ATB-30 沥青混合料配合比设计与力学性能研究
第一章 绪 论
采用半刚性基层虽然可以增强路面承载力，为面层提供稳定的支承，使沥青面层行车舒适性得到充分发挥。但是，由于材料性能的原因，半刚性基层路面在使用过程中普遍存在龟裂、反射裂缝、车辙、冲刷等病害现象，其中开裂是半刚性基层典型的病害型式，一直的得不到根本解决[1-5]。为了减少半刚性基层沥青路面反射裂缝，近年来国内一些省份在公路建设中开始使用柔性基层，由于沥青价格较高，柔性基层沥青路面建设费用与半刚性基层路面相比大幅上扬，且国内对于柔性基层沥青路面车辙问题研究不足，缺乏科学的技术规范。因此，柔性联结层和半刚性基层相结合的结构形式成为目前较为常见的结构组合型式。其上层为沥青稳定碎石柔性层、下层为半刚性基层，既具有半刚性基层强度高、承载能力大的优点，又可以发挥柔性层良好的抗变形和抗开裂能力，同时也降低了路面建设费用[6-8]。
目前，我国柔性联接层主要采用沥青稳定碎石（ATB），ATB 沥青稳定碎石混合料粒径较大，其最大公称粒径在 25~63mm 之间。下面层和基层的沥青稳定碎石空隙率在 3%~6%之间，用于基层的嵌挤骨架－空隙型沥青稳定碎石空隙率在 15%以上。作为柔性结构层，沥青稳定碎石具有较强的变形能力；同时可以有效降低路面结构产生的应力集中，减少沥青路面反射裂缝的发生，提高路面使用性能[9-11]。我国对于沥青稳定碎石结构层的设计施工等方面的研究尚处于起步阶段，但由于其良好的使用性能，各地在公路建设中对于稳定碎石结构层的研究和应用逐渐增多。在今后的公路建设中，沥青稳定碎石结构层将成为高等级公路的主要路面结构层之一，具有良好的应用前景。因此，对沥青稳定碎结构层的混合料的设计方法、结构性能要求、施工质量控制措施等方面进行深入研究对于该结构的推广具有重要意义[12-20]。
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1.2.1 国外研究现状
国外在对于柔性基层路面的应用相对较早，美国、德国、英国、澳大利亚等国家都形成了柔性基层路面技术规范。目前，国外采用的柔性路面结构形式主要有两种。一种是柔性基层沥青路面，其面层和上基层均采用沥青混合料，下基层采用级配碎石；另一种是柔性组合式路面，其面层和上基层采用沥青混合料，下基层采用无机结合料稳定基层，或在半刚性基层与沥青面层之间设置级配碎石层[21-23]。
1949 年，在北约克郡修建了多个试验段，用于比较沥青碎石基层和级配碎石基层性能的差异性。1957 年在剑桥郡铺筑的试验路包括了 33 种柔性路面结构，比较了级配碎石、贫混凝土、沥青碎石、沥青混凝土和水泥胶结砂基层的使用性能。结果表明，沥青混凝土基层路用性能最优，开级配沥青碎石次之，级配碎石和胶结砂的路用性能较差[24]。1956~1960 年间，美国各州公路工作者协会(AASHO)进行了著名的AASHO 试验路研究。在该项研究中对比了碎石基层、砾石基层、水泥稳定基层和沥青稳定基层的使用性能。结果表明，沥青稳定基层路面的使用性能明显优于水泥稳定类基层[25-28]。
20 世纪 70 年代初期，德国在路面设计中采用了全厚式沥青路面结构，解决重载交通对路面结构造成的损害问题。并在这一时期内修建了多条试验路，对比分析了传统沥青路面结构与全厚式沥青路面的使用性能。结果表明，全厚式沥青路面具有更好的路用性能。1973 年，加拿大亚伯达省修建了两段全厚式沥青路面结构，并对不同交通荷载作用下的应力、应变进行了检测，分析了路面在交通、环境和结构共同作用下的应力、应变和弯沉，为制定路面设计标准提供了科学依据。20 世纪 70 年代中期，俄亥俄州进行了全厚式沥青路面力学性能的系统研究。进行了大量的疲劳试验、劈裂强度试验和动态模量试验，确定了沥青面层材料和沥青稳定基层材料的结构系数分别为 0.45 和 0.40。
加拿大气高速公路沥青路面多采用沥青稳定碎石基层，其混合料粒径较小，厚度一般为 15~35cm，沥青稳定碎石混合料设计方法与沥青混合料较为相似，仅减小了填料和沥青用量。丹麦、挪威、芬兰、瑞典等国家很少使用半刚性基层，其高速公路大多采用沥青稳定碎石基层，由于处于潮湿、冰冻气候区，其路面结构中沥青面层厚度和基层厚度较大。意大利、西班牙等国家高速公路以柔性基层沥青路面为主，尤其是交通量较大时，普遍采用沥青稳定碎石基层，底基层采用半刚性材料。意大利的典型路面结构是 20cm 半刚性底基层+20~35cm 沥青层，西班牙的典型路面结构是20cm 半刚性底基层+22~40cm 沥青层。
Robert 基于断裂力学理论建立了沥青路面温度疲劳计算模型，分析了路面结构温度分布梯度，对路面温度疲劳开裂进行了预估，提出了基于温度疲劳开裂的沥青路面设计方法[29]。Doh,Young 建立了沥青路面疲劳寿命预估模型，采用多项性能指标对沥青路面抗裂性能进行了分析，对比评价了不同类型沥青混凝土结构层的抗反射裂缝性能[30]。Kumara 等建立了车辆荷载作用下的沥青路面开裂状况预估模型，并采用马尔科夫数学模型预测随机荷载作用下裂缝的概率分布特性，提出了沥青路面随机开裂预估方法，揭示了车辆荷载作用下路面裂缝的发展过程[31]。Goagofou 通过建立能够表征结构开裂行为的数学模型，来预测车辆荷载及温度共同作用下路面裂缝的发展规律，从而确定阻止路面裂缝的方法。
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第二章 沥青混合料配合比设计方法和建模理论
目前，多采用马歇尔方法进行沥青混合料设计，该方法最早由BruceMarshall发明，美国陆军工程兵团对此方法进行了改进和完善。马歇尔方法被世界范围内应用广泛的沥青混合料设计方法之一，但该设计方法属于经验设计法，无法满足交通量和轴载迅速增长、新材料、新工艺、新结构不断涌现对沥青混合料配合比设计和检验的需求。越来越多的工程技术人员发现通过马歇尔方法得到的沥青混合料，其体积指标和力学指标不能较真实地反映实际路面的使用性能。其原因包括：一、由于马歇尔方法以击实成型试件，不能真实体现压路机、行驶车辆对沥青混凝土路面的揉搓、碾压作用；二、由于马歇尔击实仪仅为垂直作用，其击实功不足，而仅以增加击实次数提高击实功，则在击实过程中容易把试件表层的集料击碎，与施工过程和实际使用状态下的沥青路面所承受的作用力差异显著。此外，马歇尔方法采用击实成型存在的局限性如下[42]。
（1）混合料合计与路面设计不挂钩
现行沥青路面结构设计方法根据经验或有限的试验确定材料的各种模量，用弹性层状理论分析各结构层的应力、应变、位移、总弯沉，以满足设计标准，即先进行结构设计，再进行沥青混合料的设计。混合料设计后的材料参数是否满足设计时的取值，未进行检验，也就是说混合料设计与结构设计尚未相结合考虑。正确的方法是根据经验确定路面结构后，进行混合料设计，通过室内试验测定沥青混合料的各项指标，以此作为路面结构设计的参数。
（2）无法判断交通量对沥青混合料的技术要求
马歇尔方法仅根据所计算的交通量大小分成三种，即轻、中、重交通，三种不同的交通量水平是根据在成型试件时采用不同的击实次数，据此要求沥青混合料响应的体积特性，该划分结果过于简单。
（3）试件成型方法无法匹配行车压实过程
马歇尔设计方法中试件采用击实方法成型，该方法具有一定的弊端：一、击实方法很容易将试件内部的集料击碎，特别是位于试件表层的集料，因此改变了混合料的原有级配；二、击实方法无法对应压路机和行车的搓揉、碾压。美国SHRP计划对四种不同试件（分别为旋转压实、轮碾压实、马歇尔击实、路面钻芯试件）进行工程性质的相关性分析，发现马歇尔击实试件与路面钻芯试件工程性质的相关性最差。
（4）聚合物改性沥青混合料的适用性较差
现行马歇尔试件的体积指标和力学指标主要是针对密级配普通沥青混合料提出的。若使用改性沥青混合料，增加较小的荷载，则常常出现马歇尔试件变形持续增大的现象。对于此类问题的处理不能简单将规范值放大或放小，应进行深入的研究。
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Superpave（Superior Performing Asphalt Pavement）混合料设计方法体系是美国SHAP（Strategic Highway Research Program）计划的主要研究成果之一。Sperpave混合料设计包括三个水准：混合料体积设计，以旋转压实成型试件，并根据体积设计要求确定沥青用量；混合料中等路面性能水平设计，以混合料体积设计为基础，以SST和IDT试验预测性能；混合料最高路面性能水平设计，以混合料体积设计为基础，附加较宽温度范围的SST和IDT试验。
对于沥青结合料，采用旋转薄膜烘箱模拟沥青混合料在拌和和摊铺中的老化；采用压力老化容器模拟沥青在路面使用中的老化。对于集料，在进行级配设计时，采用控制点和限制区来限定。对于沥青混合料，在拌好后，采用短期老化模拟沥青混合料在拌和摊铺压实中的老化。Superpave混合料体积设计根据沥青混合料的空隙率、矿料间隙率、沥青填隙率等体积特性进行热拌沥青混合料设计的，主要有材料选择、混合料拌和、体积分析以及混合料性能验证。Suerpave沥青混合料体积设计法对材料、集料级配、混合料均有严格的规定，并制定了相应的规范，包括胶结料规范、集料规范、混合料规范。
2.2.1 Superpave 沥青混合料的特点
Superpave沥青混合料设计方法的主要特点是采用旋转压实仪成型试件和对于混合料的力学性能测试，试件的尺寸与马歇尔击实方法成型的试件相差很大，其直径为150mm，该设计方法引起了世界各国的广泛关注。旋转压实成型的沥青混合料一般具有级配连续、骨料嵌挤、结构密实的特点。此外，Superpave沥青混合料还具备以下特点：（1）良好的内摩阻力和稳定性，显著改善了抗高温车辙能力；（2）良好的密实性，在充分压实的情况下可以得到较为理想的空隙率，增强了抗水损坏的能力；（3）混合料施工方面有一定的特殊性，高温压实时混合料稳定，不会出现推挤和波浪现象，但压实相对困难。
2.2.2 Superpave 设计流程
Superpave 沥青混合料设计流程见图 2.1，Superpave 级配设计的 S 级配见表2.1。
随着交通条件和车速的提高，新材料、新结构等的不断涌现，传统的基于经验方法的马歇尔设计方法存在的问题逐渐显现出来，而Superpave技术自引入我国，得到了广泛关注的同时，我国的该领域研究人员展开了卓有成效的研究工作，并取得了卓越的研究成果，部分研究成果已经写入《公路沥青路面设计规范》、《公路改性沥青路面施工技术规范》、施工规范等，说明Superpave沥青混合料设计方法具有独特的优点。
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3.1 原材料选择..........................................22
3.1.1 沥青..............................................22
3.1.2 粗集料............................................22
第四章 ATB-30 沥青混合料细观模型的构建及力学分析........36
4.1ATB-30 级配确定........................................36
4.2ATB-30 下面层力学分析.................................37
4.2.1 细观模型的构建.....................................37
第五章 ATB-30 沥青稳定碎石的施工工艺......................53
5.1 准备工作.............................................53
5.2ATB-30 的拌和与运输....................................54
第五章 ATB-30 沥青稳定碎石的施工工艺
在某高速公路路面设计中，下面层采用 ATB-30 沥青稳定碎石，大粒径混合料在施工工程中容易发生离析，影响路面施工质量，因此，ATB-30 沥青稳定碎石下面层施工时应严格控制施工质量，避免混合料在施工过程在发生离析，提高路面施工质量和使用性能，本章对 ATB-30 的施工技术和质量控制进行研究。
1、集料
（1）按照配合比设计要求准备各种规格的集料。对不同料场、不同批次的集料应进行筛分试验，不同规格集料应分类堆放，相同规格、不同料源的集料也应分开堆放，所有集料都应进行抽样检验，满足设计要求。
（2）集料对方场地应清洁、干燥、排水良好，场地应设置硬质铺面，集料试验前应充分烘干。
（3）集料对方时应采用分层堆放的方法，备料时逐层向上堆放，避免集料发生离析。
2、沥青
沥青应按照品种、标号分类存放。沥青存贮温度不低于130℃，最高不超过170℃。沥青在运输和存放过程中应采取防水措施。改性沥青宜贮存在可加热与保温的贮藏罐中，贮存温度取决于沥青类型和等级，如果停止使用，改性沥青贮存温度应低于150℃。若停用时间超过3周，贮存温度应低于135℃。重新使用时应缓慢加热至使用温度，加热过程中不断进行搅拌避免局部过热和沥青老化。
3、施工机械和检测仪器的准备
施工前应检查沥青混合料生产、运输、摊铺、碾压设备是否齐全，并进行校验。保证机械设备能够良好运转，同时应配备符合规定要求的质量检测设备，检查仪器设备是否损坏。
4、准备下承层
沥青混合料下面层铺筑前，应检查其下承层的施工质量是否满足要求，保证层间界面接触状态良好。
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第六章 主要结论及建议
本文针对 ATB-30 沥青稳定碎石混合料目前应用过程中存在的问题，对ATB-30 沥青稳定碎石级配组成设计、路用性能、细观力学性能及施工质量控制关键技术进行了系统研究，为沥青稳定碎石结构层的进一步推广应用提供科学参考。得出的主要研究结论如下：
（1）分析了马歇尔设计方法随着目前道路交通量的发展、使用性能的提高该方法已凸显其局限性，引出了 Superpave 沥青混合料配合比设计方法，确定了ATB-30 下面层的配合比设计方法。介绍了用于构建沥青混合料细观结构、并用于分析沥青混合料内部相互作用机理的离散元方法的相关理论。
（2）结合依托工程具体情况选择了ATB-30混合料所用原材料，并进行了配合比组成设计，确定了最佳油石比为3.5%。
（3）对ATB-30沥青稳定碎石混合料路用性能进行了检测，结果表明ATB-30沥青稳定碎石下面层具有良好的高温稳定性、水稳定性和低温稳定性。
（4）利用离散元方法生成了二维ATB-30下面层细观模型，在施加标准轴载作用下，追踪了荷载作用位置处的接触力、颗粒位移。构建了5cmAC-13上面层+7cmAC-20中面层+10cmATB-30下面层的路面结构，并追踪了施加标准轴载后路面结构的细观响应。
（5）确定了不同阶段ATB-30沥青稳定碎石混合料施工温度控制范围，提出了ATB-30沥青稳定碎石混合料的施工工艺及施工质量控制措施。
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1、对ATB-30沥青稳定碎石混合料在施工过程中材料的离析研究不够系统，需进一步提出施工各阶段防止离析的具体措施。
2、对ATB-30沥青稳定碎石混合料路面的长期性能缺乏观测和评价，在后续研究中可通过预埋传感器、无损检测等方法进行深入观测。
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参考文献（略）
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本文编号：38240
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/38240.html
