（道路与铁道工程专业论文）沥青稳定碎石基层混合料配合比设计方法及技术性能研究.pdf

摘要 半刚性基层沥青路面存在严重的反射裂缝及水损害等早期破坏现象，严重影响道路 的服务能力。与半刚性基层相比，沥青稳定碎石基层能与面层牢固粘结保证层间连续接 触，避免沥青层内部出现较大的剪应力和弯拉应力，不会产生干缩开裂，可以有效抑制 和减少沥青路面反射裂缝的产生，具有水稳定性好、施工速度快、维修养护费用低、使 用寿命长等优点。本文在分析沥青稳定碎石基层混合料的性能要求和结构特点的基础 上，对沥青稳定碎石基层混合料的配合比设计方法及技术性能进行了深入研究。 分别采用现行规范推荐方法、s u p e r p a v e 方法、c a v f 法和贝雷法设计了四种密级配， 然后分别用大马歇尔设计法、s u p e r p a v e 设计法、力学指标设计法对所设计的四种密级 配进行最佳油石比的确定。根据设计过程和设计结果对这几种方法进行了比较评价，提 出了适合我国国情的密级配沥青稳定碎石混合料配合比设计方法：首先采用本研究首次 提出的五控制点级配设计方法设计沥青混合料的级配；然后采用大马歇尔击实成型试件 的力学指标设计方法来确定密级配沥青稳定碎石混合料的最佳油石比，并在初步确定最 佳油石比后可根据实际情况适当增加o 0 2 作为最终的最佳油石比。最后根据确定的 配合比拌制沥青混合料成型试件进行抗永久变形性能和抗疲劳性能等路用性能检验。 分别采用现行规范推荐方法、s a c 断级配设计法设计了两种开级配，然后分别用 o g f c 设计法和本研究提出的析漏损失指标设计法对所设计的两种开级配进行最佳油石 比的确定，并对这几种方法进行了比较评价，提出了适合我国国情的开级配沥青稳定碎 石基层混合料的配合比设计方法：根据实体工程的气候条件和交通条件，采用s a c 断级 配设计方法进行级配组成设计；然后采用大马歇尔击实试件的析漏损失指标设计法确定 最佳油石比，并可根据实际情况适当减少0 - - - 0 1 作为最终的最佳油石比。最后根据确 定的配合比拌制沥青混合料成型试件进行排水性能、水稳定性和抗永久变形性能和抗疲 劳性能等路用性能检验。 根据沥青稳定碎石基层混合料的路用性能要求，对所设计的沥青稳定碎石混合料的 抗永久变形性能、抗疲劳性能、水稳定性、低温抗裂性等路用性能进行了对比研究。结 果表明：采用贝雷法设计的密级配沥青稳定碎石混合料具有最优的路用性能：采用s a c 断级配设计法的开级配沥青稳定碎石混合料具有良好的路用性能 利用弹性层状体系理论、a n s y s 有限元和断裂力学原理分析了半刚性下基层开裂时 沥青稳定碎石基层在轮胎荷载作用下和瞬态温度应力作用下的应力应变状况。研究结果 表明：采用密级配沥青稳定碎石基层能使各面层的最大拉应力和最大拉应变都有所降 低，受力更加均匀，但柔性基层的最大拉应力和最大拉应变有所增加。采用开级配沥青 稳定碎石基层可使柔性基层所受的最大拉应力和最大拉应变都有所下降，但使各面层的 最大拉应力和最大拉应变都有所增加。轮载应力是引起复合基层沥青路面反射裂缝的主 要因素，其次才是温度应力。 模拟工程实际情况，开发了全新的沥青稳定碎石混合料抗反射裂缝仪和抗反射裂缝 试验方法，首次提出采用终裂寿命作为沥青稳定碎石混合料抗反射裂缝能力的评价指 标。研究结果表明：沥青稳定碎石混合料空隙率越小，油石比越大，温度变形越小，则 抗反射裂缝能力越好。沥青稳定碎石混合料的抗反射裂缝能力与低温弯曲试验得到的抗 弯拉强度有很好的相关关系。 依托许平南高速公路工程项目，对沥青稳定碎石基层的施工技术进行了研究，推荐 了合理的沥青稳定碎石基层施工工艺和质量控制指标，提出了防治离析措施。 关键词：沥青稳定碎石基层：级配设计；五控制点级配设计法；s a c 断级配设计法： 最佳油石比的确定；力学指标设计法；析漏损失指标设计法；路用性能：抗反射裂缝仪； 终裂寿命；施工工艺 a b s t r a c t a s p h a l tp a v e m e n tw i t hs e m i r i g i dt y p eb a s eo f t e np r o d u c e sr e f l e c t i v ec r a c ka n dw a t e r d a m a g e ，e t cp r e m a t u r ed a m a g e ，a n dt h ed a m a g es t r o n g l yr e d u c e su s e f u lt i m eo ft h ea s p h a l t p a v e m e n t a s p h a l tt r e a t e db a s eb e l o n g st ot h ec a t e g o r yo ff l e x i b l eb a s e i td o e s n tp r o d u c e c r a c kd u et od r y i n gs b _ r i n k a g ea n de n s u r e sc o n t i n u o u sc o n t a c tt ou p p e ra s p h a l tc o u r s e ，w h i c h r e d u c e ss h e a ra n db e n ds t r e s s e si na s p h a l tc o u r s e s ，t h u se f f e c t i v e l yr e d u c e sr e f l e c t i o nc r a c ki n a s p h a l tp a v e m e n tc o m p a r ew i t l ls e m i r i g i db a s e a s p h a l tt r e a t e db a s em a t e r i a ls h o w ss u p e r i o r p e r f o r m a n c ei nm o i s t u r es u s c e p t i b i l i t yr a p i d n e s si nc o n s t r u c t i o n ，l o wr e p a i rc o s ta n dl o n g l i f e ，t o o t h ep a p e ri n t e n s i v e l ys t u d i e dm i x t u r ed e s i g nm e t h o da n dp a v e m e n tp e r f o r m a n c eo f a s p h a l t t r e a t e db a s eb a s e do n a n a l y s i s o f p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t a n ds t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so f t h em i x t u r e t h ep a p e rd e s i g n e dg r a d a t i o no fd e n s e g r a d e da s p h a l tt r e a t e db a s e ( a t b ) 谢t l lt h e m e t h o dr e c o m m e n d e db yt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sf o rc o n s t r u c t i o no fh i g h w a ya s p h a l t p a v e m e n t ，s u p e r p a v ed e s i g nm e t h o d ，b a i l e y m e t h o da n dc a v fd e s i g nm e t h o ds e p a r a t e l y , a n dd e t e r m i n e dt h eo p t i m a lo i l - s t o n er a t eo ft h eg r a d a t i o n s 晰t i lt h em a r s h a l lt e s tm e t h o d ， s u p e r p a v ed e s i g nm e t h o da n dm e c h a n i c si n d e xm e t h o ds e p a r a t e l y , c o m p a r ea n da p p r a i s e t h e s em e t h o d aa t bm i x t u r ed e s i g nm e t h o ds u i t a b l ef o rt h es i t u a t i o no fo u rc o u n t r yi sp u t f o r w a r d ：a tf i r s tg r a d a t i o no fa t bi sd e s i g n e dw i t hf i v ec o n t r o ls i e v ed e s i g nm e t h o dw h i c hi s f i r s t l yp u tf o r w a r db yt h ep a p e r , a n dt h eo p t i m a lo i l - s t o n er a t eo f t h eg r a d a t i o ni sd e t e r m i n e d w i lm e c h a n i c si n d e xm e t h o d t h e nt h eo p t i m a lo i l - s t o n er a t ec a l lb ei n c r e a s e d0 - 0 2 a c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n gs i t u a t i o n a tl a s t r e s i s t a n c et ov e r t i c a ld e f o r m a t i o n , f a t i g u e ，e t c p a v e m e n tp e r f o r m a n c eo f a t bi st e s t e d t h ep a p e rd e s i g n e dg r a d a t i o no fo p e n - g r a d e da s p h a l tt r e a t e db a s e ( a t p b ) 、i t l lt h e m e t h o dr e c o m m e n d e db yt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sf o rc o n s t r u c t i o n o fh i g h w a ya s p h a l t p a v e m e n t ，t h es a cd e s i g nm e t h o ds e p a r a t e l y , a n ds e p a r a t e l yd e t e r m i n e dt h eo p t i m a l o i l s t o n er a t eo ft h eg r a d a t i o n s 、析mt h e0 g f cd e s i g nm e t h o da n dm a s sl o s so fd r a i n d o w n i n d e xm e t h o dw h i c hi sp u tf o r w a r db yt h ep a p e r , c o m p a r ea n da p p r a i s et h e s em e t h o d aa t p b m i x t u r ed e s i g nm e t h o ds u i t a b l ef o rt h es i t u a t i o no fo b rc o u n t r yi sp u tf o r w a r d ：a tf i r s t g r a d a t i o no f a t p bi sd e s i g n e dw i t ht h es a cd e s i g nm e t h o d ，a n dt h eo p t i m a lo i l s t o n er a t eo f t h eg r a d a t i o ni sd e t e r m i n e dw i t hm a s sl o s so fd r a i n d o w ni n d e xm e t h o d ，t h e nt h eo p t i m a l o i l s t o n er a t ec a nb ed e c r e a s e dm 加1 a c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n gs i t u a t i o n a tl a s td e w a t e r i n g c a p a c i t y , m o i s t u r e s e n s i t i v i t y ，r e s i s t a n c e t ov e r t i c a l d e f o r m a t i o n ，f a t i g u e ，e t cp a v e m e n t p e r f o r m a n c eo fa t p b l st e s t e d t h ep a p e rs t u d i e da n dc o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c e so fa s p h a l tt r e a t e db a s em i x t u r e ，w h i c h i n c l u d er e s i s t a n c et ov e r t i c a ld e f o r m a t i o n ，f a t i g u e ，m o i s t u r e s e n s i t i v i t y ，l o w t e m p e r a t u r e a n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c e ，e t c t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep a v e m e n tp e r f o _ _ r r n a u c eo fa t b m i x t u r ed e s i g n e dw i t hb a i l e y m e t h o di st h em o s te x c e l l e n t ；a n dt h ea t p bm i x t u r ed e s i g n e d w i t hs a cd e s i g nm e t h o dh a v eg o o d p a v e m e n tp e r f o r m a n c e t h ep a p e ra n a l y z e dt h es t r e s sa n ds t r a i ns t a t eo fa s p h a l tt r e a t e db a s ew i t hs e m i r i g i db a s e c r a c k i n go nt h et r a f f i cl o a da n dt h et e m p e r a t u r es t r e s sw i t ht h ev i s c o e l a s t i cl a y e r ss y s t e m t h e o r y , t h ea n s y sp r o g r a ma n dt h ef r a c t u r em e c h a n i ct h e o r y t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta t b c a l lr e d u c et h em a x i m u mb e n ds t r e s sa n ds t r a i ni na s p h a l tc o u r s e sb u ti n c r e a s et h em a x i m u m b e n ds t r e s sa n ds t r a i no fa t b ；a t p bc a nr e d u c et h em a x i m u mb e n ds t r e s sa n ds t r a i no fa t p b b u ti n c r e a s et h em a x i m u mb e n ds t r e s sa n ds t r a i ni na s p h a l tc o u r s e s t h ep r i m er e a s o nt o g e n e r a t er e f l e c t i v ec r a c ko fc o m p e n s i v eb a s ei st h et r a f f i cl o a d ，a n dt h en e x ti st h et e m p e r a t u r e s t r e s s t h ep a p e rd e v e l o p e dan e wt e s tm a c h i n ea n dan e we v a l u a t i o nm e t h o do fr e s i s t i n g r e f l e c t i v ec r a c k ，a n df i r s t l yb r o u g h tf o r w a r dt oan e wi n d e x - - - - t 1 1 el a s tc r a c kl i f et oe v a l t m t e a b i l i t yo fr e s i s t i n gr e f l e c t i v ec r a c ko fa s p h a l tt r e m e db a s e t h er e s u l t ss h o w e d t h a tr e s i s t i n g r e f l e c t i v ec r a c ko fa s p h a l tt r e m e db a s ei sm o r ee x c e l l e n tw h e ni t sv o l u m eo fa i rv o i d si sm o r e l i t t l e ，o i l - s t o n er a t ei sb i g g e ra n dt h et e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o ni sm o r el i t t l e a b i l i t yo fr e s i s t i n g r e f l e c t i v ec r a c ko fa s p h a l tt r e a t e db a s eh a sg o o dr e l a t i o nt ob e n ds t r e n g t ho fl o w - t e m p e r a t u r e b e n t t e s t a tl a s t ，b a s e do nx u p i n g n a ne x p r e s s w a yp a v e m e n tp a v i n g ，t h ep a p e rs t u d i e d c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e so fa t b ，a n dr e c o m m e n d sr e a s o n a b l ec o n s t r u c t i o np r o c e s sa n dq u a l i t y c o n t r o ls t a n d a r d ，a n ds o m ep r e v e n t i n gs e g r e g a t i o nt e c h n o l o g i e sa r es u g g e s t e d k e y w o r d s ：a s p h a l tt r e a t e db a s e ；g r a d a t i o nd e s i g n ；f i v e c o n t r o ls i e v e d e s i g n m e t h o d ；s a cd e s i g nm e t h o d ；d e t e r m i n a t i o no ft h eo p t i m a lo i l s t o n er a t e ；m e c h a n i c si n d e x m e t h o d ；m a s sl o s so fd r a i n - d o w ni n d e xm e t h o d ；p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ；t e s tm a c h i n eo f r e s i s t i n gr e f l e c t i v ec r a c k ；t h el a s tc r a c kl i f e ；c o n s t r u c t i o np r o c e s s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中己经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 沟穆罕 刎7 年乡月2 ，日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：7 匀彭宇歹口夕年乡月，z ，日 导师签名：一刁年莎月红且 长安人学博士学位论文 第一章绪论 1 1问题的提出及研究意义 改革开放以来的2 0 多年，是我国历史上公路建设发展速度最快、规模最大、最具 活力的时期。自1 9 8 8 年沪嘉高速公路建成通车实现了我国高速公路零的突破以来，高 等级公路以前所未有的速度发展，我国的公路事业进入了以建设高速公路、一级公路等 高等级公路为主的新时代。截至2 0 0 6 年底，我国高速公路通车总里程达4 5 万公里， 稳居世界第二位幢】。 为了适应高等级公路建设，一种以无机结合料稳定粒料( 土) 类为基层，沥青混凝 土为面层的所谓“半刚性基层沥青路面”被大量用于高等级公路路面。据统计，我国9 0 以上的高等级公路沥青路面均采用了半刚性基层口1 。 “半刚性基层沥青路面”作为高等级公路路面结构具有其合理性，其优点表现为： ( 1 ) 具有较高的强度、承载能力和分布荷载能力。一般来说，半刚性基层材料具 有较高的抗压强度、抗压弹性模量和一定的抗弯拉强度，并具有良好的板体作用，且它 们都具有随龄期而不断增长的特性，因此半刚性沥青路面通常具有较小的弯沉和较强的 荷载分布能力。 ( 2 ) 半刚性基层刚度大，使得其上沥青面层弯拉应力值较小( 一般 密级配沥青碎石基层 密级配焦 油碎石基层 水泥稳定碎石基层 级配碎石基层b 1 。 七十年代初期，德国将全厚式沥青路面结构引入路面结构设计中，以解决由于过厚 的级配碎石层带来的费用提高以及道路运输负担过重的问题。在这期间，德国修建了多 条试验路，比较其典型沥青路面结构与不同厚度的全厚式沥青路面的性能差异。研究表 明，采用全厚式沥青路面，可以提高沥青路面的耐久性，与其标准结构比较，可以降低 造价在2 0 左右。加拿大同期也修建了两段全厚式沥青路面结构，分析了路面由于交通 作用、环境和结构的不同所引起的应力、应变或弯沉，为制定合理的路面设计和评定方 法提供了依据。七十年代中期到八十年代初期，美国进行了多种全厚式沥青路面结构试 验和应用研究，结果表明：沥青稳定碎石基层的结构系数接近于沥青混凝土面层的结构 系数，并大大高于热沥青砂基层、无机结合料基层和级配碎石基层的结构系数n 仉j2 1 。 九十年代以后，交通量的迅速增长，原有的沥青路面结构已经不能满足路面的长期 使用要求，欧美各国都将重点转向长寿命沥青路面的研究。长寿命沥青路面的定义是： 设计和建造寿命达5 0 年甚至更长时间的沥青路面，路面的破坏只出现在表面层，因此 在寿命周期内，不需要对主要结构层进行修复和重建，只需定期更换表面层。它可以看 作是全厚式沥青混凝土路面和高强度厚沥青路面的发展。目前，美国使用最多的是沥青 混凝土基层，沥青混凝土基层粒径较小一些，集料相对较细一些，为了适应大交通量的 增长，倾向于使用较大粒径的沥青混合料基层，例如大部分州采用a a s h t o 设计沥青 稳定碎石基层的沥青路面结构，粒径一般为1 9 - - 3 7 5 m m ，最常用的为2 5 m m 、3 7 5 m m ， 厚度一般为2 9 - - 4 3 c m 。美国的沥青稳定碎石基层仅仅采用较低的沥青用量，主要为克 服粒料基层的松散和离析问题，防治半刚性基层反射裂缝的发生，集料粒径不大，对级 配控制不严，混合料设计方法简单n 3 ，1 5 1 。 欧洲除了法国之外，一般都采用粒径较粗的沥青稳定碎石做基层，最常用的有 2 5 m m 、2 8 m m 、3 2 m m 、4 0 m m ，欧洲目前正在逐渐统一规范，建议沥青稳定碎石基层混 合料统一采用3 2 m m 混合料。法国一般采用两种沥青混合料基层，高模量沥青混凝土 ( e m e ) 和沥青砂砾( g b ) ，它们与沥青稳定碎石不同，沥青硬度大、混合料粒径小， 沥青混合料基层厚的沥青路面较薄，e m e 低温抗裂性差，不适用于低温或温差较大的 4 长安大学博士学位论文 地区n 。6 1 7 1 。 日本主要的高速公路均采用两层式沥青面层，并以较厚的沥青稳定碎石作为基层， 多采用级配碎石或水泥稳定材料作为底基层。沥青稳定碎石基层混合料的公称最大粒径 一般为3 7 5 m m ，目前也使用3 1 5 m m 的混合料。根据日本道路的使用现状，这些高速 公路很少产生疲劳裂缝，耐疲劳性很好，主要的问题是车辙，但即使车辙现象严重的路 段进行表面处治后使用性能就全面恢复，路面面层以下的结构层次良好。因此，这种路 面的使用年限都远远大于设计使用年限n 8 1 。 表1 1部分国家所采用的沥青稳定碎石基层沥青路面 o g f c ( 2 5 ) + h m a ( 7 5 ) + h m a ( 1 5 ) + h m a ( 7 5 ) s u p e r p a v e ( 5 ) + h m a ( 1 1 5 或9 ) + h m a ( 1 2 5 或1 5 ) + 级配碎石3 8 s u p e r p a v e ( 5 ) + h m a ( 1 4 或1 1 ) + h m a ( 1 5 5 或1 8 ) + 级配碎石2 5 美国s m a ( 6 5 ) + h m a ( 1 4 或1 2 5 ) + h m a ( 1 6 5 或1 8 ) + 级配碎石3 3 s m a ( 6 5 ) + h m a ( 1 5 ) + i m a ( 1 9 ) + 级配碎石4 3 沥青混凝土( 4 + 9 ) + 沥青贯入式( 1 7 5 ) + 水结碎石( 1 6 ) + 砂砾( 2 5 ) 沥青混凝土( 5 ) + 沥青稳定碎石( 1 9 ) + 砂砾( 1 5 ) + a n 固底基层( 1 5 ) 沥青混合料+ 沥青稳定基层( 1 5 ) + 粒料底基层( 2 0 5 0 ) + 垫层 沥青混合料+ 沥青稳定基层( 15 4 0 ) + 垫层 法国 沥青混合料+ 沥青稳定基层( 1 0 2 0 ) + 水硬性稳定处理底基层( 2 0 4 0 ) + 垫层 沥青混合料+ 沥青稳定基层( 1 0 2 0 ) + 粒料( 约1 2 ) + 水硬性稳定处理底基层( 1 5 2 0 ) + 垫层 沥青混凝土( 4 + 3 + 5 ) + 沥青稳定碎石( 1 8 ) + 级配砂砾( 1 5 ) + 防冻层 德国 浇筑式沥青混凝土( 3 5 ) + 沥青混凝土( 3 5 + 5 ) + 沥青稳定碎石( 1 8 ) + 级配砂砾( 1 5 ) + 防冻层 密式沥青混凝土( 4 ) + 粗粒式沥青混凝土( 6 ) + 沥青稳定碎石( 1 0 2 0 ) + 级配碎石( 1 5 3 0 ) 日本密式沥青混凝土( 5 ) + 粗粒式沥青混凝土( 6 ) + 沥青稳定碎石( 2 0 ) + 未筛分碎石( 5 0 ) 中粒式沥青混凝土( 5 ) + 粗粒式沥青混凝土( 6 ) + 沥青稳定碎石( 1 5 ) + 天然级配砂砾( 2 0 2 5 ) 奥地利 沥青混凝土( 2 7 + 3 + 4 1 ) + 沥青稳定碎石( 1 4 + 1 6 ) + 防冻层( 3 0 ) 比利时沥青混凝土( 4 + 8 ) + 沥青稳定碎石( 1 6 ) + 底基层 恩八骨u沥青混凝土( 3 + 7 ) + 沥青稳定碎石( 1 5 ) + 级配砂砾( 3 5 ) + 砂层( 3 0 4 0 ) 附注：表中括号内数字为结构层厚，单位：c m 。 总之，欧美各国以及日本在内的多数国家的高速公路沥青路面绝大部分采用了用沥 青稳定碎石基层，表1 1 中列出了部分国家所采用的沥青稳定碎石基层沥青路面结构。 由表1 1 可以看出，由于交通量和地域差异比较大，各国的路面结构差别也很显著，但 总体来说，沥青层总厚都比较大，一般都超过2 0 e r a ，而我国的高速公路的沥青层总厚 通常都在2 0 c m 以下。 各国在大量实践的基础上，提出了有关沥青稳定基层的施工设计规范，总的看来， 5 第一章绪论 对沥青稳定基层的材料组成设计要求都不如面层的沥青混凝土严格，颗粒公称最大粒径 也大于面层所用的颗粒公称最大粒径，一般在1 9 - - 一4 0 m m ，沥青用量在3 - - 一5 范围，一 般添加少量矿粉，依据材料情况确定是否添加消石灰等外加剂，空隙率一般在3 6 ， 也有在3 - - 8 或3 1 2 。研究表明：设计良好的公称最大粒径较大的沥青混合料，可 以抵抗较大的塑性和剪切变形，承受重载交通的作用，具有良好的抗车辙能力和抵抗永 久变形的能力；并且由于较粗集料要求的破碎功降低以及集料比表面积减少使得沥青用 量的减少，降低了沥青混合料的生产费用。部分国家关于沥青稳定碎石基层混合料的级 配情况见表1 2 。 表1 2部分国家沥青稳定碎石基层混合料级配 通过各筛孔的质量百分率( ) 筛孔尺寸( m m ) 日本i 型日本i i 型俄亥俄州英国4 0英国2 0 5 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 3 7 59 5 - 1 0 09 5 1 0 08 5 1 0 09 5 1 0 01 0 0 3 1 57 0 1 0 07 0 1 0 08 0 9 08 0 9 61 0 0 2 56 0 1 0 06 0 1 0 06 8 8 86 8 9 28 8 9 6 1 9 5 5 9 05 5 1 0 05 6 8 06 2 8 47 0 9 4 9 53 0 7 03 0 1 0 03 7 6 05 0 6 85 2 7 2 4 7 5 1 7 5 51 7 1 0 02 2 4 5 3 8 5 43 8 5 4 2 3 61 0 4 21 0 1 0 01 4 3 52 8 4 22 8 4 2 o 65 2 85 4 06 1 81 4 2 81 4 2 8 o 33 2 23 2 54 - - - 1 38 2 l8 2 l 0 0 7 51 1 01 1 02 “2 82 8 日本i 型 励r 一一 ， 眵 ，。 1 0 0 十日本l i 型 荔 一俄亥俄州 j7 蚴 9 0 8 0 + 英国4 0 钐荔蓼 莎，一 + 英国2 0 眵矽 7 0 卜a t b 4 0卅 6 0 邑 卜a t b 3 0 广一 _ 一1r 勿。 龉 5 0 求 ，r 驴。 妞 a t b 2 0 7 矿 4 0 蜊 彰多 赠 一纱 ， 乎 3 0 2 0 名爿髟刍矽 i酽 二r 1 0 v 0 0 7 50 30 62 3 64 7 59 51 92 53 1 53 7 55 0 筛孔尺寸( 衄) 图1 1国内外沥青稳定碎石级配对比 6 长安人学博士学位论文 各国的沥青稳定碎石基层混合料级配中值如图1 1 所示。由图1 1 可以看出，对于 公称最大粒径相同的混合料，各国的沥青稳定碎石级配曲线基本都在我国的a t b 沥青 稳定碎石级配曲线之上，表明我国的沥青稳定碎石级配与国外的沥青稳定碎石级配相比 都普遍偏粗。我国的a t b 4 0 级配曲线与俄亥俄州的级配曲线较为接近。 1 2 1 国内研究概况 国内高等级公路9 0 以上采用半刚性基层沥青路面，沥青稳定碎石基层除京津塘高 速公路和少数试验段外，工程经验较少。由于半刚性基层沥青路面存在不可避免的反射 裂缝及水损害等问题，越来越多的研究开始致力于寻求新的路面结构形式，国外广泛使 用的沥青稳定碎石基层逐渐得到我国研究人员和技术人员的重视。 交通部公路科学研究所沈金安等对沥青稳定碎石基层的组成设计方法进行了研究， 在分析国外沥青稳定碎石基层的级配范围的基础上，提出沥青稳定碎石的级配范围及性 能要求；对国内粗粒径沥青碎石混合料应用情况进行调查，做出沥青稳定碎石基层性能 评价；参考国外沥青用量确定方法提出采用大马歇尔试验方法确定沥青稳定碎石的最佳 沥青用量；通过铺筑试验路研究了沥青稳定碎石基层的施工工艺，并对沥青稳定碎石基 层的经济性进行了评价h 1 。 东南大学杨群进行了高速公路沥青稳定基层结构与设计方法研究，提出了沥青稳定 基层沥青路面的设计指标和标准，进行了设计指标影响因素分析，提出了沥青稳定基层 混合料的组成设计方法n 9 1 。严二虎对柔性基层的路面结构设计进行了研究，提出了沥青 稳定碎石的级配范围及性能要求、混合料设计指标及性能评价方法，对比研究了大小马 歇尔试验方法对沥青稳定碎石组成设计的影响，推荐使用大马歇尔试验进行最佳沥青用 量的确定呦1 。葛折圣选出两种沥青稳定碎石级配，进行了应力控制的疲劳试验，研究其 抗疲劳性能，并进行疲劳寿命预估忙。 长安大学袁宏伟进行了沥青稳定碎石基层材料的研究，提出了混合料的设计方法和 施工技术，并铺筑了试验路，证明了沥青稳定碎石基层沥青路面的低温抗裂性要优于半 刚性基层沥青路面幢副。易湘舒进行了多年冻土地区沥青稳定碎石基层混合料路用性能研 究，提出了适用于冻土地区的沥青稳定碎石级配和混合料设计方法，进行了强度性能、 抗冻性能、低温抗裂性和低温疲劳性能研究1 。王玲娟提出了几种沥青稳定碎石基层混 合料的级配，并采用以力学指标法为主、大马歇尔试验方法为辅的混合料配合比设计方 法综合确定混合料最佳油石比；对沥青稳定碎石混合料的振动成型方法进行研究，找出 7 第一章绪论 最佳的振动参数组合，并对振动成型和击实成型条件下试件的力学性能进行了对比研究 拉引。胡斌通过对比研究马歇尔击实成型、传统马歇尔设计方法和力学指标法，提出了适 合沥青稳定碎石基层混合料类型的成型方法；针对反射裂缝的产生机理，重点研究了沥 青稳定碎石基层的防止反射裂缝性能乜副。江慧娟分别采用现行规范推荐的沥青稳定碎石 基层设计方法、s u p e r p a v e 设计方法、贝雷设计方法、力学设计方法设计沥青稳定碎石 混合料，通过对比分析其物理、力学指标，提出了适合沥青稳定碎石基层混合料组成设 计的方法，并对其路用性能进行了研究担引。刘海龙提出了采用g t m ( 美国工程兵团旋转 压实仪) 设计法进行沥青稳定碎石混合料的配合比设计，通过大量的室内试验，说明由 g t m 设计的混合料表现出了良好的综合路用性能。赵新坡采用n 法、i 法、贝雷法和 s u p e r p a v e 法设计了密级配沥青稳定碎石的级配，然后分别用马歇尔法、力学指标法和 s u p e r p a v e 法对所设计的级配进行最佳沥青用量的确定，并对这几种方法进行了比较和 评价啪1 。丛涛选定四种沥青稳定碎石基层混合料的级配和三种沥青，采用大马歇尔试验 方法进行混合料配合比设计：系统地研究了沥青稳定碎石基层混合料的力学性能、高温 稳定性、水稳定性和抗疲劳等路用性能啪1 。 哈尔滨工业大学采用体积法分别设计了公称最大粒径为2 6 5 m m 、3 1 5 m m 和3 7 5 m m 的沥青稳定碎石混合料的级配，并进行了各级配混合料的强度性能试验、水稳定性试验、 低温抗裂性试验以及贯入式重复加载试验m 1 。 综上所述，国内对沥青稳定碎石基层的研究和应用还处于起步阶段，开展研究时间 还不长，已有的工程经验多为距离不长的试验段，还没有大规模地应用，沥青稳定碎石 基层a t b 与沥青混凝土a c 以及旧规范中沥青碎石a m 的级配范围、配合比设计方法、路 用性能都存在较大差异，虽然新规范针对密级配沥青稳定碎石基层a t b 提出了大马歇尔 试验配合比设计方法，但是其合理性和设计的沥青混合料的路用性能以及工程应用效果 有待进一步研究。因此，对沥青稳定碎石基层混合料配合比设计方法和路用性能以及施 工技术进行研究具有重要的意义。 1 3 本文的主要研究内容 本文在总结国内外现有的沥青稳定碎石基层研究成果的基础上，分析了沥青稳定碎 石基层混合料的结构和性能要求，对沥青稳定碎石基层混合料的配合比设计方法和路用 性能进行了深入研究，并依托实体工程，对沥青稳定碎石基层的施工工艺和施工质量控 制技术进行分析和探讨。具体研究内容包括： 8 长安大学博士学位论文 1 密级配沥青稳定碎石混合料配合比设计方法研究 根据密级配沥青稳定碎石基层所处的层位及功能要求，分析了密级配沥青稳定碎石 混合料的路用性能要求和结构特点，采用规范推荐方法、s u p e r p a v e 法、体积法和贝雷 法设计密级配沥青稳定碎石混合料的级配，然后分别采用大马歇尔方法、s u p e r p a v e 法 和力学指标设计法对所设计的四种级配进行最佳油石比的确定，并对这几种配合比设计 方法进行比较和评价。在此基础上，提出适合我国国情的密级配沥青稳定碎石配合比设 计方法。 2 开级配沥青稳定碎石混合料配合比设计方法研究 根据开级配沥青稳定碎石基层所处的层位及功能要求，分析了开级配沥青稳定碎石 混合料的路用性能要求和结构特点，采用规范推荐方法、s a c 断级配设计方法设计开级 配沥青稳定碎石混合料的级配，然后分别采用o g f c 配合比设计法和析漏损失指标设计 法对所设计的两种级配进行最佳油石比的确定，并对这几种配合比设计方法及设计结果 进行比较和评价。在此基础上，提出适合我国国情的开级配沥青稳定碎石配合比设计方 法。 3 沥青稳定碎石混合料的路用性能研究 对采用不同配合比设计方法设计的沥青稳定碎石混合料进行抗永久变形性能、抗疲 劳性能、低温抗裂性、水稳定性等路用性能研究。 4 沥青稳定碎石基层抗反射裂缝性能研究 利用弹性层状体系理论、a n s y s 有限元和断裂力学原理分析半刚性下基层开裂时 密级配沥青稳定碎石基层、开级配沥青稳定碎石基层在轮胎荷载作用下和瞬态温度应力 作用下的应力状况，从理论上分析沥青稳定碎石基层的缓解反射裂缝的能力。模拟工程 实际情况，开发全新的抗反射裂缝试验方法评价沥青稳定碎石基层抗反射裂缝的能力， 并对沥青稳定碎石基层抗反射裂缝能力的影响因素进行研究。 5 沥青稳定碎石基层施工技术研究 依托实体工程，对沥青稳定碎石基层的施工工艺和施工质量控制技术进行研究，提 出适合于沥青稳定碎石基层的施工方法。 9 第二章沥青稳定碎石混合料的性能要求和结构特点 第二章沥青稳定碎石混合料的性能要求和结构特点 与面层沥青混凝土混合料一样，沥青稳定碎石混合料也是由矿质骨料、沥青胶结料 和残余空隙所组成的一种具有空间网络结构的多相分散体系，其配合比设计内容也是确 定粗集料、细集料、矿粉和沥青结合料之间的相对比例，使其满足沥青路面结构在交通 荷载和气候条件作用下的力学性能要求和路用性能要求。但是，目前沥青混合料配合比 设计存在如下不足之处：( 1 ) 沥青混合料配合比设计与沥青路面结构设计存在脱节问题， 这体现在两方面设计所用到的材料性能参数不匹配，使得设计出的沥青混合料与设计出 的沥青路面层位分工不相适应；( 2 ) 马歇尔试验方法存在明显的缺陷，不能客观、准确 地评价沥青混合料的路用性能；( 3 ) 对路面结构可能出现的损坏检验并未真正体现到沥 青混合料组成设计中去。 因此，完整的沥青混合料设计体系应该包括以下两个步骤：首先通过沥青路面结 构组合设计和沥青路面粘弹性层状体系应力计算，确定路面各结构层内部的主抗车辙 区、主抗疲劳区和主抗低温缩裂区所在的层位，根据层位分工论和工程实践经验确定各 结构层应具备的力学性能和路用性能；然后根据各结构层的力学性能和路用性能要求， 确定各结构层沥青混合料的结构特点并进行配合比设计。 2 1沥青稳定碎石混合料的性能要求 沥青稳定碎石基层一般应用于高等级公路路面中，高等级公路路面较厚，沥青稳定 碎石基层一般位于路面以下l o c m 或甚至更深，因此它所面临的应力水平和气候条件均 远远不如面层严峻，因而在沥青混合料的设计上有不同的力学性能要求和路用性能要 求。 在车辆荷载的作用下，沥青路面内部的应力状态非常复杂，根据理论分析n6 1 ，在沥 青路面中