铜汤路面中面层聚酯纤维目标配合比设计

铜黄高速公路（铜汤三标）铜黄高速公路（铜汤三标） 中面层沥青混合料（AC-20C） 目标配合比设计及路用性能研究 东南大学交通学院东南大学交通学院 二二 OO 七年五月七年五月 铜黄高速公路(铜汤三标) 中面层沥青混合料目标配合比设计及路用性能研究 目目 录录 1 研究背景.1 2 原材料性能测试.1 2.1 沥青.1 2.2 集料.2 2.3 矿粉.3 2.4 纤维.3 3 级配的选择.3 4 沥青混合料试验研究.4 4.1 马歇尔试验.5 4.2 水稳定性试验.7 4.2.1 浸水马歇尔试验.8 4.2.2 真空饱水冻融循环劈裂强度试验.8 4.3 劈裂强度试验.9 4.4 车辙试验.9 4.5 渗水试验.10 4.6 试验小结.10 参考文献.12 铜黄高速公路(铜汤三标) 中面层沥青混合料目标配合比设计及路用性能研究 1 1 研究背景研究背景 20 世纪 90 年代以来，我国的高速公路从无到有，飞速发展，目前通车总 里程已超过 3 万公里。其中，沥青路面以其良好的行车舒适性、优异的使用性 能、建设速度快和维修方便等特点在我国也得到了广泛的应用。资料表明，国 内近期在建、重建的高速公路有 90%以上采用沥青路面。鉴于高等级公路在国 民经济中的重要地位，沥青路面的路用性能具有举足轻重的意义，随着新型面 层材料、级配的问世和工程实践的进一步深化，道路工程界开展了有关材料组 成设计、材料性能等方面的研究。经过近二十年的努力，我国在沥青路面的结 构设计、材料、施工和检测方面积累了大量的经验，取得了许多理论上的重大 进展，并形成了一套完整的技术体系。 虽然如此，国民经济的高速发展带来的交通量迅速增长、车辆大型化、严 重超载等现象使沥青路面面临着严峻的考验，许多沥青路面高速公路建成后不 久就不能适应交通的需要，早期破坏的情况时有发生。沥青路面早期破坏现象 主要有两种，其一为雨季出现的水损害，其二为高温季节出现的车辙，前者更 为常见。沥青路面发生早期破坏，除了施工工艺与质量控制方面的原因之外， 沥青混合料设计不当，或者缺乏一个比较规范的混合料设计方法也是主要原因 之一。 影响沥青混合料路用性能的因素主要有沥青的性质、集料性能、集料级配、 集料与沥青间的粘附性以及沥青用量等，在沥青和集料等原材料确定的情况下， 要设计路用性能优越的沥青混合料就必须根据所设沥青混合料面层的受力特性 和功能要求通过设计合理的级配和选择合适的沥青用量以满足设计要求。本研 究就是在这一指导思想下，在选择优质的材料使其技术指标均满足公路沥青 路面施工技术规范 （JTG F40-2004）的基础上，对铜黄高速公路中面层沥青混 凝土进行配合比优化设计，从而使设计的沥青路面具有良好的路用性能。 2 原材料性能测试原材料性能测试 优质的原材料是保证沥青混合料具有优良路用性能的先决条件，为了满足 气候环境与交通对路用性能的要求，必须做好原材料的选择。本研究通过测试 沥青、粗集料、细集料和矿粉等材料的性能和技术指标来检测材料是否满足规 范要求，从而完成原材料的选择。 2.1 沥青沥青 拌制沥青混合料所用的沥青材料其技术要求随气候条件、交通情况、沥青 混合料的类型和施工条件等因素而异，铜黄高速（铜汤三标）中面层沥青混凝 土采用环宇 SBS 改性沥青，其技术指标基本满足 JTG F40-2004公路沥青路面 铜黄高速公路(铜汤三标) 中面层沥青混合料目标配合比设计及路用性能研究 2 施工技术规范 ，也满足铜黄高速（铜汤三标）的招标文件，实测技术指标见表 1： 表 1 环宇环宇 SBS 改性沥青的试验指标与技术改性沥青的试验指标与技术要求 检验项目试验指标技术要求检测方法 针入度（25，100g，5S）(0.1mm)515070 针入度指数 PI +0.29-0.2 T0604 延度（5cm/min,5）(cm) 3530T0605 软化点（环球法） （）8970T0606 运动粘度 135 (Pa.s)2.43T0625 闪点（COC）() 320230T0611 溶解度（三氯乙烯） （）99.8499T0607 弹性恢复(25)9775T0662 贮存稳定性离析,48h 软化点差1.02.0T0661 质量损失（） +0.010.8T0609 针入度比 25（）8665T0604 旋转薄膜加 热试验 163， 5h延度（5） （cm）2315T0605 密度（15） （g/cm3）1.0301.0T0603 动力粘度 60(Pa.s) 177275000T0620 Superpave 性能等级PG76-22PG76-22 AASHTO M320-03 2.2 集料集料 集料是沥青混合料的关键材料之一，其力学性能是决定混合料强度特性的 最重要因素，它的颗粒形状不仅影响混合料的构架，也直接关系到混合料的抗 车辙能力与抗疲劳性能等材料特性，此外，集料与沥青的粘附等级对混合料强 度的形成也起关键作用，因此选择优质的集料是沥青混合料具有优良路用性能 的重要保证。粗、细集料的试验指标分别见表 2、表 3： 表 2 石灰岩粗集料的试验指标与技术要求 试验项目试验指标技术要求试验方法 压碎值(%)25.126T0316-2000 洛杉矶磨耗损失()19.926T0317-2000 视密度(g/cm3)2.7262.60 吸水率()0.132.0 T0308-2000 与沥青的粘附性(级)44T0616-1993 针片状含量()9.615T0312-2000 坚固性1.712T0314-2000 软石含量2.93T0320-2000 水洗法0.075mm（）0.901.0T0302-2000 铜黄高速公路(铜汤三标) 中面层沥青混合料目标配合比设计及路用性能研究 3 表 3 石灰岩细集料的试验指标与技术要求 试验项目试验指标技术要求试验方法 视密度（g/cm3）2.7112.60T0330-2000 坚固性3.712T0334-1994 砂当量（）77.075T0340-1994 2.3 矿粉矿粉 沥青混合料的填料宜采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等石料经磨细得 到的矿粉，铜黄高速公路（铜汤三标）所采用的石灰石矿粉技术指标均满足规 范的技术要求，实测试验指标见表 4： 表 4 矿粉的试验指标与技术要求 试验项目试验指标技术要求试验方法 视密度 （g/cm3） 2.6682.50T0352-2000 含水量(%)0.21.0T0332-1994 0.6mm(%)100100 0.15mm(%)95.190100 粒度 范围 8.02050 1. 油石比与各项指标的关系曲线图油石比与各项指标的关系曲线图 铜黄高速公路(铜汤三标) 中面层沥青混合料目标配合比设计及路用性能研究 6 2.330 2.340 2.350 2.360 2.370 2.380 2.390 2.400 2.410 2.420 3.03.54.04.55.05.56.0 油石比（） 毛体积密度（g/cm3） 毛体积密度变化曲线 图 2 油石比与毛体积密度关系曲线 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 3.03.54.04.55.05.56.0 油石比（） 空隙率（） 空隙率变化曲线 图 3 油石比与空隙率关系曲线 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 80.0 85.0 3.03.54.04.55.05.56.0 油石比（） 饱和度（） 饱和度变化曲线 图 4 油石比与饱和度 VFA 关系曲线 铜黄高速公路(铜汤三标) 中面层沥青混合料目标配合比设计及路用性能研究 7 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 3.03.54.04.55.05.56.0 油石比（） 稳定度（kN） 稳定度变化曲线 图 5 油石比与稳定度关系曲线 20 25 30 35 40 45 50 55 60 3.03.54.04.55.05.56.0 油石比（） 流值（0.1mm） 流值变化曲线 图 6 油石比与流值关系曲线 2最佳油石比的确定最佳油石比的确定 由上图中曲线及沥青混合料技术标准可知，密度没有出现最大值，直接 取目标空隙率 4.0%对应的油石比为最佳沥青用量的初始值 OAC1，即 OAC1=4.55%。 由图中曲线可知，各项指标均符合沥青混合料技术标准的油石比范围为： 4.254.95，即 OACmin4.25，OACmax4.95则中值 OAC2=（OACminOACmax）/2（4.254.95）/24.60。 取 OAC1 和 OAC2的中值为最佳油石比，即定最佳油石比 OAC=（OAC1OAC2）/2（4.554.60）/24.6。 4.2 水稳定性试验水稳定性试验 沥青混合料的水稳定性是指抵抗受水侵蚀后逐渐产生的沥青膜剥落、掉粒 和坑槽等破坏的能力。评价水稳定性试验的方法是测定沥青混合料在浸水前后 铜黄高速公路(铜汤三标) 中面层沥青混合料目标配合比设计及路用性能研究 8 力学性能的变化，以浸水后的力学性质和原性质的对比作为对剥落的间接量度， 沥青混合料在饱水的情况下强度降低越小，说明水稳定性越好。 本研究中采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性 能。 4.2.1 浸水马歇尔试验浸水马歇尔试验 沥青混合料分别采用最佳油石比成型的试件在 60恒温水槽中的保温时间 为 48h，其余试验方法均与标准马歇尔试验相同。试件的浸水残留稳定度根据 下式计算： . （1） 100 1 0 MS MS MS 式中：MS0试件的浸水残留稳定度，%； MS1试件浸水 48h 后的稳定度， kN； MS试件的稳定度，kN。 表 7 沥青混合料浸水马歇尔试验结果 沥青混合料类型 正常稳定度 （kN） 浸水稳定度 （kN） 残余稳定度 （%） 技术要求 （%） AC-20C 加纤维13.611.685.785 如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的浸水残余稳定度满 足规范要求。 4.2.2 真空饱水冻融循环劈裂强度试验真空饱水冻融循环劈裂强度试验 该试验采用马歇尔击实法成型圆柱体试件，击实次数为正反两面各 50 次。 试验时，将试件随机分为两组，每组 4 个，将第二组试件以标准的饱水试验方 法真空饱水，再放入塑料袋中加入约 10ml 水，扎紧袋口，将试件放入-18的 冰箱保持 16h，取出试件立即放入已保持为 60的恒温水槽中，撤去塑料袋， 保持 24h。然后，将两组试件全部浸入温度 25的恒温水槽中 2h。 取出试件立即进行劈裂试验，求得最大荷载，冻融劈裂抗拉强度比按下式 计算： . （2） 100 1 2 T T R R TSR 式中：TSR冻融劈裂强度比，； RT2冻融循环后第二组试件的劈裂抗拉强度，MPa； RT1未冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度，MPa。 沥青混合料分别采用最佳油石比成型试件，冻融劈裂强度试验结果见下表： 铜黄高速公路(铜汤三标) 中面层沥青混合料目标配合比设计及路用性能研究 9 表 8 沥青混合料冻融劈裂强度试验结果 沥青混合料类型 RT1 (MPa) RT2 (MPa) TSR （%） 技术要求 （%） AC-20C 加纤维0.810.7086.580 如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的冻融劈裂强度比满 足规范要求。 4.3 劈裂强度试验劈裂强度试验 劈裂试验是对规定尺寸的圆柱体试件通过一定宽度的圆弧形压条施加荷载， 将试件劈裂直至破坏，测定其劈裂抗拉强度和破坏劲度模量。 沥青混合料采用最佳油石比成型标准马歇尔试件，试验条件符合沥青及 沥青混合料试验规程 （JTJ0522000）的要求，劈裂强度试验结果见下表： 表 9 沥青混合料劈裂强度试验结果（15） 沥青混合料类型劈裂抗拉强度 RT(MPa)破坏拉伸应变 T (*10-2)破坏劲度模量 ST(MPa) AC-20C 加纤维0.783.3354.5 如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的劈裂强度和劲度模 量均较小，而破坏拉伸应变较大。 4.4 车辙试验车辙试验 为了模拟沥青路面在车轮的反复作用下产生车辙的情况，在试验室采用一 个小型车轮在沥青混合料板块试件上进行往返行走试验，从而使板块试件形成 象实际沥青路面那样的辙槽，这种试验方法称为车辙试验。车辙试验是评价沥 青混合料抗车辙能力的较简单和有效的试验方法。该试验依据公路工程沥青 及沥青混合料试验规程 （JTJ052-2000）的要求并考虑到混合料均为粗粒式沥 青混合料将沥青混合料成型为 300mm300mm60mm 的板式试件，在同一轨道上 60温度下，以轮压为 0.7MPa 的实心橡胶轮作一定时间的反复碾压，形成车槽， 以辙槽深度（总变形量）RD 和动稳定度 DS（每产生 1mm 辙槽所需的碾压次数） 作为沥青混合料的抗车辙能力的评价指标。 沥青混合料试件的动稳定度按下式计算： .（3） 21 12 12 CC dd Ntt DS 式中：DS沥青混合料的动稳定度，次/mm； d1对应时间 t1 的变形量，mm； d2对应时间 t2 的变形量，mm； 铜黄高速公路(铜汤三标) 中面层沥青混合料目标配合比设计及路用性能研究 10 C1试验机类型修正系数； C2试件系数； N试验轮往返碾压速度，通常为 42 次/min。 沥青混合料采用试验室确定的最佳油石比成型试件，在 60温度下进行车 辙试验，其试验结果见下表： 表 10 车辙试验结果 沥青混合料类型动稳定度 DS(次/mm)总变形量 d2(mm) AC-20C 加纤维45732.460 技术要求3000 如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的车辙动稳定度满足 规范要求，总变形量也在合理范围内。 4.5 渗水试验渗水试验 在沥青混合料配合比设计阶段进行沥青混合料的渗水试验是非常重要的。 试验方法主要参照 T0730-2000，混合料试件即采用按轮碾法制作的车辙板。在 试验过程中，应仔细观察渗水的情况正常情况下水应通过混合料的内部空隙从 试件的反面及四周渗出，如果水是从底座与密封材料间渗出，说明底座与试件 密封不好，应另采用干燥试件重新操作。 对 AC-20C 沥青混合料的车辙板进行渗水试验，结果表明试验时水面下降 至一定程度后基本保持不动(即只填充了仪器与试件之间的空隙)，说明试件基 本不透水，具有较好的不透水性。 影响沥青路面渗水性的原因，包括：沥青用量、集料级配(密实型和骨架型)和 空隙率等。从根本上看，沥青路面的渗水性与其空隙率有着直接关系，沥青用 量和集料级配是通过影响空隙率的大小来影响其渗水性的，是间接的影响因素。 一般来说：沥青混合料的空隙率小于 4%时，基本上是不透水的；当空隙率超过 7%时，该结构层属于透水的。在施工中，也是通过控制空隙率的大小来改变沥 青混合料的透水性的。最佳油石比下，本试验中混合料的空隙率控制在 4.0%左 右，又由于纤维的添加必然对混合料内部空隙产生分割堵塞作用，使联通空隙 大为减少。按照前面的观点，属于不透水的，与试验结果相符。 4.6 试验小结试验小结 现将沥青混合料性能的试验结果和技术要求整理于下表： 铜黄高速公路(铜汤三标) 中面层沥青混合料目标配合比设计及路用性能研究 11 表 12 中面层中面层实测试验结果和技术要求 沥青混合料类型 指标和试验结果 AC-20C 加纤维规范要求试验方法 最佳油石比(%)4.6 空隙率(%)4.33.06.0T0708 矿料间隙率（%）14.613T0708 饱和度（%）70.46575T0708 稳定度（kN）13.58T0709 流值（0.1mm）372050T0709 浸水残余稳定度 MS0(%)85.785T0709 水稳性能 冻融劈裂强度比 TSR(%)86.580T0729 动稳定度 DS(次/mm)45733000 车辙试验 总变形量 d2(mm)2.460 T0719 劈裂抗拉强度 RT(MPa)0.78 破坏拉伸应变 T (*10-2)3.33劈裂强度试验 破坏劲度模量 ST(MPa)54.5 T0716 渗水试验渗水系数（ml/min）不渗水100T0730 试验结果分析： （1）铜黄高速公路(铜汤三标) 中面层沥青混凝土 AC-20C 加纤维目标配合 比确定的最佳油石比为 4.6。研究过程中采用的性能试验的试验结果表明， 在最佳油石比条件下成型的沥青混合料各项路用性能指标均能较好的满足 JTG F402004公路沥青路面施工技术规范的技术要求。 （2）本报告供施工单位施工时参照使用，沥青混合料的透水性及施工和易 性应通过铺筑试验路做进一步评价。 铜黄高速公路(铜汤三标) 中面层沥青混合料目标配合比设计及路用性能研究 12 参考文献参考文献 1 沈金安沥青及沥青混合料路用性能研究M北京：人民交通出版社， 2001 2 沙庆林高速公路沥青路面早期破坏现象及预防M北京：人民交通出版 社，2001 3 William R.Vavrik，William J.Pine，Samuel