与沥青的粘附性。在粗集料的质量指标中，我国特别重视压碎值，其实世 界上使用最多的是洛杉矶磨耗值，压碎值是以前英国标准b s8 1 2 中的老方法，在 欧洲新标准e n1 3 0 4 3 ：2 0 0 2 及英国b se n1 0 9 7 - 2 ：1 9 8 8 方法中，都已经取消了压 碎值，改为洛杉矶磨耗值及冲击值指标。我国新的公路沥青路面施工技术规范 中规定，由于冲击值与磨光值有较好的相关性，所以规范对冲击值不再做要求， 对集料的棱角性、细长颗粒、安定性和有害物质含量等只作为一般的指标，没有 太多的要求。 集料和沥青的粘附性指标是我国特有的，在国外一般没有，只要求沥青混合 料满足水稳定性指标即可。所以粘附性仅仅是初选集料品种的参考性指标，不能 看得太重，更不要迷信，而且它很可能提供一种假象。例如只要一掺加抗剥落剂 第一章绪论 5 就能使粘附性提高到5 级，但并不能说明使用中的水稳定性就好。 1 6 我国高速公路抗滑表层材料状况 从国内对集料的使用现状来看，目前我国高速公路沥青路面抗滑表层所用粗 集料，主要是质地较硬，力学性能较好的玄武岩和花岗岩，近年来石灰岩、石英 砂岩、辉绿岩等也不同程度的用于了高速公路的抗滑表层。为了考察玄武岩、石 灰岩、砂岩在高速公路沥青路面抗滑表层中的实际使用情况，对各种材料的应用 情况进行了调研。 砂岩的使用情况 国内采用砂岩作为抗滑表层材料的情况并不多见，其主要原因是多数砂岩的 材质本身不好：胶结物为泥质、易风化、强度低。砂岩在我国有一定的使用，例 如宁夏、上海、浙江等地。上海用于高速公路和城市快速路沥青路面的上面层的 砂岩产于浙江湖州，历时1 0 多年。砂岩最早于1 9 8 8 年在上海沪嘉高速开始采用， 此后，沪宁高速( 上海段) 、沪杭高速、内环、外环和南浦大桥等重大工程均适 用过，在高速公路应用l o 余年观测中，摆值衰减不大，基本维持在5 0 左右。关 于砂岩的水损害问题，根据对上海的使用情况的调研发现，引起砂岩路段水损害 的原因是因选用级配a k - 1 3 i ，空隙率较大，并不是因为砂岩黏附性不足所致，所 有工程均掺加了抗剥落剂，黏附性能较好。砂岩在抗滑表层中摩擦系数衰减速度 较慢，根据上海使用观测发现，在使用1 0 年后，其摆值仍可保持在5 0 左右。 石灰岩、玄武岩 由于各方面条件的限制，仅收集到少数路段的检测数据，汇总于表1 1 。 表1 1 高速公路沥青路面集料实际使用情况调查表 使用 道通车时测量时时间材 路段路幅 s f cb p n备注 路 间 间 ( 年 料 ) 2 0 0 6 0 36 5 右幅石 4 5 1l l ( o 1 9 9 9 0 9 灰2 9 9右幅 k 4 5 + 7 0 02 0 0 6 0 36 5 左幅 隆 石l 交通 纳4 7 7量小 l ( _ 4 5 + 7 0 02 0 0 6 0 3 5 右幅玄 路 6于左 2 0 0 0 1 2武 4 7 3 幅 k 6 9 + 2 0 02 0 0 6 0 35 左幅 岩 5 6 第一章绪论 使用 道通车时测量时 时间 材 路段 路幅s f c b p n备注 路 间间( 年料 ) 达州一 4 5 5 2 0 0 6 0 3 6 5 重庆 9 重庆一 4 1 6 总体 达 k o + 4 0 02 0 0 0 。0 72 0 0 6 0 3 6 5 石 达州 9交通 渝及灰 达州一 量不 路 k 7 7 + 4 0 02 0 0 0 0 92 0 0 7 0 37 5岩3 9 重庆 大 重庆一 2 0 0 7 0 3 7 53 8 达州 山 2 0 0 33左幅 5 2 9 交通 东 2 0 0 3 3 右幅 5 6 1量情 玄 滨 k o 2 0 0 44左幅5 1 7 况未 2 0 0 0武 博 k 1 4 02 0 0 44右幅5 6 7 知 岩 高2 0 0 55 左幅 5 1 1 速 2 0 0 5 5 右幅 5 5 1 左幅玄 4 9 6 南充绕城高速 武 k 0 k 9 右幅 4 9 8 岩 宿淮方玄 7 5 05 5 0 宿淮盐高速公 向武 2 0 0 5 92 0 0 7 11 3 路宿淮段 淮宿方 岩 7 9 05 7 0 向 宁杭高速江苏宁杭方 2 0 0 3 9|5 2 段向 2 0 0 3 1 l 0 杭宁方 5 1 向 宁杭方 5 4 向 2 0 0 4 7 l 杭宁方 5 4 向 第一章绪论7 使用 道通车时测量时时间材 路段路幅 s f cb p n备注 路间间( 年料 ) 宁杭方 5 6 向 2 0 0 5 92 杭宁方 5 3 向 宁杭方 4 9 向 2 0 0 6 93 杭宁方 5 0 向 宁杭方 6 1 4 8 向 2 0 0 7 8 4 杭宁方 6 34 9 向 宁靖盐高速公靖盐方闪 2 0 0 2 1 l7 3| 路向 长 2 0 0 4 82 盐靖方 岩 7 5 向 靖盐方 7 4 向 2 0 0 5 43 盐靖方 7 5 向 靖盐方 7 5 向 2 0 0 6 64 盐靖方 6 9 向 靖盐方 7 1 向 2 0 0 7 55 盐靖方 6 9 向 2 0 0 8 46 8 第一章绪论 使用 道通车时测量时时间材 路段路幅 s f cb p n备注 路间间 ( 年料 ) 向 盐靖方 6 7 向 宁宿方 辉6 65 1 宁宿徐高速公 向 2 0 0 1 1 l2 0 0 7 96绿 路 宿宁方 石5 94 7 向 注： 达渝路抗滑表层采用的是a k - 1 3 ，集料的压碎值为2 2 3 、冲击值为1 1 7 、磨耗值为2 3 2 ； 山东滨博高速抗滑表层中材料的集料的压碎值为9 2 、坚固性为2 1 、磨光值为4 9 、冲击 值为4 1 、磨耗值为1 0 o ； 隆纳路、南充绕城高速表层材料以及所有路段的交通量等数据未收集到； 决定抗滑表层的摩擦系数的衰减速度的主要因素有：集料本身的抗滑耐磨性能、抗滑表层混 合料级配类型、公路使用过程中的交通量大小以及交通轴载情况。这些因素中，交通量大小以 及交通轴载数据的收集环节较多；原材料的相关技术指标也未能收集齐全。 由表1 1 可以看出： 对石灰岩而言，交通量不同时，摩擦系数的衰减速度差异很大。隆纳路k o - - - k 4 5 + 7 0 0 段、达渝路，由于交通量有较大差异，在同样时间内，隆纳路k 0 k 4 5 + 7 0 0 段左幅的横向力系数s f c 仅有2 9 9 ，该段右幅以及达渝路的横向力系数s f c 为4 5 左右。可见，石灰岩作为高速公路的抗滑表层集料，其使用年限与待建高速公路 的交通量有较大关系。同样通车5 年时间、所用材料同样为玄武岩，隆纳路 k 4 5 + 7 0 0 , - 一k 6 9 + 2 0 0 段的s f c 在4 7 左右，山东滨博高速的在5 5 左右，宁靖盐高速 公路的在7 0 左右。可见，对玄武岩而言，材料本身的质量、交通量组成以及大小、 混合料类型等方面的影响均较大，以规范规定指标为极限值，石灰岩材料的抗滑 耐磨周期约为4 年( 交通量较大) 7 年( 交通量较小) ，玄武岩的抗滑耐磨周期 为8 年以上、砂岩的抗滑耐磨周期在1 0 年以上。 所以说，不管选择何种集料用于高速公路的抗滑表层，并不能单从岩性方面 来选择，因为一条高速公路的使用寿命与多种因素都是相关的，不仅材料本身的 第一章绪论 9 质量，气侯、交通量、施工水平等均会对其产生一定的影响。 1 7 研究内容和意义 1 7 1 主要研究内容 由于集料的特性以及混合料的组成对沥青路面抗滑表层的抗滑性能都有决定 性影响，所以针对以上情况，本课题的主要研究内容如下： 石灰岩材料的抗滑、耐磨性能研究。 对石灰岩材料制备的沥青混合料试件的抗滑耐磨性能研究，以及在加速磨 光作用下抗滑性能衰变规律的研究。 石灰岩用抗滑表层的经济技术分析。 渝湘高速公路黔江至酉阳段路面目标配合比设计以及路用性能研究。 1 7 2 研究意义 在以往的经验，一般将玄武岩和花岗岩用于高速公路表面层，而将石灰岩用 于底基层和中面层，重庆地区缺乏类似于玄武岩这样的硬质石料，但盛产石灰岩 和砂岩，玄武岩要从外地购买，运费成本较高，花岗岩则取自长江，但是随着三 峡大坝蓄水水位的提高，一部分鹅卵石将会被水淹没而无法取出，那么可作为沥 青路面表层的材料就越来越少。由于重庆境内石灰岩材料丰富，本论文在解决地 区原材料不足，降低建设成本上具有一定的意义，不仅可以大大降低湘高速公路 建设的工程造价，而且能促进地方经济的发展，研究意义重大。 1 0 第一章 绪论 7 3 本论文的技术路线 混合料性能研究 不同集料混合料的加速加载实验研究 同一集料不同级配混合料的加速加载实验研 第二章沥青路面抗滑表层抗滑机理、模型及路面设计方法 1 l 第二章沥青路面抗滑表层抗滑机理、评价模型及设计方法 2 1 概述 抗滑表层是指在路面层状体系中直接承受交通作用并具有防滑功能的面层。 它的厚度一般不超过5 c m ，理论上不起承重层的作用而只起表面功能作用，有时人 们称之为摩阻层，而实际上它又与我们熟知的磨耗层属同一类面层，只不过偏重 于防滑功能。由此可见，具有防滑功能的磨耗层即为抗滑表层。研究认为，抗滑 力的构成主要取决于路面粗糙度，所谓粗即指宏观构造( 形如麻面) ，它主要影响 路面抗滑力随车速提高而衰减的幅度：所谓糙，或日“涩”，是指微观构造( 可喻为 细砂纸) ，它决定了各种车速下路面抗滑力的总体水平。因此可以说，抗滑表层的 修筑实质上就是通过材料选择，结构设计和施工工艺等环节来保证路面具有良好 的宏观构造和微观构造。 2 2 抗滑机理 从摩擦学理论可知，两个物体间的摩擦力在一般情况下起源于物体表面“微 凸体 的存在，光滑是相对的。从轮胎与路面间的湿摩擦基本模型我们又知，路 面摩擦力主要由源于分子间引力的附着分量和源于橡胶形变的滞阻分量构成，而 且以附着分量为主。沥青路面的抗滑力主要取决于路面表层的微观构造和宏观构 造，主要指标为构造深度和摩擦系数。 微观构造是指路面表面水平方向0 - - 0 5 m m ，垂直方向0 一- , 0 2 m m 的微小构造， 所表征的正是这种“微凸体 的规模和大小，即指路面表层石料表面的粗糙度， 是附着分量的成因，因此它为路面提供了基本抗滑力，决定了摩擦系数的总体水 平。微观构造的尖峰值对于保证路面在潮湿状态下穿过路表的水膜、排出水分并 保持轮胎与路面有良好的接触，从抗滑的要求出发，最佳的尖峰高度为0 0 1 0 1 m m 。微观构造的密度和距离直接影响路面的摩擦阻力，密度越大，路面与轮胎 接触点就越多，轮胎在路面上受到的摩阻力就越大。石料的磨光值是评价路面微 观构造水平的指标，它反映了石料抵抗磨光能力的大小。即磨光值高的石料，在 轮胎长期作用下，能长期保持粗燥的微观结构，保持路面有较大的抗湿滑力。 路面的宏观构造是指集料间隙或排水能力，水平方向为0 5 - 5 0 r a m ，垂直方向 为0 2 - 1 0 r a m ，宏观构造主要影响路面高速行车时的能力，宏观构造粗糙的路面高 速行驶时的抗滑能力就好。构造深度是由路面集料间隙构成的，其功能是使车轮下 的路表水迅速排除，以免形成水膜，在汽车高速行驶时决定路面的抗滑能力。 摩擦系数主要指集料表面的粗糙程度，它随车轮的反复磨耗作用而逐渐磨光， 与石料磨光值( p s v ) 有很大关系，在汽车速度不大( 3 0 - - 5 0 k m h ) 时，对路面抗滑能 1 2第二章沥青路面抗滑表层抗滑机理、模型及路面设计方法 力起决定作用；构造深度是由路面集料间隙构成的，其功能是使车轮下的路表水 迅速排除，以免形成水膜，在汽车高速行使时决定路面的抗滑能力。 表2 1 路表面纹理构造组成类型 t a l 2 1t y p e so fr o a ds u r f a c et e x t u r es t r u c t u r e 籍袭强樊型雕鲷 l 一 ，、 m m 例w w 惝 3w 州蝴铲w n 椭叭p 吖帆 s w 心州坩洲 舀 一，、，、i 一一 、ii 厂 7 接连 凝戈掇纹理也戈缎缀瑶 疑穰缎纹理 有纲纹理弱国裂缝获沟撩缀成鹩辍绞理 颡娄鬻3 。炙笱襁绞溪豹掰建小 翁辍集辩之秘l 豹塑骧缁凌豹獠绞疆煮j 辚蘩糌娄结 组鲠的缨纹毽 蓊辍纹理键无缡纹理 有出裂缝及灞绣缨蔽鹤艇绞理键无缁绞遁 2 3 1 直接测量法 即通过仪器直接测定轮胎橡胶与路面之间摩阻系数的方法。主要有如下两大 类：便携式测量仪法。包括手提式摆式仪法、手推式双轮拖刮制动仪等等。 这类方法的优点是仪器使用方便；可测量特殊路段，如城市交叉口、弯道处的摩 阻系数。缺点是只能提供局部点和低速范围内摩阻系数；且测量效率低。实物 轮胎测量法。包括制动牵引法、纵横向滑移测定法等等。这类方法的优点是效率 高；能够在不干扰交通的情况下，连续、快速、安全地进行测试。缺点在于不适 用城市交叉口、弯道等特殊路段。 2 3 2 间接测量法 即通过相应的仪器测定路面表面宏观或微观构造的方法来评定道路的防滑能 力。主要有如下几种：微观构造测定法。包括立体摄影法、电子显微镜扫描法 等等。宏观构造测定法。包括铺砂法、激光构造仪法等等。不管是直接测量法 还是间接测量法，其最初目的都是为了现场测试。由于摆式仪法和铺砂法所需要 的仪器简单、工作面小，国内也利用其对设计混合料的防滑能力作了一些室内研 究。但这两种方法不能进行加速性能试验，无法评价设计混合料的长期防滑性能。 2 4 路面抗滑性能评价模型 众所周知，沥青路面的抗滑性能是多种影响因素共同作用的结果，其内部机 第二章沥青路面抗滑表层抗滑机理、模型及路面设计方法 1 3 理非常复杂，很难一一对其影响抗滑性能的范围和方向进行评估，即使在1 m 2 的路 表范围内轮迹带和相邻区域摩擦系数差异可能高达2 0 个摆值n 蚓1 ，构造深度差异 也会达到o 2 0 3 m m 沈1 ，因此不可能在任何特殊情况下都能建立所有这些因素之 间的联系并产生某一个抗滑指标值。目前常用的办法是在考虑行车速度的前提下， 以路面粗、细构造或以之为基础的统计量为变量，根据大量实测数据建立路面抗 滑性能的预估模型，常用的有如下几种形式乜引。 p e n ns t a t e 模型： f ( s ) = f o x e x p ( 1 孚1 引2 1 ) 3 0 式中：f ( s ) 一车轮在滑移速度s 时的摩擦系数； s 一测试轮与路面的相对速度，它随测试方式而异：当采用锁轮式摩 擦系数仪时，若测试车行进速度为v ，则有：s = v ；当采用定滑移率型摩擦系数测 试车时，若滑移率为k ，则有：s = v , k ；当采用偏转轮( 侧力型) 型摩擦系数测试车 时，若a 为测轮偏转角，则有：s = v * s i n a 。 f o 和s 。是针对不同测试设备的路面特征参数，它们与路面构造有关； f o 是滑移速度为零时的摩擦系数，它是路面细构造的函数：s 。称为速度数，是依 赖于路面粗构造的函数，单位k m h ，s 。值越高，表明路面粗构造越好，摩擦系数 受速度影响也就越小。 修正的p e n ns t a t e 模型 考虑到许多侧向力型及固定滑移率型摩擦系数仪都在低速状态下测试，而不 是零速度，所以f o 只能由外推法得到，后来对p e n ns t a t e 模型进行了修正，采用 f , o ( 即滑移速度为l o k m h 时的摩擦系数值) 取代f o ，于是得到： f ( s ) = e o e x p ( 1 0 一s ) s o 】 式( 2 2 ) 式中其他参数与式( 2 - 1 ) 中相同。 p i a r c 模型 各检测设备滑移速度变化范围很大，要精确获取f o 并不是一个简单的事情， 所以修正的p e n ns t a t e 模型并不能对所有的设备提供很好的相关性，因此世界道 路研究者又提出了许多其它模型。目前公认为最好的模型是p i a r c ( 世界道路协会 路表特征技术委员会) 于1 9 9 2 年对b r i t i s h ，p e n d u l u mt e s t e r ，m u m e t e r ，s c r i m ， d ft e s t e r ，g r i p t e s t e r 、铺砂法、v t im o b il e p r o f i l o m e t e r ( s ) 等1 6 个国家的 4 7 种设备，在不同国家5 4 个路段上进行路面抗滑性能检测设备对比与协调试验， 并根据试验结果提出的p i a r c 模型及国际摩阻指数i f i ，计算过程如下： 1 ) 根据路面构造参数求速度数s p ： 1 4 第二章沥青路面抗滑表层抗滑机理、模型及路面设计方法 s p = a + b t x式( 2 3 ) 式中：t x 一为路表面构造参数，其值由粗构造测试设备检测得到；如采用激 光断面仪，t x 则为所测得的平均断面深度m p d ；采用铺砂法或玻璃珠体积法时， 则t x 为所测得的平均构造深度m t d 。 a ，b 一回归系数，亦可理解为路表构造深度测定装置或方法的标定参数，参 加p i a r c 对比和协调试验的各个测试系统的系数都已标定得出。 2 ) 将f r s 转化为标准速度6 0 k m h 时的摩擦系数f ： f p = f r s e x p o s - 6 0 ) s p 】 式( 2 4 ) 式中：滑移速度s 取值方法与p e n n s t a t e 模型相同。 3 ) 将f 转化为标准速度下的摩阻数凡： 对于光滑轮胎：f 街- a + b f 式( 2 5 ) 对于花纹轮胎：氏= a + b f 十c t x式( 2 6 ) a ，b ，c 的值在p i a r c 对比和协调试验报告中已经给出。综合以上各式可 以得 k 2 a + b f r s e x 讲s 一6 0 ) 6 6 的岩浆岩称为酸性岩；s i o ：的含量为5 3 - 6 6 的，为中性岩；s i 0 2 的含 量为4 5 5 3 的，为基性岩；s i 0 2 4 5 的，为超基性岩。 组成岩浆岩的矿物，常见的约二十多种纯净的花岗石多呈肉红色、灰色和灰 白色；花岗岩一般为浅色，多为灰、灰白、浅灰、红、肉红等。化学成分体积含 量：s i 0 2 为2 5 ，正长石为4 0 ，f e 。0 。、f e o 、m g o 一般 o 7 5 第三章集料的物理力学性能研究 砂岩1 1 7 21 1 0 40 9 4 玄武岩 1 1 8 71 2 2 31 0 3 表3 2 岩石坚硬程度分类表啪1 坚硬程度坚硬岩 较坚硬岩较软岩软岩极软岩 饱和单轴抗压强度( m p a ) 6 06 0 3 03 0 - 1 51 5 - - - 5 7 5 石灰岩 玄武 第三章集料的物理力学性能研究 岩。 由图3 1 可啦看出，各岩石的质量损失与循环次数基本呈二次曲线关系。 由图3 1 可以看出，不同材料的质量损失率随荷载增加而增加的速率各不相 同。坚固性增加速率依次为：砂岩 石灰岩 玄武岩。 根据表34 中的回归方程可分别计算得到不同材料的坚固性降低到规范的技 术要求时的循环次数分别为：石灰岩1 8 、砂岩1 5 、玄武岩5 8 。 表34 坚固性试验结果 t a b341 e s t 舢i t s o f t o b a s t n e s s 循环次数( n 1相芙 集料同归方程 系数 石灰岩 q = - o0 3 9 9 n 2 + 17 2 7 3 n - 61 3 7 5 砂岩o = 00 4 4 6 n 2 + i9 4 4 6 n q 580 9 9 9 9 q = - 0 0 1 7 5 n + 0 6 4 8 1 23 3 2 5 玄武岩 q = 0 2 1 0 6 n - 01 4 5 技术标准( 高 速公路) 34 本章小结 以上抗压强度试验、冻融试验阻及坚固性试验表明，渝湘高速公路黔酉段石 灰岩虽然软化系数较砂岩、玄武岩等其它石料弱，但仍属于坚硬岩石，其冻融系 数、质量损失率、坚固性均能满足要求。 第四章集料的抗滑耐磨特性研究 第四章集料的抗滑耐磨性能研究 4 1 檄述 沥青混凝土路面的使用质量与集料的性质有着密切的关系，作为路面表层材 料还必须要有较好的耐磨性，才能保证路面具有好的抗滑性能，要求集料具有强 度高、颗粒形状好、表面粗糙、吸水率小、对沥青的粘附性好、磨光值高等特点。 其中，最主要的是石料的物理力学特性( 如磨光值、磨耗值和压碎值) 。石