铜汤路面中面层聚酯纤维目标配合比设计.doc

铜汤路面中面层聚酯纤维目标配合比设计

铜黄高速公路（铜汤三标）
中面层沥青混合料（AC-20C）
目标配合比设计与路用性能研究

东南大学交通学院
二OO七年五月

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目 录
1 研究背景 1
2 原材料性能测试 1
2.1 沥青 1
2.2 集料 2
2.3 矿粉 3
2.4 纤维 3
3 级配的选择 3
4 沥青混合料试验研究 4
4.1 马歇尔试验 5
4.2 水稳定性试验 7
4.2.1 浸水马歇尔试验 8
4.2.2 真空饱水冻融循环劈裂强度试验 8
4.3 劈裂强度试验 9
4.4 车辙试验 9
4.5 渗水试验 10
4.6 试验小结 10
参考文献 12

1 研究背景
20世纪90年代以来，我国的高速公路从无到有，飞速发展，目前通车总里程已超过3万公里。其中，沥青路面以其良好的行车舒适性、优异的使用性能、建设速度快和维修方便等特点在我国也得到了广泛的应用。资料表明，国内近期在建、重建的高速公路有90%以上采用沥青路面。鉴于高等级公路在国民经济中的重要地位，沥青路面的路用性能具有举足轻重的意义，随着新型面层材料、级配的问世和工程实践的进一步深化，道路工程界开展了有关材料组成设计、材料性能等方面的研究。经过近二十年的努力，我国在沥青路面的结构设计、材料、施工和检测方面积累了大量的经验，取得了许多理论上的重大进展，并形成了一套完整的技术体系。
虽然如此，国民经济的高速发展带来的交通量迅速增长、车辆大型化、严重超载等现象使沥青路面面临着严峻的考验，许多沥青路面高速公路建成后不久就不能适应交通的需要，早期破坏的情况时有发生。沥青路面早期破坏现象主要有两种，其一为雨季出现的水损害，其二为高温季节出现的车辙，前者更为常见。沥青路面发生早期破坏，除了施工工艺与质量控制方面的原因之外，沥青混合料设计不当，或者缺乏一个比较规范的混合料设计方法也是主要原因之一。
影响沥青混合料路用性能的因素主要有沥青的性质、集料性能、集料级配、集料与沥青间的粘附性以与沥青用量等，在沥青和集料等原材料确定的情况下，要设计路用性能优越的沥青混合料就必须根据所设沥青混合料面层的受力特性和功能要求通过设计合理的级配和选择合适的沥青用量以满足设计要求。本研究就是在这一指导思想下，在选择优质的材料使其技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的基础上，对铜黄高速公路中面层沥青混凝土进行配合比优化设计，从而使设计的沥青路面具有良好的路用性能。
2 原材料性能测试
优质的原材料是保证沥青混合料具有优良路用性能的先决条件，为了满足气候环境与交通对路用性能的要求，必须做好原材料的选择。本研究通过测试沥青、粗集料、细集料和矿粉等材料的性能和技术指标来检测材料是否满足规范要求，从而完成原材料的选择。
2.1 沥青
拌制沥青混合料所用的沥青材料其技术要求随气候条件、交通情况、沥青混合料的类型和施工条件等因素而异，铜黄高速（铜汤三标）中面层沥青混凝土采用环宇SBS改性沥青，其技术指标基本满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》，也满足铜黄高速（铜汤三标）的招标文件，实测技术指标见表1：

表1 环宇SBS改性沥青的试验指标与技术要求
检验项目
试验指标
技术要求
检测方法
针入度（25℃，100g，5S）(0.1mm)
51
50~70
T0604
针入度指数PI
+0.29
≥-0.2
延度（5cm/min,5℃）(cm)
35
≥30
T0605
软化点（环球法）（℃）
89
≥70
T0606
运动粘度135℃ (Pa.s)
2.4
≤3
T0625
闪点（COC）(℃)
320
≥230
T0611
溶解度（三氯乙烯）（％）
99.84
≥99
T0607
弹性恢复(25℃)
97
≥75
T0662
贮存稳定性离析,48h软化点差
1.0
≤2.0
T0661
旋转薄膜加热试验163℃，5h
质量损失（％）
+0.01
≤0.8
T0609
针入度比25℃（％）
86
≥65
T0604
延度（5℃）（cm）
23
≥15
T0605
密度（15℃）（g/cm3）
1.030
≥1.0
T0603
动力粘度60℃(Pa.s)
17727
≥5000
T0620
Superpave性能等级
PG76-22
PG76-22
AASHTO M320-03
2.2 集料
集料是沥青混合料的关键材料之一，其力学性能是决定混合料强度特性的最重要因素，它的颗粒形状不仅影响混合料的构架，也直接关系到混合料的抗车辙能力与抗疲劳性能等材料特性，此外，集料与沥青的粘附等级对混合料强度的形成也起关键作用，因此选择优质的集料是沥青混合料具有优良路用性能的重要保证。粗、细集料的试验指标分别见表2、表3：

表2 石灰岩粗集料的试验指标与技术要求
试验项目
试验指标
技术要求
试验方法
压碎值(%)
25.1
≤26
T0316-2000
洛杉矶磨耗损失(％)
19.9
≤26
T0317-2000
视密度(g/cm3)
2.726
≥2.60
T0308-2000
吸水率(％)
0.13
≤2.0
与沥青的粘附性(级)
4
≥4
T0616-1993
针片状含量(％)
9.6
≤15
T0312-2000
坚固性
1.7
≤12
T0314-2000
软石含量
2.9
≤3
T0320-2000
水洗法<0.075mm（％）
0.90
≤1.0
T0302-2000

表3 石灰岩细集料的试验指标与技术要求
试验项目
试验指标
技术要求
试验方法
视密度（g/cm3）
2.711
≥2.60
T0330-2000
坚固性
3.7
≤12
T0334-1994
砂当量（％）
77.0
≥75
T0340-1994
2.3 矿粉
沥青混合料的填料宜采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等石料经磨细得到的矿粉，铜黄高速公路（铜汤三标）所采用的石灰石矿粉技术指标均满足规范的技术要求，实测试验指标见表4：

表4 矿粉的试验指标与技术要求
试验项目
试验指标
技术要求
试验方法
视密度（g/cm3）
2.668
≥2.50
T0352-2000
含水量(%)
0.2
≤1.0
T0332-1994
粒度范围
<0.6mm(%)
100
100
T0351-2000
<0.15mm(%)
95.1
90～100
<0.075mm(%)
78.2
75～100
外观
无团粒结块
无团粒结块
—
亲水系数
0.7
＜1
T0358-2000
塑性指数
3.0
＜4
T0118-1993
加热安定性
良好
实测记录
T0355-2000
2.4 纤维
本项目纤维经优选采用聚酯纤维厂家为美国纤化，掺量为混合料质量的0.225%。

3 级配的选择
在组成沥青混合料的原材料选定后，沥青混合料的技术性质在很大程度上取决于集料间的级配组成，沥青混合料由于集料的级配不同，可以形成不同的组成结构。总结多年的工程经验，我国2004年新推出的《公路沥青路面施工技术规范》中推荐了密级配沥青混凝土混合料矿料级配范围。铜黄高速公路（铜汤三标）中面层沥青混合料采用AC-20C的级配形式。
1) 级配范围如下：

表5 密级配沥青混凝土矿料级配通过率范围（％）
石料编号
级配编号
1＃料
2＃料
3＃料
4＃料
5＃料
矿粉
合成级配
级配1
25
18
17
12
24
4
筛孔（mm）
筛分结果（%）
AC-20C
26.5mm
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
19.0mm
96.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
99.0
16.0 mm
51.9
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
88.0
13.2mm
5.5
86.6
100.0
100.0
100.0
100.0
74.0
9.5mm
0.1
7.9
95.6
100.0
100.0
100.0
57.7
4.75mm

0.2
1.0
82.3
100
100.0
38.1
2.36mm

0.1
0.3
2.5
92.0
100.0
26.4
1.18mm

0.3
0.7
67.7
100.0
20.4
0.6mm

0.4
37.7
100.0
13.1
0.3mm

14.0
100.0
7.4
0.15mm

7.9
95.0
5.7
0.075mm

2.9
82.3
3.9
2) 矿质混合料级配曲线图如下：
0.075 0.15 0.3 0.6 1.18 2.36 4.75 9.5 13.2 16 19 26.5

图1 AC-20C级配曲线图
4 沥青混合料试验研究
根据现场各类集料的级配组成与上述确定的沥青混合料级配，确定各矿料的组成比例，以0.5%间隔变化沥青用量，确定最佳配合比，进一步对铜黄高速公路（铜汤三标）沥青混凝土生产配合比试验结果进行指导，从而为路面中面层施工的顺利进行提供依据。
4.1 马歇尔试验
为确定沥青混合料的油石比(Optimum asphalt content，简称OAC)，常用的试验方法是马歇尔法。我国现行国标(GBJ 92-93)规定的确定沥青最佳用量的方法，是在马歇尔法和美国地沥青学会方法的基础上，结合我国多年研究成果和生产实践总结发展起来的，主要步骤为：
在推荐的油石比范围内，以0.5%间隔变化，成型5种不同油石比的试件；
进行马歇尔试验，测定试件稳定度和流值，同时测定并计算试件的空隙率、饱和度与矿料间隙率；
按照施工规范规定的方法确定最佳油石比。
一、试件成型
按照规范要求，根据试验室以往经验，确定AC-20C的油石比范围为3.5~5.5%，采用0.5%的间隔变化，根据集料级配组成计算各种矿料用量，制备马歇尔试件(两面击打75次)。
二、马歇尔试验
首先测定物理指标：按规范规定的方法成型马歇尔试件，经24h后测定其视密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等物理指标。然后测定力学指标：测定物理指标后的试件，在60℃温度下测定其马歇尔稳定度和流值。试验结果如表6所示：
表6 马歇尔试验结果
油石比
Pa(%)
毛体积密度
ρs(g/cm3)
空隙率
VV(%)
矿料间隙率
VMA(%)
沥青饱和度
VFA(%)
稳定度
MS(kN)
流值FL
(0.1mm)
3.5
2.335
8.3
16.0
48.0
11.0
26
4.0
2.372
6.2
15.1
58.8
12.5
27
4.5
2.406
4.2
14.3
70.6
13.8
35
5.0
2.406
3.6
14.7
75.7
13.1
40
5.5
2.414
2.6
14.8
82.6
14.4
58
技术标准
(JTGF40-2004)
—
3.0~6.0
≥13
65~75
>8.0
20~50
1. 油石比与各项指标的关系曲线图

图2 油石比与毛体积密度关系曲线

图3 油石比与空隙率关系曲线

图4 油石比与饱和度VFA关系曲线

图5 油石比与稳定度关系曲线

图6 油石比与流值关系曲线
2．最佳油石比的确定
①由上图中曲线与沥青混合料技术标准可知，密度没有出现最大值，直接取目标空隙率4.0%对应的油石比为最佳沥青用量的初始值OAC1，即OAC1=4.55%。
②由图中曲线可知，各项指标均符合沥青混合料技术标准的油石比范围为：4.25％～4.95％，即OACmin＝4.25％，OACmax＝4.95％则中值OAC2=（OACmin＋OACmax）/2＝（4.25％＋4.95％）/2＝4.60％。
③取OAC1 和OAC2的中值为最佳油石比，即定最佳油石比OAC=（OAC1＋OAC2）/2＝（4.55％＋4.60％）/2＝4.6％。
4.2 水稳定性试验
沥青混合料的水稳定性是指抵抗受水侵蚀后逐渐产生的沥青膜剥落、掉粒和坑槽等破坏的能力。评价水稳定性试验的方法是测定沥青混合料在浸水前后力学性能的变化，以浸水后的力学性质和原性质的对比作为对剥落的间接量度，沥青混合料在饱水的情况下强度降低越小，说明水稳定性越好。
本研究中采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性能。
4.2.1 浸水马歇尔试验
沥青混合料分别采用最佳油石比成型的试件在60℃恒温水槽中的保温时间为48h，其余试验方法均与标准马歇尔试验相同。试件的浸水残留稳定度根据下式计算：
……………….. （1）
式中：MS0—试件的浸水残留稳定度，%；
MS1—试件浸水48h后的稳定度， kN；
MS—试件的稳定度，kN。
表7 沥青混合料浸水马歇尔试验结果
沥青混合料类型
正常稳定度（kN）
浸水稳定度（kN）
残余稳定度
（%）
技术要求
（%）
AC-20C加纤维
13.6
11.6
85.7
≥85
如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的浸水残余稳定度满足规范要求。
4.2.2 真空饱水冻融循环劈裂强度试验
该试验采用马歇尔击实法成型圆柱体试件，击实次数为正反两面各50次。试验时，将试件随机分为两组，每组4个，将第二组试件以标准的饱水试验方法真空饱水，再放入塑料袋中加入约10ml水，扎紧袋口，将试件放入-18℃的冰箱保持16h，取出试件立即放入已保持为60℃的恒温水槽中，撤去塑料袋，保持24h。然后，将两组试件全部浸入温度25℃的恒温水槽中2h。
取出试件立即进行劈裂试验，求得最大荷载，冻融劈裂抗拉强度比按下式计算：
…………. （2）
式中：TSR——冻融劈裂强度比，％；
RT2——冻融循环后第二组试件的劈裂抗拉强度，MPa；
RT1——未冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度，MPa。
沥青混合料分别采用最佳油石比成型试件，冻融劈裂强度试验结果见下表：

表8 沥青混合料冻融劈裂强度试验结果
沥青混合料类型
RT1
(MPa)
RT2
(MPa)
TSR
（%）
技术要求
（%）
AC-20C加纤维
0.81
0.70
86.5
≥80
如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的冻融劈裂强度比满足规范要求。
4.3 劈裂强度试验
劈裂试验是对规定尺寸的圆柱体试件通过一定宽度的圆弧形压条施加荷载，将试件劈裂直至破坏，测定其劈裂抗拉强度和破坏劲度模量。
沥青混合料采用最佳油石比成型标准马歇尔试件，试验条件符合《沥青与沥青混合料试验规程》（JTJ052－2000）的要求，劈裂强度试验结果见下表：
表9 沥青混合料劈裂强度试验结果（15℃）
沥青混合料类型
劈裂抗拉强度RT(MPa)
破坏拉伸应变εT (*10-2)
破坏劲度模量ST(MPa)
AC-20C加纤维
0.78
3.33
54.5
如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的劈裂强度和劲度模量均较小，而破坏拉伸应变较大。
4.4 车辙试验
为了模拟沥青路面在车轮的反复作用下产生车辙的情况，在试验室采用一个小型车轮在沥青混合料板块试件上进行往返行走试验，从而使板块试件形成象实际沥青路面那样的辙槽，这种试验方法称为车辙试验。车辙试验是评价沥青混合料抗车辙能力的较简单和有效的试验方法。该试验依据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）的要求并考虑到混合料均为粗粒式沥青混合料将沥青混合料成型为300mm×300mm×60mm的板式试件，在同一轨道上60℃温度下，以轮压为0.7MPa的实心橡胶轮作一定时间的反复碾压，形成车槽，以辙槽深度（总变形量）RD和动稳定度DS（每产生1mm辙槽所需的碾压次数）作为沥青混合料的抗车辙能力的评价指标。
沥青混合料试件的动稳定度按下式计算：
……………… .（3）
式中：DS—沥青混合料的动稳定度，次/mm；
d1—对应时间t1的变形量，mm；
d2—对应时间t2的变形量，mm；
C1—试验机类型修正系数；
C2—试件系数；
N—试验轮往返碾压速度，通常为42次/min。
沥青混合料采用试验室确定的最佳油石比成型试件，在60℃温度下进行车辙试验，其试验结果见下表：
表10 车辙试验结果
沥青混合料类型
动稳定度DS(次/mm)
总变形量d2(mm)
AC-20C加纤维
4573
2.460
技术要求
≥3000
－
如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的车辙动稳定度满足规范要求，总变形量也在合理范围内。
4.5 渗水试验
在沥青混合料配合比设计阶段进行沥青混合料的渗水试验是非常重要的。试验方法主要参照T0730-2000，混合料试件即采用按轮碾法制作的车辙板。在试验过程中，应仔细观察渗水的情况正常情况下水应通过混合料的内部空隙从试件的反面与四周渗出，如果水是从底座与密封材料间渗出，说明底座与试件密封不好，应另采用干燥试件重新操作。
对AC-20C沥青混合料的车辙板进行渗水试验，结果表明试验时水面下降至一定程度后基本保持不动(即只填充了仪器与试件之间的空隙)，说明试件基本不透水，具有较好的不透水性。
影响沥青路面渗水性的原因，包括：沥青用量、集料级配(密实型和骨架型)和空隙率等。从根本上看，沥青路面的渗水性与其空隙率有着直接关系，沥青用量和集料级配是通过影响空隙率的大小来影响其渗水性的，是间接的影响因素。一般来说：沥青混合料的空隙率小于4%时，基本上是不透水的；当空隙率超过7%时，该结构层属于透水的。在施工中，也是通过控制空隙率的大小来改变沥青混合料的透水性的。最佳油石比下，本试验中混合料的空隙率控制在4.0%左右，又由于纤维的添加必然对混合料内部空隙产生分割堵塞作用，使联通空隙大为减少。按照前面的观点，属于不透水的，与试验结果相符。
4.6 试验小结
现将沥青混合料性能的试验结果和技术要求整理于下表：

表12 中面层实测试验结果和技术要求
沥青混合料类型

指标和试验结果
AC-20C 加纤维
规范要求
试验方法
最佳油石比(%)
4.6
－
－
空隙率(%)
4.3
3.0~6.0
T0708
矿料间隙率（%）
14.6
≥13
T0708
饱和度（%）
70.4
65~75
T0708
稳定度（kN）
13.5
≥8
T0709
流值（0.1mm）
37
20~50
T0709
水稳性能
浸水残余稳定度MS0(%)
85.7
≥85
T0709
冻融劈裂强度比TSR(%)
86.5
≥80
T0729
车辙试验
动稳定度DS(次/mm)
4573
≥3000
T0719
总变形量d2(mm)
2.460
－
劈裂强度试验
劈裂抗拉强度RT(MPa)
0.78
－
T0716
破坏拉伸应变εT (*10-2)
3.33
－
破坏劲度模量ST(MPa)
54.5
－
渗水试验
渗水系数（ml/min）
不渗水
≤100
T0730
试验结果分析：
（1）铜黄高速公路(铜汤三标) 中面层沥青混凝土AC-20C加纤维目标配合比确定的最佳油石比为4.6％。研究过程中采用的性能试验的试验结果表明，在最佳油石比条件下成型的沥青混合料各项路用性能指标均能较好的满足JTG F40－2004《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求。
（2）本报告供施工单位施工时参照使用，沥青混合料的透水性与施工和易性应通过铺筑试验路做进一步评价。

参考文献
[1] 沈金安．沥青与沥青混合料路用性能研究[M]．北京：人民交通出版社，2001
[2] 沙庆林．高速公路沥青路面早期破坏现象与预防[M]．北京：人民交通出版社，2001
[3] William R.Vavrik，William J.Pine，Samuel H.Carpenter.Aggregate Blending for Asphalt Mix Design:The Bailey Method[R]. Paper No.TRB2002-3629
[4] 倪富健，尹应梅．聚酯玻纤布复合沥青混合料疲劳性能[J]．交通运输工程学报，2005（3）31-35
[5] 严家伋．道路建筑材料[M]．北京：人民交通出版社，1996
[6] 倪富健，郭咏梅，刘斌，唐祖萍．城市道路交叉口沥青混合料路用性能试验研究[J]．东南大学学报(自然科学版)，2003（6）777-781
[7] 沙庆林．高等级公路半刚性基层沥青路面[M]．北京：人民交通出版社，1999
[8] 黄卫，钱振东．高等沥青路面设计理论与方法[M]．北京：科学出版社，2001
[9] 于春江，王宏祥，杨新苏，倪富健．半刚性基层沥青路面下面层沥青混合料配合比设计研究[J]．重庆交通学院学报，2006（2）52-55
[10] 中华人民共和国行业标准，公路工程沥青与沥青混合料试验规程（JTJ052-2000），北京，人民交通出版社，2000
[11]Freddy L. Roberts，prithwi S. Kandhal. Hot Mix Asphalt Materials，Mixture Design and Construction. National Center for Asphalt Technology. November，1996.
[12] SHRP-A-400， Low-Temperature Cracking[R]. National Research Council.1994.
[13] 中华人民共和国行业标准，公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004），北京，人民交通出版社，2004
[14] 中华人民共和国行业标准，公路工程集料试验规程（JTG E42-2005），北京，人民交通出版社，2005