ATB-30 瀝青混合料配合比設計與力學性能研究
第一章 緒 論
采用半剛性基層雖然可以增強路面承載力，為面層提供穩(wěn)定的支承，使瀝青面層行車舒適性得到充分發(fā)揮。但是，由于材料性能的原因，半剛性基層路面在使用過程中普遍存在龜裂、反射裂縫、車轍、沖刷等病害現(xiàn)象，其中開裂是半剛性基層典型的病害型式，一直的得不到根本解決[1-5]。為了減少半剛性基層瀝青路面反射裂縫，近年來國內一些省份在公路建設中開始使用柔性基層，由于瀝青價格較高，柔性基層瀝青路面建設費用與半剛性基層路面相比大幅上揚，且國內對于柔性基層瀝青路面車轍問題研究不足，缺乏科學的技術規(guī)范。因此，柔性聯(lián)結層和半剛性基層相結合的結構形式成為目前較為常見的結構組合型式。其上層為瀝青穩(wěn)定碎石柔性層、下層為半剛性基層，既具有半剛性基層強度高、承載能力大的優(yōu)點，又可以發(fā)揮柔性層良好的抗變形和抗開裂能力，同時也降低了路面建設費用[6-8]。
目前，我國柔性聯(lián)接層主要采用瀝青穩(wěn)定碎石（ATB），ATB 瀝青穩(wěn)定碎石混合料粒徑較大，其最大公稱粒徑在 25~63mm 之間。下面層和基層的瀝青穩(wěn)定碎石空隙率在 3%~6%之間，用于基層的嵌擠骨架－空隙型瀝青穩(wěn)定碎石空隙率在 15%以上。作為柔性結構層，瀝青穩(wěn)定碎石具有較強的變形能力；同時可以有效降低路面結構產(chǎn)生的應力集中，減少瀝青路面反射裂縫的發(fā)生，提高路面使用性能[9-11]。我國對于瀝青穩(wěn)定碎石結構層的設計施工等方面的研究尚處于起步階段，但由于其良好的使用性能，各地在公路建設中對于穩(wěn)定碎石結構層的研究和應用逐漸增多。在今后的公路建設中，瀝青穩(wěn)定碎石結構層將成為高等級公路的主要路面結構層之一，具有良好的應用前景。因此，對瀝青穩(wěn)定碎結構層的混合料的設計方法、結構性能要求、施工質量控制措施等方面進行深入研究對于該結構的推廣具有重要意義[12-20]。
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1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
國外在對于柔性基層路面的應用相對較早，美國、德國、英國、澳大利亞等國家都形成了柔性基層路面技術規(guī)范。目前，國外采用的柔性路面結構形式主要有兩種。一種是柔性基層瀝青路面，其面層和上基層均采用瀝青混合料，下基層采用級配碎石；另一種是柔性組合式路面，其面層和上基層采用瀝青混合料，下基層采用無機結合料穩(wěn)定基層，或在半剛性基層與瀝青面層之間設置級配碎石層[21-23]。
1949 年，在北約克郡修建了多個試驗段，用于比較瀝青碎石基層和級配碎石基層性能的差異性。1957 年在劍橋郡鋪筑的試驗路包括了 33 種柔性路面結構，比較了級配碎石、貧混凝土、瀝青碎石、瀝青混凝土和水泥膠結砂基層的使用性能。結果表明，瀝青混凝土基層路用性能最優(yōu)，開級配瀝青碎石次之，級配碎石和膠結砂的路用性能較差[24]。1956~1960 年間，美國各州公路工作者協(xié)會(AASHO)進行了著名的AASHO 試驗路研究。在該項研究中對比了碎石基層、礫石基層、水泥穩(wěn)定基層和瀝青穩(wěn)定基層的使用性能。結果表明，瀝青穩(wěn)定基層路面的使用性能明顯優(yōu)于水泥穩(wěn)定類基層[25-28]。
20 世紀 70 年代初期，德國在路面設計中采用了全厚式瀝青路面結構，解決重載交通對路面結構造成的損害問題。并在這一時期內修建了多條試驗路，對比分析了傳統(tǒng)瀝青路面結構與全厚式瀝青路面的使用性能。結果表明，全厚式瀝青路面具有更好的路用性能。1973 年，加拿大亞伯達省修建了兩段全厚式瀝青路面結構，并對不同交通荷載作用下的應力、應變進行了檢測，分析了路面在交通、環(huán)境和結構共同作用下的應力、應變和彎沉，為制定路面設計標準提供了科學依據(jù)。20 世紀 70 年代中期，俄亥俄州進行了全厚式瀝青路面力學性能的系統(tǒng)研究。進行了大量的疲勞試驗、劈裂強度試驗和動態(tài)模量試驗，確定了瀝青面層材料和瀝青穩(wěn)定基層材料的結構系數(shù)分別為 0.45 和 0.40。
加拿大氣高速公路瀝青路面多采用瀝青穩(wěn)定碎石基層，其混合料粒徑較小，厚度一般為 15~35cm，瀝青穩(wěn)定碎石混合料設計方法與瀝青混合料較為相似，僅減小了填料和瀝青用量。丹麥、挪威、芬蘭、瑞典等國家很少使用半剛性基層，其高速公路大多采用瀝青穩(wěn)定碎石基層，由于處于潮濕、冰凍氣候區(qū)，其路面結構中瀝青面層厚度和基層厚度較大。意大利、西班牙等國家高速公路以柔性基層瀝青路面為主，尤其是交通量較大時，普遍采用瀝青穩(wěn)定碎石基層，底基層采用半剛性材料。意大利的典型路面結構是 20cm 半剛性底基層+20~35cm 瀝青層，西班牙的典型路面結構是20cm 半剛性底基層+22~40cm 瀝青層。
Robert 基于斷裂力學理論建立了瀝青路面溫度疲勞計算模型，分析了路面結構溫度分布梯度，對路面溫度疲勞開裂進行了預估，提出了基于溫度疲勞開裂的瀝青路面設計方法[29]。Doh,Young 建立了瀝青路面疲勞壽命預估模型，采用多項性能指標對瀝青路面抗裂性能進行了分析，對比評價了不同類型瀝青混凝土結構層的抗反射裂縫性能[30]。Kumara 等建立了車輛荷載作用下的瀝青路面開裂狀況預估模型，并采用馬爾科夫數(shù)學模型預測隨機荷載作用下裂縫的概率分布特性，提出了瀝青路面隨機開裂預估方法，揭示了車輛荷載作用下路面裂縫的發(fā)展過程[31]。Goagofou 通過建立能夠表征結構開裂行為的數(shù)學模型，來預測車輛荷載及溫度共同作用下路面裂縫的發(fā)展規(guī)律，從而確定阻止路面裂縫的方法。
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第二章 瀝青混合料配合比設計方法和建模理論
目前，多采用馬歇爾方法進行瀝青混合料設計，該方法最早由BruceMarshall發(fā)明，美國陸軍工程兵團對此方法進行了改進和完善。馬歇爾方法被世界范圍內應用廣泛的瀝青混合料設計方法之一，但該設計方法屬于經(jīng)驗設計法，無法滿足交通量和軸載迅速增長、新材料、新工藝、新結構不斷涌現(xiàn)對瀝青混合料配合比設計和檢驗的需求。越來越多的工程技術人員發(fā)現(xiàn)通過馬歇爾方法得到的瀝青混合料，其體積指標和力學指標不能較真實地反映實際路面的使用性能。其原因包括：一、由于馬歇爾方法以擊實成型試件，不能真實體現(xiàn)壓路機、行駛車輛對瀝青混凝土路面的揉搓、碾壓作用；二、由于馬歇爾擊實儀僅為垂直作用，其擊實功不足，而僅以增加擊實次數(shù)提高擊實功，則在擊實過程中容易把試件表層的集料擊碎，與施工過程和實際使用狀態(tài)下的瀝青路面所承受的作用力差異顯著。此外，馬歇爾方法采用擊實成型存在的局限性如下[42]。
（1）混合料合計與路面設計不掛鉤
現(xiàn)行瀝青路面結構設計方法根據(jù)經(jīng)驗或有限的試驗確定材料的各種模量，用彈性層狀理論分析各結構層的應力、應變、位移、總彎沉，以滿足設計標準，即先進行結構設計，再進行瀝青混合料的設計�；旌狭显O計后的材料參數(shù)是否滿足設計時的取值，未進行檢驗，也就是說混合料設計與結構設計尚未相結合考慮。正確的方法是根據(jù)經(jīng)驗確定路面結構后，進行混合料設計，通過室內試驗測定瀝青混合料的各項指標，以此作為路面結構設計的參數(shù)。
（2）無法判斷交通量對瀝青混合料的技術要求
馬歇爾方法僅根據(jù)所計算的交通量大小分成三種，即輕、中、重交通，三種不同的交通量水平是根據(jù)在成型試件時采用不同的擊實次數(shù)，據(jù)此要求瀝青混合料響應的體積特性，該劃分結果過于簡單。
（3）試件成型方法無法匹配行車壓實過程
馬歇爾設計方法中試件采用擊實方法成型，該方法具有一定的弊端：一、擊實方法很容易將試件內部的集料擊碎，特別是位于試件表層的集料，因此改變了混合料的原有級配；二、擊實方法無法對應壓路機和行車的搓揉、碾壓。美國SHRP計劃對四種不同試件（分別為旋轉壓實、輪碾壓實、馬歇爾擊實、路面鉆芯試件）進行工程性質的相關性分析，發(fā)現(xiàn)馬歇爾擊實試件與路面鉆芯試件工程性質的相關性最差。
（4）聚合物改性瀝青混合料的適用性較差
現(xiàn)行馬歇爾試件的體積指標和力學指標主要是針對密級配普通瀝青混合料提出的。若使用改性瀝青混合料，增加較小的荷載，則常常出現(xiàn)馬歇爾試件變形持續(xù)增大的現(xiàn)象。對于此類問題的處理不能簡單將規(guī)范值放大或放小，應進行深入的研究。
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Superpave（Superior Performing Asphalt Pavement）混合料設計方法體系是美國SHAP（Strategic Highway Research Program）計劃的主要研究成果之一。Sperpave混合料設計包括三個水準：混合料體積設計，以旋轉壓實成型試件，并根據(jù)體積設計要求確定瀝青用量；混合料中等路面性能水平設計，以混合料體積設計為基礎，以SST和IDT試驗預測性能；混合料最高路面性能水平設計，以混合料體積設計為基礎，附加較寬溫度范圍的SST和IDT試驗。
對于瀝青結合料，采用旋轉薄膜烘箱模擬瀝青混合料在拌和和攤鋪中的老化；采用壓力老化容器模擬瀝青在路面使用中的老化。對于集料，在進行級配設計時，采用控制點和限制區(qū)來限定。對于瀝青混合料，在拌好后，采用短期老化模擬瀝青混合料在拌和攤鋪壓實中的老化。Superpave混合料體積設計根據(jù)瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率、瀝青填隙率等體積特性進行熱拌瀝青混合料設計的，主要有材料選擇、混合料拌和、體積分析以及混合料性能驗證。Suerpave瀝青混合料體積設計法對材料、集料級配、混合料均有嚴格的規(guī)定，并制定了相應的規(guī)范，包括膠結料規(guī)范、集料規(guī)范、混合料規(guī)范。
2.2.1 Superpave 瀝青混合料的特點
Superpave瀝青混合料設計方法的主要特點是采用旋轉壓實儀成型試件和對于混合料的力學性能測試，試件的尺寸與馬歇爾擊實方法成型的試件相差很大，其直徑為150mm，該設計方法引起了世界各國的廣泛關注。旋轉壓實成型的瀝青混合料一般具有級配連續(xù)、骨料嵌擠、結構密實的特點。此外，Superpave瀝青混合料還具備以下特點：（1）良好的內摩阻力和穩(wěn)定性，顯著改善了抗高溫車轍能力；（2）良好的密實性，在充分壓實的情況下可以得到較為理想的空隙率，增強了抗水損壞的能力；（3）混合料施工方面有一定的特殊性，高溫壓實時混合料穩(wěn)定，不會出現(xiàn)推擠和波浪現(xiàn)象，但壓實相對困難。
2.2.2 Superpave 設計流程
Superpave 瀝青混合料設計流程見圖 2.1，Superpave 級配設計的 S 級配見表2.1。
隨著交通條件和車速的提高，新材料、新結構等的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗方法的馬歇爾設計方法存在的問題逐漸顯現(xiàn)出來，而Superpave技術自引入我國，得到了廣泛關注的同時，我國的該領域研究人員展開了卓有成效的研究工作，并取得了卓越的研究成果，部分研究成果已經(jīng)寫入《公路瀝青路面設計規(guī)范》、《公路改性瀝青路面施工技術規(guī)范》、施工規(guī)范等，說明Superpave瀝青混合料設計方法具有獨特的優(yōu)點。
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3.1 原材料選擇..........................................22
3.1.1 瀝青..............................................22
3.1.2 粗集料............................................22
第四章 ATB-30 瀝青混合料細觀模型的構建及力學分析........36
4.1ATB-30 級配確定........................................36
4.2ATB-30 下面層力學分析.................................37
4.2.1 細觀模型的構建.....................................37
第五章 ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石的施工工藝......................53
5.1 準備工作.............................................53
5.2ATB-30 的拌和與運輸....................................54
第五章 ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石的施工工藝
在某高速公路路面設計中，下面層采用 ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石，大粒徑混合料在施工工程中容易發(fā)生離析，影響路面施工質量，因此，ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石下面層施工時應嚴格控制施工質量，避免混合料在施工過程在發(fā)生離析，提高路面施工質量和使用性能，本章對 ATB-30 的施工技術和質量控制進行研究。
1、集料
（1）按照配合比設計要求準備各種規(guī)格的集料。對不同料場、不同批次的集料應進行篩分試驗，不同規(guī)格集料應分類堆放，相同規(guī)格、不同料源的集料也應分開堆放，所有集料都應進行抽樣檢驗，滿足設計要求。
（2）集料對方場地應清潔、干燥、排水良好，場地應設置硬質鋪面，集料試驗前應充分烘干。
（3）集料對方時應采用分層堆放的方法，備料時逐層向上堆放，避免集料發(fā)生離析。
2、瀝青
瀝青應按照品種、標號分類存放。瀝青存貯溫度不低于130℃，最高不超過170℃。瀝青在運輸和存放過程中應采取防水措施。改性瀝青宜貯存在可加熱與保溫的貯藏罐中，貯存溫度取決于瀝青類型和等級，如果停止使用，改性瀝青貯存溫度應低于150℃。若停用時間超過3周，貯存溫度應低于135℃。重新使用時應緩慢加熱至使用溫度，加熱過程中不斷進行攪拌避免局部過熱和瀝青老化。
3、施工機械和檢測儀器的準備
施工前應檢查瀝青混合料生產(chǎn)、運輸、攤鋪、碾壓設備是否齊全，并進行校驗。保證機械設備能夠良好運轉，同時應配備符合規(guī)定要求的質量檢測設備，檢查儀器設備是否損壞。
4、準備下承層
瀝青混合料下面層鋪筑前，應檢查其下承層的施工質量是否滿足要求，保證層間界面接觸狀態(tài)良好。
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第六章 主要結論及建議
本文針對 ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石混合料目前應用過程中存在的問題，對ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石級配組成設計、路用性能、細觀力學性能及施工質量控制關鍵技術進行了系統(tǒng)研究，為瀝青穩(wěn)定碎石結構層的進一步推廣應用提供科學參考。得出的主要研究結論如下：
（1）分析了馬歇爾設計方法隨著目前道路交通量的發(fā)展、使用性能的提高該方法已凸顯其局限性，引出了 Superpave 瀝青混合料配合比設計方法，確定了ATB-30 下面層的配合比設計方法。介紹了用于構建瀝青混合料細觀結構、并用于分析瀝青混合料內部相互作用機理的離散元方法的相關理論。
（2）結合依托工程具體情況選擇了ATB-30混合料所用原材料，并進行了配合比組成設計，確定了最佳油石比為3.5%。
（3）對ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料路用性能進行了檢測，結果表明ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石下面層具有良好的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性。
（4）利用離散元方法生成了二維ATB-30下面層細觀模型，在施加標準軸載作用下，追蹤了荷載作用位置處的接觸力、顆粒位移。構建了5cmAC-13上面層+7cmAC-20中面層+10cmATB-30下面層的路面結構，并追蹤了施加標準軸載后路面結構的細觀響應。
（5）確定了不同階段ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料施工溫度控制范圍，提出了ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料的施工工藝及施工質量控制措施。
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1、對ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料在施工過程中材料的離析研究不夠系統(tǒng)，需進一步提出施工各階段防止離析的具體措施。
2、對ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料路面的長期性能缺乏觀測和評價，在后續(xù)研究中可通過預埋傳感器、無損檢測等方法進行深入觀測。
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參考文獻（略）
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本文編號：38240
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