多场耦合因素下多功能长寿命城市沥青路面结构功能匹配一体化研究中期报告.doc

i 建设部科技示范工程 项目编号 多场耦合因素下多功能长寿命城市沥青 路面结构功能匹配一体化研究 中 期研 究报 告 宜宜 昌昌 市市 建建 委委 城城 市市 建建 设设 重重 点点 工工 程程 管管 理理 办办 公公 室室 宜宜 昌昌 市市 虹虹 源源 公公 路路 工工 程程 咨咨 询询 监监 理理 有有 限限 责责 任任 公公 司司 武武 汉汉 理理 工工 大大 学学 湖湖 北北 益益 通通 建建 设设 工工 程程 有有 限限 责责 任任 公公 司司 二二 一三年一三年 三三 月月 ii 目目 录录 报告之一报告之一 项目简介项目简介 1 1 1 工程背景 工程背景 1 2 2 研究目的与意义 研究目的与意义 2 3 3 研究内容与技术路线 研究内容与技术路线 2 报告之二报告之二 研究报告研究报告 4 1 1 示范工程路面结构设计 示范工程路面结构设计 4 1 1 示范工程路面结构组合主要设计参数 4 1 2 示范工程路面结构组合设计结果 7 2 2 高抗车辙沥青混凝土面层材料研究高抗车辙沥青混凝土面层材料研究 9 2 1 原材料选择与准备 9 2 2 配合比设计 11 3 3 抗裂性柔性基层沥青混凝土配合比设计抗裂性柔性基层沥青混凝土配合比设计 16 3 1 原材料选择 16 3 2 配合比设计 17 4 4 拌和式水泥乳化沥青混凝土材料研究拌和式水泥乳化沥青混凝土材料研究 19 4 1 水泥乳化沥青混凝土强度形成机理 19 4 2 基本配合比设计 21 4 3 路面组合疲劳试验 27 5 5 水泥乳化沥青混凝土中试水泥乳化沥青混凝土中试 31 5 1 施工组织机构 31 5 2 技术准备工作 31 5 3 施工工艺 36 5 4 施工质量控制 41 1 报告之一报告之一 项目简介项目简介 1 1 工程背景 工程背景 2012 年 3 月 宜昌市住建委城市建设重点工程管理办公室 宜昌市虹源公 路工程咨询监理有限责任公司 武汉理工大学和湖北益通建设工程有限责任公 司向住房与城乡建部提交了联合申请市政工程类科技示范工程的项目申报书 并于 2012 年 3 月 22 日顺利通过了住建部组织的专家评审答辩会 2012 年 6 月 获得正式立项批文 项目名称为 宜昌市多功能长寿命市政路面工程 2012 年 6 月 25 日 由宜昌市住建委牵头组织项目联合申报单位协商 确 定在宜昌市城区合益路 K0 800 K1 200 处进行现场铺筑试验 长度 400m 合益路是宜昌市中心城区重要的横向主干路 由既有道路和规划道路组成 起点东山大道 规划终点为东山四路 与城东大道平交 与汉宜高速公路立交 其中东山大道 城东大道为既有道路 城东大道 东山四路为规划道路 道路等级 城市主干路 道路红线宽 36 米 双向六车道 设计车速 V 50km h 路面设计标准轴载 BZZ 100 结构设计荷载 公路 I 级 科技示范段多功能长寿命路面主体结构设计年限为 20 年 推荐路面结构组 合如下 2 2 研究目的与意义 研究目的与意义 多功能长寿命路面是当前路面发展的新趋势 近年来已成为世界各国沥青 4cm 抗抗滑滑 耐耐磨磨SMA 沥沥青青混混凝凝土土上上面面层层 8cm 高高模模量量 抗抗车车辙辙 水水泥泥乳乳化化沥沥青青混混凝凝土土联联接接层层 8cm 防防裂裂抗抗疲疲劳劳沥沥青青碎碎石石过过渡渡基基层层 45cm 水水稳稳碎碎石石基基层层 土土基基 2 路面最为热门的研究内容 其核心是要求路面结构的表面层具有排水 降噪 抗滑和耐磨的能力 联结层位于高压应力区 要求具有良好的承载力 抗车辙 和耐久性 整个路面结构体系中最大的拉应变产生在基层底部 该区域最易发 生疲劳破坏 因此基层应具备高柔性 抗疲劳 水稳定性好 其结构破坏形式 基本上消除了传统上普遍存在的基层疲劳损坏 路面的损坏往往只发生在路面 的表层 多功能长寿命路面初期修建费用较高 但设计年限长 日常养护费用 较少 全寿命周期费用效益比最大 另外 以新型多功能长寿命路面结构的全寿命周期成本为目标结合路面结 构优化分析 对路面结构的材料性能参数和结构组合形式进行深入研究 探索 该型路面疲劳破坏机理 结合试验路段对以上研究成果加以验证和反馈 并在 此基础上提出适合中国国情的多功能长寿命复合式典型城市路面材料与结构组 合型式 本项目研究可为多功能长寿命路面在中国的发展和完善奠定一定的理 论和技术基础 具有明晰的科研价值和工程应用前景 3 3 研究内容与技术路线 研究内容与技术路线 本研究项目拟采用柔性抗疲劳材料 HMA 基层 冷拌式水泥乳化沥青混凝土 高压应力联接层 SMA 沥青混凝土多功能面层的长寿命路面结构 既可显著提 高路面结构的承载力和耐久性 又可防止高温下沥青材料产生过大变形 较好 地协调了耐久性 功能性和经济性对路面材料和结构相互矛盾的要求 同时通 过对多功能长寿命路面的温度场和温度应力研究 结合交通荷载分析 系统地 探索长寿命路面的破坏损伤模式 并由宏观力学尺度过渡到微观力学尺度研究 长寿命路面材料的破坏机理 3 交交通通参参数数环环境境因因素素土土基基状状况况材材料料特特性性 长长寿寿命命城城市市道道路路厚厚度度组组合合 和和材材料料特特性性试试验验 安安全全系系数数 长长寿寿命命城城市市道道路路多多尺尺度度 损损伤伤模模型型研研究究 疲疲 劳劳永永久久变变形形温温度度影影响响 损损伤伤判判别别 长长寿寿命命城城市市道道路路结结构构组组合合与与材材 料料组组成成优优化化 4 报告之二报告之二 研究报告研究报告 1 1 示范工程路面结构设计 示范工程路面结构设计 1 1 示范工程路面结构组合主要设计参数 示范工程路面结构组合主要设计参数 1 1 1 计算依据计算依据 1 路面工程施工图 2 城市道路工程设计规范 CJJ 37 2012 3 公路沥青路面设计规范 JTG D50 2006 4 公路沥青路面施工技术规范 JTG F40 2004 1 1 2 路面设计计算标准与参数路面设计计算标准与参数 根据 公路自然区划标准 JTJ003 86 中公路自然区划图 本项目自然 划分为 3 区 属于华中地区亚热带气候 温暖潮湿 雨量充沛 一般年平均 气温 18 最冷月份为 1 月 平均气温为 5 左右 极端最低气温 18 1 最热月份为 7 月底 平均气温 29 度 极端最高气温 41 3 多年平均降雨量为 1248 5mm 4 9 月份为雨季 其雨量占全年的 65 以上 根据温度和雨量情 况 本气候区为 1 3 1 区 夏炎热冬潮湿 因此对路面高温抗车辙 低温抗 开裂及水稳性有较高要求 本示范路段主要技术指标和如下表 1 示范路段典 型路面组合见表 2 示范路段主要技术指标 表 1 序号 项目名称单位技术指标 规范值 1 地形类别 平原微丘 2 公路等级城市一级快速路 3 行车道宽度 m2 2 3 75 4 路面等级高等级沥青路面 5 轴载 标准轴载 BZZ 100 5 6 设计年限 年15 示范段路面组合及主要技术指标 表 2 结构组合结构层 材料厚度 cm 回弹模量 MPa 20 度 回弹模量 MPa 15 度 劈裂强度 MPa 上面层SMA4140018001 4 联接层 水泥乳化 沥青混凝土 8288035001 2 柔性 上基层 大粒径 沥青碎石 8101612000 7 下基层 水泥稳定 级配碎石 36141015000 5 示范段 结构组合 底基层 水泥稳定 级配碎石5 1 1 3 累计当量轴次和设计弯沉计算累计当量轴次和设计弯沉计算 1 以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时 各级轴载按下式换算成 标准轴载 P 的当量轴次 N K i i i P P nCCN 1 35 4 21 式中 N 以设计弯沉值和沥青层底拉应力为指标时的标准轴载当量轴次 次 d 被换算车型的各级轴载作用次数 次 d i n 标准轴载 kN P 被换算车型的各级轴载 kN i P 6 被换算车型的轴数系数 1 C 被换算车型的轮组系数 双轮组为 1 0 单轮组为 6 4 四轮组 2 C 为 0 38 被换算车型的轴载级别 K 2 计算试验路段一个车道上的累计当量轴次时按以下公式 e N 1 N 3651 1 t e N 式中 设计年限内一个车道的累计当量轴次 次 车道 e N 设计年限 年 t 营运第一年双向日平均当量轴次 次 d 1 N 设计年限内交通量的平均年增长量 车道系数 3 设计弯沉值根据公路等级 设计年限内累计标准当量轴次 面层和基层 类型按下式计算 bsced AAANl 2 0 600 式中 设计弯沉值 0 01mm d l 设计年限内一个车道累计当量轴次 次 车道 e N 公路等级系数 高速公路 一级公路为 1 0 二级公路为 1 1 三 c A 四级公路为 1 2 面层类型系数 沥青混凝土面层为 1 0 s A 路面结构类型系数 半刚性基层沥青路面为 1 0 柔性基层沥青路 b A 面为 1 6 对于混合式基层采用线性内插确定基层类型系数 20 2 Fb HA 8 0 5 2 式中 F H 为半刚性基层或底基层上柔性结构层总厚度 cm 根据公式计算出特重交通流量下试验路段累计当量轴次 路表设计弯沉如 表 3 7 示范路段累计当量轴次及路表设计弯沉 表 3 基年交通量 小客车 pcu 日 17785 累计当量轴次 BZZ 100 7 1008 2 路表设计弯沉 1 100mm 20 6 1 2 示范工程路面结构组合设计结果 示范工程路面结构组合设计结果 1 2 1 层底容许拉应力 路表计算弯沉和层底拉应力计算层底容许拉应力 路表计算弯沉和层底拉应力计算 沥青混凝土层 半刚性基层和底基层以拉应力为设计或验算指标时 材料 的容许拉应力按下式计算 R S S R K 式中 路面结构层材料的容许拉应力 MPa R 沥青混凝土或半刚性基层材料的极限劈裂强度 MPa S 抗拉强度结构系数 S K 路表计算弯沉按下式计算 01 0 2000 63 1 2 1000 36 0 0 38 0 1 0 2 3 1 2121 1 cmMPap F mml p El F E E E E E Ehhh f F E p l S S n n c cS 和当量圆半径 强 标准车型的轮胎接地压 弯沉综合修正系数 路表计算弯沉值 其中 层底拉应力计算按下式 层底拉应力以单圆中心以及双圆轮隙中心为计算点 并取较大值作为层底 拉应力 8 理论最大拉应力系数 1 0 2 3 1 2121 n n m mm E E E E E Ehhh f p 1 2 2 层底容许拉应力 层底拉应力 设计路表弯层 路表计算弯沉层底容许拉应力 层底拉应力 设计路表弯层 路表计算弯沉 计算结果分析计算结果分析 示范路段结构组合设计计算分析 表 4 结 构 组 合 结构层材料 设计路表弯沉 1 100mm 路表计算弯沉 1 100mm 层底容许 拉应力 MPa 层底 拉应力 MPa 上面层SMA20 614 00 38 0 156 联接层 水泥乳化 沥青混凝土 20 60 310 163 柔性 上基层 大粒径 沥青碎石 20 60 3 0 130 下基层 水泥稳定 级配碎石 20 60 220 042 示 范 段 结 构 组 合 底基层 水泥稳定 级配碎石 20 60 220 090 备注 层底应力 为拉应力 为压应力 1 2 3 示范段结构组合初步设计计算结论示范段结构组合初步设计计算结论 示范段结构组合初步设计表明 路表计算弯沉为 14 0 1 100mm 小于设 计路表弯沉 20 6 各层底拉应力指标均小于容许拉应力 示范段结构组合初步设计满足现有规范要求 9 2 2 高抗车辙沥青混凝土面层材料研究高抗车辙沥青混凝土面层材料研究 2 1 原材料选择与准备原材料选择与准备 根据宜昌地理气候的特点 研究确定本项目所在地区路面最高与最低设计 温度的计算参数 为选择沥青性能等级提供科学依据 由于地域等原因 其温 差大 降雨量大 因此对原材料要求更为苛刻 集料 沥青材料的优选除了必 须满足规范规定的要求以外 还应具有耐温度疲劳特性 同时由其所配成的沥 青混合料必须具有良好的温度疲劳特性和水稳定性 2 1 1 胶结料胶结料 沥青路面采用的沥青标号宜按照公路等级 气候条件 交通条件 路面类 型及在结构层中的层位中的受力特点 施工方法 当地的使用经验进行选择 宜昌地处中国中西部 气候夏季炎热 冬季寒冷 多雨 因此需选择性能优良 的沥青结合料 而用于 SMA 的沥青结合料必须具有较高的粘度 与集料有良好 的粘附性 以保证有足够的高温稳定性和低温韧性 沥青结合料采用 SBS I D 改性沥青 其基本性能指标见表 2 1 表 2 1 SBS I D 沥青基本性能指标 技术指标技术要求试验结果 针入度 25 100g 5s 0 1mm 40 6053 延度 5 5cm min cm 2036 7 软化点 环球法 6075 5 闪点 COC 230301 溶解度 三氯乙烯 9999 4 离析 软化点差 2 50 2 运动粘度 135 Pa S 31 9 质量损失 1 00 3 延度 5 cm 1516 1 旋转薄膜加热试验 RTFQT 残留物 163 85min 针入度比 6575 8 2 1 2 粗集料与细集料粗集料与细集料 粗集料与细集料的各项性能指标见 Error Error ReferenceReference sourcesource notnot found found 表 2 2 集料性能指标 测试指标技术要求试验结果 压碎值 2613 1 洛杉矶磨耗损失 15 5 2810 2 10 13 5 2810 0 15 5 2 602 842 13 5 2 602 845 10 5 2 602 837 5 3 2 602 828 表观相对密度 3 0 2 502 799 15 5 20 3 13 5 20 3 10 5 20 6 吸水率 5 3 20 6 大于 9 5mm 126 针片状颗粒含量 小于 9 5mm 188 15 5 10 4 10 5 11 0 5 3 10 9 水洗法 0 075mm 颗粒含量 3 0 32 6 15 5 32 7 软石含量 10 5 31 8 15 5 126 10 5 125 5 3 125 坚固性 3 0 126 磨光值 BPN 4248 冲击值 10 1 2 1 3 填料填料 采用宜昌花艳水泥厂矿粉 其性能指标见表 2 表 2 3 矿粉基本性能 技术指标表观密度毛体积相对密度亲水系数含水量 单位t m3t m3 技术要求 2 50 1 1 测量值2 8742 8740 70 2 2 1 4 纤维稳定剂纤维稳定剂 采用海川聚酯纤维 其性能指标见表 2 表 2 4 纤维技术要求 纤维品种单 位技术要求测试结果 纤维长度mm 65 9 11 吸油率倍 57 68 纤维稳定剂在 SMA 16 和 SMA 13 配合比设计中的掺量为沥青混合料质量的 0 3 2 2 配合比设计配合比设计 2 2 1 设计矿料级配的确定设计矿料级配的确定 以 4 75mm 作为粗集料骨架的分界筛孔 在工程级配的范围内 调整矿料比 例设计 3 组不同粗细的矿料级配 3 组矿料级配的粗集料骨架分界筛孔的通过 率处于级配范围的中值 3 附近 矿粉数量均为 10 左右 三组矿料级配分别为 级配 A 级配 B 和级配 C 其矿料级配配比和矿料级配曲线分别见表 2 5 表 2 6 表 2 7 和图 2 1 图 2 2 图 2 3 表 2 5 SMA 13 矿料级配 A 筛孔13 510 55 33 0矿粉合成工程设计级配范围 mm 级配中值下限上限 1699 6100 0100 0100 0100 099 8100 0100100 13 292 0100 0100 0100 0100 096 195 090100 9 521 899 0100 0100 0100 061 562 55075 4 750 113 663 5100 0100 030 527 02034 2 360 10 210 597 6100 023 920 51526 1 180 10 20 277 9100 019 919 01424 0 60 10 20 256 9100 016 516 01220 0 30 10 20 243 1100 014 213 01016 0 150 10 20 227 399 511 612 0915 0 0750 10 20 218 997 110 010 0812 配比49 021 06 516 57 0100 0 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 100 0 110 0 1613 29 54 752 361 180 60 30 150 075 筛孔尺寸 mm 筛孔通过百分率 级配上限 级配下限 合成级配 级配中值 12 图 2 1 SMA 13 矿料级配 A 曲线图 表 2 6 SMA 13 矿料级配 B 筛孔13 510 55 33 0矿粉合成工程设计级配范围 mm 级配中值下限上限 1699 6100 0100 0100 0100 099 8100 0100100 13 292 0100 0100 0100 0100 096 195 090100 9 521 899 0100 0100 0100 061 462 55075 4 750 113 663 5100 0100 026 327 02034 2 360 10 210 597 6100 020 220 51526 1 180 10 20 277 9100 017 419 01424 0 60 10 20 256 9100 014 916 01220 0 30 10 20 243 1100 013 313 01016 0 150 10 20 227 399 511 312 0915 0 0750 10 20 218 997 110 110 0812 配比49 027 04 012 08 0100 0 图 2 2 SMA 13 矿料级配 B 曲线图 表 2 7 SMA 13 矿料级配 C 筛孔13 510 55 33 0矿粉合成工程设计级配范围 mm 级配中值下限上限 1699 6100 0100 0100 0100 099 8100 0100100 13 292 0100 0100 0100 0100 096 195 090100 9 521 899 0100 0100 0100 061 462 55075 4 750 113 663 5100 0100 024 127 02034 2 360 10 210 597 6100 017 820 51526 1 180 10 20 277 9100 015 619 01424 0 60 10 20 256 9100 013 716 01220 0 30 10 20 243 1100 012 513 01016 0 150 10 20 227 399 511 012 0915 0 0750 10 20 218 997 110 110 0812 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 100 0 110 0 1613 29 54 752 361 180 60 30 150 075 筛孔尺寸 mm 筛孔通过百分率 级配上限 级配下限 合成级配 级配中值 13 配比49 029 54 09 08 5100 0 图 2 3 SMA 13 矿料级配 C 曲线图 按公路工程集料试验规程 JTG E42 2005 中试验 T 0309 测得上述矿料级配 A 矿料级 配B 和矿料级配 C 的粗集料松装间隙率 VCADRC 分别为 31 6 33 3 和 34 0 比较已建类似工程沥青混合料的合成集料毛体积相对密度预估本次试验的 最佳油石比为 5 9 按照选择的初试油石比和矿料级配制作 SMAS 试件 马歇尔标准击实的次数 为双面 50 次 马歇尔试件的毛体积相对密度由表干法测定 马歇尔试件的各项 体积参数见表 2 表 2 8 各种矿料级配马歇尔试件的体积参数 t fVVVFAVMACVAmix 级配类型 级配 A2 5672 5052 484 515 633 5 级配 B2 5692 4723 877 517 232 5 级配 C2 5702 4385 171 518 032 4 由设计规范要求 CVAMIX17 的要求 选取级配 B 作为设计 级配 2 2 2 确定设计沥青用量确定设计沥青用量 根据所选择的设计级配和初试油石比试验的孔隙率的结果 应当分别以 5 6 5 9 和 6 2 的油石比制作马歇尔试件 由于初试油石比的混合料体积指 标符合设计要求 因此省去上述步骤 只进行一次复核 复核试验以级配 B 配 比和油石比 5 9 制作马歇尔试件 其各项体积参数见表 2 表 2 9 马歇尔试件的体积参数 油石比 t fVVVFAVMACVAmixMS kN 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 100 0 110 0 1613 29 54 752 361 180 60 30 150 075 筛孔尺寸 mm 筛孔通过百分率 级配上限 级配下限 合成级配 级配中值 14 5 92 5682 4703 977 117 132 48 31 复核结果表明 最佳油石比为 5 9 2 2 3 配合设计检验配合设计检验 1 析漏 飞散试验 析漏 飞散试验 以油石比 5 9 制作马歇尔试件和制备沥青混合料 分别进行肯特堡飞散试 验和谢伦堡析漏试验 试验结果如表 2 表 2 10 析漏 飞散试验结果 油石比谢伦堡析漏损失肯特堡飞散损失 矿料级配 级配 B5 90 042 0 技术要求 0 1 15 由试验规范技术指标要求可知 上述结果均满足规范要求 2 高温稳定性检验 高温稳定性检验 以油石比 5 9 制作车辙试件 2 块 试件尺寸 300 300 50mm 60 1 条件 下保温 5h 进行车辙试验 得到的结果见表 2 表 2 11 车辙性能研究 试验次数123 时间 t1 min 45 车辙变形 mm 1 8131 7521 824 时间 t2 min 60 车辙变形 mm 1 9211 8691 934 动稳定度 DS 次 mm 5833 5385 5727 平均动稳定度 次 mm 5648 技术要求 次 mm 3000 动稳定度为 5648 次 mm 大于 3000 次 mm 对比设计规范 高温稳定性能满 足设计要求 3 水稳定性检测 水稳定性检测 以油石比 5 9 制作 2 组马歇尔试件 分别测试浸水 30min 与 48h 的马歇尔 稳定度 其测试结果见表 2 表 2 12 浸水残留稳定度试验结果 浸水 时间 理论相对 密度 毛体积相 对密度 空隙率 沥青饱 和度 矿料间 隙率 稳定度MS0 h kN 0 5h2 5682 4773 678 816 78 31 48h2 5682 4733 777 716 87 91 95 1 以油石比 5 9 制作 2 组马歇尔试件 分别测试未冻融循环与冻融循环后试件的 劈裂抗拉强度 其测试结果见 15 表 2 表 2 13 冻融劈裂强度比 试件高 度 毛体积相 对密度 空隙率饱和度 矿料间隙 率 试验荷 载 劈裂抗拉 强度 TSR测试指 标 mm kNMPa 未冻融63 92 4733 777 716 85 210 513 冻融后64 22 4694 076 617 04 740 464 90 6 浸水残留稳定度高于公路沥青路面施工技术规范中的技术要求 80 冻融 劈裂强度比亦高于公路沥青路面施工技术规范中的技术要求 80 4 渗水系数检验 渗水系数检验 以油石比 5 9 成型三组车辙试件 分别测试渗水系数 测试结果见表 2 表 2 14 渗水系数试验 组别时间 s060120180 渗水系数 ml min 平均渗水系数 ml min 1体积 ml1001091191289 2体积 ml10011012113110 3体积 ml1001101191279 9 由上表可知 渗水系数小于公路沥青路面施工技术规范要求 80ml min 综合以上配合比设计检验可知 SMA 13 最佳油石比为 5 9 16 3 3 抗裂性柔性基层沥青混凝土配合比设计抗裂性柔性基层沥青混凝土配合比设计 3 1 原材料选择原材料选择 3 1 1 胶结料胶结料 根据沥青路面结构设计要求与宜昌地区气候特点 柔性基层沥青混凝土采 用 AH70 号沥青 其基本性能指标见表 2 1 表 3 2 AH70 沥青基本性能指标 技术指标技术要求试验结果 针入度 25 100g 5s 0 1mm 60 8075 延度 10 5cm min cm 2023 软化点 环球法 4248 闪点 COC 230264 溶解度 三氯乙烯 9999 6 3 1 2 粗集料与细集料粗集料与细集料 粗集料采用石灰岩碎石 细集料采用石屑和机制砂 检测标准 公路沥 青路面施工技术规范 JTGF40 2004 基本性能见表 3 2 表 3 2 集料性能指标 技术指标表观相对密度 t m3毛体积相对密度 t m3含泥量 砂当量 技术要求 2 45 5 50 粗集料2 6782 6820 1 3 5 石屑2 7642 7280 5 0 3 机制砂2 6642 6641 775 2 1 3 填料填料 采用宜昌花艳水泥厂矿粉 其性能指标见表 2 表 3 3 矿粉基本性能 技术指标表观密度毛体积相对密度亲水系数含水量 单位t m3t m3 技术要求 2 50 1 1 测量值2 8742 8740 70 2 17 3 2 配合比设计配合比设计 3 2 1 设计矿料级配的确定设计矿料级配的确定 表 3 4 矿料级配设计 筛孔合成级配级配中值级配范围 mm 20 55 15 石屑机制砂矿粉 26 596 4 100 0 100 0 100 0 100 0 98 7 100 0 100 100 19 269 3 100 0 100 0 100 0 100 0 89 2 95 0 90 100 1651 6 96 4 100 0 100 0 100 0 81 8 72 5 60 85 13 233 0 76 6 100 0 100 0 100 0 68 4 62 5 50 75 9 54 9 51 0 100 0 100 0 100 0 49 6 52 5 40 65 4 750 3 6 8 85 8 85 8 100 0 28 5 27 5 15 40 2 360 2 1 1 30 4 30 4 100 0 11 0 13 5 5 22 1 180 2 1 0 16 9 16 9 100 0 7 2 9 0 2 16 0 60 2 0 9 10 5 10 5 100 0 5 3 6 5 1 12 0 30 2 0 9 5 4 5 4 100 0 3 9 5 0 0 10 0 150 2 0 8 3 6 3 6 97 9 3 3 4 0 0 8 0 0750 2 0 6 2 5 2 5 86 6 2 7 2 5 0 5 配比35 0 35 0 28 0 0 0 2 0 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 26 519 21613 29 54 752 361 180 60 30 150 075 筛孔尺寸 mm 通过率 级配上限 级配下限 合成级配 级配中值 图 3 1 矿料级配曲线 18 3 2 2 马歇尔试验马歇尔试验 选择油石比 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 进行马歇尔实验 混合料拌和温度 160 击实温度 140 马歇尔击实仪双面击实各 50 次 测试马歇尔试件的毛 体积相对密度 f 空隙率 VV 和马歇尔稳定度 MS 结果见表 3 3 表 3 3 最佳油石比试验 油石比 fVVMS kN 3 02 38010 45 71 3 52 3929 36 42 4 02 3058 16 63 4 52 3967 95 94 5 02 3886 54 89 3 2 3 确定最佳沥青用量确定最佳沥青用量 从表 3 5 中分析得出 相应于密度最大值的油石比 a1 4 0 相应于马歇 尔稳定度最大值的油石比 a2 4 0 相应于空隙率规范中值的油石比 a3 5 2 相 应于沥青饱和度规范中值的油石比 a4 3 8 则计算出 OAC1 a1 a2 a3 a4 4 4 0 同时 由图中分析可知 满足各项技术指标的油石比最大值与最小值 的范围为 3 6 4 6 计算得出 OAC2 3 6 4 6 2 4 1 经过综合分析后 初步确定得出最佳油石比为 OACopt OAC1 OAC2 2 4 1 19 4 4 拌和式水泥乳化沥青混凝土材料研究拌和式水泥乳化沥青混凝土材料研究 水泥乳化沥青混凝土 Cement Emulsified Asphalt Concrete 以下简称 CEAC 是将水泥 乳化沥青 级配碎石和一些外加剂等经冷拌 冷铺及碾压 后形成的一种兼具水泥混凝土刚性和沥青混合料柔性的新型路面材料 具有较较 好的高温稳定性 低温抗裂性及抗疲劳性好的高温稳定性 低温抗裂性及抗疲劳性 与传统的热拌时沥青混合料相比 冷拌式的 CEAC 具有以下几个优点 1 对于冷拌式 乳化沥青中的水分和集料中包含的适当水分均不影响混合 料的质量 而热拌式沥青需要预先脱水 集料也需经过干燥除水处理 否则沥 青混合料的质量将受影响 2 乳化沥青破乳后的水分可供水泥硬化凝结 较好的解决了乳化沥青破乳 憎水 和水泥水化 需水 的矛盾 3 CEAC 采用冷拌 冷铺的施工工艺 可以降低能耗 减少环境污染 对 于实现文明 环保施工非常有利 4 1 水泥乳化沥青混凝土水泥乳化沥青混凝土强度形成机理强度形成机理 CEAC 是水泥混凝土和沥青混凝土的结合体 其强度形成与发展过程与水 泥在混凝土中作用密切相关 同时与乳化沥青增强粒子的作用有很大联系 CEAC 属颗粒增强复合材料 乳化沥青粒子高度弥散地分布在混凝土骨料基体 中 当基体受荷载时 乳化沥青增强粒子阻碍导致骨料基体产生塑性变形的运 动 对混凝土产生强化效果 强化效果与乳化沥青粒子体积 粒子特性 粒子 间距和粒子直径等因素有关 在水泥与水作用约 45min 后 丝状的结构不仅很快地在水泥表面形成 而 且在粒子之间填充水的空间内发展 随着水泥水化时间的延长 一方面由于水 泥水化所产生的多种水泥纤维以水泥颗粒为中心向周围空间发展 纵横交叉 逐渐填充满混合料内的所有毛细空间 水泥与乳化沥青除物理吸附和化学吸附 外 还可能发生化学反应 其结果是水泥水化产物与沥青膜交织在一起 并同 细集料牢固结合而形成柔性空间网 正是水泥产物的凝结力及沥青的粘聚力 水泥与乳化沥青的结合力 组成强大的复合力 使 CEAC 成为一种 密实一骨 架 结构 此时 水泥砂浆充满孔隙 形成均匀 密实 孔隙闭合的整体 从而 提高了混凝土的总体强度 另一方面 混凝土中的沥青乳液因压实等原因 已 开始分解破乳 沥青从乳液的水相中分解出来 许多微小沥青颗粒相互聚结 成为连续的沥青薄膜 以结构沥青的形式粘附在骨料的表面 由于这两种作用 是同时进行的 两种胶凝材料之间既相互独立又相互贯穿 不可分割 形成两 20 种材料和性质均不相同的立体空间网络 把骨料紧紧地结合在一起 与普通沥 青混合料相比 除了原有单独起作用矿质骨架和沥青的粘结外 水泥 乳化沥 青混凝土提供了一种新型的 以水泥凝胶为主体的第一骨架 这种质地坚硬的 骨架 不仅大大提高了混凝土的抗压性能 并且由于其自身的凝固力 对混凝 土的抗拉能力也有所改善 同时 因水泥水化时体积增加 生成的水化产物填 充了乳液中水分蒸发形成的孔隙 使混凝土更加密实 也相应地提高了混凝土 的稳定性和耐久性 从胶浆的角度考虑 在掺加水泥后 形成了多极空间双重网络结构体系 由有机胶凝材料 沥青的粘结和无机胶凝材料 水泥的凝固两种胶凝材料 的共同作用构成的复合力 使 CEAC 形成一个坚实的 既富有柔性又有刚性的 整体 它不同于沥青混合料的柔性空间网络 也与刚性较大但易于脆性破坏的 水泥混凝土不同 是一种多级空间双重网络结构体系 在粗细微三级分散系中 以乳化沥青胶浆的凝胶结构与水泥浆晶体及凝胶体的水泥石和可能的水泥乳化 沥青生成物形成多重网络结构体系 是介于水泥混凝土和沥青混合料之间的 汲取其各自优点的新型路面材料 影响 CEAC 强度的主要因素有水灰比 或者水胶比 水泥的强度等级 乳化沥青的用量 外加剂的种类 所选取的集料级配类型以及施工控制等 a 乳石比 8 b 乳石比 6 图 4 1 CEAC 放大 5000 倍的 SEM 图像 21 a 乳石比 8 b 乳石比 6 图 4 2 CEAC 放大 2000 倍的 SEM 图像 课题组通过扫描电子显微镜法 SEM 分析了 CEAC 体系中水泥沥青浆体 与集料界面的微观形貌 为研究其强度形成机理提供了更好的理论支持 实验 方法如下 取 28d 龄期以上的 CEAC 断面薄片 在 60 下烘干 然后在 JSM 5610LV 型扫描电镜下观察其微观结构 放大不同倍数时的 SEM 形貌结果如图 4 1 图 4 2 所示 从以上 SEM 照片可以看出 乳石比为 6 的 CEAC 水泥沥青浆体与集料界面 区域存在一定数量的孔隙 浆体与集料的交联不是很致密 随着乳化沥青含量 即乳石比 的增加 沥青成膜趋于完整连续 沥青粒子渗入水泥混凝土内部 的微裂隙与孔壁中 与水泥水化产物相互交织形成更加完整的空间网状结构 从而进一步提高和改善混凝土内部网架结构 4 2 基本配合比设计基本配合比设计 4 2 1 原材料及性能指标原材料及性能指标 1 乳化沥青 目前 道路用乳化沥青种类较多 按所选乳化剂种类可分为阴离子型 阳 离子型和非离子型 其中非离子型乳化沥青一般不用于公路 近些年来 阳离 子型乳化沥青由于与各类集料都具有良好的粘附性而被广泛应用于路面透层 黏层和稀浆封层等 但阳离子型乳化沥青破乳速度较快 不利于与集料的充分 拌和 阴离子型乳化沥青破乳速度较慢 有利于控制拌和过程 以便使沥青与 混合料裹附均匀 对于乳化沥青的选择 课题组先后经过多次对比研究 最终 采用本课题组自身研发的特殊慢裂型阴离子乳化沥青特殊慢裂型阴离子乳化沥青 该种沥青破乳时间较慢 该种沥青破乳时间较慢 与碱性集料粘附性良好与碱性集料粘附性良好 根据 公路工程沥青及沥青混合料试验规程 JTJ 22 052 2000 的有关试验方法对乳化沥青进行检测 其各项性能指标见表 4 1 表 4 1 乳化沥青性能检测指标 性能指标性能指标要求试验结果 筛上剩余物 1 18mm 0 10 04 与粗集料粘附性 裹附面积 80 水泥适应性 20 秒内流出的样品量 ml 70 100 残留物含量 55 60 8 针入度 25 100g 5s 0 1mm45 15078 软化点 环球法 42 46 溶解度 三氯乙烯 97 5 99 5 延度 25 5cm min cm 100 126 延度 5 5cm min cm 20 35 常温贮存稳定性 1d 1 0 7 常温贮存稳定性 5d 5 3 6 2 水泥 采用湖北花艳水泥厂生产的 P O 32 5 普通硅酸盐水泥 参照 公路工程水 泥及水泥混凝土试验规程 JTJ E30 2005 中的有关试验方法对水泥进行性能 检验 试验结果见表 4 2 表 4 2 水泥性能检验指标 抗压强度 MPa 抗折强度 MPa 指 标 比表面 积 m2 kg 初凝时 间 min 终凝时 间 min 3d28d3d28d P O 32 531013438014 542 34 17 2 3 集料 采用宜昌本地产的连续级配石灰岩碎石 根据 公路工程集料试验规程 JTG E42 2005 对集料进行试验 试验结果见表 4 3 均满足 公路沥青路 面设计规范 JTG D50 2006 对集料的要求 所采用的矿粉种类为石灰岩 经 严格筛分 粒径小于 0 6mm 23 表 4 3 级配碎石的物理力学性能 指标 集料 表观密 度 g cm3 吸水率 针片状 压碎值 液限 塑性 指数 均匀 系数 石灰岩2 752 53 212301013 4 水 拌合水应符合 混凝土用水标准 JGJ 63 2006 的要求 4 2 2 集料级配设计集料级配设计 为提高路面抗车辙能力 同时提高其高温稳定性和水温性 根据 公路沥 青路面设计规范 JTG D50 2006 下面层选用 AC 16C 级配类型 集料配合比 和集料合成级配见表 4 4 集料级配曲线如图 4 1 所示 表 4 4 集料配合比 筛孔 合成级配级配中值级配范围 mm 15 5 石屑机制砂河砂矿粉 19 2100 0 100 0 100 0 100 0 100 0 100 0 100 0 100 100 1692 8 100 0 100 0 100 0 100 0 96 8 95 0 90 100 13 275 6 100 0 100 0 100 0 100 0 89 2 84 0 76 92 9 546 1 100 0 100 0 100 0 100 0 76 3 70 0 60 80 4 756 2 85 8 99 2 100 0 100 0 51 6 48 0 34 62 2 361 2 30 4 83 8 95 7 100 0 21 7 34 0 20 48 1 181 1 16 9 61 2 79 4 100 0 15 0 24 5 13 36 0 61 1 10 5 37 9 49 1 100 0 11 7 17 5 9 26 0 31 0 5 4 20 4 30 5 100 0 9 1 12 5 7 18 0 150 9 3 6 12 1 12 6 97 9 8 1 9 5 5 14 0 0750 5 2 5 6 9 4 0 86 6 6 7 6 0 4 8 配比44 0 50 0 0 0 0 0 6 0 100 24 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 19 21613 29 54 752 361 180 60 30 150 075 级配上限 级配下限 合成级配 级配中值 图 4 1 集料级配曲线 4 2 3 配合比设计试验方法配合比设计试验方法 乳化沥青含量 乳石比 和水泥含量是水泥乳化沥青混凝土 CEAC 配 合比设计过程中应重点控制的指标 对于不同乳石比和水泥含量的 CEAC 分 别测定 15 劈裂抗拉强度及室温下的抗压强度来对其进行性能评价 以确定最 佳配合比 室内试验方案如下 参照 公路工程沥青及沥青混合料试验规程 JTJ 052 2000 中的马歇尔稳定度试验 劈裂抗拉强度试验及抗压回弹模量试验有 关规定 成型马歇尔试件 击实次数可以少于一般沥青混合料的击实次数 双 面击实 45 50 次即可 试件成型后 在室温条件下养护 7d 然后脱模进行以上 各项性能的测试 25 26 室内试验结果见表 4 5 由表 4 5 可以看出 1 掺入水泥后 劈裂抗拉强度和抗压强度均比不掺水泥的乳化沥青混凝土 有所提高 2 CEAC 的 15 劈裂抗拉强度随着水泥含量的增加而增大 通过综合分析 当乳石比为 6 水泥含量为 5 时 此时材料的柔性比较适 中 同时有较高的稳定度 此外 通过击实试验 最大干密度为 2 35 g cm3 CEAC 的含水量控制在 1 5 2 5 范围内 比较有利于碾压成型 表4 5 配合比设计及试验结果 编号碎石 矿粉 水泥 乳化沥青 t 水 劈裂强度 7d MPa 1941570 29415711 16 39415721 33 49415731 18 5941562 41 49 6941552 81 34 7941533 60 93 8941504 80 87 99460720 65 109442720 78 119424721 20 27 1 10 1 20 1 30 1 40 01234 Added water content Cleavage Strength 7d Mpa 0 60 0 80 1 00 1 20 1 40 1 60 02468 Emulsified asphalt content Cleavage Strength 7d Mpa 0 20 0 60 1 00 1 40 0123456 Cement content Cleavage Strength 7d Mpa 28 5 5 水泥乳化沥青混凝土水泥乳化沥青混凝土中试中试 5 1 施工组织机构施工组织机构 根据上面层试验段施工的需要进行生产定岗定员 职责分明 充分发挥各员工工作主动性 以起到监督 指导和保证施工质量的 作用 5 1 1 生产指挥系统生产指挥系统 经理部以 质量第一 安全第一 为指导思想 生产指挥系统以总经理全面 负责指挥 5 1 2 质量保证体系质量保证体系 已建立 健全了质保体系 经理部以 充分准备 精心施工 严格把关 确 保质量 为指导思想 由总工牵头 对沥青上面层施工技术方案进行了认真的研 究 编写了该沥青上面层试验段施工组织设计及施工技术方案 5 1 3 试验检测机构试验检测机构 试验检测机构由经理部试验室主任负责 负责拌和厂取样并进行马歇尔试 验 抽提试验 压实度及平整度检测等各项试验检测工作 5 1 4 生产岗位定员生产岗位定员 拌和楼各操作岗位 运输车辆 摊铺机 压路机 交通车辆 小型机动车 均按班 组 岗进行定岗 定员 定职责 工班跟随摊铺机和压路机 处理边 角及缺陷部位 29 5 2 技术准备工作技术准备工作 5 2 1 施工方案施工方案 采用拌和机集中拌和 大吨位自卸车运输至摊铺现场 一台 MT1200 型摊铺 机梯队作业 单幅全宽一次摊铺 5 2 2 水泥乳化沥青混凝土配合比设计水泥乳化沥青混凝土配合比设计 目标配合比已由武汉理工大学设计 其主要指标如下 水泥乳化沥青混凝土配合比 材 料水泥集料乳化沥青备 注 规 格P O42 5AC 16C 阴离子乳石比水泥含量 配合比 kg m5 矿料配合比 矿料种类矿 粉1 2 3 规 格石灰岩0 5mm 石屑5 10mm 碎石10 20mm 碎石 含量 4352536 配合比 kg m 80700500720 5 2 3 材料准备材料准备 水泥 采用湖北宜昌生产的 P O 42 5 普通硅酸盐水泥 参照 公路工程水 泥及水泥混凝土试验规程 JTJ E30 2005 中的有关试验方法进行检验 乳化沥青 采用武汉理工大学提供生产配合比与乳化剂 宜昌砼富公司生 产的慢裂快凝型阴离子改性乳化沥青 参照 公路工程沥青及沥青混合料试验 规程 检测各项指标 其中水泥拌合性 0 1 30 级配碎石 采用宜昌产连续级配 粒径在 0 26 5mm 之间 石灰岩碎石 31 水 拌合水应符合 混凝土用水标准 JGJ63 2006 的要求 5 2 4 施工流程施工流程 施工准备拌 和 碾 压养 生 运