（道路与铁道工程专业论文）沥青路面抗滑表层级配研究与路用性能分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 目前 我国高速公路表面层常用的级配有a c a k s m a 和s u p 等 a c 级配密实性良好 但其抗高温变形能力和抗滑性能差 容易导致车辆轮胎 刹车力不足 发生交通事故 a k 级配虽然具有抗滑和抗车辙的特点 但其空 隙率大 耐久性差 s m a 具有良好的密实性 高温稳定性和抗滑能力也很好 但工程造价较高 广泛应用受到一定限制 在保证沥青路面具有良好路用性 能的前提下 使车辆能够快速 安全 舒适形式 解决沥青路面密实性与抗 滑性之间的矛盾 成为当今国内外研究的热门课题 鉴于此 论文在以下几 个方面进行了研究 l 采用马歇尔设计方法 s u p e r p a v e 设计方法 s a c 级配设计方法 s m a 混合料设计方法设计八组级配 分别确定其最佳油石比 并通过试验 对八种 级配混合料的高温稳定性 水稳定性 抗滑性能进行比较分析 试验证明 1 当目标空隙率为4 的时候 各组级配密水性良好 抗水损害能力提高 而且 粗 细集料比在7 3 左右时有最优的水稳定性 2 适当增加粉胶比含量 能有效地提高混合料的高温稳定性 例如s a c 级配的混合料和s m a 级配的 混合料高温抗车辙能力良好 3 混合料的抗滑性能随着粗集料所占比例的 增加而增大 2 通过对各组级配粗集料骨架间隙率的测定 找到粗集料中各粒径组成 对骨架间隙率的影响规律 以1 3 型沥青混凝土来说 如果形成骨架的粗集料 主要由9 5 m m 和4 7 5 m m 构成 当9 5 m m 与4 7 5 m m 含量比值在0 8 1 0 时 粗集料的骨架间隙率比较稳定 是较好的施工级配 采用v c a d r f 和v c a a c 级配检验法对设计级配进行检验 经分析研究 v c a d r f 级配检验法同贝雷法 的c a 值检验结果有较好的相关性 适用于骨架的级配检验 而v c a a c 法只 是用于分解计算混合料体积构成的方法 并不能用于沥青混合料中的级配检 验 3 根据室内的配合比设计和现场原材料的试验结果 优选两组级配进行 生产配合比设计 在国道3 1 7 2 1 3 线都江堰至汶川公路铺筑试验段 并根据 试验段的试验结果 综合考虑施工和易性 工程经济性 路面路用性能 最后 确定优选级配 指导施工 关键词 高温稳定性 抗滑表层 路用性能 抗滑性 骨架 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t c u r r e n t l y a c a ks m a a n ds u p e t c a r ec o m m o n l yu s e di nh i g h w a ys u r f a c ec o u r s e g r a d i n gi no u rc o u n t r y a l t h o u g ht h ed e n s e n e s so fa cg r a d i n g i sv e r yg o o d t h ea b i l i t yo fh i g h t e m p e r a t u r ed i s t o r t i o na n ds k i d r e s i s t i n gc a p a b i l i t yi sb a d t h i sc a ne a s i l yc a u s et h a tt h eb r a k e f o r c ei sd e f i c i e n ta n dc o n s e q u e n t l yl e a dt ot u a f f i ca c c i d e n t s a l t h o u g ha kg r a d i n gh a sb e t t e r s k i d r e s i s t i n gc a p a b i l i t ya n da n t i r u t t i n g i th a sb i ga i rv o i da n dl e s sd u r a b i l i t y t h ed e n s e n e s s o fs m a g r a d i n ga n dt h ea b i l 时o f1 1 i g ht e m p e r a t u r ed i s t o r t i o na n ds k i d r e s i s t i n gc a p a b i l i t yi s v e r yg o o d b u ti t se n g i n e e r i n gc o s ti st o oh i g h s ot h a ti tc a nn o tw i d e l yp r o m o t e d t h e r e f o r e t h er e s e a r c hw h i c hm e e t st h e r e q u i r e m e n t st h a t c a nm a k ev e h i c l eq u i c k l y s a f e l ya n d c o m f o r t a b l y 1 3 1 1 1a n ds o l v et h ec o n t r a d i c t i o no fd e n s e n e s sa n ds k i d r e s i s t i n gc a p a b i l i t yo f a s p h a l tp a v e m e n ti nt h ep r e m i s eo fg o o dp a v e m e n tp e r f o r m a n c eh a sb e c o m eap o p u l a rt o p i ci n h o m ea n da b r o a dn o w a d a y s i nt h i st h e s i s t h ei n v e s t i g a t i o n si n c l u d et h ef o l l o w i n gs e v e r a l a s p e c t s 1 d e s i g n e d8k i n d so fg r a d e sb ym a r s h a l lm i x t u rd e s i g nm e t h o d s u p e r p a v em i xd e s i g n m e t h o d s a cd e s i g nm e t h o d s m ad e s i g nm e t h o da n dd e t e r m i n e dt h e i ro p t i m u ma s p h a l t c o n t e n t s b yt e s t i n g a n a l y s et h es t a b i l i t yi nh i g ht e m p e r a t u r e s k i d r e s i s t a n c e w a t e rs t a b i l i t y o nd i f f e r e n tg r a d e sa s p h a l tm i x t u r e t h et e s t i n gp r o v e dt h a t 1 w h e nv vi s4 t h e d e n s e n e s sa n dw a t e rd a m a g er e s i s t a n c ei sg o o da n da s p h a l tm x i t u r eh a v et h eb e s tw a t e r s t a b i l i t yo nt h ec o a r s ea n df m e r a t i oi s7 3 2 i n c r e a s e i n gf i l l e r b i t u m e nr a t i oa p p r o p r i a t ec a n i m p r o v et h eh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y t h ea s p h a l tm i x t u r ed e s i g n e db ys a cd e s i n gm e t h o d a n ds m a d e s i n gm e t h o dh a v eag o o dh i g ht e m p e r a t u r er u tr e s i s t a n c e 3 t h es k i d r e s i s t a n c e o ft h em i x t u r ea st h ec o a r s ea g g r e g a t ei n c r e a s ei nt h ep r o p o r t i o no ft h ei n c r e a s e 2 d e t e r m i n e dt h ev c ao fe v e r yg r a d e s r e c e i v e dt h er u l ea b o u tt h eg r a i ns i z e c o m p o s i t i o na n dv c a a s p h a l tm i x t u r eo fl3a sa ne x a m p l e i faf r a m e w o r ko fc o a r s e a g g r e g a t em a i n l yb yt h e9 5 m ma n d4 7 5 m mc o n s t i t u d e t h ev c a i ss t a b i l i z a t i o na n di ti sa g o o dc o n s t r u c t i o ng r a d ew h e nt h e i rr a t i oi s0 8 1 0 i n s p e c tm i n e r a la g g r e g a t eg r a d eb a s e do n t h em e t h o do fv c a o r fa n dv c a a c t h ea u t h o rf r e dt h a tt h em e t h o do fv c a o r fc a nd e s i g n a n di n s p e c tm i n e r a l a g g r e g a t eg r a d e s k e l e t o nf o r m a t i o ne f f e c t i v e l ya n di th a sag o o d c o r r e l a t i o nw i t ht h et e s tr e s u l t sb yb a i l e ym e t h o d b u tt h em e t h o do fv c a a ci sn o ts u i t a b l ef o r i n s p e c t i o no fs k e l e t o n d e n s e n e s si na s p h a l tm i x t u r e 3 a c c o r d i n gt ot a r g e tm i xd e s i g na n dd e t e c t i o nr e s u l t sa b o u tt h es c e n eo fr a wm a t e r i a l s o p t i m i z a t i o no ft w og r a d e sh a v ep r o d u c i n gm i xd e s i g n e x p e r i m e n tp e r i o dw a sp a v e m e n t e do n n a t i o n a lh i g h w a yn 0 3 1 7 2 1 3 b a s eo nt h et e s tr e s u l t so ft h ee x p e r i m e n tp e r i o da n d c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no f w o r k a b l ep e r f o r m a n c e e n g i n e e r i n ge c o n o m i c s p a v e m e n t p e r f o r m a n c e m a k ec e r t a i nt h eb e s tg r a d ea n dg u i d i n gc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s h i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y a n t i s k i ds u r f a c e p a v e m e n tp e r f o r m a n c e s k i d r e s i s t i n gc a p a b i l i t y r a m e w o r k 西南交通大学 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 本人授权西南交通大学可以将本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 缩印或扫描等复印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u 使用本授权书 请在以上方框内打 4 学位论文作者签名 寿妥亨 日期 汐咯7 形 指导老师签名 侈秒 日期 多矿汐舜7 6 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中作了明确的说明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究的必要性和意义 第1 章绪论 至1 9 8 8 年我国第一条高速公路沪嘉高速公路建成通车 结束我国大陆没 有高速公路的历史以来 经过2 0 年的飞速发展 尤其是自 十五 以来共新增 高速公路里程3 2 7 万公里 到2 0 0 7 年年底 我国高速公路通车总里程达到 5 3 万公里 人们在享受高速公路为中国经济和社会的发展提供便捷的 高效 率的运输服务同时 也面临着越来越多的交通事故的威胁 从公安部获悉 2 0 0 7 年全国发生道路交通事故3 2 7 2 0 9 起 造成8 1 6 4 9 人死亡 3 8 0 4 4 2 人受 伤 直接财产损失1 2 亿元 给人民和国家带来了巨大的损失 引发交通事故的原因是多方面的 主要包括人的因素 车的因素 道路 的因素 气候的因素等多方面的客观和主观因素 l 通过与其它发达国家对比 我们认为我国引发交通事故的主要原因包括交通参与者的安全意思 交通理 念 道路线形 路面抗滑性能 根据过去的调查 路面的抗滑性能不足是影 响交通事故发生的主要因素之一 较好的路面抗滑性能能够降低交通事故的 发生 铺筑抗滑表层是减少高速公路沥青路面交通事故 尤其是雨天 最有 效 最直接的方法 z j 七五 期间 我国的公路部门对抗滑表层展开较深入的研究 根据当时沥 青和矿料的供应情况及施工技术水平 在确定抗滑磨耗层的矿料级配时遵循 如下的原则 既有一定的空隙率 又要控制渗水量不能过高 粗集料以d d 4 d 为最大粒径 为主 约占总量的2 3 以提高路面的抗滑能力和抗车辙 能力 d 4 以下的细集料部分以理想级配组成 以提高混合料的稳定性和水 稳性 引 根据该原则研究并提出了a k 1 3 a a k 1 3 b 以及a k 1 6 a a k 1 6 b 的设计方法以及级配范围 写进了19 9 4 年交通行业标准 公路沥青路面施工 技术规范 j t j 0 3 2 规范要求在 多雨潮湿地区 采用a k 类抗滑表层混合料 a k 类混合料是在a c i i 型基础上增加了粗集料和矿粉用料 使混合料的空隙 率基本维持在4 1 0 左右 具有良好的抗滑特征 近年来 我国规范上推荐 的抗滑表层a k 在多条道路上得到了应用 虽然得到较大路面构造深度和摩 擦系数 但由于级配范围较宽 实际使用时现场空隙率较大 水稳定性差 并且施工不当时易产生离析 造成了比较严重的早期破坏 路面破坏问题的 严重性引起了政府 学术界 工程界 企业界及道路使用者等社会各界的广 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 泛关注 4 1 因此在2 0 0 4 年发布的 公路沥青公路施工技术规范 j t g f 4 0 2 0 0 4 中 并没有出现a k 类沥青混凝土的推荐级配范围 但是同时指 出 近年来 不少工程仍在a k 一13 a 型级配范围进行配合比设计 但是不再采 用中值 适当减少了最粗的粗集料数量以及最小的细集料数量 调整成s 型 级配 使空隙率有所改善 使用效果较好 经长期调查发现 我国抗滑表层早期破坏的类型主要包括 1 由于压实不 足 集料离析造成骨料松散 剥落等破坏 2 中面层或下面层表面被污染导 致抗滑表层与之粘结不牢造成的破坏 3 路面排水不畅 产生的水破坏 4 沥青薄膜与骨料的粘附力差引起的抗滑表层的破坏 5 基层 底基层 路基 的病害的反射上来引起的破坏 而造成上述破坏 除缺乏施工经验 施工管 理不善 不严格按规范施工外 还有如规范本身的原因 汽车严重超载重载 等因素 而且这种破坏都发生在雨季 基本上都与水有关 川 因此 a k 类沥 青混凝土主要面临构造深度与密实度 高温稳定性和低温抗裂性这两大矛盾 既要满足足够的构造深度保证路面的抗滑性能 又要避免过大的空隙率 防 止渗水造成路面水损害及冻害 既要增加粗集料用量 形成骨架满足高温车 辙能力 同时又要避免由于集料过粗造成的混合料低温劲度大 路面容易低 温开裂的危险 我国规范规定的级配范围是由富勒的最大密实理论发展而来 但经验证明并不是所有落入规范建议范围的沥青混合料都符合技术标准 超 出范围的也并非都不合格 近年来 尤其是在多雨潮湿地区 炎热地区 行 驶重载交通的高速公路和一级公路 在多年的施工经验和调查基础上 逐渐 采用粗型的密级配沥青混合料 并配合成s 型的级配曲线 对于这种兼具密 实密水性和较大表面构造深度和摩擦系数的沥青混合料表层 即所谓密实型 沥青抗滑磨耗层的研究已成为比较热门的课题 这种混合料通过适当减少靠 近最大粒径的粗集料和细集料中较细部分的比例 控制关键筛孔的通过率和 矿粉比例 适当增加中间档次的粗集料 使粗集料在混合料中形成骨架 这 种s 型级配的沥青混合料属于嵌挤密实性级配 这些研究在级配理论 抗滑 性能评价 结构设计等多方面进行了深入研究 并得出了很多具有重要参考 价值的成果 引 然而 由于我国幅员辽阔 各地气候 地形 地貌 水文地质条件差异甚 大 公路自然区划分级也不同 各地的推荐设计级配和设计目标也不尽相同 本文主要从沥青混合料材料和级配设计入手 通过研究粗集料的级配组成 对原有规范的a k 类沥青混凝土进行改良 寻找适合西南多雨潮湿山区的抗 滑表层沥青混凝土设计方法 使得设计得到的沥青混凝土具有一定的骨架结 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 构 解决沥青路面的密实性和抗滑性能这两个矛盾体 保证不降低其低温抗 裂性能的同时 提高了其高温稳定性能 该研究成果对于高速公路降低交通 事故发生率 特别是提高雨天行车交通安全 建立社会主义和谐交通 具有 重要的现实意义 1 2 国内外研究现状 高等级公路在国家公路网中的重要性日益突出 为保证高速行车的交通 安全 路面抗滑技术的提高成为一个迫在眉睫的任务 国内外的一些研究机 构先后将注意力投向这一课题的研究 在抗滑表层的形成机理以及影响因素 等方面做了大量的工作 并取得了很大进展 1 2 1 国外研究现状 国外路面抗滑测试技术的研究始于2 0 世纪2 0 年代 比我国起步要早5 0 年 早在1 9 2 0 年美国和法国就已经开始这类研究 英国也是世界上最早研究 路面抗滑技术的国家之一 1 9 2 7 年英国特丁顿 t e d d i n 垂o n 国立物理研究 所已开始了这类研究 t r r l 是世界上最早从事路面抗滑阻力研究的机构 己 经有5 0 年以上的研究历史 他们的研究成果不仅表明在潮湿状况下发生交通 事故的危险同路面滑溜程度的可靠关系 而且开发了道路面层抗滑性能的测 试设备吲 1 9 4 9 年国际道路会议中心成立了路面滑溜及平整度技术委员会 后来更 名为表面特性技术委员会 研究深度己从一般路面结构扩展到薄层摩擦学 固体表面化学 空气动力学 环境检测与控制和人造集料等 并于1 9 5 8 年和 1 9 7 7 年召开了第一届和第二届国际防滑会议悄j t r r l 在1 9 7 3 年发表了道路抗滑标准 水准 指南l r 5 1 0 1 9 7 6 年运输 部公布的技术备忘录h 1 6 7 6 根据公路设计类型交通量的不同提出了新建沥青 面层骨料性质和构造深度的要求 并对运营中的干线公路采用维护湿的抗滑 标准的可能性做了进一步考虑 只是由于对当时的干线公路网上的抗滑水平 对事故 危险所带来的确切经济损失知之甚少而未被采用p j 1 9 7 7 年在俄核俄州哥伦布市举行的第二届防滑会议中 路面特性小组委 员会在报告中指出 路面的抗滑问题 不应仅考虑摩擦系数一项指标 还应 考虑其它因素 如表面结构 几何形状 交通性质 车速 事故记录及成本 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 一效益分析等因素 第1 8 届道路会议柔性路面委员会总报告中指出 在优化沥青路面的抗滑 能力时 首先应考虑材料性能 其次是考虑路面构造 第三是施工技术 1 2 2 国内研究现状 我国对抗滑方面的研究起步较晚 直到2 0 世纪7 0 年代中期才开始探索 铺筑抗滑面层 在这以前我国几乎没有路面摩擦系数的实验和数据 7 0 年代 中期才有五轮仪 因此 修筑抗滑表层首先要解决的是试验手段即试验仪器 的问题 8 0 年代中 交通部公路科学研究所成立了抗滑面层研究小组 专门研究 如何设计抗滑表层 其中 七五 科技攻关专题 高等级公路半刚性基层沥青路 面结构 设计和抗滑表层的研究 首次对路面抗滑问题展开较系统的研究 对 推动我国抗滑技术的发展和推广具有重要的作用 1 9 8 8 年 沙庆林院士基于我国i 型沥青混凝土透水性小 但表面构造深 度小 接近于光面 i i 型沥青混凝土虽然其表面构造深度能满足要求 但由 于其透水性大 容易导致严重水破坏的特点 将面层的主要功能和早期损坏 结合在一起 研究开发了多碎石沥青混凝土 s a c 解决了高速公路沥青表面 层抗滑性能好 特别是构造深度满足要求 又透水性小这一技术问题 1 2 3 主要抗滑表层结构 1 2 3 1 国外抗滑表层主要形式 l 嵌压式抗滑表层 嵌压式抗滑表层是在砂粒式或细粒式沥青混凝土上嵌压经沥青预拌的等 粒径 抗磨光的优质石料后所形成的一种抗滑表层 磨耗层厚3 5 c m 时 用 最大粒径2 6 m m 的矿料 2 3 6 m m 方孔筛 以上的粗集料含量占1 5 或3 0 磨耗层厚4 c m 5 c m 时 用最大粒径3 5 m m 的矿料 折合成圆孔筛 2 3 6 m m 以上的粗集料含量占3 0 4 c m 厚 或4 0 5 5 5 c m 厚 当 粗集料含量少于4 0 时 经过摊铺机初步压实后 均匀撒布用1 5 士0 3 沥 青预拌的标称2 0 m m 或1 4 m m 的单一尺寸碎石 用8 吨以上两轮压路机在 温度不低于9 0 7 0 号沥青 时碾压 这种路面的抗滑性能好 但高温稳 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 定性较差 对于材料和施工工艺要求也较高 2 沥青玛蹄脂碎石 s m a 路面 沥青玛蹄脂碎石 s t o n em a s t i ca s p h a l t 简称s m a 路面 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注式沥青混凝土 g u s s a s p h a l t 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 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 据有 优良的高温稳定性 耐久性 表面特性和低温抗裂性 3 薄沥青混凝土 b b m 法国于1 9 8 2 年开始使用薄沥青混凝土 b b m 做新路面的表面层和老路 面养护用的表面层 它是粗集料断级配密实沥青混凝土 与s m a 相比 b b m 是更显著的断级配 或称全断级配 由于b b m 中沥青砂胶的含量较s m a 少 0 0 7 5 以下填料的含量少 3 5 沥青含量少 o 5 1 3 因此b b m 不需要沥青流出抑止剂 即不需要加纤维 其路面空隙率w 约为6 1 2 表面构造深度大于o 6 m m 具有良好的抗滑特性p j 4 开级配沥青磨耗层 o g f c 高速公路兴建以后 为了保证车辆在高速行驶时路面有良好的抗滑行 尤其在雨天路面摩阻力不致过分降低 美国研究开发了开级配抗滑磨耗层 o p e n g r a d e df r i c t i o nc o u r s e 简称o g f c 1o j o g f c 空隙率一般达到 1 8 以上 高温性能好 可以迅速消除常规路面上高速行车产生的路表径流 水漂及反光现象 消除车后的溅水和喷雾现象 使道路交通标志更容易看清 楚 同时还可以明显减少车轮的滚动噪音 抗滑性能很高 在美国根据各州 的气候和交通情况 结合料通常采用4 0 6 0 或8 0 10 0 号沥青 路面铺筑厚度 多数为1 9 m m 美国使用经验认为 o g f c 路面的使用寿命与交通量和下承层 的强度有关 一般可按7 到1 2 年考虑 透水式多孔性沥青路面虽然许多国家 已研究和应用多年 但尚没有十分完善的混合料配合比设计方法 根据各国 的研究和实际应用经验 其关键在于保证混合料的高空隙率 保证混合料足 够的抗松散能力 保证混合料具有一定的力学强度 欧洲一些国家也称o g f c 为排水性沥青路面 d r a i n i n ga s p h a l t 多孔性磨 耗层 p o r o u sw e a r i n gc o u r s e 或多孔性防滑层 p o r o u sf r i c t i o nc o u r s e 5 粗骨架高结合料混合料 c m h b 近几年来 美国得克萨斯州运输局开发了一种新型的粗骨架高结合料含 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 量混合料 c m h b 的设计方法 它不需要添加剂或填料 在c m h b 混合料中 集料级配设计成粗碎石彼此互相接触 行车荷载由粗集料承担并向下传递 由于粗碎石是混合料中主要承担荷载的组成部分 就预防辙槽而言 混合料 对细和中等尺寸集料的质量和数量的依赖性明显减少 c m h b 采用得克萨斯 州的旋转式击实仪成型试件 确定最佳碎石含量 一般认为在最佳值之前的 区域是危险的不稳定区 为了保证生产过程中混合料中的粗集料含量不会低 于最佳值 设计中常将其在最佳值的基础上提高2 5 5 c m h b 具有良好的 工程特性 抗车辙能力强 并且在施工过程中不会产生离析 6 富集料碾压沥青混凝土 v i a c p t o p 瑞典使用的粗集料断级配沥青混凝土称v i a c p t o p v i a c p t o p 一5 m m 8 m m 标称最大粒径 用于上覆层 在原沥青面层 上加铺一薄层 v i a c p t o p 一1 2 m m 用做磨耗层 v i a c p t o p 1 6 m m 用做重交通道路上的磨耗层 v i a c p t o p 具有好的抗滑性能和抗车辙能力 1 2 3 2 国内抗滑表层主要形式 1 嵌压式抗滑表层在我国的应用 国内曾在砂粒式沥青混凝土上嵌入1 0 r a m 15 m m 或3 m m 一9 m m 抗滑 性能好的碎石 这种嵌压式磨耗层的优点是宏观构造度好和耐久性好 因抗 滑性能好的石料仅用于表面 需要的数量少 故在需远运石料的地区 使用 嵌压式磨耗层最经济1 1 2 1 2 沥青表处或乳化沥青稀浆封层 主要用于我国早期的沥青路面表层抗滑 由于其厚度较薄一般不作为持 力层 主要起磨耗层和保护层的作用 这类表层构造深度较小 耐久性差 但价格低廉 比较适合当时公路等级较低的情况 1 3 j 3 级配型抗滑沥青混凝土路面 七五 期间 我国的公路部门对抗滑表层展开较深入的研究 提出了a k 类抗滑表层的级配范围 这类抗滑表层要求路面既有一定的空隙率 又要控 制渗水量不能过高 粗集料以d d 4 d 为最大粒径 为主 约占总量的2 3 以提高路面的抗滑能力和抗车辙能力 d 4 以下的细集料部分以理想级配组 成 以提高混合料的稳定性和水稳性 抗滑表层a k 在我国多条高速公路上 得到了应用 也出现了很多问题 虽然该类沥青混凝土路面具有较大的构造 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 深度 抗滑性能较好 但在施工过程中发现 a k 类混合料离析比较严重 局 部空隙率较大 渗水严重 水损害威胁较大 早期破坏较多 4 多碎石沥青混凝土 s a c 1 9 8 8 年下半年 我国自主研究开发了多碎石沥青混凝土s a c l 6 并于同 年1 0 月底再北京一石家庄高速公路上铺筑1 0 多段实验路 此后通过实践 调整了4 7 5 以上碎石含量 到6 0 7 0 和填料含量 到6 1 0 形成 了s a c 系列 包括 s a c l 0 s a c l 3 s a c l 6 s a c 2 0 s a c 2 5 s a c 3 0 该类混凝土中碎石含量较大 碎石含量小于6 0 的属于悬浮式密实结构 碎 石含量在7 0 左右的属于紧密接触骨架密实结构 碎石含量在6 0 7 0 时为 一般骨架密实结构 s a c 系列混凝土w 一般都在4 左右 属于粗集料断级 配密实性沥青混凝土 具有优良的表面构造深度 抗滑性能较好 抗车辙能 力强 经几条高等级公路的实践证明 多碎石沥青混凝土面层既能提供较深 的表面构造 又具有传统i 型沥青混凝土那样的较小空隙及较小透水性 同 时又具有优良的摩擦系数和抗形变能力 动稳定度较高 换言之 多碎石沥青 混凝土既具备了传统i i i 型沥青混凝土的优点 同时又避免了两种传统沥 青混凝土结构形式的不足 但是由于施工控制等方面的原因 s a c 在一些路 段应用时出现了早期损坏现象 如表面松散 泛油等 引起了对s a c 的争论 有些省甚至否定了s a c 的优越性u 制 5 s m a 在我国的应用 我国1 9 9 1 年开始考察s m a 1 9 9 2 年在建设首都机场高速公路过程中首 次提出试用改性沥青 s m a 技术 1 9 9 8 年山东省在泰安 上海市在浦东 湖 北省在黄黄高速公路分别铺筑了试验路段 随后 北京市 河北省 辽宁省 吉林省 黑龙江等省的一些高速公路都开始采用s m a 结构 公路沥青路面 设计规范 j t j 0 1 4 已将s m a 正式列入规范 一些重要的高速公路将会设 计成s m a 路面 但调查结果现实 由于我国对于s m a 施工技术经验的欠缺 和施工的不规范性 虽然新修s m a 路面各项性能良好 具有较高的构造深度 和较大的摩擦系数 可在行车一段时间后 很多试验路段都产生了早期破坏 主要表现在泛油 水损害 粗糙度降低及变形开裂等现象 而且s m a 采用改 性沥青 沥青用量高 这都增加了公路的造价 因此 s m a 在我国的推广还 需要从技术和经济两方面认真地调查 分析和总结 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 3 本文研究的主要内容与方法 论文结合国道3 1 7 2 1 3 线都江堰至汶川公路的路面抗滑表层配合比设计 研究 从沥青混合料的级配组成入手 解决沥青路面的密实性和抗滑性能这 两个矛盾 主要研究内容如下 1 根据国内几种常用的抗滑表层沥青混合料路面 设计八组级配 进行 沥青混凝土矿料级配的室内试验 研究沥青混凝土密实性 抗滑性等性能与 矿料之间的关系 2 确定不同级配的混合料的最佳油石比 分析矿料含量比例的组成对用 油量的影响 并对沥青混合料进行高温耐久性 水稳定性 抗滑性能的分析 比较各组级配的优劣性 3 采用s a c 级配设计方法中的v c a d r f 和v c a a c 方法对级配进行检验 分析集料的骨架特性 根据多级嵌挤密级配沥青混合料设计方法 分析贝雷 法的c a 值检验对级配骨架的检验结果 并综合比较两种方法的检验结果 分析骨架的形成条件和检验方法 4 选定两组级配进行试验路的生产配合比设计 研究沥青路面抗滑表层 的使用性能 包括平整度 构造深度 抗滑特性 水稳定性 根据试验路的 试验结果 综合分析各种因素 确定最优级配 指导施工 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章沥青混合料矿料级配理论及设计方法 2 1 矿料级配理论及设计基本方法 矿料级配是指沥青混合料中矿料不同粒径的分布 一般采用各个筛孔的 通过率表示 它是沥青混合料中矿料的最重要特性 几乎影响到沥青混合料 的所有重要特性 包括劲度 稳定性 耐久性 渗水性 施工和易性 抗疲 劳能力 抗滑能力甚至抗开裂能力 美国沥青路面协会n a p a 的资料指出 对于高压力作用下的沥青混合料 如果是一个稳定的混合料 高温车辙的抗 力8 0 是由集料骨架结构提供的 其余的2 0 是由沥青胶结料提供 关于级配理论的研究 最早起源于我国的剁积理论 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是在1 0 0 年之前 美国一些 学者开始研究矿料的级配问题 直到2 0 世纪初 美国学者f u l l e r 根据最大密 度理论提出了连续密级配计算公式 p d 1 0 0 x n 5 式中 d 为矿质集料的最大粒径 m m d 为希望计算的某级矿质集料的粒径 m m p d 为希望计算的某级矿质集料的通过百分率 这种级配设计方法是为了适应当时的碾压设备及交通荷载组成 以寻求 最大密度的矿料级配为目的 富勒曲线后来成为各种级配曲线 连续密级配 间断级配 开级配 组成形式 计算方法 k 法 i 法 的理论基础 但是 随着交通状况 交通组成 轮胎压力等 的不断变化 沥青路面相应出现了 不同形式的破坏现象 为了解决这些破坏情况 国内外道路工作者投入大量 精力就影响沥青混凝土性质的级配设计理论和设计方法进行了深入研究 总 体说来 断密级配 间断级配所形成的嵌挤密实型 骨架密实型 骨架空隙 型混合料正逐渐得到越来越多的应用 替代了原来的连续密级配的设计方法 如 美国的s h r p 设计方法 贝雷法 国内的c a v f 法以及s a c 矿料级配 设计方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 1 1s u p e r p a v e 设计方法 美国公路战略研究计划 s h r p 是根据美国国家科学研究委员会 n r c 运输研究委员会 t i m 为美国联邦公路局 f h w a 提出的一项特别研究报 告一 美国公路 加速寻求新技术 而制定的 s h r p 沥青课题的最终研究成果 称为s u p e r p a v e 即高性能沥青路面的意思 它由胶结料 p g 分级 规范 混合料设计体系和分析方法等部分组成 本节简单介绍s h r p 的级配设计理 论 混合料设计方法将在下节介绍 s u p e r p a v e 混合料体积设计的级配选择是通过控制点和限制区来进行的 它在最大密度曲线的基础上根据试验提出了7 个控制点和1 个限制区 设 置控制点是希望集料级配不得超出规定的区间 控制点分别放设于公称最大 尺寸筛 中等筛 2 3 6 r a m 和最小筛 0 0 7 5 m m 处 限制区在最大密度级配线中 等筛和0 3 r a m 筛之间 是一个级配不能通过的带 由于限制区特有的鸵峰形 所以通过这个区域的级配称为 鸵峰级配 设置限制区的目的有两个 一是 为了限制砂的用量 二是为了提供足够的矿料间隙率v m a 在多数情况下 鸵峰级配表示为一种多砂混合料 或相对于总砂量来说细砂太多的混合料 这种级配的混合料在施工期间常会出现压实问题 并表现出在使用期间抗永 久变形能力不足等问题 而且 集料级配通过限制区容易造成v m a 过小 这种级配对沥青含量过分敏感 因此 设计集料结构时应使设计级配处于控 制点间并避开限制区以满足s u p e r p a v e 的要求 以s u p l 2 5 为例 其2 3 6 以下部分细集料含量一般在3 5 5 0 之间 因 此该方法设计的矿料级配密实性较好 但是骨架性不足 是一种悬浮式密实 结构 国内有学者认为 针对于我国的实际情况 s u p 推荐的控制点范围很 宽 实用价值不大 禁区的设置随着研究的进一步深入及实践经验均证明没 有必要 其矿料级配设计方法没有明确的原则 属于纯经验性 l5 1 2 1 2 贝雷法 级配设计方法 贝雷法 级配设计方法是美国伊利诺州交通部的r o b e r td b a i l e y 先生进 行了大量研究而提出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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 果 贝雷法评估级配的内容包括以下方面 1 评估粗 细集料各自的填充特 性 2 粗 细集料的定义 3 不同尺寸的粒料比例评估 4 评估各组成集料 和合成集料的体积特性 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 系数也不同 如图1 1 所示 当组成颗粒全为圆形时 空隙尺寸为颗 粒直径d 的0 1 5 倍 当组成颗粒为2 圆形1 片状时 空隙尺寸为颗粒直径d 的o 1 5 倍 当组成颗粒为l 圆形2 片状时 空隙尺寸为颗粒直径d 的o 2 4 倍 当组成颗粒全为片状时 空隙尺寸为颗粒直径d 的0 2 9 倍 综合考虑 形成第一级填充的细集料平均直径为最大公称粒径的0 2 2 倍 因此0 2 2 d 处 尺寸为 贝雷法 的主要控制粒径 也是 贝雷法 粗 细集料的划分点 呵留留留 1 2 3 4 全部圆形 0 1 5 d2 圆形 l 片状 0 2 0 d 1 圆形 2 状 0 2 4 d全部片状 0 2 9 d 图2 1 贝雷法 平面圆数学模型 贝雷法 要求矿料形成多级嵌挤状态 对粗集料部分提出c a 比的要求 对粗集料的级配进行约束 c a 比过大不能形成粗集料骨架结构 大小则容易 出现离析和压实方面的问题 同样 为了保证第二级和第三级形成嵌挤状态 对于细集料部分采用f a c 比和f a f 比对级配进行约束 c 么 r n 悯 n r d c s 1 0 0 一r n m 口s d f a c 丝q 鼻船 p 尉 二 卫 p f a c 式中 n m p s 一最大公称尺寸处 n m p s 2 一最大公称尺寸的二分之一处 p c s 一粗细集料的分界点 为最大公称尺寸 n m p s 的o 2 2 倍处 该点是形 成嵌挤的第一级分界点 p p c r p c s 点的通过率 p f a r 第二级分界点 s c s p c s 的o 2 2 倍 处的通过率 p f a r 第三级分界点 t c s s c s 的o 2 2 倍 处的通过率 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 1 3c a v f 设计方法 主骨料空隙填充法 c o u r s ea g g r e g a t ev o i df i l l i n gm e t h o d 记为c a v f 法 是由国内张肖宁教授等提出的一种强调主骨架的嵌挤作用 又利用细集料的 填充 粘结作用的设计方法 该方法假定细集料的颗粒不对粗骨料的嵌挤结 构形成干涉 假定细集料与沥青混合的胶浆也不对粗骨料的嵌挤结构形成干 涉 为了发挥粗集料作为主骨料的嵌挤能力 方法要求细集料 矿粉 沥青 和设计空隙率应该以不超过v c a d r c 的体积和用来填充主骨料紧密堆积的空 隙率 16 1 用q q f q p q 分别表示粗集料 细集料 矿粉以及沥青用量的质量百 分率 p 表示粗骨料紧装密度 p f p 中分别表示细集料 矿粉的表观密度 p 表示沥青的密度 根据c a v f 法的设计体积关系可得 q q q p 1 0 0 赢乏c 删一吒 2 薏 丢 薏 自1 9 9 1 年提出这一方法的框架以后 先后在我国东北 华南等地区得以 应用 在北京等地也铺筑了使用这一方法的实验路 c a v f 法在实践中不断得 到完善 并陆续用于密断级配 s m a 级配 o g f c 级配 半柔性路面和富沥 青含量级s t l 7 0 8 1 9 的沥青路面设计中 2 1 3s a c 矿料级配设计方法 s a c 矿料级配分为粗榘料 细集料和填科二个部分 租细集料的分界线 统一定为4 7 5 m m 在初试级配时 要求设定出三个或四个控制筛孔 公称最 大粒径 4 7 5 m m 4 7 5 m m 0 0 7 5 m m 之间的某个筛孔合o 0 7 5 m m 的通过量 利用下式计算粗集料级配 耻叙砖r 1 耻叙 老广 2 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 只 a l 占 3 d 一 式中 d i 为某筛孔尺寸 m m p d i 为筛孔尺寸d i 的通过率 d m 戤为矿料 的最大粒径 m m p l 为公称最大粒径筛孔通过率 p 2 为4 7 5 r a m 筛孔的 通过率 d l 为公称最大粒径筛孔尺寸 m m d 2 为4 7 5 m m a b 为系数 联立公式 2 和公式 3 可求得系数a b 的值 然后将其代入公式 1 即可求得粗集料任意筛孔的通过率 细集料级配计算公式与粗集料级配计算公式相同 只是将公式 1 右侧 的d m 瓠改为4 7 5 m m 并联立以下两个公式 j 只 4 三 1 口 4 4 7 5 只 a 二三 占 5 4 7 5 式中 p 3 为0 0 7 5 m m 筛孔的通过率 d 3 为0 0 7 5 m m 其余参数与 上述相同 将系数a b 值代入细集料级