半开级配SBS改性沥青混合料配合比设计与性能优化研究

半开级配SBS改性沥青混合料配合比设计与性能优化研究一、引言1.1研究背景与意义1.1.1研究背景随着我国经济的快速发展，交通量日益增长，对道路的承载能力、耐久性和舒适性提出了更高的要求。道路作为交通运输的基础设施，其质量直接关系到交通运输的效率和安全。传统的沥青混合料在高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性等方面存在一定的局限性，难以满足现代交通的需求。在这种背景下，半开级配SBS改性沥青混合料应运而生。SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）作为一种常用的改性剂，能够显著改善沥青的性能。将其应用于半开级配沥青混合料中，可使混合料兼具较好的高温稳定性、低温抗裂性以及一定的排水性能。半开级配SBS改性沥青混合料的空隙率介于开级配和密级配之间，这种结构特点使其在保证路面强度的同时，能有效排除路表积水，提高路面的抗滑性能和行车安全性，在多雨地区和重载交通路段具有广阔的应用前景。然而，目前半开级配SBS改性沥青混合料在配合比设计方面还缺乏统一、完善的方法，不同地区、不同工程的配合比差异较大，导致其性能不稳定。同时，对于其各项性能的研究还不够深入，在实际应用中可能出现一些问题，如早期损坏、耐久性不足等。因此，开展半开级配SBS改性沥青混合料配合比设计及性能研究具有重要的现实意义。1.1.2研究意义本研究旨在通过对半开级配SBS改性沥青混合料配合比设计及性能的深入研究，为其在道路工程中的应用提供理论依据和技术支持，具体意义如下：提高路面性能：通过优化配合比设计，使半开级配SBS改性沥青混合料具有更好的高温稳定性，能够有效抵抗高温下的车辙变形；具备优良的低温抗裂性，减少低温环境下路面裂缝的产生；拥有良好的水稳定性，降低水损害对路面的影响，从而全面提高路面的使用性能和耐久性，延长道路的使用寿命。降低成本：合理的配合比设计可以在保证路面性能的前提下，优化材料的使用，减少昂贵材料的用量，降低工程造价。同时，由于路面性能的提高，减少了道路维修和养护的频率和成本，从长期来看具有显著的经济效益。促进材料应用：深入研究半开级配SBS改性沥青混合料的性能，有助于进一步推广这种新型材料在道路工程中的应用，丰富道路建筑材料的种类，推动道路工程技术的发展，以适应不断增长的交通需求和复杂的工程环境。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究进展国外对沥青混合料的研究起步较早，在半开级配SBS改性沥青混合料领域积累了丰富的经验。在配合比设计方法方面，美国材料与试验协会（ASTM）以及各州公路与运输工作者协会（AASHTO）制定了一系列标准和规范，为沥青混合料的配合比设计提供了重要依据。例如，Superpave设计方法以旋转压实仪（SGC）为核心，通过对沥青混合料体积特性、力学性能以及路用性能的综合分析，确定合理的矿料级配和沥青用量，在半开级配沥青混合料的设计中也得到了广泛应用。这种方法考虑了集料的粗细程度、级配分布以及沥青的性质等因素，能够较好地适应不同的交通和气候条件。在性能研究方面，国外学者通过大量的室内试验和现场观测，对半开级配SBS改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和疲劳性能等进行了深入研究。在高温稳定性研究中，采用车辙试验、汉堡车辙试验等方法，分析不同因素对混合料抗车辙能力的影响。研究发现，SBS改性剂的添加能够显著提高沥青的粘度和弹性，从而增强混合料的高温稳定性。例如，德国的研究表明，在半开级配沥青混合料中加入适量的SBS改性剂后，车辙深度明显减小，路面在高温重载条件下的抗变形能力得到有效提升。对于低温抗裂性，国外学者运用低温弯曲试验、直接拉伸试验等手段，探究混合料在低温环境下的力学性能和开裂机理。结果显示，SBS改性沥青混合料由于其良好的柔韧性和低温延展性，能够有效抵抗低温裂缝的产生和扩展。美国的一些研究项目通过长期监测发现，使用SBS改性沥青的半开级配路面在寒冷地区的低温抗裂性能明显优于普通沥青路面，减少了路面因低温开裂而导致的早期损坏。在水稳定性研究方面，通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验等方法，评估混合料在水作用下的性能变化。国外研究表明，合理的级配设计和抗剥落剂的使用可以提高半开级配SBS改性沥青混合料的水稳定性，降低水损害的风险。例如，日本在一些多雨地区的道路建设中，采用特殊的级配设计和添加抗剥落剂的措施，使半开级配SBS改性沥青混合料的水稳定性满足了当地的工程要求，提高了路面的使用寿命。1.2.2国内研究现状国内在半开级配SBS改性沥青混合料的研究方面也取得了显著成果。在材料性能研究方面，众多学者对SBS改性沥青的性能改善机理进行了深入探讨。研究发现，SBS改性剂与基质沥青之间通过物理和化学作用形成了一种新的结构，从而改变了沥青的流变性能和物理性能。例如，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析、扫描电子显微镜（SEM）观察等手段，揭示了SBS改性剂在沥青中的分散状态和相互作用机制，为进一步优化改性沥青的性能提供了理论依据。在工程应用方面，随着我国交通基础设施建设的快速发展，半开级配SBS改性沥青混合料在高速公路、城市道路等工程中得到了越来越广泛的应用。例如，在一些重载交通路段和多雨地区，采用半开级配SBS改性沥青混合料铺筑路面，有效提高了路面的使用性能和耐久性。在实际工程中，结合当地的气候条件、交通荷载等因素，对混合料的配合比进行了优化设计，以满足工程的具体要求。同时，通过对工程实例的跟踪监测和分析，总结了半开级配SBS改性沥青混合料在施工工艺、质量控制等方面的经验和教训，为其在更多工程中的应用提供了参考。在配合比设计方法方面，国内在借鉴国外先进经验的基础上，结合我国的实际情况，开展了相关研究和实践。例如，一些研究机构和高校提出了基于体积参数设计的半开级配SBS改性沥青混合料配合比设计方法，通过对矿料间隙率（VMA）、有效沥青含量等体积参数的控制，确定合理的配合比。这种方法考虑了我国道路工程中常用的材料特性和施工工艺，具有较强的实用性和可操作性。此外，还有学者利用数值模拟方法，如离散元法（DEM）等，对沥青混合料的级配设计和性能进行模拟分析，为配合比设计提供了新的思路和方法。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容半开级配SBS改性沥青混合料配合比设计：对粗集料、细集料、矿粉等原材料进行严格的性能检测，包括集料的压碎值、洛杉矶磨耗损失、针片状含量、含泥量，矿粉的亲水系数等指标，确保原材料符合技术要求。依据相关规范和经验，初步拟定多种矿料级配方案，通过计算不同级配下的矿料间隙率（VMA）、有效沥青含量等体积参数，筛选出满足设计要求的矿料级配范围。采用不同的SBS改性剂掺量制备改性沥青，通过针入度、软化点、延度等试验，分析改性剂掺量对沥青性能的影响规律，确定最佳的SBS改性剂掺量。基于选定的矿料级配和最佳SBS改性剂掺量，通过马歇尔试验，确定最佳沥青用量，并对最佳沥青用量下的混合料进行体积指标和力学性能指标的验证，如稳定度、流值、空隙率等。半开级配SBS改性沥青混合料性能研究：通过车辙试验，模拟车辆荷载在高温条件下对路面的反复作用，分析不同因素（如级配、沥青用量、改性剂掺量等）对混合料高温稳定性的影响，研究其抗车辙变形的能力。采用低温弯曲试验，测试混合料在低温环境下的抗弯拉强度、破坏应变等指标，探究其低温抗裂性能，分析温度、级配等因素对低温性能的影响规律。利用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，评估混合料在水作用下的强度损失情况，研究其水稳定性，分析抗剥落剂等添加剂对水稳定性的改善效果。通过疲劳试验，施加不同的应力水平和加载次数，分析混合料的疲劳寿命和疲劳性能，研究其在长期交通荷载作用下的耐久性。配合比参数对混合料性能的影响分析：运用正交试验设计方法，选取矿料级配、沥青用量、SBS改性剂掺量等主要配合比参数作为因素，以高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等性能指标为响应变量，进行多因素正交试验。通过对试验数据的统计分析，确定各配合比参数对混合料性能的影响主次顺序，以及各因素之间的交互作用，为配合比的优化提供科学依据。建立基于配合比参数的混合料性能预测模型，如采用多元线性回归、神经网络等方法，通过大量的试验数据对模型进行训练和验证，实现通过配合比参数预测混合料性能，为工程实践提供便捷的工具。1.3.2研究方法试验研究：进行原材料性能试验，对沥青、集料、矿粉等原材料的基本性能进行全面检测，为后续的配合比设计和性能研究提供基础数据。开展配合比设计试验，按照规范要求和设计方法，进行矿料级配设计、沥青用量确定等试验，通过马歇尔试验、体积指标计算等手段，确定最佳配合比。进行性能试验，运用车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、疲劳试验等室内试验方法，对不同配合比的半开级配SBS改性沥青混合料的各项性能进行测试和评价。理论分析：从材料组成和结构的角度，分析半开级配SBS改性沥青混合料的组成特点和结构形成机理，探讨其与性能之间的内在联系。运用材料力学、流变学等理论知识，对混合料在不同受力状态和环境条件下的力学性能进行分析，建立相应的理论模型，解释性能变化的原因。数值模拟：利用有限元软件，建立半开级配SBS改性沥青混合料的数值模型，模拟其在不同荷载和环境条件下的力学响应，如应力分布、应变发展等，分析混合料的性能表现，为试验研究提供补充和验证。采用离散元方法，对混合料中的集料、沥青和空隙等组成部分进行离散化处理，模拟其在加载过程中的相互作用和变形行为，从微观角度深入研究混合料的性能机制。二、半开级配SBS改性沥青混合料概述2.1SBS改性沥青2.1.1SBS改性沥青的组成与结构SBS改性沥青是在基质沥青中加入一定比例的SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性剂，经过溶胀、剪切、发育等工艺形成的一种新型沥青材料。SBS属于苯乙烯类热塑性弹性体，具有独特的分子结构。其分子由聚苯乙烯链段（S）和聚丁二烯链段（B）组成，呈现出两相结构，其中聚丁二烯为连续相，聚苯乙烯为分散相。这种结构赋予了SBS独特的性能，使其在常温下具有硫化橡胶的高弹性和抗疲劳性能，而在高温下又能表现出类似树脂的流动加工性。当SBS加入到基质沥青中后，在高温和强力剪切作用下，SBS颗粒逐渐溶胀并分散于沥青中。随着溶胀过程的进行，SBS分子与沥青分子之间相互作用，形成一种空间立体网络结构。在这个网络结构中，SBS的聚苯乙烯链段聚集在一起形成微区，分散于聚丁二烯连续相和沥青的混合体系中，起到物理交联、固定链段、硫化增强及防冷流作用。这种结构有效地改善了沥青的性能，使SBS改性沥青具有更好的温度稳定性、拉伸性能、弹性和内聚附着性能等。通过扫描电子显微镜（SEM）可以清晰地观察到SBS在沥青中的分散状态和形成的网络结构，进一步证实了两者之间的相互作用机制。2.1.2SBS改性沥青的性能特点高温稳定性：SBS改性沥青的高温稳定性得到显著提高。由于SBS形成的空间网络结构能够有效限制沥青分子的热运动，增加了沥青的粘度和弹性，使得改性沥青在高温下抵抗变形的能力增强。在高温条件下，普通沥青容易变软、流淌，导致路面出现车辙、拥包等病害。而SBS改性沥青能够保持较好的力学性能，减少车辙的产生，提高路面的使用寿命。例如，通过车辙试验对比发现，相同试验条件下，SBS改性沥青混合料的动稳定度比普通沥青混合料提高数倍，表明其具有更强的抗车辙能力。低温抗裂性：在低温环境下，SBS改性沥青表现出良好的柔韧性和低温延展性。SBS的弹性体特性使得改性沥青在低温时能够承受一定的拉伸变形而不发生开裂。当温度降低时，普通沥青的脆性增加，容易产生裂缝，而SBS改性沥青能够有效地缓解温度应力，降低裂缝产生的概率。通过低温弯曲试验等方法可以检测到，SBS改性沥青混合料的抗弯拉强度和破坏应变在低温下明显优于普通沥青混合料，说明其具有更好的低温抗裂性能。抗老化性：SBS改性沥青的抗老化性能也有明显提升。在紫外线、氧气等因素的作用下，普通沥青容易发生老化，导致性能劣化。而SBS的加入可以减缓沥青的老化速度，因为SBS能够吸收紫外线，减少沥青分子的氧化反应。同时，SBS形成的网络结构也增强了沥青的稳定性，使其在长期使用过程中性能变化较小。通过老化试验对比，发现SBS改性沥青在老化后的针入度、延度等指标变化幅度明显小于普通沥青，表明其具有更好的抗老化性能。粘结性：SBS改性沥青与集料之间具有更强的粘结能力。这种良好的粘结性使得沥青与集料能够紧密结合，形成稳定的混合料结构。在路面使用过程中，能够有效抵抗车辆荷载和自然因素的作用，减少集料的脱落和路面的损坏。例如，在水稳定性试验中，SBS改性沥青混合料在浸水条件下的强度损失明显小于普通沥青混合料，说明其粘结性能良好，能够提高路面的水稳定性。2.2半开级配沥青混合料的特点2.2.1半开级配的定义与级配范围半开级配沥青混合料是由适当比例的粗集料、细集料及少量填料（或不加填料）与沥青结合料拌和而成，压实后剩余空隙率在6%-12％的半开式沥青混合料，通常以AM表示。其矿料级配范围介于密级配和开级配之间。在这种级配中，粗集料起到主要的骨架支撑作用，细集料填充在粗集料的空隙之间，形成一种较为稳定的结构。半开级配沥青混合料的矿料级配需满足相关规范要求，不同公称最大粒径的半开级配沥青混合料，其级配范围有所差异。以AM-16为例，其通过不同筛孔尺寸的质量百分率大致范围为：16mm筛孔通过率100%，13.2mm筛孔通过率90%-100%，9.5mm筛孔通过率60%-85%，4.75mm筛孔通过率30%-60%，2.36mm筛孔通过率18%-40%，1.18mm筛孔通过率10%-28%，0.6mm筛孔通过率6%-20%，0.3mm筛孔通过率4%-16%，0.15mm筛孔通过率3%-12%，0.075mm筛孔通过率2%-10%。这种级配设计使得混合料在保证一定强度的同时，具有一定的空隙率，以满足其特定的性能需求。与密级配沥青混合料相比，半开级配沥青混合料的粗集料含量相对较高，细集料和矿粉含量相对较低，空隙率较大；而与开级配沥青混合料相比，其细集料和矿粉含量又相对较多，空隙率相对较小。这种独特的级配特点赋予了半开级配沥青混合料特殊的性能优势。2.2.2半开级配沥青混合料的性能优势排水性能：半开级配沥青混合料的空隙率在6%-12％之间，这些连通的空隙形成了排水通道。当路面有积水时，水能够迅速通过这些空隙排出路面，有效减少了路表水膜的形成。这不仅提高了雨天行车的安全性，减少了车辆打滑和水漂现象的发生，还能降低水对路面结构的损害，如减少水对沥青与集料之间粘结力的破坏，从而延长路面的使用寿命。在多雨地区的高速公路上，采用半开级配沥青混合料铺筑路面，能使路表积水迅速排出，大大提高了行车的安全性和舒适性。降噪性能：半开级配沥青混合料的多孔结构能够有效吸收和消耗车辆行驶过程中产生的噪声。噪声波在空隙中传播时，会与空隙壁发生摩擦和碰撞，将声能转化为热能而消散。与普通密级配沥青路面相比，半开级配沥青路面能够降低3-5dB的噪声。这对于改善道路周边环境的声学质量，减少交通噪声对居民生活的影响具有重要意义。在城市道路中，使用半开级配沥青混合料可以有效降低交通噪声，提高居民的生活质量。抗滑性能：由于半开级配沥青混合料的粗集料较多，且具有一定的空隙率，使得路面表面形成了粗糙的纹理。这种粗糙的表面增加了轮胎与路面之间的摩擦力，提高了路面的抗滑性能。在潮湿或低温等恶劣条件下，其抗滑性能优势更加明显。例如，在冬季下雪或结冰的路面上，半开级配沥青路面能够提供更好的抗滑能力，减少交通事故的发生。高温稳定性：半开级配沥青混合料中粗集料形成的骨架结构能够有效抵抗高温下的变形。在高温环境中，沥青会变软，而粗集料的骨架作用可以限制沥青的流动，使混合料保持较好的稳定性。同时，SBS改性沥青的加入进一步提高了混合料的高温稳定性。通过车辙试验可以发现，半开级配SBS改性沥青混合料的动稳定度明显高于普通沥青混合料，表明其具有更强的抗车辙能力。在重载交通路段，半开级配SBS改性沥青混合料能够更好地承受车辆荷载的反复作用，减少车辙病害的产生。三、半开级配SBS改性沥青混合料配合比设计3.1原材料选择与技术要求3.1.1粗集料粗集料在半开级配SBS改性沥青混合料中起着骨架支撑的关键作用，其性能直接影响着混合料的强度、稳定性和耐久性。在选择粗集料时，应优先选用质地坚硬、耐磨耗、表面粗糙且具有良好颗粒形状的石料。常用的粗集料有石灰岩、玄武岩等。粗集料的性能需满足一系列严格的技术要求。石料压碎值是衡量粗集料抵抗压碎能力的重要指标，应不大于26%，以确保在车辆荷载作用下不易被压碎，保持混合料的结构完整性。洛杉矶磨耗损失反映了粗集料的耐磨性能，应不大于28%，这有助于延长路面的使用寿命，减少因磨耗导致的集料损失。表观相对密度不小于2.60，较大的表观相对密度意味着集料的密实度较高，能够提高混合料的强度。吸水率不大于2.0%，低吸水率可减少水分对集料的侵蚀，降低水损害的风险。针片状颗粒含量（混合料）不大于15%，其中粒径大于9.5mm的针片状颗粒含量不大于12%，粒径小于9.5mm的不大于18%，过多的针片状颗粒会影响粗集料的嵌挤效果，降低混合料的稳定性。水洗法0.075mm颗粒含量不大于1%，以保证粗集料的洁净度。软石含量不大于3%，避免因软石的存在而降低混合料的强度。此外，对于路面抗滑表层的粗集料，还需具有更高的要求。应选用坚硬、耐磨耗、抗冲击力强的碎石或破碎砾石，不得使用筛选砾石、矿渣及软质集料，以确保路面具有良好的抗滑性能，保障行车安全。在实际工程中，需对粗集料的各项性能指标进行严格检测，确保其符合要求。3.1.2细集料细集料在半开级配SBS改性沥青混合料中主要起填充粗集料空隙、改善混合料工作性能和提高密实度的作用。细集料包括天然砂、机制砂和石屑。在质量控制方面，细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当的颗粒级配。天然砂的含泥量（小于0.075mm的含量）应不大于3%，过高的含泥量会影响细集料与沥青的粘结力，进而降低混合料的性能。机制砂和石屑的洁净程度可用砂当量或亚甲蓝值来衡量。砂当量不小于60%，亚甲蓝值应符合相应规范要求，这两个指标反映了细集料中小于0.075mm颗粒的洁净程度和吸附沥青的能力。表观相对密度不小于2.50，保证细集料具有一定的密实度。对于石屑，其规格应符合相关标准。采石场在生产石屑过程中应具备抽吸设备，以减少粉尘含量。机制砂宜采用专用制砂机制造，并选用优质石料生产，其级配应符合S15的要求。在使用细集料时，要注意其与粗集料、沥青的匹配性，通过合理的级配设计，使细集料能够充分填充粗集料的空隙，形成稳定的结构。同时，要严格控制细集料的质量，避免因质量问题影响混合料的性能。3.1.3填料填料在半开级配SBS改性沥青混合料中主要与沥青形成沥青胶浆，填充集料间隙，提高混合料的粘结力和稳定性。常用的填料为矿粉，一般采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到。矿粉应干燥、洁净，能自由地从矿粉仓流出。其表观密度不小于2.5t/m³，较大的表观密度有助于提高矿粉的密实度和稳定性。含水量不大于1%，防止因水分存在而影响矿粉与沥青的结合。粒度范围要求0.600mm筛孔通过率为100%，0.150mm筛孔通过率在90%-100%之间，0.075mm筛孔通过率在70%-100%之间，合适的粒度范围可保证矿粉在沥青中均匀分散，形成良好的沥青胶浆结构。严禁使用回收粉作为填料，因为回收粉中含有较多的尘土和杂质，会降低混合料的性能。在生产过程中，要严格控制矿粉的质量，定期对矿粉的各项指标进行检测，确保其符合要求。同时，要注意矿粉的储存条件，避免受潮结块，影响其使用效果。3.1.4SBS改性沥青SBS改性沥青是半开级配SBS改性沥青混合料的关键组成部分，其性能直接决定了混合料的路用性能。SBS改性沥青应满足一系列严格的技术指标。针入度（25℃，100g，5s）反映了沥青的稠度，一般要求在30-60（0.1mm）之间，合适的针入度使沥青在常温下具有良好的粘性和可塑性，便于施工操作。针入度指数PI不小于0，该指数表征了沥青的感温性，数值越大，表明沥青的温度稳定性越好。软化点（TR&B）不小于60℃，较高的软化点可提高沥青在高温下的抗变形能力，减少车辙等病害的产生。135℃运动粘度不大于3Pa・s，保证沥青在施工温度下具有良好的流动性，便于与集料均匀拌和。5℃延度（5cm/min）不小于20cm，延度体现了沥青的低温延展性，较大的延度可使沥青在低温环境下抵抗开裂的能力增强。弹性恢复25℃不小于75%，弹性恢复率反映了沥青的弹性性能，高弹性恢复率有助于沥青在受力变形后迅速恢复原状，提高混合料的抗疲劳性能。闪点（COC）不小于230℃，确保沥青在储存和施工过程中的安全性。溶解度（三氯乙烯）不小于99%，表明沥青中有效成分的含量高，杂质少。在选用SBS改性沥青时，应根据工程所在地的气候条件、交通荷载等因素进行综合考虑。在高温多雨地区，应选择软化点较高、水稳定性好的SBS改性沥青；在寒冷地区，则应注重沥青的低温延度和抗裂性能。同时，要选择质量稳定、信誉良好的生产厂家，确保SBS改性沥青的质量符合要求。在使用前，应对SBS改性沥青的各项技术指标进行严格检测，不合格的产品严禁使用。3.2矿料级配设计方法3.2.1传统级配设计方法传统的半开级配SBS改性沥青混合料矿料级配设计方法主要有试算法和图解法，它们在道路工程领域有着广泛的应用，是确定矿料配合比例的重要手段。试算法是一种基于经验和计算的级配设计方法。在使用试算法时，首先需要明确各种矿料的筛分结果。通过对粗集料、细集料和矿粉等不同粒径范围的矿料进行筛分试验，得到它们各自的粒径分布情况。然后，根据工程的具体要求和经验，初步拟定各种矿料的配合比例。在这个过程中，需要考虑到粗集料的骨架作用、细集料的填充效果以及矿粉与沥青的粘结作用等因素。接着，根据拟定的配合比例计算合成级配。通过加权平均的方法，将不同矿料的粒径分布进行组合，得到合成级配曲线。将合成级配曲线与规范要求的级配范围进行对比。如果合成级配曲线不在规范范围内，就需要调整各种矿料的配合比例，重新计算合成级配，直到满足规范要求为止。例如，在某工程中，通过试算法对三种不同规格的粗集料、两种细集料和矿粉进行级配设计，经过多次调整配合比例，最终得到了符合规范要求的合成级配。图解法是一种直观的级配设计方法。在使用图解法时，首先要绘制级配曲线坐标图。横坐标表示筛孔尺寸，纵坐标表示通过百分率。然后，将各种矿料的筛分结果绘制在坐标图上，得到各自的级配曲线。根据规范要求的级配范围，在坐标图上绘制出级配范围曲线。通过在级配范围曲线内调整各种矿料级配曲线的位置和比例，使合成级配曲线落在级配范围之内。这种方法可以直观地看到各种矿料之间的比例关系以及合成级配与规范要求的差异。例如，在另一个工程中，利用图解法对矿料进行级配设计，通过在坐标图上不断调整粗集料、细集料和矿粉的级配曲线，最终确定了合理的矿料配合比例。无论是试算法还是图解法，在确定矿料配合比例后，都需要进行马歇尔试验等进一步的验证。通过马歇尔试验，可以测定混合料的稳定度、流值、空隙率等指标。根据这些指标，判断混合料的性能是否满足工程要求。如果不满足要求，还需要对矿料级配进行进一步的调整和优化。传统级配设计方法虽然在一定程度上能够满足工程需求，但也存在一些局限性。它们主要依赖于经验和规范，对混合料内部结构和性能的深入分析不够，可能无法充分发挥材料的性能优势。3.2.2基于贝雷法的级配设计贝雷法是一种基于颗粒干涉理论的级配设计方法，其原理是通过控制集料的级配组成，使集料之间形成良好的嵌挤和填充关系，从而提高沥青混合料的性能。该方法以4.75mm为粗细集料的分界点，将集料分为粗集料、细集料和矿粉三个部分，并引入了贝雷参数来描述集料的级配特征。贝雷法的关键参数包括粗集料骨架间隙率（VCADRC）、细集料填充粗集料骨架间隙率（VCAMIX）以及矿粉与有效沥青的比例（FA/VA）。VCADRC反映了粗集料形成骨架后的空隙率，通过捣实试验确定。VCAMIX则是实际沥青混合料中细集料和沥青填充粗集料骨架间隙后的空隙率。当VCAMIX小于VCADRC时，表明细集料和沥青能够较好地填充粗集料骨架间隙，形成密实结构；反之，则可能出现骨架不密实或细集料过多的情况。FA/VA表示矿粉与有效沥青的比例，该参数对沥青混合料的粘结性能和耐久性有重要影响，合适的FA/VA值能够保证沥青胶浆具有良好的粘结力和稳定性。在半开级配设计中，基于贝雷法的设计步骤如下。首先，对粗集料进行捣实试验，测定VCADRC。然后，根据目标空隙率和设计要求，初步确定矿料级配。计算初步级配下的VCAMIX和FA/VA等参数。将计算得到的参数与经验范围进行对比。如果参数不符合要求，则调整矿料级配，重新计算参数，直至满足要求。例如，在某半开级配SBS改性沥青混合料的设计中，通过贝雷法对矿料级配进行优化。首先测定粗集料的VCADRC为0.42，然后初步拟定矿料级配，计算得到VCAMIX为0.38，FA/VA为0.65。经过与经验范围对比，发现VCAMIX略低于理想范围，于是适当增加细集料的比例，再次计算得到VCAMIX为0.40，FA/VA为0.63，满足了设计要求。通过这种方法，可以使半开级配SBS改性沥青混合料的矿料级配更加合理，从而提高混合料的性能。与传统级配设计方法相比，贝雷法更加注重集料之间的相互作用和结构关系，能够从理论上更深入地分析和优化级配，为半开级配SBS改性沥青混合料的设计提供了更科学的依据。3.3最佳沥青用量的确定3.3.1马歇尔试验马歇尔试验是确定半开级配SBS改性沥青混合料最佳沥青用量的常用方法，该方法通过对沥青混合料的物理力学性能进行测试，综合分析各项指标来确定最佳沥青用量。其具体步骤如下：试件制备：按照预定的矿料级配和不同的沥青用量（通常以间隔0.5%的比例设置5组，如4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%），将加热后的粗集料、细集料、矿粉与SBS改性沥青在规定温度下进行充分拌和。然后，利用马歇尔击实仪，在规定的击实次数（双面各75次或50次，根据工程实际情况确定）下制备马歇尔试件，试件的直径为101.6mm，高度为63.5mm±1.3mm。在制备过程中，要严格控制各种材料的加热温度和拌和时间，确保混合料的均匀性。例如，SBS改性沥青的加热温度一般控制在160-170℃，集料的加热温度比沥青高10-20℃，拌和时间根据试验设备和混合料特性确定，一般为3-5min。试件物理指标测定：测定试件的毛体积相对密度、理论最大相对密度等物理指标。毛体积相对密度通过表干法测定，将试件在水中浸泡一定时间后，称取其在水中的质量、表干质量和空中质量，根据公式计算得到毛体积相对密度。理论最大相对密度则通过真空法测定，将混合料放入真空干燥器中，抽真空后称取质量，再根据公式计算得出。通过这些物理指标，可以计算出试件的空隙率（VV）、矿料间隙率（VMA）和沥青饱和度（VFA）等体积参数。例如，空隙率计算公式为VV=(1-试件毛体积相对密度/理论最大相对密度)×100%，矿料间隙率和沥青饱和度也有相应的计算公式，这些参数对于评价沥青混合料的性能具有重要意义。力学性能测试：将制备好的试件在60℃恒温水浴中保温30-40min后，进行马歇尔稳定度和流值测试。马歇尔稳定度是指试件在规定的加载速度下，达到最大破坏荷载时的荷载值，单位为kN。流值是指在达到最大破坏荷载时，试件的垂直变形值，单位为0.1mm。稳定度和流值反映了沥青混合料在高温下的抗变形能力和承载能力。例如，在某工程的马歇尔试验中，随着沥青用量的增加，马歇尔稳定度先增大后减小，流值则逐渐增大，当沥青用量为5.0%时，稳定度达到最大值，流值也在合理范围内。最佳沥青用量确定：以沥青用量为横坐标，以空隙率（VV）、矿料间隙率（VMA）、沥青饱和度（VFA）、马歇尔稳定度和流值为纵坐标，绘制关系曲线。根据相关规范和经验，确定各项指标的合理范围。例如，半开级配SBS改性沥青混合料的空隙率一般要求在6%-12%之间，矿料间隙率不小于13%，沥青饱和度在55%-75%之间，马歇尔稳定度不小于8kN，流值在1.5-4.5（0.1mm）之间。通过综合分析这些指标，确定最佳沥青用量。通常，最佳沥青用量是各项指标均满足要求且稳定度较大、流值适中时对应的沥青用量。在实际工程中，还需要考虑工程所在地的气候条件、交通荷载等因素，对最佳沥青用量进行适当调整。3.3.2其他确定方法除了马歇尔试验法，还有其他一些方法可用于确定半开级配SBS改性沥青混合料的最佳沥青用量。析漏和飞散试验法：对于一些特殊的半开级配沥青混合料，如含有较多粗集料或使用了特殊添加剂的混合料，析漏和飞散试验法具有重要的参考价值。析漏试验用于检测沥青混合料在高温下沥青的析漏情况。将一定量的沥青混合料放入特制的析漏管中，在规定温度（通常为170℃）下保温一定时间（60min），收集从混合料中析出的沥青，通过测量析漏沥青的质量占混合料总质量的百分比，判断沥青用量是否合适。如果析漏百分比过大，说明沥青用量过多；反之，则可能沥青用量不足。飞散试验则是检验沥青混合料在受到外力冲击时集料的飞散情况。将马歇尔试件在洛杉矶磨耗试验机中以一定的转速（30-33r/min）旋转一定次数（500次）后，称取试件损失的质量，计算飞散损失百分比。飞散损失百分比过大，表明沥青与集料的粘结力不足，可能是沥青用量不够或沥青与集料的粘附性差。通过析漏和飞散试验，综合考虑沥青的析漏和集料的飞散情况，确定最佳沥青用量。例如，在某工程中，通过调整沥青用量，使析漏损失百分比控制在0.3%以内，飞散损失百分比控制在20%以内，从而确定了合适的沥青用量。经验公式法：经验公式法是根据大量的试验数据和工程实践经验，建立沥青用量与混合料性能之间的数学关系，从而估算最佳沥青用量。不同的研究机构和学者提出了多种经验公式。例如，一些公式考虑了集料的表面积、沥青的粘度、矿粉的含量等因素与沥青用量的关系。在使用经验公式时，需要根据实际工程中材料的特性和试验数据，对公式中的参数进行合理确定。经验公式法具有计算简便、快速的优点，但由于其基于经验，存在一定的局限性，对于不同地区、不同材料的适应性可能较差。因此，在实际应用中，需要结合其他方法进行验证和调整。例如，在某地区的道路工程中，利用经验公式初步估算出最佳沥青用量后，再通过马歇尔试验进行验证和微调，最终确定了符合工程要求的沥青用量。体积设计法：体积设计法是基于沥青混合料的体积特性来确定最佳沥青用量。该方法重点关注矿料间隙率（VMA）、有效沥青含量等体积参数。首先，根据工程要求和材料特性，确定目标空隙率和VMA的范围。然后，通过试验测定不同沥青用量下混合料的体积参数。在选择沥青用量时，确保VMA满足规范要求，同时使有效沥青含量处于合理范围。有效沥青含量是指与集料发生物理和化学作用、对混合料性能起关键作用的沥青含量。通过调整沥青用量，使混合料的体积参数达到最佳状态，从而确定最佳沥青用量。例如，在某半开级配SBS改性沥青混合料的设计中，根据目标空隙率和VMA的要求，经过多次试验调整沥青用量，最终使混合料的体积参数满足了设计要求，确定了最佳沥青用量。体积设计法能够从混合料的内部结构和体积特性出发，更科学地确定沥青用量，对于提高混合料的性能具有重要意义。四、半开级配SBS改性沥青混合料性能研究4.1高温性能4.1.1车辙试验车辙试验是评价半开级配SBS改性沥青混合料高温性能的常用方法，它通过模拟车辆轮胎在高温条件下对路面的反复碾压作用，来测试混合料抵抗永久变形的能力。其试验方法如下：采用轮碾成型法制作尺寸为300mm×300mm×50mm的车辙试验试件。将试件放入60℃（根据实际工程需求，也可采用其他温度，如70℃）的恒温室中保温，确保试件内部温度均匀达到试验温度。保温时间根据试件尺寸和试验设备要求确定，一般不少于5h，以保证试件充分受热。将保温后的试件置于车辙试验机的试验台上，试验轮采用实心橡胶轮胎，其接地压强为0.7MPa（误差不超过±0.05MPa）。启动试验机，试验轮以一定速度（通常为42次/min）在试件表面往返行走。在试验过程中，使用位移传感器或其他测量装置，实时记录试件的变形情况。试验持续进行，直至试件的变形达到一定程度或达到规定的试验时间。车辙试验的主要评价指标是动稳定度（DS），它表示试件在变形稳定期内，每产生1mm轮辙变形所需试验轮行走的次数，单位为次/mm。动稳定度越大，表明沥青混合料的高温稳定性越好，抵抗车辙变形的能力越强。其计算公式为：DS=(t2-t1)×N/(d2-d1)，其中，t1和t2分别为试验开始后和某一时刻的时间（min），N为试验轮往返碾压速度（次/min），d1和d2分别为t1和t2时刻对应的试件变形量（mm）。例如，在某半开级配SBS改性沥青混合料的车辙试验中，t1=45min，t2=60min，N=42次/min，d1=2.5mm，d2=3.5mm，则动稳定度DS=(60-45)×42/(3.5-2.5)=630次/mm。除动稳定度外，车辙试验还可以记录试件的最大变形量、变形随时间的变化曲线等数据。通过分析这些数据，可以更全面地了解半开级配SBS改性沥青混合料在高温下的变形特性和车辙发展规律。4.1.2静态蠕变与动态蠕变试验静态蠕变试验是在恒定荷载作用下，研究半开级配SBS改性沥青混合料变形随时间变化的试验方法。其试验过程为：首先，制备直径为100mm，高度为100mm的圆柱形试件。将试件放入规定温度（如60℃）的恒温箱中进行保温，保温时间不少于3h，使试件内部温度均匀达到试验温度。在材料试验机上，对保温后的试件轴向施加一个恒定的荷载。在加载过程中，使用位移传感器精确测量试件的轴向变形，并记录变形随时间的变化数据。试验持续进行，直至达到预定的试验时间或试件发生破坏。通过静态蠕变试验得到的蠕变曲线，可以分析混合料的变形特性。典型的蠕变曲线通常包括初始蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。在初始蠕变阶段，变形速率较快，随着时间的增加，变形速率逐渐减小，进入稳态蠕变阶段，此时变形速率基本保持恒定。当荷载作用时间进一步延长，变形速率又开始增大，进入加速蠕变阶段，直至试件破坏。静态蠕变试验可以得到蠕变劲度等参数，蠕变劲度是指在给定温度和加载时间下，应力与应变的比值。蠕变劲度越大，表明混合料抵抗变形的能力越强，高温稳定性越好。例如，在某试验中，通过计算得到半开级配SBS改性沥青混合料的蠕变劲度为1500MPa，说明该混合料在高温下具有较好的抗变形能力。动态蠕变试验则是在动态荷载作用下，研究混合料的变形性能。动态荷载一般采用正弦波、三角波或方波等波形加载。试验时，同样先制备试件并进行保温。然后，在动态加载设备上，对试件施加一定频率和幅值的动态荷载。通过测量试件在动态荷载作用下的应变响应，得到应变随时间的变化曲线。动态蠕变试验可以更真实地模拟车辆行驶过程中对路面的动态作用。在动态蠕变试验中，常用的评价指标是动态蠕变模量。动态蠕变模量反映了混合料在动态荷载下的刚度特性，其值越大，说明混合料在动态荷载作用下的抗变形能力越强。通过对比不同半开级配SBS改性沥青混合料在动态蠕变试验中的动态蠕变模量，可以评估其在实际交通荷载下的高温稳定性。例如，对两种不同级配的半开级配SBS改性沥青混合料进行动态蠕变试验，发现级配优化后的混合料动态蠕变模量比普通级配混合料提高了20%，表明其在动态荷载下的高温稳定性得到了显著提升。综合静态蠕变和动态蠕变试验结果，可以更全面、深入地评估半开级配SBS改性沥青混合料的高温稳定性，为其在道路工程中的应用提供更可靠的依据。4.2低温性能4.2.1低温弯曲试验低温弯曲试验是评价半开级配SBS改性沥青混合料低温性能的重要方法之一，它主要用于测定混合料在低温环境下的抗弯拉强度、破坏应变等指标，以评估其抵抗低温开裂的能力。试验时，首先采用轮碾成型法制作尺寸为300mm×300mm×50mm的车辙板试件。然后，使用切割机将车辙板切割成尺寸为250mm×30mm×35mm的小梁试件。将小梁试件放入规定温度（如-10℃、-15℃等，根据实际研究需要确定）的低温恒温箱中进行保温，保温时间不少于4h，使试件内部温度均匀达到试验温度。将保温后的小梁试件置于万能材料试验机上，采用三分点加载方式对试件施加集中荷载。加载速度一般控制在50mm/min，在加载过程中，使用位移传感器实时测量试件跨中位置的变形情况。随着荷载的逐渐增加，试件会发生弯曲变形，当试件达到最大荷载并出现断裂时，记录此时的荷载值和跨中变形值。通过低温弯曲试验，可以得到以下评价指标。抗弯拉强度（σB）是指试件在弯曲破坏时所能承受的最大应力，计算公式为σB=3PL/2bh²，其中P为破坏荷载（N），L为试件的跨径（mm），b为试件的宽度（mm），h为试件的高度（mm）。抗弯拉强度越大，说明混合料在低温下抵抗拉伸破坏的能力越强。破坏应变（εB）是指试件在弯曲破坏时跨中位置的应变值，计算公式为εB=6δh/L²，其中δ为试件破坏时跨中的变形量（mm）。破坏应变越大，表明混合料在低温下具有更好的柔韧性和变形能力，能够在低温应力作用下产生较大的变形而不发生开裂。此外，还可以计算弯曲劲度模量（SB），它是指在给定温度和加载速率下，抗弯拉强度与破坏应变的比值，即SB=σB/εB。弯曲劲度模量反映了混合料在低温下的刚度特性，其值越小，说明混合料在低温下的柔韧性越好，抗裂性能越强。例如，在某半开级配SBS改性沥青混合料的低温弯曲试验中，在-10℃时，测得抗弯拉强度为10MPa，破坏应变达到了0.005，计算得到弯曲劲度模量为2000MPa，表明该混合料在该温度下具有较好的低温性能。通过对不同配合比的半开级配SBS改性沥青混合料进行低温弯曲试验，对比分析这些评价指标，可以研究不同因素（如矿料级配、沥青用量、SBS改性剂掺量等）对混合料低温性能的影响规律。4.2.2收缩性能试验收缩性能是半开级配SBS改性沥青混合料在低温环境下的重要性能之一，对其低温抗裂性有着显著影响。在低温条件下，混合料会因温度降低而发生收缩变形，当收缩产生的拉应力超过混合料的抗拉强度时，就会导致路面出现裂缝。收缩性能试验通常采用温度收缩试验方法。首先，制备尺寸为250mm×30mm×35mm的棱柱体试件。将试件放入温度收缩试验装置中，该装置能够精确控制温度变化。以一定的降温速率（如1℃/h）对试件进行降温，从较高温度（如20℃）逐渐降至较低温度（如-30℃）。在降温过程中，使用位移传感器实时测量试件的长度变化。通过测量得到的长度变化数据，可以计算出混合料的温度收缩系数（α）。温度收缩系数是指单位温度变化引起的试件单位长度的收缩量，计算公式为α=ΔL/(L0ΔT)，其中ΔL为试件长度的变化量（mm），L0为试件的初始长度（mm），ΔT为温度变化量（℃）。温度收缩系数越小，说明混合料在温度变化时的收缩变形越小，低温抗裂性能越好。除了温度收缩系数，收缩应变也是评价收缩性能的重要指标。收缩应变（ε）是指试件在收缩过程中产生的相对变形量，计算公式为ε=ΔL/L0。收缩应变越大，表明混合料在低温下的收缩变形越明显，对低温抗裂性的不利影响越大。例如，在某半开级配SBS改性沥青混合料的收缩性能试验中，经过降温过程，测得试件的收缩应变达到了0.003，温度收缩系数为1.5×10⁻⁵/℃，说明该混合料在低温下有一定程度的收缩变形。混合料的收缩性能还与材料组成密切相关。矿料级配会影响混合料的骨架结构和空隙分布，进而影响收缩性能。合理的矿料级配可以形成稳定的骨架结构，减少收缩变形。沥青用量和SBS改性剂掺量也对收缩性能有重要影响。适当增加沥青用量可以提高混合料的柔韧性，降低收缩应变。SBS改性剂的加入可以改善沥青的性能，使沥青在低温下具有更好的延展性，从而减小温度收缩系数，提高混合料的低温抗裂性。通过研究收缩性能与材料组成的关系，可以优化半开级配SBS改性沥青混合料的配合比，提高其低温抗裂性能。4.3水稳定性能4.3.1浸水马歇尔试验浸水马歇尔试验是评价半开级配SBS改性沥青混合料水稳定性的常用方法之一，其试验原理是通过模拟沥青混合料在浸水条件下的力学性能变化，来评估水对混合料的损害程度。在水中浸泡过程中，水分会侵入沥青与集料的界面，削弱两者之间的粘结力，导致混合料的强度下降。通过对比浸泡前后混合料的马歇尔稳定度，可判断其水稳定性的优劣。试验过程如下：首先，按照马歇尔试验方法制备标准马歇尔试件，试件尺寸为直径101.6mm，高度63.5mm±1.3mm。将制备好的试件随机分为两组，一组为标准马歇尔试件，另一组为浸水马歇尔试件。对于浸水马歇尔试件，将其放入温度为60℃±1℃的恒温水槽中浸泡48h。在浸泡过程中，水会逐渐渗透到混合料内部，对沥青与集料的粘结产生影响。浸泡结束后，立即将试件取出，按照标准马歇尔试验方法测定其稳定度。同时，测定标准马歇尔试件的稳定度。试验的评价指标主要是残留稳定度。残留稳定度是指浸水马歇尔稳定度与标准马歇尔稳定度的比值，再乘以100%，计算公式为：MS0=(MS1/MS)×100%，其中MS0为残留稳定度（%），MS1为浸水马歇尔稳定度（kN），MS为标准马歇尔稳定度（kN）。残留稳定度越大，表明沥青混合料在水作用下的强度损失越小，水稳定性越好。一般来说，对于半开级配SBS改性沥青混合料，残留稳定度要求不小于80%。例如，在某工程的浸水马歇尔试验中，标准马歇尔稳定度为10kN，浸水马歇尔稳定度为8.5kN，则残留稳定度MS0=(8.5/10)×100%=85%，满足水稳定性要求。通过浸水马歇尔试验，可以直观地了解半开级配SBS改性沥青混合料在水损害条件下的性能变化，为评估其水稳定性提供重要依据。4.3.2冻融劈裂试验冻融劈裂试验也是评估半开级配SBS改性沥青混合料水稳定性的重要方法，它模拟了沥青混合料在冬季低温和水分共同作用下的受力情况。在实际道路使用中，路面会经历降雨、降雪等过程，水分会渗入混合料内部。当温度降低时，水分结冰膨胀，对混合料内部结构产生应力，导致沥青与集料的粘结力下降，从而影响混合料的水稳定性。冻融劈裂试验正是基于这种实际情况，通过对试件进行冻融循环处理，来检测混合料抵抗水损害的能力。试验步骤如下：首先，采用马歇尔击实法制备直径为101.6mm，高度为63.5mm±1.3mm的马歇尔试件。将制备好的试件随机分成两组。第一组为未冻融试件，直接进行劈裂试验。第二组为冻融试件，先将试件在25℃的水中浸泡24h，使水分充分渗入混合料内部。然后将试件放入-18℃±2℃的低温箱中冷冻16h，模拟冬季低温环境下水分结冰的情况。冷冻结束后，迅速将试件取出，放入60℃±1℃的恒温水槽中浸泡24h，使冰融化，完成一次冻融循环。经过一次冻融循环后，将试件在25℃的水中放置2h，使试件温度达到试验温度。试验采用间接拉伸的方式对试件施加荷载，加载速率为50mm/min。在加载过程中，使用压力传感器和位移传感器记录试件的破坏荷载和破坏变形。试验的评价指标为冻融劈裂强度比（TSR）。冻融劈裂强度比是指冻融循环后试件的劈裂强度与未冻融试件劈裂强度的比值，再乘以100%，计算公式为：TSR=(R2/R1)×100%，其中TSR为冻融劈裂强度比（%），R2为冻融循环后试件的劈裂强度（MPa），R1为未冻融试件的劈裂强度（MPa）。TSR值越大，说明混合料经过冻融循环后的强度损失越小，水稳定性越好。对于半开级配SBS改性沥青混合料，一般要求TSR不小于80%。例如，在某试验中，未冻融试件的劈裂强度为1.2MPa，冻融循环后试件的劈裂强度为1.0MPa，则冻融劈裂强度比TSR=(1.0/1.2)×100%≈83.3%，表明该混合料具有较好的水稳定性。通过冻融劈裂试验，可以更真实地模拟混合料在实际使用环境中的受力情况，为评价半开级配SBS改性沥青混合料的水稳定性提供了更可靠的依据。4.4疲劳性能4.4.1疲劳试验方法在半开级配SBS改性沥青混合料的疲劳性能研究中，常用的疲劳试验方法主要有控制应力疲劳试验和控制应变疲劳试验，它们分别从不同的角度模拟混合料在实际交通荷载作用下的疲劳行为。控制应力疲劳试验是在试验过程中保持施加的应力水平恒定。试验时，首先制备尺寸为380mm×63.5mm×50mm的棱柱体小梁试件。将试件放置在专门的疲劳试验设备上，一般采用四点弯曲加载方式。在试件的跨中位置，通过加载装置施加一个恒定的正弦波应力。加载频率通常根据实际交通荷载情况选取，一般在5-15Hz之间。随着加载次数的不断增加，试件内部会逐渐产生微裂缝，并不断扩展。当试件的劲度模量下降到初始劲度模量的50%或更低时，认为试件发生疲劳破坏，记录此时的加载次数，即为疲劳寿命。在某控制应力疲劳试验中，对一组半开级配SBS改性沥青混合料小梁试件施加0.5MPa的应力水平，加载频率为10Hz，经过多次试验，得到该组试件的平均疲劳寿命为10000次。控制应力疲劳试验能够较好地模拟路面在实际行车荷载作用下的受力情况，因为在实际道路中，车辆荷载对路面产生的应力大小相对稳定。这种试验方法可以直接反映出混合料在一定应力水平下的疲劳性能。控制应变疲劳试验则是在试验过程中保持试件的应变水平恒定。同样制备上述尺寸的小梁试件，采用四点弯曲加载方式。通过试验设备精确控制试件跨中位置的应变，使其保持在设定的水平。加载波形一般为正弦波，加载频率也在5-15Hz左右。在恒定应变的作用下，试件内部的损伤逐渐积累。当试件出现断裂或劲度模量下降到一定程度（如初始劲度模量的50%）时，判定试件疲劳破坏，记录加载次数作为疲劳寿命。例如，在另一组控制应变疲劳试验中，将试件的应变水平控制在0.002，加载频率为12Hz，最终得到该组试件的平均疲劳寿命为15000次。控制应变疲劳试验更能反映路面在实际使用过程中由于变形而产生的疲劳损伤情况。因为路面在车辆荷载作用下会产生一定的变形，控制应变试验可以模拟这种变形对混合料疲劳性能的影响。这两种试验方法各有优缺点，控制应力试验操作相对简单，但不能很好地反映试件在疲劳过程中的变形情况；控制应变试验能够更真实地模拟路面的变形状态，但试验设备和操作要求相对较高。在实际研究中，通常会综合采用这两种方法，以全面评估半开级配SBS改性沥青混合料的疲劳性能。4.4.2疲劳寿命预测模型为了准确预测半开级配SBS改性沥青混合料的疲劳寿命，需要建立合适的疲劳寿命预测模型。目前，常用的疲劳寿命预测模型有基于应力的模型和基于应变的模型。基于应力的疲劳寿命预测模型主要考虑应力水平对疲劳寿命的影响。其中，最经典的是Wöhler曲线模型，也称为S-N曲线模型。该模型认为，应力水平（S）与疲劳寿命（N）之间存在幂函数关系，其表达式为：S^mN=C，其中m和C是与材料特性相关的常数。通过对不同应力水平下的疲劳试验数据进行拟合，可以确定m和C的值。例如，在对某半开级配SBS改性沥青混合料进行疲劳试验后，通过数据拟合得到m=4，C=10^8。当应力水平为0.6MPa时，根据该模型计算得到的疲劳寿命N=(10^8/0.6^4)≈771605次。基于应力的模型简单直观，能够反映应力水平与疲劳寿命之间的基本关系，但它没有考虑其他因素对疲劳寿命的影响，如温度、加载频率等。基于应变的疲劳寿命预测模型则着重考虑应变水平对疲劳寿命的作用。其中，Manson-Coffin模型是常用的一种。该模型认为，疲劳寿命与塑性应变幅（Δεp）之间存在如下关系：N_f^bΔε_p=C_1，其中N_f是疲劳寿命，b和C_1是与材料相关的常数。对于半开级配SBS改性沥青混合料，需要通过试验测定不同应变水平下的疲劳寿命，从而确定b和C_1的值。例如，经过试验拟合得到b=-0.15，C_1=0.05。当塑性应变幅为0.003时，根据该模型计算出的疲劳寿命N_f=(0.05/0.003)^(1/-0.15)≈3472次。基于应变的模型考虑了材料的变形特性对疲劳寿命的影响，更符合实际情况。但它也存在一定的局限性，如需要准确测定塑性应变幅，试验难度较大。除了上述两种模型，还有一些综合考虑多种因素的疲劳寿命预测模型。例如，考虑温度和加载频率的影响，将温度和加载频率作为变量引入到模型中。这些模型能够更全面地反映半开级配SBS改性沥青混合料的疲劳性能，但模型的参数确定较为复杂，需要大量的试验数据支持。在实际应用中，应根据具体情况选择合适的疲劳寿命预测模型，并结合试验数据对模型进行验证和修正，以提高预测的准确性。五、配合比参数对混合料性能的影响5.1沥青用量的影响5.1.1对高温性能的影响沥青用量是影响半开级配SBS改性沥青混合料高温性能的关键因素之一。当沥青用量较低时，混合料中沥青膜较薄，无法充分包裹集料，集料之间的粘结力相对较弱。在高温条件下，车辆荷载的反复作用容易使集料之间产生相对位移，导致混合料的抗变形能力下降，从而出现车辙等病害。例如，当沥青用量低于最佳沥青用量的一定范围时，车辙试验中的动稳定度明显降低，表明混合料的高温稳定性变差。随着沥青用量的增加，沥青膜逐渐变厚，集料之间的粘结力增强。适量的沥青能够填充集料之间的空隙，形成有效的粘结体系，使混合料在高温下能够更好地抵抗车辆荷载的作用，高温稳定性得到提高。在一定范围内，随着沥青用量的增加，动稳定度逐渐增大，表明混合料的抗车辙能力增强。然而，当沥青用量超过一定限度时，过多的沥青会使混合料变得过于柔软，流动性增加。在高温下，沥青的粘性流动加剧，反而降低了混合料的抗变形能力。此时，车辙试验中的动稳定度会随着沥青用量的进一步增加而减小，混合料的高温性能恶化。例如，当沥青用量比最佳沥青用量高出1%-2%时，动稳定度可能会下降10%-20%。此外，沥青用量还会影响混合料的内部结构。适量的沥青能够使集料形成稳定的骨架-密实结构，提高混合料的高温稳定性。而沥青用量不当，无论是过多还是过少，都可能破坏这种结构，导致高温性能下降。沥青用量对混合料高温性能的影响是一个复杂的过程，需要通过试验确定最佳沥青用量范围，以保证混合料具有良好的高温稳定性。5.1.2对低温性能的影响沥青用量对半开级配SBS改性沥青混合料的低温性能有着显著的影响。在低温环境下，沥青的性能对混合料的抗裂性起着关键作用。当沥青用量较低时，沥青膜较薄，混合料的柔韧性和延展性较差。在温度降低过程中，由于沥青不能提供足够的变形能力，混合料内部产生的温度应力无法得到有效缓解，容易导致裂缝的产生。例如，在低温弯曲试验中，沥青用量较低的混合料抗弯拉强度较低，破坏应变较小，表明其低温抗裂性能较差。随着沥青用量的增加，沥青膜变厚，混合料的柔韧性和延展性得到提高。在低温条件下，沥青能够更好地吸收和分散温度应力，使混合料在承受一定变形时不易开裂。适量增加沥青用量可以提高混合料的抗弯拉强度和破坏应变，降低弯曲劲度模量，从而改善其低温抗裂性能。当沥青用量达到一定程度时，低温弯曲试验中的破坏应变可提高20%-30%，弯曲劲度模量降低10%-20%。然而，当沥青用量过高时，虽然混合料的柔韧性进一步增加，但可能会导致混合料的强度和稳定性下降。过多的沥青会使集料之间的嵌挤作用减弱，在低温下，混合料可能会因强度不足而无法抵抗外部应力，从而出现裂缝。此外，过高的沥青用量还可能导致混合料的耐久性降低，增加后期维护成本。因此，在设计半开级配SBS改性沥青混合料时，需要综合考虑沥青用量对低温性能和其他性能的影响，确定合理的沥青用量，以确保混合料在低温环境下具有良好的抗裂性能。5.1.3对水稳定性能的影响沥青用量在半开级配SBS改性沥青混合料的水稳定性能方面发挥着重要作用。沥青作为粘结剂，其用量直接影响着沥青与集料之间的粘结力以及混合料的空隙结构，进而影响水稳定性。当沥青用量较低时，沥青不能充分包裹集料表面，沥青与集料之间的粘结力较弱。在水的作用下，水分容易侵入沥青与集料的界面，使两者之间的粘结力进一步降低，导致集料从混合料中脱落，出现松散、坑槽等水损害现象。在浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验中，沥青用量较低的混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比明显较低，表明其水稳定性较差。随着沥青用量的增加，沥青能够更好地包裹集料，形成较厚的沥青膜，增强了沥青与集料之间的粘结力。适量的沥青填充了集料之间的空隙，减少了水分的侵入通道，从而提高了混合料的水稳定性。在一定范围内，随着沥青用量的增加，残留稳定度和冻融劈裂强度比逐渐增大，表明混合料抵抗水损害的能力增强。例如，当沥青用量从较低水平逐渐增加到接近最佳用量时，残留稳定度可提高10%-20%，冻融劈裂强度比提高5%-10%。然而，当沥青用量过高时，过多的沥青会使混合料的空隙率减小，在混合料内部形成封闭空隙。在水的作用下，封闭空隙内的水分难以排出，在温度变化或车辆荷载作用下，水分产生的压力可能会导致沥青膜与集料剥离，反而降低了混合料的水稳定性。此外，过高的沥青用量还可能导致混合料的抗滑性能下降，影响行车安全。因此，为了保证半开级配SBS改性沥青混合料具有良好的水稳定性能，需要合理控制沥青用量，使其在满足粘结力要求的同时，保持合适的空隙结构。5.2矿料级配的影响5.2.1粗集料含量的影响粗集料含量对混合料骨架结构和性能起着至关重要的作用。在半开级配SBS改性沥青混合料中，粗集料是形成骨架的主要成分，其含量直接影响着混合料的骨架结构类型和稳定性。当粗集料含量较低时，混合料难以形成有效的骨架结构，细集料和沥青在混合料中所占比例相对较大。此时，混合料的强度主要依赖于沥青与集料之间的粘结力，在高温条件下，由于缺乏粗集料的骨架支撑，混合料抵抗变形的能力较弱，容易出现车辙等病害。例如，在车辙试验中，粗集料含量较低的混合料动稳定度明显低于粗集料含量合理的混合料。随着粗集料含量的增加，混合料逐渐形成骨架结构。粗集料之间相互嵌挤，形成稳定的支撑体系，能够有效抵抗车辆荷载的作用。在高温下，骨架结构可以限制沥青和细集料的流动，从而提高混合料的高温稳定性。当粗集料含量达到一定程度时，混合料的高温性能得到显著提升。在某研究中，将粗集料含量从40%提高到50%，车辙试验中的动稳定度提高了30%以上。然而，当粗集料含量过高时，可能会导致细集料和沥青不足以填充粗集料之间的空隙，混合料的空隙率增大，从而影响其耐久性和水稳定性。在水稳定性试验中，粗集料含量过高的混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比可能会降低，容易出现水损害现象。此外，粗集料含量还会影响混合料的低温性能。适量的粗集料含量可以形成稳定的骨架结构，在低温条件下，能够约束混合料的收缩变形，减少裂缝的产生。但如果粗集料含量过高，混合料的柔韧性下降，在低温时可能因应力集中而导致裂缝的出现。因此，在半开级配SBS改性沥青混合料的配合比设计中，需要合理确定粗集料含量，以保证混合料具有良好的骨架结构和综合性能。5.2.2细集料含量的影响细集料含量对混合料的填充性和工作性有着显著影响。在半开级配SBS改性沥青混合料中，细集料主要起到填充粗集料空隙的作用，其含量直接影响着混合料的密实程度和工作性能。当细集料含量较低时，粗集料之间的空隙无法得到充分填充，混合料的空隙率较大。这会导致混合料的强度和耐久性下降，同时也会影响其水稳定性。在水稳定性试验中，空隙率较大的混合料容易受到水的侵入，沥青与集料之间的粘结力减弱，从而降低残留稳定度和冻融劈裂强度比。随着细集料含量的增加，粗集料之间的空隙逐渐被填充，混合料的密实度提高。适量的细集料能够改善混合料的工作性，使其在施工过程中更容易摊铺和压实。在一定范围内，细集料含量的增加可以提高混合料的强度和稳定性。然而，当细集料含量过高时，会导致混合料过于密实，空隙率过小。这可能会使沥青无法均匀分布，降低沥青与集料之间的粘结力。此外，过高的细集料含量还会增加混合料的内摩擦力，使其工作性变差，在施工过程中难以压实。在实际工程中，细集料含量过高可能会导致路面出现压实度不足、平整度差等问题。细集料含量还会对混合料的高温性能产生影响。适量的细集料可以填充粗集料之间的空隙，形成稳定的结构，有助于提高混合料的高温稳定性。但如果细集料含量过多，在高温下，细集料容易发生位移和流动，从而降低混合料的抗变形能力。因此，在设计半开级配SBS改性沥青混合料的配合比时，需要综合考虑细集料含量对填充性、工作性和其他性能的影响，确定合理的细集料含量。5.2.3粉料比的影响粉料比，即矿粉与沥青的比例，对混合料的体积指标和性能有着重要影响。矿粉作为沥青混合料中的填充料，与沥青形成沥青胶浆，填充集料间隙，增强混合料的粘结力。当粉料比较小时，沥青胶浆的粘结力相对较弱，无法有效地填充集料之间的空隙。这会导致混合料的矿料间隙率（VMA）增大，空隙率也相应增大。在这种情况下，混合料的强度和稳定性受到影响，耐久性下降。在耐久性试验中，粉料比较小的混合料更容易受到外界因素的侵蚀，导致性能劣化。随着粉料比的增加，沥青胶浆的粘结力增强，能够更好地填充集料间隙。适量的粉料比可以使混合料的体积指标更加合理，空隙率减小，矿料间隙率得到有效控制。这有助于提高混合料的强度和稳定性，改善其路用性能。在一定范围内，粉料比的增加可以提高混合料的水稳定性和高温稳定性。在浸水马歇尔试验和车辙试验中，适当增加粉料比可以提高残留稳定度和动稳定度。然而，当粉料比过大时，会使沥青胶浆变得过于粘稠，流动性降低。这会导致沥青胶浆在混合料中难以均匀分布，影响沥青与集料之间的粘结效果。此外，过大的粉料比还可能使混合料的劲度增大，在低温条件下，混合料的柔韧性下降，容易产生裂缝。在低温弯曲试验中，粉料比过大的混合料抗弯拉强度和破坏应变可能会降低，低温抗裂性能变差。因此，在半开级配SBS改性沥青混合料的配合比设计中，需要精确控制粉料比，使其既能保证沥青胶浆的粘结力，又能维持混合料良好的体积指标和综合性能。六、工程应用案例分析6.1工程概况某高速公路项目位于我国南方地区，该地区夏季高温多雨，冬季温和湿润，年平均气温较高，且降雨量大，尤其是在雨季，频繁的降雨对路面的排水性能和水稳定性提出了严峻挑战。同时，该高速公路作为区域交通的重要通道，承担着大量的重载货运交通，交通量较大，车辆类型复杂，重载车辆比例较高，这对路面的强度和耐久性要求极高。该高速公路设计等级为双向六车道，设计时速为100km/h。路面结构设计采用半开级配SBS改性沥青混合料作为上面层，以提高路面的抗滑性能、排水性能和高温稳定性，满足该地区复杂的气候条件和繁重的交通荷载要求。半开级配SBS改性沥青混合料上面层的厚度设计为4cm，下面层采用AC-20C型密级配沥青混凝土，厚度为6cm，基层采用水泥稳定碎石，厚度为36cm，底基层采用石灰土，厚度为20cm。这种路面结构组合旨在充分发挥各结构层的优势，确保路面具有良好的承载能力、稳定性和耐久性。在该工程中，半开级配SBS改性沥青混合料的应用对于提高路面性能、延长路面使用寿命具有重要意义。通过合理的配合比设计和严格的施工质量控制，有望解决该地区高速公路路面在高温、多雨和重载交通条件下易出现的车辙、水损害等问题，为车辆提供安全、舒适的行驶环境。6.2配合比设计与验证在该高速公路工程中，半开级配SBS改性沥青混合料的配合比设计严格遵循相关规范和标准。首先，对粗集料、细集料、矿粉以及SBS改性沥青等原材料进行了全面的性能检测。粗集料选用了质地坚硬的玄武岩，其压碎值为22%，洛杉矶磨耗损失为25%，表观相对密度为2.70，吸水率为1.5%，针片状颗粒含量（混合料）为13%，各项指标均满足技术要求。细集料采用机制砂，含泥量为2%，砂当量为65%，表观相对密度为2.60，符合质量控制标准。矿粉由石灰岩磨细而成，表观密度为2.6t/m³，含水量为0.8%，粒度范围满足规范要求。SBS改性沥青的针入度（25℃，100g，5s）为45（0.1mm），针入度指数PI为0.2，软化点（TR&B）为65℃，135℃运动粘度为2.5Pa・s，5℃延度（5cm/min）为30cm，弹性恢复25℃为80%，各项性能指标良好。在矿料级配设计方面，采用了贝雷法进行优化设计。通过对粗集料进行捣实试验，测定其粗集料骨架间隙率（VCADRC）为0.40。根据目标空隙率和设计要求，初步拟定矿料级配，并计算出初步级配下的细集料填充粗集料骨架间隙率（VCAMIX）为0.38，矿粉与有效沥青的比例（FA/VA）为0.60。经过与经验范围对比，发现VCAMIX略低于理想范围，于是适当增加细集料的比例，再次计算得到VCAMIX为0.40，FA/VA为0.62，满足了设计要求。最终确定的矿料级配通过不同筛孔尺寸的质量百分率如下：16mm筛孔通过率100%，13.2mm筛孔通过率95%，9.5mm筛孔通过率70%，4.75mm筛孔通过率40%，2.36mm筛孔通过率25%，1.18mm筛孔通过率15%，0.6mm筛孔通过率10%，0.3mm筛孔通过率8%，0.15mm筛孔通过率6%，0.075mm筛孔通过率5%。确定矿料级配后，采用马歇尔试验法确定最佳沥青用量。按照不同的沥青用量（4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%）制备马歇尔试件。通过测定试件的毛体积相对密度、理论最大相对密度等物理指标，计算得到空隙率（VV）、矿料间隙率（VMA）和沥青饱和度（VFA）等体积参数。同时，进行马歇尔稳定度和流值测试。以沥青用量为横坐标，以各项指标为纵坐标绘制关系曲线。根据规范要求，半开级配SBS改性沥青混合料的空隙率一般要求在6%-12%之间，矿料间隙率不小于13%，沥青饱和度在55%-75%之间，马歇尔稳定度不小于8kN，流值在1.5-4.5（0.1mm）之间。综合分析各项指标，确定最佳沥青用量为5.0%。在该沥青用量下，混合料的空隙率为8%，矿料间隙率为14%，沥青饱和度为65%，马歇尔稳定度为9.5kN，流值为3.0（0.1mm），各项指标均满