（道路与铁道工程专业论文）骨架型沥青混合料级配与性能研究.pdf

摘要 摘要 公路交通量的增大和人们生活水平的提高对路面的使用性能提出了更高的 要求。具有良好的高温稳定性和表面特性的骨架密实型沥青混合料，用于半刚 性基层和沥青路面之间排除沥青路面下渗水分的骨架空隙型沥青混合料基层， 以及排水、降躁、抗滑的骨架空隙型沥青混合料表面层等骨架型沥青混合料得 到了越来越多的应用。 论文以上述三类骨架型沥青混合料为研究对象，依托江西省景婺黄( 常) 高速 公路( 2 0 0 6 年) 和山东省马莱高速公路( 2 0 0 6 - - 2 0 0 7 年) 实体工程项目，结合室内试 验和现场检测试验，通过理论分析和应用研究，探讨了骨架型沥青混合料级配 与性能的关系及骨架型沥青混合料设计方法，并将部分研究成果应用于工程实 践。 首先，论文采用s h e l l 的b i s a r 程序计算分析了含骨架空隙沥青混合料 基层的路面结构受力特征，骨架空隙沥青混合料基层的模量和厚度对整个结构 力学特征的影响，提出了对于骨架空隙沥青混合料基层的力学性能要求：结合 环境气象条件分析了骨架空隙沥青混合料表面层和基层的排水过程，提出了骨 架空隙沥青混合料的排水性能要求计算方法和指标；结合相关文献分析，提出 了骨架空隙沥青混合料空隙率要求范围。 其次，结合室内试验数据和文献资料试验数据，论文分析了骨架型沥青混 合料级配与性能的关系。重点分析了骨架型沥青混合料骨架结构的形成规律和 影响因素，研究了级配对骨架密实沥青混合料高温稳定性的影响，以及级配对 骨架空隙沥青混合料渗透性能和力学性能的影响。 然后，根据沥青混合料中集料间分布状况，论文提出了集料i 临界接触筛孔 的概念，并分析了不同沥青混合料的集料临界接触筛孔。通过集料临界接触筛 孔和骨架型沥青混合料骨架空隙填充的分析，论文提出了基于骨架空隙填充的 骨架型沥青混合料设计方法，并按照这种方法设计了具有减振降噪效果的低噪 声骨架密实沥青混合料。 论文还对骨架型沥青混合料的应用和施工技术进行了探讨。总结了骨架空 隙沥青混合料的应用场合和技术要求，分析了骨架空隙沥青混合料施工中的关 键技术，并对实际工程应用效果进行了测试。 摘要 最后，论文对进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：道路工程，沥青路面，骨架型沥青混合料，级配，性能，粗集料骨架 间隙率，粗集料骨架间隙率比，集料临界接触筛孔，骨架空隙填充 a b s t r a c t a b s t r a c t i n c r e a s i n g l yh i g h w a yv e h i c l ev o l u m ea n di m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i f e q u a l i t yp r o m o t e sh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rp a v e m e n ts e r v i c ep e r f o r m a n c e s k e l e t o n d e n s ea s p h a l tm i x t u r e ，w h i c hh a ss u p e r i o rh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n ds u r f a c e e h a r a e t e r i s t i e s ，s k e l e t o nv o i da s p h a l tm i x t u r eb a s e ( s h o r ta ss v b ) ，w h i c hi su s e d b e t w e e na s p h a l tp a v e m e n ta n ds e m i r i g i db a s et or e m o v et h ew a t e re n t e r i n gi n t ot h e i n n e ra s p h a l tp a v e m e n t ，a n ds k e l e t o nv o i da s p h a l tl t l i x t u r cs u r f a c e ( s h o r ta ss v s ) ， w h i c hi su s e di ns u r f a c ec o u r s et or e s o l v et h ep r o b l e m so fs k i dr e s i s t a n c e ，s u r f a c e d r a i n a g ea n dn o i s er e d u c t i o nh a v eb e e na p p l i e dg e n e r a l l yi n c r e a s i n g l y b a s e do nt h ec o n s t r u c t i o no fj i n g d e z h e n w u y u a n - h u a n g s h a n ( c h a n g s h a n ) e x p r e s s w a y ( 2 0 0 6 ) i nj i a n g x ip r o v i n c ea n dm a z h a n - l a i w ue x p r e s s w a y ( 2 0 0 6 - 2 0 0 7 ) i n s h a n d o n gp r o v i n c e ，t h ep a p e ra r g u e s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n g r a d a t i o na n d p e r f o r m a n c eo ft h es k e l e t o na s p h a l tm i x t u r e ，a n dt h ed e s i g nm e t h o do f t h es k e l e t o n a s p h a l tn l i x t l 鹏t h r o u g ht h e o r ya n a l y s i sa n da p p l i c a t i o ns t u d y , a i m e da t t h r e et y p e s s k e l e t o na s p h a l tm i x t u r em e n t i o n e da b o v e ，c o m b i n e dw i t hl a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n d o n s i t et e s t s o m er e s e a r c hp r o d u c ti sa p p l i e di nt h ee x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o n f i r s t l y , t h ep a p e rc o m p u t e sa n da n a l y z e st h em e d l a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft h e p a v e m e n ts t r u c t u r ec o n t a i n i n gs v bu s i n gb i s a rp r o g r a md e v e l o p e db ys h e l l c o m p a n y , a n dt h ei n f l u e n c eo i lt h ew h o l es t r u c t u r em e c ：h a i l i c sc h a r a 删s t i e sb y m o d u l u sa n dt h i c k n e s so ft h es v b ，p u t t i n gf o r w a r dt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s f o rs v b i ta l s os u g g e s t st h ec o m p u t a t i o nm e t h o da n di n d e xf o r d r a i n a g ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so f s k e l e t o nv o i da s p h a l tm i x t u r eb ya n a l y z i n gt h e d r a i n a g ep r o c e s so fs v sa n ds v bb a s e do nt h ew e a t h e rc o n d i t i o n t h e v o i d r e q u i r e m e n t ss c o p eo fs k e l e t o nv o i da s p h a l tm i x t u r ei sg i v e nt h r o u g ha n a l y z i n g t e l a t i v el i t e r a t u r e s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y s e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n g r a d a t i o n a n d p e r f o r m a n c eo ft h es k e l e t o na s p h a l tm i x t u r eb a s e d o nt h ee x p e r i m e n td a t aa n d d o c u m e n ti n f o r m a t i o n t h ek e ya n a l y s e sa r et h el a w so fb u i l d i n gs k e l e t o ns t r u c t u r e i i i a b s t r a c t a n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so ns k e l e t o na s p h a l tm i x t u r e t h ep a p c a s t u d i e st h ei n f l u c n c e o nh i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo f s k e l e t o nd e n s e a s p h a l tm i x t u r e ，i n f i l t r a t i o n p e r f o r m a n c ea n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fs k e l e t o nv o i da s p h a l tm i xb yg r a d a t i o n t h i r d l y , t h ep a p e rg e t st h ec o n c e p t i o no fa g g r e g a t ec r i t i c a lc o n t a c ts e i z e ( a c c z ) b a s e do nt h ed i s t r i b u t i o ns t a t u so ft h ea g g r e g a t ei na s p h a l tm i xa n da n a l y z e s t h ea c c zo fd i f f e r e n tt y p ea s p h a l tm i x t u r e i tp u t sf o r w a r dt h es k e l e t o na s p h a l tm i x d e s i g nm e t h o db a s e do nt h es k e l e t o nv o i df i l l i n gt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ea c c z a n dt h es k e l e t o nv o i df i l l i n go ft h es k e l e t o nm i x t h ep a p e rd e s i g n sl o wn o i s e s k e l e t o nd e n s ea s p h a l tm i x t u r ew i t hv i b r a t i o nr e d u c t i o na c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d t h ep a p e ra l s oa r g u e st h ea p p l i c a t i o na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo fs k e l e t o n a s p h a l tm i x t u r e i ts u m m a r i e st h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o na n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n to f s k e l e t o nv o i da s p h a l tm i x t u r e ，a n a l y z e st h ek e yt e c h n i q u ei ns k e l e t o nv o i da s p h a l t m i x t u r ea n dt e s t st h ec o n s t r u c t i o na p p l i c a t i o ne f f e c t f i n a l l y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u i t l l e l s t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：h i g h w a ye n g i n e e r i n g , a s p h a l tp a v e m e n t , s k e l e t o na s p h a l tm i x t u r e , g r a d a t i o n , p e r f o r m a n c e ，v o i d s i nc o a r s e a g g r e g a t eo fa s p h a l t m i x ( v c a , m x ) ，v o i d s i nc o a r s e a g g r e g a t e o f a s p h a l tm i x r a t i o ( v c a r a a o ) ，a g g r e g a t ec r i t i c a lc o n t a c ts e i z e ( a c c z ) ，s k e l e t o n v o i df i l l i n g i v 符号与代号 符号与代号 s v b s k e l e t o nv o i da s p h a l tm i x t u r eb a s e ，骨架空隙沥青混合料基层； s v s s k e l e t o nv o i da s p h a l tm i x t u r es u r f a c e ，骨架空隙沥青混合料表面层； s m a - - s t o n em a t i ca s p h a l t ，s t o n em a t r i xa s p h a l t ，沥青玛蹄脂沥青混合料； 比，lm i 】一沥青混合料中粗集料骨架间隙率； v c a d r 广粗集料在干捣实状态下的松装间隙率； 坎翻髓t i 。- 粗集料骨架间隙率比玖甩t 扩坎m v c a o r c ； o g f c - - o p e ng r a d e d f r i c t i o nc o u r s e ，开级配抗滑磨耗层，在本文中属s v s ； a c 一a s p h a l tc o n c r e t e ，密级配沥青混凝土混合料； l s p m n l a r g es t o n ep e r m e a b l em i x t u r e ，大粒径透水性柔性基层，在本文中属 s v b 。 i x 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。 学位论文作者签名：月7 嘻乏弓 力伪譬年b - 月) 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月e 1 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。 学位论文作者签名： 同弓轨 劢影年厂月- - j l , e l 第1 章前言 第1 章前言 2 0 0 4 年1 2 月1 7 日，国家高速公路网规划经国务院审议通过，规划的出 台标志着中国高速公路发展进入了新的历史阶段。国家高速公路网规划采用 放射线与纵横网格相结合的布局方案，形成由中心城市向外放射以及横连东西、 纵贯南北的大通道，由7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线组 成，简称为“7 9 1 8 网”，总规模约8 5 万公里，其中主线6 8 万公里，地区环线、 联络线等其他路线约1 7 万公里。2 0 0 7 年，全国新建高速公路8 3 0 0 公里。截至 2 0 0 7 年底，我国公路通车总里程达3 5 7 3 万公里，其中高速公路5 3 6 万公里。 2 0 0 8 年，计划完成高速公路建设5 0 0 0 公里。在这种形势下，如何提供符合设计 寿命要求、服务性能优良的路面是摆在广大公路建设者面前的重要课题。 沥青路面具有行车平稳、舒适、噪声低、养护方便、易于回收利用等优点， 在国内外公路和城市道路中，沥青路面作为高级路面的主要结构类型得到了广 泛应用。根据不同的应用场合和功能要求，沥青混合料有多种形式，本文主要 研究骨架型沥青混合料。 1 1 本文的研究背景 1 1 1 沥青混合料的组成结构 沥青混合料是一种复杂的多种成分组成的材料，其“结构 概念同样也是 及其复杂的。“沥青混合料结构 这个综合性术语，其中包括：沥青结构、矿质 骨架结构及沥青一矿粉分散系统结构等，是这种材料单一结构和相互联系结构 的概念的总和【1 】【2 】。 1 1 1 1 沥青混合料组成结构的现代理论 随着对沥青混合料组成结构研究的深入，目前对沥青混合料的组成结构有 下列两种相互对立的理论【3 】【4 1 。 ( 1 ) 表面理论 按传统的理解，沥青混合料是由粗集料、细集料和填料经人工组配成密实 第l 章前言 的级配矿质骨架，此矿质骨架由稠度较稀的沥青混合料分布其表面，而将它们 胶结成一个具有强度的整体。 r 粗集料 r 矿质骨架 细集料 沥青混合料l 填料 l 结合料i 一沥青一hh v n ( 2 ) 胶浆理论 近代某些研究从胶浆理论出发，认为沥青混合料是一种多级空间网状结构 的分散系。它是以粗集料为分散相而分散在沥青砂浆介质中的一种粗分散系； 同样，砂浆是以细集料为分散相而分散在沥青胶浆介质中的一种细分散系；而 胶浆又是以填料为分散相而分散在高稠度的沥青介质中的一种微分散系。 综合上述理论可以认为，沥青混合料是由矿质骨架和沥青结合料所构成的、 具有空间网络结构的一种多相分散体系。沥青混合料的力学强度，主要由矿质 颗粒之间的摩擦力与嵌挤作用，以及沥青与其矿料之间的粘结力所构成。 1 1 1 2 沥青混合料的组成结构类型 沥青混合料可因矿料的级配不同而构成不同的组成结构。不同的结构状况， 将会影响到混合料的如下一些结构性质，从而使它表现出不同的物理一力学性 质和使用品质1 5 】： ( 1 ) 矿料颗粒的大小及其相互分布的状况以及矿料骨架结构的性质； ( 2 ) 沥青在混合料中的分布特性以及沥青矿粉分散体系的结构性质； ( 3 ) 混合料的压实密度及其毛细一孔隙结构的特性，如孔隙的分布以及闭合 孔隙和连通孔隙的数量和相对比值等。 沥青混合料按其结构特点可分为下列三种类型( 图1 1 ) ： 悬浮密实结构：由连续级配矿质混合料组成的密实混合料，由于材料从大 到小连续存在，并且各有一定数量，同一档较大颗粒都被较小颗粒挤开，大颗 2 料孵例斛黼 “1、，渊 第1 章前言 粒以悬浮状态处于较小颗粒之中。这种结构通常按密实级配原则进行设计，其 密实度与强度较高，水稳定性、低温抗裂性能、耐久性都比较好，是最普遍使 用的沥青混合料。但由于受沥青材料的性质和物理状态的影响较大，故高温稳 定性较差。我国沥青路面施工技术规划6 1 规定的a c 类沥青混合料均属于此类型。 悬浮密实结构骨架空隙结构骨架密实结构 图1 1 沥青混合料的典型组成结构 骨架空隙结构：沥青混合料的粗颗粒集料彼此紧密相接，石料与石料能够 形成互相嵌挤的骨架。当较细粒料数量较少，不足以充分填充骨架空隙时，混 合料中形成的空隙较大，这种结构是按嵌挤原则构成的。此类沥青混合料压实 后空隙率一般比较大。在骨架空隙沥青混合料结构中，粗集料之间内摩擦力与 嵌挤力起着决定性作用，其结构强度受沥青的性质和物理状态影响较小，因而 高温稳定性较好。但由于空隙率大( 15 之5 ) ，其耐老化性能、低温抗裂性能和 耐久性较差，常用作抗滑表层和柔性基层。用于表面层的骨架空隙沥青混合料 有o g f c ( o p e l l g r a d e df r i c t i o nc o u r s e ，开级配抗滑磨耗层) ，p o r o u sa s p h a l t ( 多 孔沥青路面) ，p f c ( p o r o u s f r i c t i o nc o u r s e 多孔磨耗层) 等几种形式，在本文中 统一称为s v s ( s k e l e t o nv o i da s p h a l tm i x t u r es u r f a c e ，骨架空隙沥青混合料表面 层) ；用于基层的骨架空隙沥青混合料有a t p b ( a s p h a l tt r e a t e dp e r m e a b l eb a s e ， 沥青稳定碎石透水基层) ，a t b ( a s p h a l tt r e a t e db a s e ，沥青稳定碎石基层) 和 l s p m ( l a r g es t o n ep e r m e a b l em i x t u r e ，大粒径透水性柔性基层) 等形式，本文中 统一称为s v b ( s k e l e t o nv o i da s p h a l tm i x t u r eb a s e ，骨架空隙沥青混合料基层) 。 骨架密实结构：混合料既有一定数量的粗集料形成骨架，又根据粗集料空 隙的多少加入足够的细料，形成较高的密实度和明显的骨架结构。该结构兼备 悬浮密实型和骨架空隙型结构的优点。沥青玛蹄脂沥青混合料s m a ( s t o n em a t i c a s p h a l t ，s t o n e m a t r i xa s p h a l t ) 属于骨架密实结构。为便于同国内外研究对比分析， 3 第1 章前言 本文的骨架密实型沥青混合料指s m a 沥青混合料。 本文的研究对象为以沥青玛蹄脂沥青混合料s m a 为代表的骨架密实型沥青 混合料，以及以骨架空隙沥青混合料s v b 和s v s 为代表的骨架空隙型沥青混合 料，统称为骨架型沥青混合料。 、 1 1 2 级配设计理论 关于级配理论的研究，实质上发源于我国的垛积理论，但是这一理论在级 配应用上并没有得到发展。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【3 】【5 1 。最大密度曲线理论主要描述了连续级配的粒径分布，可用于 计算连续级配；粒子干涉理论，不仅可用于计算连续级配，而且也可用于计算 间断级配。 1 富勒( w b f u l l e r ) 级配理论 富勒认为，集料颗粒级配曲线接近于抛物线时，则可获得最大密度，并可 用下式表示： p = ( m ， 式中，p 为最大粒径为d 的集料中某筛孔d 的通过率( ) 。 2 泰波( a n t a l b o t ) 级配理论 泰波认为富勒公式是一种理想的级配曲线，实际上要获得最大密度会有一 定波动范围，于是将富勒公式改成如下表达式： p = ( 丢) 4 n 2 ， 式中，p 、d 和d 意义同前；n 为试验指数。 泰波根据理论分析和实验认为，当n = 0 2 5 - 0 3 5 ，集料可以得到最大密度。 日本的研究认为，n = 0 3 5 o 4 5 ，集料的级配最好，故在沥青路面纲要中采用。 美国联邦公路局( f h w a ) 取n = 0 4 5 。 3 林绣贤f 法 同济大学林绣贤于1 9 7 0 年提出了直接以通过百分率的递减率i 为参数的计 算公式( 简称为f 法) ： 第l 章前言 p ，= 1 0 0 i 5 ( )( 1 3 ) 式中：办一当粒径按1 2 递减时，矿料在石级筛的通过量( ) ： 一料粒径的级数，最大粒径d 时，x = l ；d 2 时x = 2 ，按工= 3 3 2 1 9 ( d d ，) 计算。 林氏认为，当0 8 ，则混合料中细料太多，影响沥青混合料的稳定性；i 0 7 ， 则细料太少，空隙率较大，路面容易渗水：i = 0 7 5 ，则为最佳级配，故i = 0 7 0 8 是级配的合理范围，它相当于泰波公式中n = o 3 o 5 的情况。 4 前苏联伊万诺夫修正级配理论 我国在2 0 世纪5 0 年代采用苏联h h 伊万诺夫的级配理论，该理论以颗粒 分级重量递减系数k 为参数( 简称为k 法) 。 设集料的最大粒径为d ，集料粒径以1 2 递减，则相应各粒径的尺寸为： d o = d 2 0 ，d l = d 2 l ，d 2 一d 2 2 ，d x = d 2 1 ，d = d 2 疗。 这样： 第一级粒料d d 2 ，第二级粒料d 2 d 4 ， 第一级筛余量a l = a l 妒，第二级筛余量a 2 = a l k l ，第三级筛余量a 3 = 口l 驴， 如瑚l 矿一。k 为筛余量的递减系数。各级的筛余量之和应为1 0 0 ，即： a l ( 肌七1 斗舻+ 斗缈1 ) = l o o a l = l o o ( k - 1 ) ( 妒- 1 ) a x = a l 矿 1 = 1 0 0 ( k - 1 ) ( 1 d - 1 ) f i g - 1 ) 式中以为集料总的级数，其值n = 3 3 2 1 9 ( d d n ) ，磊为最小粒径。前苏联对磊确定 为0 0 0 4 m m ，并控制其通过量为0 ，由此确定集料总的级数刀。 若改写成通过百分率仇表示，经过变换后成为下式： p ，圳o ( 卜嚣】( ) 4 ， 5 魏矛斯( ga gw e y m o u t h ) 粒子干涉理论 魏矛斯( ga gw e y m o u t h ) 的粒子干涉理论认为：为达到最大密度，前一级 颗粒之间的空隙应该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，否则大小颗粒粒子之间势必发生干 涉现象( 图1 2 ) 。为避免干涉，大小粒子之间应按一定数量分配，并从临界干涉 情况下可导出前一级颗粒间接距离应为： 5 第1 章前言 f j 不发生干涉 ( 1 5 ) = _ 攀一 ( 1 6 ) ( 五a + 1 ) 3 式中：卜前粒级的间隙距离( 即等于次粒级粒径力； d 一前粒级粒径； 沙。一次粒级的理论实积率，即堆积密度与表观密度之比； 一次粒级的使用实积率。 式( 1 6 ) h p 为粒子干涉理论，在应用时如果已知集料的堆积密度和表观密度， 即可求出集料理论实积率缈o 。连续级配时d d = l 2 ，则可按式( 1 6 ) 求得使用实积 率a ，由实用实积率可计算各级集料的分计筛余。 以上级配理论主要分析了连续级配的情况，对于间断级配人们专门的研究 较少。间断级配的优点就在于矿料组成中既有足够数量的粗粒料可以形成骨架， 同时又根据粗粒料的空隙多少加入一定数量的细料而使其具有较高的密实度， 从而使沥青混合料组成一种骨架密实结构。资料分析表明【2 】，间断级配用细小集 料填充大集料空隙而不是由次级集料填充，能得到更好的结果。 1 1 3 骨架型沥青混合料的性能 6 第1 章前言 在沥青混合料中，集料按照重量比占到混合料总重量的9 0 - 9 7 在左右，按 照体积比例也能达7 5 8 5 左右，集料的质量和矿质混合料的结构对沥青混合料 的性能有举足轻重的地位。骨架型沥青混合料粗集料用量比较多，粗集料相互 嵌挤形成稳定的骨架结构，填充以不同数量和粒径分布的细集料，混合料表现 出特殊的性能。 1 1 3 1 骨架密实型沥青混合料的性能 s m a 沥青混合料是典型的骨架密实型沥青混合料，产生在2 0 世纪6 0 年代 的德国，当时为了抵抗带钉轮胎对路面的磨耗而在浇筑式沥青混凝土的基础上 增加碎石用量而发展起来的，以后逐渐推广应用到高速公路和城市道路。后来 尽管不再使用带钉轮胎，但因为s m a 路面抗滑、抗车辙等性能优良，以至逐渐 在高速公路、重交通道路、红绿灯交叉口、机场跑道、桥梁铺装、车站与码头 的货物装卸区等中广泛应用。 s m a 混合料为间断级配，粗集料多，细集料少，矿粉用量多，沥青用量也 多。粗集料颗粒石一石接触，形成骨架结构，由沥青矿粉和纤维组成的玛蹄脂 填充其空隙，成为一种密实结构的沥青混合料。s m a 路面使用的实践表明，它 与传统沥青路面相比较，具有优良的高温稳定性、良好的耐久性、良好的表面 特性( 抗滑性能优良，减少水溅，降躁) 和良好的低温抗裂性等性能优点。s m a 为代表的骨架密实型沥青混合料越来越为人们所认可。 1 1 3 2 骨架空隙型沥青混合料基层s v b 的性能 我国目前在高等级公路上常采用的基层还是半刚性基层。半刚性基层材料 的干缩和温缩会引起裂缝，进而引起上面沥青路面的反射裂缝。水会从沥青路 面的反射裂缝、孔隙中渗入到路面内部和基层顶面。水渗入沥青路面是不可避 免的，如不能及时排走就将造成危害。半刚性基层的透水性非常小，水很难迅 速从基层排走，只能沿沥青层和基层的界面扩散、积聚。在行车荷载的反复作 用下，随着车轮的向前滚动，在轮胎前的水受轮胎挤压进入路面孔隙中，造成 水压力，在轮后产生一真空区域，将路面孔隙中的水分吸出，如此循环往复便 形成水力冲刷和动水压力，使得沥青混凝土路面中的沥青从碎石表面剥落下来 产生龟裂、松散等破坏。另外水还会有使路面产生冻融的可能性，进一步使路 面的环境因素恶劣。 水损害是半刚性基层沥青路面早期损害的形式之一，它是水存在于沥青混 凝土材料内部的结果。如果不能将沥青路面做成完全不透水的，那么就应该把 7 第1 章前言 它设计成能排水的路面。当沥青混凝土路面的空隙率小于6 或7 时，可以认为 路面是不透水的【7 】【8 】；当空隙率大于1 5 时，路面可以认为是自由排水的；空隙 率在7 - - 1 2 时，路面抵抗水损坏的能力是最差的【9 】。因此，空隙率大于1 5 的 骨架空隙沥青路面为人们在沥青路面结构层形式选择上提供了新的思路。 美国加利福尼亚州的研究表明：新的排水柔性路面( 增加内部排水基层) 平均 寿命至少要比不排水柔性路面长3 3 ，而采用内部排水设施所增加的费用，可以 很快从路面使用性能的提高、使用寿命的延长和养护费用的减少中得到补偿。 在沥青混凝土结构层下面设置骨架空隙沥青混合料基层s v b ，使得进入结构层 内部的水及时排到路面外部具有非常重要的意义。 s v b 混合料属于骨架空隙结构，这种结构的沥青混合料粗颗粒集料彼此紧 密相连，石料与石料能够形成互相嵌挤的骨架。细集料数量较少，不足以充分 填充骨架，混合料中形成较大的空隙( 一般为15 2 5 ) ，因此连通空隙大，能形 成通畅的排水通道，优良的排水性能是其一大特点。在这种结构中，粗集料之 间内摩擦力与嵌挤力起决定作用，高温稳定性好。另外其大空隙结构还可以消 散半刚性基层反射裂缝带来的尖端应力，起到缓解裂缝向沥青路面传递的的作 用。但由于空隙率较大，s v b 的耐老化性能、低温抗裂性能、耐久性均差于同 种沥青的密级配混合料。 1 1 3 3 骨架空隙型沥青混合料表面层s v s 的性能 随着公路交通量的增大和人们对于路面服务能力要求的提高，道路安全和 舒适行驶问题也越来越受到人们的重视，人们开始把目光从对沥青路面强度要 求上转移到了沥青路面的表面特性上面。 所谓沥青路面的表面特性是指沥青路面所应具有的抗滑性、吸收噪声和反 光特性【5 】。沥青路面的这些性质与混合料的组成结构有密切的关系。 与抗滑性能有关的路面特征有细构造、粗构造、宏构造和平整度四类【l0 1 。 就路面表面特性而言，影响路面抗滑能力的主要是路表面的排水性能、细构造 和粗构造。 细构造：沥青路面的细构造是指沥青胶浆和集料的表面构造( 粗糙度) ，它为 轮胎胎面提供附着力，是车辆低速行驶时保证路表面抗滑能力的决定因素。 粗构造：沥青路面的粗构造是指路表面集料间的空隙。它为路表水从快速 滚动的车轮胎面下排除提供通路，以保证雨天高速行驶时轮胎与路表面的啮合， 使细构造所提供的附着力得以发挥。 r 第1 章前言 s v s 混合料使得路面具有良好的细构造和粗构造，有利于提高路面的抗滑 能力。 s v s 还可以减少雨中行驶车辆的溅水。密级配沥青表面层雨后汽车行驶， 由于路面内部根本没有水的通道，雨水在轮胎压力作用下只得顺着轮胎花纹运 动，细微的轮胎花纹通道使得雨水被高高溅起，前面车辆轮胎带起来的溅水会 影响到后面车辆的视线；汽车在s v $ 路面上行驶，轮胎压力将雨水迫入骨架空 隙沥青路面内部的连通通道中，溅水很少。 路面的能见度是影响行车安全的重要因素。前后细密的光滑路面容易形成 镜面反射，同时在光滑的路面上，雨水的覆盖还会使道路标线的能见度大为降 低，给驾驶员识别标线增加了困难。具有良好宏观构造的s v s 沥青路面，由于 集料不规则的棱角凸起，使光线产生散光反射，即使在雨天也因排水迅速，路 面无水膜，同样不会出现镜面反射( 图l3 ) 。因此从路面反光特性考虑，设计和 选择具有良好宏观构造的骨架空隙沥青混合料表面层非常必要。 图13 密级配沥青路面和s v s 路面 在隧道路面中应用多孔沥青混合料表面层除了排水效果还起到定的防火 作用。 近几年交通噪声环境污染问题日益严重，己干扰到周边群众的正常工作和 牛活。交通噪声污染具有干扰持续、危害性大的特点，在特定条件下甚至成为 社会不稳定的因素之一。有证据表明噪声对语言交流、学校教学、休息睡眠， 甚至人们的脾气性格都有不利影响，同时对心脑血管疾病有负面影响，更有甚 者可造成听力损伤【l ”。随着车速的提高及汽车载重量的提高，轮胎与路面接触 噪声成为主要噪声源。为了有效解决轮胎与路面的噪声问题从2 0 世纪7 0 年 第1 章前言 代开始，国内外学者开始了低噪声路面的研究，1 9 7 9 年维也纳国际道路会议上 首次提出了轮胎与路面的噪声问题。从降躁机理上分析低噪声路面主要有吸声 降躁和减振降躁两种【”】。多孔沥青路面是具有代表性的低噪声路面种类之一， 其大孔隙结构可以吸收轮胎同路面作用产生的部分噪音从而起到降躁的效果， 是一种环保型沥青路面。 s v s 的优点在于其空隙率高，不但能降低噪声，行车舒适，还能提高排水 性能，在雨天能提高行驶的安全性。缺点是对集料和粘结料要求高，使用一段 时间后，空隙易被堵塞。 我国于2 0 世纪8 0 年代末引进o g f c 路面。1 9 8 8 年首次在北京一石家庄高 速公路正定段铺筑了试验段；1 9 9 6 年在杭州金华二级公路上铺筑了长1 0 0 0 m 宽1 2 m 的试验路；1 9 9 9 年在上海的西藏路一和田路、延安中路铺筑了试验段； 2 0 0 0 年在陕西宝鸡一牛背二级汽车专用公路上铺筑了8 0 0 米试验段。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) ( 2 0 0 1 ) 铺设了试验路。 当前以o g f c 为代表的s v s 路面在许多发达国家已成为对噪声要求高的地 段的公路，为提高行车安全和舒适性的优先选择。 综合上述基本理论的叙述与分析，为了获得特殊的性能，骨架型沥青混合 料具有特殊的结构组成，深入细致的研究其级配与性能的关系，分析其不同特 性的本质，进而对该类沥青混合料级配设计提出新的理念和方法，指导该类混 合料设计，具有重要的意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 1 211 级配理论和骨架结构在国外的研究与发展 国外级配理论的发展人们提到最多的是“贝雷法 。“贝雷法”是目前国际 上最新的骨架型级配设计理论【1 4 】。 “贝雷法，沥青混合料级配设计是由美国伊利诺斯州交通部r o b e r td b a i l e y 先生2 0 世纪8 0 年代发明的一套确定沥青混合料级配的方法。经过h e r i t a g e r e s e a r c hg r o u p 近十年的内部使用和普渡大学进一步研究、实践和验证，认为采 用该方法设计的沥青混合料具有良好的骨架结构，同时可以达到密实的效果。 1 0 第1 章前言 “贝雷法 设计理论认为，沥青混合料矿料组成中可以分为形成骨架的粗 骨料和形成填充的细集料。形成填充的粒径与骨料直径的关系根据圆形与片状 的不同，大致系数在0 1 5 加2 9 之间。统一考虑，形成第一级填充的细集料平均 直径为最大公称尺寸的0 2 2 倍。即最大公称尺寸乘以0 2 2 为主要控制粒径。其 设计原理是级配要求细集料的体积数量等于粗集料空隙的体积。同样，细集料 也按照此原理分成细集料中的粗集料与细集料中的细集料，并形成依次的填充 状态。 “贝雷法中评价集料级配的参数有三个：c a ( c o a r s ea g g r e g a t e ) 比，细集料 的粗料比f a c 和细集料的细料比f a f 。它们各自定义如公式( 1 7 ) 、( 1 8 ) 和( 1 9 ) 所 示【1 5 】。 c a 比= ( r 臃，2 一尸麟) ( 1 0 0 一民解，2 )( 1 7 ) 式中：p 艘一1 2 n m p s 筛孔的通过率，n m p s 为公称最大粒径尺寸。 p 尸c 厂第一控制筛孔的通过率。p c s ( p r i m a r yc o n t r o ls e i v e ) 为粗、细集料的 “分界点”或称为第一控制筛孔，p c s = - o 2 2 n m p s 。 尉c 比= b ( 1 8 ) 式中：如。旷细集料初级分界筛孔的通过率。细集料分为粗细部分的初级分界筛 孔尺寸f a i b = o 2 2 p c s 。 尉，比= 最栅b ( 1 9 ) 式中：s 厂细集料次级分界筛孔尉妨的通过率。f a s b = o 2 2 f a i b 。 式( 1 7 ) 中分子部分是粗集料中的细料部分，因其会推挤较大尺寸的石料而称 为干涉料：分母部分是粗集料中的粗料部分。粗集料部分的填充影响v m a 和施 工期间混合料的压实性能。c a 比的正常范围为0 4 - 0 8 。随c a 比的增加，混合 料的v m a 也增加。当c a 比接近1 0 时，粗集料中的任何部分都不能形成粗集 料骨架，混合料难以压实，易产生推挤。当c a 比大于1 0 时，粗集料中的细料 部分对粗集料骨架的形成起主导作用，粗料部分开始充当填塞料，以致封闭了 粗集料骨架的空隙。当c a 比小于0 4 时，混合料容易产生离析。 大多数密级配沥青混合料的尉c 比为0 2 5 - - 0 5 0 。随比值的增加，整个合成 集料中的细集料部分填充更加紧密。比值高意味着细集料中的细集料部分体积 增加，该部分填充粗料部分形成的空隙。但比值高通常显示沥青混合料的强度 第1 章前言 较低。如尉c 比值低，则细集料中粗料内的空隙体积将由较少的细料部分填充。 如比值太低，则形成不良级配，且难以压实。 尉f 比用来进一步评估细集料中最小集料颗粒的填充特性。同尉c 比一样， 翩f 比也要求在0 2 5 - 4 2 5 0 范围内，以防超填上一级颗粒形成的空隙。尉f 比增加， 混合料的空隙减少。 1 2 1 2 骨架密实型沥青混合料在国外的研究 s m a 上世纪8 0 年代开始在欧洲广泛应用，9 0 年代进入美国、日本和澳大 利亚，目前在国内外作为抵抗车辙和抗滑表层的首选都得到了广泛的应用。 e r b r o w n 和r b m a l l i c k ( 1 9 9 5 ) 1 6 】研究了s m a 混合料形成石一石接触的骨 架结构的条件，认为混合料的粗集料骨架间隙率不大于粗集料干捣骨架间隙率 时会形成石一石接触的骨架结构。此