（道路与铁道工程专业论文）山东省SMA混合料设计方法研究.pdf

摘要 本文从山东省本地气候特点及本地常用材料出发，从s m a 混合料的结构特点出发， 对沥青玛蹄脂和矿料级配分别进行了研究。研究改性沥青、改性沥青s m a 及其路用性能， 研究纤维用量和矿粉用量对沥青玛蹄脂性质的影响，分析了矿料级配对体积指标的影 响，并通过试验研究s m a 混合料的高温稳定性和低温抗裂性性能，为适合山东省地域特 点的s m a 混合料设计、施工提供了良好的指导作用。 关键词：s m a 混合料，设计方法，路用性能，施工 a b s t r a c t e m b a r k sf r o mt h es h a n d o n gp r o v i n c el o c a lc l i m a t ec h a r a c t e r i s t i c ，t h el o c a lc o m m o n l y u s e dm a t e r i a la n dt h es m ab l e n du n i q u ef e a t u r e ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fs m am i x t u r e ，m a k e sad e t a i l e dr e s e a r c ho na s p h a l tm a t r i xa n da g g r e g a t e g r a d u a t i o n a n dr e s e a r c h m o d i f i e da s p h a l t ，m o d i f i e da s p h a l ts m aa n di t st h er o a d p e r f o r m a n c e ，t h i sa r t i c l eg i v e sa l le l a b o r a t ed i s c o u r s eo ni n f l u e n c eo na s p h a l tm a t r i x 、 ，i t l l v a r i a t i o no ff i b e ra n dm i n e r a lf i l l e rc o n t e n t ， s u b s e q u e n t l yt h ei n f l u e n c eo nv o l u m ei n d e x 、析mt h ec h a n g eo fa g g r e g a t eg r a d u a t i o ni sa n a l y z e d b ym e a n so fi n d o o ra n dr o a dt e s to f s m a m i x t u r e ，h i 曲t e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n dl o wt e m p e r a t u r ec r a c kr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e o fs m ai sd i s c u s s e d i no r d e rt os u i tt h es h a n d o n gp r o v i n c ez o n ec h a r a c t e r i s t i ct h es m a b l e n dd e s i g n ，t h ec o n s t r u c t i o nh a sp r o v i d e dt h eg o o di n s t r u c t i o nf u n c t i o n k e yw o r d s ：s m am i x t u r e ， c o o r d i n a t i o np r o p o r t i o nd e s i g n ，r o a dp e r f o r m a n c ep a v e m e n t c o n s t r u c t i o n l i 长安大学工程硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 目前我国的高等级公路绝大部分采用半刚性基层沥青路面结构，沥青面层不是主 要的承重层，而主要起到功能层的作用。近年来，随着我国国民经济的快速发展和高等 级公路网的形成，作为交通大省，山东省的交通量日益俱增，超载超限现象日趋严重， 沥青路面的各种表面功能衰减很快( 抗滑、噪音、平整度等性能的下降) ，直接影响到 汽车的行驶安全和舒适性n 1 。为此如何改善高等级公路路面表层的使用功能成为道路及 新建养护的重要课题之一。一般来说，沥青路面的使用性能主要是指高温稳定性、低温 抗裂性、耐久性、抗滑性以及防渗能力。而对于沥青路面而言，影响其上述路用性能的 因素很多，从沥青的产地、标号、用量等等到矿料性能，沥青和矿料间的粘结力，混合 料本身的级配乃至于交通、气候、施工水平、沥青层厚及结构组合等都有影响。应当说 明的是，不但这些因素对于某一特定的性能所贡献的权数不一，上述性能的需求往往是 互相矛盾或相互制约的。照顾了某一种性能，很可能就会降低另一方面的性能。例如， 为了提高高温抗车辙能力，就尽量采用粗级配，增大集料粒径，减少沥青用量，但这样 的混合料低温劲度很大，发脆，很容易开裂，耐疲劳性能差，不耐久。而为了提高低温 抗裂性能，希望使用针入度较大，较多的沥青用量，或用较细的混合料，可这到了夏天 容易软化、泛油、车辙。又例如，为了提高表面粗糙度，采用抗滑性能良好的开级配或 半开级配沥青混合料，但这样一来由于空隙率较大，其抗渗性和耐久性将受到影响。因 此沥青混合料的材料选择和配合比的设计，实际上是在各种路用性能之间搞平衡或是优 化设计，这应根据当地的气候条件及交通情况作具体分析。如何尽可能兼顾这些矛盾； 已成为国内外道路工作者研究的主要内容。 混合料的级配和沥青性能是保证沥青混合料路用性能的两个重要的方面，或许是最 重要的方面。而铺筑s m a ( 沥青玛蹄脂碎石混合料) 一定意义上是缓解这些矛盾的一种 r n l 可行方式“。在级配上将骨架密实结构结合的较好的s m a 结构从很大程度上平衡了沥青 混合料的一些路用性能的矛盾，加之s m a 混合料多要求采用改性沥青，一定意义上，这 对于高低温性能也是一种协调。s m a 路面在高温抗车辙、低温抗裂、疲劳抗裂、抗水损 害、抗老化以及抗滑等方面均优于传统的沥青路面。s m a 技术自从2 0 世纪9 0 年代引进 r 0 1 我国以来，虽然得到了较大的发展，但是在具体的设计方法上仍存在着许多不足之处。 第一章绪论 本文以山东省改建项目为依托，翻阅了大量的文献资料，采用理论与实践相结合的 方法，首先从理论上分析了s m a 混合料的力学及结构特点，对现行的s m a 配合比设计以 及试验中存在的几个问题进行了较为详尽的阐述与分析，并提出了相应的改进建议；然 后再通过对沥青与改性沥青试验、大量的混合料室内试验等研究，对s m a 混合料的路用 性能进行了理论分析，考虑到在山东地区为建材集散地，重载车辆较多，干线公路多位 渠化交通，要解决山东地区的沥青路面的裂缝病害以及抗滑与渗水、老化的矛盾、低温 抗裂与高温稳定性的矛盾，若按照目前普通的沥青及沥青混合料进行沥青面层设计，要 满足技术要求是很难实现的。作为我国正在推广的改性沥青，由于不仅能提高沥青的低 温抗裂性，而且具有相当好的抗老化性能，可以较好地解决山东地区沥青本身存在的问 题；而路用性能优越的s m a 混合料具有高的粗集料含量，高的沥青用量、高的矿粉含量 以及较低的空隙率，以此形成的结构不仅可以提高沥青路面的抗滑性能还可以提高抵抗 因水而引起的病害的能力，并且可以很好地解决沥青路面的低温抗裂性、高温抗车辙性 能，从而能从根本上解决山东地区的沥青路面病害。 本文紧密结合山东省的气候条件、自然条件、交通条件，依靠近年来国内外的科研 成果，对s m a 路面的配合比设计进行了细致的研究，以期能在生产中推广应用，从而提 高沥青路面的使用性能和使用年限，提高公路交通的服务水平。 1 2s m a 国内外研究现状 1 2 1s m a 国外研究现状 s m a 起源于德国，长期以来，德国一直以浇注式沥青混凝土( g u a s s a s p h a l t ) 为传 统的沥青路面形式。6 0 年代中期，德国在研究能抵抗新型埋钉轮胎磨损的新铺罩面时， 发现用木质纤维素或矿物纤维稳定剂，增加纤维用量，使用改性沥青，组成沥青玛蹄脂 可以减轻钉子对路面的磨损，同时使沥青的感温性变小。用这种玛蹄脂填充基本上由单 一粒径碎石组成的集料骨架大孔隙，就得到了一种新的沥青混合料。这样为了解决新型 埋钉轮胎对路面造成的破损问题，德国在浇注式沥青混凝土的基础上研究发展了一种新 型的沥青混合料，命名为s p l i tm a s t i ca s p h a l t ，简称s m a 。进入9 0 年代以后，德国 的s m a 结构路面占了绝对优势，几乎成了唯一的路面结构形式，而取代了原来传统的浇 注式沥青混凝土和密级配沥青混凝土。在德国，最初的s m a 路面结构是分层铺逐的，一 种方法为先摊铺沥青玛蹄脂( m a s t i ca s p h a l t ) ，然后再在m a s t i ca s p h a l t 上面嵌压粗 集料碎石混合料( 类似于我国的表面处治) ，所以最初也被叫做s t o n e f i l l e dm a s t i c 2 长安大学工程硕士学位论文 a s p h a l t ；另一种方法是先撒铺粗集料层，碾压后再在上面浇灌沥青玛蹄脂，填充粗集 料间隙( 类似于我国的贯入式) 。但由于这种施工工艺过于麻烦，施工质量管理困难， 且造价颇高，后来逐渐改进发展为沥青玛蹄脂( m a s t i ca s p h a l t ) 和粗集料( s t o n e ) 一起拌和、一起摊铺并压实的铺筑方式。 沥青玛蹄脂碎石混合料( s t o n em a t r i xa s p h a l t ) ，是由沥青、纤维稳定剂、矿粉 及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙而组成的沥青混合 rj 1 料h 。是一种抗车辙、抗裂、抗滑、抗老化的新型路面表层( 磨耗层) 沥青混合料。与 传统的沥青混凝土混合料( a c ) 相比，s m a 无论在功能上、经济上和技术上都更加优越， 故而以其优良的高温抗车辙性能、低温抗裂性能、耐久性和优良的路用性能被各国纷纷 采用及研究。 s 队混合料与传统加混合料的比较表i - i s m a 混合料传统a c 混合料 铺筑方式热拌热铺 空隙特点密实型 一 混级配间断连续 合 粗集料大量较少 细集料很少较多 料 填料 较多 较少 组 结合料 较多较少 成 稳定剂 有 无 施工 设备机具 基本相同 工艺 工艺稍有不同 表面特征粗糙均匀不够粗糙 抗滑比a c 优 路 面 高温抗车辙比a c 优 性 中温抗疲劳比a c 优 能 低温抗开裂比a c 优 耐久性比a c 优 成本比a c 贵2 0 一3 0 使用年限 比a c 长5 1 0 年 德国于1 9 8 4 年建立了s m a 国家标准，迄今铺筑面积超过1 亿m 2 ，到1 9 9 4 年s m a 被 德国国家标准z t va s p h a l t s t b1 9 9 4 收录；从8 0 年代起，s m a 很快在全欧洲得到了推 广应用，一些欧洲国家也陆续建立了s m a 标准，瑞典、西班牙s m a 铺筑面积均超过5 0 0 0 万m 2 ，荷兰、法国、丹麦、挪威和波兰铺筑面积也超过i 0 0 0 万m 2 。欧洲标准化委员 第一章绪论 会( c e n ) 已于1 9 9 8 年出台了欧洲s m a 标准草案，包括最大标称集料尺寸从4 至2 2 m m r c l 的各种s m a 的技术标准，层厚从1 2 至7 0 m m ；可以说囊括了各种粒径s m a 的应用范围“。 s m a 在美国的引进是在9 0 年代初期。1 9 9 0 年美国派出一个大型代表团赴欧洲考察， 学习并引进欧洲的s m a 技术。发现沥青玛蹄脂碎石混合料s m a 具有优良的抗车辙和抵抗 带钉轮胎磨耗的能力，确定s m a 是一种很有希望的路面新型结构，随之进行研究和推广。 在引进技术之后，美国根据自身的气候条件，对s m a 混合料的组成作了重大调整，对s m a 混合料的性能进行了深入系统的研究，提出了符合美国实际情况的设计和施工方法，把 s m a 路面技术发展到一个新的水平。在很多州即刻铺筑了s m a 结构路面，尤其是马里兰 州和乔治亚洲使用最多，如为迎接1 9 9 6 年亚特兰大奥运会，乔治亚洲一年中使用了1 0 万吨s m a 混合料对亚特兰大大都会区州际公路进行全面加铺。经过几年的研究应用，s m a 技术在美国已具相当规模( 美国引进s m a 后，更名为s t o n em a t r i xa s p h a l t ) 。 混合料设计一定要考虑本地区的气候环境条件，一种设计方法、一种新结构在人们 认识它的通用性后，在应用的时候还要顾及它在具体特殊的气候、环境条件下的适宜性。 值得注意的是，美国在引进s m a 技术经过国内研究应用之后，对德国以及欧洲的做法有 了许多改进和新的发展。 美国和欧洲的s m a 进行比较，可发现在材料要求、设计及施工方面有以下不同点： ( 1 ) 美国在制定本国的s m a 技术规范时，更加重视s m a 的高温性能，即比欧洲更加强调 粗集料骨架的重要性，加大了最大粒径，增加了粗集料含量；( 2 ) 减小了沥青用量，提 r c l 出了自己的s m a 设计指标，比如w 、v m a 等，以及符合本国国情的建议级配“。之所以 美国和德国乃至欧洲的s m a 有较大的区别，其原因还在于气候条件的不同。欧洲位于北 纬3 8 - 6 8 之间，气温终年均衡，年温差最南端为i o 。c ，最北端二十几度，西欧很少超 过2 5 。c ；而美国的地理位置比欧洲南移了2 0 度，但气温年温差从南方的1 5 。，变化到 北方的4 5 。，且夏天气温远远高于欧洲，美国夏天的平均气温比欧约高7 一- 1 5 。c ，而 冬季气温又显著低于欧洲。我国的地理位置与美国相仿，也是冬严寒夏酷热，且年温差 相当大，但较之欧洲，美国的s m a 技术对我国而言更具有借鉴意义。 1 2 2 我国s m a 研究现状 我国对s m a 技术的引进则是从1 9 9 1 年引进奥地利r f 集团的n o v o p h a l t 改性沥青技 术时逐渐展开的。1 9 9 3 年交通部公路科研所结合欧美的研究和使用情况，对于混合料进 行了试验研究，并采用了n o v o p h a l t 技术和p e 和s b s 改性技术，研究了s m a 级配，着 4 长安大学工程硕士学位论文 重研究了改性沥青的性能和应用以及由改性沥青所组成的s m a 混合料的高温稳定性和低 温抗裂性，同时还对施工工艺进行了探讨。后来许多省市铺筑了大量s m a 试验路，但由 于对s m a 技术的理解不深入、不全面，许多试验工程都出现了这样或那样的问题。由此 说明在引进s m a 技术时，不能照抄照搬国外的成功经验，必须结合我国实际进行研究、 消化、改进，才能推动s m a 在我国的发展应用。在我国研究推广s m a 技术的应用过程中， 交通部公路科学研究所做了大量工作，在首都机场高速公路、北京长安街、首都机场东 跑道等大型工程中均使用了s m a 结构，并初步制订了我国的s m a 设计指南。由于我国的 气候也不同于欧洲，而与美国相似，故我国的s m a 指南规定的级配较德国的s m a 粗，沥 青用量也较德国的少。 1 9 9 4 年吉林省交通科研所对未改性的s m a 混合料进行了市内室外研究，着重研究了 s m a 的热稳定性和抗冻性，并在梅河口铺筑了试验路。 1 9 9 5 年在德国专家的指导下，江苏省在南京至连云港一级公路的连云港段铺筑了试 验段，并对施i i 艺进行了探讨。 幢 1 9 9 6 年北京国际机场东跑道( 高速公路) 和八达岭高速公路再次利用n o v o p h a l t 技术改性沥青技术铺筑了s m a 混合料，首都机场采用了p e + s b s 改性重交通沥青和德国 产木质纤维素，而八达岭高速公路是采用s b s + p e 改性普通沥青和0 4 的石棉纤维。 1 9 9 6 年9 月，辽宁省交通科研所在沈阳至本溪高速公路小堡段铺筑了试验路，从试 验数据来看，效果比较理想。 馥， 除此之外，s m a 混合料还在河南安阳、天津至保定等高速公路以及广东虎门大桥进 行了摊铺。 近十几年的公路工程实践表明，我国的交通现状说明不但必须要发展改性沥青s m a 路面结构，而且已具备发展改性沥青s m a 路面的技术条件和物质条件。当然，在某些细 小环节上，还应在工程实践中不断总结经验，并考虑地域特色，总结适合本地区的施工 工艺和技术手段。 1 3 主要研究内容 本课题拟从山东省本地气候特点及本地常用材料出发，研究改性沥青、改性沥青 s m a 及其路用性能，提出适合于该类地区气候自然条件特点的改性沥青、改性沥青s m a ， 从根本上解决山东省沥青路面的病害问题。具体研究内容如下： 1 设计改性沥青s m a 级配及主要技术指标； 第一章绪论 2 设计沥青玛蹄脂的组成及主要技术指标； 3 研究改性沥青s m a 的高温稳定性和低温抗裂性性能； 4 提出山东省关于s b i a 生产和质量控制中的注意事项。 1 4 本章小结 本章通过对s b l a 沥青混合料的国内外研究现状及s b i a 路面的发展历程，并从山东省 本地气候特点及本地常用材料出发，研究改性沥青、改性沥青s b i a 及其路用性能，提出 适合于该类地区气候自然条件特点的改性沥青、改性沥青s m a ，从根本上解决山东省沥 青路面的病害问题。研究主要从改性沥青s b i a 级配及主要技术指标、沥青玛蹄脂的组成 及主要技术指标、改性沥青s b i a 的高温稳定性和低温抗裂性性能和山东省关于s m a 生产 和质量控制中的注意事项四个方面展开。 6 长安大学工程硕士学位论文 第二章s m a 混合料强度机理研究 2 1s m a 沥青混合料体积结构特点 s m a 是一种间断级配骨架密实型混合料，它有大比例的碎石( 粗集料) 构成坚固的 石石接触，相互嵌锁的骨架结构，并由丰富的沥青玛蹄脂填充粗集料骨架结构空隙。沥 r 1 青玛蹄脂为细集料、填料( 矿粉) 、沥青结合料以及稳定剂( 一般为纤维) 的混合料。 即在s m a 混合料中粗集料提供骨架结构，而细集料作为沥青玛蹄脂的组分，基本上不参 与构建集料结构的作用。这点是与常规的沥青混凝土按最大密度成型原理是显著不同 的。故从体积结构来看，s m a 压实混合料可以看作有两部分组成：粗集料骨架结构与填 充骨架空隙的沥青玛蹄脂。且石石接触构成骨架是s m a 路面成功的先决条件。 s m a 起源于欧洲，在美洲( 美国) 、亚洲( 中国、日本) 等很多国家进行了推广应用， 使其成为沥青混合料家族中的重要一员。各国均对s m a 作了规定和技术要求，根据不同 气候特点，做了不同侧重的要求。欧洲各国主要是对骨料级配、体积指标( 空隙率) 、 沥青用量、适用的交通量范围等做出了规定，但是，对于矿料间隙率( v m a ) 、粗集料是 否形成嵌挤，从目前掌握的资料来看没有做出较为具体的要求。 美国从1 9 9 0 年引进s m a 技术后，对其级配进行了较大的调整，提出了美国的级配 标准，对技术要求进行了更详尽的研究，在美国的s m a 配合比设计体系中，提出了一 r 0 1 个非常明确、重要的概念”。由于4 7 5 m m 以上部分的粗集料才能真正形成石石嵌 挤结构，。增加了矿料间隙率( v m a ) 、粗集料嵌挤标准以及抗冻性等的要求。由于4 7 5 m m 以上部分的粗集料才能真正形成石一石接触，4 7 5 m m 通过率是s m a 级配中最重要的参数。 n c a t 的试验表明：4 7 5 m m 通过率与混合料的v m a 密切相关，并决定了粗集料嵌挤作用， 随着4 7 5 m m 通过率的增加，即细集料的增加，矿料间隙率v m a 将逐渐趋于常数，只有 当4 7 5 m m 通过率小于3 0 时，v m a 才开始增加，粗集料的嵌挤作用才能逐渐得以发挥， 石一石嵌挤结构才能形成。于是美国提出了4 7 5 m m 以上的粗集料骨架间隙率v c a ( t h e v o i di nt h ec o a r s ea g g r e g a t e ) 作为粗集料嵌挤作用的衡量指标，v c a 可通过试验计算 得到。一般要求压实混合料的粗集料间隙率( t h ev c a i nt h em i x e s ) v c a m i ) 【 粗集料的 r 0 1 干插捣间隙率v c a d r c ( t h ev c a i nt h ed r yr o d d e dc o n d i t i o n ) 9 。 经n c a t 大量的试验证实：v c a 随4 7 5 m m 通过率的减小而减少，当4 7 5 m m 通 7 第二章s 姒混合料强度机理研究 过率小于3 0 后，v c a 减小的幅度( 斜率) 也变小。所以，对s m a 混合料，矿料中 4 7 5 m m 的百分率必须小于3 0 ( 仅仅对其所用的试验条件而言) ，只有这样，粗集料的 嵌挤作用才有可能发挥。 将v c a “ v c a 喊作为形成粗集料骨架结构的条件，非常符合s m a 混合料构成的技术 r 1 1 概念。欧洲国家并没有这样的规定。这可以说具有一定的“创新”“。但并不是说不满 足这一条件的混合物都不是s m a 。v c a 。， v c a 虻可以说为粗集料骨架形成的充分条件，但 不是必要条件。不少混合料由于粗细集料分界筛孔的通过率稍大，但仍在规定得级配范 围，v c a - 。虽不能完全满足条件，但已接近v c a 僦，都应算作s m a 混合料。因为混合料中 粗集料骨架已基本形成。同时卢永贵在s m a 骨架标准研究中指出：制定骨架标准形成判 据时，仅针对细集料对骨架的撑持作用而言，可以适当放宽对v c a - 。的限制，只要v c 氏h 1 61 6 1 3 213 2 母59 5 - 4 7 5a c l 6s m a l s m a 2s m a 3 视密度2 6 0 82 6 l l2 6 0 72 6 1 22 5 9 42 5 8 12 5 7 82 5 6 92 6 4 6 毛体积密度2 5 5 72 5 4 72 5 4 82 5 4 72 5 9 02 2 5 32 5 7 22 5 6 4 备注：粗集料密度由广口瓶法测的：细集料密度由容量瓶法测的；矿粉为李氏瓶法测的；以上密度皆 为相对密度。 ( 2 ) 矿料力学指标 第三章设计方法与材料试验 衰3 - 8 集科的技术指标 指标测量数值规范要求 压碎值1 9不大于2 8 洛杉矶磨耗2 4 6不大于3 0 磨光值p s v5 8不小于4 2 ( 3 ) 矿料其他物理指标 表3 9 纂料其他指标 指标测量值规范要求 吸水率o 6不大于2 粘附性( 台湾7 0 撑)3 级不小于4 级 针片状颗粒含量( )8 3不大于1 5 细集料砂当量 7 3 大于5 0 矿粉细度8 30 0 7 5 m m 筛孔通过率 矿粉亲水系数 o 6 7 小于1 2 沥青密度及含蜡量指标 表3 - 10 沥青密度密度 沥青种类 5 0 #7 0 #7 0 # + 3 p e7 0 # + 5 p e 密度( 2 5 。c 相对) 1 0 8 8 1 0 3 1 91 0 3 6 9 1 0 2 8 l 表3 一”含蜡量 沥青种类5 0 # 沥青7 0 # 沥青 含蜡量 1 8 3 61 7 3 0 3 纤维的选用 纤维加入沥青混合料中经搅拌形成三维分布，起到加强筋的作用，使沥青混凝土 具有更好的抗疲劳、抗车辙等性能，大大提高路面高温稳定性、低温抗裂性，路面耐久 2 4 长安大学工程硕士学位论文 性更为显著，其物理参数如下： 表3 - 1 2 纤维的物理参数 长度均 v c a m i x 是形成s m a 嵌挤结构的判据，根据美国及我国的s m a 设计经验，v m a 应不小于1 6 5 ；，级配s m a 3 不能形成骨架嵌挤结构( s m a 结构) 。因此，在以后的试验 中剔除s m a 3 级配。 由上面的试验数据可见，s m a 混合料的用油量要显著大于a c ，对于同种级配，一 般油石比要增加1 左右。 试验还发现，在级配小范围变动，对于油石比的影响不大；在s m a 中，在最佳沥 长安大学工程硕士学位论文 青用量附近，沥青用量的改变对于各指标，尤其是稳定度影响不太大，这也是马氏稳定 度不可以作为s m a 设计确定沥青用量的一个原因。 由稳定度试验结果可看出，s m a 试件的稳定度不大，这是因为马歇尔试验的加载 方式对s m a 不利。马歇尔试验表面看来是受压，其实试件内部的破坏是受拉所致。s m a 混合料7 0 以上是接近于单一粒径的粗集料，这种结构耐压不耐拉，它主要是依靠沥青 玛蹄脂部分抗拉，但是在6 0 c 时，沥青玛蹄脂的粘度低，抗拉能力不强，因此马歇尔稳 定度一般都较普通的密级配沥青混凝土低。所以，压实s m a 混合料马歇尔稳定度的数值 只是为了取得信息，而不应作为接受或拒绝s m a 配合比设计的唯一理由。 第四章s 姒路用性能试验研究 第四章s m a 路用性能试验研究 s m a 路用性能中，除平整性与沥青混合料本身关系较小外，其他性能都是由沥青混 合料自身性质决定的。 表4 - l 沥青材料与沥青路面性能的关系 沥青路面性能沥青结合料矿料纤维沥青混合料备注 高温稳定性比较重要重要重要重要 低温抗裂性重要有影响重要重要 耐 水稳定性有影响 比较重要有影响重要 久 抗老化性能重要几乎无关有影响重要与空隙率关系大 | 吐 抗滑性能有影响重要几乎无关 重要 路面渗透性比较重要重要有影响重要与空隙率关系大 取决于施工 平整性几乎无关有影响 几乎无关有影响 水平和工艺 表4 - 2 沥青路面技术要求与技术指标 技术要求病害类型技术指标 高温稳定性 车辙、拥包马歇尔稳定度、动稳定度等 低温抗裂性横向开裂低温蠕变速率、应变能、冻裂温度等 水稳定性松散、剥落、坑槽 马歇尔残留稳定度、冻融劈裂强度等 疲劳特性 纵裂、网裂疲劳强度等 气候稳定性龟裂、松散老化试验后强度与稳定性等 刚度 不均匀沉降、平整度下降回弹模量、整体弯沉等 抗滑性能表面光滑 路面摩擦系数、石料磨光值、构造深度 3 2 长安大学工程硕士学位论文 4 1s m a 混合料的高温稳定性 s m a 从国外引入我国至今已经不下十个年头了，在此十年间，s m a 得到了相当广 泛的研究和应用。应该说，s m a 是以其显著优良的高温稳定性著称于世的，这一点已 经被证明，是毋庸置疑的。然而就其高温性能而言，在我国的诸多工程实践的实际路用 效果却良莠不齐。例如( 3 2 0 5 滨州段，2 0 0 2 年底通车，到2 0 0 4 年不足两年的时间即产 生轻重不一的车辙现象，s m a 高温稳定性设计是个重要问题。马歇尔稳定度和流值与 路面相关性不好，对于控制车辙不是很理想，因此目前许多国家已把车辙试验作为混合 料组成设计的一项评价指标，美国s h r p 计划已经把它作为a a m a s “沥青混合料分析 系统”的一项不可缺少的指标。用它来评价沥青路面高温稳定性能，使材料组成更能满 足实际路面的使用功能。 根据山东省气候条件特点以及以往的设计及施工经验，本试验在1 5 5 左右的温度 下，用轮碾法成型车辙板( 往复碾压1 3 次、成型前用坐标复写纸校核压实荷载，保证 为3 0 0 n e m ，碾压次数的确定是为了保证压实后车辙板混合料的密度在马歇尔密度附? 近) ，然后放置一夜，第二天采用车辙试验仪测量并采集其车辙数据。试验荷重为7 0 0 n ， 试验轮与试件接触压强为o 7 m p a ，试验温度为6 0 ，试件放入恒温室恒温5 小时，试 样尺寸为3 0 0 3 0 0 5 0 m m ，试验轮行走速度为4 2 次分钟，行走距离为2 3 1 0 毫米。 对车辙数据进行回归分析，车辙板数据处理曲线如图4 1 ： 盘 图4 - ls i i a 2 车辙板数据处理曲线( 7 0 # + 0 3 纤维) 由图4 一l 可知，板3 ：k l = 0 0 2 1 8 ，板2 ：k 2 = 0 0 1 8 3 ；板1 ：k 3 = o 0 2 3 4 ；可计算 出d r s l = 2 0 1 8 ；d r s 2 = 2 4 0 4 ；d r s 3 = 1 8 8 0 ；故得该级配的动稳定度为 第四章s m a 路用性能试验研究 ( d r s l + d r s 2 + d r s 3 ) 3 = 2 1 0 1 ；回归计算的动稳定度如下表4 3 ： 表4 - 3 车辙板车辙试验数据 车辙板类型 变形量 动稳定度 动稳定度 永久变形 ( 直接由式计算) 纤维用量 ( 回归时间 ( 次m m ) ( 4 5 m 确0 m i n ) ( 次r a m ) 结合料级配序号 内) d r s d s 5 0 #a c l 6011 6 31 2 0 6 o 4 21 2 2 l a c l 6o2 1 7 5 1 0 9 6 0 4 31 3 1 1 s m a l331 3 31 6 7 40 4 71 2 0 4 7 0 #s m a l541 1 82 0 4 50 4 71 3 9 6 s m a 2351 1 62 1 0 1o 4 21 2 8 2 s m a 2560 9 72 8 6 9 0 4 11 5 8 8 s m 慷137 0 8 62 3 2 80 2 52 5 2 0 7 0 # + 3 p e s m a 2380 7 53 0 1 4 o 1 73 7 0 5 s m a l39o 64 9 7 3o 1 25 5 0 0 s m a l51 00 5 l6 7 0 40 16 6 0 0 7 0 # + s p e s m a 231 10 3 48 3 5 10 0 61 1 0 0 0 s m a 25 1 20 2 29 9 6 l0 0 88 2 5 0 由表4 3 的试验数据可以看出： ( 1 ) s m a 结构混合料的高温稳定性远好于连续级配沥青混合料 s m a 混合料的动稳定度都显著大于常用的a c 类沥青混合料，对于同样是a c 级配 的情况，即便是采用高稠度的结合料( 5 0 # 或7 0 # ) ，a c 类的混合料的动稳定度仍然 显著小于s m a 结构。这表明对于沥青混合料的高温稳定性，级配的贡献率要远大于结 合料，资料1 1 】也有相似的结论。很多资料研究证实间断级配( 甚至是完全中断级配中间断 掉一档料，比如，2 3 6 4 7 5 ) ，其动稳定度将明显大于一般的连续密级配沥青混和料。 其实这是显然的，高温季节，沥青变软，在荷载作用，荷载的支撑主要是由集料之间的 嵌挤结构提供。而s m a 结构的最大特点就是高强粗集料的嵌挤能力强，动稳定度与永 久变形都要好于a c 级配。 ( 2 ) 同样是s m a 结构，高温稳定性的高低取决于粗细集料搭配的好坏 无论对于什么结合料，s m a 2 的动稳定度都要大于s m a l ，前者的永久变形( 回归 时间段内) 也小于后者。比较二者级配的不同，s m a l 为规范建议级配s m a 1 6 的下限， 而s m a 2 为规范建议中值，换言之，s m a l 的级配要比s m a 2 来得“粗 。依照经验， 长安大学工程硕士学位论文 级配越偏下限( 平均粒径越粗) ，其高温稳定性应该是越好。但是由于s m a 混合料是由 形成嵌挤结构的粗集料( 对于s m a 1 6 ，指 4 7 5 r a m 以上的部分) 和沥青玛蹄脂组成， 虽然( 如上所言) 对于高温稳定性，级配的贡献率要远大于结合料，这并不是完全否定 了结合料部分的作用，尤其是对于改性沥青玛蹄脂，它的粘性很大，即便是在高温情况 下，玛蹄脂仍具有较高的粘结能力，可以提供对粗集料很强的束缚力，进而更加增强了 r 0 0 3 s m a 结构混合料的高温稳定性。所以s m a 结构混合料的高温稳定性取决于集料的 嵌挤结构与沥青玛蹄脂部分的粘结性能的合理分配。而玛蹄脂是由沥青、纤维、矿粉和 细集料组成，为了保证它的粘结性能，这几种组分的量一定要搭配合理。由于s m a 2 比 s m a l 的细集料多，这样s m a 2 比之s m a l 不仅具有较好的粗集料嵌挤结构，还拥有粘 结性能良好的沥青玛蹄脂，故此s m a 2 的高温稳定性要好于s m a l 。 ( 3 ) 纤维用量增加，有助于提高s m a 结构混合料的高温稳定性 纤维在混合料中的作用是吸附并且稳定沥青，使得沥青的粘稠度以及粘聚力增大， 同时又由于纵横交错的“加筋 作用，使得混合料的高温稳定性( 抗剪能力、抗车辙能一t 力) 显著增强。纤维用量越多，这种增粘增强作用越是明显。 ( 4 ) 改性沥青s m a 的高温稳定性要好于非改性沥青 前面章节已经论述，p e 改性沥青的最大功效就是大大提高了基质沥青的粘度，因 而也就是对混合料的高温稳定性作出了贡献。 综上所述，对于本课题提供材料，就高温稳定性而言，s m a 2 级配( 规范建议s m a 1 6 。 中值级配) 粗集料嵌挤结构与沥青玛蹄脂的粘结性能配合合理，动稳定度高；且在s m a 中，纤维用量增加或改性沥青中p e 剂量的增多都有利于s m a 高温稳定性的增强。针 对山东省的特点，在本课题拟选级配中采用s m a 2 级配，结合料采用5 p e 改性沥青， 同时考虑经济方面原因纤维用量4 为合理的组合。 4 2 s m a 混合料低温抗裂研究 由于山东省气候属暖温带季风气候，冬季昼夜温差较大，且受寒流影响温度会骤降， 故而路面会由于温度应力作用而产生裂缝，低温缩裂的产生严重危害道路的使用寿命， 是沥青路面的主要破坏形式之一。 骨料和沥青砂的线膨胀系数q 具有很大的不同中：骨料q = 4 1 0 。6 5 x1 0 击， 沥青砂a = 0 8 1 0 4 一2 0 1x1 0 4 2 0 1 ，在温度下降时因沥青砂与骨料的收缩性不一， 在沥青混凝土内部便会产生温度应力，当温度应力大于骨料与沥青砂间的界面强度时， 第四章s m a 路用性能试验研究 在沥青砂与骨料的界面间产生发丝状的、微小的界面裂纹，对沥青混凝土造成损伤，结 果导致沥青混凝土的极限抗拉强度降低。温度越低，沥青砂与骨料间产生的温度应力就 越大，产生的界面裂纹就越多、越发达，沥青混凝土的极限抗拉强度也就降低越多。所 以在沥青混凝土降温过程中，随着温度的降低，沥青混凝土逐步硬化，其极限抗拉强度 也随之增大，当温度降低到变脆点温度时，其极限强度达到最大值，继续再降低温度， 沥青混凝土内部就会由于骨料和沥青砂的不同温缩性而产生较大的温度应力，在局部区 域的温度应力会大于骨料与沥青砂间的界面强度，从而在沥青砂与骨料的界面间产生发 丝状的、微小的界面裂纹，对沥青混凝土造成损伤，导致沥青混凝土的极限抗拉强度降 低。温度越低，沥青砂与骨料间的温度应力就越大，产生的界面裂纹就越多、越发达， 沥青混凝土的极限强度也就降低越多。而沥青混凝土的应力松弛能力却是在随着温度的 降低而逐渐趋于降低的，所以这样，在极限强度降低到一定的一定的值时，混凝土的开 裂便不可避免。 根据山东省气候特点，冬季一般以1 月份最低，平均气温在一1 一4 。c 之间，极 端最低气温一1 1 一2 0 。c 。所以本课题针对山东省气候特点采用一1 0 c ( 低温较不利 温度) 低温弯曲来评价混合料的低温性能。试验采用从美国进口的m t s 材料试验机， 这是一套精密的闭合伺服液压系统，试验数据由计算机自动采集得到。试件由轮辗成型 后切割而成，尺寸为4 0 4 0 x2 5 0 m m ，试验温度为1 0 c ，加载方式为中央集中荷载。 弯拉强度、弯曲应变、弯曲模量计算公式为： 耻淼 6 x h d 气2 f & ：鱼 岛 式中：r b - 极限弯拉强度，m p a ； eb - 试件破坏时最大弯拉应变； s b - 弯曲劲度模量，m p a ； i 一试件跨径，l l l m ； h 、b - 式件高度和宽度，m i l l ； p 。、d 试件破坏荷载和挠度，k n 、i n t o 。 长安大学工程硕士学位论文 表4 4 低温弯曲试验数据 混合料类型 氏( )。b ( 1x1 0 巧)s b ( m p ) 结合料级配纤维 34 2 81 0 1 84 2 0 4 3 s m a l 55 7 71 0 7 65 3 6 2 4 7 0 # 36 3 51 0 6 15 9 8 4 9 s m a 2 55 8 9 1 1 1 55 2 8 2 5 35 81 1 7 34 9 2 2 3 s m a l 56 21 2 2 45 0 6 5 3 p e 38 3 71 2 6 76 6 0 6 1 s m 2 58 2 91 3 6 56 0 8 9 9 36 9 21 1 0 36 6 4 3 8 s m a l 56 9 61 1 66 0 0 0 6 5 p e 39 8 71 1 7 28 4 2 1 5 s 妣 51 01 2 1 38 2 4 4 7 0 #a c 1 64 8 71 1 7 84 1 3 4 1 5 0 #a c 1 65 2 l9 8 65 2 8 4 注：结合料一栏皆为简写，比如3 p e 为p e 加入量( 外加) 3 的改性沥青( 不加说明，基质沥青 均为a h 7 0 # ) 。 试验加载速率均为5 c m m i n ，试验温度一1 0 ( 微控环境箱控温) ；试验操作严格依照公路 工程沥青及沥青混合料试验规程( t 0 7 1 5 1 9 9 3 ) 执行。 ：- 由上表4 4 可以看出： ( 1 ) 由试验数据可以看出，对s m a l ，纤维增加，混合料极限弯拉强度增大，弯拉应 变也增大，劲度模量增大( 如对于3 p e ，纤维用量由3 0 增加到5 ，极限拉应力从5 8 0 增加到6 2 0 ；弯拉应变从1 1 7 3 增加到1 2 2 4 ；劲度模量从4 9 2 2 3 增加到5 0 6 5 ) ，综合比 较可以说明虽然该种类混合料的极限弯拉应变有所增加，但它的低温抗裂能力还是随着 纤维用量的增加而降低的；而对s m a 2 级配，随着纤维增加，混合料极限弯拉强度有所 降低，且弯拉应变增大的趋势，自然劲度模量减小( 如对于3 p e ，纤维用量由3 增加 到5 ，极限拉应力从8 3 7 降低至8 2 9 ；弯拉应变从1 2 6 7 增加到1 3 6 5 ；劲度模量从 6 6 0 6 减小到6 0 8 9 ) ，显然它的低温抗裂能力是随着纤维用量的增加有所增强。即对于不 同级配的s m a 混合料，纤维加入量的变化对其低温性能的影响是不同的。 沥青玛蹄脂方面 纤维对s m a 混合料低温性能的影响与沥青玛蹄脂部分细集料的量的多少有关。对 3 7 第四章s l l a 路用性能试验研究 混合料低温抗裂性能的贡献率结合料部分要远