（道路与铁道工程专业论文）重载交通沥青关键指标研究.pdf

捅要 沥青结合料是高分子有机聚合物，是典型的弹粘一塑性材料，其性能与温度、应力状态 等有关，沥青路面是目前我国高等级公路路面结构主要形式之一，而当前道路运输主要呈现 交通量大、轴载重的特点，超、重载车辆多，沥青路面早期破坏现象比较普遍。而沥青与沥 青路面的使用性能关系密切，世界各国对此一直在进行广泛深入地研究。本文结合我国重交 通和现行沥青指标应用的实际，通过沥青常规指标与s h r p 指标的对比试验、热分析试验、 改进的稠度仪和测力延度仪的试验和结果分析，同时考虑施工及路用期间沥青的老化，对重 载交通条件下沥青指标的选择进行尝试，主要工作包括以下几个方面： 1 、通过对部分代表性高等级沥青路面使用状况调查，总结了现有沥青技术指标的优缺点，以 及现有沥青技术指标和路面使用性能的相关性；通过对典型路段交通量的调查，分析了交通 状况对沥青路面使用性能的影响和沥青路面结构层受力的特点，研究了超、重载对道路的破 坏机理，表明重载交通沥青应该满足粘稠度大、抗车辙、老化和疲劳破坏等的要求。 2 、应用改进的稠度仪和测力延度仪，结合沥青常规指标试验和s h r p 指标试验，对试验结果 通过灰色关联度方法，明确了对沥青性能影响度比较大的高温和低温关键指标。 3 、通过短期老化和长期老化试验，结合沥青常规指标和s h r p 指标老化试验，分析不同老化 方法、不同老化程度、水、氧化和高温等对沥青性能的影响，总结了老化指标在施工和路面 使用期间的考虑方法和老化规律。 4 、通过热分析试验，进一步分析沥青性能和优选的指标，从沥青微观结构上做出更深入的解 释和说明，以验证优选沥青指标的合理性。 5 、根据重载交通沥青的性能要求，结合沥青混合料车辙实验、低温小梁弯曲实验和疲劳实验， 通过沥青与沥青混合料试验结果的相关性分析，最后选择6 0 。c 粘度、1 3 5 。c 布氏旋转粘度、 当量软化点t s o o 、软化点1 k b 作为评价沥青高温性能的关键指标；1 5 。c 针入度、p r 、当量脆 点t l2 作为评价沥青低温性能的关键指标；对基质沥青和改性沥青建议采用稠度和不同的测 力延度指标作为补充指标评价相应的沥青高温和低温性能。 关键词：重载交通；沥青；关键指标；老化；稠度；测力延度；热分析；沥青混合料 a b s t r a c t a s p h a l tb i n d e ri s ak i n do fm a c r o m o l e c u l eo r g a n i cp o l y m e r , t y p i c a le l a s t i c - v i s c o u s - p l a s t i c m a t e r i a l a n di t sp e r f o r m a n c ei sr e l a t i v ew i t ht e m p e r a t u r ea n ds t r e s ss t a t e a s p h a l tp a v e m e n t s p r e v a i li nc h i n a , b u te a r l yd e s t r u c t i o n sa p p e a ra r o u n da s p h a l tp a v e m e n t sb e c a u s eo fl a r g et r a f f i c a n dh e a v yl o a d ，s oa l lc o u n t r i e sa r ec a r r y i n go u tw i d es t u d yw i t hu s a g ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l ta n d a s p h a l tp a v e m e n t s t h i sp a p e ri sm a i n l yf o c u s e do nt h ea n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n to nt h ei n d i c e so f h e a v y - v e h i c l e s a s p h a l t ，b yt h ec o m b i n a t i o n 晰t hc u r r e n ta s p h a l ti n d e x e s ，b yt h ec o n t r a s tw i t hs h r pe x p e r i m e n t s ， h e a ta n a l y s i se x p e r i m e n t s ，m o d i f e da s p h a l tc o n s i s t e n c ea n dm e a s u r i n g s t r e s sd u c t i l i t yi n s t r u m e n t s ， a n dg a i n st h ei n d e xo f h e a v yt r a f f i ca s p h a l tp a v e m e n t t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 a d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g so ft h ec u r r e n ta s p h a l ti n d i c e sa r es u m m a r i z e da c c o r d i n gt ot h e i n v e s t i g a t i o n so nu s a g es t a t e so ft y p i c a la s p h a l tp a v e m e n t s a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e re x p l f i n s u n c e r t a i n t yo fp a v e m e n tu s a g ep e r f o r m a n c e ，a n a l y z e st h ee f f e c to nu s a g ep e r f o r m a n c ea n ds t r e s s v a r i a t i o no fa s p h a l tp a v e m e n t s ，a n ds t u d i e so nt h ed e s t r u c t i o nm e c h a n i s m so fa s p h a l tp a v e m e n t s u n d e rh e a v yt r a f f i c t h er e s u l ts h o w sh e a v yt r a f f i ca s p h a l ts h o u l ds a t i s f yt h ed e m a n do fa n t ir u t t i n g ， a g i n ga n df a t i g u ed e s t r u c t i o nu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e 2 a c c o r d i n gt oc u r r e n ta s p h a l ti n d i c e se x p e r i m e n t sa n ds h r pe x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t sa r e a n a l y z e db yg r e yr e l a t i v ed e g r e em e t h o du s i n gc o n s i s t e n c ei n s t r u m e n ta n dm e a s u r i n g s t r e s s d u c t i l i t yi n s t r u m e n t 3 t h ee f f e c to fa s p h a l tp e r f o r m a n c eo nd i f f e r e n ta g i n gm e t h o d s ，d i f f e r e n ta g i n ge x t e n t s ，w a t e r , o x i d a t i o na n dh i g ht e m p e r a t u r e ，i sm a d et h ec o n t r a s tb e t w e e nc u r r e n ta s p h a l ta g i n ge x p e r i m e n t sa n d s h r pa g i n ge x p e r i m e n t sa c c o r d i n gt os h o r ta n dl o n gt e r ma g i n ge x p e r i m e n t s a sar e s u l t ，t h e a n a l y s i sm e t h o d sa n da g i n gr u l e so ft h ea p p l i c a t i o n so fa s p h a l ta g i n gi n d i c e so np a v e m e n t s c o n s t r u c t i o na n du s a g ea r em a d ec e r t a i n 4 a s p h a l tp e r f o r m a n c ei n d i c e sa r ef u r t h e ra n a l y z e db yh e a ta n a l y s i se x p e r i m e n t ，a n dm a d e f u r t h e re x p l a n a t i o nf r o mm i c r o c o s m i ct ov e r i f yt h er a t i o n a l i t yo f a s p h a l ti n d i c e s 5 a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fh e a v yl o a dt r a f f i c ，c o m b i n i n g 埘mr u t t i n g 、b e a mf l e x u r a la n d f a t i g u et e s t ，t h er e l a t i v i t yb e t w e e na s p h a l ta n da s p h a l tb i n d e rp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e dt om a k es u r e t h a t6 09 cv i s c o s i t y , 13 59 cr o t a r yv i s c o s i t y , e q u i v a l e n ts o f t e n i n gp o i n tt s o o ，a n ds o f t e n i n gp o i n tt r & b a r ek e yi n d i c e se v a l u a t i n gh i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l t ；1 5 。cp e n e t r a t i o n , p r ，a n d e q u i v a l e n tb r e a k i n gp o i n tt i2a r ek e yi n d i c e se v a l u a t i n gl o w - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo f a s p h a l t a tt h es a m e t i m e ，a s p h a l t c o n s i s t e n c ea n dm e a s u r i n g s t r e s s d u c t i l i t y a r ec o n s i d e r e da s c o m p l e m e n t a r yi n d i c e s ，f o ru n m o d i f i e da n dm o d i f i e da s p h a l t ，t oe v a l u a t eh i g h - t e m p e r a t u r ea n d l o w - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：h e a v yl o a dt r a f f i c ；a s p h a l t ；k e yi n d e x e s ；a g i n g ；a s p h a l tc o n s i s t e n c e ；m e a s u r i n g s t r e s s d u c t i l i t y ；h e a ta n a l y s i s ；a s p h a l tm i x e s i i 第一章概述 第一章概述 1 1 绪言 2 0 世纪9 0 年代以来，我国公路交通事业进入一个持续、快速、健康发展时期，截止到2 0 0 4 年底，全 国公路通车总里程已达1 8 5 6 万k m ，其中高速公路3 4 2 万k m 。在已建成的高速公路中，沥青路面由于 其连续性好、振动小、无扬尘和行车平稳等特点在公路建设中占有相当大的比例。经过近2 0 年的努力， 我国沥青路面的修筑，特别是高速公路沥青路面的修筑技术形成了以路面结构、材料、设计、施工、检测 为核心的成套技术。但是通过对高速公路的破坏状况调查表明：如果沥青面层厚度、沥青混合料组成设计、 沥青面层施工工艺等不够合理，沥青路面面层很快就产生裂缝、车辙、水损害等破坏，影响沥青路面的使 用性能。沥青是由不同成分及不同分子量的聚合物组成的混合物，沥青材料随温度会发生性质上的变化， 沥青属于典型的弹一粘一塑性材料，在施工期间，沥青加热，喷洒、拌和、碾压成型可高达1 0 0 以上， 甚至达到2 0 0 c ，此时属于完全流动的液体。在路面通常的使用温度下，沥青既非完全的固态弹性体，又 不是完全的粘性液体，而是典型的粘弹性体。在夏天，路面温度高达7 0 c ，北方冬天达4 0 c 甚至更低。 在此温度环境下，沥青从牛顿液体变成接近虎克弹性体，中间经历了粘弹性体的复杂阶段。而在不同温度 条件下，它的流变性能存在着很大的差异。另外，它还因荷载作用时间不同而异，即在夏天，高速汽车荷 载作用下可以认为它接近弹性，而在冬天，缓慢的温度收缩又呈现粘性流动的性质。在低温及短的荷载作 用时间下，沥青呈现弹性行为，其主要研究对象是低温开裂；在高温及长期的或反复的荷载作用条件下， 沥青呈现粘性行为，其主要研究对象是永久变形；在其间的中等温度及时间条件下，沥青呈现典型的粘弹 性行为，其中抗疲劳性能是研究的重点。所以说，沥青的路用性能都将围绕着这些性质进行论述和研究【”。 虽然导致沥青路面早期破坏的因素很多，但作为沥青混合料重要组成部分的沥青结合料对此有着重要 的影响。如沥青偏软，在高温及荷载作用下混合料容易产生流动变形，路面出现车辙破坏。而在低温下沥 青过硬，由于交通荷载和温度荷载的共同作用下容易产生开裂，路面产生大量的裂缝。所以选择粘稠适度 的沥青是路面工程成败的关键。美国公路战略研究计划( s h r p ) 研究认为，在通常情况下，沥青结合料 的性质提供了4 0 抗车辙能力、9 0 的低温抗裂性能和6 0 的抗疲劳开裂的能力。为了减少路面的早期破 坏，选择满足当地气候和交通条件的沥青显得十分重要。同样评价沥青质量优劣的各种指标是否能真正 区分沥青性能的优劣也成了大家关注的焦点。因此，近3 0 多年来，不少国家都对沥青的温度敏感性、流 变性、低温特性以及沥青混合料的高温和低温力学性质进行了广泛的研究。 随着国民经济和公路交通运输事业的发展，运输车辆中大型货运车辆的比重不断增加，车辆超、重载 的现象十分普遍。可以说车辆超载、超限在我国公路上既非常普遍又特别严重，车辆超载本身并不是路面 过早损坏的理由，但是，由于我国没有普遍采用动态称重调查设备，在路面设计时往往以交通量调查站提 供的各种车型调查数据为主，对车辆超载估计不足，使得按正常交通设计出来的道路上行驶着惊人的超、 重载交通，造成了路面过早损坏，使路面使用寿命大大缩短，路面使用性能衰减加快，造成了较大的经济 损失和不良的社会影响。因此高速、超重载的新服务模式对路面材料的使用性能提出了新的、更高的要求。 根据国际上已有的科研成果看，公路运输车辆轴载质量，虽然不是设计路面厚度和承载能力的计算依 据，但公路路面厚度和承载能力的设计，计算荷载标准，却是以轴载质量为根据之一制定出来的。影响公 路路面使用寿命的决定因素，是行驶在公路路面上的车辆轴载质量，因此，现有公路只能满足相应轴载质 量的车辆行驶，如果允许超限车辆行驶，势必造成公路路面的早期损坏，缩短公路的使用寿命，使公路网 的部分路段，需要提前投入大量资金进行补强、维修和改建。德国在提高公路运输车辆轴载质量进行超限 运输后，对刚性路面和柔性路面，分别做了公路路面补强厚度的大量试验和计算，以公路运输车辆轴载质 量1 0 t 为限值标准，这时车轮载荷为5 0 k n ，轮胎与路面的平均接触压力为0 7 m p a ，试验结果表明：当柔 东南大学博士学位论文 性路面上通行车辆的轴载质量限值标准，由1 0 t 提高剑1 3 t ，即轴载质量限值标准增加3 0 时，所需的补 强厚度为1 8 r a m 。 当前我国干线道路车辆交通特征可总结为“大交通量”和“大规模车辆超重”，而车辆超重引起“重 轴载”和轮胎一路面“重接触应力”，在上述情况下，路面必然处于“重负载”状态( 或“重载”状态) ，目 前我国多数地区主干线道路上都处于“重载”状态。鉴于目前我国正处于公路的大发展时期，公路建设任 务繁重，而且存在重载交通的状况，所以适时进行重载交通沥青关键指标的研究，进一步优化沥青结合科 指标评价体系，研究高速、重载行车作用下沥青路面结构和材料的动力响应及其规律，改进沥青混合料组 成设计，这对我国当前大力发展交通基础设施的战略部署，保证国民经济建设的“血脉”疏通都具有非常 积极，重要的意义。 1 2 重载交通沥青指标研究现状 1 2 1 国外研究情况 据调查，德国超载车辆占5 0 ，其中5 7 的车辆超载2 0 。日本超载车辆占2 0 ，其中夜间比例较 大。为了避免或减轻大型或重型货物运输对公路、桥梁和其它公路设施造成损害，世界上许多国家一方面 按照经济合理、技术可行的原则，分别制定了汽车的总质量、轴载和汽车外形的限制标准；另一方面也在 进行重载对路面影响的研究。在标准方面，英国规定单轴载重量不超过1 0 t ，双联轴为1 6 t 、汽车总重量 为3 8 t 。日本规定单轴载重量不超过1 0 t 。欧洲其它国家也规定单轴载重量不超过1 0 t 、双联轴为1 6 t 、 汽车总重量自行决定。亚洲太平洋经社委员会1 9 8 3 年提出车辆单轴载重量不应超过1 l t 、双联轴为1 s t 、 汽车总重量为4 3 t 。 国外针对重载( h e a v yd u t y ) 对路面影响的研究主要分为结构设计和材料设计两个部分，结构设计的研 究集中于轴载换算问题。美国a a s h t o 的轴载换算公式【l ”是当今世界大多数路面结构设计方法的基石， a a s h o 柔性路面设计法以试验路行车试验结果为依据，根据5 0 年代末6 0 年代初在渥太华和伊利诺斯州 的大规模试验路成果得到了以路面结构耐用性能指数为指标的基本方程。根据此方程，推导出车辆轴载当 量换算公式，包括单轴和双轴的等效关系，式( 1 - 1 ) 就是不同车辆单轴轴载换算的经典公式。 惫= ( 玎 式( 1 - 1 ) 是以等破坏为标准建立的不同轴载当量换算关系，我国现行沥青路面设计规范( 0 1 4 9 7 ) 中轴载换算公式的来源与该公式基本类似。但a a s h t o 试验采用的荷载条件以及路面结构与现有路面结 构有一定的差别。为此，人们对现有条件下等轴载换算进行了有益的探索和研究。 s m a l l ，w i n s t o n 和e v a n s 在对a a s h t o 试验路数据进行重新分析后认为，实际的轴载换算指数更接 近于3 次方。运输研究所( t r i ) 1 9 8 9 年的研究表明，路面结构类型、厚度和分析中使用的损伤类型，都会 导致数据离散性的增加，轴载换算指数在大多数情况下低于4 次方。m o l e n a r 等人发现，轮胎压力1 0 m p a 的单轮轴产生的车辙几乎是轮胎压力为o 6 m p a 的双轮轴产生车辙的l o 倍i l ”。但各国对重轴载的影响研究 并不多。在第十八届道路会议上，关于半刚性基层沥青路面结构采用轴载比公式时n 的取值，奥地利认为 应取7 ，法国认为取1 0 ，澳大利亚认为取1 2 。会议结论：轴载换算指数的取值应根据路面结构层的不同组 合和材料性质决定i l “。 材料设计研究代表性的单位有美国沥青技术研究中心( n e a t ) 。8 0 年代末，n c a t 通过现场调查和室内 分析，针对车辙这一主要病害，推荐了大粒径碎石含量高、碎石规格破碎面多、细集料为基质砂、稍低饱 和度的沥青混合料，同时还开发了一套设计方法和试验设备【“j 。 沥青作为公路建设最主要的建筑材料，一直受到大家的重视。特别是自从9 0 年代以来，国外对沥青 2 苎= 童塑堕 材料的研究进入了前所未有的热潮，许多国家和组织都针对本地区的实际情况相继出台了针对各种道路石 油沥青技术标准。各国现行的沥青标准主要分为三大类：一类是针入度级标准，一类是粘度级标准，还有 一类就是美国最新提出的s u p e r p a v e 性能级标准。s u p e r p a v e 结合料性能规范主要是在美国的部分州应用， 粘度级标准以加拿大的沥青新标准为代表，而其它大部分国家还主要应用针入度级标准。 1 9 8 7 年开始的美国公路战略研究计划( s h r p ) 提出了一套基于性能的沥青结合料试验规范，对改性 沥青或一般沥青均适用，它对路面特定的环境和气候提出特定的结合料标准。规范按沥青适用的温度区间 将沥青分为7 个等级和3 7 个亚级。沥青分级的目的之一是由在一定的气候和交道条件下选择合适的沥青， 满足路用性能的要求。这种按适用温度对沥青进行分级是前所未有的。为了进行沥青材料的合理分级，进 行沥青结合料技术指标的测定，s h r p 经过大量研究，研制提出了许多昂贵的试验设备。其中主要有用动 态剪切仪d s r 检测动态剪切模厦g 和相位角6 评价沥青的高温稳定性和耐疲劳性能，用弯曲粱b b r 试 验和直接拉伸d t t 试验来评价沥青的低温抗裂性，用旋转式桔度计r v 来评价沥青的粘度特性。此规范还 有一个特点就是首次考虑了沥青在路面使用过程中的长期老化。由于沥青的一些物理特性是在老化后进行 的，s h r p 评价沥青另一个重要的试验是进行老化试验，以模拟沥青路面使用期间的老化特性。利用旋转 式簿膜烘箱( r t f o ) 进行老化试验以模拟施工和拌和期间的老化，用压力老化容器( p a v ) 试验来模拟路 面使用期的老化性能。 值得注意的是，s h r p 研究之初，花了很大的力气进行沥青的化学成分分析，如核磁共振等，但最终 未能得出与路用性能关联的实用性成果。同时由于我国的交通状况与美国有很大的差异，例如美国对应于 8 0 k n 标准轴载的最大交通分级是3 1 0 7 ，相当于我国对应于1 0 0 k n 的标准轴载交通分级是1 1 1 0 7 。虽然 规定可以增加1 个交通等级，但是我国实际的交通量有时可能大于2 1 0 7 ，显然增加一个等级不能满足中 国的交通需要。 在英国，沥青路面设计原先最常用的沥青针入度等级为5 0 、7 0 、1 0 0 、2 0 0 ，但是1 5 、2 5 、3 5 等级的 沥青已经开始普遍使用。目前英国沥青的指标分析大体有针入度级、粘度级和性能分级( s h r p 计划的p g x y 分级) 。粘度指标相关沥青层疲劳特性的重要性己被引起重视。 自1 9 7 0 年起，澳大利亚采用粘度作为沥青的分级指标，之后经过多次修改，修改的主要内容是结合 具体工程，提出主要的沥青指标，而不是照顾到不同地区的不同工程，所以澳大利亚沥青规范的分级比较 简单，将沥青按粘度分为四级。 欧共体c e n 从1 9 9 0 年起，几乎与s h r p 在同一时期进行了沥青标准的研究工作。c e n 在2 0 0 0 年6 月提出影响沥青使用性能的工程性质的定义。它的沥青路用性能标准是通过研究沥青一沥青混合料一沥青 路面的各种性能，对每一种性能做各种指标的试验，建立相互的联系，进而提出认为能够充分反映沥青路 面性能的沥青的指标和试验方法。分析c e n 标准可见，欧洲仍然重视通常采用的针入度、软化点、脆点、 粘度、闪点、溶解度、老化试验前后的质量变化等指标，而且把蜡含量作为重要指标列入标准中。 通过对以上各国沥青标准的分析表明：现有的沥青分级方法不完全相同，尤其针对超、重路面的沥青 的标准没有统一的看法，同时各国正在积极进行研究，希望提出更加符合实际又简单经济的分析方法，显 然s h r p 的分级方法不符合中国当前实际，分级既复杂又昂贵，同时现有的研究表明其分级要求不符合改 性沥青的特性，因此最多只能作为参考。 由以上的分析可以看出针对我国交通量比较大，而且单车轴载比较大的交通状况，国外并没有相关的 路亟结构和材料设计等内容可以参照和对比利用，所以针对国内实际交通状况，许多科研单位结合公路工 程建设的需要，对重载路面开展了一系列的研究。 1 2 2 国内研究情况 鉴于车辆超载现象在我国越来越普遍，各地针对重载开展了一些研究，并提出了应对措施。关于标准 3 东南大学博士学位论文 轴载和轴载换算的研究，我国1 9 7 8 年以前的渤青路面设计方法沿用当时苏联的方法，以极限相对变形为 设计指标，以设计轴载6 0 k n ，轮胎压力0 5 m p a 为标准轴载。“六五”期间，交通部曾立题就路面设计合 理轴载问题进行了研究，并建议路面结构设计采用标准轴载为6 0 k n 和1 0 0 k n 。1 9 8 6 年颁布的我国柔性路 面设计规范中，确定了以标准轴载作用于双轮轮隙中心的容许弯沉值l 为设计指标，建立了以弯沉等效为 基础的车辆轴载换算方法，换算指数取4 次方。“八五”期间，结合规范的修订，交通部公路规划设计院 和同济大学对轴载换算方法进行了研究。后考虑到重车增多，特别是货车超载现象越来越严重，以及半刚 性基层承载力提高等因素，1 9 9 7 年颁布的沥青路面设计规范( j t j 0 1 4 9 7 ) 统一采用1 0 0 k n 为标准轴载。1 9 9 1 年，交通部公路科学研究所和河北省交通厅合作，通过加速加载试验，初步探讨了二、三级公路稳定细粒 料半刚性基层沥青路面结构的轴载换算关系，对比了不同轴载对路面的作用效果。分别以弯沉、裂缝率和 路表车辙为控制指标，得出轴载换算指数与换算轴载选用的等级、路面结构的剩余强度等有关，其范围在 5 1 5 之间l l ”。河北工业大学利用理论弯沉等效和实际弯沉等效双重约束条件推导出了计算轴载等效换算 系数公式，探讨了超载条件下的轴载换算方法。在此基础上对超载对路面的使用寿命影响进行分析，通过 实测重车作用下的路面弯沉，建立了重轴载和弯沉的经验公式。同时根据控制底基层底部拉应力及应变的 方法，得出不同超载条件下路面厚度的增加值【l ”。河南省在现行沥青路面设计规范( j t j 0 1 4 - - 9 7 ) 1 拘基础上 对标准轴载累计作用次数、路面设计弯沉值、路面厚度和层底弯拉应力的影响进行了研究，同时考虑了特 重车对路面的一次性破坏作用，以及现行规范轴载换算的局限性p j 。长沙交通学院对汽车超载对路面使用 寿命的影响也进行了分析，其轴载换算仍采用现行规范公式。同时以路表弯沉相等和底基层底部拉应力相 等，反算重载条件下基层和底基层的厚度“”。天津市1 9 9 8 年通过对津围公路8 6 k m 路段进行调查分析， 发现重载条件下，路面材料的非线性影响程度较常规荷载明显增大，认为应进行非线性分析p j 。同济大学 根据重载作用特点，通过应力分析，建立了以基层底拉应力为指标的轴载换算关系。同时从经济角度出发， 探讨了重载车辆对路面厚度的影响和补偿费用【1 。西安公路交通大学王选仓教授在轴重测试和广泛调查的 基础上，得出适用于重载的弯沉、弯拉和车辙等效的轴载换算公式，初步建立了重载路面设计体系。由 交通部公路科研所、东南大学和长沙交通学院完成的沥青路面轴载换算标准研究报告项目中，应用非 线性有限元方法，提出了以弯沉和基层底弯拉应力为指标大于1 3 t 轴载的换算指数，具体公式见式( i - 2 ) 和式( 1 - 3 ) 。 以弯沉为指标 n=435+o06(t-13)(1-2) 以弯拉应力为指标 n = 8 + o 2 2 ( i - 1 3 )( 1 - 3 ) 式中：t 一大于1 3 t 的换算轴重，单位为吨。 1 9 9 9 2 0 0 0 年，受交通部委托，交通部科研所开展了超重轴载沥青路面设计的研究，对重载交通沥青 路面结构设计和材料组成设计进行了较为全面深入的研究，内容涉及交通调查、轴载换算、标准轴载、路 面应力分析和材料等方面。为重载交通沥青路面设计规范标准的制定打下了基础。 目前我国的重交通石油沥青技术要求是以针入度、软化点和延度三大指标为核心内容的，通过对多项 经验性指标的检测来判断沥青的性能并确定其标号，这是一套在世界范围内较为通行的指标体系。我国 1 9 9 8 年颁布的聚合物改性沥青的技术要求，除增加了针入度指数等指标外，仍采用了传统的三大指标，但 为了适应现代交通科技的特点和发展要求，如何更深入地认识现有的经验性指标、明确经验性指标所包含 的物理意义、提出经验性指标体系的改进建议、明确沥青性质指标与渤青路面路用性能的对应关系等问题， 已成为我国沥青材料科学研究的重要内容。 我国在“六五”科技攻关期间，针对我国生产的普通石油沥青进行了沥青混合料性能的研究。在高温 4 第一章概述 稳定性方面，用粘弹性理论预估车辙深度，用单轴蠕变试验确定有关参数，提出了我国各个地区的有效温 度：在低温抗裂性方面，利用希尔斯公式判断开裂温度，用低温劲度试验确定相应的参数，用能量法计算 低温开裂，以及用应力消解层缓解反射裂缝等科研成果。 “七五”国家科技攻关项目，在沥青混合料高温稳定性方面，进行了车辙试验、蠕变试验、环道试验 及加速加载试验：在低温抗裂性方面，进行了应力松弛试验、路面温度应力试验，对开裂计算进行了理论 推导。 针对现行沥青技术要求存在的不足，我国在“八五”期间确立了国家重点科技项目( 攻关) “道路沥 青及沥青混合料路用性能的研究”专题。该专题充分吸收国外先进技术。尤其是s h r p 的最新成果，并考 廖现状。在对国内广泛使用的七种代表性道路沥青的使用性能进行了深入研究的基础上，首次提出了道路 沥青路用性能气候分区，提出了针对我国不同区域使用沥青及沥青混合料的技术指标及相应的试验方法， 包括高温、低温、永稳性、老化等各个方面，研制了配套的仪器设备及试验方法。 经过十多年的高等级公路建设，目前我国已对现代交通条件下的沥青性能要求有了比较深刻的认识， 在借鉴国内外研究成果的基础上，于2 0 0 5 年3 月提出了一套新的沥青指标体系。在该体系中废除了原体 系中的重交通石油沥青和中轻交通石油沥青的划分。而将石油沥青分为a 、b 、c 三级，如表i - i 所示。 表1 一l 道路石油沥青的适用范围 沥青等级 a 级沥青各个等级的公路，适用于任何场合和层次。 b 级沥青 ( 1 ) 高速公路、一级公路沥青下面层及以下的层次，二级及二级以下公路的各 个层次； ( 2 ) 用作改性沥青、乳化沥青、改性乳化沥青、稀释沥青的基质沥青。 c 级沥青三级及二级以下公路的各个层次。 在沥青性能评价指标中仍以传统的三大指标为主，同时加入了针入度指数、6 0 粘度及l o 延度等指 标：在沥青的选用上。提出了以公路所在气候分区为标准的沥青选用原则。并提出，沥青路面采用的沥青 标号。应按照公路等级、气候条件、交通条件、路面类型及在结构层中的层位及受力特点、施工方法等， 结合当地的使用经验，经技术论证后确定。对高速公路、一级公路，夏季温度高、高温持续时间长、重载 交通、山区及丘陵区上坡路段、服务区、停车场等行车速度慢的路段，尤其是汽车荷载剪应力大的层次， 宣采用稠度大、6 0 c 粘度大的沥青也可提高高温气候分区的温度水平选用沥青等级；对冬季寒冷的地区 或交通量小的公路、旅游公路宜选用稠度小、低温延度大的沥青；对温度日温差、年温差大的地区应注意 选用针入度指数大的沥青。当高温要求与低温要求发生矛盾时应优先考虑满足高温性能的要求。新标准对 沥青性能指标及改性沥青的性能指标都相应做了要求。 新的沥青技术指标与标准充分吸收了美国s h r p 沥青指标的研究成果，考虑了气候分区，考虑了温度 敏感性等因素，较以前有了很大的进步。但是，实际使用过程中。由于沥青的品种繁多，仍然有很多问题 困扰技术人员在沥青品种优选时感到茫然究竟。如：哪些是主要控制指标? 哪些指标主要控制那个路用性 能? 哪些指标与路用性能究竟有没有相关性? 总的来说，由于目前国内外通行的沥青标准与实际使用性能之间存在矛盾，虽然针对重载沥青的关键 性技术指标之间的研究，属于道路设计和材料选取的内容，可是具体地分析重载交通状况与沥青指标的选 取评价仍需要大量的实验和现场对比验证，由于重载交通条件下沥青路面的车辙、低温开裂及水损害造成 剥落松散等病害更取决于原材料本身的性质及耐老化性能，而沥青材料的这些性质必须用合理的技术指标 来描述，因此，有必要结合交通与气候条件对沥青关键性技术指标和适用的沥青进行深入的研究。沥青及 沥青混合料质量评定的指标以及沥青、沥青混合料和沥青路用性能之间的关系的研究成为当前世界各国研 究的重点课题。实践证明没有良好的沥青材料及沥青混合料配合比设计，就不足以保证良好的路用性能。 对于重载交通状况下的沥青关键评价指标及沥青优选目前国内外相关的研究还不多，本文试图结合重载交 5 东南大学博士学位论文 通沥青及其关键指标进行分析和评价。 1 3 我国现行沥青指标体系的不足 结合上述对国内外沥青指标的研究分析，目前世界上通行的针入度和粘度分级规范，由于针入度指标 及粘度指标在不同温度下试验结果的不确定性，使这两种沥青分级规范只能代表某一特定温度时沥青所归 属的等级，并不能反映沥青在整个路面使用温度范围内的性能等级，本文结合具体高速公路沥青路面使用 情况的调查研究结果，归纳起来我国现行沥青指标评价体系主要存在以下问题： 1 、考虑气候对沥青结合料选择的影响较粗略 规范中的气候分区过于粗略，无法科学考虑不同地区的实际不同的气候特征，对科学选取适用沥青缺 乏依据。我国幅员辽阔，各地气候特性不一，从海洋性气候到北方寒冷性气候。同一地区一年四季的气候 变化很大，夏天温度在3 5 4 5 之间，冬天温度在2 0 - 5 0 之间，南方冬复温差较小，北方温差很大， 南方高温持续时间长，北方低温持续时间长。规范中将全国分为寒、温、热三个区，太过粗略，规范中的 气候分区并未能把握这些气候特性，三大区只是提供了一个笼统的、经验的气候区域。且各区的温度界限 到底是多少，也无明确的温度值。 对沥青结合料依据s h r p 研究成果进行p g 分级研究。以河南省为例，根据s u p e r p a v e 路面设计体系 中，路面下2 0 m m 的路面最高设计温度t 2 0 。和路表面的最低设计温度t m 。计算公式可以计算出河南省三 个代表地市安阳( 豫北) 、郑州( 豫中) 、南阳( 豫南) 4 0 年来的沥青路面温度状况，安阳沥青材料气温最 高温度范围为5 7 7 6 2 4 ；平均值是6 0 3 ，最低温度范围为1 2 5 c - 4 8 ，平均值是- 8 5 3 2 。郑州 沥青材路面气温最高温度范围为5 7 2 6 4 ，平均值是6 0 1 ；最低温度范围为一1 4 3 4 6 c ，平均 值是8 0 c 。南阳沥青路面气温最高温度范围为5 6 6 2 3 ；平均值是5 8 8 ，最低温度范围为- 1 4 1 2 9 ，平均值是一6 1 。由于各地所处的纬度不同，结果根据s u p e r p a v e 路面设计体系提供的计算方法求 出的沥青路面的高温基本变化不大，都在5 6 6 4 之间，但高温之间的平均值相差仍有1 5 c ，但对于高 温仍建议河南省的沥青结合料高温温度选定为6 4 4 c 。对于低温虽然最低温度相差不是很大，但是低温的上 限有些差别，作为调查的河南南部的南阳只有一年的温度是1 4 1 ，其它调查年限内的路面温度都基本不 超过1 0 ，而且年平均最低温度比北部的安阳高2 4 c ，根据沥青结合料等级，低温级别选为一1 6 。所以 p g 的分级结果建议河南省沥青结合料等级选择p g 6 4 1 6 以上，可以使沥青满足所在区域高、低温变化的 影响。 2 、交通量对沥青结合料选择的影响不确定 随着我国经济的持续发展，尤其是在经济利益的驱动下，公路交通量迅速增长，重载车逐年增加，超 载车比例也在不断上升。因此目前的交通量、交通分布、交通组成以及车辆装载情况都发生了很大变化。 而现有的交通调查内容和方法不太适应交通形势的发展需求。为较全面地掌握当前交通状况，尤其是重载 车辆的分布状况，有必要针对重载交通的特点进行交通量调查。 现行规范在沥青标号选取时，只考虑气候分区、路面类型和沥青种类等影响因素，而未考虑荷载( 特 别是超、重载) 、车速、交通量等因素对沥青路面使用性能的影响。车辆荷载的大小决定了作用于沥青面 层的应力的大小，大的车辆荷载要求面层沥青混合料有更高的抗剪强度，而沥青混合料的抗剪强度主要由 集料的内摩阻力和集料之间的粘聚力提供，这两者均与沥青的粘性等品质有关，重载条件下，车辆对路面 的作用条件也发生了变化。主要体现在重轴载、高胎压、高温和作用时间的延长( 车速慢) 。此时，沥青路 面材料变形和受力特性与一般情况情况下有所不同，表现出较明显的粘弹性和非线性。而目前普遍应用的 线弹性层状理论体系不能很好地反映实际情况。为此，有必要利用粘弹性理论和非线性理论分析重载交通 对沥青路面的力学影响，包括路面材料变形和路面受力特性分析，因此，沥青标号选取时应考虑车辆荷载 因素，针对不同等级的荷载，选择不同等级的沥青。 6 第一章概述 3 、针入度分级不太合理 现行规范对重交通道路石油沥青的针入度分级幅度过大，影响选用沥青的实际质量。现行规范针入度 分级的幅度为2 0 x 0 。l m m ，例如a h - 7 0 标号沥青，只要针入度在6 0 - - 8 0 之间，都符合质量要求，但事实上 针入度6 0 的沥青与针入度为8 0 的沥青的质量还是有较大差别，这就容易产生一种现象，即虽然选用的沥 青的针入度指标也能符合规范要求，但实际上沥青的品质达不到路面使用要求，从而引起沥青路面的早期 损坏。 4 、现行沥青技术规范考虑沥青在路面使用期间的老化性能较少 规范中采用薄膜烘箱试验后的四项指标作为沥青的抗老化指标，但这个试验只能模拟沥青在拌和与摊 铺过程中的老化，不能模拟在路面整个使用过程中的老化，现行规范指标只能控制拌和与摊铺老化后沥青 的品质，不能反映沥青在路面整个使用过程中的老化性能。也就是说，即使原样沥青和r t f o t 残留物性 能满足要求，也不能保证其在整个路面使用期间的性能。 5 、高温指标不太明确。 在路面达到最高温度时沥青的性质如何，规范中没有指标进行说明，因此，选用沥青时，如何保证其 高温性质，从而保证沥青混合科的高温稳定性( 或称高温抗剪能力) ，是现行规范解决不了的问题，因此 必须增加沥青的高温指标，才能使选用沥青具有科学性，才能将沥青的设计真正与路面使用性能紧密关联 起来。常见的高温指标软化点又由于含蜡量的存在而使其相关性不是很确定，但路面调查的结果表明高温 指标对沥青路面的影响非常明显，所以有必要寻求合适的沥青高温指标。 6 、低温指标不太明确。 规范中使用2 5 c 针入度和1 5 c 延度指标，虽然这两个温度是大多数情况下路面工作温度，但在高温 时( 如6 0 c ) 或负温时，沥青的性质又会如何，指标体系中没有能反映沥青负温性质的指标。要将沥青性 质与路面性能关联起来，我们就必须知道路面整个使用温度范围内沥青的性质。低温指标的控制主要是为 了保证沥青路面的低温抗裂性能，因此，低温指标应与沥青路面的低温抗裂性有很好的相关性。有研究表 明，沥青0 c 的延度与沥青路面的低温抗裂性有很好的相关关系，因此可以将其作为低温指标使用。最能 反映低温性质的试验是低温直接拉抻试验，通过试验可测得低温破坏抗应变，低温劲度模量等指标，因此 有必要增加低温评价指标。 7 、对沥青结合料的微观变化规律不太清楚 由于沥青是由多种极其复杂的碳氢化合物和它们的非金属衍生物组成的混合物，属于热塑性的高分子 树脂材料，受热时会发生分解或聚合反应，并改变分子结构和分子量，引起内部化学组分的转化，导致性 能下降。因此如何从微观分析上评价沥青的性质，更好地反映沥青的高温和低温性能，以便从分子微观分 析确定沥青指标，是保证和检测沥青性能的重要途径和手段。 8 、改性沥青技术规范没有较好地反映其路用性能。 我国的改性沥青结合料技术规范采用的仍是传统的针入度、软化点、延度等经验性指标，同常规沥青 技术规范相比，增加了弹性恢复、针入度指数、贮存稳定性和低温延度等指标，具有很好的继承性和简单 易操作性，便于产品质量检测与控制，对于路面质量的提高发挥了很大的作用。 目前我国的改性沥青技术规范主要由针入度针入度批数、软化点、延度、1 3 5 c 运动粘度、闪点、 溶解度、离析软化点差、弹性恢复等指标组成。对于改性沥青路用性能的评价，传统的以针入度、软化点 和