（道路与铁道工程专业论文）沥青稳定碎石基层（ATB30）压实性影响因素分析及施工技术研究.pdf

摘要 随着我国交通基础设施建设的迅猛发展以及研究的深入，单一的半刚性基层 沥青路面已不能适应形势的需要，特别是半刚性材料的收缩开裂不能得到有效的 防治，急需要研究和发展柔性基层沥青路面。采用密实式沥青碎石混合料和粒料 做基层在国外是一种极为普遍的结构型式。 针对国内沥青稳定碎石( a t b ) 的应用经验非常少的情况，本研究通过室内模拟 试验在不同压实功、不同沥青层厚度、不同压实温度、不同油石比和不同级配条 件下成型试件，对比试件的毛体积密度和空隙率，分析这几个方面对沥青稳定碎 石基层( a t b 一3 压实的影响，以便施工时能对这些方面进行控制。 在现场施工过程中压实温度和施工工艺是影响压实的主要因素，而施工现场 的各种环境因素对混合料的降温又有很大影响，所以本文通过室内模拟降温，分 析降温数据，从不同气温和不同沥青层厚度两方面研究a t b 一3 0 混合料的降温规律， 同时根据混合料的压实温度与沥青混合料空隙率、马歇尔稳定度、流值的关系， 确定了沥青稳定碎石基层( a t b 一3 0 ) 碾压控制温度和有效压实时间的估算公式。该 方法较传统的控制方法更有效、更可靠，为解决沥青路面的碾压问题提供了实践 依据。最后对基层的施工工艺进行了研究，得到了最佳的压实方法和施工机械组 合。 本研究计算抽检油石比的平均值、极差、标准差和变异系数，绘制动态控制 图( i 一胭) ，分析油石比的波动范围，对于超出正常波动范围的数据，须分析其 原因并采取有效措旌，保证施工质量符合要求，从而建立了油石比的动态控制系 统。而对于施工质量的其他控制指标如压实度、空隙率等都同样可以进行动态控 制。 关键词：a t b 一3 0 ；压实性；影响因素；大型马歇尔试验；压实温度；有效压实时 间；施工工艺；动态控制 a b s t r a c t w i t ht h er 叩i d l yd c v e l o p m e n t 柚dd e e p l ys t u d y0 ft h et r a f f i ci n f r a s t n l c t u r e c o n s t m c t i o ni no u rc o u n t 珥j u s tt l l cs e m i - s t e e lb a s ec o u r s c 弱p h a l tp a v e m e n t 啪tf i t w i t ht h en e e do fs i t u a t i o n p a r t i c u l a r l y f o rt h ec o n t r a c tc r a c “n go fs e m i m a t e r i a lc a n t b ep 坤v e n t e de f f c c t i v e l y s t u d ya n dd e v e l o pn e x i b i l i t yb 勰cc o u 娼ei sv e f yu r g e n t u s e t h ea = r ba n d 伊卸u l 盯m a t e r i a lf o rt h eb a s ec o u r s ei st h ep o p u l a rs t m c t u r ct y p ea b r o a d i nv i e wo ft h es i t u a t i 衄t h a td o m e s t i ca s p h a l ts t a b i l i z e dm a c a d a m ( a t b ) s a p p l i c a t i o ne x p e r i e n c ci se x t r e m e l yf c w ，t h ea u t h o rh a sm o l d e ds p e c i m u n d e r d j 虢f c n t m p a c l i 锄e 肋r ， d j f f c 瑚tf h i c k n c s so fb i i l m j n o u s l a y c f ， d i f f c 啪t c o m p a c t i o nt e m p c r a t u t e s ，d i f f e f e n tb i t u m e n a g g r e g a t em t i oa n dd i 饪e r e n tg r a d a t i o n t h r o u g hi n d 0 0 fs i m u l a t i n gt e s t ，n t r a s t e dt h eb u l kd e n s i t ya n da i rv o i d0 fm o l d i n g s p e c i m e n ，a n a l y z e d t h ei n n u e n c et o 勰p h a n s t a b i l i z e db a s ec o u r s e ( 御r b - 3 0 ) c o m p a c t i o nf r o mt h e s ea s p e d sf o rc o n v e n i e n tc o n s t f u c t i o nc o n t r o l l i n g ( b m p a c t i t e m p c r a t u r c sa n dc o n s t 埘c t i o nt e c h n o l o g ya r et h em a j o ri n n u e n c e f a c t o r st oc o m p a c ti nt h ec o n s t m c t i o nc o u 硌e s b e c a u s ee n v i f o n m 髓tf a c t o f sh a v ea s i g n i f ：i c a n ti m p a c tt ot e m p e r a t u f cd e s c e n t0 ft h em i x t u r ci nt h ec s t 埘c t i o nc o u r s 皓，s 0 t h er c s e a r c hh a sc x p l o r e dt h em l eo ft e m p e f a t u r ed e s c e n to fa t b 一3 0m i x t u r et h m u g l l s i m u i a t i n gt h ec o u 岱e 0 ft e m p e r a t u r ed e s c e n ti n s j d e 锄d 姐a i y s i s 0 ft h ed a t ao f t e m p e r a t u f ed e s c c n tf m mt w oa s p e c t ss u c ha sd i f f c r e n ta i rt e m p e n t u r ea n dd i f f c r e n t t h i c l 【n e s s0 fb “u m i n o u sl a y e r ，f i x e dm l l c 彻t r o l l i n gt e m p e r a t u r e 姐dt h ee s t i l n a t i n g f 0 姗u l ao fe f f c c t i v e 姗p a c t i o nt i m e o fa s p h a l ts t a b i l i z e d b a s ec o u r s e ( a t b 一3 0 ) a c c o r d i n gt ot h er c l a t i o n s0 fa s p h a l tm i x t u f e sc o m p a c t i o nt e m p e f a t u r ca n dt h ea i r v o i d s ，t h em a r s h a l ls t a b i l i t y t h en o wv a l u e t h i sm c t h o dc o m p a r e st h et f a d i t i o n a l c o n t m lm e t h o dt ob em o r ee 圩e c t i v e ，r c l j a b l y ，i tp f o v i d e st h ep r a c t i c eb a s i sf o rs o l v i n g t h cb i l u m i n o u sp a v e m e n tr o l l e rc o m p a c t i p f o b l e m f i n a l l yi th a sc o n d u c t e dt h e 北s e a f c ht 0t h eb a s ec o u r s ec o n s t m c t i o nt e c h n o l o g y ，o b t a i n e dt h eb e s to m n p a c t i o n m e t h o da n dt h ec o n s t 邝c t i o nm a c h i n e r yc o m b i n a t i o n t h ed y n a m i c a lc o n t r o ls y s t e m so ft h eb i t u m e n a g 铲e g a t er a t i oh a sb e e nb u i l tb y c a l c u l a t i n gt h ea v e r a g e dv a l u e ，t h ep o l a ro d d s ， t h es t a n d a f dd e v i a t i o na n dt h e c o e f f i c i e n to fv a r i a t i o no fb i t u m e n - a g g r e g a t em t i oi ns a m p l i n gi n s p e c t i o n ，d r a w i n gt h e d y n a m i c a lc o n t r o lc h a n st oa n a i y z et h en u c t u a t i o no ft h eb i t u m e n a g g r e g a t e 船t i o ， s e e k i n gt h er e a s o n s 觚dp u t t i n gf o r w a r dt h ee f ! 1 c c t i v em e t h o dt oe n s u r cq u a l i f i e d c o n s t m c t i o nq u a i i t yt ot h ef l u c t u a t i o no fd a t at h a ti sb e y o n dn 咖a ls c o p c t 1 l e d ”a m i c a lc o n t m ls y s t e m sa 佗a l s 0u s e di no t h e fc o n t r o li n d e xo fc s t n i d i 舳q u a l i t y s u c ha sc o m p a d i 衄d e f e e ，a i rv o i de c t k e yw o r d s ：a t b 3 0 ； 恤ec 伽p a c t a b m t y ；m el n n u e n c ef a c t o 璐；l a r g es c a l e m a 璐h a nt 嚣t ；c o m p a c t i o nt e m p e r a t n r e s ；e f f e c t i v ec o m p a c t i 佃m e ； c 帆s t m c t i o nt e c h n o i o g y ；d y n a m i c a ic o n t r o l i n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名： 另荔 日期：妒夕年月】；7 日 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 戈、泠 菩匆吾 日期：弘少年户月9 日 日期：弘穸年年月_ 日 1 1 课题的提出及意义 第一章绪论 在1 9 8 4 年以前，我国没有真正意义上的高速公路。“七五”期间，开始建设 高速公路。主要修建了七条高速公路，如沪嘉高速公路、京津塘高速公路、京石 高速公路、广佛高速公路等。由于缺乏高速公路的设计和施工经验，所以这一阶 段的高速公路的设计主要参考国外的一些路面结构进行设计。 “七五”期间开始修建的高速公路沥青面层的厚度差别较大，并且偏向于采 用粗颗粒的沥青混凝土做路面表层。基层与底基层厚度较厚，并且多采用当地易 于得到的材料，由于受到国外沥青碎石层可以改善沥青路面反射裂缝的影响，一 般在下面层多采用了沥青碎石层。 9 0 年代初在公路建设上的重点是建设国道主干线，至1 9 9 5 年底“五纵七横” 1 2 条国道大干线建成近5 0 0 0 公里。9 0 年代以后，我国新建的高等级公路的结构 形式主要为半刚性基层沥青路面。采用半刚性基层，可以有效增加路面承载力， 为面层提供稳定的支承，从而充分发挥沥青面层行车舒适的优点。然而，随着半 刚性沥青路面的大量使用，逐步发现半刚性沥青路面也存在着一些严重的问题， 如路面裂缝严重和路面结构排水条件差等n u ”。 为缓解这些问题，我国目前正着力大粒径沥青混合料的研究，沥青稳定碎石 ( a t b ) 属于大粒径沥青混合料。大粒径沥青混合料是最大集料尺寸在2 5 6 3 嘲 之问的热拌沥青混合料“，其主要形式有：适用于下面层和上基层的嵌挤骨架一密 实型结构( 空隙率3 6 ) ；适用于基层的嵌挤骨架一空隙型结构( 空隙率1 5 以上) m 。a t b 混合料属于嵌挤骨架一密实型结构。沥青碎石作为柔性结构层， 具有很强的柔性和变形能力；作为应力消散层，可以有效地减少路面结构中的应 力集中现象，大大延缓路面反射裂缝的发生。但我国对于在国外已得到广泛应用 的柔性基层( 尤其是a t b 基层) 沥青路面涉足不深，更缺乏系统的应用研究，而 髓着我国交通基础设施建设的迅猛发展以及研究的深入，单一的半刚性基层沥青 路面已不能适应形势的需要，特别是半刚性材料的收缩开裂不能得到有效的防治， 急需要研究和发展柔性基层沥青路面”- ，本课题正是在这种情况下提出的，对沥青 稳定碎石基层的压实性影响因素和碾压工艺进行研究，对保证压实质量，防止半 刚性基层引起的病害问题具有重要的现实意义。 ， 1 2 国内外研究概况 、 1 2 1 国外研究概况 国外沥青路面的沥青层较厚，与我国半刚性基层沥青路面相比，其下层的沥 青层部分取代了我国的半刚性基层，可以称之为沥青稳定基层路面。六十年代以 前，美国和英国等均进行了沥青路面的足尺试验路研究。比较了不同类型的基层 对路面性能一路表弯沉和路面开裂的影响。1 9 4 9 年，在北约克郡a 1 高速公路1 6 公里处修建了每段长度约为6 0 8 0 米的试验段。目的在于比较压实沥青混凝土磨 耗层与沥青矿渣磨耗层的性能差异以及沥青碎石基层和级配碎石基层的性能差 异。1 9 5 7 年在剑桥郡铺筑a l c o n b u r y 眦l l 试验路，包括了3 3 种柔性路面结构， 每段长度在4 6 6 0 i l l 之问。比较了级配碎石、开级配沥青碎石、贫混凝土、碾压 沥青混凝土和水泥胶结砂基层在不同厚度的使用性能。在通车1 0 年后，大约是 1 0 0 k n 标准轴载作用6 0 0 万次，根据路面变形和裂缝来判断路面使用性能”“”“。 通过对约克郡高速公路的长期弯沉观测，收集到在使用2 4 1 2 天以后面层和基 层组合类型的路面弯沉情况，并可以看出采用沥青混凝土面层和沥青碎石基层的 路面结构组合具有最好的路面使用性能；a l c o n b u r yh i l l 试验路的研究结论认为： 碾压沥青混凝土基层有最好的路用性能，开级配沥青碎石要差一些，且基层和面 层的总厚度小于3 3 c m 时，路面性能降低较快；对于贫混凝土基层，当基层与面层 的总厚度小于3 5 c m 时，路面性能降低较快；级配碎石和胶结砂的路用性能很差。 美国各州公路工作者协会( a a s h o ) 在1 9 5 6 1 9 6 0 年问进行了著名的从s h 0 试 验路研究。共比较了四种基层：碎石基层、砾石基层、水泥处治基层和沥青处治 基层。研究发现，虽然沥青稳定基层路面比水泥稳定基层路面产生了更大的车辙 量，但其路面的使用品质高于水泥稳定基层。根据现时服务性指数( p s i ) 得出1 个 单位厚的沥青稳定基层相当于1 3 个单位厚的水泥处治基层，即采用沥青稳定基 层路面结构可以降低路面的总厚度n 一”。 六十年代，英国又铺筑了几条试验路。分别是1 9 6 3 年的剑桥试验段、1 9 6 4 年的牛津试验段以及1 9 6 5 年的剑桥试验段，对沥青稳定基层进行了研究“”。 在7 0 年代初期，德国将全厚式沥青路面结构引入本国的路面结构设计中来， 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，以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，可以获得更加耐久的 路面使用性能，与其标准结构比较，可以降低造价在2 0 左右。 1 9 7 3 年，加拿大亚伯达省交通部修建了两段全厚式沥青路面结构，并装有能 记录在静、动交通荷载下的应力、应变、弯沉的大量试验设备。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，可为制定合理的路面 2 设计和评定方法提供依据。 7 0 年代中期，在俄亥俄州进行了三个全厚式沥青路面的室内和室外研究。通 过现场的非破损动态弯沉测试来计算结构层模量。数据表明现场模量和弯沉参数 可以准确刻画路面的使用状况，并从现场取样，在室内进行了疲劳试验、劈裂强 度和动态模量试验。根据这些数据，得到了沥青混凝土面层材料和沥青稳定基层 材料的结构系数：面层沥青混凝土为o 4 5 ，基层沥青混凝土为0 4 0 “”“。 8 0 年代初在科罗拉多进行了足尺路面研究。研究了四种路面结构：两种全厚 式热沥青砂混凝土基层、一种全厚式沥青混凝土基层以及美国的标准路面结构即 带有非处治的基层和底基层结构。该项目是验证a a s h 0 道路试验结果在科罗拉多 环境下的应用效果。研究目的在于确定四种类型的基层在相同的路面使用性能下 的相对厚度；并将观测到的路面性能数据与一定的路面性能预测的经验或理论模 型建立联系。通过性能检测发现，沥青混凝土基层提供了最好的抵抗车辙和各种 开裂的能力；两种沥青稳定砂基层具有较好的抗网裂能力，但低稳定度的沥青砂 抗车辙能力差；未处治的标准结构基层抗车辙能力好，但抗网裂和荷载裂缝的能 力差” i j ”1 。 1 2 2 国内研究概况 任何减少半刚性路面裂缝的结构，国内道路界进行了大量研究工作，洳“七 五”国家攻关项目惠州试验路土工布夹层防裂对比研究，河北正定试验路改性沥 青应力吸收膜中间层及级配碎石层防裂对比研究，西安试验路级配碎石基层防裂 对比研究，沪宁高速公路无锡试验路级配碎石基层防裂对比研究，宁连一级公路 淮阴试验路级配碎石基层及土工格栅夹层防裂对比研究。这些研究几乎全部停留 在试验路观测上，并未对材料特性、级配、设计指标、施工工艺以及质量控制方 面进行研究。另外这些试验路的沥青面层厚度偏薄，对抵抗沥青面层的疲劳作用 较差。虽然试验路的观测结果均认为有一定防止反射裂缝的作用，但均未提出系 统的设计方法与施工工艺m “。 从国内的研究来看，东北地区尚未进行这方面的研究，由于北方地区半刚性 沥青路面的裂缝成因更为复杂，既有低温缩裂也有基层的反射裂缝，如何采用大 粒径沥青碎石混合料防止或减少半刚性基层产生的裂缝，必须进行研究。 分析我国的公路沥青路面设计施工规范可以发现，在设计指标方面，采用的 是设计弯沉值，反映了路面结构的整体刚度，其值的计算适当地考虑了基层为沥 青碎石或级配碎石时的影响( 在基层类型系数上反映) 。而在验算指标方面，只考 虑了沥青面层层底拉应力和半刚性材料层底拉应力，没有考虑柔性基层的情况。 在混合料组成设计和施工方面，也主要针对作为面层的沥青混合料提出采用马歇 尔方法确定最佳沥青用量和按照规范同一的压实技术，但作为基层的沥青碎石层 3 所处的环境和承受的荷载均与之有较大的区别，不宜继续采用传统的马歇尔方法 进行混合料组成设计，而对于柔性基层的施工控制技术更是没有涉及，。 1 3 本课题的研究方案 1 3 1 研究思路 压实是沥青路面施工的最后一道工序，良好的路面质量最终要通过碾压来体 现，因此，压实必须重视起来。如果采用了优质的筑路材料、精良的拌和与摊铺设 备和良好的施工技术，摊铺出了理想的混合料层，碾压却不过关，势必前功尽弃。实 践证明，若压实不足，会出现车辙；空隙率越大，会加速沥青混合料的老化，影响路 面的强度和稳定性m t 。本课题结合河南许平南项目，针对压实的重要性，对影响 a t b 一3 0 基层压实的因素进行分析，以便施工时能对这些方面进行控制，而现场施 工中对压实影响很大的是压实温度和施工工艺，本课题对碾压控制温度和有效压 实时间的估算公式进行了确定，对a t b 一3 0 的施工工艺进行了研究，并建立了施工 质量的动态控制系统。 1 ，3 2 研究内容 本课题参考国内外研究资料的基础上，结合北方的气候特征和交通量大的特 点，通过室内模拟试验，对影响基层压实的四个主要因素进行分析研究。 ( 1 ) 不同压实功对压实性的影响； ( 2 不同沥青层厚度对压实性的影响； ( 3 ) 不同压实温度对压实性的影响； ( 4 ) 不同油石比和级配对压实性的影响。 对于a t b 一3 0 基层的施工技术方面，本研究通过室内模拟降温，观测降温数据， 分析混合料的降温规律，用不同击实温度制作的马歇尔试件进行马歇尔稳定度试 验，测定马歇尔稳定度、空隙率和流值，从击实温度与马歇尔指标的关系中找出 沥青混合料的碾压控制温度，利用降温速度和碾压控制温度确定有效压实时间的 估算公式，同时对沥青稳定碎石的施工工艺进行研究，建立施工质量动态控制系 统。 4 第二章原材料和试验方法 2 1 原材料试验及其技术指标 2 1 1 沥青 本课题结合河南许平南高速公路的应用情况采用韩国s k a h 一7 0 沥青进行研 究。按公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 进行各项常规指 标测试，并根据“重交通道路石油沥青技术指标要求”进行评价，均满足要求。 各项指标结果见表2 1 。 表2 1a h 一7 0 基质沥青性能指标 试验项目 试验规程试验方法测试值技术指标 针入度( 2 5 ，5 s ，1 0 0 9 ) ( o 1 咖)j t j 0 5 2 2 0 0 0 t 0 6 0 4 2 0 0 07 46 0 8 0 延度( 1 5 ，5 c m i n ) ( c m )j t j 0 5 2 2 0 0 0 t 0 6 0 5 一1 9 9 3 l o o 1 0 0 软化点( 环球法) ( )j t j 0 5 2 2 0 0 0 t 0 6 0 6 2 0 0 04 7 24 4 5 4 闪点( c 0 c ) ( )j t j 0 5 2 2 0 0 0 t 0 6 1 1 1 9 9 33 3 12 3 0 溶懈席( = 氡7 ，烯) ( ) j t j 0 5 2 2 0 0 0 t 0 6 0 7 一1 9 9 39 9 7 4 9 9 密度( 1 5 ) ( g c m 3 )j t j 0 5 2 2 0 0 0 t 0 6 0 3 一1 9 9 31 0 3 6实测 含蜡量( 蒸馏法) ( )j t j 0 5 2 2 0 0 0 t 0 6 1 5 2 0 0 0 1 02 2 1 2 集料 本课题粗集料采用产自河南禹州市浅井乡石灰岩，细集料为同样岩性的石屑， 集料的各项性能指标( 见表2 2 ) 均符合规范要求。 表2 2 石灰岩基本性能指标 试验项目试验规程试验方法测试值技术指标 粗集料压碎值( )j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 31 6 2 0 0 5 1 8 92 8 粗集料磨耗值( )j t ge 4 2 2 0 0 5 t 0 3 1 7 2 0 0 52 2 43 0 粗集料表观密度( g c m 3 )j t ge 4 2 2 0 0 5 t 0 3 0 8 2 0 0 5 2 7 1 22 5 0 粗集料吸水率( )j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 3 0 8 2 0 0 5 1 1 2 2 o 粗集料对沥青的粘附性( 等级)j t j 0 5 2 2 0 0 0 t 0 6 1 6 一1 9 9 3 4 级 4 级 粗集料坚同性( )j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 3 1 4 2 0 0 0 4 o 1 2 粗集料针片状颗粒含量( )j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 31 2 2 0 0 5 9 41 5 粗集料含泥量( )j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 31 0 2 0 0 5 o 4 21 0 租集料磨光值p s vj t ge 4 2 2 0 0 5t 0 3 2 1 2 0 0 5 4 44 2 粗集料冲击值( ) j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 3 2 2 2 0 0 0 1 9 82 8 粗集料软弱颗粒含量( )j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 3 2 0 一2 0 0 0 3 25 o 石料抗压强度( 等级)j t j 0 5 4 一1 9 9 4 t 0 2 1 3 一1 9 9 4 i 级 i i i 级 细集料表观密度( g c m 3 )j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 3 2 8 2 0 0 5 2 7 0 l2 5 0 细集料吸水率( )j t ge 4 2 2 0 0 5 t 0 3 3 0 2 0 0 51 22 o 细集料砂当量( )j t ge 4 2 2 0 0 5t 0 3 3 4 2 0 0 5 7 25 0 5 按照公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 2 0 0 5 ) 中t 0 3 0 2 和t 0 3 2 7 的筛分规 定，对粗集料直接用干筛法进行筛分，对细集料采用水洗筛分法筛分，筛分结果 见表2 3 。 表2 3 集料( 石灰岩) 筛分结果 筛孔尺寸o 呻 3 7 53 1 5 2 6 51 91 61 3 29 5t7 5z 3 61 1 80 6 n3q 1 5 h 晡 i 规洛i 酸摔( ) 3 7 5 啦51 0 n o9 1 o4 矗21 10 5o 4o 40 _ 4 o 4n 4o 4n 4o 40 4 舱争、一1 61 0 0 o1 0 0 c1 0 0 0 4 2 72 n 56 o0 5 o 5o 5n5o 5o - 5o 5n5 l 伊吨7 51 0 0 o1 0 0 c1 0 0 o 1 0 0 o1 0 旺09 9 29 2 5锄19 02 52 52 5 2 5z5 4 _ 7 m1 0 0 01 0 0 c1 0 0 01 0 0 o 1 0 0 ：ol o n01 0 n 09 9 6乩5强84 7 93 7 0 2 9 5勉9 2 2 沥青混合料级配构成 本课题采用沥青碎石a t b 一3 0 的级配范围中值分别确定粗集料各级粒径和细 集料各级粒径的含量，然后固定粗集料各级粒径之间、细集料各级粒径之间的比 例，变化粗细集料之间的比例( 分别按8 5 ：1 5 ；8 0 ：2 0 ；7 5 ：2 5 ；7 0 ：3 0 ；6 5 ：3 5 ； 6 0 ：4 0 ：5 5 ：4 5 ) 可以得到七种级配，其中4 # 级配为a t b 一3 0 的级配中值，其他六 种级配均在a t b 一3 0 级配范围内。级配构成见表2 4 ，级配曲线见图2 1 。 表2 4 变化粗、细集料比例得到的七种级配 不同级配下列筛孔的通过率( ) 筛孔尺寸 1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 # ( ) 8 5 ：1 58 0 ：2 07 5 ：2 57 0 ：3 06 5 ：3 5 6 0 ：4 05 5 ：4 5 3 7 5 1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0l o o1 0 0 3 1 59 49 4 39 4 79 59 5 49 5 79 6 1 2 6 57 5 77 7 17 8 68 08 1 4 8 2 88 4 3 1 95 4 45 7 15 9 8 6 2 56 5 26 7 87 0 5 1 64 5 3 4 8 65 1 85 55 8 26 1 46 4 6 1 3 2 3 8 64 2 24 5 94 9 55 3 15 6 76 0 3 9 52 8 33 2 63 6 84 14 5 24 9 45 3 6 4 7 51 52 02 53 03 54 04 5 2 3 61 1 71 5 71 9 62 3 52 7 4 3 1 3 3 5 2 1 1 88 71 1 71 4 61 7 52 0 4 2 3 32 6 2 0 66 58 7 l o 8 1 3 1 5 21 7 31 9 5 o 34 76 37 99 51 1 11 2 61 4 2 o 1 53 24 35 46 57 68 69 7 o 0 7 52 o2 73 344 7 5 36 6 主 爵 榴 赠 o 0 8 o 1 5 0 3 0 0 6 01 1 82 3 6 4 7 5 9 5 01 3 2 01 6 0 0 1 9 0 02 6 5 03 1 5 03 7 5 0 筛孔孔径( m m ) 图2 1 七种级配曲线图 2 3 试验方法 本论文结合项目“许平南高速公路沥青稳定碎石基层材料性能及施工工艺研 究”，参考国内外研究资料的基础上，通过室内模拟试验，对影响基层压实的四个 主要因素、基层碾压方法和施工质量动态控制进行研究。 本课题采用a h 一7 0 普通沥青，粗集料采用石灰岩，细集料为同样岩性的石屑， 采用击实法成型的马歇尔试件均为大马歇尔试件，直径为1 5 2 4 咖，高度为 9 5 3 舢，试件制作方法按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 的规定，双面击实1 1 2 次m ，。最大理论密度采用计算最大理论密度，用表干法测 定其毛体积密度，最后计算空隙率等体积参数。对于4 # 级配沥青混合料，以马歇 尔试验确定的最佳油石比为3 3 ，最大理论密度为2 6 3 0 9 c m 3 。根据公路沥青 路面施工技术规范( j t gf 4 0 一z 0 0 4 ) 中的规定，a t b 一3 0 混合料马歇尔试验配合 比设计技术标准见表2 5 。 表2 5a t b 一3 0 混合料马歇尔试验配合比设计技术标准 级配类型空隙率( )稳定度( k n )流值( m m )沥青饱和度( )矿料间隙率( ) a t b 一3 0 3 6术1 5实测 5 5 7 0术1 2 1 为了模拟施工现场不同压实功对压实性的影响，本研究采用4 # 级配及其最 佳油石比成型大马歇尔试件，通过改变击实次数得到不同的压实功，击实次数分 别为5 0 、7 5 、9 0 、1 0 0 、1 1 2 、1 2 2 次，测定试件的空隙率和毛体积密度，进行分 析比较。 2 为了模拟施工现场基层厚度对压实性的影响，本研究采用4 # 级配及其最佳 7 o o o o o o o 帅 加 。 油石比在相同压实功的条件下用击实法和轮碾法成型不同厚度试件，击实法成型 厚度分别为5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、95 3 m m ，轮碾成型厚度分别为5 0 、7 0 、9 0 、1 0 0 舢， 并对轮碾成型试件钻芯取样，测定马歇尔试件和芯样的空隙率和毛体积密度，分 析厚度对压实性的影响。 3 为了模拟施工现场压实温度对压实性的影响，本研究采用4 # 级配及其最佳 油石比在1 7 0 8 0 范围内以l o 为间隔分别制作大马歇尔试件，测定其体积参 数，对比各个击实温度下马歇尔试件的空隙率和毛体积密度，分析温度对混合料 压实性的影响。 4 因为在施工过程中存在着级配离析，它必然造成级配和油石比的变动，级 配和油石比对压实的影响也是不可忽略的因素，所以本研究采用1 # 7 # 级配在相 同油石比和不同油石比的情况下成型大马歇尔试件，分析不同粒径范围和油石比 对毛体积密度和空隙率的影响。 5 温度是沥青混合料压实的关键因素，而施工现场环境因素对降温的影响非 常大，所以本研究通过室内模拟环境因素，测定在不同的大气温度和厚度下的混 合料的降温数据，分析a t b 一3 0 混合料的降温规律。 6 本研究用不同击实温度制作的马歇尔试件进行马歇尔稳定度试验，测定其 马歇尔稳定度、空隙率和流值，分析压实温度与马歇尔稳定度、空隙率的关系， 从而确定沥青混合料的碾压控制温度。 第三章a t b 一3 0 基层压实性影响因素分析 3 1 概述 基层是路面结构中的重要承重层，主要承受由面层传来的车辆荷载的垂向力， 并扩散到下面的土基中，主要起到扩散路面荷载、减小路面变形、防止和减缓路面 病害的出现等作用，可以有效的延长路面的使用寿命。基层应具有足够的强度、刚 度和水稳定性，并具有良好的扩散应力的功能。目前我国高速公路普遍采用的是半 刚性基层沥青路面的结构形式，半刚性基层具有较高的强度与承载力，但半刚性材 料水稳定性差，导致基层承载力下降，收缩量大，宜造成路面反射裂缝。而沥青稳 定碎石基层作为一类柔性结构层，比半刚性基层具有更好的水稳定性( 密实型沥青 稳定碎石) 或排水能力( 排水型沥青稳定碎石) ，而且沥青碎石基层与沥青混凝土层 粘结牢固，并且模量接近，路面结构的受力、变形更为协调，起到应力消散自雠用， 可以有效的减少路面结构中的应力集中现象，大大延缓路面裂缝的产生。因此沥青 碎石基层在国内的路面结构中具有很大的潜力n ”，而a t b 一3 0 正是密级配沥青碎石 混合料中的一种类型。 ； 压实是沥青混合料施工过程中一道关键工序，压实度和空隙率又是代表压实 效果的重要指标，空隙率的大小对沥青混合料结构层的使用性能和使用寿命有着 至关重要的影响，当然这对沥青碎石混合料( a t b ) 基层也不例外。国内外研究证明： 沥青混合料结构层的空隙率过大，降水容易透入结构层中，使沥青结构层产生各种 各样的水破坏：沥青混合料结构层的空隙率大于8 时，空气容易进入结构层中，使 沥青容易氧化变脆，从而导致沥青结构层容易松散，产生裂缝，直接影响路面的使 用寿命；空隙率增大，沥青混合料结构层的疲劳寿命和弯拉劲度下降“1 。可见空隙 率对沥青混合料的路用性能有着很大的影响，这也说明了对影响压实的因素进行 分析有较好的实际意义。而密度又是与空隙率密切相关的一个指标，所以本研究 通过室内模拟试验，对比毛体积密度和空隙率来分析各种因素对压实性的影响。 3 2 不同压实功对压实性的影响 、 本研究采用大马歇尔击实法成型试件，通过改变击实次数改变压实功，对不 同压实功成型的试件，测定毛体积密度，计算空隙率。其中4 # 级配在最佳油石比 时的最大理论密度为2 6 3 0 ( g c m 3 ) ，其它各项指标见表3 1 。不同压实功对毛体 积密度和空隙率的影响见图3 1 3 2 。 t 从图3 1 、3 2 中击实次数与体积指标的关系可知，当击实次数小于1 1 2 次时， 9 表3 1 不同压实功的试件的毛体积密度和空隙率 击实次数( 次)毛体积密度( g c m 3 ) 空隙率( ) 5 02 4 3 6 7 3 7 7 5 2 4 6 4 6 3 0 9 0 2 4 7 75 8 1 1 0 02 4 8 45 5 5 1 1 22 4 9 85 0 0 1 2 22 4 9 55 1 2 2 4 3 8 o o 7 5 0 7 o o 童6 5 0 錾6 o o 制5 5 0 5 0 0 4 5 0 4 o o 珩新( 飧l o o 1 2 5 5 0 售实次数( 嚣。 击实次数( 次) 宙哭认裂伙 图3 1 不同压实功对毛体积密度的影响图3 2 不同压实功对空隙率的影响 随击实次数的增加，空隙率不断减小，毛体积密度不断增加，在该过程中，沥青 混合料在外界压实功的作用下，集料颗粒之间的距离不断减小，沥青混合料处于压 密的过程，而当击实次数减少时，空隙率就变大，毛体积密度变小，当击实次数 为5 0 、7 5 次时，空隙率已大于6 ，不符合规范求；当击实次数大于1 1 2 次时，由于 沥青混合料已达到最佳的密实状态，再施加外界压实功，相当于给沥青混合料施加 了外部挠动，击实功过大，石料部分被压碎，导致空隙率增大，毛体积密度减小。可 以看出，在一定条件下，增大压实功有利于压实。 3 3 不同沥青层厚度对压实性的影响 在我国的公路沥青路面旌工技术规范( j t gf 4 0 _ 2 0 0 4 ) 中关于沥青混合料 压实厚度与集料的公称最大粒径之间关系有如下要求：对热拌热铺密级配沥青混 合料，沥青层一层的压实厚度不宜小于集料公称最大粒径的2 5 3 倍，对s m a 和 0 g f c 等嵌挤型混合料不宜小于公称最大粒径2 2 5 倍。沥青混凝土的压实层最大 厚度不宜大于1 0 0 唧，沥青稳定碎石混合料的压实层厚度不宜大于1 2 0 咖，但当采 1 0 n钳鹅盯矩帖“ 2 2 2 2 2 2 2 2 一，。3)越船器蛙御 用大功率压路机且经试验证明能达到压实度时允许增大到1 5 0 姗。在国外对沥青层 厚度也有相应的规定，比如在美国早期的规范中规定沥青层厚度应不小于最大集 料粒径的2 倍；在s u p e r p a v e l 9 9 8 年出版的施工指南中建议沥青层厚度宜大于或等 于公称最大粒径的3 倍，对混合料较粗的这个比例还要增加；澳大利亚沥青混合料 手册中要求沥青层厚度宜为公称最大粒径的2 5 倍；在法国，沥青稳定基层的厚度， 对g b 类，0 1 4 级配的最小厚度为6 c m ，通常8 1 4 c m ；而0 2 0 级配的最小厚度为8 c m ， 通常1 0 1 6 c m ；对高模量的b m e 基层，不同的级配如0 1 0 、o 1 4 、0 2 0 其铺装厚度 分别为6 1 0 c m 、7 1 2 c m 、1 0 1 5 c m ”1 。 压实是沥青层施工中非常重要的一个环节。影响压实效果的因素有很多，如压 实机械、碾压厚度、碾压方式等，在诸多的影响因素中沥青层厚度和公称最大粒径 的关系是不容忽视的，两者的关系选择不当对压实是非常不利的1 ，因此，有必要 从压实角度出发对沥青层厚度和最大粒径两者之间的关系进行深入研究，建立两 者的合理关系，为a t b 一3 0 基层碾压厚度提供依据。 本研究采用4 # 级配及其最佳油石比在相同压实功、相同拌和温度和相同击实 温度下用大马歇尔击实法和轮碾法成型不同厚度试件，测定不同厚度的试件的空 隙率和毛体积密度，见表3 2 。不同厚度对压实性的影响如图3 3 、3 4 。 不同厚度时的大马歇尔试件的击实次数按下式换算： - 4 f 哆咖聆1 锄g o + _ 1 1 一 2 如2 孑i 4 忑一 ( 3 1 ) 化简( 3 1 ) 式得： ”热 其中埘，卉，刀，胁、矾由，乜分别为大马歇尔击实仪落锤质量、落锤高度( 4 5 7 2 啪) 、 双面击实次数( 1 1 2 次) 、不同厚度时击实次数、试件直径、标准大马歇尔试件厚 度( 9 5 3 舢) 、不同试件厚度”。 由5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 5 3 咖五种不同试件厚度按( 3 2 ) 式计算出击实次数分 别为5 3 、6 5 、7 8 、9 1 、1 1 2 次，即沥青层厚度与公称最大粒径厶( 3 1 5 舢) 的比 值5 分别为1 6 、1 9 、2 2 、2 5 、3 o ，分别成型大马歇尔试件，测定每种厚度 试件的空隙率和毛体积密度。 轮碾成型的试件的碾压次数胁根据试件厚度岛按下式换算： 2 4 他。而百 ( 3 3 ) 由5 0 、7 0 、9 0 、1 0 0 m m 五种不同试件厚度按( 3 3 ) 式计算出碾压次数分别为 2 4 、3 4 、4 3 、4 8 次，即沥青层厚度与公称最大粒径比，( 3 1 5 唧) 的比值s 分别 为1