（道路与铁道工程专业论文）沥青路面抗滑表层AK13级配优化及Superpave级配的研究.pdf

摘要 目前，我国常使用的1 3 型级配有a c l 3 、a k l 3 、s m a l 3 ，然而，a c l 3 虽 然密实，空隙率小，防水，但是高温定性差以及表面构造深度小；a k l 3 抗滑、 抗车辙，但是空隙率大，渗水和易老化；s m a l 3 既抗车辙、抗滑、防水，又不 易老化等综合性能要求，但是造价昂贵，至少在目前不适宜大面积推广。美国从 1 9 8 7 1 9 9 3 年期间项耗资上亿美元开展了举世瞩目的公路战略研究计划 ( s h r p s t r a t e g i ch i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ) 。s h r p 课题的最终研究成果称 为高性能沥青路面( s u p e r p a v e ) ，包括2 l 项内容，其中有一项是s u p e r p a v e 集 料级配。这在国内外引起了广泛的反响。 为此，本文以京珠高速公路驻马店至信阳路段为依托，把a c l 3 、a k l 3 、s m a l 3 、 s a c l 3 级配曲线所包围的区域细分成5 个小区域，从而得到6 条级配曲线。通过 室内马歇尔试验、车辙试验等一系列试验，比较6 种级配混合料的性能，同时根 据驻信高速公路沥青路面表面层防渗、抗滑、耐老化以及抗车辙等综合性能的要 求，对a k l 3 进行了优化，提出了高速公路沥青路面抗滑表层级配的合理范围， 及a k l 3 l 。与此同时，本文结合驻信高速公路的工程实践要求，围绕 s u p e r p a v e l 2 5 及s u p e r p a v e l 9 来研究s u p e r p a v e 沥青混合料。在s u p e r p a v e l 2 5 的研究中，本文参照禁区、控制点的范围以及林绣贤教授提出的的s u p e r p a v e 沥青混合料级配组成建议值设计了五个级配，通过室内马歇尔试验、车辙试验等 一系列试验来分析禁区、控制点的意义以及林绣贤教授所提出的的s u p e r p a v e 沥青混合料级配组成建议值的合理性。另外本文还与a c 2 0 对比来研究的 s u p e r p a v e l 9 路用性能，为驻信高速公路沥青路面中面层全段修筑s u p e r p a v e l 9 提供保障。 最后，通过a k l 3 、s u p e r p a v e 2 5 、s u p e r p a v e l 9 的工程应用，从实践上验 证了所提出的级配范围的正确性和实用性。 关键词：级配沥青混合料优化s u p e r p a v e路用性能 a b s t r a c t s of a r , i no u r c o u n t r y , t h em a i nt y p es u r f a c eg r a d a t i o n so f1 3i sa c l 3 、a k l 3 、 s m a l 3 、s a c l 3a n ds oo n ，t h o u g h ，t h e s eg r a d a t i o n sh a v en o to n l ym e r i t s ，b u ta l s o d e m e r i t s f o re x a m p l e s ，t h er o a do fa ci s d e n s e ，l o wp o r o s i t ya n dw a t e r p r o o fb u t f l e x i b l e d u r i n gh i g hw e a t h e ra n di t s s u r f a c e r o u g h n e s si ss m a l l ；a k l 3 h a s g o o d n o n - s k i dp r o p e r t ya n da n t i 。r u tc h a r a c t e r , b u ti th a sb i gp o r o s i t ya n dp e r m e a b i l i t ya s w e l la se a s ya g i n g ；t h ec o s to fs m a l 3i sv e r ye x p e n s i v ew h i c hi sn o tb ep o p u l a r i z e d s u i t a b l yt h o u g ht h eg e n e r a lc a p a c i t yi sa n t i r u t ，n o n - s k i dp r o p e g yw a t e r p r o o fa n d h a r d l ya g i n g f r o m1 9 8 7t o1 9 9 3 ，a m e r i c ah a ss p e n d e dah u n d r e dm i l l i o nd o l l a ro n t h ek n o c k o u ts t r a t e g i ch i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ，w h i c hf o rs h o r ts h r p t h es h r p i n c l u d e s2 1f r u i t s ，o n eo fw h i c hi ss u p e r p a v eg r a d a t i o n s i ta r o s ee c h oa b r o a d s ot h i sp a p e rr e l yo nz h u x i ne x p r e s sh i g h w a ya n dd i v i d e st h ea r e at h a ti s e n c i r c l e db ya c l 3 、a k l 3 、s m a l 3 、s a c l 3i n t of i v es m a l la r e a ss ow eh a v es i x g r a d a t i o n s t h e nt h ep a p e rc o n t r a s t sa n da n a l y s e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e s eg r a d i n g a s p h a l tc o n c r e t em i x t u r e a tl a s tt h et e x tm a k e s o u tt h er e a s o n a b l el i m i t a t i o no ft h e c o u r s eg r a d a t i o n ，a n di ti sn a m e da k l 3 l a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rw i l lr e s e a r c h t h es u p e r p a v ea s p h a l tm i x t u r eb a s e do n s u p e r p a v e l 2 5a n ds u p e r p a v e l 9 c o n s u l t t h e f o r b i d d e nz o n e 、t h er e f e r e n c ep o i n ta n dt h eb o u n do fs u p e r p a v e g r a d a t i o n sa d v a n c e d b y l i nx i u x i a np r o f e s s o r ，t h i sp a p e rd e s i g n sf i v eg r a d a t i o n s i ta n a l y z e st h em e a n i n g o ft h ef o r b i d d e nz o n e 、t h er e f e r e n c ep o i n ta n dt h er a t i o n a l i t yo fs u p e r p a v eg r a d a t i o n s a d v a n c e db yl i nx i u x i a np r o f e s s o rb yas e r i e so ft e s t i na d d i t i o n ，t h ep a p e rw i l l c o n t r a s t s u p e r p a v e l 9w i t h a n da f f o r d t h ee n s u r ef o rc e n t r es u r f a c eo fz h u x i n e x p r e s sh i g h w a y i nt h ee n d ，t h ep a p e rw i l lv a l i d a t et h eb o u n do fg r a d a t i o n sb yt h ea p p l i a n c eo f a k l 3 l 、s u p e r p a v e l 2 5 、s u p e r p a v e l 9 t oe n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：g r a d a t i o n t h ea s p h a l tm i x t u r e o p t i m i z es u p e r p a v ep e r f o r m a n c e o f p a v e m e n t 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：髟罗巧夕日期：矽。忤歹月扣日 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存 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 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：彩缈 导师签名 秘伊 日期：。悔厂月。日 同期：p 舯年，月i o 日 第一章绪论 1 1 立题背景 自本世纪三十年代起，高等级公路的出现及其迅速发展，标志着现代化公路 建设的开始，它为经济的繁荣莫定了坚实可靠的基础。在高等级公路建设中，沥 青路面作为一种无接缝的连续式路面，由于其自身的优点，如具有足够的力学强 度，能很好的承受车辆通过路面所产生的各种作用力，行车平稳、舒适无扬尘、 振动和噪音小、维修比较简单，并且旧沥青路面可以再生利用等，现在越来越受 到世界各国的重视。如美国在1 9 7 3 年沥青路面己占高等级公路的8 6 - 3 ，英国 在1 9 7 5 年高达9 8 1 ，西德占8 0 。在我国，自1 9 5 5 年京周公路沥青路面机械 化施工出现后，沥青路面近几十年有了很大的发展。特别是进入8 0 年代中期， 以京津塘高速公路建设为契机，我国开始进入了高等级沥青路面建设的新时期， 提出了“重交通道路石油沥青技术要求”，并开始进口国外高质量的沥青。这时 候沥青混凝土路面成为高等级公路工程崭新的结构形式，而且得到极大的发展， 1 9 9 0 年底，建成通车的高速公路沥青路面共有5 5 2 公里，1 9 9 5 年底通车的高速 公路沥青路面超过2 0 0 0 公里，截止2 0 0 2 年底，建成通车的高速公路总里程达 2 5 万公里，跃居世界第三位。与此同时，国家“七五”、“八五”科技攻关，对 沥青路面材料、结构施工工艺、质量控制等的研究得到了前所未有的深入，设计、 施工技术规范和试验规程得到了全面的修订，沥青路面的整体水平得到了很大的 提高。 众所周知，道路沥青及其混合料的路用性能受很多因素的影响，尤其是气候 因素的影响。我国地处世界最大的欧亚大陆板块的东部，东部是世界上最大的太 平洋海面，北靠西伯利亚和北极，西部有世界上最高的青藏高原，喜玛拉雅山， 昆仑山脉，因此是季风气候最典型、最强烈的大陆。冬季，北极和西伯利亚的冷 空气氏驱直入我国，气候受蒙古高压所支配，又受到青藏高原及山地的阻碍，使 大气在北方积聚，从而使冬季变得非常寒冷。夏季，海洋季风达到最盛，青藏高 原的强烈辐射形成高压，太平洋暖流北上，受到高地的阻挡，一方面形成夏季暴 雨集中，同时又受季风影响，使气温普遍升高。因此，我国广大地区与世界同纬 地区，与欧洲、美国、日本相比，夏季炎热，冬季寒冷，年温差大的特点非常显 著，这对沥青路面是一个严峻的考验，并且我国的车辆运输超载现象非常严重。 这使得我国修筑的高速公路早期破坏现象非常严重，如车辙、泛油、松散、坑槽、 水损害等结构性损坏，以及路面变得滑溜，摩擦系数急剧降低等功能性损失。因 此，修筑一条高质量的高速公路是一个立体的工程，必须从结构设计、配合比设 计、材料质量及施工质量控制等各个方面进行控制。在级配方面必须着重解决以 下两个矛盾： l 构造深度与密实度的矛盾：沥青上面层选用a ci 型级配可以解决水损害， 但抗滑性能不能满足；选用a c 儿或a k 型抗滑性能好，但会由于渗水造成路面 水损害及冻害。 2 高温稳定性与低温抗裂性的矛盾：为了提高高温车辙能力，采用粗级配或 增加集料粒径或增加集料数量，减少沥青用量，但这样混合料的低温劲度大、发 脆，低温容易开裂；为了提高低温抗裂性，采用较细的、空隙率小的混合料即 a c 密实型，并增加沥青含量，这样的混合料到了夏天高温又很容易出现软化、 泛油和车辙。 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。这说明我国规范规定的级配大范围是很粗糙的、是不太准确的，进行 级配的深入研究工作势在必然。因此本课题结合河南驻马店至信阳高速公路对沥 青路面1 3 型进行级配的优化。 沥青玛蹄脂碎石混合料( s m a ) 和s u p e r p a v e 集料级配作为两种新兴的沥青 混合料在全世界都引起很大的反响，我国道路工作者也作了大量的介绍和研究工 作。本课题也将对这两种级配作一定的介绍和研究，并将和优化的级配进行对比。 1 2 国内外研究概括 第七届国际沥青路面结构会议之后，人们将沥青路面的使用性能分为两类： 结构性使用性能。按s h r p 研究用五个方面表述：即疲劳、车辙、低温缩 裂、水损害和老化； 功能性使用性能。主要有平整度、构造深度、车辙、摩擦系数和噪音五个 方向。 这两个性能实际上反映了行驶车辆对沥青路面使用品质和使用寿命的基本 要求。一个完善的路面结构既应满足功能性使用性能的要求，也要满足结构性使 用性能的要求，即综合平衡考虑各个方面，而不是顾此失彼。为此，世界各国首 先从沥青路面表面层的矿料级配入手，特别是对沥青路面抗滑表层级配，进行了 多方面深入的研究，取得了一定的研究成果。 1 2 1 国外研究概况 矿料级配的研究最早始于水泥混凝土。1 8 9 7 年法国的飞莱在总结过去研究 成果的基上提出了以空隙率作为控制水泥混凝土强度的的最主要因素。 在飞莱思想的影响下，1 9 0 1 1 9 0 7 年美国的富勒( w b f u l l e r ) 和汤姆逊 ( t o m m p s o n ) 根据试验提出了矿料的理想级配，认为颗粒级配越接近抛物线则 其密实度就越大，从而发表了著名的理想最大连续级配组成计算公式： p = 1 0 0 ( d d ) o 5 ( 1 1 ) p _ 一通过某筛孔( 粒径) 为d 的矿料重量百分率； d 一筛孔尺寸( 既计算的某矿料粒径) ( m m ) ； d 一矿料混合料中的最大粒径( m m ) 后来，塔尔博特( a n t a l l b o t ) 发展了富勒的公式，改变为一般表达方式： p = 1 0 0 ( d d ) “f 1 2 ) n 一为实验指数 p 、d 、d 意义同上。 塔尔博特等人认为按富勒公式，n = 0 5 计算得出的级配细料偏少，主张采用 n = 0 2 5 0 3 5 ，而同本的使用经验认为n = 0 3 5 0 4 5 效果更好。 1 9 3 3 年美国的魏茅斯( c a g w e y m o u t h ) 发表了集料颗粒干涉学说的级配 理论，将沥青混合料的级配研究提高到了一个微观理论水平，使其研究有了科学 的理论依据。 5 0 年代，美国、英国、前苏联等国家根据以上理论计算方法，结合生产实践 经验提出了自己的套抗滑表层矿料级配范围。 2 0 世纪6 0 年代，德国在研究能抵抗新型埋钉轮胎磨损的新铺罩面时发现 7 0 8 0 的粗集料为骨架，由高含量的沥青与矿粉和少量纤维稳定剂组成的沥 3 青混合料，能够解决多年悬而未决的车辙问题，同时又抗滑防水，很适合作为沥 青路面的表面层，这就是后来称为的s m a 。德国很快把它订入德国规范z t v a s p h a l t - s t b 9 4 。8 0 年代初，德国道路部门把s m a 作为一种标准材料，提出了 s m a 的级配范围，并很快推广应用到日本以及瑞典、丹麦等许多欧洲国家。1 9 9 0 年美国派出大型代表团到欧洲考察，学习s m a 技术，该技术很快就风靡美国。 在美国称为s t o n g m a s t i c ( m a t r i x ) a s p h s l t ，均缩写为s m a ，并且也提出了适合美国 的s m a 级配范围。 2 0 世纪7 0 年代早期，为了提高道路表面的抗滑性能，美国联邦公路局 ( f h w a ) 提出了o g f c ，即开级配沥青磨耗层，它是一种具有相互连通空隙的 开级配混合料，这种级配混合料大雨时能够提供排水通道，雨水可以垂直通过 o g f c 的空隙达到不渗水的下卧层，然后从侧向排到路面的边缘。由于这种级配 铺筑表面层摩擦系数大，雨天能够减少水雾和眩光以及降低噪音，日本也进行了 积极的研究。目前，日本o g f c 路面己占通车的6 5 0 0 公里高速公路里程中的 1 5 ，并以每年1 0 0 公里的速度在增加。表一是美国和日本提出的o g f c 级配范 围。 美国、日本最新o g f c 推荐级配范围表1 - 1 筛孔尺寸( r a m ) 国家1 91 2 59 54 7 52 3 61 1 8o 60 3o 1 50 0 7 5 通过率( ) 美国 1 0 08 5 1 0 05 5 7 51 5 2 55 1 02 - 4 1 日本1 0 09 5 1 0 01 1 3 08 2 55 1 74 1 43 1 02 7 o g f c 的空隙率在美国、荷兰、日本等国大于1 0 ，个别己做到2 0 2 5 ， 其优点不仅抗滑、降噪，特别是雨天高速行驶时无水漂现象，水雾可减少9 0 ， 但是在耐久性和空隙堵塞两方面存在不足，特别是空隙一旦堵塞，原来的优点将 变成缺点，导致水损害相当严重。目前这两方面的缺陷还没有克服。沥青玛蹄脂 碎石混合料兼顾了耐久性与构造深度、抗滑这一对矛盾，但是它的造价非常昂贵， 并且它的使用范围有所局限性。随着世界经济的发展，交通量的剧增，轮胎气压 和轴载的增加，一些级配的混合料沥青路面缺点暴露出来，使许多符合设计规范 的沥青路面达到不到预期的寿命。 为了彻底解决这一问题，美国从1 9 8 7 1 9 9 3 年期间项耗资上亿美元开展了 4 举世瞩目的公路战略研究计划( s h r p s t r a t e g i ch i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ) 。 s h r p 课题的最终研究成果称为高性能沥青路面( s u p e r p a v e ) ，包括2 1 项内容， 其中有一项是s u p e r p a v e 集料级配。它规定：s u p e r p a v e 混合料体积设计的级配 选择是通过设置控制点和控制区来进行的，设置控制点是要求集料级配必须通过 其间的范围，控制点分别设于公称最大尺寸、中等尺寸( 2 3 6 r a m ) 和最小尺寸 ( 0 0 7 5 m m ) 处，而限制区则为不允许级配线通过的区域，它沿最大密实度曲线 ( 0 4 5 次方级配线) 存在于中等尺寸( 2 3 6 r a m ) 和0 3 m m 尺寸之间。s u p e r p a v e 设置限制区是为了避免混合料含有高比例细砂( 相对总砂量) ，并避免级配遵从 最大密实度线，最大密实度线通常不具有适合的矿料集料空隙( v m a ) 。在很多情 况下限制区将不鼓励在混合物中采用天然细砂，而提倡采用洁净的人工砂。这种 设计集料结构的方法能保证集料形成强的石料骨架，以增强抵抗永久变形的能 力，而且考虑了足够的空隙以增强混合料耐久性。表i - 2 、1 3 分别列出了各级 配的控制点和限制区。 s u p e r p a v e 集料级配控制点表卜2 最大公称尺寸一控制点( 通过率) 3 75 m m2 5 o m m1 9 o m m1 2 5 m m9 5 m m 筛孔尺寸最小 最大最小最大最小最大最小最大最小最大 5 0 o m m1 0 0 3 75 m m9 01 0 01 0 0 2 5 o m m9 09 01 0 01 0 0 1 9 o m m9 09 0l o o1 0 0 1 2 5 m m9 09 01 0 01 0 0 9 5 m m9 09 01 0 0 4 7 5 m m9 0 2 3 6 m m1 54 11 94 52 34 92 85 83 26 7 0 0 7 5 m mo617282i 02 1 0 s u p e r p a v e 集料级禁区界限表1 - 3 禁区内筛最人公称尺寸时晒孔尺寸的最小和最大界限 孔尺寸( 最小和最大通过百分率) ( m m ) 1 9o m m1 25 m m9 5 m m 最小最大最小最人最小最大 03 01 3 71 3 71 551 5 51 8 71 8 7 o 6 0 1 6 72 0 71 912 5 12 3 5 2 7 5 1 1 82 2 32 8 32 5 63 1 63 1 ，63 7 6 2 3 6l3 4 63 463 9 13 9 14 7 24 7 2 s u p e r p a v e 级配与传统的沥青混合料级配想比，特点之一是提出了控制点和 禁区的概念，即集料的组成必须从级配控制点之间通过并避开禁区，同时建议当 交通量大时，级配曲线从禁区下方通过。控制点和禁区的规定，特别是禁区的规 定，打破了集料级配组成单纯追求最大密度的杠杆。 1 2 2 国内研究概况 我国对沥青路面表层抗滑级配的研究起步较晚。“七五”期间国家列了有关 沥青路面的重点科技( 攻关) 项目，其中之一是7 5 2 4 0 1 一0 1 “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”，其研究成果提出了a k 1 3 a 、 a k 1 3 b 以及a k 1 6 ，这些成果都写进了1 9 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 ) 及1 9 9 6 年国家标准沥青路面施工及验收规范( g b j 5 2 0 9 2 ) 。 除了国家投入研究外，我国地方公路部门和高等学校对沥青路面表面层级配 也进行了广泛的研究和试验。例如，东南大学与江苏省高速公路指挥部合作，通 过无锡试验路筛选，提出了a c 1 6 b 型沥青路面抗滑表层级配；长沙交通学院与 湖南省交通厅合作，结合临湘至长沙高速公路建设需要，对a k - 1 6 进行了级配优 化设计，提出了a k 一1 6 l 优化级配的范围，经实践检验取得了较为理想的效果。 哈尔滨建筑大学与吉林省高等级公路建设指挥部合作根据根究长春至四平高速 公路建设需要，开发了一种防渗、防冻有足够耐久性的适合当前工艺水平的抗滑 上面层结构a c1 3 v 。 临湘至长沙高速公路a k 一1 6 l 级配范围表1 - 4 优化 筛孔尺寸( m m ) 级配1 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 6o 3o 1 5o 0 7 5 通过率( ) 上限1 0 01 0 08 06 44 73 52 62 11 71 38 下限1 0 09 47 05 43 62 51 81 41 074 肜 _ - a k - 1 6 l 上限 9 0 一a k - 1 6 l 下限 矿7 8 0 r a k - 1 6 上限 卜a k - 1 6 下限 7 0 6 0 2 。? 声，一 j5 0 g t ， 厂 4 0 3 0 r 2 0 - 爿r y ， i 0一乞巨 ie ：匕二二r 一1 - 00 7 50 1 50 30 61 1 823 647 5 9 51 3 21 61 9 筛孔尺寸 图1 - 1临长高速公路a k 一1 6 l 与a k1 6 关系图 沙庆林院士从“七五”国家科技攻关研究专题开始，不断地深入研究了多碎 石型沥青混凝土级配，并不断进行修改，通过在石安高速公路、长吉高速公路等 许多工程的应用，提出了较为完善的s a c 多碎石型沥青混凝土级配。 除了进行独立研究外，我国也引进了国外的前进技术。鉴于国外的s m a 具有 良好的路用性能，1 9 9 1 年我国首次引进s m a 技术，1 9 9 3 年北京机场高速公路第 一次使用了8 m a 做表面层，1 9 9 7 年交通部公路司下达了“沥青玛蹄脂碎石混合 料性能和指标的研究”课题，经过各个科研单位的研究，该课题提出了适合我国 的s m a 级配范围，如表卜1 2 。1 9 9 8 年起首先在北京、辽宁、吉林、河北、山东、 j 。东、四川、湖北和上海等省区开始推广应用，并且同年底制定了基本适合我国 实际情况的公路该性沥青路面施工技术规范( j t j 3 6 9 8 ) 。 我国建议的s m a 混合料级配范围表卜5 缴配通过下列筛孔( m m ) 能质量百分率 ：) 类型1 91 61 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 6o 30 1 50 0 7 5 9 0 -5 0 -2 0 1 5 -1 4 -1 2 -1 0 9 s m a l 31 0 08 - 1 2 1 0 07 53 42 62 42 01 61 5 9 0 - 1 06 5 4 5 -2 0 -1 5 1 4 1 2 -1 0 9 s m a l 6l o o8 - 1 2 08 56 53 22 42 21 81 51 4 7 美国公路战略研究计划( s h r p s t r a t e g i ch i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ) 提 出了高性能沥青路面( s u p e r p a v e ) 的研究成果后，在国内引起了了较大的反响。 交通部重庆公路研究所已编辑有专题情报资料，并翻译出了 s u p e r p a v e 水准l 沥青混合料设计等书。众多科研单位已全套引进该系统试验仪器，并且开展了 对沥青混合料级配设计的研究。例如山东省交通科学研究所结合京沪高速公路济 南段，对混合料的级配进行了调整，取得了良好的效果另外，京珠高速湖北段也 选用了s u p e r p a v e 级配。同济大学、交通部公路科学研究所则立足于现有马歇尔 试方法，吸收s u p e r p a v e 的思想在沥青混合料配合比设计中对级配范围进行优选 调整。特别是林绣贤教授通过研究提出了符合我国国情的s u p e r p a v e 沥青混合料 级配组成建议值( 见表卜6 ) 。 s u p e r p a v e 沥青混合料级配组成建议值表卜6 憾 通过下列喻扎的质量百分聿 1 3 本课题的研究内容及思路 从目前国内、国外高速公路沥青路面表面层级配的研究和使用情况来看，用 作表面层的级配从类型来分有：a ci 、a ci i 、a k 、s m a 、s u p e r p a v e 以及o g f c 等； 我国的a ci 、a c i i 、a k 级配都有自己的优点，也有不可避免的缺点；就是国外 的s m a 、s u p e r p a v e 以及0 6 f c 也是如此。特别是a k ，虽然它具有抗滑性能好、 构造深度大等优点，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。因此，有必要对a k l 3 级配进行优化，同时 本课题也- 将结合京珠高速公路驻马店至信阳路段对s u r p e r p a v e 进行研究，为驻 信高速公路修筑s u r p e r p a v e 实验路提供保障。 1 3 1 本课题的研究内容 鉴于以上分析，本课题的研究内容主要包括： l 、分析a ci1 3 、a c i i1 3 、a k l 3 - - a 、a k l 3 - - b 、s m a l 3 、s u p e r p a v e l 2 5 各 级配范围的特点，并设计出试验级配： 2 、通过室内试验研究沥青混合料结构使用性能与级配粗、细集料组成的关 系； 3 、结合林绣贤高工提出的s u r p e r p a v e 级配范围设计出五种级配，研究 s u r p e r p a v e l 2 5 的路用性能； 4 、对比s u r p e r p a v e l 9 和a c 2 0 的路用性能。 1 3 2 本课题的研究思路 i 、将a ci 、a ci i 、a k 、s m a 、s u p e r p a v e 等所包含的级配区域作为研究对象， 然后将这一区域根据情况均分成一定数目的小区域，从而得到一系列级配，通过 马歇尔实验、车辙实验、浸水实验、表面构造深度实验、渗水实验、冻融劈裂实 验等一系列实验分析各个级配的优缺点，综合平衡考虑各方面的性能，从而得出 最佳的级配范围。 2 、参照禁区、控制点和林绣贤提出的s u p e r p a v e 的级配范围设计五级配， 研究s u r p e r p a v e l 2 5 的路用性能。然后通过马歇尔实验、车辙实验、浸水实验、 表面构造深度实验、渗水实验、冻融劈裂实验等一系列试验来检验禁区和控制点 的意义及林绣贤提出的s u p e r p a v e 的级配范围的合理性。 3 、通过对比s u r p e r p a v e l 9 和a c 2 0 的路用性能，优化驻信高速公路沥青路 面中面层的级配。 4 、通过a k l 3 l 、s u p e r p a v e l 2 5 、s u p e r p a v e l 9 的工程应用，从实践上验证 了所提出的级配范围的正确性和实用性。 1 4 本课题的研究意义 1 4 1 理论意义 对现有沥青路面的抗滑级配作了一个较为全面的总结，并提出了优化后的抗 9 滑级配a k l 3 l ，同时通过各项指标的结果与s u p e r p a v e l 2 5 、s m a l 3 进行了较为 全面的对比，为我国沥青混合料抗滑级配的研究提供了一定的借鉴意义。 1 4 2 现实意义 京珠国道主干线驻马店至信阳高速公路，为京珠国道主干线的一个组成部 分，位于河南省境内，起于驻马店市，终于信阳市，全长为9 5 7 3 公里。工程所 在地区属于暖温带大陆性半湿润季汛气候区，年平均气温为1 4 8 c ，绝对最低 气温为一1 7 4 ，绝对最高气温为4 1 9 ，年平均降水量9 2 4 m m ，雨季降水集中 在7 、8 、9 三个月，全年无霜期2 2 1 天，是我国南北气候过度地带。在这样个 地方修筑沥青路面，对道路工作者提出了严峻的考验。本课题将提供优化的 a k l 3 l 级配，为驻马店至信阳高速公路的优质建设提供保障，同时为了提高高温 性能，驻信高速公路全路段中面层将采用s u p e r p a v e l 9 ，另外在第四合同段还将 修筑s u p e r p a v e l 2 5 的实验路。这将对提高整个河南沥青路面的质量及沥青路面 在河南的推广具有重大的实际应用价值。 1 0 第二章沥青混合料矿料级配理论及路用眭能 2 1 沥青混合料矿料级配理论 所谓矿料级配就是指矿料中不同粒径的粒料相互之间的比例关系，这种比例 关系通常简称为级配。级配常以不同粒料粒径的重量比来表示。关于级配理论的 研究，实质上起源于我国的垛积理论，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，主要有最大密度曲线理论和粒子干涉理论。前一理论 主要描述了连续级配的粒径分布，可用于计算连续级配；后一理论不仅可以用于 计算连续级配，而且也可以用于计算间断级配。 1 、最大密度曲线理论 最大密度曲线理论根据研究方法的不同主要分为如下几种： f 1 ) w 1 3 f u l l e r 提出的f u l l e r 曲线； ( 2 ) a n ta b o l 曲线( 即所谓的n 法) ； ( 3 ) 前苏联伊万诺夫提出用颗粒分级重量递减系数k 为参数的连续级配密实 理论f 简称k 法1 。 h 1 我国同济大学参照n 法和k 法提出直接采用通过率递减系数i 为参数的 级配组成计算方法( 简称i 法) 。按照国外规定和我国的经验，i - 0 6 5 o 7 5 。 2 、粒子干涉理论 粒子干涉理论是由c a g 魏矛斯( w e y m o u t h ) 提出，他认为：为达到 最大密度，前级颗粒之间的空隙，应由次一级的颗粒所填充；其余空隙又由再 次一级的颗粒所填充，但填隙的颗粒粒径不得大于其问隙之间的距离，否则， 粗、细颗粒之间将发生粒子的干涉。 一个良好的矿料级配组成，应该使其空隙率在热稳性容许的条件f 为最小以 及有为形成足够的结构沥青所需裹复的充分表面积，以保证矿料之间处于最紧密 的状态并为矿料与沥青之间相互作用创造良好条件，使沥青混合料最大限度地发 挥其结构强度的效应，从而获得最好的使用品质。通常，密实的沥青混合料可有 较高的强度、较好的耐磨耗和抗疲劳性能，且不透水、耐老化、路面的使用寿命 较氏。因此，对于用作面层的沥青混合料，多年来国内外大都是趋向于采用密实 型级配。 l0 0 褂 焱 皿 捌 唰 一连联丌现日l 口现 1 凿 1 二 沥青碎石l 上f 一_ 一间断级配曲线 ；i：，舡 i ji r r 一r 7 _ r 1 f 一 ， l一1 ，一，姐， 一，五蛩廑兰 二 l 。 丽肛蓬蕃手7d ；i -仟 n 上p 卜bb 7 7 ，| 引t - - i i t f ”l 2 7 一十_ ：j 1， 7 丌，m 一 皇：一 三二= 一一一r lc ， ! 蔓兰霉乏 l 二二二l ：二丰。二7 一 筛孔尺寸( m m ) 图2 - i 三种类型矿质混合料级配曲线 a ) 连续密级配曲线：b ) 连续开级配曲线：c ) 沥青碎石；d ) 间断级配曲线 从混合料的密实度出发，早期采用的矿料级配形式多为连续级配。所谓连续 级配，就是矿料中各级粒径的粒料，由大到小逐级按一定的重量比例予以组成的 一种矿质混合料。这种级配的曲线平顺圆滑，具有连续的( 不问断的) 性质，如 图2 1 中a 。连续的密级配矿料虽然具有较大的密实度，但由于粗粒料较少，且 由于各级粒料都具有一定的数量，实际上每级较大的粒料都被较小的粒料挤开， 因而矿料不能形成骨架，粗粒料犹如悬浮状态分布于较小的颗粒之中，因此在组 成结构上它属于种典型的悬浮密实结构类型。混合料虽然可以获得最佳的密实 度和较大的粘结力，但不能构成最大的内摩阻力，其强度性质主要受粘结力所左 右，在现代重型汽车交通荷载作用下，路面可能因热稳定性不足而产生车辙、波 浪、推移等变形，从而影响其正常使用。 。 连续开级配混合料( 图2 一l 中的b ) ，虽然粗粒料含量相对地有所增加，特 别是沥青碎石混合料或颗粒均匀的沥青碎石( 图2 一l 中的c ) ，其混合料可以形 成骨架作用，但由于细集料含量较少甚至没有，所以不能充分填充粗集料之问的 空隙而有较大的空隙率，故而形成一一种骨架空隙结构。这类材料的强度主要取决 于内摩阻力，粘结力相对是次要的，因而其热稳定性可以得到显著的提高，但由 于空隙率太大而使路面的耐久性将受到影响。 为了解决上述矛盾，使沥青混合料既能满足热稳定性的要求，同时又具有良 好的耐久性，近年来通过一些国家的研究和实践，发展了一种新的矿料级配类型， 即间断级配。所谓间断级配混合料，就是在矿料组成中，大小颗粒不是连续存在， 而在某一个或几个粒径范围内没有或有很少矿料颗粒所组成的一种矿质混合料， 其级配曲线如图2 一l 中的d 。这种混合料不仅有足够的数量的粗粒料可以形成空 间骨架，而且又有必要数量的细集料填充于骨架间的空隙，使混合料有较高的密 实度而形成为一种骨架密结构，故其内摩阻力和粘结力都较高。 2 2 沥青混合料的结构及强度原理 2 2 1 沥青混合料的结构 按沥青混合料强度构成原则的不同，其结构可分为按嵌挤原理构成的结构和 按密实级配原理构成的结构两大类。按嵌挤原理构成的混合料，要求采用较粗的、 颗粒尺寸较均匀的骨料，沥青在混合料中起填隙作用，并把骨料粘结成一个整体， 这种材料的结构强度主要依赖于骨料颗粒之间相互嵌挤所产生的内摩阻力，而对 沥青的粘结作用依赖性不大，沥青贯入式路面、沥青表面处治以及沥青碎石路面 均属此类结构。这些路面的性能受温度的影响相对较小。 按密实级配原理构成的沥青混合料，是指骨料和沥青按最大密实原则进行配 合以后而形成的一种材料，其结构强度是以沥青与骨料之间的粘结力为主、以骨 料颗粒间的嵌挤力和内摩阻力为辅而构成的。沥青混凝土路面和沥青碎石路面属 于此类，这种路面的性能受温度的影响相对较大。按这种混合料网络结构中“嵌 挤成分”和“密实成分”所占的比例不同，沥青混合料的组成结构形态有三种典 型结构：即密实悬浮结构；骨架空隙结构；密实骨架结构，如图2 2 所示： 密实悬浮结构：这种结构形态的沥青混合料，通常采用连续型密级配，骨料 的颗粒尺寸由大n d , 连续存在。这种材料中含有大量的细料，而粗料数量较少， 且相互问没有接触，不能形成骨架，粗颗粒犹如“悬浮”于细颗粒之中。这种沥 青混合料表现为粘结力较高，而内摩阻力较小。用这种沥青混合料修筑的路面， 由于受沥青材料性质的影响较大，故它的稳定性较差。( 如图2 2 a ) 骨架窄隙结构：采用连续开级配的沥青混合料属于这一结构类型。在这种沥 青混合料中，粗骨料较多，而细集料数量过少，因此，虽然能够形成骨架，但其 残余空隙较大。这种材料的内摩阻力较大，而粘结力较小。由此而修筑的沥青路 面，受沥青性质的影响较小，因而其稳定性较好。( 如图2 - 2 b ) 密实骨架结构：是综合以上两种类型组成的结构。混合料既有一定数量的粗 骨料形成骨架，又根据残余空隙的多少加入细料，从而形成较高的密实度。这种 沥青混合料同时具有较高的粘结力和内摩阻力。间断级配即是按此原理构成的 1 。( 如图一2 c ) 誉魏 ? 4 漆；爹 图2 - 2 三种典型沥青混合料结构组成示意 a ) 悬浮一密实结构；b ) 骨架一空隙结构；c ) 密实一骨架结构 2 2 2 沥青混合料的强度机理 沥青混合料结构是单一结构和相互联系结构概念的总和，其中包括：沥青结 构、矿物骨架结构及沥青一矿粉分散系统结构等，其中沥青一矿粉分散系统结构对 沥青混合料的弹一粘一塑性起关键性作用，这种结构特点为结构单元( 固体颗粒) 通过液相的薄层( 沥青) 而粘结在一起。其结构强度取决于结构单元产生的分子 力，此外，固体颗粒之间液相薄层的厚度起着很大作用，相互作用的分子随薄层 厚度的减小而增大，系统的粘稠度增加，结构就变得更加坚固，分散介质( 液相) 本身的性质对结构的性质也有很大的影响。矿物骨架结构是指沥青混合料成分中 矿物颗粒在空问的分布情况。矿物骨架本身承受大部分的内力，颗粒间的内摩阻 力直接影响结构的强度。沥青结构指沥青混合料中沥青的分布特点和矿物颗粒上 形成的沥青层的构造。矿物颗粒表面上的沥青层厚度以及填充颗粒间空隙的自由 沥青数量在较大程度上影响该结构的强度。 同时沥青与矿料之间的相互作用是沥青混合料结构形成的决定性因素，它直 接影响到沥青混合料的强度、温度稳定性、水稳定性以及老化速度等一系列重要 1 4 性能。原苏联j 1 a 列宾捷尔研究认为，沥青与矿料相互作用后，沥青在矿料表 面产生化学组分的重新排列，在矿料表面形成一层厚度为6 。的扩散溶剂化膜， 在此膜厚度以内的沥青称为结构沥青，在此膜厚度以外的沥青称为自由沥青。结 构沥青与矿料之间发生相互作用，并且沥青的性质有所改变；而自由沥青与矿料 距离较远，没有与矿料发生相互作用，仅将分散的矿料粘结起来，并保持原有的 性质。 从以上沥青混合料的强度机理来看，影响沥青混合料的强度的因素有：沥青 用量、沥青与矿料相互作用程度、矿料的几何形状以及沥青的性质和所受荷载的 大小。 2 3 沥青混合料的基本特征 沥青混合料是一种性能极其复杂的建筑材料，这主要是因为： ( 1 ) 沥青是一种成分非常复杂的有机高分子材料，与矿质集料仅有极弱的结 合能力而且随不同的油源及炼制工艺其性能变化很大； ( 2 ) 由于组成混合料的配合比及混合料的生产工艺与施工方法的差异，沥 青混合料性质的试验结果的离散性较大： ( 3 ) 沥青混合料的性能受加载时间、温度的较大，沥青混合料的性能的条 件性很强，其性能指标与试验设备、试验条件、试验方法的关系极大，不同单位 的实验室、试验人员的性能试验结果的可比性往往较差。 沥青混合料以粘弹性为其基